世界管道物流运输的发展趋势

摘 要: 在目前的信息化时代，传统的交通运输方式已经阻碍了社会的发展，城市的交通拥堵、环境污染以及电子商务(e-business)的物流瓶颈等也都是困扰大城市的首要问题。为此，许多国家正在研究管道物流系统，特别是城市地下管道物流运输系统，更是一个十分新颖的研究领域。本文介绍了国外管道物流的发展历史及研究现状，分析了地下管道物流研究要解决的关键问题主要集中在工程规划建设和相关技术、自动化传输和监控技术和成本效益分析三个方面。本世纪大力发展和全面推动城市地下管道物流系统建设的技术条件已基本成熟，地下管道物流将是一个具有划时代意义的研究与发展领域。

关键词: 地下管道; 物流运输; 发展现状; 关键技术

1 概述

在城市,配送物流是保证城市正常运转的重要组成部分,配送内容包括机关单位物资供应、市民消费品配送、对商场店铺的货物配送以及各类商务办公物品的流转等。配送方式主要是通过各类车辆。但是，在目前的信息化时代，这些传统的交通运输方式在工业发达的地区和一些大城市早已超过了其所能承受的最大极限，从而也给仍然依赖于传统的交通运输方式的城市物流配送体系带来很大影响。

据ADAC(全德汽车俱乐部)的资料，由交通问题导致目前德国每年的经济损失约为1000亿欧元。在中国，城市的交通拥堵、环境污染以及电子商务(e-business)的物流瓶颈等也都是困扰大城市的首要问题。以地面车辆为主要方式的城市配送物流是造成城市交通拥挤和大气污染的主要根源。而且在网上购物和电子商务日益普及的今天,原始的上门配送方式无论从速度上还是形式上,都显得有些不合时宜。

发展城市地下物流以及管道物流是一个新的思路,把管道物流从今天只能配送液体、气体等物质向配送固体物质(包括日用品的运输供应和城市垃圾的外运等)延伸,把地面上以车辆配送为主要形式的物流转向地下和管道中,是一个具有划时代意义的研究与发展领域。通过实施地下管道物流,可以极大地减少城市环境污染,给人们留下明媚的阳光、清洁的空气和宽敞的空间; 还可以大大提高物流配送速度和运行效率,适应电子商务和网上购物发展的要求,改善人们的生活质量。

2 世界管道物流运输的发展现状

采用管道运输和分送固、液、气体的构想已经有几百年的历史了，现有的城市自来水、暖气、煤气、石油和天然气输送管道、排污管道可以看作管道物流的原始形式。但这些管道输送的都是连续介质，而本文所讨论的则是固体货物的输送管道，这类管道物流运输形式可分为气力输送管道(Pneumatic Pipeline)、浆体输送管道(Slurry Pipeline/ Hydraulic Transport)、囊体运输管道(Capsule Pipeline)。

2.1 气力输送管道(PneumaticPipeline)

在20世纪，开始通过管道采用气力或水力的方法来运输颗粒状的大批量货物，气力管道输送是利用气体为传输介质，通过气体的高速流动来携带颗粒状或粉末状的物质。可输送的物质种类通常有煤炭和其它矿物、水泥、谷物、粉煤灰以及其它固体废物等等。第一个气力管道输送系统是1853 年在英国伦敦建立的城市管道邮政系统；随后，在1865年，由Siemens & Halske Company 在柏林建立了德国第一个管道邮政网，管道直径为65mm，该系统在其全盛时期的管道总长度为297km，使用达100余年，在西柏林该系统一直运行到1971 年，在东柏林直到1981才停止使用。近年来，管道气力输送开拓了一个新的应用领域——管道废物输送，在欧洲和日本的许多大型建筑系统，都装备了这种自动化的垃圾处理管道，位于美国奥兰多的迪斯尼世界乐园也采用了这种气力管道系统，用于搜集所产生的垃圾。

在管道气力输送中，最重要的是吹动固体颗粒需要较高的气流速度，特别是固体颗粒直径或密度较大时就更是如此。在气力输送中，管道的磨损和能量消耗也是较高的。因此，管道气力输送的经济、实用的输送距离通常是很短的，一般不超过1km。在特殊情况下，如美国在建造胡佛大坝和大古力水坝时，就采用了大约2km长的气力管道来输送水泥，这是相当长的气力输送管道。气力输送管道多见于港口、车站、码头和大型工厂等，用于装卸大批量的货物。美国土木工程师学会(ASCE)在报告中预测: 在21 世纪，废物的管道气力输送系统将成为许多建筑物(包括家庭、医院、公寓和办公场所等)常规管道系统的一部分，可取代卡车，将垃圾通过管道直接输送到处理厂。这种新型的垃圾输送方法有望成为一个快速增长的产业。

2.2 浆体输送管道(Slurry Pipeline)

