張新林，成耀榮

(中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075)

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基于系統(tǒng)動力學的冷庫發(fā)展調(diào)控模型與仿真

張新林，成耀榮

(中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075)

摘要:在運用PEST分析模型和“鉆石模型”分析冷庫發(fā)展系統(tǒng)的影響因素后，建立冷庫發(fā)展的因果關系圖和系統(tǒng)流圖。其次，根據(jù)系統(tǒng)流圖建立冷庫發(fā)展的調(diào)控模型，并設計模型求解算法。最后，分別用Vensim軟件和C語言編程對湘潭冷庫建設實例仿真。結果表明：在對冷庫建設的調(diào)控上，Vensim仿真只能使冷庫庫容供需比在某個時點上達到1，而C語言編程仿真能使其長期穩(wěn)定在1左右。在對冷庫系統(tǒng)發(fā)展的全局優(yōu)化中，運用C語言編程能取得比Vensim軟件更好的效果。

關鍵詞：冷鏈物流；冷庫發(fā)展機理；系優(yōu)化統(tǒng)動力學；冷庫發(fā)展調(diào)控模型

隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人們生活方式的改變，消費者對食品安全的關注度不斷上升。生鮮食品全程冷鏈運作的要求引起對冷庫庫容需求的激增，冷庫發(fā)展建設落后已經(jīng)成為制約人民生活水平提高的瓶頸。冷庫是冷鏈物流的子系統(tǒng)，在對生鮮產(chǎn)品運作的全過程溫度監(jiān)控中，Roberto[1]建立了一個結構化的框架模型，將科技與管理動態(tài)組合起來，實現(xiàn)成本最低；Ju等[2]以臺灣為例構建了一個產(chǎn)品運作多溫度需求的聯(lián)合配送系統(tǒng)；Francesca等[3]以綜述的形式介紹了國外學者在運用制冷技術與RFID和TTI(Time-Temperature Integrators)等信息技術在保持生鮮產(chǎn)品質量上取得的成果；趙英霞等[6-7]分析了我國冷鏈物流發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題；楊鈞等[8-9]探討了我國冷鏈物流發(fā)展模式；蘭洪杰[10]提出了食品冷鏈物流系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間的協(xié)同措施；龔樹生等[11]從冷鏈物流網(wǎng)絡的角度說明我國必須盡快建設冷鏈物流配送中心；劉麗欣等[12]著重分析了冷鏈體系的形成機制與政府行為；桂壽平等[13-14]將系統(tǒng)動力學與物流業(yè)結合建立了區(qū)域物流發(fā)展的系統(tǒng)動力學模型。從已有的研究成果看，學者們側重于在宏觀上對冷鏈物流進行整體分析。關于冷庫的研究，魯墨森[15]設計了符合中國國情的系列掛機自動冷庫；劉曉輝等[16]改善了小型冷庫風冷機組高能耗、低效率的狀況；胡云峰等[17]設計了測試果蔬保鮮最佳溫度的實驗，獲取溫度梯度庫的最佳結構、工藝和技術參數(shù)。但是，學者們只關注冷庫的建造技術與保溫技術，鮮有學者對冷庫的發(fā)展機理及調(diào)控進行探究。本文探討了冷庫發(fā)展的系統(tǒng)機理，同時從冷庫行業(yè)發(fā)展的角度建立了冷庫建設的調(diào)控模型。

1冷庫發(fā)展系統(tǒng)動力學模型

系統(tǒng)動力學是在反饋控制理論的基礎上，借助計算機仿真技術，從系統(tǒng)內(nèi)部結構尋求改善系統(tǒng)行為的方法。它從對系統(tǒng)的實際觀察信息中剖析所研對象涉及的要素，明確要素間的關系后建立定性描述系統(tǒng)機制的因果關系圖與定量描述系統(tǒng)動態(tài)特征的系統(tǒng)流圖，利用Dynamo語言和Vensim軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)的仿真，通過改變相應變量的取值或系統(tǒng)結構來尋求較優(yōu)的系統(tǒng)功能與行為。

1.1　冷庫發(fā)展因果關系圖

冷庫的發(fā)展建設是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及因素眾多、關系復雜。對于這類非線性問題的分析，系統(tǒng)動力學能夠取得很好的效果[18]。運用系統(tǒng)動力學，應首先明確構成冷庫發(fā)展系統(tǒng)的要素與變量。

