北煤南運(yùn)物流網(wǎng)絡(luò)建模仿真與能力分析

陳 可，周 強(qiáng)，黃安邦

（武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063）

1 引言

煤炭資源生產(chǎn)地與需求地在地理空間上形成了錯(cuò)位結(jié)構(gòu)，使得煤炭資源長(zhǎng)期處于多種運(yùn)輸方式下由北向南、由西向東的運(yùn)輸格局。國(guó)內(nèi)煤炭物流網(wǎng)絡(luò)受到眾多學(xué)者關(guān)注和研究，趙國(guó)智等[1]從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)演化性、動(dòng)力學(xué)特性、聚類(lèi)性等幾個(gè)方面分析了煤炭物流網(wǎng)絡(luò)的特性，研究了其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法及研究的意義。崔迪等[2]從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面研究得出鐵水聯(lián)運(yùn)情況下煤炭物流網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有量多、動(dòng)態(tài)變化、度值分布服從冪律分布等網(wǎng)絡(luò)特征及煤炭物流網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)性和模塊性的復(fù)雜特征。朱婷婷[3]把煤炭物流網(wǎng)絡(luò)看作是多層級(jí)網(wǎng)絡(luò)，以網(wǎng)絡(luò)成本最低為目標(biāo)，在不考慮網(wǎng)絡(luò)中煤炭流量的重新分配下，研究了最佳物流中心選取和合理分配物流量的問(wèn)題。王澤江[4]定性探討了我國(guó)煤炭物流需求預(yù)測(cè)的主要影響因素，構(gòu)建了以我國(guó)煤炭需求為研究對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證與分析。

雖然現(xiàn)有研究對(duì)北煤南運(yùn)的網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化及網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性進(jìn)行了有益探討，但網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化問(wèn)題集中于需求及成本分析、港口布局及設(shè)施設(shè)備配置、運(yùn)輸線路規(guī)劃等局部性?xún)?yōu)化問(wèn)題，很少?gòu)暮暧^層面探討與運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)整體的綜合優(yōu)化問(wèn)題。從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)角度對(duì)聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)，僅僅從度、聚類(lèi)系數(shù)等特性來(lái)考慮，并不能很好的揭示物流系統(tǒng)復(fù)雜的內(nèi)部因素。北煤南運(yùn)網(wǎng)絡(luò)是由鐵路、水路等多種運(yùn)輸方式組成的多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)北煤南運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)行為及運(yùn)量分布的研究較少。本文通過(guò)Petri網(wǎng)研究其物流活動(dòng)并建立北煤南運(yùn)仿真模型，分析煤炭物流網(wǎng)絡(luò)這種大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)和交互過(guò)程，并能使系統(tǒng)的整體性能被精確地評(píng)估。本文旨在用仿真技術(shù)量化地分析北煤南運(yùn)物流網(wǎng)絡(luò)，建立相關(guān)模型對(duì)其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行深入研究，優(yōu)化煤炭物流網(wǎng)絡(luò)，以期取得提高煤炭物流網(wǎng)絡(luò)通過(guò)能力的研究成果。

2 北煤南運(yùn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成

我國(guó)煤炭資源北富南貧、東多西少，煤炭從西北地區(qū)產(chǎn)煤點(diǎn)運(yùn)往華東、華南地區(qū)消費(fèi)節(jié)點(diǎn)。其中煤炭運(yùn)輸包含多條主線：（1）內(nèi)蒙古、山西北部及陜西的部分煤炭經(jīng)大秦線運(yùn)抵秦皇島、天津港、唐山港（曹妃甸、京唐港）進(jìn)行中轉(zhuǎn)下水。（2）內(nèi)蒙古、陜西的部分煤炭經(jīng)神朔黃線運(yùn)抵黃驊港進(jìn)行中轉(zhuǎn)下水；（3）山西省部分煤炭經(jīng)石太線運(yùn)抵黃驊港進(jìn)行中轉(zhuǎn)下水；（4）北方輸出型煤炭碼頭通過(guò)水路運(yùn)輸至華東、華南等地區(qū)進(jìn)行消費(fèi)；（5）安徽省產(chǎn)生的部分煤炭經(jīng)鐵路運(yùn)輸至南京等地區(qū)消費(fèi)。

