城市地下物流服務供應鏈的流程設計：基于著色Petri 網模型

侯龍龍，董建軍，潘欣維，倪衛紅，付光輝

（1.南京工業大學經濟與管理學院，江蘇南京 211816；2.南京工業大學智慧城市研究基地，江蘇南京 211816；3.中國人民解放軍陸軍工程大學國防工程學院，江蘇南京 210001）

1 研究背景

城市物流作為現代物流的重要組成部分，近年來，區別于單一的城市配送模式，其逐漸形成以提供全流程服務為目標的物流供應鏈運作模式。雖然這種城市物流的運作模式在一定程度上起到了部分物流服務集成的作用，但是在城市貨物運輸方面依然未達到有效整合，并且其依托地面交通的運輸方式對城市環境和社會有明顯的負外部性。長遠來看，隨著城鎮化進程的不斷加快，城市貨運服務需求大規模增加，但是城市道路交通的承載力以及環境狀況卻遠遠不能滿足發展的要求，城市物流的發展與“大城市病”的矛盾將會進一步加劇，因此，必須采取行之有效的措施，改善目前城市物流服務供應鏈運作模式很難跳出貨物分散運輸，以及地上道路資源不足導致的物流成本居高不下、分發效率面臨瓶頸等困境。而地下物流系統（underground logistics system，ULS）利用貨運機車，通過城市地下隧道（含管道）等封閉空間，自動化集成運輸城市貨物的物流服務供應方式的出現，將大大改善這種狀況。將ULS 納入城市物流體系，是未來城市智慧物流的必然趨勢。作為新型城鎮化導向下的城市物流服務解決方案，地下物流服務供應鏈是指ULS 運營商與多個提供專業物流服務的物流企業合作，以城市物流服務集成商的角色，依托信息平臺等流程控制平臺，對鏈上各節點企業的資源利用狀況以及作業狀態進行監控，有效地整合鏈上倉儲服務、配送服務、流通加工等物流服務企業的服務能力資源，以實現物流服務的高效集成，在直面客戶進行服務產品設計、訂單處理后，具體通過ULS 作業部門向上承接配送服務、流通加工服務提供商集成城市運輸服務，向客戶提供個性化的物流服務產品。

世界上對地下物流的研究與實踐已長達30 年之久，日本、荷蘭、美國、德國、英國等國家都進行了不同程度的嘗試。就我國而言，北京通州、河北雄安新區和武漢長江新區等，已將地下物流系統規劃建設納入城市基礎設施網絡建設的一部分。由于ULS 的建設耗資巨大、建設周期較長，并且建設和運營風險高，如果建設不能符合現實需求則可視為失敗，損失巨大，所以在建設之前充分了解ULS 在城市物流服務供應鏈中的運作方式、流程及其運營商在市場上的組織行為模式是重要的，也是必須的。

2 文獻綜述

目前在ULS 運營研究方面，首先，有研究認為運營ULS 在經濟效益、環境效益以及社會效益方面均有良好的表現［1］；其次，如Chen 等［2］認為地下物流系統能夠使貨運效率提高50%以上，Zahed 等［3］和孫飛飛等［4］則認為其綜合成本約為地上道路運輸的34.3%，運輸時間減少83%；另外，有研究認為利用現代信息技術對線上貨流信息進行動態監控和預測，能夠解決包括發車間隔在內的ULS 運營和調度的問題［5］。

另一方面，基于“服務供應鏈”的概念而衍生的物流服務供應鏈是一種以“功能物流服務提供商-物流服務集成商-客戶”為基本結構的新型管理模式，通過協調物流服務的供需機制促進物流服務交付流程的高效運行。服務供應鏈是為滿足顧客需求而集成與傳遞服務的網絡服務，由服務集成商根據顧客需求集成來自供應商、服務集成商內部和顧客三方的資源,并將其轉化成為核心服務產品傳遞給顧客［6］；另外，服務企業應當通過調整服務能力進行供應鏈協調［7］。在此基礎上，物流服務供應鏈被認為是由物流服務集成商招募多種功能型物流提供商組成合作聯盟，向終端客戶提供綜合性服務，滿足客戶多樣化、個性化需求的網鏈結構［8］。

