空轨系统在铁路多式联运集疏运中的应用前景探讨
《铁道货运》杂志 2023年12期 作者：孙梅玉，李明高，高晴，熊家家
(1. 中车工业研究院有限公司 技术研究部，北京 100073；2. 北京交通大学 交通运输学院，北京 100044)
我国铁路多式联运集疏运长期存在基础设施设备配置不足、综合物流成本高、运输效率低的问题。铁路专用线作为国家铁路干线与港口、大型工矿企业、物流园区等无缝高效联通的重要基础设施，是畅通铁路多式联运“前后一公里”的重要举措。但是由于建设成本高、征地困难等原因，码头与物流园区的铁路专用线建设还相对滞后，且部分既有专用线由于使用成本高、能力不匹配、场间距离较远等原因，仍需借助公路集卡完成集装箱在堆场和站场间的转运，导致铁路专用线未能完全满足港口、物流园区等多式联运型枢纽的集疏运需求。而空轨系统作为一种空中轨道集疏运系统，能够充分利用立体空间、延伸铁路服务链条、提高装卸效率，从而解决铁路专用线建设征地难的问题，有效提升铁路与港口、物流园区的无缝衔接水平，对增强铁路多式联运的市场竞争力具有重要意义。
1 铁路多式联运集疏运分析
1.1 铁路多式联运集疏运系统
多式联运以港口、物流园区等为衔接中心，依托两端水运、铁路、公路网络及其设施设备实现集装箱的联运。常见的铁路多式联运集疏运系统如图1所示。其中，铁路专用线通过深入衔接中心开辟的联运作业区，达到各运输子系统间相互协同、相互耦合的目的。
图1 铁路多式联运集疏运系统Fig.1 Railway Multimodal Intermodal Transport and Hub Operations System
1.2 铁路多式联运集疏运存在问题
1.2.1 基础设施配备不足
专用线是铁路多式联运集疏运中重要的衔接设施，但是由于早期规划建设的铁路缺乏与其他方式交通设施的衔接，导致我国主要港口专用线引入不足，物流园区内的大型企业普遍缺乏铁路专用线连接，使得短途与长途运输方式的设施衔接不足，无法很好地承担转运功能。根据统计，目前我国主要港口中，引入铁路线的港口占比不到80%，内河港铁路线路引入不足，全国23个大型港口的铁路集疏运量仅占一成；物流园区公、铁设施衔接水平普遍不高，只有37%的物流园区周边5 km内具有铁路货运站(或园区具有铁路作业线)，距离铁路货运场站5 km以内的物流园区比例为27%[1]。
1.2.2 运输时效性较差
从多式联运枢纽层面来看，第一，部分繁忙枢纽内部由于运输路径规划不够通畅，企业大量占用走行线装卸车，使得专用线运输压力巨大，增加了铁路多式联运短驳耗时；第二，铁路集装箱办理站分散，且要求列车满轴开行以减少对线路能力的浪费，但由此增加了集结中转时间。从场站内部配置来看，第一，部分车站、港口、物流园区由于缺少装卸线或装卸线长度不足，部分堆场、站场由于装卸设备能力饱和，存在装卸效率低下的问题，增加了铁路多式联运的运到时间；第二，由于各运输方式衔接设备标准不统一，使得货物在枢纽中转时增加了二次装卸，降低了多式联运效率。
1.2.3 运输成本较高
首先，各专用线、港口、物流园区在规划时由于涉及范围广、协调部门多，缺少配套的政策与支持，使得各运输方式间缺少一体化的设计与考虑，部分枢纽内部铁路站场和堆场、仓库、码头前沿等衔接不充分，使得专用线无法直接承担多式联运的转运功能，需要公路短驳衔接，增加了运输成本；其次，各运输系统间的信息互通和设备联动相对滞后，缺乏信息和资源的整合与共享，由于数据格式、字段内容、保密程度不同，目前依靠手动录入数据既降低了多式联运互联互通效率，也增加了人员成本。
1.3 铁路多式联运集疏运发展方向