結(jié)合北煤南運(yùn)物流網(wǎng)絡(luò)樞紐節(jié)點(diǎn)的經(jīng)緯度信息及樞紐節(jié)點(diǎn)間運(yùn)輸路線的聯(lián)結(jié)情況，繪制北煤南運(yùn)物流網(wǎng)絡(luò)空間布局圖，描述產(chǎn)煤節(jié)點(diǎn)、中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)和消費(fèi)節(jié)點(diǎn)的分布情況及煤炭運(yùn)輸線路，如圖1所示。

3 北煤南運(yùn)系統(tǒng)物流活動(dòng)分析

Petri網(wǎng)是一種用圖像形式來(lái)表達(dá)系統(tǒng)特征的組合模型，由庫(kù)所、變遷和有向弧等數(shù)學(xué)語(yǔ)言組成，具有邏輯性嚴(yán)密、層次性清晰等優(yōu)點(diǎn)，是一種豐富的系統(tǒng)描述手段和系統(tǒng)行為分析技術(shù)。北煤南運(yùn)系統(tǒng)的物流活動(dòng)主要涉及鐵水聯(lián)運(yùn)，可分為貨源的生成、貨流的流向、運(yùn)輸模式及選擇、港口裝卸作業(yè)以及貨流的消費(fèi)環(huán)節(jié)，運(yùn)用Petri網(wǎng)可以直觀形象的描述煤炭運(yùn)輸過(guò)程。

圖1 北煤南運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

下面對(duì)北煤南運(yùn)物流系統(tǒng)給出如下定義：

P1：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)空閑；P2：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)占用；P3：煤炭訂單產(chǎn)生；P4：裝車(chē)計(jì)劃產(chǎn)生；P5：裝車(chē)計(jì)劃完成；P6：貨源點(diǎn)停車(chē)場(chǎng)空閑；P7：貨源點(diǎn)停車(chē)場(chǎng)占用；P8：貨源點(diǎn)裝車(chē)道空閑；P9：貨源點(diǎn)裝車(chē)道占用；P10：火車(chē)空閑；P11：火車(chē)占用；P12：消費(fèi)城市卸車(chē)計(jì)劃產(chǎn)生；P13：消費(fèi)城市卸車(chē)計(jì)劃完成；P14：消費(fèi)節(jié)點(diǎn)卸車(chē)線空閑；P15：消費(fèi)節(jié)點(diǎn)卸車(chē)線占用；P16：船舶空閑；P17：船舶占用；P18：裝卸船計(jì)劃產(chǎn)生；P19：裝卸船計(jì)劃完成；P20：錨地空閑；P21：錨地占用；P22：泊位空閑；P23：泊位占用。

T0：輸入?yún)?shù)至計(jì)算機(jī)；T1：計(jì)算機(jī)發(fā)出指令；T2：訂單到達(dá)貨源點(diǎn)；T3：火車(chē)進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)；T4：火車(chē)進(jìn)入裝車(chē)線；T5：火車(chē)駛離貨源點(diǎn)；T6：火車(chē)到達(dá)消費(fèi)城市；T7：火車(chē)進(jìn)入裝車(chē)線；T8：火車(chē)駛離消費(fèi)城市；T9：船舶到達(dá)港口；T10：船舶到達(dá)錨地T11：船舶進(jìn)入泊位；T12：船舶裝卸完成。

圖2 基于petri網(wǎng)的北煤南運(yùn)物流活動(dòng)模型

4 煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)仿真建模

由于貨源和需求的產(chǎn)生都不是連續(xù)事件，無(wú)論是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還是動(dòng)態(tài)行為，都存在隨機(jī)性和復(fù)雜性。為了體現(xiàn)系統(tǒng)的隨機(jī)性，本文采用仿真思想分析系統(tǒng)中活動(dòng)之間的內(nèi)在聯(lián)系?；陔x散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真理論，分析北煤南運(yùn)運(yùn)輸系統(tǒng)的實(shí)體元素、關(guān)聯(lián)關(guān)系以及運(yùn)輸系統(tǒng)的狀態(tài)、事件與活動(dòng)。

4.1 模型假設(shè)

（1）模型中涉及的各地區(qū)或城市簡(jiǎn)化為單個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn)（貨源點(diǎn)、碼頭、消費(fèi)點(diǎn)等），執(zhí)行煤炭的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)運(yùn)、消費(fèi)等功能。

（2）樞紐節(jié)點(diǎn)只描述節(jié)點(diǎn)與環(huán)境輸入輸出的關(guān)系，比如，描述碼頭泊位裝卸船舶和陸域接卸火車(chē)的技術(shù)能力，不描述其內(nèi)部的裝卸運(yùn)輸活動(dòng)。

