基于隨機Petri網(wǎng)的中歐班列出口作業(yè)流程優(yōu)化研究

楊凱麗，于雪嶠

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術學院 藝術學院，河南 鄭州 451460；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081)

隨著“一帶一路”倡議的深入實施，中歐班列作為深化我國與沿線國家經(jīng)貿(mào)合作的重要載體和推進“一帶一路”建設的重要抓手[1]，在中歐貿(mào)易中發(fā)揮的作用越來越突出。截至2022 年底，中歐班列已累計開行6.5 萬列，發(fā)送604 萬TEU，其中2022 全年開行1.6 萬列，發(fā)送160 萬TEU，同比分別增長9%，10%[2]。進入新時代，中歐班列發(fā)展形勢正在發(fā)生變化，中歐班列開行也將面向高質(zhì)量轉(zhuǎn)型升級。中歐班列場站出口作業(yè)流程優(yōu)化對于提高場站作業(yè)能力、降低場站作業(yè)成本、提升場站服務水平、打造國際知名品牌具有重要意義，能夠有效解決出口作業(yè)流程存在不順暢、不通暢、不流暢的“三不”問題，為中歐班列高質(zhì)量發(fā)展提供有利條件，從而實現(xiàn)對外便利化、對內(nèi)高效化，更好地助推中歐班列高質(zhì)量發(fā)展，使之更具生命力和品牌效應。

1 中歐班列出口作業(yè)流程

通過現(xiàn)場實際調(diào)研，結合中歐班列發(fā)到場站的實際情況，中歐班列出口作業(yè)流程一般是：境內(nèi)貨運委托人(客戶)與中歐班列場站平臺運營公司簽訂貨物運輸協(xié)議，平臺運營公司再與鐵路承運方簽署協(xié)議，辦理中歐班列相關業(yè)務后，鐵路承運方將貨物運輸至邊境口岸站，經(jīng)放行后由境外鐵路承運，并最終將貨物交付給境外收貨方。中歐班列出口作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 中歐班列出口作業(yè)流程Fig.1 Export operation process of China Railway Express

（1）客戶提交貨運需求申請?？蛻粜杩紤]自身實際需求情況，同時根據(jù)平臺運營公司發(fā)布的班列開行信息，確定其貨物運輸時間。目前，提報方式可分為線上、線下2 種。①線下提交貨運需求申請，客戶可直接前往平臺運營公司營業(yè)大廳或鐵路集裝箱中心站中歐班列辦理窗口現(xiàn)場填寫訂單，均由中歐班列平臺運營公司工作人員審核訂單。②線上提交貨運需求申請，客戶通過平臺運營公司官方網(wǎng)站，根據(jù)網(wǎng)上顯示的班列開行信息及目前訂艙情況，在網(wǎng)站平臺提交申請，平臺運營公司將根據(jù)客戶的運輸需求，并結合《國際貨協(xié)》等相關文件及時進行訂單處理；客戶在提交貨運需求的同時，可選擇相應的物流服務，如上門取貨、集裝箱租賃等；客戶提交貨運需求后，平臺運營公司收到訂單并進行審核，經(jīng)審核確認后，客戶與平臺運營公司簽訂訂艙委托合同，生成預配艙單，并將預配艙單發(fā)送至內(nèi)陸海關及國家出入境檢驗檢疫部門(以下簡稱“國檢”)。

（2）平臺運營公司制定貨源組織方案。根據(jù)合同條款內(nèi)容，準備相應的后續(xù)工作。①若客戶選擇租箱服務，平臺運營公司向鐵路集裝箱中心站箱務部業(yè)務員提報用箱申請，箱務部審核后，進行空箱調(diào)配，客戶憑加蓋提箱單位或車隊公章的提箱單向鐵路集裝箱中心站預約提箱；客戶在選擇租箱的同時，可選擇場站裝箱或廠內(nèi)裝箱。若選擇場站裝箱，則需要把貨物送至鐵路集裝箱中心站進行裝箱操作；若選擇在自己廠內(nèi)裝箱，則需提箱至廠內(nèi)進行裝箱操作。②若客戶選擇使用自備箱，則可直接在廠內(nèi)進行裝箱。③若客戶選擇上門取貨，則由與平臺運營公司合作的物流公司(或是鐵路集裝箱中心站)聯(lián)系客戶上門取貨，將貨物在指定日期運至車站。④若客戶未選擇上門取貨，則由客戶在約定日期自行將貨物運至鐵路集裝箱中心站。

