鐵路物流中心物流能力仿真系統(tǒng)總體設(shè)計

李傳勇何世偉陳旭超

（1中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司土木建筑設(shè)計研究一院 四川 成都 610031）（2北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院 北京 100044 3北京交通大學(xué)城市交通復(fù)雜系統(tǒng)理論與技術(shù)教育部重點實驗室 北京 100044）

鐵路物流中心物流能力仿真系統(tǒng)總體設(shè)計

李傳勇1何世偉2陳旭超3

（1中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司土木建筑設(shè)計研究一院 四川 成都 610031）（2北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院 北京 100044 3北京交通大學(xué)城市交通復(fù)雜系統(tǒng)理論與技術(shù)教育部重點實驗室 北京 100044）

研究目的：隨著我國經(jīng)濟發(fā)展進入“新常態(tài)”，鐵路物流中心建設(shè)對提高鐵路物流運輸服務(wù)水平具有十分重要的意義。鐵路物流中心是一個十分復(fù)雜的物流系統(tǒng)，傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式難以對鐵路物流中心設(shè)計方案做出準(zhǔn)確定量評價，因此計算機仿真成為大型場站設(shè)計規(guī)劃中所廣泛采用的技術(shù)手段。本文基于離散事件系統(tǒng)理論，重點研究鐵路物流中心物流能力仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計，并給出系統(tǒng)驗證實例。

鐵路物流中心；仿真系統(tǒng)；物流能力；離散事件系統(tǒng)

隨著我國鐵路貨運改革的不斷推進，鐵路貨運由原來的按照計劃組織貨物運輸轉(zhuǎn)變?yōu)橐勒帐袌鲂枨髞斫M織貨物運輸[1]，鐵路物流中心的建設(shè)運營對保證鐵路貨運時效性，建設(shè)全程物流服務(wù)體系有十分重要的作用[2]。根據(jù)十三五鐵路發(fā)展規(guī)劃要求，“十三五”期間鐵路物流中心建設(shè)將進一步加快加強，2015-2017年，全路規(guī)劃改造建設(shè)33個一級鐵路物流中心站，175個二級鐵路物流中心站及300個左右的專業(yè)鐵路物流中心，鐵路物流中心站在我國鐵路貨運體系中將發(fā)揮舉足輕重的作用。采用計算機仿真方法進行鐵路物流中心規(guī)劃設(shè)計，能夠克服傳統(tǒng)經(jīng)驗公式誤差大、不全面的缺點，提高設(shè)計規(guī)劃精度，降低建設(shè)運營成本[3]。

1.概述

1.1鐵路物流中心

根據(jù)2016年出臺的《鐵路物流中心設(shè)計規(guī)范》，鐵路物流中心指依托鐵路、具有完善信息網(wǎng)絡(luò)、為社會提供物流活動的場所，并具有為社會或企業(yè)自身提供物流服務(wù)、功能健全、集聚輻射范圍大和存儲吞吐能力強等功能的特點[4]。

鐵路物流中心按辦理貨物品類和性質(zhì)可分為專業(yè)性和綜合性鐵路物流中心，其中綜合鐵路物流中心為多種類型貨物的提供到發(fā)、裝卸、倉儲、加工等服務(wù)，典型的綜合鐵路物流中心站的平面布局如圖1所示。綜合鐵路網(wǎng)物流中心包含多種類型的貨運功能區(qū)，主要貨運功能區(qū)包括：

圖1 典型鐵路物流中心平面示意圖

（1）集裝箱功能區(qū)：提供集裝箱的運裝卸、多式聯(lián)運及門到門服務(wù)、掏裝箱作業(yè)、臨修及清洗，裝卸和運輸機械的檢修及清洗等功能。

（2）長大笨重貨物功能區(qū)：提供長大笨重貨物的裝卸、堆放、分選、配送等功能。

（3）包裝成件貨物功能區(qū)：提供成件貨物包裝、儲存、配送等功能。

（4）商品汽車功功能區(qū)：提供鐵路、公路運輸商品汽車到達和發(fā)運；汽車存放、展示、信息發(fā)布、零配件包裝、配送等功能。

（5）散堆裝貨物功能區(qū)：提供散堆裝貨物的運輸及裝卸、多式聯(lián)運及門到門服務(wù)、裝卸和運輸機械的檢修及清洗等功能。

（6）倉儲配送功能區(qū)：具有運輸、裝卸搬運、倉儲、配送和貨物信息處理等功能。

（7）危險貨物功能區(qū)：提供危險貨物運輸、倉儲、裝卸、配送等物流服務(wù)。綜合鐵路物流中心內(nèi)危險貨物功能區(qū)應(yīng)單獨分區(qū)，且布置在物流中心的邊緣地帶。

