甩掛運輸中牽引車及掛車配置數量的仿真優化

王天予，李洋，王秋霏

（東北林業大學工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 引言

達國家于20世紀40年代開始采用甩掛運輸的貨運方式。發展至今，甩掛運輸已經成為發達國家的主流運輸方式，大型的貨運企業更是無一例外的采用甩掛運輸，牽引車及掛車的拖掛比例高達1:3，充分體現了甩掛運輸的運力優勢[1-4]。而目前我國甩掛運輸牽扯車及掛車的拖掛比例僅為1:1.2[5]。

近年來，國家大力倡導推進甩掛運輸的發展，推行了一系列相關的政策改革，為甩掛運輸的發展營造了良好的外部環境，取得了良好的經濟效益、環境效益和社會效益。但在企業實施甩掛運輸貨運組織方式的過程中依然面臨諸多問題，如：甩掛運輸車輛資源的合理配置技術、甩掛車輛調度規則的制定及拖掛比例的優化等。

目前國外學者對甩掛運輸的研究多集中于甩掛車輛性能、甩掛運輸路徑優化等方面。Pflug,H.-Chr通過模型模擬了車輛性能指標對牽引車及掛車組合使用的動力輸出的影響[6]。Shih-Wei Lin等通過模擬退火啟發式算法優化甩掛運輸路線以使運輸成本最優[7-8]。Stephan Scheuerer主要運用啟發式算法研究了甩掛運輸車輛的最優路徑、停車點、解耦和脫鉤的次數[9]。K.C.Tan通過引入某一物流公司的實例，采用混合多目標進化算法確定開展甩掛運輸的最優路徑和最少的牽引車數量[10]。

國內對于甩掛運輸研究多集中于甩掛運輸的運營組織模式、甩掛運輸的經濟效益以及甩掛運輸在發展過程中存在的問題等幾個方面[11-14]。黃麗華通過分析目前制約福建省甩掛運輸發展的多重因素，提出了推動甩掛運輸發展的相關政策建議[11]。吳宇等人結合我國對運輸業所提出的節能環保的目標，闡述了甩掛運輸這一新型貨運組織方式的特點及意義[12]。成耀榮等人提出了一種改進的掛車運輸節點之間裝卸載調度算法模型，通過聚類分組解決車輛路徑中裝貨和卸貨中掛車運輸交換的問題，但其模型以擁有充足掛車作為前提[13]。而對于企業在實際開展甩掛運輸所面臨的難題，如甩掛運輸方式作業流程管理、車輛拖掛配比等問題的整體性研究沒有涉及。

由于甩掛運輸在我國的發展起步較晚且應用較少，使得企業缺少可供參考的經驗方法，因此在具體實施甩掛運輸的過程中，只是力圖通過采用優化理論來實現物流系統的可靠性、合理性、協調性和最優化[5]，缺少對決策過程的協調和監管，基于此，本文選擇仿真技術作為研究手段，通過參數控制，仿真甩掛運輸流程、優化車輛資源配置，為企業選擇一種可控的過程性管理方法。制定甩掛貨運站場的調度規則，利用Flexsim仿真技術，對甩掛貨運站場的實際運作流程進行仿真模擬，以期望根據貨運站場集散量合理地分配牽引車及掛車的數量，從而實現甩掛站場物流資源的合理配置。

2 甩掛運輸的工作原理

甩掛運輸(Drop and Pull Transport)是指一輛牽引車可同時配置多輛掛車，在運輸過程中由牽引車拖帶掛車行至目的地后，將拖帶掛車卸下，繼續拖帶已完成裝載或卸貨的掛車前往新的目的地，以提高車輛運輸的周轉率且方便貨主裝貨的運輸方式[15]。甩掛運輸這種“停掛不停車”運輸特點利用牽引車與掛車的靈活分離與組合，縮短了裝卸過程牽引車的等待時間，提高牽引車的利用率。其原理如圖1所示[16-17]。

圖1 甩掛運輸組織原理圖

甩掛運輸的實質，就是利用牽引車拖帶掛車在途行駛時間，來完成被甩下的掛車的裝車和卸貨作業任務。甩掛運輸使得牽引車不間斷的進行運輸作業，從而最大限度地利用牽引能力，提高運輸效能。

3 基于Flexsim的甩掛運輸流程仿真

基于Flexsim對甩掛站場運作流程進行仿真，首先確定仿真目標、收集仿真數據、進行系統分析，然后形成仿真方案、運行仿真模型、輸出仿真報告、進行仿真優化、形成可供實施的仿真方案，并最終得到甩掛運輸車輛合理的購置數量。

3.1 數據收集

某汽車物流企業從事為汽車制造企業提供第三方的物流服務。經過前期的市場調查，結合企業的運輸網絡，對適合設置甩掛運輸中轉站場的城市進行甄選。其中，鄭州作為國家重要的交通樞紐，承接了全國范圍內7個工廠的貨運量并擁有32個用戶。在該企業的公路運輸網絡中尤為重要。故選取鄭州甩掛站場作為仿真對象。仿真目標即根據甩掛貨運站場的調度規則，仿真模擬該汽車物流企業的運作流程，得到牽引車與掛車的合理配置數量。