再者，Petri 網是研究服務供應鏈的一種廣泛的模型，其中，相較于傳統Petri 網，著色Petri 網在復雜網絡建模方面具有優勢，適用于具有分布式特征的供應鏈的分層建模、分析和控制研究［9］。在供應鏈的信息流處理研究方面，Liu 等［10］認為著色Petri 網可以應用到供應鏈的信息分類和信息傳遞描述；孫亮等［11］認為供應鏈流程的著色Petri 網模型構建和描述主要通過變遷規則以及庫所的定義及討論來實現，模型有效性證明是必要的；王雯等［12］認為著色Petri 網在描述定制生產活動下的供應鏈運作模型中能夠較好地顯示供應鏈系統的運行機制。

總的來說，國內外關于ULS、服務供應鏈以及基于Petri Net 理論進行供應鏈建模分析的研究為本研究提供了理論基礎。本研究引入“ULS 服務運營商”的概念，其通過承接第三方物流服務企業和生產企業的物流外包業務以及普通客戶的物流服務需求，從事相關市場經濟活動，通過運營平臺統一調度、分配服務資源，實現城市物流的集成、共同配送以及服務流程的自動化；并在對地下物流服務供應鏈的運作流程分析基礎上，構建ULS 服務運營商的著色Petri 網（colored Petri Net）模型，通過相關運行指標討論該模型的可靠性，最后根據仿真結果對模型性能進行分析。本研究以期為ULS 在市場化環境下運營模式及運作流程的研究提供一套建模方法和一個新的視角。

3 地下物流服務供應鏈的運作流程分析

基于城市ULS 的服務供應鏈運作流程，涉及了基于各管理部門的信息流、資金流處理和監控，以及基于各物流服務供應商和ULS 作業部門的服務供給，如圖1 所示。首先，客戶與服務集成商的需求管理部門存在訂單信息，需求管理部將客戶訂單處理后發送給信息中心；與此同時，財務部接收到客戶預付款后進行記賬、歸類登記以及核對等財務流程后發送給信息中心。其次，供應管理以及環境監測部門與各服務運營主體之間存在服務資源利用信息流動，收集到的信息除了供部門日常作業管理活動外，還需將其發送給信息中心。在此需要說明的是，供應鏈上的信息流是動態更新的，以盡可能低的延遲率運行。以上流程成功執行完畢后，信息中心根據上述管理部門提供的數據形成信息資源庫，隨后進行供應鏈的服務能力評估、服務策略制定以及服務資源協調，將各項協調指令信息直接發送給相關服務運營主體，最后各服務提供商開始安排服務資源進入服務流程。每項服務業務完成后都需要更新部門狀態信息、進行信息反饋，反饋的信息將用于下次作業流程。鑒于該服務供應鏈運作流程的復雜性，為了更加清晰地論述其管理控制流程及服務交付流程，本研究在隨后的Petri 網模型構建過程中將采用自下而上的層次建模方法，即將集成商的各個管理部門、ULS 作業部門以及各服務供應商作為單獨的子網進行建模，最后將各個子網連接起來形成頂層Petri。

圖1 基于ULS 的服務供應鏈服務流程概念框架

4 基于Petri 網的地下物流服務供應鏈性能分析及仿真

著色Petri 網是由傳統Petri 網發展而來的高級Petri 網系統，其特點一是可以通過著色的方式對庫所（place）以及托肯（token）進行類型定義；二是可以對通過設置弧和變遷的屬性對事件的發生進行控制，相較于傳統Petri 網系統，其在很大程度上提高了對復雜網絡系統的建模能力，符合構建城市ULS 服務供應鏈系統模型的需求。另外，出于對城市ULS 服務供應鏈效率研究的考慮，模型必須在顏色集的基礎上增加時間戳，從而更加詳細地描述系統的運行狀況，所以賦時著色Petri 網（timed colored Petri Net）成為最終選擇。本研究基于賦時著色Petri網建模平臺的CPN Tools 系統建模分析工具，對城市ULS 服務供應鏈的業務流程進行建模，首先給出服務供應鏈流程的頂層模型，然后利用替代變遷對模型逐步細化。