近年来国家层面的宏观规划强化建设现代化综合交通运输体系，推动铁水、公铁、公水、空陆等联运发展，加快综合货运枢纽多式联运换装设施与集疏运体系建设等多式联运发展策略[2]，这为解决铁路多式联运集疏运存在的问题提供了重要指导。在物理层面，除继续完善多式联运网络运输通道的建设外，应积极推进多式联运枢纽内部的服务网络衔接优化以及技术装备的对接优化；在运输组织层面，则应创新多部门合作机制、优化运输组织模式、提升综合服务水平，从而实现多运输系统的高效协调。
未来，铁路在解决多式联运集疏运问题方面的建设重点应集中在铁路专用线进港、进物流园区2部分[1]。对于进港铁路专用线而言，其承担海铁联运的集疏运功能，因此港口专用线的规模也将在一定程度上影响我国的海铁联运规模。虽然目前我国进港铁路的建设较为缓慢，并且部分线路能力有限，“港铁分离”的现象在部分港区仍无法解决，但进港铁路专用线在提高铁路运输能力的同时也能缓和货物集散对码头仓库容量的要求，减少由于船舶到港时间不确定、货流不均衡而引起的压船压货现象，从而发挥港口的最大潜力，是实现铁水联运的重点；物流园区铁路专用线则是推进“公转铁”的重要突破口，虽然现阶段物流园区的公、铁设施衔接水平普遍不高，但可开拓的空间巨大，发展势头将十分迅猛。
虽然对现有专用线进行改建或新建专用线能够最大程度上解决铁路在多式联运集疏运建设中结构设置不合理、基础设施不完善等物理层面问题，但从经济性的角度出发，由此产生的高额的人力、物力以及时间成本并不适用于我国大多数港口和物流园区的现状。而空轨系统由于高架在空中，具有占地面积小、线路适应性强、建设成本低廉的优点，能有效解决铁路专用线建设困难的问题。以武汉阳逻港为例，由于整体规划限制，铁路集装箱站场与码头前沿间有2.5 km距离且需经过社会通道，依靠社会车辆或内部集卡进行短驳不利于多式联运的低碳发展以及铁水联运效率的提升，湖北港口集团因此规划铺设空轨系统以解决阳逻港铁水衔接最后一公里的问题。
2 空轨系统构成及作业流程分析
空轨又称为悬挂式单轨，其技术20世纪初起源于德国，20世纪70年代成熟于日本，最早应用于城市内旅客运输[3]。2020年，中国中车股份有限公司在此基础上研制了集装箱货运空轨系统，可应用于港口、物流园区等多式联运场景[4]。以青岛港前湾港区集装箱智能空轨集疏运系统为例对空轨系统的构成及作业流程进行说明。
2.1 空轨系统的构成
空轨系统由动车系统、轨道系统、供电与通信系统、运行控制系统、信息系统、站点装卸系统6部分组成。其中动车系统包含车架、转向架、牵引与制动系统、提升系统和防护系统，用于货运动车的水平运输和垂直升降，可使得动车免受天气影响全天候运行。空轨动车系统结构如图2所示[5]；轨道系统包含墩柱、轨道梁、道岔梁等结构，在设计时应综合考虑码头空间布局、最小作业空间、结构可靠性和维护成本等多方面的因素[6]；供电与通信系统为动车车体等配套设备提供牵引力和电源，供电系统由变电所、外部电源、接触轨等组成，其位置应综合考虑空间距离、经济性等因素[7-8]；运行控制系统基于列车自动控制系统(ATC)，由列车自动监控系统(ATS)、车载控制器(VOBC)、计算机联锁系统(CBI)、区域控制器(ZC)、数据通信系统(DCS)等组成。智能空轨运行采用全自动控制，同时实现了智能调度、站点装卸控制等功能，避免人为失误造成事故；信息系统可分为空轨调度系统和车辆运输控制系统2部分[9]。空轨调度系统通过平衡各方运输需求，满足码头运行、装卸、调度、作业等复杂场景。车辆运输控制系统以集装箱运输调度为核心，实现空轨动车与其他子系统设备联动[10]；站点装卸系统由上层的空轨运行控制系统、中层的站点装卸管理系统(SMS)和终端的接驳辅助定位系统组成，以3层架构实现各装卸站点的装卸设备和空轨系统货运动车之间的无缝衔接。