PEST分析模型是用于分析企業(yè)或產(chǎn)業(yè)發(fā)展所處宏觀環(huán)境的工具。該模型集中分析政策、經(jīng)濟、社會和技術四大類的外部因素對其發(fā)展的影響。而波特創(chuàng)立的“鉆石體系”模型則從內(nèi)部條件的角度分析企業(yè)或產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關問題。該模型認為企業(yè)或產(chǎn)業(yè)的發(fā)展取決于：生產(chǎn)要素、需求條件、相關支持產(chǎn)業(yè)以及企業(yè)戰(zhàn)略、企業(yè)結構以及同業(yè)競爭這4個關鍵因素以及政府決策、機遇2個輔助因素。

冷庫的發(fā)展建設主要受到企業(yè)投資、政府調(diào)控以及消費者需求的影響。結合PEST分析模型和波特的“鉆石模型”，找出影響冷庫發(fā)展建設的主要因素為政策、經(jīng)濟、社會意識、技術、投資、需求以及冷庫服務價格等?？紤]不同因素間的因果關系，得出冷庫發(fā)展系統(tǒng)的因果關系圖，繪制因果關系圖對梳理冷庫發(fā)展的機理的作用明顯(見圖1)。

圖1　冷庫發(fā)展因果關系圖Fig.1 Causality diagram of cold storage development

經(jīng)濟發(fā)展直接促使冷庫建設投資和冷庫服務需求量的增加；其次，科技水平和冷庫相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展會進一步促進冷庫的發(fā)展。另外，人口數(shù)量和冷鏈發(fā)展意識是冷庫發(fā)展的基礎，而冷庫服務價格和政府冷庫發(fā)展政策是冷庫發(fā)展的助推劑。

1.2　冷庫發(fā)展系統(tǒng)流圖

為了將冷庫發(fā)展問題量化處理需要將因果關系圖轉換成有數(shù)量關系的系統(tǒng)流圖。系統(tǒng)流圖能更詳細地表達出系統(tǒng)要素的互連關系，為管理者的決策和行動提供信息基礎。

系統(tǒng)流圖將因果關系圖中相應變量在不同時點上的狀態(tài)表現(xiàn)出來。在冷庫發(fā)展系統(tǒng)流圖中水平變量為：社會生產(chǎn)總值GDP、冷庫庫容、生鮮食品需求量、區(qū)域人口數(shù)量。社會生產(chǎn)總值體現(xiàn)的是經(jīng)濟發(fā)展水平，而物流發(fā)展與經(jīng)濟發(fā)展之間具有長期的協(xié)整關系，物流發(fā)展水平高會促進GDP的增長，物流發(fā)展落后也會抑制GDP的增長。冷庫庫容變化是冷庫投資和冷庫淘汰的結果。人口增加和居民消費能力的提高會增大生鮮食品的需求量，而生鮮食品價格的上漲會減少生鮮食品的需求量。區(qū)域人口數(shù)量主要受到人口出生與死亡的影響。最終建立冷庫發(fā)展的系統(tǒng)流圖(見圖2)。

1.3　冷庫發(fā)展系統(tǒng)Dynamo方程

系統(tǒng)動力學建模最重要的步驟是根據(jù)系統(tǒng)流圖建立動力學方程。流圖中水平變量的取值是一個累積的過程，受速率變量和時間的影響。在系統(tǒng)動力學中LK表示從時刻L到時刻K的一段時間，水平變量基本公式為：

Si(K)=Si(L)+(V1.LK-V2.LK)

圖2　冷庫發(fā)展系統(tǒng)流圖Fig.2 System flow diagram of cold storage development

在冷庫發(fā)展系統(tǒng)流圖中各水平變量的Dynamo方程為：

1)社會生產(chǎn)總值GDP.K=社會生產(chǎn)總值GDP.L+(GDP增長量.LK-GDP增長阻礙量.LK)

GDP增長阻礙率描述的是冷鏈物流發(fā)展落后以及非冷鏈物流因素對GDP增長產(chǎn)生的制約作用。GDP增長阻礙量是量化GDP增長阻礙率對GDP增長的影響。

2)冷庫庫容.K=冷庫庫容.L+(庫容增加量.LK-庫容減少量.LK)

3)生鮮食品需求量.K=生鮮食品需求量.L+(需求增加量.LK-需求減少量.LK)

4)區(qū)域人口數(shù)量.K=區(qū)域人口數(shù)量.L+(人口增加量.LK-人口死亡量.LK)

在水準方程中的V1和V2為速率變量，表示在某一時刻水平變量變化的快慢程度。速率變量是系統(tǒng)可以調(diào)控的變量，其取值受水平變量、其他速率變量以及輔助變量的共同影響。

