一種物流園區拆裝箱進出庫作業系統資源優化配置方法

[摘要]為實現更優的系統資源配置，以物流園區拆裝箱進出庫作業過程為研究對象，在利用Petri網深入分析園區拆裝箱進出庫作業流程的基礎上，提出了基于Fork-Join排隊網絡理論的解析模型，通過分析模型中服務臺數量改變時的系統穩態指標的變化趨勢，確定系統最優解，實現系統資源的優化配置；在深入分析拆裝箱進出庫作業流程的基礎上，利用仿真模型驗證了優化配置計算方法的正確性。

[關鍵詞]拆裝箱；Petri網；Fork-Join排隊網絡；進出庫作業系統；資源優化配置

[中圖分類號]F253.9 [文獻標識碼]A [文章編號]1005—152X（2017）03—0066—05

1引言

隨著物流業的飛速發展，物流園區的規劃與建設越來越受到政府與業界的高度重視，但對于園區的研究主要集中在園區的戰略定位、功能區布局、選址等方面，鮮少針對園區內部的各功能區及其相互間組織關系進行研究。然而，在現有較完善的選址與功能區布局規劃方法得以應用的前提下，目前的一些主營拆裝箱業務的物流園區一般都存在年作業能力不足的現象，拆裝箱進出庫作為其內部活動的關鍵環節之一，很大程度影響著園區的作業效率、生產能力，是提高園區效率的關鍵。

通過查閱文獻發現許多專家學者針對物流園區及倉儲系統運營與作業流程優化等問題進行了大量的不同層面的研究。劉永瑞等基于petri網建立出入庫模型展示了倉儲庫容中心工作的邏輯流程，通過ExSpect軟件包分析等待隊列與設備利用率等瓶頸。朱小蓉運用Flexsim建立倉儲作業系統仿真模型，對倉庫平均存貨量及設備量進行優化。朱翠娟等針對物流園區貨物出入庫流程，采用Arena建立模型進行資源利用程度分析優化。

上述研究雖然能從一定程度上解決相應領域的問題，但仍存在許多不足。大部分學者均針對出入庫流程進行了深入分析，而忽視了對很大程度上影響著進出庫作業的拆裝箱活動的研究。拆裝箱活動是分一成批（拆箱配送）或合批為一（裝箱運輸）、伴隨著系統對象與狀態變化隨機發生的過程，系統中的各元素，諸如所需拆裝的貨車載重量、安排作業的叉車數量、叉車的作業能力、完成一輛貨車的叉車作業次數等隨機性，均影響著拆裝箱進出庫作業的運行。

我國是物資出口大國，主要是將零散運輸至物流園區的貨物拆包，根據需求打包裝箱，以整箱形式輸出。因此，本文主要以合批為一的拆裝箱進出庫作業為研究對象，利用Petri網深入分析了園區拆裝箱進出庫作業流程，提出了基于Fork-Join排隊網絡的解析模型對系統資源進行優化配置的方法，并通過仿真模型對配置方法進行了驗證。

2拆裝箱進出庫作業系統分析

倉儲系統主要由貨物、倉儲空間、工作人員、設施設備以及信息管理系統等組成。拆裝箱進出庫作業系統是考慮了拆裝箱活動的倉儲系統，在傳統倉儲系統的基礎上增加了拆裝箱作業區域，如圖1所示。送貨車輛到達拆箱月臺，操作員安排叉車作業，拆分集裝箱，得到分解出來的批量散件貨，由叉車分別運輸至倉庫內的指定位置進行倉儲；當有出庫需求時，由叉車從指定區域取得所需散件貨量，并運輸至裝箱月臺處，將批量散件貨集拼裝入貨車內，完成散件貨的輸出。故物流園區拆裝箱進出庫作業系統是由多元素以及拆箱、裝箱等多子系統組成的復雜系統，系統內結構、功能的變化以及設施設備的差異性與多樣性等均會帶來復雜性，主要表現為系統的外部復雜性與系統輸入輸出的復雜性，以及系統內部復雜性。

（1）外部復雜性：隨著市場環境的不斷變化，拆裝箱進出庫系統所受到的要求也逐漸升高，整個系統的運作周轉率需要跟上市場的變化率。人工成本與設施設備等的價格變化對園區生產成本的把控也有著極大的影響。園區系統需要保證有一定的響應效率來適應市場行情，而市場環境的一系列隨機性極大程度的增加了系統的復雜性。

（2）輸入輸出復雜性：作為系統輸入的送貨卡車，其到達時間間隔、每車裝載量、各車貨物類型的不確定性，以及作為系統輸出的裝貨車輛的到達時間間隔、貨車車型和所需裝載貨物類型與數量的隨機性，加大了預測系統運行狀態的難度，增加了生產計劃制定決策工作的復雜性。

