大型艦船物資轉運瓶頸解析計算及分段優化方法

金迎村，宗硯，王皎

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

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大型艦船物資轉運瓶頸解析計算及分段優化方法

金迎村，宗硯，王皎

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

摘要：大型艦船物資轉運屬于復雜的物流過程，針對轉運時間與路線、通道要素、轉運設備參數互為優化約束條件的特點，建立一種基于運籌學的復雜轉運路線瓶頸早期解析計算方法，在按一定原則將復雜轉運路線分段后，計算分析轉運路線中各分段的流量及轉運時間，確定轉運路線中的瓶頸環節，并對瓶頸所在分段的通道及設備進行調整，同時依據流量均衡原理對全路線各分段進行優化。該方法能夠在大型艦船設計初期，針對同時在多條復雜路線進行的物資轉運的情況，經過相對簡單的計算和列表分析后，判斷出轉運瓶頸，同時還可對物資轉運系統中的主要組成部分包括轉運路線、通道要素、設備性能指標等的合理性進行有效分析和調整，形成較為優化的物資轉運方案，減少以往進行仿真計算的時間和工作量，避免在設計后期因轉運設計不合理帶來總布置和設備的較大修改。

關鍵詞：大型艦船；物資轉運；瓶頸；解析計算；分段優化；Flexsim軟件

0　引言

航母等大型艦船的食品、日用品類物資通常存儲在相應的倉庫中，多個倉庫集中布置，形成數個倉庫群。倉庫群分區域設置在艦船靠近底部的不同甲板層上，不同倉庫群之間可能存在較長的水平距離。艦船進行普通物資補給時，補給物資上艦后，轉運的起點在主甲板或露天平臺的補給接收點處，轉運的終點為物資存儲倉庫，物資轉運發生在露天甲板、平臺以及艙內，可視作大型艦船典型的物資轉運過程。

1　大型艦船典型物資轉運路線及流程

大型艦船的物資轉運屬于復雜的物流過程。當物資需要從多個補給接收點（物資轉運起始點）轉運至全船各物資存儲倉庫內時，在主甲板或者主甲板以下的露天平臺上進行轉運的物資一般需經過露天升降機、大型叉車、露天垂直輸送裝置等設備運送至艙內，其特點為運送量大，運送路線長（圖1）。

圖1大型艦船復雜轉運路線示意（露天甲板及平臺）Fig.1　 Complex routes of material transportation on the deck of large naval ships

在艙內進行的物資轉運主要是將物資經過艙內通道送至各存儲倉庫。由于艦船艙室及通道的密性要求，艙內的水平轉運通道上一般有多個高度不同的門檻，不同通道的寬度、高度及通道內設施布置的情況也各不相同。物資在艙內轉運時，由于需經過不同的通道和門檻且要避開通道內的其他設施，因此可能會更換各種不同轉運裝置，例如，在不同通道分別采用水平輸送小車、傳送帶或滑道等設備進行轉運［1-2］。圖2為物資在艙內向各個存儲倉庫進行轉運的典型路線示意，轉運所經過的艙壁門或通孔部位通常都有一定高度的門檻。在艙內的垂直轉運通常采用多層貨物電梯，經過多層甲板的垂直轉運如圖3所示。無論是露天甲板平臺或艙內物資轉運都可能存在多個路線同時進行轉運的情況。

圖2大型艦船復雜轉運路線示意（艙內水平輸送）Fig.2 The complex routes of material transportation in large naval ships（inboard and horizontally）

圖3大型艦船復雜轉運路線示意（艙內垂直輸送）Fig.3　 The complex routes of material transportation in large naval ships（inboard and vertically）

對于大型艦船來說，物資轉運往往在多條路線上同時發生，每條路線上的轉運物資都可能經歷如物資拆包、設備轉換等各種環節，物資轉運路線和流程等要素可以用網絡圖表示［3-4］。圖4所示即以網絡圖的形式，表示在典型物資轉運流程中，物資從起始點轉運到倉庫需要經過的路線、節點、轉運通道特征和所使用的轉運設備等各種信息要素。網絡圖中所示的節點，為需要在該處進行轉運設備的更換，或者需要人員進行其他輔助作業，如裝卸或拆包、掃描、打印條碼等操作的地點［5］。

