基于Petri網(wǎng)的冷鏈物流配送流程建模與仿真

溫 豹（中國(guó)海外工程有限責(zé)任公司，北京 100044）

針對(duì)我國(guó)目前配送系統(tǒng)尚未形成，營(yíng)運(yùn)成本較高，第三方冷鏈物流公司缺乏，服務(wù)質(zhì)量較低。物流配送模式的選擇，先進(jìn)的配送技術(shù)的采用等都是冷鏈物流發(fā)展需要研究的問(wèn)題。我國(guó)學(xué)者在冷鏈物流配送模式和配送技術(shù)方面取得了一定的研究成果。

陳然、蘭洪杰、殷悅在發(fā)展冷鏈物流共同配送的探討中提到我國(guó)冷鏈物流的各個(gè)環(huán)節(jié)都比較落后，在我國(guó)目前所處的物流環(huán)境下，建立先進(jìn)的大型配送中心，很難適應(yīng)現(xiàn)實(shí)。面對(duì)冷鏈物流需求大增，提出在大多數(shù)冷鏈配送企業(yè)規(guī)模都較小的情況下，利用共同配送作為過(guò)渡手段解決我國(guó)冷鏈配送問(wèn)題。將冷鏈物流共同配送分為冷鏈產(chǎn)業(yè)間的共同配送、異產(chǎn)業(yè)間的共同配送、共同集配。最后得出我國(guó)的冷鏈配送需要多個(gè)第三方配送企業(yè)來(lái)滿足一個(gè)大的區(qū)域內(nèi)多家中小型銷售商。即利用虛擬的共同配送中心對(duì)形成合作關(guān)系的中小型冷鏈配送企業(yè)統(tǒng)一調(diào)控，完成各自負(fù)責(zé)的配送區(qū)域內(nèi)的多家銷售公司的冷鏈?zhǔn)称饭?yīng)模式[1]。趙玉國(guó)在冷鏈物流配送模式選擇探析中將供應(yīng)商直接配送、企業(yè)自營(yíng)配送、共同配送及第三方冷鏈物流企業(yè)的優(yōu)劣進(jìn)行比較，得出有多達(dá)60%的食品生產(chǎn)企業(yè)希望得到專業(yè)化的冷鏈第三方物流服務(wù)[2]。姚卓順的配送在冷鏈物流中的應(yīng)用研究中提出冷鏈物流具有高協(xié)調(diào)性、高投資成本、高技術(shù)含量等特點(diǎn)。又由于冷鏈物流配送系統(tǒng)尚未形成，營(yíng)運(yùn)成本較高，第三方冷鏈物流公司缺乏，服務(wù)質(zhì)量較低。提出建立一體化冷鏈物流配送模式、先進(jìn)配送設(shè)備提高冷鏈物流效率、實(shí)施共同配送提高冷鏈物流作業(yè)效率、實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)鼓勵(lì)冷鏈物流企業(yè)發(fā)展[3]。

1 冷鏈物流的概念

所謂冷鏈物流泛指溫度敏感性產(chǎn)品在生產(chǎn)、貯藏運(yùn)輸、銷售，到消費(fèi)前的各個(gè)環(huán)節(jié)中，始終處于規(guī)定的低溫環(huán)境下，以保證物品質(zhì)量，減少物流損耗的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。它是以冷凍工藝學(xué)為基礎(chǔ)、以制冷技術(shù)為手段的在物流技術(shù)，制冷技術(shù)的發(fā)展中建立的低溫物流過(guò)程。冷鏈由冷凍加工、冷凍貯藏、冷藏運(yùn)輸及配送、冷凍銷售四個(gè)方面構(gòu)成。冷鏈產(chǎn)品多為易腐食品和藥品等，其對(duì)于溫度和對(duì)時(shí)效性的要求很高，主要表現(xiàn)在對(duì)整個(gè)鏈條中溫度的控制上，要求在整個(gè)過(guò)程中都要達(dá)到無(wú)縫銜接。

冷鏈物流的范圍包括：初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品（禽、肉、蛋；水果、蔬菜、花卉產(chǎn)品；水產(chǎn)品），加工食品（熟食制品、烘焙；速凍食品；快餐原料；奶制品和冷飲），特殊商品（藥品）。

2 Petri網(wǎng)理論的概述

Petri網(wǎng)是一種可以用網(wǎng)狀圖形表示的系統(tǒng)模型。它不僅僅是一種可以用數(shù)學(xué)圖形表示的數(shù)學(xué)對(duì)象，它首先是一種物理對(duì)象，因?yàn)樗炎鹬刈匀灰?guī)律作為第一要義，這樣可以確保以Petri網(wǎng)為模型描述的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)。Petri網(wǎng)包括事件和條件兩個(gè)節(jié)點(diǎn)類型，在這樣的圖形中，分布著表示狀態(tài)資源或信息的托肯（Token），按照觸發(fā)規(guī)則進(jìn)行狀態(tài)的演化，從而反映系統(tǒng)運(yùn)行的全部過(guò)程。事件一般用“變遷”表示，條件用“庫(kù)所”表示，托肯用庫(kù)所內(nèi)的小黑點(diǎn)表示，庫(kù)所和變遷之間用有向弧連接[4]。