2冷庫發(fā)展調(diào)控模型及算法設計

2.1　冷庫發(fā)展調(diào)控模型

系統(tǒng)動力學能很好的描述冷庫的發(fā)展機理，但其對冷庫建設優(yōu)化時主要依靠的是建模與分析人員的經(jīng)驗和技巧，結果很難令人滿意。政府對行業(yè)發(fā)展的調(diào)控主要依據(jù)行業(yè)的供需狀況來進行[19]，因此，本文在系統(tǒng)流圖的基礎上建立冷庫建設調(diào)控模型：

式中：R為冷庫庫容供需比；ε為一個很小的正數(shù)；G為社會生產(chǎn)總值GDP；C為已有冷庫庫容；V為冷庫淘汰率；I為期望投資率；α為投資效果系數(shù)與主導企業(yè)戰(zhàn)略因子的乘積；ω為冷庫建設投資系數(shù)；P為區(qū)域人口數(shù)量；D為人均生鮮食品需求量；β為人口凈增長率；γ為人均需求增長率；θ為國家冷鏈流通率；φ為冷庫周轉次數(shù)。

2.2　冷庫發(fā)展調(diào)控模型算法設計

政府對冷庫建設的調(diào)控就是通過調(diào)整期望投資率使冷庫庫容供需比長期穩(wěn)定在1左右。本文構造模型求解算法如下。

步驟1：建立社會生產(chǎn)總值(GDP)、冷庫庫容需求、冷庫庫容、區(qū)域人口數(shù)量、冷庫庫容供需比等變量之間的函數(shù)關系式。

步驟2：確定每個仿真年度的期望投資率。

按照輸出的期望投資率，計算社會生產(chǎn)總值GDP，冷庫庫容需求，冷庫庫容等各變量的結果。在此基礎上進入下一年度仿真，直到滿足仿真年限后轉步驟3。

圖3　算法流程圖Fig.3 Algorithm flow chart

步驟3：分別匯總輸出所有仿真年度下期望投資率、冷庫庫容供需比、社會生產(chǎn)總值GDP、冷庫庫容需求與冷庫庫容的結果，分析所建模型的正確性與算法的有效性。

3冷庫發(fā)展調(diào)控仿真實例

湘潭市岳塘區(qū)荷塘鄉(xiāng)地處長株潭城市群核心地帶，境內(nèi)交通極其便利，在湘潭市的城市發(fā)展規(guī)劃中被定位為現(xiàn)代冷鏈物流產(chǎn)業(yè)園。依據(jù)其獨特的區(qū)位優(yōu)勢，湘潭市計劃將該產(chǎn)業(yè)園建成中南地區(qū)重要的冷鏈物流運營中心，輻射的目標區(qū)域為湖南全省及中部省市的部分地區(qū)。

3.1　數(shù)據(jù)獲取

Vensim仿真與C語言仿真都需要先對變量的取值進行界定。查閱國家統(tǒng)計局網(wǎng)站、政府冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃以及湘潭市統(tǒng)計年鑒，結合對湘潭市的實地調(diào)研，同時參考已有文獻數(shù)據(jù)，獲取冷庫發(fā)展系統(tǒng)中相關變量的取值如表1。

表1　變量取值

另外，在系統(tǒng)中有些變量的取值依賴于其他變量，相應變量間的關系為：

1)需求平均增長率與社會生產(chǎn)總值GDP關系：Y=4.7×10-7X+0.006

2)冷庫儲存服務價格與冷庫庫容供需比之間的關系：Y=-0.116X+0.245

3)價格因子與冷庫儲存服務價格關系：Y=3.333X+0.4

4)GDP增長阻礙率=0.8×非冷鏈物流阻礙率+0.2×冷鏈物流阻礙率

5)冷鏈物流阻礙率與冷庫庫容供需比之間的關系：Y=-0.01X+0.01,X<1。冷庫供給不足會阻礙冷鏈物流發(fā)展，而冷庫供給剩余會對冷庫儲存服務價格產(chǎn)生影響。

湘潭市冷庫服務行業(yè)現(xiàn)有規(guī)模為8萬t，在國家對2015年規(guī)劃0.35的冷鏈流通率下，按照湘潭冷鏈物流產(chǎn)業(yè)園輻射人口的需求來算，湘潭市應具備16.29萬t的冷庫規(guī)模，其冷庫供需比R為0.491，冷庫供給不能滿足人們的需求。