圖4大型艦船復雜轉運路線流程典型算例網絡圖Fig.4　 Typical example flow chart of material transportation in a large naval ship

2　早期分析需求

艦船的物資轉運是艦船補給中一個必不可少的環節，物資轉運經常要占用主甲板和主要通道大面積的區域，轉運速度直接影響下批次物資能否按時補給上艦。從作戰和防御需求的角度來說，艦船應在盡量短的時間內完成規定數量的物資轉運［6-7］。

在大型艦船的典型物資轉運過程中，各類轉運物資的包裝形式多樣，存儲地點分散，運輸設備轉換頻繁，整個過程通常要經歷接收平臺、露天甲板、轉運通道等環節，多數貨物轉運路線長達上百米，物資在轉運期間可能會經過露天升降機、大型叉車、露天垂直輸送裝置、水平輸送機、垂直升降機、艙內推車、傳送帶、滑道等多種設備的裝卸和更換。在這樣轉運路線長、環節多、通道要素多變、轉運設備更換頻繁的復雜路線轉運過程中，很可能會出現轉運瓶頸，影響整個物資轉運的效率。

上述的物資轉運過程在每條路線上并不是完全連續進行的，而是間隔的離散隨機事件過程［8］。對于該類事件，憑直觀很難準確判斷出影響全部轉運效率的瓶頸，目前也沒有針對此類問題的較成熟的解析分析方法，通常采用的是能獲得較為精確結果的仿真計算方法［9］。而在大型艦船設計的初始階段，轉運方案的設計相對比較粗略，總布置處于不斷調整中，總體及各系統和設備技術方案均存在較大變數，其他接口狀態也未完全確定，在很大程度上影響了仿真建模的精度，而且也會耗費大量的人力和時間。

艦船的使命任務主要是海上作戰及防御，其艙室布置、通道設置、船體結構和設備使用環境條件均以作戰及防御功能為主要出發點，限制了為實現最優的物資轉運方案而對總布置和通道進行較大調整的可能性。因此，艦船的物資轉運設計與陸上的物資轉運有很大區別，難以直接應用物流學的成熟理論和方法作為依據進行分析、計算和優化，需尋找適合艦船物流特點的計算分析方法。在以往進行的復雜路線物資轉運設計中，其設計難度及仿真計算需花費較長時間和較大工作量，而因轉運瓶頸問題造成設計后期的總布置和相關系統的大量調整，也使在艦船設計早期階段即能進行瓶頸優化及整體合理性調整的需求更加突出，需要有一種較為簡易的方法，能較快且準確地判斷出全部轉運線路中不合理的環節，對其總布置或設備進行調整及優化，避免在設計后期進行較大的修改。

3　解析計算及分段優化

大型艦船通常存在多條轉運路線，如前所述，在總布置框架基本確定的情況下，很難對轉運路線進行全面調整。多數情況下，對路線中每段通道要素及轉運設備參數分別進行改進更容易實現。在艦船這種特點下，可以將轉運瓶頸分析分解為對轉運路線每個分段參數的計算和優化，以艦船需完成的總轉運量為設計輸入，以轉運時間為優化目標，以通道要素和轉運裝置轉運能力為約束條件，通過對每個分段的最大轉運量及最少轉運時間進行計算分析，找出轉運瓶頸，根據流量均衡原理，對各分段轉運能力進行調整，實現對艦船轉運全路線轉運能力的整體優化。

對于物資轉運瓶頸，可理解為該處的物資轉運速度/流量與整條路線其他環節的流量不匹配，導致在該處產生了貨物的堆積。轉運瓶頸可以在轉運路線網絡流量計算的基礎上，通過進行轉運時間計算而分析得出。網絡流量的計算可以借鑒運籌學的網絡最大流分析方法［9-11］，但并不能完全歸結為求最大流的問題，而是將每個物資轉運終點（倉庫）的補給需求量作為全部轉運需求的已知量，通過對網絡中每個環節的流量計算出該環節轉運全部需求量物資所需的時間，從而分析查找全部路線中流量相對不均衡的環節。以大型艦船典型物資轉運路線和流程為例，按以下方法進行物資轉運瓶頸分析及分段優化：

