郭 磊，蘭洪杰（北京交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100044）

0 引 言

食品質(zhì)量關(guān)系著百姓的生命健康。近幾年，國內(nèi)外發(fā)生了多起由于食品質(zhì)量問題造成的百姓健康受到危害的事件，為人們敲響了警鐘。從物流角度講，提高冷鏈物流的效率，縮短冷鏈物流時(shí)間，不但能夠有效降低食品變質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)，對保障人民的健康有著重要意義[1]，同時(shí)，能夠有效降低食物的變質(zhì)率，對降低成本也起到了很大的作用。冷鏈物流過程包含多個(gè)作業(yè)，如倉儲、運(yùn)輸、配送、包裝等。由于，冷藏車?yán)洳匦Чc冷庫相比較弱；另一方面，配送環(huán)節(jié)包含較多作業(yè)，如裝卸、搬運(yùn)等，食品處在非冷藏環(huán)境的機(jī)會較多。所以，配送環(huán)節(jié)是冷鏈物流環(huán)節(jié)中非常重要的環(huán)節(jié)。因此縮短配送流程的時(shí)間，對保證食品質(zhì)量和安全，有著十分重要的意義。為此，本文選取冷鏈配送環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，利用Petri網(wǎng)理論對其進(jìn)行建模，應(yīng)用ExSpect軟件對模型進(jìn)行仿真，對冷鏈配送流程進(jìn)行模擬分析并進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化。

1 流程建模方法和Petri網(wǎng)綜述

流程優(yōu)化過程有一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，就是對流程進(jìn)行描述。通過流程描述，可以了解企業(yè)的現(xiàn)狀，梳理問題，幫助企業(yè)診斷識別癥結(jié)所在，為流程優(yōu)化設(shè)計(jì)尋找切入點(diǎn)[2]。企業(yè)要對現(xiàn)有的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行描述，可以采用多種方法。一般可以將流程的表示方法分為三類：文本法、表格法和圖形法。從獲取信息的直觀角度講，企業(yè)和流程分析人員基本都采用圖形法對企業(yè)現(xiàn)有的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行描述。這也方便后期的診斷、分析和優(yōu)化等環(huán)節(jié)。目前，圖形法流程描述主要方法有：基本流程圖法、跨職能流程圖法、角色行為圖、IDEF模型系列、事件驅(qū)動過程鏈、Petri網(wǎng)、基于活動的成本分析等[3]。本文選取Petri網(wǎng)作為流程建模方法，對冷鏈配送流程進(jìn)行優(yōu)化研究。

自1962年P(guān)etri博士提出了Petri網(wǎng)理論以后，由于該理論能對具有并發(fā)性、異步性、分布性、非確定性、并行性特征的系統(tǒng)做出有力的描述，因而成為了一種非常重要的建模和仿真工具[4]。早期Petri網(wǎng)的應(yīng)用，集中在通信樣品的生產(chǎn)。但是，Petri網(wǎng)的特點(diǎn)使得它在能夠在更多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，例如通信領(lǐng)域[5]，生產(chǎn)系統(tǒng)[6]，ERP系統(tǒng)[7]，等等。

最近，Petri網(wǎng)以及它的改變形式已經(jīng)運(yùn)用到供應(yīng)鏈管理的領(lǐng)域，其中，單純利用Petri網(wǎng)對供應(yīng)鏈進(jìn)行建模的研究有：Lau et al[8]利用對XML模式的Petri網(wǎng)對供應(yīng)鏈進(jìn)行建模，Desrochers et al[9]對供應(yīng)鏈中的復(fù)雜托肯（token）進(jìn)行了研究，而Blackhurst et al[10]則對不確定的供應(yīng)鏈Petri網(wǎng)建模問題進(jìn)行了研究；建模并進(jìn)行分析、評估的研究有：Chen et al[11]和Arns et al[12]利用Petri網(wǎng)對供應(yīng)鏈進(jìn)行建模并對其進(jìn)行評價(jià)，Dong and Chen[13]對如何利用目標(biāo)對象的Petri網(wǎng)對生產(chǎn)供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的流程進(jìn)行建模和分析；利用Petri網(wǎng)對供應(yīng)鏈進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化的研究有：Wang et al[14]利用Petri網(wǎng)對供應(yīng)鏈進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化；而Viswanadham和Raghavan[15]研究了基于Petri網(wǎng)的供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)和績效評價(jià)方法。