（8）冷藏功能區(qū)：為超低溫物流、冷凍物流、冰溫物流、冷藏物流產(chǎn)品提供運輸、裝卸、倉儲功能，通常以冷藏集裝箱、冷庫為核心載體。

（9）其它功能區(qū)：包括內(nèi)陸港功能區(qū)、流通加工功能區(qū)、交易展示場所等。

1.2鐵路物流中心物流能力

鐵路物流能力(Railway logistics capability)是根據(jù)用戶的各種需求，利用鐵路貨運各種設(shè)施設(shè)備，通過科學(xué)運輸組織，促進貨物快速運輸?shù)哪芰Γ瑥奈锪餍畔⒌氖占坝唵问芾怼⒇浳锏某羞\及加工處理、最終交付全過程中，在運送效率、運輸成本、途中查詢及送到時間的可靠性等能力的綜合反映[5]。

本文將鐵路物流中心站的物流能力定義為：在一定的運營期內(nèi)，一定的中心站生產(chǎn)計劃和調(diào)度管理下，綜合考慮各方面因素，物流硬件資源能夠完成的合理的最大貨運量。即列車、貨運卡車、裝卸線、裝卸設(shè)備、倉儲區(qū)等有形的物流要素在中心站的裝車計劃、卸車計劃等無形要素上所反映的綜合能力[6]。

2.仿真系統(tǒng)架構(gòu)

物流能力仿真系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是針對鐵路物流中心內(nèi)部的主要物流作業(yè)設(shè)施設(shè)備及作業(yè)實現(xiàn)動態(tài)仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果對當(dāng)前物流中心仿真方案進行評價分析。系統(tǒng)需要提供物流中心站模型構(gòu)建、物流作業(yè)過程仿真、仿真結(jié)果統(tǒng)計分析3項主要功能，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 鐵路物流中心物流仿真系統(tǒng)架構(gòu)

2.1模型構(gòu)建模塊

模型構(gòu)建模塊提供仿真仿真模型搭建功能，采用GDI+圖形交互技術(shù)提供用戶建模操作界面，具體內(nèi)容包括：

（1）物流中心站布局設(shè)計子系統(tǒng)：提供鐵路物流中心站的平面布局設(shè)計功能，用戶可根據(jù)需求，添加設(shè)置物流中心站包含的各貨運功能區(qū)，并對各功能區(qū)的作業(yè)場類型，作業(yè)場形式、位置關(guān)系、內(nèi)部布局形式等進行設(shè)置，構(gòu)建鐵路物流中心站的平面布局模型。

（2）物流中心站設(shè)施配置子系統(tǒng)：提供物流作業(yè)設(shè)施配置功能，用戶可在鐵路物流中心站仿真模型中添加軌道、站內(nèi)道路、龍門吊、倉庫堆場等設(shè)施，構(gòu)建物流中心站設(shè)施配置模型。

（3）物流中心站參數(shù)設(shè)定子系統(tǒng)：提供仿真參數(shù)設(shè)置功能，包括設(shè)施規(guī)格等靜態(tài)參數(shù)和列車到達分布、重車平均占比等動態(tài)參數(shù)。

2.2離散系統(tǒng)仿真模塊

離散系統(tǒng)仿真模塊基于離散事件系統(tǒng)理論，采用Petri Net技術(shù)[7]構(gòu)建鐵路物流中心站物流作業(yè)仿真模型，是系統(tǒng)的核心模塊，具體仿真原理及模型詳見第3節(jié)。該模塊分為3個子模塊，具體包括：

（1）列車運行動態(tài)仿真模型：主要針對列車在鐵路物流中心站內(nèi)的運行過程進行仿真，包括列車到達作業(yè)、列車轉(zhuǎn)場作業(yè)、列車出發(fā)作業(yè)等環(huán)節(jié)。

（2）貨卡運行動態(tài)仿真模型：主要針對貨卡在鐵路物流中心站內(nèi)的運輸作業(yè)過程進行仿真，包括貨卡到達作業(yè)、門區(qū)檢查作業(yè)、站內(nèi)走行過程、貨物功能區(qū)內(nèi)裝卸作業(yè)等環(huán)節(jié)。

（3）裝卸搬運設(shè)備動態(tài)仿真模型：主要針對鐵路物流中心站內(nèi)各類型裝卸搬運機械、車輛等的作業(yè)過程進行仿真，包括軌道式龍門吊、自走吊、叉車、內(nèi)部轉(zhuǎn)運卡車等設(shè)備。

