基于Petri網的冷鏈物流配送流程建模與仿真

溫 豹（中國海外工程有限責任公司，北京 100044）

針對我國目前配送系統尚未形成，營運成本較高，第三方冷鏈物流公司缺乏，服務質量較低。物流配送模式的選擇，先進的配送技術的采用等都是冷鏈物流發展需要研究的問題。我國學者在冷鏈物流配送模式和配送技術方面取得了一定的研究成果。

陳然、蘭洪杰、殷悅在發展冷鏈物流共同配送的探討中提到我國冷鏈物流的各個環節都比較落后，在我國目前所處的物流環境下，建立先進的大型配送中心，很難適應現實。面對冷鏈物流需求大增，提出在大多數冷鏈配送企業規模都較小的情況下，利用共同配送作為過渡手段解決我國冷鏈配送問題。將冷鏈物流共同配送分為冷鏈產業間的共同配送、異產業間的共同配送、共同集配。最后得出我國的冷鏈配送需要多個第三方配送企業來滿足一個大的區域內多家中小型銷售商。即利用虛擬的共同配送中心對形成合作關系的中小型冷鏈配送企業統一調控，完成各自負責的配送區域內的多家銷售公司的冷鏈食品供應模式[1]。趙玉國在冷鏈物流配送模式選擇探析中將供應商直接配送、企業自營配送、共同配送及第三方冷鏈物流企業的優劣進行比較，得出有多達60%的食品生產企業希望得到專業化的冷鏈第三方物流服務[2]。姚卓順的配送在冷鏈物流中的應用研究中提出冷鏈物流具有高協調性、高投資成本、高技術含量等特點。又由于冷鏈物流配送系統尚未形成，營運成本較高，第三方冷鏈物流公司缺乏，服務質量較低。提出建立一體化冷鏈物流配送模式、先進配送設備提高冷鏈物流效率、實施共同配送提高冷鏈物流作業效率、實施標準化作業鼓勵冷鏈物流企業發展[3]。

1 冷鏈物流的概念

所謂冷鏈物流泛指溫度敏感性產品在生產、貯藏運輸、銷售，到消費前的各個環節中，始終處于規定的低溫環境下，以保證物品質量，減少物流損耗的一項系統工程。它是以冷凍工藝學為基礎、以制冷技術為手段的在物流技術，制冷技術的發展中建立的低溫物流過程。冷鏈由冷凍加工、冷凍貯藏、冷藏運輸及配送、冷凍銷售四個方面構成。冷鏈產品多為易腐食品和藥品等，其對于溫度和對時效性的要求很高，主要表現在對整個鏈條中溫度的控制上，要求在整個過程中都要達到無縫銜接。

冷鏈物流的范圍包括：初級農產品（禽、肉、蛋；水果、蔬菜、花卉產品；水產品），加工食品（熟食制品、烘焙；速凍食品；快餐原料；奶制品和冷飲），特殊商品（藥品）。

2 Petri網理論的概述

Petri網是一種可以用網狀圖形表示的系統模型。它不僅僅是一種可以用數學圖形表示的數學對象，它首先是一種物理對象，因為它把尊重自然規律作為第一要義，這樣可以確保以Petri網為模型描述的系統可以實現。Petri網包括事件和條件兩個節點類型，在這樣的圖形中，分布著表示狀態資源或信息的托肯（Token），按照觸發規則進行狀態的演化，從而反映系統運行的全部過程。事件一般用“變遷”表示，條件用“庫所”表示，托肯用庫所內的小黑點表示，庫所和變遷之間用有向弧連接[4]。

下面將對Petri網定義以及其常用的一些元素做簡單的介紹。

網定義：三元組N=（P,T;F）成為有向網必須具備以下的幾個條件：

P∩T=Ψ（表示庫所和變遷是兩類不同的元素）；

P∪T≠Ψ（表示網中至少包含一個元素）；

F∈P×T∪T×P（表示變遷只能與庫所有直接的流關系）；

Dom（F ）∪cod（F）=P∪T（規定網中不能存在孤立元素）。

P：被用來描述有向網中的庫所，在這里是指該有向網中所有庫所的集合，用圓圈或橢圓表示。

T：被用來描述有向網中的變遷，在這里是指該有向網中所有變遷的集合，用方框或粗線表示。

F：用來描述有向網中庫所和變遷的關系，也叫流關系，一般用箭頭表示兩者之間的關系。

此外，在有向網中，我們需要對庫所的狀態（托肯）進行描述，一般是用庫所中的黑點來描述。在Petri網的圖形表示中，一般采用圓圈表示庫所，用方框表示變遷，庫所之間不能有有向弧，同樣，變遷之間不能有有向弧，而庫所和變遷之間可以存在有向弧，這是Petri網表示的基礎原則。

3 冷鏈物流配送流程建模、仿真和分析

冷鏈食品客戶提供集倉儲、運輸、配送、流通加工、信息等一體化物流解決方案。本文以北京市冷鏈物流公司A公司的配送流程為例[5]。A公司的配送流程如圖1所示：

圖1 簡單的冷鏈物流結構圖

3.1 應用CPNTOOLS建立仿真模型

Petri網的圖形模型通常由三種元素構成：表示狀態的庫所（Place）和表示變化的變遷（Transition）和托肯（Token）。根據圖1所示的流程圖使用Petri網對其進行建模。

