《Smart Cities》：Smart Urban Logistics and Tube-Based Freight Systems: A Review of Technological Integration and Implementation Barriers
Fellaki Soumaya,
Molk Oukili Garti,
Arif Jabir and
Jawab Fouad
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背景：智慧城市物流已成为可持续城市发展的关键组成部分，并对经济绩效、环境质量与城市宜居性产生直接影响。随着快速城市化与电子商务扩张，交通拥堵、污染物排放、基础设施承压以及末端配送效率问题愈发突出。在此背景下，地下式或封闭走廊式的管道货运运输系统作为一种可行的智
背景：智慧城市物流已成为可持续城市发展的关键组成部分，并对经济绩效、环境质量与城市宜居性产生直接影响。随着快速城市化与电子商务扩张，交通拥堵、污染物排放、基础设施承压以及末端配送效率问题愈发突出。在此背景下，地下式或封闭走廊式的管道货运运输系统作为一种可行的智慧基础设施选项而出现，可用于实现自动化且低环境影响的货物流通。
方法：本研究采用分析性文献综述，并辅以结构化案例研究分析，以考察管道式货运运输系统在未来城市物流中的潜在作用。研究通过结构化分析性文献回顾，考察了若干关键技术概念，包括气动管道（pneumatic tubes）、自动化胶囊运输（automated capsule transport），以及其与数字平台、物理互联网（Physical Internet）和智慧城市管理系统的集成。
结果：纳入综述的研究结果表明，管道式系统可通过将特定货运流从地面运输网络中转移出去，从而有助于缓解拥堵、减少排放并提升配送可靠性。然而，治理框架、基础设施集成水平以及制度协调机制，仍然会对所宣称的性能结果产生显著影响。
结论：管道式货运系统代表着通往更智慧、更可持续城市物流的一条具有前景但受条件约束的发展路径。其大规模部署受到高资本成本、标准化挑战、监管不确定性以及社会接受度问题的制约。为克服这些障碍，需要制定协调一致的投资计划、构建支持性法律框架，并采用与智慧城市目标相一致的综合城市规划方法。
1. Introduction
文章指出，城市物流在快速城市化、电子商务兴起、环境规制强化以及高可靠性快速配送需求增长的共同作用下，已成为现代城市治理中的核心难题。传统道路货运体系受到拥堵、土地稀缺、污染与噪声等外部性约束，难以持续支撑未来城市物流需求。基于此，研究将管道式货运运输系统界定为一种潜在的未来物流基础设施层级，其通过地下或专用高架封闭通道，借助自动化胶囊或载具实现货物运输，从而脱离地面交通条件约束，具备准时性强、排放较低与运行可预测等优势。作者进一步指出，现有研究在概念上高度分散，常将不同空间尺度、技术路径与物流功能的系统混用为“tube systems”，导致分析边界模糊。为弥补这一缺口，本文以分析性概念综述为路径，围绕概念澄清、类型划分、集成机制、实施影响与障碍展开系统分析，并提出三项研究问题，分别聚焦分类框架、集成促进与阻碍机制，以及经济—治理—社会接受层面的应用挑战。
2. Conceptual Scope and Classification of Tube-Based Systems in Urban Logistics
2.1. Definition and Conceptual Boundaries of Tube-Based Systems