4.1 基于Petri 網的模型構建

4.1.1 基于ULS 的服務供應鏈的頂層模型

如以上流程分析所述，基于ULS 的服務供應鏈的處理流程主要包括需求管理、財務處理、內部信息集獲取（供應管理部、環境監測部）、信息處理和策略指令（信息中心）、取貨（配送服務供應商）、流通加工、ULS作業、ULS終端分流（倉儲服務供應商、配送服務供應商）以及售后服務（客服部）9個子流程。首先，給出基于ULS 的服務供應鏈流程頂層Petri 網模型，如圖2 所示；其次，分別用需求管理（demand type analysis）、財務處理（check）、內部信息獲取（integration）、信息處理及發送策略指令（calculate）、取貨（pick）、流通加工（CP）、地下物流系統作業（ULS transport）、地下物流系統終端分流（shunt）和售后服務（server）等9 個替代變遷表示ULS 服務供應鏈各環節的詳細流程。模型中的函數聲明、庫所、變遷說明如表1、表2 所示。

圖2 基于ULS 的服務供應鏈頂層Petri 網模型

表1 基于ULS 的服務供應鏈Petri 網顏色集聲明

表2 基于ULS 的服務供應鏈頂層Petri 網庫所與變遷說明

表2（續）

4.1.2 基于ULS 的服務供應鏈的子模型

（1）需求管理子模型。基于簡化模型的考慮需求，管理子模型主要是完成對服務包的選擇，具體的服務包設計等詳細過程不在此描述。其流程是按照客戶需求類型生成對應的服務包類型和數量，模型具體流程如圖3 所示，庫所與變遷的說明如表3所示，其中時延函數表示需求管理流程所消耗的時間滿足5min～7 min 的均勻分布。

圖3 基于ULS 服務供應鏈的需求管理Petri 網子模型

表3 基于ULS 服務供應鏈的需求管理Petri 網子模型庫所與變遷說明

（2）財務處理子模型。財務處理子模型如圖4所示，庫所與變遷的說明如表4 所示，其中時延函數DEL1()的表達式為：colset NetDelay1=int with 1.5；fun DEL1()=NetDelay1.ran()。該時延函數代表財務處理流程所消耗的時間服從1 min～5 min 的隨機分布。

表4 基于ULS 服務供應鏈的財務處理Petri 網子模型的庫所與變遷說明

圖4 基于ULS 服務供應鏈的財務處理Petri 網子模型

（3）內部信息獲取子模型。內部信息獲取子模型如圖5 所示，庫所與變遷的說明如表5 所示，其中涉及的顏色集AW、YZ 分別表示前3 種供應信息的集合和后兩種供應信息的集合，依次用colset AW=product A*W*E 和colset YS=product Y*S 表示；時延函數round(uniform(1.0,5.0))表示內部信息處理流程所消耗的時間服從1min～5 min 的均勻分布。

圖5 基于ULS 服務供應鏈的內部信息獲取Petri 網子模型

表5 基于ULS 服務供應鏈的內部信息獲取Petri 網子模型的庫所與變遷說明

（4）信息中心子模型。信息中心子模型如圖6 所示，庫所與變遷的說明如表6 所示，其中時延函數表示信息中心處理流程所消耗的時間滿足1min～5 min 的均勻分布。

