北煤南運物流網絡建模仿真與能力分析

陳 可，周 強，黃安邦

（武漢理工大學 物流工程學院，湖北 武漢 430063）

1 引言

煤炭資源生產地與需求地在地理空間上形成了錯位結構，使得煤炭資源長期處于多種運輸方式下由北向南、由西向東的運輸格局。國內煤炭物流網絡受到眾多學者關注和研究，趙國智等[1]從網絡結構、動態演化性、動力學特性、聚類性等幾個方面分析了煤炭物流網絡的特性，研究了其網絡優化方法及研究的意義。崔迪等[2]從定性和定量兩個方面研究得出鐵水聯運情況下煤炭物流網絡節點具有量多、動態變化、度值分布服從冪律分布等網絡特征及煤炭物流網絡具有動態性和模塊性的復雜特征。朱婷婷[3]把煤炭物流網絡看作是多層級網絡，以網絡成本最低為目標，在不考慮網絡中煤炭流量的重新分配下，研究了最佳物流中心選取和合理分配物流量的問題。王澤江[4]定性探討了我國煤炭物流需求預測的主要影響因素，構建了以我國煤炭需求為研究對象的網絡預測模型，并結合實例進行了相關驗證與分析。

雖然現有研究對北煤南運的網絡路徑優化及網絡復雜性進行了有益探討，但網絡路徑優化問題集中于需求及成本分析、港口布局及設施設備配置、運輸線路規劃等局部性優化問題，很少從宏觀層面探討與運輸網絡整體的綜合優化問題。從復雜網絡角度對聯運系統進行研究時，僅僅從度、聚類系數等特性來考慮，并不能很好的揭示物流系統復雜的內部因素。北煤南運網絡是由鐵路、水路等多種運輸方式組成的多式聯運網絡，針對北煤南運網絡的動態行為及運量分布的研究較少。本文通過Petri網研究其物流活動并建立北煤南運仿真模型，分析煤炭物流網絡這種大型復雜網絡的動態和交互過程，并能使系統的整體性能被精確地評估。本文旨在用仿真技術量化地分析北煤南運物流網絡，建立相關模型對其網絡結構形式進行深入研究，優化煤炭物流網絡，以期取得提高煤炭物流網絡通過能力的研究成果。

2 北煤南運網絡結構組成

我國煤炭資源北富南貧、東多西少，煤炭從西北地區產煤點運往華東、華南地區消費節點。其中煤炭運輸包含多條主線：（1）內蒙古、山西北部及陜西的部分煤炭經大秦線運抵秦皇島、天津港、唐山港（曹妃甸、京唐港）進行中轉下水。（2）內蒙古、陜西的部分煤炭經神朔黃線運抵黃驊港進行中轉下水；（3）山西省部分煤炭經石太線運抵黃驊港進行中轉下水；（4）北方輸出型煤炭碼頭通過水路運輸至華東、華南等地區進行消費；（5）安徽省產生的部分煤炭經鐵路運輸至南京等地區消費。

結合北煤南運物流網絡樞紐節點的經緯度信息及樞紐節點間運輸路線的聯結情況，繪制北煤南運物流網絡空間布局圖，描述產煤節點、中轉節點和消費節點的分布情況及煤炭運輸線路，如圖1所示。

3 北煤南運系統物流活動分析

Petri網是一種用圖像形式來表達系統特征的組合模型，由庫所、變遷和有向弧等數學語言組成，具有邏輯性嚴密、層次性清晰等優點，是一種豐富的系統描述手段和系統行為分析技術。北煤南運系統的物流活動主要涉及鐵水聯運，可分為貨源的生成、貨流的流向、運輸模式及選擇、港口裝卸作業以及貨流的消費環節，運用Petri網可以直觀形象的描述煤炭運輸過程。