（3）內部復雜性：隨著系統規模的增大，倉庫容量、設施設備的數量等均會隨之增加，各元素間的關系變得更復雜，生產計劃制定與設備調度變得更困難，叉車的作業量增大、倉庫內交叉作業增多、叉車間的相互沖突增加、設備故障更頻繁等，這些環節不僅增加了復雜性，還給系統帶來了隨機影響因素。系統工作運營時，叉車的數量、作業能力、作業次數的隨機性，貨物裝卸貨位的不確定性，倉庫內裝卸點作業狀態，倉庫內剩余可用容積，拆裝貨與進出貨的信息準確性，叉車駕駛員的經驗等影響因素的隨機性與多樣性以及相互間的模糊相關性，使得拆裝箱進出庫作業調度時極其復雜。

拆裝箱進出庫作業系統是具有高度隨機性和不確定性的，由多元素多子系統組成的復雜系統。本文主要探究在系統結構與功能不變、輸入輸出一定的前提下，系統的內部復雜性問題。目前，針對該類復雜性問題的研究，主要采用目標優化數學方法、排隊網絡理論、Petri網及系統仿真技術等理論方法。

3拆裝箱進出庫系統作業流程分析

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。運用Petri網可以直觀形象的描述物流園區拆裝箱進出庫作業過程。

3.1拆箱入庫系統Petri網模型

拆箱入庫作業流程：①接收貨物預進倉通知單；②網絡操作員審核單證，確定預留倉位；③送貨車輛到達，拆箱入庫作業準備；④車輛抵達拆箱月臺等待區，若拆箱月臺空閑，則開車至月臺停靠點，否則排隊等待；⑤理貨員核對進倉通知單、設備交接單等信息后，開封集裝箱；⑥接卸操作員將貨物分類，等待叉車轉運；若叉車空閑，則裝載至叉車，否則等待；⑦叉車操作員運載貨物至倉內卸貨等待區，若卸貨點空閑，則開車至卸貨點，否則排隊等待；⑧理貨員核對貨物信息（數量、質量、規格、外觀包裝等）；⑨確定信息無誤后，卸載貨物至相應倉位；⑩錄入貨物倉位信息至貨物管理系統；拆箱入庫作業完畢。

建立拆箱入庫系統Petri網模型如圖2所示，庫所、變遷含義見表1。

3.2裝箱出庫系統Petri網模型

裝箱出庫作業流程：①接收預出倉通知單；②網絡操作員審核單證，包括預出倉通知單、海關放行單等，制定出倉通知單；③車輛運輸空箱到達，裝箱出庫作業準備；④車輛抵達裝箱月臺等候區；若裝箱月臺空閑，則開車至月臺停靠點，否則排隊等待；⑤理貨員核對提貨人員的交付信息；⑥信息無誤后，若叉車空閑，則安排叉車前往裝貨等待區，否則等待空閑叉車；⑦叉車行至裝貨等待區，若裝貨點空閑，則開車至裝貨點，否則排隊等待；⑧理貨員安排叉車操作員及接卸操作員裝載散件貨上車；⑨完成裝箱后，理貨員進行出倉信息再復核；⑩信息確認無誤后，出倉通知單交給網絡操作員；網絡操作員打印載貨清單，開具出門證；裝箱出庫作業完畢。

建立裝箱出庫系統Petri網模型如圖3所示，庫所、變遷含義見表2。

4拆裝箱進出庫系統排隊網絡解析模型

拆裝箱進出庫的過程，實際上就是以車或集裝箱為單位，將批量散件貨集中運輸至月臺拆箱入庫或在月臺裝箱出庫后集中輸出的過程。而環境的隨機性，拆裝箱與倉庫型式等帶來的工藝多樣性，貨物類型、數量、到達時間等輸入的不確定性，以及設備等資源數與作業能力導致的隨機性，使得拆裝箱進出庫系統成為一個復雜系統。為了深入研究該復雜系統，在上述perti網模型的詳細描述基礎上，利用Fork-Join排隊網絡理論進行對比分析，系統中的月臺排隊區相當于集中緩沖器，拆箱得到批量散件相當于網絡中的Fork點，貨物最終裝箱離開則相當于網絡中的Join點；因此，該系統是一個具有集中緩沖器的批輸入Fork-Join排隊網絡嗍，如圖4。系統包括卡車載貨到達、卸車準備、卸車、入庫、存儲、出庫、裝箱準備、裝箱、提貨車輛離開等作業環節。