下面將對(duì)Petri網(wǎng)定義以及其常用的一些元素做簡(jiǎn)單的介紹。

網(wǎng)定義：三元組N=（P,T;F）成為有向網(wǎng)必須具備以下的幾個(gè)條件：

P∩T=Ψ（表示庫(kù)所和變遷是兩類不同的元素）；

P∪T≠Ψ（表示網(wǎng)中至少包含一個(gè)元素）；

F∈P×T∪T×P（表示變遷只能與庫(kù)所有直接的流關(guān)系）；

Dom（F ）∪cod（F）=P∪T（規(guī)定網(wǎng)中不能存在孤立元素）。

P：被用來(lái)描述有向網(wǎng)中的庫(kù)所，在這里是指該有向網(wǎng)中所有庫(kù)所的集合，用圓圈或橢圓表示。

T：被用來(lái)描述有向網(wǎng)中的變遷，在這里是指該有向網(wǎng)中所有變遷的集合，用方框或粗線表示。

F：用來(lái)描述有向網(wǎng)中庫(kù)所和變遷的關(guān)系，也叫流關(guān)系，一般用箭頭表示兩者之間的關(guān)系。

此外，在有向網(wǎng)中，我們需要對(duì)庫(kù)所的狀態(tài)（托肯）進(jìn)行描述，一般是用庫(kù)所中的黑點(diǎn)來(lái)描述。在Petri網(wǎng)的圖形表示中，一般采用圓圈表示庫(kù)所，用方框表示變遷，庫(kù)所之間不能有有向弧，同樣，變遷之間不能有有向弧，而庫(kù)所和變遷之間可以存在有向弧，這是Petri網(wǎng)表示的基礎(chǔ)原則。

3 冷鏈物流配送流程建模、仿真和分析

冷鏈?zhǔn)称房蛻籼峁┘瘋}(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸、配送、流通加工、信息等一體化物流解決方案。本文以北京市冷鏈物流公司A公司的配送流程為例[5]。A公司的配送流程如圖1所示：

圖1 簡(jiǎn)單的冷鏈物流結(jié)構(gòu)圖

3.1 應(yīng)用CPNTOOLS建立仿真模型

Petri網(wǎng)的圖形模型通常由三種元素構(gòu)成：表示狀態(tài)的庫(kù)所（Place）和表示變化的變遷（Transition）和托肯（Token）。根據(jù)圖1所示的流程圖使用Petri網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行建模。

當(dāng)你打開(kāi)CPN工具時(shí)，首先映入你眼簾的是一個(gè)窗口，其中窗口的左邊是索引部分，右邊是工作區(qū)域。索引區(qū)域位于CPN Tools窗口的左邊部分。

索引包括以下幾部分：工具箱：使用的所有工具的列表。幫助：鏈接到幫助Help，主頁(yè)Homepage，錯(cuò)誤報(bào)告Report Bug和其他的網(wǎng)頁(yè)。選項(xiàng)：不同的選項(xiàng)，如：仿真等。

索引區(qū)入口左邊的藍(lán)色三角形表示這個(gè)入口可以被打開(kāi)從而顯示更多有關(guān)這個(gè)入口的細(xì)節(jié)。單擊三角形以打開(kāi)和關(guān)閉索引區(qū)入口。

網(wǎng)絡(luò)入口包含下述部分：步：在仿真過(guò)程中已經(jīng)執(zhí)行過(guò)的步的數(shù)目。時(shí)間：當(dāng)前模擬時(shí)間。聲明：顏色集的聲明、功能的聲明、常量的聲明等。所有的聲明都是以CPN ML語(yǔ)言的方式來(lái)書(shū)寫的。

建立后的模型如圖2所示、圖2冷鏈配送流程Petri網(wǎng)模型中各元素含義如表1所示。

圖2 冷鏈配送流程Petri網(wǎng)模型

冷鏈公司在接到客戶的配送要求后，同時(shí)進(jìn)行三項(xiàng)作業(yè)：一方面由聯(lián)絡(luò)人員將要配送的食品種類、數(shù)量等信息通知超市準(zhǔn)備收貨，超市收到信息后安排自己的收貨員準(zhǔn)備收貨；一方面，食品從倉(cāng)庫(kù)中由作業(yè)組進(jìn)行出庫(kù)、搬運(yùn)、裝卸等作業(yè)，直至到達(dá)月臺(tái)，準(zhǔn)備裝車；另一方面，由單據(jù)組打印好貨物清單后，交給隨車押運(yùn)員，同時(shí)食品已經(jīng)到達(dá)月臺(tái)開(kāi)始和押運(yùn)員共同清點(diǎn)食品數(shù)量，接受押運(yùn)員簽字的確認(rèn)單。在清點(diǎn)無(wú)誤后，進(jìn)行后續(xù)的配送作業(yè)、到達(dá)、排隊(duì)、等待、卸貨。當(dāng)食品卸載完畢和超市收貨員就位兩個(gè)條件都滿足時(shí)，開(kāi)始驗(yàn)貨作業(yè)，由收貨員和廠家的押運(yùn)員共同清點(diǎn)貨物數(shù)目，清點(diǎn)無(wú)誤后收貨員簽單，準(zhǔn)確無(wú)誤后，收貨員簽單并返還給押運(yùn)員，押運(yùn)員隨車返回，而食品則搬運(yùn)到超市的冷藏柜（如圖3所示）。