表6 基于ULS 服務供應鏈的信息中心Petri 網子模型的庫所與變遷說明

圖6 基于ULS 服務供應鏈的信息中心Petri 網子模型

（5）基于配送服務供應商的取貨流程子模型。取貨流程子模型如圖7 所示，庫所與變遷的說明如表7 所示，其中時延函數表示處理取貨流程所消耗的時間滿足20min～30 min 之間的隨機分布。

圖7 基于ULS 服務供應鏈的取貨流程Petri 網子模型

表7 基于ULS 服務供應鏈的取貨流程Petri 網子模型的庫所與變遷說明

（6）流通加工流程子模型。流通加工流程子模型如圖8 所示，庫所與變遷的說明如表8 所示，其中時延函數表示處理流通加工流程所消耗的時間滿足5min～10 min 之間的隨機分布。

圖8 基于ULS 服務供應鏈的流通加工流程Petri 網子模型

表8 基于ULS 服務供應鏈的流通加工流程Petri 網子模型的庫所與變遷說明

（7）ULS 作業子模型。ULS 作業子模型如圖9所示，庫所與變遷的說明如表9 所示，其中時延函數round (normal(4.0,0.5))表示處理ULS 的節點流通加工所消耗的時間服從期望是4、方差為0.5 的正態分布，round (normal(5.0,0.5))、round (normal(2.0,0.5))分別表示處理ULS 節點間運輸和站內轉運所消耗的時間。

表9 基于ULS 服務供應鏈的ULS 作業Petri 網子模型的庫所與變遷說明

圖9 基于ULS 服務供應鏈的ULS 作業Petri 網子模型

（8）ULS 終端分流子模型。ULS 終端分流子模型如圖10 所示，庫所與變遷的說明如表10 所示，其中時延函數round (normal(5.0,0.5))、DEL2()、round(uniform(5.0,10.0))分別代表處理進入ULS 終端云柜、由配送服務供應商運達至客戶和進入倉儲中心3 種方式所消耗的時間。

表10 基于ULS 服務供應鏈的ULS 系統終端分流Petri 網子模型的庫所和變遷說明

圖10 基于ULS 服務供應鏈的ULS 系統終端分流Petri 網子模型

（9）售后服務子模型。售后服務子模型如圖11 所示，庫所與變遷的說明如表11 所示，其中時延函數表示處理售后服務流程所消耗的時間服從5min～30 min 之間的隨機分布。

圖11 基于ULS 服務供應鏈的售后服務Petri 網子模型

表11 基于ULS 服務供應鏈的售后服務Petri 網子模型的庫所和變遷說明

4.2 基于ULS 服務供應鏈的Petri 網可靠性分析及仿真

4.2.1 可靠性分析

基于ULS 服務供應鏈的Petri 網系統的狀態空間報告中給出了系統活性的相關信息，可知該Petri網模型有以下特征：（1）存在6 個死標識（dead markings），即在這一標識下任何變遷都是不能使能的。由于此模型是非循環結構，6 個死標識為模型結束標識，此外所有標識都是活的，符合模型設計的初衷。（2）不存在死變遷實例（dead transition instance），說明不存在任何可達標識下都不能發生的變遷，即模型無死鎖。（3）不存在活變遷實例（live transition instances），說明不存在任何可達標識下都能再次發生的變遷。后兩項特征說明任何變遷的發生都是可能而非必然。

4.2.2 仿真分析

模型活性指標分析表明，本研究構建的Petri 網模型具有可靠性且符合設計預期。進一步對模型進行仿真實驗，其中時間參數主要是依據以下兩種方式獲取的數據再經過統計分析確定：一是通過對行業知名的兩家快遞企業的調研獲取數據，二是對于通過行業調研無法獲取的數據則采用專家咨詢的方法，即通過咨詢ULS 方面的專家獲取ULS 運輸、節點轉運等相關數據。仿真參數具體情況如表12 所示。