圖1 北煤南運系統結構組成

下面對北煤南運物流系統給出如下定義：

P1：計算機系統空閑；P2：計算機系統占用；P3：煤炭訂單產生；P4：裝車計劃產生；P5：裝車計劃完成；P6：貨源點停車場空閑；P7：貨源點停車場占用；P8：貨源點裝車道空閑；P9：貨源點裝車道占用；P10：火車空閑；P11：火車占用；P12：消費城市卸車計劃產生；P13：消費城市卸車計劃完成；P14：消費節點卸車線空閑；P15：消費節點卸車線占用；P16：船舶空閑；P17：船舶占用；P18：裝卸船計劃產生；P19：裝卸船計劃完成；P20：錨地空閑；P21：錨地占用；P22：泊位空閑；P23：泊位占用。

T0：輸入參數至計算機；T1：計算機發出指令；T2：訂單到達貨源點；T3：火車進入停車場；T4：火車進入裝車線；T5：火車駛離貨源點；T6：火車到達消費城市；T7：火車進入裝車線；T8：火車駛離消費城市；T9：船舶到達港口；T10：船舶到達錨地T11：船舶進入泊位；T12：船舶裝卸完成。

圖2 基于petri網的北煤南運物流活動模型

4 煤炭運輸系統仿真建模

由于貨源和需求的產生都不是連續事件，無論是系統的結構還是動態行為，都存在隨機性和復雜性。為了體現系統的隨機性，本文采用仿真思想分析系統中活動之間的內在聯系。基于離散事件動態系統的仿真理論，分析北煤南運運輸系統的實體元素、關聯關系以及運輸系統的狀態、事件與活動。

4.1 模型假設

（1）模型中涉及的各地區或城市簡化為單個樞紐節點（貨源點、碼頭、消費點等），執行煤炭的產生、轉運、消費等功能。

（2）樞紐節點只描述節點與環境輸入輸出的關系，比如，描述碼頭泊位裝卸船舶和陸域接卸火車的技術能力，不描述其內部的裝卸運輸活動。

（3）針對北煤南運模型而言，煤炭的實體流是單向的，方向為由東向西，由北至南。

（4）模型中沒有考慮到自然因素，如暴風、暴雨、地震等情況對運輸體系造成的影響。

4.2 模型模塊

煤炭運輸系統仿真模塊庫的主要系統構建為：節點模塊、路網模塊、運輸工具模塊和數據統計模塊。其中，根據節點模塊功能不同將模塊細分為：貨源產生模塊、轉運節點模塊、消費節點模塊和煤炭碼頭模塊。煤炭碼頭模塊細分為：輸出型煤炭碼頭模塊、中轉型煤炭碼頭模塊和內河綜合碼頭模塊。所建立的北煤南運輸系統層次模型如圖3所示。