（3）貨物進站。①進站確認。根據(jù)訂單信息，物流公司或客戶與鐵路集裝箱中心站確定進站日期，并將當日進站的車輛信息等提前1 個工作日傳送給鐵路集裝箱中心站。②安檢。取送車輛進站后，為了集裝箱運輸?shù)陌踩裕枰M行安檢與過磅，進一步確定集裝箱是否偏載或超載。

（4）落箱堆碼。集裝箱進站安檢后，移送至集裝箱堆存區(qū)，按照堆碼要求進行堆放。對于偏載或超載的集裝箱，需要進行卸貨重裝，直到符合裝載要求方可進行場內(nèi)堆碼。

（5）報關報檢。落箱堆碼后，客戶提交報關報檢單。首先，檢驗檢疫部門對單證進行審核，如果貨物需要檢驗檢疫(占比約為30%)，則檢驗檢疫部門需要對此檢驗后出具電子檢驗號碼。然后海關接受檢驗檢疫部門的檢驗號碼，并對貨物的報關單進行審核。

（6）查驗放行。為促進中歐班列的進一步發(fā)展，海關總署規(guī)定部分城市可在當?shù)貓箨P報檢并查驗后，在邊境口岸站直接辦理“直轉(zhuǎn)”手續(xù)(目前“直轉(zhuǎn)”比例約為80%，邊境海關僅核對單據(jù)，不再進行開箱查驗)。內(nèi)陸海關和檢驗檢疫部門進行貨物查驗后，海關將會進行施封，并出具海關關封，同時向內(nèi)陸鐵路口岸(集裝箱中心站)下達貨物放行指令，內(nèi)陸口岸收到放行指令后，將對堆場內(nèi)的集裝箱裝車并進行列檢后按照發(fā)車時間發(fā)出，運送至邊境鐵路口岸。

2 作業(yè)流程優(yōu)化方法

2.1 隨機Petri網(wǎng)構建

根據(jù)實際問題進行Petri建模時，需要對所建模型的相關性質(zhì)進行分析，判斷建模正確與否。采用特性分析方法進行分析，通過關聯(lián)矩陣與不變量分析方法，從而得到該網(wǎng)的結構特性和行為特性[3-4]。構建模型關聯(lián)矩陣，關聯(lián)矩陣用于表示Petri網(wǎng)的結構關系，設關聯(lián)矩陣為A=[aij]m×n，其中aij計算公式為

式中：i表示庫所；j表示變遷；m表示庫所變量；n表示變遷變量；aij+表示從輸入變遷j到輸出庫所i的弧的權重；aij-表示從輸入庫所i到輸出變遷j的弧的權重；權重未標明時，則默認權重為1。

對所構建Petri網(wǎng)模型進行性能驗證，需滿足以下條件：①Petri 網(wǎng)有界的充分條件，即存在1 個m×1 的正實數(shù)向量X，使得ATX≤0；②Petri 網(wǎng)守恒的充分條件，即存在1 個m×1 的正實數(shù)向量X，使得ATX=0。Petri網(wǎng)可達的充分條件為每一個庫所都被1 個正實數(shù)向量X覆蓋。綜上，ATX=0 存在正實數(shù)解則所構建的Petri網(wǎng)模型正確合理。

2.2 隨機Petri網(wǎng)性能分析

傳統(tǒng)Petri網(wǎng)模型在實際應用中具有一定的局限性，如不能反映時間方面的內(nèi)容，場站作業(yè)流程優(yōu)化的目標之一是減少貨物場站作業(yè)時間，故需要對傳統(tǒng)Petri網(wǎng)進行擴展與改進，通過引入作業(yè)時間因素，從而更好驗證中歐班列場站作業(yè)流程優(yōu)化的效果。

在Petri 網(wǎng)模型中賦予每個變遷T實際運行速率，構建隨機Petri 網(wǎng)模型?；贛olloy 的連續(xù)時間隨機Petri 網(wǎng)理論[5-6]，假設場站作業(yè)各環(huán)節(jié)完成時間符合指數(shù)分布，然后運用隨機Petri網(wǎng)對中歐班列場站作業(yè)流程進行研究，運用馬爾科夫鏈方法計算所構建模型優(yōu)化前后作業(yè)流程的周期時間，對中歐班列場站作業(yè)流程優(yōu)化效果驗證的具體步驟如下。

