鐵路物流中心物流能力仿真系統總體設計

李傳勇何世偉陳旭超

（1中國中鐵二院工程集團有限責任公司土木建筑設計研究一院 四川 成都 610031）（2北京交通大學交通運輸學院 北京 100044 3北京交通大學城市交通復雜系統理論與技術教育部重點實驗室 北京 100044）

鐵路物流中心物流能力仿真系統總體設計

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任公司土木建筑設計研究一院 四川 成都 610031）（2北京交通大學交通運輸學院 北京 100044 3北京交通大學城市交通復雜系統理論與技術教育部重點實驗室 北京 100044）

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

鐵路物流中心；仿真系統；物流能力；離散事件系統

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變為依照市場需求來組織貨物運輸[1]，鐵路物流中心的建設運營對保證鐵路貨運時效性，建設全程物流服務體系有十分重要的作用[2]。根據十三五鐵路發展規劃要求，“十三五”期間鐵路物流中心建設將進一步加快加強，2015-2017年，全路規劃改造建設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劃設計，能夠克服傳統經驗公式誤差大、不全面的缺點，提高設計規劃精度，降低建設運營成本[3]。

1.概述

1.1鐵路物流中心

根據2016年出臺的《鐵路物流中心設計規范》，鐵路物流中心指依托鐵路、具有完善信息網絡、為社會提供物流活動的場所，并具有為社會或企業自身提供物流服務、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可分為專業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、裝卸、倉儲、加工等服務，典型的綜合鐵路物流中心站的平面布局如圖1所示。綜合鐵路網物流中心包含多種類型的貨運功能區，主要貨運功能區包括：

圖1 典型鐵路物流中心平面示意圖

（1）集裝箱功能區：提供集裝箱的運裝卸、多式聯運及門到門服務、掏裝箱作業、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：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：提供成件貨物包裝、儲存、配送等功能。

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

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

（6）倉儲配送功能區：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：提供危險貨物運輸、倉儲、裝卸、配送等物流服務。綜合鐵路物流中心內危險貨物功能區應單獨分區，且布置在物流中心的邊緣地帶。

（8）冷藏功能區：為超低溫物流、冷凍物流、冰溫物流、冷藏物流產品提供運輸、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：包括內陸港功能區、流通加工功能區、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)是根據用戶的各種需求，利用鐵路貨運各種設施設備，通過科學運輸組織，促進貨物快速運輸的能力，它包含從物流信息的收集及訂單受理、貨物的承運及加工處理、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，一定的中心站生產計劃和調度管理下，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、裝卸設備、倉儲區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.仿真系統架構

物流能力仿真系統的設計目標是針對鐵路物流中心內部的主要物流作業設施設備及作業實現動態仿真，并根據仿真結果對當前物流中心仿真方案進行評價分析。系統需要提供物流中心站模型構建、物流作業過程仿真、仿真結果統計分析3項主要功能，其系統架構如圖2所示。

圖2 鐵路物流中心物流仿真系統架構

2.1模型構建模塊

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

（1）物流中心站布局設計子系統：提供鐵路物流中心站的平面布局設計功能，用戶可根據需求，添加設置物流中心站包含的各貨運功能區，并對各功能區的作業場類型，作業場形式、位置關系、內部布局形式等進行設置，構建鐵路物流中心站的平面布局模型。

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

（3）物流中心站參數設定子系統：提供仿真參數設置功能，包括設施規格等靜態參數和列車到達分布、重車平均占比等動態參數。

2.2離散系統仿真模塊

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

（1）列車運行動態仿真模型：主要針對列車在鐵路物流中心站內的運行過程進行仿真，包括列車到達作業、列車轉場作業、列車出發作業等環節。

（2）貨卡運行動態仿真模型：主要針對貨卡在鐵路物流中心站內的運輸作業過程進行仿真，包括貨卡到達作業、門區檢查作業、站內走行過程、貨物功能區內裝卸作業等環節。

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

2.3仿真結果分析模塊

仿真結果分析模塊提供仿真數據存儲、更新、統計、分析等功能，采用MsChart圖表處理技術對仿真生命周期內的各項仿真數據進行統計分析，根據用戶需求計算物流能力評價指標，并生成統計分析圖表。

仿真結果分析模塊主要分為4部分，分別是列車物流作業能力分析子模塊、貨卡物流作業能力分析子模塊、裝卸搬運設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

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

3.1面向對象的離散系統仿真方法

面向對象的離散事件系統仿真通過建立系統內不同元素間的信息傳輸關系實現元素間的聯系，所有的內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，用以表示元素的靜態及動態特征。