但是，以上研究都局限于使用Petri網(wǎng)對整條供應(yīng)鏈流程進(jìn)行研究，較為宏觀，沒有對具體的單個(gè)流程進(jìn)行具體的分析；另外，這些研究多是集中在生產(chǎn)行業(yè)，對服務(wù)行業(yè)的流程研究較少。因此，本文采用Petri網(wǎng)對冷鏈物流流程進(jìn)行仿真、分析、優(yōu)化可謂是較為創(chuàng)新。

2 冷鏈?zhǔn)称放渌土鞒蘌etri網(wǎng)建模及特性分析

現(xiàn)實(shí)的配送作業(yè)流程非常復(fù)雜，包含著大量的物流、信息流和資金流，凌亂且不利于分析，Petri網(wǎng)能夠很好的將流程簡化。托肯的變遷能夠恰當(dāng)?shù)乇硎鞠到y(tǒng)中對象的變化，另外，托肯在庫所的位置能夠準(zhǔn)確表示系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)的各個(gè)狀態(tài)。同時(shí)，冷鏈配送流程的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在多個(gè)操作要同時(shí)發(fā)生，而采用Petri網(wǎng)建模可以較好地解決這個(gè)問題。

2.1 冷鏈?zhǔn)称放渌土鞒态F(xiàn)狀。本文以北京市冷鏈物流公司A公司的配送流程為例。A公司為客戶提供集倉儲、運(yùn)輸、配送、流通加工、信息等一體化物流解決方案。其配送流程如圖1所示。

圖1 A公司配送業(yè)務(wù)流程圖

冷鏈公司在接到客戶的配送要求后，要同時(shí)進(jìn)行三項(xiàng)作業(yè)：一方面需要由聯(lián)絡(luò)人員通知超市準(zhǔn)備收貨，告知其食品種類、數(shù)量等信息，再由超市通知自己的收貨員準(zhǔn)備收貨；一方面，由作業(yè)組進(jìn)行出庫、搬運(yùn)、裝卸等作業(yè)，直至食品到達(dá)月臺，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，并和押運(yùn)員共同清點(diǎn)食品數(shù)量，并接受押運(yùn)員簽字的確認(rèn)單。

當(dāng)食品到達(dá)月臺，以及押運(yùn)員拿到貨物清單兩個(gè)條件都滿足后，清點(diǎn)工作才可以開始，在清點(diǎn)無誤后，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)無誤后收貨員簽單，準(zhǔn)確無誤后，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。

2.2 冷鏈?zhǔn)称放渌土鞒痰腜etri網(wǎng)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)對其進(jìn)行建模。建立后的模型如圖2所示，其中庫所、變遷的含義以及各變遷耗時(shí)如表1所示，其中各作業(yè)時(shí)間均是通過對A企業(yè)的實(shí)地調(diào)研得出的。

圖2 冷鏈配送流程Petri網(wǎng)模型

在利用Petri網(wǎng)所描述的冷鏈配送業(yè)務(wù)流程中，每一項(xiàng)業(yè)務(wù)動作的開始和完成由“托肯”從一個(gè)位置向另一個(gè)位置的轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)“托肯”由開始位置（P1）至結(jié)束位置（P20）象征著整個(gè)業(yè)務(wù)流程的完成。

