基于面向?qū)ο蠓謱覲etri網(wǎng)的煤炭超市業(yè)務(wù)流程建模與優(yōu)化研究

李景峰，張 艷，張 樹

(1.山西大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，山西 太原 030006;2.山西省政府發(fā)展研究中心，山西太原 030001;3.山西省煤炭運(yùn)銷集團(tuán)有限公司，山西太原 030002)

基于面向?qū)ο蠓謱覲etri網(wǎng)的煤炭超市業(yè)務(wù)流程建模與優(yōu)化研究

李景峰1，張 艷2，張 樹3

(1.山西大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，山西 太原 030006;2.山西省政府發(fā)展研究中心，山西太原 030001;3.山西省煤炭運(yùn)銷集團(tuán)有限公司，山西太原 030002)

煤炭超市是一種集物流、信息流、資金流一體化運(yùn)作的新型煤炭產(chǎn)業(yè)運(yùn)作模式。由于其系統(tǒng)建設(shè)的復(fù)雜性和創(chuàng)建性，煤炭超市研究目前仍屬新興領(lǐng)域。本文借鑒和采用分層Petri網(wǎng)方法，對煤炭超市業(yè)務(wù)流程改進(jìn)問題進(jìn)行了探討，通過建立面向?qū)ο蠓謱覲etri網(wǎng)模型，實(shí)現(xiàn)對煤炭供應(yīng)鏈系統(tǒng)中物流、信息流和資金流的數(shù)學(xué)描述以及業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化分析。

煤炭超市;Petri網(wǎng)方法;面向?qū)ο蠓謱覲etri網(wǎng)模型;優(yōu)化分析

一、研究基礎(chǔ)

煤炭超市是煤炭物流的重要節(jié)點(diǎn)，連接著煤炭生產(chǎn)源地與煤炭銷售市場，是滿足市場需求進(jìn)行煤炭洗選加工、實(shí)現(xiàn)加工增值的場所，也是物流配送和煤炭集散基地［1］。較以往傳統(tǒng)的企業(yè)倉儲模式，煤炭超市具有更明顯的生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)特點(diǎn)和優(yōu)勢［2］。通過建設(shè)上游煤炭采購網(wǎng)絡(luò)、中游儲配網(wǎng)絡(luò)、下游銷售服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，建立與大型煤炭生產(chǎn)企業(yè)、鐵路、港口、運(yùn)輸企業(yè)、金融機(jī)構(gòu)和下游電廠等產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)方的戰(zhàn)略合作關(guān)系，成為集物流、信息流、資金流、商流為一體的集散中心，為客戶提供包括標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品定制、外包業(yè)務(wù)、金融信貸以及信息咨詢等煤炭增值服務(wù)。

當(dāng)前煤炭超市研究仍然是一個嶄新的領(lǐng)域，有關(guān)該企業(yè)運(yùn)作模式和流程優(yōu)化的研究還不多。業(yè)務(wù)流程是典型的離散系統(tǒng)，對業(yè)務(wù)流程建模的常用方法有:RAD方法、CPM/PERT方法、IDEF方法群、隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)方法、ARIS方法、事件驅(qū)動的過程鏈方法，等［3］。由于煤炭超市業(yè)務(wù)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的研究方法很難對其各個流程環(huán)節(jié)進(jìn)行深入直觀的描述和分析。Petri網(wǎng)建模方法在描述和分析供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)流程上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，很容易顯示供應(yīng)鏈管理活動中的優(yōu)先訂單、批處理和異步并發(fā)程序［4］。因此，該方法得到了國內(nèi)外眾多研究學(xué)者的關(guān)注。