離散事件系統的包含事件調度策略、活動掃描策略以及進程交互策略三種仿真策略[9]，本系統采用事件調度策略。事件調度策略中，每一項事件的發生時間是通過掃描事件表確定的，仿真開始時，系統調用事件表中的第一個事件并將仿真時鐘跳轉到該事件對應的時間，該事件完成后繼續調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網的鐵路物流中心站物流能力仿真建模

Petri網（Petri Net ）是對離散并行系統的數學表示，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]。

鐵路物流中心內不同貨運功能區的物流作業流程存在一定差異，但主要作業流程均可以排隊論為基礎，將貨物的到達、裝卸、搬運、倉儲、加工、配送等作業過程視為－個相互關聯的排隊系統。本節以作業流程相對復雜的集裝箱功能區為例，采用Petri網技術構建仿真模型，如圖3所示。

圖3 系統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子模型、裝卸系統子模型、箱場系統子模型、集卡運輸系統子模型。其中箱場系統模型（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等待裝卸，托肯數為集卡數量；

p2：被卸至主箱區的集裝箱，托肯數為集裝箱數量；

p3：處于占用狀態的箱位，托肯數為處于占用狀態的箱位數量；

p4：處于空閑狀態的裝卸機械，托肯數為空閑的裝卸機械數量；

p5：準備裝車的集裝箱，托肯數為集裝箱數量；

p6：被裝至集卡的集裝箱，托肯數為集裝箱數量；

p7：準備卸箱的集裝箱，托肯數為集裝箱數量；

p8：被裝至列車的集裝箱，托肯數為集裝箱數量；

p9：處于空閑狀態的箱位，托肯數為箱位數量。

變遷：

t1：卸箱作業，是瞬時變遷；

t2：箱位被占用作業，是時間變遷；

t3：集裝箱堆存過程，是時間變遷；

t4：裝車作業，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PN模型變遷事件表

4.仿真系統實現及實例驗證

4.1鐵路物流中心站物流能力仿真系統

系統采用C#語言開發，在Microsoft Visual Studio 2010平臺上實現。

（1）模型構建模塊：

物流中心站布局設計子系統、設施配置子系統、參數設定子系統部分界面如圖4-6所示。

圖4 物流中心布局設計子系統界面

圖5 設施配置子系統界面

圖6 仿真參數設置子系統界面

（2）離散系統仿真模塊：

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

圖7 動態仿真過程演示界面

（3）仿真結果分析模塊：

列車物流作業能力分析、貨卡物流作業能力分析等主要界面如圖8-9所示。

圖8 物流能力指標統計界面

圖9 物流能力統計圖表展示界面

4.2實例驗證

（1）仿真模型構建

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，是廈門鐵路樞紐內的計劃建設運營的鐵路特大型貨場（車站中心：K670+280）。前場總體布局為“七區兩核”型布局，總體布局示意圖如下圖10所示，包括鐵路作業區、集裝箱集散區、工貿配送區、鋼鐵加工配送區、汽車及機電配送區、特種物流區、糧食及冷鏈物流區7大貨運功能區。

圖10“七區兩核”型布局示意圖

構建前場仿真模型，模型參數根據《前場特大型貨場深化可研說明書》設定，部分參數設定如下表2至表3所示。

表2 前場貨運功能區主要參數

表3 前場主要機械設備參數

（2）仿真結果分析

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

圖11 貨運量指標

圖12 設備能力利用指標計

表4 列車運行指標統計

表5 貨卡運行指標統計

整個仿真周期內，鐵路系統總貨運量為106.97萬噸，公路系統總貨運量為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。裝卸設備利用方面，零散快運貨場裝卸設備日均作業時間最長，達8.1小時，利用率為50.9%，長大笨重貨場裝卸設備利用率最低，僅為14.3%。

通過與實際作業數據進行對比，仿真結果與實際運營數據基本一致，這說明該系統能夠較為準確地仿真鐵路物流中心站的作業過程，并從貨運量、列車運行、貨卡運行、設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的有效性。（2）物流仿真系統能夠有效提高設計規劃精度，發現已有設計方案存在的問題，并大幅降低站場規劃預測成本。（3）該研究成果能夠廣泛應用于行業規劃設計部門，為其它鐵路物流中心設計規劃提供輔助決策及方案驗證。

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研究結論：（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的有效性。（2）物流仿真系統能夠對設計規劃方案進行定量分析，提高設計規劃方案的準確性。（3）該研究成果能夠廣泛應用于行業規劃設計部門，為其它鐵路物流中心設計規劃提供輔助決策及方案驗證。