表1 冷鏈配送流程Petri網(wǎng)中各元素含義

圖3 配送業(yè)務(wù)流程圖

3.2 仿真結(jié)果分析

通過(guò)上面的仿真可以看出，冷鏈物流公司進(jìn)行三項(xiàng)作業(yè)完成從接到客戶要求開(kāi)始到車輛返回結(jié)束的配送業(yè)務(wù)流程，大概需要155分鐘（P1開(kāi)始P20結(jié)束），其效率是不高的。另外，食品從冷庫(kù)出庫(kù)到食品進(jìn)入超市的冷藏柜，除去通知、出庫(kù)作業(yè)和運(yùn)輸，整個(gè)食品在非冷庫(kù)環(huán)境下的時(shí)間為100分鐘（P3開(kāi)始，P20結(jié)束，拋去T9環(huán)節(jié)），時(shí)間也是比較長(zhǎng)的。

在上述各種并行業(yè)務(wù)流程中，一方面與貨物有關(guān)的環(huán)節(jié)P1→P2→P3→P4→P5→P9→P10→P11→P12→P13是一條關(guān)鍵路徑，提高該并行流的工作效率將有助于提高整個(gè)業(yè)務(wù)流程的效率。另一方面，流程中存在兩個(gè)等待時(shí)間較長(zhǎng)的環(huán)節(jié)，一個(gè)是暫存區(qū)暫存，一個(gè)是排隊(duì)交貨。對(duì)這兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，可以有效提高整個(gè)流程的效率。

3.3 對(duì)優(yōu)化后的流程進(jìn)行建模與仿真

通過(guò)改進(jìn)措施的實(shí)施，可以得到新的流程：其中，由于調(diào)整發(fā)貨時(shí)間，出庫(kù)商品不再需要等待，原有流程中的P3（暫存區(qū)），T3（暫存區(qū)暫存），P4（暫存區(qū)），T4（搬運(yùn)）得以取消；通過(guò)和超市加強(qiáng)溝通，排隊(duì)卸貨現(xiàn)象取消，原有流程中的T10（等待卸貨），P12（收貨區(qū)）得以取消；通過(guò)改串行流程為并行流程，實(shí)行卸貨和驗(yàn)貨并行操作后，原有流程中的P13（卸貨完畢）取消，而增加了新流程中的T9（表示并列關(guān)系）；推動(dòng)信息化建設(shè)，使原流程中T12（聯(lián)絡(luò)組通知超市準(zhǔn)備收貨），P15（超市）得以取消。如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的配送流程Petri網(wǎng)表示

各變遷耗時(shí)也有所改變，改變后的元素含義及變遷從上述結(jié)果可以看出，通過(guò)效率提高和流程重構(gòu)兩種手段的實(shí)施，整個(gè)流程的耗時(shí)從原有的155分鐘降低到81分鐘，效率提高52.26%。

4 結(jié)論

本文利用Petri網(wǎng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其縝密的圖形和數(shù)學(xué)分析方法，以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶哟伪磉_(dá)方式和CPNTOOLS的仿真優(yōu)化功能，對(duì)某冷鏈物流企業(yè)的配送流程進(jìn)行建模和優(yōu)化，通過(guò)流程合并、取消、簡(jiǎn)化、重排、新增等業(yè)務(wù)流程優(yōu)化方法，提高了企業(yè)的配送效率，降低了企業(yè)的配送成本。

本文雖對(duì)配送業(yè)務(wù)流程優(yōu)化與仿真的研究有一定的進(jìn)展，但是還有許多問(wèn)題需要做更深入的討論與研究。針對(duì)本文目前的研究成果，還有如下問(wèn)題需進(jìn)一步研究與改進(jìn)：

（1）流程仿真中有些參數(shù)的設(shè)定都是很理想化的，如變遷和庫(kù)所等參數(shù)。理想情況下，不同變遷活動(dòng)都是服從均勻時(shí)間分布的，并且?guī)焖娜萘渴菦](méi)有限制的，然而在實(shí)際中以上情況發(fā)生的概率很小。因而，在理想情況下得到的研究結(jié)果與現(xiàn)實(shí)還是有一定的差距。

（2）仿真參數(shù)必須增加和細(xì)化。在實(shí)際情況下，僅通過(guò)周期時(shí)間不能夠準(zhǔn)確地將配送業(yè)務(wù)流程的瓶頸體現(xiàn)出來(lái)。但是，要想更好地解決這一問(wèn)題，還必須對(duì)企業(yè)的實(shí)際問(wèn)題做進(jìn)一步了解，才能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)企業(yè)在實(shí)際配送業(yè)務(wù)流程中的問(wèn)題。

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