浆体输送是将颗粒状的固体物质与液体输送介质混合，采用泵送的方法运输，并在目的地将其分离出来。输送介质通常采用清水。浆体管道一般可分为两种类型，即粗颗粒浆体管道和细颗粒浆体管道，前者借助于液体的紊流使得较粗的固体颗粒在浆体中成悬浮状态并通过管道进行输送，而后者输送的较细颗粒一般为粉末状，有时可均匀悬浮于浆体中。和气力输送类似，粗颗粒浆体管道的能耗和对管道的磨损都较大，通常只适用于特殊材料(如卵石或混凝土)的短距离输送；而细颗粒浆体管道则相反，由于能耗低、磨损小，在运输距离超过100km 时，其经济性也比较好。如美国的B l a c k Mesa 煤浆输送管道总长438km，管道直径为456mm ，每年从亚利桑那州的一个煤矿运输460万吨的煤到内华达州的一个发电厂，该管道系统从1970年一直成功地运行到现在。

美国土木工程师学会预测，这种方法将来可应用于从自来水厂或污水处理厂向污泥处理厂或污泥填埋场输送污泥，这方面的应用虽然目前还没有，但将来可能会变得非常普遍。

2.3 囊体运输管道(Capsule Pipeline)

囊体运输管道(CapsulePipeline)又可分为气力囊体运输管道(Pneumatic Capsule Pipeline-PCP)和水力囊体运输管道(Hydraulic Capsule Pipeline-HCP)两类。PCP利用空气作为驱动介质，囊状体作为货物的运载工具。由于空气远比水轻，囊体不可能悬浮在管道中，为了在大直径管道中运输较重的货物，必须采用带轮的运输囊体(如图1 和2)。PCP系统中的囊体运行速度(10m/s)远高于HCP 系统(2m/s)，所以，PCP系统更适合于需要快速输送的货物(如邮件或包裹、新鲜的蔬菜、水果等); 而HCP 系统在运输成本上则比PCP系统更有竞争力，适合于输送如固体废物等不需要即时运输的大批量货物。

大部分气力管道系统是在19 世纪的下半叶到20世纪的上半叶兴建并投入运行的，这里值得一提的是20世纪60年代初德国汉堡的大直径管道邮政系统，其管道直径为450mm，由于运输工具的尺寸和重量较大，其下部安装有滚轮，运输速度为36km/h 。从技术上来看，该系统运行一直非常良好，但是由于该系统的时代性，终于在1976年经历了16年之后由于经济原因而关闭。英国伦敦在1927年建成了一个被称为“Mail Rail”的地下运输系统，用于在伦敦市区的邮局之间进行邮件传送，该系统至今仍在运行之中；另外，在伦敦还有一条新的自动化地下管道运输系统，管道的内径为2.74m，每辆运输车的运输能力为1 吨，行驶速度可达60km/h。二战以后，在其他一些国家也分别建立了各具特色的气力管道输送系统，其直径达到或者超过1000mm，其中两个具有代表性的例子：一是前苏联的“Transprogress”系统，该系统采用直径为1220mm 的钢制运输管道，可输送单个的集装箱或者装有集装箱的运输车；二是建于美国Georgia州的“Tubexpress” 系统。

1972年，日本的住友株式会社将管道运输的应用领域进一步扩大，建立了一条货物运输管道，用于从一个石灰石矿向水泥厂运送石灰石，从1983年开始，其年输送能力达到200万吨。其采用的管道形式有两种：圆形管道(图1)和方形管道(图2)，这两种系统均由日本Somitomo金属工业兴建并成功地运行。其中圆形的管道是用来运输石灰石等, 方形管道是用来在施工较长隧道或高速公路时，运输挖掘下来的岩石和建筑材料等。另外，日本的邮政和通讯部还提出要在东京的深部地下空间(50～70m)修建一个“Tokyo L-net”用来连接东京市中心的邮政局并用来运送其它货物。

目前美国在囊体管道方面的研究主要集中在利用电磁马达来驱动运输囊体。密苏里哥伦比亚大学囊体管道研究中心（CPRC) 和明尼苏达大学的研究者正在研究线感电机(LIM)作���囊体驱动装置；佛罗里达正在研究利用线性同步电机来驱动囊体。

2.4 德国的CargoCap

以上应用实例只能看作是管道物流的初级形式，美、荷以及日本的研究主要集中在管道的水力和气力输送以及大型的地下货物运输系统(UFTS) ，德国波鸿鲁尔大学D. Stein 教授领导的课题组在1998 年得到北莱茵威斯特法伦州政府的资助开始研究Cargocap地下管道物流配送系统。这一系统应该是目前管道物流系统的最高级形式，运输工具按照空气动力学的原理进行设计，下面采用滚轮来承受荷载，在侧面安装导向轮来控制运行轨迹，所需的有关辅助装置直接安装于管道中。运输工具由传统的三相电机驱动，在无人驾驶的条件下在直径约为2m 的地下管道线路中运行，同时通过雷达
监控系统对其进行监控。在系统中单个运输车的运行是自动的，通过计算机对其进行导向和控制; 尽管运输车之间不通过任何机械的方法进行连接，在运输任务较大时，也可以使他们之间的距离很小，进行编组运输，其最小间距可以通过雷达控制系统控制在2.0m。在这一控制系统中，运输车可以自由地出入每一个运输编组而不会导致运行速度的降低(图3 和
图4)。在正常情况下，通过这种系统可以实现36km/h 的恒定运输速度。