4.1模型特點

（1）顧客是卡車或集裝箱，散件貨為子顧客。圖中箭頭直線是顧客的相對行駛方向。

（2）叉車為并聯平行服務臺，提供拆裝箱服務。

（3）卸車后叉車以1的概率入庫卸貨；客戶有需求時，叉車提貨并以1的概率出庫。

4.2模型假設

（1）網絡最終可達到穩態。

（2）入庫叉車數為M，出庫叉車數為M₂

（3）叉車服務時間為μ且相互獨立；貨物服從先到先服務的規則，但各散件貨的服務次序隨機。

（4）月臺集中排隊區容量為N；庫中共有F_n個貨位。

（5）卡車以A的poisson流到達網絡，卸車fork成x個散件貨（1≤x≤M+N）；出庫時，y個散件貨join合成為k個集裝箱離開網絡。

4.3穩態指標

為了保證拆裝箱進出庫系統的作業效率，最優的資源配置應滿足資源數盡量少的前提下批顧客平均等待時間盡可能少、平均等待隊長盡可能短。因此，可改變叉車數量，通過對穩態指標進行計算與分析，實現系統資源的優化配置。

5排隊網絡解析計算與仿真統計結果對比分析

5.1排隊網絡解析計算

基于提出的系統資源配置優化計算方法，以某物流園區為對象，根據該園區的相關參數，假定卡車到達時間間隔服從均值為24的泊松分布，以2m3為一單位，叉車單次作業則為一個單位，單位貨物處理時間為7min，確定批顧客數服從均勻分布iuniform（3，5），集中排隊區容量為25。將系統到達率、服務率等參數輸入至MAT-LAB計算程序，可得出如圖5所示的等待時間圖。由圖5可看出，當拆箱服務臺數量為2時，系統等待時間出現拐點，隨著服務臺數增加，等待時間趨于平緩。因此，由排隊網絡解析模型計算結果可確定，在降低成本、資源充分利用前提下，拆箱服務臺數為2時可減少拆箱等待時間，較利于園區運營。

因排隊網絡解析模型對系統做了若干假設，導致可能偏離真實情況，而仿真模型可以真實全面的描述拆裝箱系統。因此，接下來建立了基于Petri網的拆裝箱Witness仿真模型，以叉車利用率、拆裝箱時間、平均等待時間為考量指標，對拆裝箱進出庫作業過程進行仿真試驗，完成系統優化，同時對解析模型的正確性進行驗證。

5.2仿真模型建立與試驗

基于拆裝箱進出庫作業系統概念模型，在深入分析系統作業流程的基礎上，結合拆裝箱進出庫作業始于散件貨入庫指令產生止于入庫結束，以及出庫指令產生與出庫完成的實際情況，在Witness平臺上建立拆裝箱進出庫作業仿真模型。其仿真邏輯流程如圖6。

依據仿真邏輯流程建立的在witness平臺上的拆裝箱進出庫仿真模型如圖7。

根據上述5.1排隊網絡解析計算算例的相關數據對模型的初始條件與實體參數進行設定。通過算例計算結果，設計試驗工況分別是叉車數量為1、2、3、4，將模型運行一個月即43 200min，整理多次試驗的輸出結果如圖8。

5.3理論計算值與仿真統計結果對比分析

從統計結果可以看出，原系統拆箱作業時配置2臺叉車，利用率34%，拆箱時間與等待時間等均能滿足需求；隨著系統服務臺數的減少，叉車利用率、拆箱時間均有上升趨勢，等待時間明顯增加；而當系統服務臺數增加時，拆箱時間及等待時間并沒有明顯下降。因此，通過計算機仿真方法可確定在該系統中拆箱服務臺數量為2是較優的資源配置方案。

對比5.1節排隊網絡解析計算結果，在相同輸入條件下，仿真與計算結果中平均等待時間的變化趨勢相同，叉車數為1時，拆箱平均等待時間均接近1h，當叉車數增加到2臺時，兩種方法得到的平均等待時間均有大幅度下降，而隨著叉車數增多，平均等待時間下降均不明顯；且當叉車數為2臺時，拆箱平均時間縮短一半，叉車利用率也相應減少，由此可以得出，該系統較優的叉車配置應為2臺。同時，計算結果與仿真結果基本一致，因此可認為排隊網絡資源配置優化模型有效。

6結論

本文利用Petri網深入分析了物流園區拆裝箱作業流程，提出了基于Fork-Join排隊網絡的系統資源配置優化計算方法，通過求解拆裝箱進出庫作業解析模型，得到模型穩態指標隨服務臺數量改變的變化趨勢，找出系統的最優解，完成對系統資源配置的優化；并通過witness仿真模型驗證了配置計算方法的正確性。利用該方法園區運營者可對拆裝箱進出庫作業進行更好地調度與管理，具有一定工程價值。