圖3 北煤南運運輸系統層次模型

各模塊的具體組成和功能如下：

4.2.1 節點模塊

（1）貨源產生模塊：產生煤炭并緩存到該模塊的存儲中心，根據需求，將煤炭進行裝車操作，然后通過路網模塊運輸到各節點。

（2）轉運模塊：提取火車的目的地信息，進行判斷并智能選擇路徑。

（3）消費節點模塊：判斷庫存并選擇是否向貨源點發出訂單，卸載從上游路網駛入的火車，并以一定速率消費煤炭。

（4）煤炭碼頭模塊：提取煤炭碼頭的主要設施設備作為仿真的實體元素，用堆場容量、岸邊或陸路的裝卸平均生產率或統計分布描述碼頭節點的物流轉運能力。

4.2.2 路網模塊

（1）水路模塊：描述通航能力及水路路段長度。

（2）鐵路模塊：描述通過能力、最大火車容納能力限制及鐵路路段長度。

4.2.3 運輸工具模塊

（1）船舶模塊：起始港將煤炭裝船運至終點港，終點港卸船并將船舶返回起始港錨地。

（2）火車模塊：根據需求將火車分配給對應的貨源點，貨源點將煤炭裝車運至目的地，目的地卸車后火車返回貨源點，等待下一次裝車。

在模型內各模塊的邏輯關系編輯完成后，在界面上需對各模塊所包含可視化部分進行布置和調整，以滿足模型實際可視化需求，建立仿真模型如圖4所示。

圖4 北煤南運運輸網絡仿真圖

4.3 評價指標

北煤南運物流網絡的運輸效能是根據網絡中各個樞紐節點及運輸通道的各項性能指標來評價的，所以可以通過分析各樞紐節點其重要物流設施設備能力以及主要運輸通道能力來研究北煤南運物流網絡的通過能力和系統瓶頸。選取的指標如下：

（1）煤炭外運量：煤炭外運量是主要礦區運往外界的煤炭總量，可以根據其發展趨勢預測未來煤炭需求量的增長。

（2）碼頭通過量：煤炭碼頭在各個試驗工況下一年內通過的煤炭總量，可以通過改變其他數值，研究煤炭港口的最大通過能力。

（3）堆場的日平均占用率：煤炭碼頭堆場的占用率反映了一個碼頭的機械作業效率及中轉效率。當一個碼頭的機械作業效率和中轉效率越高，它的平均占用率越小。

（4）泊位平均利用率：它反映碼頭泊位停靠船舶占用的程度。煤炭碼頭泊位利用率是指某個泊位進行裝船或者卸船作業占用時間與仿真時間的比值，那么煤炭碼頭泊位的平均利用率則是該碼頭所有泊位利用率的總和與泊位數量的比值。

（5）主要煤炭運輸線路通過量：煤炭運輸線路通過量反映了當前階段各條鐵路的運力分布，可以通過分析分布情況研究如大秦鐵路通道規劃對其他煤運鐵路線、轉運碼頭等運量的影響等。

5 北煤南運仿真試驗

本次仿真試驗以我國北煤南運為具體研究對象，建立相關模型模擬煤炭動態運輸活動，研究在現有的結構組成及組織條件下，整個北煤南運物流網絡中關鍵樞紐節點的服務水平能力以及主要運輸通道的瓶頸，分析優化北煤南運物流網絡。

在裝卸配置方案相同的情況下，通過改變消費城市的煤炭需求，分析煤炭多式聯運系統的作業能力和周轉效率，進一步分析煤炭多式聯運系統可能存在的瓶頸。系統的運行由下游消費城市發出的訂單拉動，考慮以下游城市的需求增長量為0%、5%、10%、15%、20%、25%為變量因子，進行仿真試驗，分別設置試驗1到試驗6六組試驗。仿真試驗長度為330天，即7 920小時，考慮剔除氣象條件和節假日的影響。每組試驗進行十次，試驗結果取平均值，統計出相應參數。

從表1中仿真試驗統計的貨源點煤炭外運量的數據可以看出，隨著需求量的增加，貨源點煤炭的外運量總體呈增加趨勢，但對于某些煤炭貨源節點，當需求量增長到一定程度時，煤炭外運量增長幅度趨于平緩。

表1 貨源點煤炭外運量（萬t）

以表1和表2的試驗數據為基礎，可以得到煤炭需求量的增長對貨源點煤炭外運量的影響關系，并結合部分煤炭通道的通過能力對部分貨源點進行具體分析。

表2 主要線路煤炭外運量（萬t）

從圖5中可以看出，當需求增長率從0增加至10%時，太原貨源點的煤炭外運量增長率較大，但是當需求量增加至15%后，外運量增長率逐漸變小。在外部需求足的條件下，貨源點煤炭的外運量主要取決于與節點相連通道的煤炭通過能力。太原的煤炭主要依賴于“石太線”進行外運，然后運至黃驊港進行下水或其他消費城市消費。經過仿真分析，“石太線”很容易處于運力緊張的狀態，不能很好的滿足煤炭外運的需求。