1）根據大型艦船轉運的初步方案，將復雜路線物資轉運過程從轉運起始點（通常為補給接收點）到存儲點（存儲倉庫）劃分為各個轉運分段。分解的原則可為根據轉運路線中轉運通道特征、轉運設備變化、產生裝卸拆包等環節，若轉運的起始點為vs，終點為vt，用nij表示在整個過程中從vi到vj運送的貨物最小包裝單元總量。

2）繪出大型艦船復雜轉運路線分段網絡示意圖（圖5），根據流程圖，將艏部、舯部同時接收的轉運過程用網絡圖表示，圖中包含了每個轉運環節的起點vi到終點vj，轉運設備的主要技術參數V，通道要素lij等。根據已知的各倉庫的物資下艙需求量，可得出各轉運環節的轉運總量nij。對于從vi到vj的每個轉運環節中的最小包裝單元運送總量nij，則需滿足：

根據式（1）列方程，對于終點vt，可根據其對應的各個冷庫容量，確定每次補給倉庫的補給物資需求量，補給接收點（起點）vs的物資接收量與之相等。則式（1）中v(n)為已知量，由此可列出網絡各分段運送的最小包裝單元總量的線性方程，并據此求解出每個環節在轉運中運送的最小包裝總量nij。

3）mij為從vi到vj點可同時工作的轉運設備每次轉運中運送的最小包裝單元數量，V表示該設備的運行速度，lij表示vi到vj點的水平或垂直距離。則該段轉運環節可達到的最大運輸流量qij為

則在vi到vj點的環節中，完成所需轉運物資的最少時間為

圖5大型艦船物資轉運分段計算網絡示意圖Fig.5　 Network diagram for sectioned calculation of material transportation in large naval ships

4）在對以上轉運分段進行系列計算后，可找出轉運時間相對較長的分段，即對于物資轉運的全部路線環節來說，其瓶頸環節v*

ij為

大型艦船的物資轉運可能在多個路線進行，對于持續發生轉運作業的某一路線來說，每一個分段可能進行設備的更換、貨物的裝卸或人員對設備的操作，如果某一個或者幾個分段轉運所需物資的時間過長，則意味著其他需要較短轉運時間分段的物資在該分段的起始處會發生等待和堆積，也就是通常所說的瓶頸。

5）分析各段計算結果，對轉運時間較長的分段（瓶頸）進行優化，優化目標為盡可能提高各分段的流量qij，主要為對通道要素進行優化和對設備方案進行優化。

以上步驟中，如果對某分段進行優化，受到艦上其他功能的限制時，對其無法再進行流量的優化改進，該分段就成為轉運路線的關鍵約束點，關鍵約束點決定著全路線的轉運效率。在轉運設計中，為使全部轉運路線不存在過度優化的現象，可以比對全艦的關鍵約束點的流量，對全部轉運路線的流量進行分析調整，使轉運通道中的區域流量均衡。其中，貨物緩沖區的流量確定需比普通轉運通道環節的流量有余量。如果對全部分段進行優化和調整后，轉運所需的時間仍無法滿足指標要求，則需對關鍵約束點進行優化，這時往往涉及到全艦整體布置方案的較大調整，需要從多方面來權衡調整方案［2，8-9］。

4　列表計算

以上瓶頸計算中，需對全部路線上的每個分段環節的流量進行計算，可采用列表方法，使計算過程和結果分析更加直觀并便于比較。

表1是根據大型艦船物資轉運網絡示意圖設計，可對各轉運路線分段環節進行瓶頸計算的表格。表中根據轉運順序列出了每個轉運分段環節的各轉運要素，包括各環節的起點、終點、所用的設備、設備每次裝載物資的體積、每次裝載的基本包裝單元數量qij、設備轉運速度V和設備往返距離（或高度）lij等，可以得出該分段完成全部轉運量的最少時間tij。將以上各參數及計算值填入表1中的各欄中，并按各轉運路線主要分段環節（貨物出升降機后到各倉庫內時間略）的計算中間值和結果，表中最后一列為從vi到vj的環節中，完成所需要轉運的物資最少時間tij