2.3仿真結(jié)果分析模塊

仿真結(jié)果分析模塊提供仿真數(shù)據(jù)存儲、更新、統(tǒng)計、分析等功能，采用MsChart圖表處理技術(shù)對仿真生命周期內(nèi)的各項仿真數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，根據(jù)用戶需求計算物流能力評價指標(biāo)，并生成統(tǒng)計分析圖表。

仿真結(jié)果分析模塊主要分為4部分，分別是列車物流作業(yè)能力分析子模塊、貨卡物流作業(yè)能力分析子模塊、裝卸搬運設(shè)備能力分析子模塊及倉庫堆場能力利用分析子模塊。

3.仿真原理分析

離散事件動態(tài)系統(tǒng)[8]（Discrete Event Dynamics Systems）是由異步、突發(fā)的事件驅(qū)動狀態(tài)演化的動態(tài)系統(tǒng)，鐵路物流中心可以被視為一種離散事件系統(tǒng)。

3.1面向?qū)ο蟮碾x散系統(tǒng)仿真方法

面向?qū)ο蟮碾x散事件系統(tǒng)仿真通過建立系統(tǒng)內(nèi)不同元素間的信息傳輸關(guān)系實現(xiàn)元素間的聯(lián)系，所有的內(nèi)部元素被視為對象處理(object)，每一個對象包含對象的屬性及方法函數(shù)，用以表示元素的靜態(tài)及動態(tài)特征。

離散事件系統(tǒng)的包含事件調(diào)度策略、活動掃描策略以及進程交互策略三種仿真策略[9]，本系統(tǒng)采用事件調(diào)度策略。事件調(diào)度策略中，每一項事件的發(fā)生時間是通過掃描事件表確定的，仿真開始時，系統(tǒng)調(diào)用事件表中的第一個事件并將仿真時鐘跳轉(zhuǎn)到該事件對應(yīng)的時間，該事件完成后繼續(xù)調(diào)用事件表中的第二個事件，直到所有事件完成，仿真終止。

3.2基于Petri網(wǎng)的鐵路物流中心站物流能力仿真建模

Petri網(wǎng)（Petri Net ）是對離散并行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表示，由庫所、變遷、有向弧以及令牌等元素組成，庫所一般由圓圈“○”表示，變遷一般由短豎線或矩形框表示[10]。

鐵路物流中心內(nèi)不同貨運功能區(qū)的物流作業(yè)流程存在一定差異，但主要作業(yè)流程均可以排隊論為基礎(chǔ)，將貨物的到達、裝卸、搬運、倉儲、加工、配送等作業(yè)過程視為－個相互關(guān)聯(lián)的排隊系統(tǒng)。本節(jié)以作業(yè)流程相對復(fù)雜的集裝箱功能區(qū)為例，采用Petri網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建仿真模型，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)Petri Net模型（重箱到達）

該模型包含4個子模型，分別是鐵路運輸系統(tǒng)子模型、裝卸系統(tǒng)子模型、箱場系統(tǒng)子模型、集卡運輸系統(tǒng)子模型。其中箱場系統(tǒng)模型（圖3中Subsystem3所示）變遷事件見表1，庫所及變遷含義說明如下：

庫所：

p1：集卡移動至集裝箱主箱區(qū)等待裝卸，托肯數(shù)為集卡數(shù)量；

p2：被卸至主箱區(qū)的集裝箱，托肯數(shù)為集裝箱數(shù)量；

p3：處于占用狀態(tài)的箱位，托肯數(shù)為處于占用狀態(tài)的箱位數(shù)量；

p4：處于空閑狀態(tài)的裝卸機械，托肯數(shù)為空閑的裝卸機械數(shù)量；

p5：準(zhǔn)備裝車的集裝箱，托肯數(shù)為集裝箱數(shù)量；

p6：被裝至集卡的集裝箱，托肯數(shù)為集裝箱數(shù)量；

p7：準(zhǔn)備卸箱的集裝箱，托肯數(shù)為集裝箱數(shù)量；

p8：被裝至列車的集裝箱，托肯數(shù)為集裝箱數(shù)量；

p9：處于空閑狀態(tài)的箱位，托肯數(shù)為箱位數(shù)量。

變遷：

t1：卸箱作業(yè)，是瞬時變遷；

t2：箱位被占用作業(yè)，是時間變遷；

t3：集裝箱堆存過程，是時間變遷；

t4：裝車作業(yè)，是瞬時變遷；

t5：集卡裝卸過程，是時間變遷；

t6：列車裝卸過程，是時間變遷。

表1 箱場系統(tǒng)PN模型變遷事件表

4.仿真系統(tǒng)實現(xiàn)及實例驗證

4.1鐵路物流中心站物流能力仿真系統(tǒng)