2.3 冷鏈?zhǔn)称放渌土鞒痰腜etri網(wǎng)模型特性分析。在建立冷鏈?zhǔn)称放渌土鞒蘌etri網(wǎng)模型后，作者對模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。利用Petri網(wǎng)建模的優(yōu)勢在于可以利用Petri網(wǎng)的分析方法對模型的行為特性進(jìn)行分析，一方面能夠反映系統(tǒng)的特性，另一方面可以在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)潛在的問題，保證系統(tǒng)能夠正確實(shí)現(xiàn)。Petri網(wǎng)的行為特性包括活性、有界性、可達(dá)性等[4]。

表1 冷鏈配送流程Petri網(wǎng)中各元素含義

活性是檢查所有是否都被執(zhí)行，有界性是檢查一個(gè)庫所中是否積聚無窮個(gè)托肯，可達(dá)性是決定某個(gè)標(biāo)識（狀態(tài)）是否可以到達(dá)另一標(biāo)識（狀態(tài)）。庫所不變量（S_不變量）反應(yīng)部分位置的托肯數(shù)的一種加權(quán)守恒性，當(dāng)模擬系統(tǒng)中任務(wù)執(zhí)行時(shí)，庫所不變量能構(gòu)成一個(gè)任務(wù)執(zhí)行的路徑。通過關(guān)聯(lián)矩陣，求解S_不變量，判斷Petri網(wǎng)模型是否滿足活性、有界性、可達(dá)性。

利用上述定義，對圖2冷鏈配送流程Petri網(wǎng)模型建立關(guān)聯(lián)矩陣，并求解S_不變量，得到冷鏈配送流程對應(yīng)的關(guān)聯(lián)矩陣為：

由C=C+-C-可得C的值，并得到其轉(zhuǎn)置矩陣：

由公式CT×X=0可得到此方程有解，并由此方程式組得到可行的S_不變量:

根據(jù)可達(dá)性、活性、有界性的定義可知，圖2中冷鏈物流企業(yè)進(jìn)貨流程Petri網(wǎng)模型是活的、有界的、可達(dá)的。也即說明在實(shí)際操作過程中是完全可行的。

3 基于Petri網(wǎng)的冷鏈?zhǔn)称放渌土鞒坛跏挤抡婧徒Y(jié)果分析

3.1 基于Petri網(wǎng)的冷鏈?zhǔn)称放渌土鞒坛跏挤抡?。Petri網(wǎng)理論除了為業(yè)務(wù)流程管理提供了豐富的語義描述外，還能夠提供強(qiáng)大的仿真模擬手段。目前比較成熟的Petri網(wǎng)構(gòu)建和仿真軟件有很多。本文采用了荷蘭Deloitte＆Touche Bakkenist研制的ExSpect軟件包對前面所構(gòu)造的Petri網(wǎng)進(jìn)行了分析。因?yàn)镋xSpect具有Petri網(wǎng)的語義基礎(chǔ)，所以擁有Petri分析離散事件動態(tài)系統(tǒng)的強(qiáng)大優(yōu)勢[16]。應(yīng)用ExSpect軟件包對前面所構(gòu)造的Petri網(wǎng)進(jìn)行仿真，得出各業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間標(biāo)志（各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)操作結(jié)束的時(shí)間），結(jié)果見表2。

表2 利用ExSpect仿真得到的各業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間標(biāo)志 單位：分鐘

3.2 仿真結(jié)果分析。通過上面的仿真可以看出，冷鏈物流公司要完成一個(gè)從接到客戶要求開始到車輛返回結(jié)束的配送業(yè)務(wù)流程，大概需要185分鐘（P1開始P18結(jié)束），其效率是不高的。另外，食品從冷庫出庫到食品進(jìn)入超市的冷藏柜，整個(gè)食品在非冷庫環(huán)境下的時(shí)間為100分鐘（P3開始，P20結(jié)束，拋去T9環(huán)節(jié)），時(shí)間也是比較長的。