本节首先从概念层面对管道式货运系统进行界定，即：面向货运应用、采用封闭导向式基础设施、通过专用通廊运输货物、并依赖自动推进机制运行的物流系统。其核心特征在于物理封闭性与空间隔离性，常见推进方式包括气压驱动、电牵引、磁悬浮（magnetic levitation）与真空辅助运动。基于这一界定，研究排除了传统液体或气体管道、无人机、常规铁路货运以及道路自动导引车（AGVs）等不符合条件的技术形态。文章同时回顾了其技术源流，指出19世纪的气动邮政系统虽验证了封闭式货运可行性，但规模与功能有限；而现代系统已扩展至从微型物流到大尺度真空货运走廊的广泛谱系。作者特别强调，应明确区分面向乘客的 Hyperloop 走廊与面向货运的管道物流系统，尽管二者在低压环境或磁悬浮等技术基础上存在相似性，但其目标函数、绩效指标、治理结构与集成需求存在本质差异。
2.2. Classification Framework for Tube-Based Freight Transport Systems
在分类方面，文章提出一个四维分析框架，用于统一比较不同类型的管道式货运系统。第一维为“空间尺度”，包括建筑内部、城市内部与城际三类，不同尺度对应不同的基础设施需求、成本结构与治理复杂性。第二维为“物流功能与货物特征”，区分文件、医疗样本、小包裹等微物流场景与包裹级、集装化货运场景，这直接关系到胶囊设计、吞吐能力与自动化复杂程度。第三维为“推进与运输技术”，涵盖气压、电牵引、磁悬浮与真空辅助等方案，不同技术在速度、距离、能耗、维护和资本密集度方面表现不同。第四维为“与城市物流网络的集成程度”，包括独立运行、枢纽连接与完全融入智慧城市物流平台三种层级。作者指出，这四个维度并非彼此孤立，而是在现实中共同决定系统可行性；该框架因此应被视为灵活的比较分析工具，而非固定权重模型。
3. Materials and Methods
3.1. Methodological Approach
方法上，研究采用结构化文献综述结合定性案例分析。文献检索覆盖 Scopus、Web of Science 与 IEEE Xplore 三个数据库，时间范围为2010—2025年。检索词分为两组：一组围绕管道运输技术，如“Tube Systems”“Pneumatic Tubes”“Hyperloop”“Automated Capsule Transport”“Vacuum Tube Transport”；另一组围绕城市物流应用，如“Urban”“City Distribution”“Last-Mile Delivery”“Smart City”等。初始共获得127篇文献，去重后形成90条唯一记录，经题名摘要筛选、全文审查与最终核验，最终纳入51篇研究。纳入标准强调英文同行评议、聚焦管道式货运及其城市物流应用、且可获得全文；排除仅讨论纯工程技术而缺乏物流视角的研究。案例分析部分则综合了北美、欧洲、亚洲和中东的代表性实践，包括 Nevada 的 Virgin Hyperloop 测试场、瑞士 Cargo Sous Terrain（CST）、新加坡“Smart Mobility 2030”框架以及 Dubai–Abu Dhabi Hyperloop 走廊，用以补充文献综述所得的技术、经济与治理洞见。
3.2. Limitations of the Methodology
作者对方法局限进行了审慎说明。首先，管道式货运系统仍处于新兴阶段，缺乏充分、细致且可比的实施数据，限制了分析深度与外推性。其次，该领域大量研究依赖仿真、概念设计与试点报告，尚缺少成熟运营系统的实证数据与全生命周期评估。再次，检索策略虽具有系统性，但仍可能遗漏未被关键词覆盖的小众研究或未纳入数据库的行业材料。作者据此强调，本文结论应被理解为基于现有知识语料的分析性洞见，而非对真实系统绩效的终局性判定，并建议未来通过试点项目、现场数据、公共交通数据集与智慧城市数据仓储开展更强的经验验证。
4. Literature Review
4.1. Conceptual Foundations of Tube-Based Systems in Urban Logistics