系統(tǒng)采用C#語言開發(fā)，在Microsoft Visual Studio 2010平臺上實現(xiàn)。

（1）模型構(gòu)建模塊：

物流中心站布局設(shè)計子系統(tǒng)、設(shè)施配置子系統(tǒng)、參數(shù)設(shè)定子系統(tǒng)部分界面如圖4-6所示。

圖4 物流中心布局設(shè)計子系統(tǒng)界面

圖5 設(shè)施配置子系統(tǒng)界面

圖6 仿真參數(shù)設(shè)置子系統(tǒng)界面

（2）離散系統(tǒng)仿真模塊：

該模塊各子模型均為后臺運行，部分仿真過程可以動態(tài)演示，某作業(yè)動態(tài)仿真過程演示界面如下圖。

圖7 動態(tài)仿真過程演示界面

（3）仿真結(jié)果分析模塊：

列車物流作業(yè)能力分析、貨卡物流作業(yè)能力分析等主要界面如圖8-9所示。

圖8 物流能力指標(biāo)統(tǒng)計界面

圖9 物流能力統(tǒng)計圖表展示界面

4.2實例驗證

（1）仿真模型構(gòu)建

選取前場特大型貨場（物流中心）進行實例驗證，前場鐵路特大型貨場位于福建省東南部廈門市的西北方向，是廈門鐵路樞紐內(nèi)的計劃建設(shè)運營的鐵路特大型貨場（車站中心：K670+280）。前場總體布局為“七區(qū)兩核”型布局，總體布局示意圖如下圖10所示，包括鐵路作業(yè)區(qū)、集裝箱集散區(qū)、工貿(mào)配送區(qū)、鋼鐵加工配送區(qū)、汽車及機電配送區(qū)、特種物流區(qū)、糧食及冷鏈物流區(qū)7大貨運功能區(qū)。

圖10“七區(qū)兩核”型布局示意圖

構(gòu)建前場仿真模型，模型參數(shù)根據(jù)《前場特大型貨場深化可研說明書》設(shè)定，部分參數(shù)設(shè)定如下表2至表3所示。

表2 前場貨運功能區(qū)主要參數(shù)

表3 前場主要機械設(shè)備參數(shù)

（2）仿真結(jié)果分析

仿真時間設(shè)置為30天，運行仿真模型10次并對仿真結(jié)果取平均值，主要仿真結(jié)果如下。

圖11 貨運量指標(biāo)

圖12 設(shè)備能力利用指標(biāo)計

表4 列車運行指標(biāo)統(tǒng)計

表5 貨卡運行指標(biāo)統(tǒng)計

整個仿真周期內(nèi)，鐵路系統(tǒng)總貨運量為106.97萬噸，公路系統(tǒng)總貨運量為49.47萬噸，其中集裝箱貨物和零散快運貨物占比最大，二者貨運量之和超過了整個物流中心站貨運量的50%以上。列車到達共534列，平均在站停留時間6.4小時，其中集裝箱列車平均在站停留時間最短，僅為3.5小時。貨卡到達共16770輛，平均在站停留時間35.7分鐘，平均裝卸時間5.3分鐘。裝卸設(shè)備利用方面，零散快運貨場裝卸設(shè)備日均作業(yè)時間最長，達8.1小時，利用率為50.9%，長大笨重貨場裝卸設(shè)備利用率最低，僅為14.3%。

通過與實際作業(yè)數(shù)據(jù)進行對比，仿真結(jié)果與實際運營數(shù)據(jù)基本一致，這說明該系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地仿真鐵路物流中心站的作業(yè)過程，并從貨運量、列車運行、貨卡運行、設(shè)備利用等多個角度對鐵路物流中心的物流能力進行綜合定量分析。

5.結(jié)論

（1）通過對前場特大型貨運站場進行實例分析，驗證了物流仿真系統(tǒng)的有效性。（2）物流仿真系統(tǒng)能夠有效提高設(shè)計規(guī)劃精度，發(fā)現(xiàn)已有設(shè)計方案存在的問題，并大幅降低站場規(guī)劃預(yù)測成本。（3）該研究成果能夠廣泛應(yīng)用于行業(yè)規(guī)劃設(shè)計部門，為其它鐵路物流中心設(shè)計規(guī)劃提供輔助決策及方案驗證。

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研究結(jié)論：（1）通過對前場特大型貨運站場進行實例分析，驗證了物流仿真系統(tǒng)的有效性。（2）物流仿真系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)計規(guī)劃方案進行定量分析，提高設(shè)計規(guī)劃方案的準(zhǔn)確性。（3）該研究成果能夠廣泛應(yīng)用于行業(yè)規(guī)劃設(shè)計部門，為其它鐵路物流中心設(shè)計規(guī)劃提供輔助決策及方案驗證。