在上述各種并行業(yè)務(wù)流程中，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。另外，從仿真結(jié)果來看，流程中存在兩個(gè)等待時(shí)間較長的環(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。

4 配送流程的優(yōu)化及仿真

根據(jù)前文對冷鏈配送業(yè)務(wù)流程的初始模擬分析結(jié)果，本文提出基于效率提高的業(yè)務(wù)流程優(yōu)化措施和基于流程重構(gòu)的業(yè)務(wù)流程優(yōu)化措施。

4.1 基于效率提高的業(yè)務(wù)流程優(yōu)化措施?；谛侍岣叩牧鞒虄?yōu)化，即在原有的流程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)法降低各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的實(shí)際耗時(shí)。

在整條流程中，多數(shù)環(huán)節(jié)像裝卸、搬運(yùn)以及配送這樣的作業(yè)環(huán)節(jié)，是無法避免的，因此只有提高作業(yè)效率，才能縮短配送時(shí)間。在裝卸、搬運(yùn)環(huán)節(jié)，企業(yè)可以嘗試使用機(jī)械設(shè)備代替人工操作，例如可以使用叉車進(jìn)行裝卸作業(yè)，使用傳送帶代替人工搬運(yùn)作業(yè)。如果企業(yè)無法承擔(dān)隨之而來費(fèi)用的高昂，那么可以短期內(nèi)采用激勵措施來激勵員工，提高人工作業(yè)的效率等。但長期來看，企業(yè)還是應(yīng)該朝著機(jī)械化作業(yè)的方向發(fā)展。而像運(yùn)輸這樣的環(huán)節(jié)，則應(yīng)該使用科學(xué)的路線優(yōu)化方法進(jìn)行路線選擇，或者改變送貨時(shí)間，錯(cuò)開交通高峰期，縮短配送時(shí)間。

4.2 基于流程重構(gòu)的業(yè)務(wù)流程優(yōu)化措施?；诹鞒讨貥?gòu)的業(yè)務(wù)流程優(yōu)化是指對配送流程環(huán)節(jié)的刪減與重組，這樣的優(yōu)化改變了原有的流程結(jié)構(gòu)?；谛侍岣叩膬?yōu)化措施有以下幾種：（1）協(xié)調(diào)發(fā)貨時(shí)間，消除暫存區(qū)暫存環(huán)節(jié)。現(xiàn)行的流程中，冷鏈物流企業(yè)在配送前，要先將出庫的食品放到暫存區(qū)暫存，使食品暴露在非冷藏環(huán)境下，增加了變質(zhì)的可能性，同時(shí)增加了多余的等待時(shí)間，效率降低。究其根本原因，是企業(yè)為了防止統(tǒng)一出庫造成擁堵。但是，如果能夠協(xié)調(diào)發(fā)貨時(shí)間，發(fā)貨時(shí)間不再集中，那么食品配送前就不用事先在暫存區(qū)暫存，而是可以直接從冷庫搬運(yùn)到月臺進(jìn)行裝車，減少了不必要的操作環(huán)節(jié)。這就要求和客戶加強(qiáng)溝通，同時(shí)做好自身發(fā)貨時(shí)間的安排，以消除食品在暫存區(qū)存儲這一環(huán)節(jié)，提高配送的效率，同時(shí)降低食品暴露在非冷藏環(huán)境中發(fā)生變質(zhì)的可能性。（2）與超市形成有效合作機(jī)制，消除排隊(duì)等待環(huán)節(jié)。在每次配送之前，能夠和超市進(jìn)行溝通，讓超市進(jìn)行有效協(xié)調(diào)，避免多個(gè)配送公司同時(shí)送貨造成排隊(duì)交貨的現(xiàn)象，這樣可以減少排隊(duì)等待交貨的時(shí)間，大大提高整體作業(yè)效率，縮短配送流程的整體時(shí)間。（3）改串行流程為并行流程。從改進(jìn)前的流程中可以看出，超市收貨員是在配送食品全部卸下后進(jìn)行驗(yàn)貨，這樣的串行流程形成了較長的等待時(shí)間，流程效率低下。根據(jù)改串行流程為并行流程的思想，超市可以在卸貨的同時(shí)進(jìn)行驗(yàn)貨，卸貨和驗(yàn)貨并行作業(yè)，可以大大提高作業(yè)效率。（4）全面推進(jìn)信息化建設(shè)。推進(jìn)信息化建設(shè)，以網(wǎng)絡(luò)化的信息傳遞方式代替紙張傳遞信息的方式，以自動化、機(jī)械化操作代替人工操作，減少流程當(dāng)中的不增值環(huán)節(jié)，節(jié)約時(shí)間和成本[17]。與超市最大程度上實(shí)行信息共享，這樣每次企業(yè)在出貨時(shí)自動在其信息系統(tǒng)內(nèi)可以體現(xiàn)出來，超市的收貨員可以同時(shí)在系統(tǒng)上得到收貨通知，避開了層層通知的繁瑣作業(yè)，減少了信息流傳遞的環(huán)節(jié)。但是從前面的分析可以知道，這只是對P1→P14→P15→P16這條非關(guān)鍵流程進(jìn)行了優(yōu)化，雖然不能提高整個(gè)流程效率，但是對于提高服務(wù)質(zhì)量和節(jié)省人力起到了積極的作用。