（3）針對(duì)北煤南運(yùn)模型而言，煤炭的實(shí)體流是單向的，方向?yàn)橛蓶|向西，由北至南。

（4）模型中沒(méi)有考慮到自然因素，如暴風(fēng)、暴雨、地震等情況對(duì)運(yùn)輸體系造成的影響。

4.2 模型模塊

煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)仿真模塊庫(kù)的主要系統(tǒng)構(gòu)建為：節(jié)點(diǎn)模塊、路網(wǎng)模塊、運(yùn)輸工具模塊和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊。其中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)模塊功能不同將模塊細(xì)分為：貨源產(chǎn)生模塊、轉(zhuǎn)運(yùn)節(jié)點(diǎn)模塊、消費(fèi)節(jié)點(diǎn)模塊和煤炭碼頭模塊。煤炭碼頭模塊細(xì)分為：輸出型煤炭碼頭模塊、中轉(zhuǎn)型煤炭碼頭模塊和內(nèi)河綜合碼頭模塊。所建立的北煤南運(yùn)輸系統(tǒng)層次模型如圖3所示。

圖3 北煤南運(yùn)運(yùn)輸系統(tǒng)層次模型

各模塊的具體組成和功能如下：

4.2.1 節(jié)點(diǎn)模塊

（1）貨源產(chǎn)生模塊：產(chǎn)生煤炭并緩存到該模塊的存儲(chǔ)中心，根據(jù)需求，將煤炭進(jìn)行裝車(chē)操作，然后通過(guò)路網(wǎng)模塊運(yùn)輸?shù)礁鞴?jié)點(diǎn)。

（2）轉(zhuǎn)運(yùn)模塊：提取火車(chē)的目的地信息，進(jìn)行判斷并智能選擇路徑。

（3）消費(fèi)節(jié)點(diǎn)模塊：判斷庫(kù)存并選擇是否向貨源點(diǎn)發(fā)出訂單，卸載從上游路網(wǎng)駛?cè)氲幕疖?chē)，并以一定速率消費(fèi)煤炭。

（4）煤炭碼頭模塊：提取煤炭碼頭的主要設(shè)施設(shè)備作為仿真的實(shí)體元素，用堆場(chǎng)容量、岸邊或陸路的裝卸平均生產(chǎn)率或統(tǒng)計(jì)分布描述碼頭節(jié)點(diǎn)的物流轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

4.2.2 路網(wǎng)模塊

（1）水路模塊：描述通航能力及水路路段長(zhǎng)度。

（2）鐵路模塊：描述通過(guò)能力、最大火車(chē)容納能力限制及鐵路路段長(zhǎng)度。

4.2.3 運(yùn)輸工具模塊

（1）船舶模塊：起始港將煤炭裝船運(yùn)至終點(diǎn)港，終點(diǎn)港卸船并將船舶返回起始港錨地。

（2）火車(chē)模塊：根據(jù)需求將火車(chē)分配給對(duì)應(yīng)的貨源點(diǎn)，貨源點(diǎn)將煤炭裝車(chē)運(yùn)至目的地，目的地卸車(chē)后火車(chē)返回貨源點(diǎn)，等待下一次裝車(chē)。

在模型內(nèi)各模塊的邏輯關(guān)系編輯完成后，在界面上需對(duì)各模塊所包含可視化部分進(jìn)行布置和調(diào)整，以滿(mǎn)足模型實(shí)際可視化需求，建立仿真模型如圖4所示。

圖4 北煤南運(yùn)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)仿真圖

4.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

北煤南運(yùn)物流網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸效能是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn)及運(yùn)輸通道的各項(xiàng)性能指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)的，所以可以通過(guò)分析各樞紐節(jié)點(diǎn)其重要物流設(shè)施設(shè)備能力以及主要運(yùn)輸通道能力來(lái)研究北煤南運(yùn)物流網(wǎng)絡(luò)的通過(guò)能力和系統(tǒng)瓶頸。選取的指標(biāo)如下：

（1）煤炭外運(yùn)量：煤炭外運(yùn)量是主要礦區(qū)運(yùn)往外界的煤炭總量，可以根據(jù)其發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)未來(lái)煤炭需求量的增長(zhǎng)。

（2）碼頭通過(guò)量：煤炭碼頭在各個(gè)試驗(yàn)工況下一年內(nèi)通過(guò)的煤炭總量，可以通過(guò)改變其他數(shù)值，研究煤炭港口的最大通過(guò)能力。