步驟1：構建隨機Petri 網(wǎng)模型，在構建的Petri網(wǎng)模型中，對各個變遷所產(chǎn)生的相關聯(lián)速率λ，建立中歐班列場站作業(yè)流程的隨機Petri網(wǎng)。

步驟2：構造隨機Petri 網(wǎng)模型對應的馬爾科夫鏈，基于構建的隨機Petri網(wǎng)模型，將有向弧上的變遷ti改為λi，求得相關聯(lián)的馬爾科夫鏈。

步驟3：特性分析與結果驗證，基于馬爾科夫鏈的穩(wěn)定概率，對中歐班列場站作業(yè)流程隨機Petri網(wǎng)模型進行特性分析[7-8]。馬爾科夫鏈中的n個狀態(tài)穩(wěn)定概率為行向量X=(x1，x2，…，xn)，根據(jù)馬爾可夫過程可得出以下線性方程組。

式中：X為穩(wěn)態(tài)概率；Q為關聯(lián)矩陣；xi為隨機Petri網(wǎng)模型下庫所i的發(fā)生概率。

通過求解線性方程組求得X，可對標記概率密度函數(shù)、平均標記數(shù)、變遷利用率、變遷的標記流速、子系統(tǒng)T的周期時間共5 個指標進行分析[9-10]，其具體計算如下。

（1）標記概率密度函數(shù)，計算公式為

式中：P[Ms=i]為標記概率密度函數(shù)；P[Mi]為庫所i的發(fā)生概率；Ms表示標記庫所S的狀態(tài)；Mi表示隨機Petri網(wǎng)模型中的第i個狀態(tài)。

其中，P[Mi]計算公式為

（2）在庫所中的平均標記數(shù)，計算公式為

（3）變遷利用率，計算公式為

式中：U(t)表示變遷t的利用率；D為t能實施的所有可達標識集合。

（4）變遷的標記流速，計算公式為

式中：R(t，s)表示變遷的標記流速；W(t，s)是變遷t的權值；λ是t的平均實施速率。

（5）子系統(tǒng)的周期時間，計算公式為

式中：T為子系統(tǒng)的周期時間；N為隊列平均長度。

3 實證分析

3.1 中歐班列出口作業(yè)流程Petri 網(wǎng)建模及其性能分析

根據(jù)中歐班列現(xiàn)有出口作業(yè)流程，構建中歐班列出口作業(yè)流程Petri模型如圖2所示，中歐班列出口作業(yè)流程庫所定義如表1 所示，中歐班列出口作業(yè)流程變遷定義如表2所示。

表1 中歐班列出口作業(yè)流程庫所定義Tab.1 Place definitions of China Railway Express export operation process

表2 中歐班列出口作業(yè)流程變遷定義Tab.2 Transition definitions of China Railway Express export operation process

圖2 中歐班列出口作業(yè)流程Petri網(wǎng)模型Fig.2 Petri net model of China Railway Express export operation process

結合Petri 網(wǎng)模型性能原理，對所建Petri 網(wǎng)模型的正確性、合理性進行驗證。根據(jù)公式⑴，構建中歐班列出口作業(yè)流程Petri網(wǎng)模型關聯(lián)矩陣，通過計算可求解得到，該模型關聯(lián)矩陣存在正實數(shù)向量X使得ATX=0，其中，X=[3，3，3，1，2，1，1，1，1，0，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1]。故所建Petri 網(wǎng)為有界的、可達的、具有活性的。

3.2 中歐班列出口作業(yè)流程問題診斷及優(yōu)化方案

根據(jù)隨機Perti網(wǎng)性能分析方法，并利用馬爾科夫鏈的計算方法[11-12]，對優(yōu)化前后的中歐班列出口作業(yè)流程進行性能分析，以中歐班列出口作業(yè)流程庫所繁忙的概率、平均托肯數(shù)、變遷平均流速及系統(tǒng)周期時間為衡量指標[13]，通過對比分析驗證優(yōu)化的效果。