4.3 對優(yōu)化后的流程進(jìn)行建模與仿真。通過改進(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3所示。同時(shí)，各變遷耗時(shí)也有所改變，改變后的元素含義及變遷時(shí)間如表3所示。

圖3 優(yōu)化后的配送流程Petri網(wǎng)表示

表3 優(yōu)化后的配送流程Petri網(wǎng)中各元素含義

利用上述參數(shù)，對整個(gè)冷鏈配送流程再次進(jìn)行模擬仿真，得到結(jié)果見表4。

表4 流程中各作業(yè)開始的時(shí)間標(biāo)志 單位：分鐘

從上述結(jié)果可以看出，通過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91分鐘，效率提高了41.3%。

5 引入隨機(jī)性后的配送流程優(yōu)化仿真

在前述仿真過程中，作者假設(shè)所有作業(yè)的時(shí)間都是確定的，即所有變遷的時(shí)間都是固定的。但是實(shí)際流程中，作業(yè)時(shí)間都是不固定的。因此，為了使結(jié)果更科學(xué)，使變遷的時(shí)間為隨機(jī)變量，這樣的仿真結(jié)果更符合實(shí)際情況。

作者假定帶有隨機(jī)性的各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的完成時(shí)間屬于均勻分布，見表5。

利用上述參數(shù)，對所構(gòu)建的冷鏈配送業(yè)務(wù)Petri網(wǎng)模型再次進(jìn)行仿真，得出結(jié)果見表6。

增加了隨機(jī)仿真，使仿真結(jié)果更加切合實(shí)際情況。可以肯定的是：前面所構(gòu)造的仿真模型在隨機(jī)環(huán)境中，也可以為業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化分析提供決策依據(jù)。從優(yōu)化結(jié)果來看，優(yōu)化后不但提高了整體配送作業(yè)的效率，而且縮小了食品暴露在非冷藏環(huán)境下的時(shí)間，減少了食品變質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了安全。

表5 引入隨機(jī)性后的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)工作賦時(shí)

表6 冷鏈物流企業(yè)進(jìn)貨流程Petri網(wǎng)仿真結(jié)果

6 結(jié) 論

利用Petri網(wǎng)理論和ExSpect軟件進(jìn)行冷鏈物流流程的優(yōu)化分析，是一種嘗試。隨著冷鏈物流的進(jìn)一步細(xì)化和范圍的拓展，所構(gòu)造的Petri網(wǎng)模型的復(fù)雜性和仿真的復(fù)雜程度將明顯加大，有必要今后對此加以深入研究。

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