在對典型物資轉運的全部路線環節進行計算后，對于tij進行分析比較，得出轉運時間最大的分段環節v*

ij= max tij，還可以從表中找出相對于其他環節較大的tij值。這些分段完成全部轉運物資所需的最少轉運時間，若遠大于其他分段轉運所需的最少轉運時間，即為瓶頸環節。完成列表中的計算后，可知在全艦轉運路線中，需對這幾個環節的轉運設備配置及主要參數、通道設置情況和流程確定等方面進行優化。同時，對于相對于其他分段所需轉運時間較長的分段，也應對其各轉運參數進行分析，看是否有優化調整的可能。

表1大型艦船復雜路線物資轉運瓶頸計算列表Tab.1 Bottlenecks in the calculation of material transportation routes of large naval ship

調整后可再列表進行對比分析，在轉運設備參數和總布置資源約束的條件下，以流量均衡為原則，對各個分段的轉運參數進行調整優化，使各分段轉運時間盡可能均衡相近，以實現最終方案在整體上更為優化合理。

5　與仿真計算法的對比分析

對于大型艦船物資轉運這類離散隨機事件，系統仿真法也是常用的計算方法［12-13］。系統仿真是非解析方法，它通過相關仿真軟件可以直觀地反映物流系統的特性，分析優化系統流程和運行性能，也是目前解決物流系統設計的主要手段之一。系統仿真計算法在應用階段、計算過程、最后優化的目標及方法等方面，與第4節所述的瓶頸解析計算和分段優化方法有著較大不同。

以物流系統常用的可視化仿真軟件Flexsim為例。Flexsim是面向對象的仿真建模工具，其對象參數可以表示包括作業人員、滑道、叉車、升降機、貨架、托盤、集裝箱等在內的幾乎所有的實物對象。實物對象可以用Flexsim中的模型表示，同時數據信息也可以用Flexsim模型庫表示，整個仿真可以反映物流系統的空間立體特性。對物資轉運系統進行仿真計算時，首先應在已確定的詳細轉運流程、轉運設備參數、人員配置以及轉運作業動作細節的基礎上建立仿真系統，再根據仿真模型動態模擬所有路線的全部轉運過程，并在此基礎上分析結果，通過多次修改各類參數和反復仿真，實現對轉運系統設計的間接優化。

因此，仿真計算是對物流的實際發生過程進行模擬。對于大型艦船在多條路線同時進行的復雜轉運流程來說，建立完整的物資轉運仿真模型，需要在假設已完成全部需轉運物資數量的基礎上，確定實際在每條路線上發生的轉運詳細流程，即對多個路線同時進行轉運的實際情況進行模擬，包括人員的具體作業細節，例如對人員操作的動作參數進行設置等［14］，同時還需確定全部物資多路線轉運的指揮管理調度策略，由此才能建立準確的仿真模型，得出全艦物資轉運所需時間情況以及瓶頸提示。

由此可見，在對轉運瓶頸進行分析時，仿真計算與解析計算不同的是，仿真過程是對轉運的全部實際發生的動態細節進行模擬評估，包括轉運指揮控制策略等各方面內容。仿真計算不僅需要有非常詳盡的物資轉運方案流程以及轉運指揮調度管理方案，而且要進行較為精確細致的建模。在艦船設計初期，對轉運系統的方案確定很難達到仿真計算所需要的精準程度，且在艦船設計初期，設計師更關注的是總體布局和設備配置的合理性。第4節介紹的瓶頸解析計算及分段優化方法，僅針對轉運過程中的瓶頸進行評估計算。主要根據轉運環節的通道要素、轉運設備各性能指標參數，評估該路線完成所需轉運物資量的最小時間，是對全部轉運路線上每個轉運分段客觀能實現的最大轉運能力評估，也是對該物資轉運環節中包括通道及設備等各性能指標進行評估。評估后的優化調整也是旨在調整各通道的轉運要素，達到每個環節的流量盡量均衡。該方法相對于仿真來說，簡而易行。