文献综述部分首先梳理了管道式货运系统的概念基础。相关研究将其视为城市货运移动的新范式，通过密封管道中的胶囊在磁力、气动或真空作用下运行，以规避道路运输的结构性限制。文献指出，该理念既具有历史延续性，也体现出面向智慧城市的“技术修复”逻辑。近年来，不少研究进一步从社会经济角度赋予其更高战略意义，认为其可能通过提升物流效率、促进可持续性与区域竞争力而成为智慧城市生态的一部分。同时，学界也强调学术界、产业界与政府之间协同创新的重要性，以推动一致的创新与政策框架形成。总体上，文献承认其作为脱离地面拥堵的新运输层具备潜力，但在现实层面仍主要停留于仿真与试点阶段，关键问题在于技术可行性、经济可行性与治理可行性的协同。
4.2. Technological Integration and Operational Applications
本节聚焦技术集成。研究指出，管道式系统的实现依赖人工智能（AI）、物联网（IoT）与材料工程等先进技术的融合。AI 可用于动态路径规划与预测性维护，IoT 传感器与数字孪生（digital twin）则支持实时监测、系统控制与安全管理。文章进一步将数字集成概括为三层：其一，基于 IoT 的感知架构，用于持续监测胶囊、管段与节点状态，包括振动、压力、占用率与能耗等参数；其二，数字孪生模型，用于模拟需求波动、调度策略与拥堵场景，以优化吞吐与能耗；其三，基于区块链（blockchain）的可追溯体系，用于生成防篡改运单记录，提升多主体协作透明度。相关原型研究表明，Hyperloop 与 CargoTube 等方案已开始探索自动化、分析技术与可再生能源的融合，并在高吞吐与能效方面展现潜力。然而，系统适应性、基础设施兼容性、资本密集度与维护复杂性仍构成重要技术约束。
4.3. Environmental and Societal Implications of Tube-Based Systems
在环境与社会维度，文献普遍将可持续性视为推动该系统发展的首要逻辑。通过将货运流转移至地下或地表以上封闭通道，系统有望降低空气污染、噪声与交通拥堵。若由可再生电力驱动，其运行排放可显著下降，并因气动阻力减少而提升能源效率。社会层面，潜在收益包括释放地面空间、改善空气质量、提升安全性以及创造绿色就业机会。但同时，文献反复指出公众接受度、项目成本、土地利用影响与治理透明性是关键制约因素。作者因此强调，应以环境、社会与治理（ESG）视角综合评估此类系统，而不是仅从工程性能出发。更进一步，研究将其置于智慧城市物流与地下物流系统（ULS）治理框架中，认为其成败高度依赖数据共享、制度协调、规划整合与多主体治理能力。
4.4. Gaps and Future Research Directions
对于研究缺口，文章认为当前最大问题在于经验基础薄弱，多数成果仍为仿真导向，缺乏成本、生命周期影响与运营绩效的实证数据。与此同时，治理、安全与数据共享框架尚未成熟，政策协同、公众认知及与无人配送车、无人机物流等替代方案的经济权衡也缺乏系统讨论。基于此，作者主张未来研究应走向跨学科整合，将工程、经济与政策研究结合起来，建立可行商业模式与监管框架。此外，文章提出管道式系统更适合作为多式联运城市物流体系中的补充运输层，而非对现有模式的简单替代；其适用性应依据货运需求密度、城市空间约束与投资能力进行差异化部署判断。
5. Results and Discussion
5.1. Technological Integration and System Performance
结果与讨论部分在前述综述基础上展开进一步比较分析。作者指出，被纳入研究的大多数定量指标来自仿真模型、可行性研究或试点预测，因此应作为情景性指示值而非经验验证结果来理解。从区域分布上看，欧洲相关研究占比最高，其次为亚洲和北美，说明学术关注存在明显地域差异。主题编码显示，技术集成、物流效率与环境可持续性是最主要的三大研究主题。围绕系统性能，文章归纳出自动化、推进技术和数据驱动控制构成其技术核心。AI、IoT 与实时控制系统的融合可支撑预测性维护、自适应路径配置与智能胶囊管理；低压与磁悬浮方案有助于在提高吞吐的同时降低能耗；配备传感器和板载 AI 的智能胶囊可提升装载、分拣与监控的自主性。但研究也明确指出，大规模扩展仍面临高精度基础设施要求、系统脆弱性、故障风险与现有物流基础设施兼容性不足等瓶颈。