對中歐班列出口作業(yè)流程進行分析并構建Petri網(wǎng)模型，運用隨機Petri網(wǎng)的性能等價公式對中歐班列出口作業(yè)環(huán)節(jié)進行化簡合并，得到優(yōu)化前中歐班列出口作業(yè)流程隨機Petri網(wǎng)模型如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前中歐班列出口作業(yè)流程隨機Petri網(wǎng)模型Fig.3 Stochastic Petri net model of China Railway Express export operation process before optimization

通過對鄭州鐵路集裝箱中心站展開實地調(diào)研，對現(xiàn)有中歐班列出口作業(yè)流程各環(huán)節(jié)辦理時間進行賦值，其中，選擇環(huán)節(jié)按照實際比例合并為單個作業(yè)環(huán)節(jié)，優(yōu)化前中歐班列出口流程各環(huán)節(jié)時間及其實時速率如表3所示。

表3 優(yōu)化前中歐班列出口流程各環(huán)節(jié)時間及其實時速率Tab.3 Time of each link and real-time rate of China Railway Express export operation process before optimization

根據(jù)優(yōu)化前中歐班列出口作業(yè)隨機Petri網(wǎng)模型和實時速率表，得到優(yōu)化前中歐班列出口作業(yè)流程隨機模型的馬爾可夫鏈如圖4 所示，優(yōu)化前中歐班列出口作業(yè)流程馬爾可夫鏈對應標識狀態(tài)如表4所示。

表4 優(yōu)化前中歐班列出口作業(yè)馬爾可夫鏈對應標識狀態(tài)Tab.4 Markoff chain identification of China Railway Express export operation process before optimization

圖4 優(yōu)化前中歐班列出口作業(yè)流程隨機模型的馬爾可夫鏈Fig.4 Markoff chain of stochastic model of China Railway Express export operation process before optimization

根據(jù)公式⑵至公式⑷可以計算得到中歐班列出口作業(yè)優(yōu)化前各狀態(tài)穩(wěn)定概率如表5所示。

表5 中歐班列出口作業(yè)優(yōu)化前各狀態(tài)穩(wěn)定概率Tab.5 State stability probability of China Railway Express export operation process before optimization

根據(jù)表5 中各狀態(tài)的穩(wěn)定概率，求得系統(tǒng)庫所繁忙概率。庫所的繁忙率越大，說明該庫所越容易發(fā)生阻塞，需要提出優(yōu)化方案來緩解該庫所的擁堵情況，降低其繁忙率，進而使流程更暢通。根據(jù)公式⑶可得各個庫所的繁忙率如下。

可以看出，庫所P9，P17，P24 繁忙率明顯較大，說明調(diào)配空箱及海關查驗環(huán)節(jié)可能發(fā)生擁堵，根據(jù)公式⑹至公式⑻，得到系統(tǒng)庫所平均標記數(shù)-N=1. 1739；系統(tǒng)變遷的平均流速R(t，s) =0. 04601；系統(tǒng)的平均延時時間，即該系統(tǒng)周期時間T=25. 5097h。

3.3 優(yōu)化方案措施

基于隨機Petri網(wǎng)仿真對中歐班列現(xiàn)有出口作業(yè)流程的診斷分析，并結合作業(yè)流程優(yōu)化總體思路，對中歐班列出口作業(yè)流程進行優(yōu)化，具體優(yōu)化方案如下。

（1）中歐班列場站作業(yè)標準化。制定中歐班列場站作業(yè)標準，規(guī)范作業(yè)流程，降低場站作業(yè)的出錯率；制定中歐班列場站服務標準，更好地管控作業(yè)流程各環(huán)節(jié)時間，加強對作業(yè)人員工作標準的培訓，提高中歐班列場站整體作業(yè)效率，進一步減少作業(yè)成本。

（2）針對“調(diào)配空箱”堆積問題，具體解決方法如下。①建立空箱系統(tǒng)報警機制。當客戶在網(wǎng)站平臺提交貨運需求后，鐵路集裝箱中心站從系統(tǒng)中獲取運單信息，此時鐵路集裝箱中心站子系統(tǒng)自動檢查場站內(nèi)空箱數(shù)量，當場站內(nèi)空箱數(shù)量減少到一定數(shù)量(根據(jù)每個場站每日作業(yè)量確定)時，觸發(fā)報警機制，提交調(diào)箱申請，為客戶調(diào)配空箱。②建設租箱、用箱供需平臺。在中歐班列快速發(fā)展進程中，為實現(xiàn)從周邊地區(qū)快速調(diào)配空箱，可由平臺運營公司整合物流公司等擁有空箱資源的主體，建設租箱、用箱供需平臺，縮短調(diào)配空箱的時間。