當你打開CPN工具時，首先映入你眼簾的是一個窗口，其中窗口的左邊是索引部分，右邊是工作區域。索引區域位于CPN Tools窗口的左邊部分。

索引包括以下幾部分：工具箱：使用的所有工具的列表。幫助：鏈接到幫助Help，主頁Homepage，錯誤報告Report Bug和其他的網頁。選項：不同的選項，如：仿真等。

索引區入口左邊的藍色三角形表示這個入口可以被打開從而顯示更多有關這個入口的細節。單擊三角形以打開和關閉索引區入口。

網絡入口包含下述部分：步：在仿真過程中已經執行過的步的數目。時間：當前模擬時間。聲明：顏色集的聲明、功能的聲明、常量的聲明等。所有的聲明都是以CPN ML語言的方式來書寫的。

建立后的模型如圖2所示、圖2冷鏈配送流程Petri網模型中各元素含義如表1所示。

圖2 冷鏈配送流程Petri網模型

冷鏈公司在接到客戶的配送要求后，同時進行三項作業：一方面由聯絡人員將要配送的食品種類、數量等信息通知超市準備收貨，超市收到信息后安排自己的收貨員準備收貨；一方面，食品從倉庫中由作業組進行出庫、搬運、裝卸等作業，直至到達月臺，準備裝車；另一方面，由單據組打印好貨物清單后，交給隨車押運員，同時食品已經到達月臺開始和押運員共同清點食品數量，接受押運員簽字的確認單。在清點無誤后，進行后續的配送作業、到達、排隊、等待、卸貨。當食品卸載完畢和超市收貨員就位兩個條件都滿足時，開始驗貨作業，由收貨員和廠家的押運員共同清點貨物數目，清點無誤后收貨員簽單，準確無誤后，收貨員簽單并返還給押運員，押運員隨車返回，而食品則搬運到超市的冷藏柜（如圖3所示）。

表1 冷鏈配送流程Petri網中各元素含義

圖3 配送業務流程圖

3.2 仿真結果分析

通過上面的仿真可以看出，冷鏈物流公司進行三項作業完成從接到客戶要求開始到車輛返回結束的配送業務流程，大概需要155分鐘（P1開始P20結束），其效率是不高的。另外，食品從冷庫出庫到食品進入超市的冷藏柜，除去通知、出庫作業和運輸，整個食品在非冷庫環境下的時間為100分鐘（P3開始，P20結束，拋去T9環節），時間也是比較長的。

在上述各種并行業務流程中，一方面與貨物有關的環節P1→P2→P3→P4→P5→P9→P10→P11→P12→P13是一條關鍵路徑，提高該并行流的工作效率將有助于提高整個業務流程的效率。另一方面，流程中存在兩個等待時間較長的環節，一個是暫存區暫存，一個是排隊交貨。對這兩個環節進行改進，可以有效提高整個流程的效率。

3.3 對優化后的流程進行建模與仿真

通過改進措施的實施，可以得到新的流程：其中，由于調整發貨時間，出庫商品不再需要等待，原有流程中的P3（暫存區），T3（暫存區暫存），P4（暫存區），T4（搬運）得以取消；通過和超市加強溝通，排隊卸貨現象取消，原有流程中的T10（等待卸貨），P12（收貨區）得以取消；通過改串行流程為并行流程，實行卸貨和驗貨并行操作后，原有流程中的P13（卸貨完畢）取消，而增加了新流程中的T9（表示并列關系）；推動信息化建設，使原流程中T12（聯絡組通知超市準備收貨），P15（超市）得以取消。如圖4所示。

圖4 優化后的配送流程Petri網表示

各變遷耗時也有所改變，改變后的元素含義及變遷從上述結果可以看出，通過效率提高和流程重構兩種手段的實施，整個流程的耗時從原有的155分鐘降低到81分鐘，效率提高52.26%。

4 結論

本文利用Petri網具有獨特的優勢，其縝密的圖形和數學分析方法，以及嚴謹的層次表達方式和CPNTOOLS的仿真優化功能，對某冷鏈物流企業的配送流程進行建模和優化，通過流程合并、取消、簡化、重排、新增等業務流程優化方法，提高了企業的配送效率，降低了企業的配送成本。

本文雖對配送業務流程優化與仿真的研究有一定的進展，但是還有許多問題需要做更深入的討論與研究。針對本文目前的研究成果，還有如下問題需進一步研究與改進：

（1）流程仿真中有些參數的設定都是很理想化的，如變遷和庫所等參數。理想情況下，不同變遷活動都是服從均勻時間分布的，并且庫所的容量是沒有限制的，然而在實際中以上情況發生的概率很小。因而，在理想情況下得到的研究結果與現實還是有一定的差距。

（2）仿真參數必須增加和細化。在實際情況下，僅通過周期時間不能夠準確地將配送業務流程的瓶頸體現出來。但是，要想更好地解決這一問題，還必須對企業的實際問題做進一步了解，才能準確發現企業在實際配送業務流程中的問題。

[1] 陳然，蘭洪杰，殷悅.發展冷鏈物流共同配送的探討[J].物流工程與管理，2009(4):62-64.

[2] 趙玉國.冷鏈物流配送模式選擇探析[J].現代商業，2008(24):12.

[3] 姚卓順.配送在冷鏈物流中的應用研究[J].物流工程與管理，2009(8):104-106.

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[13] 王慧.基于Petri網的物流配送業務流程優化與仿真研究[D].武漢：武漢理工大學（碩士學位論文），2011.

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[15] 孫亮，王光臣，孫建鎮.Modeling and Analysis of Logistics System Base donStochastic Petri Net under Supply Chain Circumstances[J].Journal of South west Jiao tong university（English Edition）,2009(3):253-258.