圖5 煤炭運量增長率變化情況

在煤炭外運通道方面，大秦線作為煤炭的主要外運通道，在煤炭需求上升的情況下承擔著主要煤炭運輸任務。大秦線負責秦皇島港、天津港和唐山港的主要煤炭運輸任務，分析圖6可以發現，隨著需求的增長，大秦線通過能力同步上升，但秦皇島港在需求增長率超過20%以后吞吐量增速減慢，而唐山港在20%之后吞吐量增速變快，根據表3可知，在需求增長率為20%時，秦皇島和天津港的泊位利用率較高，分別為73%和81%，不能及時滿足大秦線的煤炭接卸，將部分煤炭轉由唐山港下水，唐山港煤炭吞吐量變化趨勢變快。

在裝船泊位利用率方面，如表3所示，唐山港、黃驊港的泊位利用率均在40%至60%之間，表明他們有能力處理更大規模的煤炭需求。在整個北煤南運系統的未來發展中，唐山港和黃驊港有很大的潛力可挖。

隨著需求的增長，煤炭海上航線和內河航線的運輸量均呈現增長趨勢，但是受到消費城市需求量的限制，海上運量遠大于內河運輸量并有較快的增速。下面重點就上海港、廣州港、福州港和寧波港的沿海煤炭港口進行具體分析。

表3 輸出型碼頭泊位利用率

表4 碼頭泊位占用率

圖6 大秦線及相連港口的運量變化情況

隨著需求增長，廣州港接卸能力接近飽和。分析表4泊位利用率變化趨勢可知，在需求增長率達到10%后，廣州港泊位利用率為83%，此時廣州港吞吐量變化趨勢變緩。而在需求增長率為20%時泊位利用率達到92%，裝船機不能及時處理到港的船舶。

本試驗研究了網絡樞紐中轉能力限制、節點之間運輸能力限制以及規模效應等對多式聯運網絡優化中不同的影響，分析多式聯運樞紐網絡的運輸服務組織形式。主要可以得出如下結論：

（1）中通路—石太線經常處于運力緊張的狀態，應加大中通路鐵路的建設，緩解中通路煤炭的中轉需求；大秦線、朔黃線具有很大的潛力可挖，應增加與之相連接的路段或轉運節點煤炭轉運能力，充分發揮這兩條鐵路線的煤運優勢。

（2）唐山港（京唐港、曹妃甸）在整個北煤南運系統中，具有很大的利用潛力。北方煤炭的下水中轉可以盡量向唐山港偏移，另外應加強與唐山港相連的鐵路線的建設，充分發揮唐山港的煤炭中轉能力。

（3）廣州港泊位利用率較高，裝卸能力接近飽和。廣東省在煤炭需求上占有較大比例，隨著未來煤炭需求進一步增長，應考慮新建煤炭碼頭或將部分煤炭在其他港口接卸，緩解當前港口壓力。

6 總結

本文利用Petri網深入分析了煤炭多式聯運流程，提出了基于witness的北煤南運物流建模方法，以系統思想自上而下地分析系統層次邏輯關系并對北煤南運物流系統進行仿真建模，針對煤炭消費城市的需求增長，比較了貨源點的生產能力和外運量的差距，分析了各港口基礎設施利用狀況及吞吐量等性能指標，對煤炭運輸網絡瓶頸做出整體分析并提出解決方案。利用該方法可對北煤南運運輸進行更好地調度與管理，具有一定工程價值。

[參考文獻]

[1]趙國智,王喜富,張仲義.煤炭物流網絡的復雜性分析及優化方法研究[J].物流技術,2008,27(8):117-119.

[2]崔迪,陳桂洪,于春雷.我國煤炭海鐵聯運物流網絡復雜性及安全可靠性研究[J].物流技術,2010,29(11):28-30.

[3]朱婷婷.基于可靠性約束的煤炭物流網絡優化研究[D].北京交通大學,2013.

[4]李曉利,王澤江.基于改進的灰色神經網絡煤炭物流需求預測模型[J].統計與決策,2015,(18):82-85.