（3）堆場(chǎng)的日平均占用率：煤炭碼頭堆場(chǎng)的占用率反映了一個(gè)碼頭的機(jī)械作業(yè)效率及中轉(zhuǎn)效率。當(dāng)一個(gè)碼頭的機(jī)械作業(yè)效率和中轉(zhuǎn)效率越高，它的平均占用率越小。

（4）泊位平均利用率：它反映碼頭泊位?？看罢加玫某潭取Ｃ禾看a頭泊位利用率是指某個(gè)泊位進(jìn)行裝船或者卸船作業(yè)占用時(shí)間與仿真時(shí)間的比值，那么煤炭碼頭泊位的平均利用率則是該碼頭所有泊位利用率的總和與泊位數(shù)量的比值。

（5）主要煤炭運(yùn)輸線路通過(guò)量：煤炭運(yùn)輸線路通過(guò)量反映了當(dāng)前階段各條鐵路的運(yùn)力分布，可以通過(guò)分析分布情況研究如大秦鐵路通道規(guī)劃對(duì)其他煤運(yùn)鐵路線、轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭等運(yùn)量的影響等。

5 北煤南運(yùn)仿真試驗(yàn)

本次仿真試驗(yàn)以我國(guó)北煤南運(yùn)為具體研究對(duì)象，建立相關(guān)模型模擬煤炭動(dòng)態(tài)運(yùn)輸活動(dòng)，研究在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)組成及組織條件下，整個(gè)北煤南運(yùn)物流網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵樞紐節(jié)點(diǎn)的服務(wù)水平能力以及主要運(yùn)輸通道的瓶頸，分析優(yōu)化北煤南運(yùn)物流網(wǎng)絡(luò)。

在裝卸配置方案相同的情況下，通過(guò)改變消費(fèi)城市的煤炭需求，分析煤炭多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)的作業(yè)能力和周轉(zhuǎn)效率，進(jìn)一步分析煤炭多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)可能存在的瓶頸。系統(tǒng)的運(yùn)行由下游消費(fèi)城市發(fā)出的訂單拉動(dòng)，考慮以下游城市的需求增長(zhǎng)量為0%、5%、10%、15%、20%、25%為變量因子，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分別設(shè)置試驗(yàn)1到試驗(yàn)6六組試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)長(zhǎng)度為330天，即7 920小時(shí)，考慮剔除氣象條件和節(jié)假日的影響。每組試驗(yàn)進(jìn)行十次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，統(tǒng)計(jì)出相應(yīng)參數(shù)。

從表1中仿真試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的貨源點(diǎn)煤炭外運(yùn)量的數(shù)據(jù)可以看出，隨著需求量的增加，貨源點(diǎn)煤炭的外運(yùn)量總體呈增加趨勢(shì)，但對(duì)于某些煤炭貨源節(jié)點(diǎn)，當(dāng)需求量增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，煤炭外運(yùn)量增長(zhǎng)幅度趨于平緩。

表1 貨源點(diǎn)煤炭外運(yùn)量（萬(wàn)t）

以表1和表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可以得到煤炭需求量的增長(zhǎng)對(duì)貨源點(diǎn)煤炭外運(yùn)量的影響關(guān)系，并結(jié)合部分煤炭通道的通過(guò)能力對(duì)部分貨源點(diǎn)進(jìn)行具體分析。

表2 主要線路煤炭外運(yùn)量（萬(wàn)t）

從圖5中可以看出，當(dāng)需求增長(zhǎng)率從0增加至10%時(shí)，太原貨源點(diǎn)的煤炭外運(yùn)量增長(zhǎng)率較大，但是當(dāng)需求量增加至15%后，外運(yùn)量增長(zhǎng)率逐漸變小。在外部需求足的條件下，貨源點(diǎn)煤炭的外運(yùn)量主要取決于與節(jié)點(diǎn)相連通道的煤炭通過(guò)能力。太原的煤炭主要依賴(lài)于“石太線”進(jìn)行外運(yùn)，然后運(yùn)至黃驊港進(jìn)行下水或其他消費(fèi)城市消費(fèi)。經(jīng)過(guò)仿真分析，“石太線”很容易處于運(yùn)力緊張的狀態(tài)，不能很好的滿(mǎn)足煤炭外運(yùn)的需求。