（3）針對“場內(nèi)裝箱”擁堵問題，具體解決方法如下。①提高設備利用效率。增加物流設備種類、數(shù)量，提高物流設備使用效率，如配置電動叉車、全自動裝箱機等，實現(xiàn)快速拼裝箱作業(yè)，縮短作業(yè)時間。②擴大拼裝箱作業(yè)區(qū)。針對已建的中歐班列場站，可根據(jù)客戶潛在需求，適當擴大拼裝箱作業(yè)區(qū)面積，實現(xiàn)平行作業(yè)，提高作業(yè)效率；針對規(guī)劃建設的中歐班列場站，提前預留拼裝箱作業(yè)區(qū)。

（4）針對“海關查驗”及“審核報關單”存在的問題，具體解決方法如下。①目前國境站海關、國檢內(nèi)勤為8 h 工作制，建議海關、國檢部門內(nèi)外勤均實現(xiàn)7×24 h通關制度，提高工作效率。②實現(xiàn)“關檢合一”。目前，出進口檢驗檢疫局系統(tǒng)全部劃入海關系統(tǒng)，通過一系列改革，最終真正實現(xiàn)關檢融合[14]。當貨物需要檢驗檢疫與海關查驗時，應優(yōu)化流程，由串行作業(yè)改為并行作業(yè)，只需要一次開箱查驗，一次放行，可大大提升通關效率。

（5）針對“進站確認”出現(xiàn)的堆積現(xiàn)象，具體解決方法如下。①建立健全進站時間反饋機制，當客戶提交訂單，錄入網(wǎng)站平臺時就要預約進站時間，鐵路集裝箱中心站根據(jù)不同客戶的具體情況，至少在進站日期前24 h通知客戶進站時間，要求精確到某天的某個時間段，減少客戶車輛在站外排隊等待時間。②可參考港口預約進站系統(tǒng)，建設相關APP及微信公眾號，實現(xiàn)從傳統(tǒng)的“隨到隨排隊模式”向“精細化預約模式”轉(zhuǎn)變。

3.4 優(yōu)化效果分析

由3.3 優(yōu)化方案可知，通過提高信息化水平、加強設施設備配置、改善管理模式、提高通關效率等措施縮短流程時間，同時通過對流程進行整合、刪除、修改等方式改變流程結構，形成優(yōu)化后的中歐班列出口作業(yè)流程，再次利用隨機Petri 網(wǎng)建模，同理，計算系統(tǒng)庫所平均標記數(shù)-N=1. 2065，系統(tǒng)變遷的平均流速R(t，s) =0. 07603，系統(tǒng)的平均延時時間，即該系統(tǒng)周期時間T=15. 8687h。

優(yōu)化后的中歐班列出口流程模型完成整個作業(yè)周期的時間為15. 8687 h，比現(xiàn)有作業(yè)流程的周期時間縮短了9.641 h，優(yōu)化后作業(yè)周期時間減少了37.79%，大大縮短了場站作業(yè)時間，同時證明了優(yōu)化后的中歐班列出口作業(yè)流程優(yōu)化成效顯著。

4 結束語

中歐班列正由“高數(shù)量”向“高質(zhì)量”發(fā)展，高質(zhì)量開行對場站作業(yè)提出了新要求。以鐵路集裝箱中心站為代表的中歐班列發(fā)到站，涉及鐵路、平臺運營公司、海關、國檢、客戶、物流公司等多個關聯(lián)方，詳細梳理各參與方之間的關系，得到中歐班列出口作業(yè)流程圖，通過利用隨機Petri網(wǎng)模型對中歐班列出口作業(yè)流程進行問題診斷，提出了優(yōu)化方案，優(yōu)化了流程結構，縮短了作業(yè)時間，增強了優(yōu)化效果。隨著中歐班列的進一步發(fā)展，在場站作業(yè)能力范圍內(nèi)，可應用大數(shù)據(jù)、人工智能、優(yōu)化資源配置等方法[15]，進一步提升中歐班列場站的作業(yè)效率。