由于系統(tǒng)是由眾多相關(guān)的子對象構(gòu)成，每個對象都有自己的行為和特性，對象之間的交流是通過信息傳遞來達(dá)到。為克服Petri網(wǎng)在非模塊化設(shè)計(jì)、可維護(hù)性和可重復(fù)性差等方面的問題，Lee［5］和 Wang［6-7］等人將面向?qū)ο蠹夹g(shù)集成到 Petri網(wǎng)中，提出了面向?qū)ο驪etri網(wǎng)(object-oriented petri nets，縮寫OPN)方法。OPN具有豐富的系統(tǒng)描述手段和行為分析技術(shù)，可以為具有并發(fā)、異步、分布式、并行和隨機(jī)性等特性的復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)造出需要的模型，并進(jìn)行分析得到相應(yīng)的信息以進(jìn)行評價和改進(jìn)［8］。雖然OPN建模方法可以解決面向?qū)ο蠹夹g(shù)和Petri網(wǎng)技術(shù)各自建模的一些弊端，但OPN和普通Petri網(wǎng)結(jié)合建模仍有兩個關(guān)鍵的制約［9］:一是難以表示多個節(jié)點(diǎn)，多節(jié)點(diǎn)會使模型規(guī)模成倍擴(kuò)大;二是即使表示了多節(jié)點(diǎn)，由于模型的狀態(tài)空間容易爆炸，也無法進(jìn)行分析。為了解決目前越來越凸出的復(fù)雜系統(tǒng)建模和分析問題，研究人員將OPN方法與高級Petri網(wǎng)結(jié)合，提出了面向?qū)ο驪etri網(wǎng)的幾種擴(kuò)展形式:面向?qū)ο笾玃etri網(wǎng) (object oriented colored petri net，縮 寫OOCPN)，通過有效變遷的輸入庫所中不同Token顏色的組合構(gòu)成變遷的不同顏色［10］，主要應(yīng)用研究領(lǐng)域有電子產(chǎn)品制造系統(tǒng)、中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)以及艦載裝配系統(tǒng)［11］，但模型缺乏對時間特性的描述。面向?qū)ο筚x時Petri網(wǎng)(object oriented timed petri net，縮寫OOTPN)，其核心是通過引入模塊化的Petri子網(wǎng)模塊，將其按一定規(guī)則聯(lián)系起來形成整個系統(tǒng)的模型，該方法具有較好的理解性能和分析驗(yàn)證能力［12］，主要用于解決工程工期、企業(yè)業(yè)務(wù)流程效率分析、企業(yè)信息系統(tǒng)平臺建設(shè)等領(lǐng)域［13］。面向?qū)ο蠓謱覲etri網(wǎng)(object oriented layered petri net，縮寫OOLPN)，將層次化結(jié)構(gòu)概念引入Petri網(wǎng)中，通過不同層次Petri網(wǎng)的建立來簡化模型復(fù)雜度。OOLPN便于自頂向下設(shè)計(jì)，對于復(fù)雜系統(tǒng)的建模清晰明了，有助于用戶理解和對系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的分析和規(guī)約［14］。目前，主要用于研究倉儲管理、供應(yīng)鏈建模、制造流程優(yōu)化等領(lǐng)域［15］。

供應(yīng)鏈流程需要考慮和分析每一個參與對象。本文采用面向?qū)ο蠓謱覲etri網(wǎng)方法來運(yùn)行和描述煤炭超市的業(yè)務(wù)流程，在確定系統(tǒng)模型中包含的對象實(shí)體之后，通過對流程中參與對象集成整體、單個參與對象層和對象間關(guān)系OPN模型的構(gòu)建和性能分析，可以實(shí)現(xiàn)整個供應(yīng)鏈業(yè)務(wù)流程的高度抽象性和良好的系統(tǒng)界面模型的可擴(kuò)展性。然后，對基礎(chǔ)、內(nèi)部節(jié)點(diǎn)、流程系統(tǒng)中的物流、信息流和資金流通過數(shù)學(xué)的語言進(jìn)行分析和描述。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)所建分層Petri網(wǎng)模型對煤炭超市流程進(jìn)行優(yōu)化分析。

二、煤炭超市分層Petri網(wǎng)建模

(一)煤炭超市業(yè)務(wù)流程

煤炭超市是專業(yè)的煤炭生產(chǎn)性流通服務(wù)企業(yè)。通過構(gòu)筑強(qiáng)大的煤炭交易和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺，建立集上游煤炭供應(yīng)商、中游煤炭物流服務(wù)商和金融機(jī)構(gòu)等、下游煤炭消費(fèi)企業(yè)以及其他有關(guān)合作伙伴共享的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)專業(yè)的供應(yīng)鏈管理服務(wù)［16］。煤炭超市業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

(二)面向?qū)ο蟮姆謱覲etri網(wǎng)

本文中所建立的面向?qū)ο蠓謱覲etri網(wǎng)由頂層Petri網(wǎng)模型、子層Petri網(wǎng)模型和子層間關(guān)系連接模型三部分組成。其中，頂層Petri網(wǎng)模型針對整個煤炭超市系統(tǒng)，對象是煤炭超市業(yè)務(wù)流程涉及的對象，各個對象之間的關(guān)系通過物流、信息流和資金流來實(shí)現(xiàn);子層Petri網(wǎng)模型描述頂層Petri網(wǎng)各個對象所涉及的具體業(yè)務(wù)活動;子層間關(guān)系連接模型主要描述子層之間的關(guān)系。