圖5 煤炭運(yùn)量增長(zhǎng)率變化情況

在煤炭外運(yùn)通道方面，大秦線作為煤炭的主要外運(yùn)通道，在煤炭需求上升的情況下承擔(dān)著主要煤炭運(yùn)輸任務(wù)。大秦線負(fù)責(zé)秦皇島港、天津港和唐山港的主要煤炭運(yùn)輸任務(wù)，分析圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著需求的增長(zhǎng)，大秦線通過(guò)能力同步上升，但秦皇島港在需求增長(zhǎng)率超過(guò)20%以后吞吐量增速減慢，而唐山港在20%之后吞吐量增速變快，根據(jù)表3可知，在需求增長(zhǎng)率為20%時(shí)，秦皇島和天津港的泊位利用率較高，分別為73%和81%，不能及時(shí)滿(mǎn)足大秦線的煤炭接卸，將部分煤炭轉(zhuǎn)由唐山港下水，唐山港煤炭吞吐量變化趨勢(shì)變快。

在裝船泊位利用率方面，如表3所示，唐山港、黃驊港的泊位利用率均在40%至60%之間，表明他們有能力處理更大規(guī)模的煤炭需求。在整個(gè)北煤南運(yùn)系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展中，唐山港和黃驊港有很大的潛力可挖。

隨著需求的增長(zhǎng)，煤炭海上航線和內(nèi)河航線的運(yùn)輸量均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是受到消費(fèi)城市需求量的限制，海上運(yùn)量遠(yuǎn)大于內(nèi)河運(yùn)輸量并有較快的增速。下面重點(diǎn)就上海港、廣州港、福州港和寧波港的沿海煤炭港口進(jìn)行具體分析。

表3 輸出型碼頭泊位利用率

表4 碼頭泊位占用率

圖6 大秦線及相連港口的運(yùn)量變化情況

隨著需求增長(zhǎng)，廣州港接卸能力接近飽和。分析表4泊位利用率變化趨勢(shì)可知，在需求增長(zhǎng)率達(dá)到10%后，廣州港泊位利用率為83%，此時(shí)廣州港吞吐量變化趨勢(shì)變緩。而在需求增長(zhǎng)率為20%時(shí)泊位利用率達(dá)到92%，裝船機(jī)不能及時(shí)處理到港的船舶。

本試驗(yàn)研究了網(wǎng)絡(luò)樞紐中轉(zhuǎn)能力限制、節(jié)點(diǎn)之間運(yùn)輸能力限制以及規(guī)模效應(yīng)等對(duì)多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中不同的影響，分析多式聯(lián)運(yùn)樞紐網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸服務(wù)組織形式。主要可以得出如下結(jié)論：

（1）中通路—石太線經(jīng)常處于運(yùn)力緊張的狀態(tài)，應(yīng)加大中通路鐵路的建設(shè)，緩解中通路煤炭的中轉(zhuǎn)需求；大秦線、朔黃線具有很大的潛力可挖，應(yīng)增加與之相連接的路段或轉(zhuǎn)運(yùn)節(jié)點(diǎn)煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)能力，充分發(fā)揮這兩條鐵路線的煤運(yùn)優(yōu)勢(shì)。

（2）唐山港（京唐港、曹妃甸）在整個(gè)北煤南運(yùn)系統(tǒng)中，具有很大的利用潛力。北方煤炭的下水中轉(zhuǎn)可以盡量向唐山港偏移，另外應(yīng)加強(qiáng)與唐山港相連的鐵路線的建設(shè)，充分發(fā)揮唐山港的煤炭中轉(zhuǎn)能力。

（3）廣州港泊位利用率較高，裝卸能力接近飽和。廣東省在煤炭需求上占有較大比例，隨著未來(lái)煤炭需求進(jìn)一步增長(zhǎng)，應(yīng)考慮新建煤炭碼頭或?qū)⒉糠置禾吭谄渌劭诮有叮徑猱?dāng)前港口壓力。

6 總結(jié)

本文利用Petri網(wǎng)深入分析了煤炭多式聯(lián)運(yùn)流程，提出了基于witness的北煤南運(yùn)物流建模方法，以系統(tǒng)思想自上而下地分析系統(tǒng)層次邏輯關(guān)系并對(duì)北煤南運(yùn)物流系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，針對(duì)煤炭消費(fèi)城市的需求增長(zhǎng)，比較了貨源點(diǎn)的生產(chǎn)能力和外運(yùn)量的差距，分析了各港口基礎(chǔ)設(shè)施利用狀況及吞吐量等性能指標(biāo)，對(duì)煤炭運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)瓶頸做出整體分析并提出解決方案。利用該方法可對(duì)北煤南運(yùn)運(yùn)輸進(jìn)行更好地調(diào)度與管理，具有一定工程價(jià)值。

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