图2 空轨动车系统结构Fig.2 Structure of motor car system in air rail system
空轨系统依托于高速动车组的运行控制技术，同时吸收了铁路货物运输组织经验，具有以下优点。
（1）高架在空中，占地面积小，不干扰地面作业。
（2）线路适应性强，环境适应性好。
（3）建设成本低廉，施工简便。
（4）运行安全快速，维修成本低。
（5）智能化运行，能够匹配自动化装卸设备。
（6）可以实现小编组、高密度的集装箱运输组织。
2.2 空轨系统集疏运作业流程分析
空轨系统可架设在码头与铁路站场间、物流园区与铁路站场间、码头和物流园区间，使用信息系统获取铁路站场、物流园区以及港口的集装箱信息及运输设备和装卸设备的调度信息并生成运输计划，依靠运行控制系统控制空轨动车运行至指定位置，通过和龙门吊、集卡、自动导引车(AGV)等地面设备的配合完成集装箱抓放、装卸与转运。
2.2.1 铁路端空轨系统集疏运作业
（1）铁路卸车流程。铁路卸车流程可分为落地或不落地2种，铁路列车到达铁路站场，龙门吊取箱后放至箱场堆存(或直接放置于场内集卡上)，由场内集卡运送至空轨装卸线下方并完成对位，空轨动车系统抓取收箱后，运送至下一作业地点。铁路卸车流程如图3所示。
图3 铁路卸车流程Fig.3 Unloading process in railway transport
（2）铁路装车流程。铁路装车流程同样可分为落地或不落地2种，空轨动车到达空轨装卸线后，场内集卡完成对位，空轨动车系统下降落箱至场内集卡，场内集卡接箱后运送至箱场堆存(或直接由龙门吊抓取放至列车上)，在铁路列车到达后，由龙门吊协助完成集装箱装车作业。铁路装车流程如图4所示。
图4 铁路装车流程Fig.4 Loading process in railway transport
2.2.2 码头端空轨系统集疏运作业
以空轨到达码头卸车为例，从铁路端/物流园区端到达码头空轨装卸线的空轨动车(重车)，在码头集卡或AGV完成精确对位后，空轨动车解锁并将集装箱下放至码头集卡或AGV上，集卡或AGV驶离装卸区时系统复核箱体信息，并将集装箱运输至码头堆场。反之，经海运/内河到达的集装箱也将在堆场由码头集卡或AGV运输至空轨装卸线，空轨动车装车后，将其运输至物流园区或铁路站场。
2.2.3 物流园区端空轨系统集疏运作业
空轨动车(重车)到达物流园区端装卸车流程可参照码头端作业流程，而到达物流园区的集装箱一般由公路集卡运输，故可根据作业时间决定是直接运输至空轨装卸线装车，还是运输至堆场再经由内集卡或AGV转运至空轨装车。
3 空轨系统应用前景分析
3.1 青岛港空轨系统应用总结
青岛港前湾港区集装箱智能空轨集疏运系统是空轨货运技术首次在港口集疏运领域的应用，能够解决多式联运中铁路运输和海运码头衔接弱的问题，同时也通过立交架构疏解了平面层公路短驳运输同其他运输方式交叉的问题，是港口建设智能化、绿色化的有益探索，也是空轨系统应用于铁路多式联运集疏运的典型代表。
通过总结青岛港前湾港区的应用情况，空轨系统建设成本大约在铁路专用线建设的1/2左右，包含维修成本在内的运输成本在公路运输的1/3左右，平均运行速度可达到15 km/h。但由于目前青岛港空轨系统线路长度较短，且是点对点的运输，能够承担的海铁联运量较小，还无法充分发挥空轨系统的优势。考虑到空轨系统的建设成本以及空轨装卸、换装的作业时间，空轨系统的优势在于距离10 km以上、成网络规模的场站间运输。