依據對甩掛站場的優選分析，結合各工廠的供應量及用戶需求量，對鄭州甩掛中轉站場的平均月貨運集散量進行統計，見表1。

表1 鄭州甩掛中轉站場平均月集散量輛

3.2 系統分析

本文中所建立的仿真模型包含商品車按訂單生產出廠直至運送到客戶的全部流程，因此應對整個成品車輛的運輸作業流程進行分析。

3.2.1 系統建模。該企業的整車物流運輸運用“兩級分撥發運體系”，即成品車輛從工廠運輸至甩掛站場的過程被稱為“一次運輸”，成品車輛從甩掛站場運輸至經銷商的過程被稱為“二次運輸”，作業流程如圖2所示。

汽車生產工廠按照客戶訂單進行批量性生產，成品車輛存放于工廠暫存區，等待裝車運輸。牽引車拖帶空掛車行至工廠進行裝車操作。牽扯車拖帶滿載掛車行至甩掛站場進行卸車操作。此為“兩級分撥發運體系”中的“一次運輸”。按照客戶對不同工廠的訂單需求，在甩掛站場進行裝車操作。牽引車拖帶滿載掛車行至客戶進行卸車操作。牽引車拖帶空載掛車返回甩掛站場。此為“兩級分撥發運體系”中的“二次運輸”。牽引車由甩掛站場車輛調度中心進行統一調度，以任務需求作為驅動因素。

3.2.2 甩掛車輛的調度規則。甩掛車輛在實際運輸過程中能夠高效的運輸，其實質是對牽引車和掛車的有效調度，制定鄭州甩掛站場的調度規則如下：

（1）各甩掛站場相對獨立，牽引車和掛車由甩掛站場統一調配、管理。

當然，通過職業院校技能大賽，也反映出了我們在教學中的一些薄弱環節。如教學投入不足，教學實習和實訓設備不夠完善，選手不能適應競賽中采用的現代企業新設備、新技術、新流程，或在規定時間內完成不了比賽任務；基礎理論課教學與專業技能訓練沒有有機結合。應大力推行教學做一體化模式，使車間與教室合二為一，理論與實踐有機融合，努力培養更多高素質、技能型專業人才和實踐應用型能工巧匠。

（2）不同工廠及不同品牌的車輛允許拼裝運輸配送。

（3）配送活動以任務的需求作為驅動。牽引車作為甩掛運輸的主要動力輸出，其配送任務主要有：工廠有成品車輛等待裝車配送、甩掛站場有滿載掛車等待運輸、客戶有空載掛車等待運回甩掛站場。

3.3 仿真模型構建

圖2 該汽車物流企業作業流程圖

將該汽車物流企業的作業流程劃分為生產中心、甩掛站場和客戶三部分，建立仿真模型。在制定的甩掛車輛的調度規則下，對牽引車和掛車的數量按一定的比例和數量進行初設，觀察模型的運行狀況。當運力不足的情況下，分別增加牽引車或掛車的數量。當運力過剩的情況下，適當減少牽引車或掛車的數量。最終通過運行狀態良好的仿真模型，得到滿足當前甩掛站場集散量所需要配置的牽引車及掛車數量。調度規則的制定、甩掛站場集散量、客戶的地理分布等因素都將影響仿真的最終結果。本文旨在提供一種運用仿真優化技術分析合理配置牽引車及掛車數量的方法和思路。企業可依據自身的實際運營情況進行仿真優化分析。

3.3.1 生產中心作業流程仿真。生產中心的主要業務包括成品車輛的生產及成品車輛的運輸配送業務。建立的Flexsim模型由發生器、暫存區和合成器組成。其中，發生器的參數按照7個工廠生產成品車的數量(見表1)進行設置。合成器表示生產中心的裝車通道（裝車能力），依據該企業的實際貨運情況掛車的裝載量為12輛成品車，故合成器的合成模式設置為打包，數量設置為12。

3.3.2 甩掛站場作業流程仿真。甩掛中轉站場的主要業務包括對工廠運輸來的成品車輛進行卸車作業、對本掛車進行合理調度、按客戶訂單對成品車輛進行運輸配送業務。根據業務種類的不同將甩掛中轉站場劃分為三個功能區，分別為：缺貨作業區、車輛調度處、客戶訂單處理處。建立的Flexsim模型由暫存區、分解器、發生器、任務分配器、任務執行器、合成器組成。其中分解器表示甩掛站場的卸車通道（卸車能力）、合成器表示甩掛站場的裝車通道（裝車能力）、發生器用于產生拖掛運輸車輛、任務執行器代表牽引車輛。