因此，解析方法更適合在艦船設計早期對整體轉運方案進行綜合比較優化，在此基礎上確定更詳細的轉運方案后，再采用仿真計算進行局部調整，確定更精確合理的物資轉運方案和作業流程。在解析運算中也可以借鑒仿真建模過程中對人員作業環節的處理，例如在表1所列的計算項目中，對于在起點或終點有大量裝卸貨物、掃描或其他人員需要操作的轉運分段，其時間的計算除考慮流量因素等環節外，還可根據人員作業所需時間情況乘以相應系數，使解析計算結果更精確。

值得一提的是，比較某個典型轉運算例的解析計算結果和仿真計算結果，兩者對瓶頸環節的判斷基本一致。例如，對圖4所示的大型艦船轉運算例中的A、B路線進行解析計算，得出1號、3號貨物電梯入口前的轉運分段（l5，l39）為所在轉運路線瓶頸，對A、B路線轉運過程進行仿真計算（圖6），結果相同。增大此處的通道及貨物堆放區面積后，提高了該分段的轉運最大運輸流量，對整體轉運效率有較大改善。

圖6大型艦船復雜轉運路線轉運算例仿真圖Fig.6　 Simulation example of material transportation routes in a large naval ship

6　結　語

艦船物流設計在國內屬新興設計領域，在理論設計方法和實際應用方面都有待不斷探索。上述方法根據大型艦船物流的特點，綜合應用了現代物流學、運籌學的原理和方法，為大型艦船復雜路線物資轉運設計提供相對簡單可行的設計流程。解析計算方法可在航母等大型艦船早期立項論證和方案設計階段，無需進行大量仿真建模運算，只經過相對簡單的計算分析后，即可對轉運系統中包括轉運路線、通道、設備性能指標等主要組成元素的合理性進行判斷和調整，形成較為優化

的物資轉運方案，同時對艦船的總布置提出優化和調整建議，可避免在設計的中后期發生顛覆性修改。在對一些具體算例的應用中，也證明了該方法相對于艦船設計后期的仿真計算來說更加簡單實用，對航母等大型艦船復雜路線轉運方案中路線、總體通道要素、轉運設備參數等的確定和優化，能達到滿意的結果，可在今后大型艦船物流系統的設計中加以推廣和完善。

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Analytic calculation and sectional optimization of material transportation bottlenecks in large naval ships

JIN Yingcun，ZONG Yan，WANG Jiao
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Abstract：Material transportation is a highly intricate logistics process on large naval ships, where the transportation time is affected by the transportation route, alleyway, and transporting equipment, etc. In this paper, a method of analytic calculation of the complex material transportation bottleneck, based on opera?tional researches, is proposed. The route is first divided into several sections, and the bottleneck is deter?mined after calculating and analyzing the flow and time of transportation in each section. The alleyway and the equipment on the bottleneck should be adjusted accordingly, and each section of the route could be op?timized to the equipoise principle. In brief, the proposed method can locate bottlenecks through relative simple calculation when the material is transported on several complex routes at same time, and the ratio?nality of the route & alleyway & equipment can be judged and modified to optimize the overall transporta?tion project. It is seen that the time and effort in the simulation calculation is reduced, and further modifica?tion of arrangement and equipment can be avoided.

Key words：large naval ship；material transport；bottleneck；analytic calculation；sectioned optimized；Flexsim

作者簡介：金迎村（通信作者），女，1970年生，碩士，高級工程師。研究方向：船舶裝置。E-mail: mickey_cl@163.com宗硯，男，1984年生，碩士，工程師。研究方向：船舶裝置。E-mail: wuhan701zzk@163.com

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2015 - 06 - 22網絡出版時間：2016-1-19 14:55

中圖分類號：U664.8

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.016

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.034.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：金迎村，宗硯，王皎.大型艦船物資轉運瓶頸解析計算及分段優化方法［J］.中國艦船研究，2016，11（1）：121-127. JIN Yingcun，ZONG Yan，WANG Jiao. Analytic calculation and sectional optimization of material transportation bottlenecks in large naval ships［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：121-127.