随着空轨系统连接场站数量的增多，其运输组织难度大幅度上升，同时由于青岛港内各业务部门相互独立，空轨运行控制系统尚不能同各业务管理系统深度融合，调度人员的工作便捷性还有待提升，空轨系统与码头、货场等作业场所现有业务流程的衔接性成为了制约发展的重要因素。因此，未来在进行空轨系统设计时，应充分考虑空轨对接的作业模式，深入研究空轨系统网络化运营的运输组织优化问题，统筹设计空轨调度控制系统底层架构，以便与其他运输方式的信息系统融合。
3.2 适用场景分析
结合青岛港前湾港区运用经验，对各转运方式开展SWOT分析。各转运方式SWOT分析如表1所示。虽然空轨系统具有轨道交通的运量大、速度快、安全环保的明显优势，但是相比公路短驳集卡其灵活性不足，需要一定的前期固定设施投入，并且需要新建信息系统以融入现有联运系统，在早期联运量规模较小时的竞争力较弱。依托国家宏观政策，充分发挥空轨系统成本低、适应性强、智能化高的优势，有助于尽快融入现有场站、码头的多式联运体系，提升多式联运集疏运效率。
表1 各转运方式SWOT分析Tab.1 SWOT analysis and comparison of different transportation modes
通过表1的SWOT分析，空轨系统可以在一定程度上弥补专用线建设困难、使用成本高的缺点，并能够缓解公路集卡对于平面交通的干扰以及绿色发展面临的问题，由此可得出空轨系统适用场景如下。
（1）多式联运需求达到一定规模，但铁路专用线建设困难。
（2）已有专用线，但专用线邻而不接、接而不畅。
（3）装卸作业场地有限或装卸设备能力饱和。
（4）平面层公路运输拥堵或与其他运输方式交叉。
（5）场间距离较远，但现有中转运输及装卸成本较高。
（6）有智能化、绿色环保发展需要的码头或物流园区。
3.3 建设要求分析
首先，在建设空轨系统时要统筹考虑铁路站场、物流园区、码头等集装箱场站的布局以及作业模式，比选不同的场站布置及联运方案，以实现空轨系统和现有运输模式的无缝融合，避免因作业流程的增加而降低运输效率；其次，除硬件设备设施外，空轨系统的信息系统应对接好各运输企业的信息管理系统以及调度控制系统，以实现各系统间的信息互通和设备联动。
3.4 未来研究方向
空轨系统囿于有轨运输方式的固有特性，其运输灵活性远不及公路集卡，一旦轨道线路修建完成就难以调整。因此，针对不同场站的布局与设施配置的特点，研究空轨系统的装卸布局，网络化的运输组织优化，形成多式联运站场转接方法、流程与作业标准，将是空轨系统运输组织的研究重点；同时，空轨系统作为铁路专用线与公路、水运、航空等运输方式的“粘合剂”，其对故障等特殊情况的处置效率决定了多式联运系统的整体运输效率。因此，构建覆盖空轨动车、在途货物以及运输环境的安全状态评估技术体系，实现对货物、车辆和环境的检测、监测、预警和在途管理也将是空轨系统未来研究方向。
4 结束语
空轨货运技术的发展解决了铁路多式联运的“前后一公里”接驳问题，发挥了轨道运输在多式联运中安全可靠、绿色环保、成本低、运能大、全天候运行的优点。同时，空轨货运技术与多式联运运输作业的有机融合，有助于降低物流成本、提高货物运输效率，从而推进交通运输领域的节能减排、降本增效和转型升级。但考虑到空轨系统仍需要进行一定的前期投资，而且在取箱或落箱时仍需要场内集卡或AGV协助完成精准对位，并不适用于短途点对点运输以及规模运量较小的港口或场站。因此，在空轨系统整体设计时应综合考虑连接对象的运量规模与现有作业模式，同时其在装卸布局、运输组织、安全评估技术等方面还有待更加深入的研究，更多的应用场景也需要继续完善。