圖1 煤炭超市業(yè)務(wù)流程圖

定義1 頂層Petri網(wǎng)模型是一個3元組，(O，P，R)

(三)模型構(gòu)建

1.層次Petri網(wǎng)對象

根據(jù)業(yè)務(wù)流程圖可知，煤炭超市層次Petri網(wǎng)共有10個對象。分別為:銷售部，直接面對終端客戶，對客戶訂單需求按品種進(jìn)行分類;采購部，負(fù)責(zé)與煤炭供應(yīng)商簽訂采購合同，采購所需不同種類的煤炭產(chǎn)品;信息中心，負(fù)責(zé)整個管理系統(tǒng)的信息調(diào)度和指令下達(dá);加工部，按客戶訂單要求，對原煤進(jìn)行洗選、配比等加工服務(wù);倉儲物流部，負(fù)責(zé)產(chǎn)品的倉儲、物流配送和質(zhì)押貨物的監(jiān)管;外包商，承接定制產(chǎn)品的加工和倉儲物流外包業(yè)務(wù);財(cái)務(wù)部，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的資金運(yùn)行和增值服務(wù)中的信貸資金發(fā)放;信貸部，負(fù)責(zé)信貸資格審核和質(zhì)押貨物審查;銀行等金融機(jī)構(gòu)，為客戶提供信貸資金;煤炭供應(yīng)商和客戶，超市內(nèi)部供應(yīng)鏈系統(tǒng)的上游生產(chǎn)企業(yè)和下游煤炭產(chǎn)品消費(fèi)企業(yè)。

2.頂層Petri網(wǎng)模型

頂層Petri網(wǎng)模型是對整個煤炭超市模糊業(yè)務(wù)流程的一個圖形直觀描述，展示了煤炭超市分層中各個對象在業(yè)務(wù)流程中所處的位置，通過此模型可以了解煤炭超市業(yè)務(wù)的整體運(yùn)作情況(圖2)。

圖2 煤炭超市頂層Petri網(wǎng)模型

3.子層Petri網(wǎng)模型

子層Petri網(wǎng)模型如圖3所示。

圖3 煤炭超市子層Petri網(wǎng)模型

4.子層間關(guān)系連接模型

根據(jù)煤炭超市的物流、信息流和資金流在各個對象之間的流動，建立子層間關(guān)系連接模型(圖4)。模型直觀地展示了各個部門在整個系統(tǒng)具體業(yè)務(wù)流程中彼此之間的關(guān)系。

圖4 煤炭超市子層間關(guān)系連接模型

在以上模型中，各個庫所與變遷的含義如表1所示。

三、基于分層Petri網(wǎng)模型的業(yè)務(wù)流程優(yōu)化分析

(一)通過分層Petri網(wǎng)模型尋找變遷過程中產(chǎn)生的物流和資金流

基于在系統(tǒng)運(yùn)行中對整個變遷過程實(shí)際發(fā)生影響的變量主要是物流量和資金流量，信息流雖貫穿全過程，但只是起基本的數(shù)據(jù)提供和節(jié)點(diǎn)連接作用，故本文在優(yōu)化分析中對其不予計(jì)入。具體內(nèi)容詳見表2。

(二)優(yōu)化分析

煤炭超市業(yè)務(wù)流程優(yōu)化是一個多目標(biāo)優(yōu)化，其中包括客戶滿意度目標(biāo)、煤炭超市利潤最大化目標(biāo)以及成本最小化目標(biāo)(成本包括物流成本、采購成本、洗煤成本等)。優(yōu)化的準(zhǔn)則是:煤炭超市流程優(yōu)化是動態(tài)的多目標(biāo)優(yōu)化;優(yōu)化的前提是:煤炭超市根據(jù)客戶的需求進(jìn)行煤炭的采購和加工，不進(jìn)行提前預(yù)測。

目標(biāo)函數(shù):

①利潤目標(biāo)

利潤=銷售收入+金融服務(wù)收入+倉儲服務(wù)收入－成本

則Max利潤=銷售收入+金融服務(wù)收入+倉儲服務(wù)收入－min{原煤成本+采購成本+倉儲成本+洗配煤成本+運(yùn)輸成本+外包成本}，那么利潤的最大化目標(biāo)轉(zhuǎn)化成成本最小化目標(biāo)，即:

表1 煤炭超市Petri網(wǎng)模型中庫所和變遷的含義所示

其中，Yk為客戶訂單需要的k類煤炭量;Pk為k類煤炭(精煤)的價格;Xi為i類煤炭(原煤)數(shù)量;ci為i類煤炭供應(yīng)價(不含運(yùn)費(fèi));Q單為單次采購煤炭數(shù)量，CP運(yùn)輸是煤炭超市年運(yùn)力，Q*最佳訂購批量，Q外包洗煤是外包洗煤量，Q外包配煤是外包配煤量;c倉儲為單位噸/天的倉儲成本，c采購為單次采購成本，c洗煤為每噸洗煤成本;c洗煤為每噸配煤成本，c運(yùn)1為煤炭供應(yīng)商到煤炭超市噸運(yùn)輸成本，c運(yùn)2為煤炭超市到終端客戶的每噸運(yùn)輸成本;α，β，γ是煤炭超市自營比例，R為洗煤流失率，K為倉單質(zhì)押信貸資金服務(wù)費(fèi)率。

表2 煤炭超市分層Petri網(wǎng)模型中變遷產(chǎn)生的物流量和資金流量說明

②本最小化目標(biāo)

由于本優(yōu)化模型是建立在客戶需求的基礎(chǔ)上，那么客戶的訂單量決定著采購量、洗配煤量、物流量，假設(shè)客戶的訂單量已知，則采購量，洗配煤量和物流量也確定，使總成本最小，需求是總成本最小時的最佳配煤比例。即:

式(3)中 xi為配煤百分比，xi≥0，i=1，2，…，n;a1i為煤的發(fā)熱量，i=1，2，…，n;a2i為煤的灰分含量，i=1，2，…，n;a3i為煤的揮發(fā)分含量，i=1，2，…，n;a4i為煤的硫分含量，i=1，2，…，n;a5i為煤的粘結(jié)指數(shù)，i=1，2，…，n;ci為各種煤到煤炭超市的價格，i=1，2，…，n。在保證配合煤發(fā)熱量等于 J，煤灰分小于b1%，揮發(fā)分在b2% ～b3%之間，硫分小于b4%，粘結(jié)指數(shù)在b5～b6之間，最優(yōu)的各種煤的配比，能使每噸配合煤的成本最低。

其中，物流成本、洗配煤成本在配煤比例確定后即可求得，而采購成本受采購批次的影響，則最小采購成本等于最佳訂購批量成本

其中，最佳訂購批量Q*=Squat(2DC/H)，Squat()函數(shù)表示開平方根;C表示每次訂貨的費(fèi)用;H表示單位庫存維持費(fèi);D表示客戶需求量。

③客戶滿意度目標(biāo)

煤炭產(chǎn)品品種的多樣性、產(chǎn)品價格、產(chǎn)品供應(yīng)的及時性和穩(wěn)定性以及特色增值服務(wù)的提供是衡量客戶滿意度的重要指標(biāo)［17］。產(chǎn)品多樣性由煤炭的不同指標(biāo)來約束，產(chǎn)品的價格受秦皇島港煤炭價格指數(shù)約束，穩(wěn)定性由日供應(yīng)量來約束，及時性由訂單完成時間來約束，服務(wù)質(zhì)量由訂單滿足率來約束。