圖3 仿真模型實體關聯示意圖

在甩掛中轉站場需要對牽引車（任務執行器）和掛車（發生器產生的實體）按一定的比例和數量進行初設。綜合考慮國內外甩掛運輸不同發展水平下的拖掛比例，以及本案例涉及烏魯木齊、拉薩、海口等長運輸距離客戶的情況，初設拖掛比例為1:2，其中牽引車20輛，掛車40輛。依據模型的運行狀態，還將進一步對牽引車和掛車的數量進行調整。所以初設的本掛車比例及數量不會影響仿真模型的最終結果，只會在一定程度上影響仿真模擬運行次數。初設牽引車及掛車的數量和比例越接近最終結果，需要進一步調整本掛車數量進行仿真模擬運行的次數越少。

相關實體的參數設置如下：發生器（掛車）產生的實體數量設置為40、暫存區（訂單處理中心）臨時實體流采用拉入策略、任務執行器（牽引車）數量設置為20。

3.3.3 客戶中心作業流程仿真。客戶中心的主要業務有成品車輛的卸車作業及成品車輛的銷售。建立客戶中心的Flexsim模型由分解器、暫存區和吸收器組成。其中分解器表示客戶中心的卸車通道（卸車能力）。

通過上述對甩掛運輸作業流程三部分的分析，建立仿真模型，其各實體間關聯示意圖如圖3所示。

通過模型中各實體端口的關聯、參數的設置、仿真程序的編寫，實現成品車輛“兩階段多產品”的配送過程，將初步建立的模型與實際的地理分布相結合，形成了覆蓋全國的運輸配送網絡仿真模型。

3.4 甩掛車輛運力分析及優化

通過上述過程建立的仿真模型能夠按制定的調度規則良好的運行，需要進一步考慮初設的牽引車和掛車的數量是否能夠滿足當前甩掛中轉站場的運力需求。由于Flexsim是實時的仿真軟件，在仿真過程中，可對每一個實體如：工廠、訂單處理中心、任務執行器等輸出標準報告及狀態報告，檢測其當前的狀態，也可以在仿真結束后輸出匯總報告。其中，標準報告的輸出變量主要包括當前容量（stats content）、最小容量（states contentmin）、平均容量（states contentavg）、輸入（states input）、輸出（states output）等變量。狀態報告的輸出標量主要包括對象的空閑時間（idle）、加工時間（processing）、阻塞（blocked）、空載運行時間（travel empty）、裝載運行時間（travel loaded）、裝載時間（loading）、卸載時間（unloading）等變量。通過對變量的分析，可調整牽引車及掛車數量，使其最終滿足甩掛站場的運力需求。

3.4.1 牽引車輛運力分析。牽引車的運力可通過任務執行器的狀態變量來評價。主要的評價指標有空閑時間（idle）、空載偏移時間（offset travel empty）、裝載偏移時間（offset travel loaded）、應用時間（utilize）。通過任務執行器的屬性統計得到牽引車運行狀態，如圖4所示。牽引車的閑置率僅在10%左右，運輸率高達80%以上。說明牽引車輛的利用率較優且數量能夠滿足該甩掛站場的貨運需求。企業可以依據實際情況調整牽引車的數量，使空閑率和利用率滿足企業需求。

圖4 任務執行器狀態變量餅狀圖

3.4.2 拖掛車輛運力分析。拖掛車輛在所建立的仿真模型中是甩掛站場發生器所產生的臨時實體，停靠于甩掛中心空掛停靠處。掛車的運力分析可通過統計甩掛站場空掛停靠處（暫存區）的數量曲線圖來實現，數量曲線圖可通過仿真系統輸出，如圖5所示。空掛停靠處的最小容量為14，即在拖掛車輛最大利用的情況下依然有14輛掛車剩余且處于空閑狀態。說明掛車利用率較低，運力過剩，應減少掛車數量。重新設置發生器產生臨時實體（掛車）的參數，考慮到模型運行為理想狀態，將參數設置為30，其中4輛可供企業機動處置。

通過對甩掛車輛的運力分析，逐一逐次調整牽引車及掛車的數量，直至運力滿足企業甩掛中轉站場的貨運需求，實現牽引車及掛車數量的合理配置。通過上述分析，該汽車物流企業鄭州甩掛站場應考慮配置20輛牽引車輛和30輛拖掛車輛。

圖5 甩掛站場空掛停靠處的數量曲線圖

4 結語

甩掛運輸車輛資源配置數量及拖掛比例已經成為甩掛運輸的一個熱點問題，其合理性直接影響企業的經濟效益。本文結合甩掛運輸的工作原理，分析了某汽車物流企業整車運輸的作業流程，制定了具體的甩掛車輛調度規則，重點構建了生產中心、甩掛站場和客戶等核心作業流程仿真模型，通過對甩掛運輸車輛運力的分析及優化，得到了該企業甩掛站場牽引車及掛車數量的合理配置。結果表明，甩掛站場的集散量、調度規則的制定等多重因素都將影響仿真結果。論文研究方法能夠針對企業的實際貨運需求、運營情況進行建模仿真及優化分析，可以科學合理地解決企業在開展甩掛運輸業務初期所面臨的牽引車及掛車購置數量的難題，進一步優化了該類企業甩掛運輸的物流資源配置，促進了甩掛運輸的長遠發展。