5.2. Operational Applications and Case Studies
在案例层面，北美、欧洲、亚洲与中东呈现出不同的发展逻辑。北美案例以技术原型验证和经济整合分析为主，体现出市场导向与私营部门创新先行的特点，典型如 Nevada 的 Virgin Hyperloop 测试验证了真空条件下全尺寸试验的安全性与能效潜力。欧洲则更强调标准化、绿色创新与跨境协同，依托 Horizon Europe、Shift2Rail 及 TEN-T 等框架推动制度协调与互操作性建设，呈现出更强的政策整合导向。亚洲案例突出智慧城市内部物流集成，例如新加坡将地下物流系统纳入“Smart Mobility 2030”，通过数字孪生、IoT 与 AI 优化包裹在物流枢纽与零售中心之间的流动。中东则侧重大尺度走廊建设与区域联通，以 Dubai–Abu Dhabi Hyperloop 为代表，体现出国家主导、快速推进但公共投资风险较高的特征。文章借助四维分类框架指出，城际系统往往对应真空辅助或磁悬浮推进、集装化货运与更高资本强度；而城市内部应用更常与包裹级物流、枢纽连接及高度数字化集成相联系，因此与智慧城市物流目标契合度更高。
5.3. Environmental and Societal Implications
结果部分进一步确认，环境收益是该类系统最稳定的优势来源之一。地下化货运有助于减少 CO
2 排放、交通噪声与地面拥堵，并通过释放道路与装卸空间改善城市宜居性。但作者也指出，社会接受层面的证据明显不足，现有研究较少采用技术接受模型等规范性框架来分析公众态度，因此技术能力与社会准备度之间仍存在脱节。此外，文章强调，多主体治理安排是实施成功的必要条件。此类大型地下或封闭货运基础设施通常牵涉市政部门、基础设施运营商、物流企业、技术开发者与监管机构之间复杂互动，因此必须建立清晰的公私合作（PPP）机制、风险分担规则、长期融资安排以及数据共享与互操作标准。缺乏协调会带来成本超支、项目延误与合法性危机。
5.4. Future Perspectives and Opportunities
在未来展望上，研究认为该领域已进入技术可行性与规模化、互操作性、治理能力相交汇的关键阶段。后续研究需优先推进数据交换标准、安全监管框架以及与其他运输方式的集成规则，同时开展与无人机、自动驾驶配送车辆等低排放替代方案的技术经济比较。文章还指出，可再生能源网络、AI 驱动的物流优化与区块链追踪将为管道式货运系统带来新的发展机会；若与城市集散中心和电动末端配送车队耦合，可能显著降低排放并缩短配送时间。作者总体判断，短期内最具可操作性的路径是城市内部、枢纽连接型系统；而城际大规模部署则仍依赖标准化、融资机制与跨辖区监管协同的进一步突破。
6. Conclusions
结论部分总结认为，管道式货运系统为解决城市物流中的拥堵、污染和配送可靠性问题提供了具有吸引力的基础设施选项，但其价值高度依赖情境条件，不能被简单归因于技术本身。真正决定成效的是其与既有物流基础设施的融合程度、支持性治理框架以及与城市规划目标的一致性。研究据此提出，近期部署应优先考虑连接港口、城市集散中心和主要配送枢纽的城市内部走廊型应用，因为这些场景具有较高需求密度和较强运行可预测性，更可能支撑高额基础设施投资。相较之下，城际系统仍属于更长期的可能性。政策层面，文章主张根据区域治理能力和空间尺度采取差异化部署策略，如通过监管沙盒、基于绩效的采购机制及智慧城市数据平台接口推动先导走廊建设，并同步强化利益相关者参与、成本—收益透明分析与互操作标准。最后，作者强调，尽管本文构建了较为一致的分析框架，但未来仍需通过试点验证、技术经济评估及社会接受与治理机制研究，推动该领域从实验性概念迈向可扩展、可持续的城市货运基础设施。