不同種類的煤炭通過洗配生成滿足客戶需求的煤炭產(chǎn)品

產(chǎn)品的價格隨市場價格10%比例浮動

其中，P指數(shù)是秦皇島港煤價，Pk是加工后煤炭 K(精煤)的價格。

日供應(yīng)量大于等于客戶最低需求保障量，小于等于煤炭超市日運(yùn)力

其中，d表示全年365天。

訂單完成時間小于等于合同完成時間

倉單質(zhì)押信貸資金服務(wù)費(fèi)率小于客戶融資成本率

④業(yè)務(wù)流程中的輸入輸出均衡條件

煤炭采購數(shù)量=煤炭供應(yīng)商運(yùn)輸?shù)矫禾砍械臄?shù)量

煤炭供應(yīng)商運(yùn)輸?shù)矫禾砍械臄?shù)量=自營洗煤量+外包洗煤量

自營洗煤量+外包洗煤量=自營配煤煤量+外包配煤量

自營配煤煤量+外包配煤量=煤炭超市運(yùn)輸?shù)浇K端客戶的數(shù)量

煤炭超市運(yùn)輸?shù)浇K端客戶的數(shù)量=客戶訂單量

外包業(yè)務(wù)量=ε自營業(yè)務(wù)量

⑤煤炭超市的運(yùn)營能力約束條件

客戶訂單量大于等于客戶最低訂購批量，小于等于訂單完成期內(nèi)的最大承運(yùn)量

客戶精煤訂單量小于等于客戶訂單完成時間內(nèi)洗配煤能力

倉單質(zhì)押信貸量不大于客戶倉儲量的70%

通過建立客戶滿意度，成本最小化的多目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成利潤最大化的單目標(biāo)函數(shù)，再根據(jù)客戶的需求，業(yè)務(wù)流程中的輸入輸出均衡條件，煤炭超市的運(yùn)營能力等約束條件，構(gòu)建出使煤炭超市利潤最大化的物流和資金流量的優(yōu)化模型。通過使用優(yōu)化模型，煤炭超市流程中的每一個節(jié)點(diǎn)的決策優(yōu)化信息可以獲得，并根據(jù)客戶需求和其它條件的變化而及時的調(diào)整決策，因此，多目標(biāo)動態(tài)優(yōu)化的煤炭超市流程的相關(guān)問題就可以得到解決。

四、小結(jié)

基于面向?qū)ο蠓謱覲etri網(wǎng)方法在分析系統(tǒng)并發(fā)行為、動態(tài)特性等方面的優(yōu)勢以及在對象間層次分明、耦合性低的特點(diǎn)，本文對煤炭超市業(yè)務(wù)流程進(jìn)行了自頂向下，逐層分解分析，在此基礎(chǔ)上所建立的煤炭超市業(yè)務(wù)流程分層Petri網(wǎng)模型，更加直觀地反映了其供應(yīng)鏈的動態(tài)運(yùn)行。通過數(shù)學(xué)語言描述和分析煤炭超市運(yùn)行系統(tǒng)中的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)、物流、資金流，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法建立簡明實(shí)用的煤炭超市優(yōu)化分析模型，根據(jù)客戶需求和內(nèi)外部條件的變化，及時調(diào)整煤炭超市業(yè)務(wù)流程中每一個節(jié)點(diǎn)的決策信息，進(jìn)而進(jìn)行煤炭超市的流程優(yōu)化。本文所完成的研究成果是將最新Petri網(wǎng)技術(shù)方法運(yùn)用到煤炭超市業(yè)務(wù)流程研究中的一次應(yīng)用嘗試，豐富和擴(kuò)展了該方法的應(yīng)用范圍，具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)際意義。隨著國內(nèi)煤炭超市企業(yè)的發(fā)展，本文所建立的優(yōu)化模型中的約束條件還有待進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外如何將形式化的建模規(guī)則自動生成計(jì)算機(jī)控制程序，如何對建立的模型進(jìn)行實(shí)證分析驗(yàn)證仍有待進(jìn)一步研究。

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Research on Modeling and Optimizing Business Process of
Coal Supermarkets Based on Object Oriented Hierarchical Petri Nets

LI Jing-feng1，ZHANG Yan2，ZHANG Shu3
(1.School of Management，Shanxi University，Taiyuan 030006，China;2.Development Research Center of Shanxi Provincial Government，Taiyuan 030001，China;3.Shanxi Coal Transportation and Sales Group Co.Ltd，Taiyuan 030002，China)

Coal supermarket is a new service platform and industrial operation mode in coal industry through integrating logistics，information flow and cash flow.Because of the complexity and innovativeness of system construction，the research on coal supermarkets still is an emerging study field until now.This paper analyzes the business process improvement and optimization of coal supermarkets adopting the method of hierarchical Petri nets.Based on the model of object oriented hierarchical Petri nets on coal supermarkets，the paper illustrates the mathematical description of logistics，information flow and cash flow in coal supply chain，then make the optimization analysis on business process of coal supermarkets.

coal supermarkets;Petri nets;object oriented hierarchical Petri nets;optimization analysis

F270

A

1002－9753(2013)09－0133－08

2012－12－11

2013－04－21

課題項(xiàng)目:山西省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)專項(xiàng)(201205738)

李景峰(1965－)，男，漢，山西武鄉(xiāng)人，山西大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師;山西大學(xué)圖書館館長。

(本文責(zé)編:海 洋)