表12 基于城市ULS 的服務供應鏈運作仿真參數

在Petri 網建模軟件中通過設置數據收集監視器（data collection monitor）獲取仿真過程中的數據信息，以便對系統性能進行分析。依次對服務包類型為q和服務包類型為p的兩種初始標識下的模型進行仿真各100 次（由于服務包p是針對第三方物流服務運營商提供的，服務內容不包含取貨和流通加工流程，即不進行pick、CP 流程，所以要分開進行仿真），監視器收集到的數據如表13、表14 所示。

表13 基于ULS 的服務供應鏈模型仿真數據（服務包q 狀態下）

表14 基于ULS 的服務供應鏈模型仿真數據（服務包p 狀態下）

首先，在服務包q 狀態下，ULS 的轉運流程發生了89 次，ULS 的流通加工流程發生101 次，即每運行一次就有0.89 次ULS 轉運和1.01 次ULS 流通加工發生；在100 次運作中，其中有27 次貨物通過配送服務供應商送達客戶，有39 次進入了ULS 終端云柜，有34 次進入了倉儲中心。由此可以看出，存在隨機發生屬性的節點流程沒有極端狀況出現，即各隨機性節點的設置與實際狀況以及設計預期較為符合。服務包q狀態下的相關表現與服務包q 相當，不再重復描述。

其次，無論是服務包q還是服務包p，兩種狀態下的server monitor、shunt D monitor 和shunt S monitor這3 個監視器皆顯示其所屬服務流程的耗時占比較高，即售后服務、負責ULS 終端分流的配送服務供應商和倉儲服務供應商對城市ULS 服務供應鏈整體的服務效率有較大影響，存在一定的提升空間。就售后服務而言，應用人工智能技術使盡可能多的模塊實現自動化服務以降低人為因素造成不必要的時延；在倉儲服務方面，激勵服務供應商使用自動化倉儲設備，從而實現與ULS 作業部門的高效對接。另外，相較于服務包p，服務包q存在取貨流程和流通加工流程，在此狀態下，根據CP monitor、Pic monitor 監測結果顯示，負責這兩個流程配送服務供應商以及流通加工服務供應商同樣是供應鏈整體效率提升過程中需要關注的對象。

最后，結合仿真實驗1），服務包q、p平均每運行一次分別耗時67.41 min 和36.96 min，服務包q狀態的耗時接近服務包p的兩倍，即取貨流程和流通加工流程占用了較多的時間，這種現象正好與CP monitor、Pic monitor 的監測結果相對應。從另一方面來說，仿真結果在一定程度上也說明了目前物流行業存在的較為突出的“最后一公里”問題。值得一提的是，雖然這個問題也會出現城市ULS 服務供應鏈當中，但并不是說明該服務供應鏈與傳統城市物流服務供應網絡存在同樣的缺陷，相反，這個問題將促使ULS 服務集成商實行縱向一體化發展戰略，即發展下一代城市ULS 將成為可能。下一代城市ULS 可以稱之為“超級地下物流系統”，該系統將“最后一公里”的地上人工配送方式轉變為采用地下管道自動化運輸的方式，將大大提升這一流程的效率。

5 結論

本研究在城市ULS 服務供應鏈運作流程設計及分析的基礎上，利用CPN-tools 軟件構建了賦時著色基于ULS 的物流服務供應鏈Petri 網模型，并對模型的可靠性以及仿真結果進行了分析。結果表明：第一，根據系統活性指標顯示，該模型具備可靠性，符合設計預期；第二，仿真結果給出了各流程運作耗時情況以及服務供應鏈整體的運作時間性能。總之，本研究為城市ULS 服務供應鏈的業務模式提供了建模仿真思路，為相關從業者把握未來城市物流發展方向以及城市ULS 服務供應鏈的內部運作性能提供參考。由于基于城市ULS 的服務供應鏈本身是非常復雜的，且其概念是不斷發展的，后續將在時間性能的基礎上綜合考慮該服務供應鏈的績效影響因素，使研究更加豐富、完整。

注釋：

1）因篇幅所限，具體仿真報告不在本文中呈現，有需要者可聯系作者提供。