3.2　冷庫建設Vensim仿真

冷庫建設的最佳狀態(tài)是冷庫庫容供需平衡，這樣既能保證冷庫庫容的供給同時又避免庫容的閑置造成資源的浪費。系統(tǒng)動力學能模擬變量的不同取值對系統(tǒng)的影響被稱為“政策實驗室”。在Vensim中設定模擬時間為2015~2045 a，步長為1 a；設置其他變量取值后，分別以期望投資率取值2.1×10-4(run)，1.8×10-4(run1)和1.5×10-4(run2)為例仿真，得出湘潭市冷鏈物流發(fā)展的冷庫庫容供需比結果，見圖4。

圖4　Vensim仿真庫容供需比Fig.4 Capacity supply-demand ratio through Vensim

在期望投資率值為1.5×10-4(run2)下所有仿真年度冷庫庫容供需比都小于1，庫容供小于求；當取值為1.8×10-4(run1)庫容供需比也只在仿真最后年度上達到1；繼續(xù)增大期望投資率到2.1×10-4(run)庫容供需比從小于1變化成大于1，冷庫庫容在供給不足后又變成冗余。3個期望投資率下冷庫庫容供需比都不能長期穩(wěn)定在1左右，不能實現(xiàn)在每個仿真年度冷庫供需平衡。如果對期望投資率取值繼續(xù)試湊，盡管可能在當前結果上有所改善，但是會花費大量的時間與精力，并且不能保證在每個仿真年度上庫容供需比會穩(wěn)定在1左右。

3.3　冷庫建設調(diào)控C語言編程仿真

在用Vensim調(diào)整期望投資率對冷庫建設優(yōu)化時，冷庫庫容供需比無法長期穩(wěn)定在1左右。對冷庫發(fā)展調(diào)控模型編寫C語言程序，程序能實現(xiàn)冷庫庫容供需比長期穩(wěn)定在1左右的目標。將期望投資率和冷庫庫容供需比的結果分別繪制成圖5。

圖5　C語言編程仿真的冷庫庫容供需比與期望投資率Fig.5 Capacity supply-demand ratio and expected investment rate based on C-language programming

從冷庫庫容供需比的結果看來，其取值在區(qū)間(0.999,1.001)之內(nèi)，表明所建立的模型與算法能很好的實現(xiàn)冷庫庫容供需平衡的目標。而期望投資率在第1年取值為0.002 858明顯的大于后續(xù)年度平均0.000 23的取值，這是因為現(xiàn)階段湘潭庫容供需比R等于0.491，庫容供給遠遠不能夠滿足需求，要加大投資彌補庫容供給不足。在后續(xù)的年度中，期望投資率呈現(xiàn)出減小的趨勢，這是受社會生產(chǎn)總值的增加較大而人口增長和居民對冷鏈產(chǎn)品需求的增長緩慢的影響。

3.4　冷庫建設調(diào)控策略

在冷庫庫容供需比R小于1時，政府要引導適量的資金進入到冷庫行業(yè)中。另外，冷庫建設與冷鏈運輸平臺建設、冷鏈運作機械化與自動化建設、冷鏈物流人才培養(yǎng)、冷鏈物流金融服務、冷鏈信息服務平臺建設等共同構成整個冷鏈物流系統(tǒng)。在庫容供需比R等于1，仍有資金進入冷庫建設時，政府要引導這些資金轉移到冷鏈系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)上去，實現(xiàn)冷鏈物流的均衡發(fā)展。

4結論

1)結合PEST分析模型和波特的“鉆石模型”，在辨析冷庫發(fā)展的影響因素及其相互關系后，建立的因果關系圖和系統(tǒng)流圖能夠清晰的描述冷庫發(fā)展的系統(tǒng)機理。

2)在運用Vensim軟件對湘潭冷庫發(fā)展實例仿真中，調(diào)整期望投資率很難使冷庫庫容供需比長期穩(wěn)定在1左右。而基于冷庫發(fā)展調(diào)控模型的C語言仿真能實現(xiàn)冷庫庫容供需比在每個仿真年度上都能保持在1左右。在建立冷庫發(fā)展系統(tǒng)動力學模型后嘗試運用C語言編程對冷庫仿真優(yōu)化能取得很好的效果。

3)冷庫與冷鏈物流運輸平臺、信息平臺、冷鏈物流人才培養(yǎng)等共同構成了冷鏈物流系統(tǒng)，只有實現(xiàn)冷鏈物流系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)發(fā)展才能實現(xiàn)冷庫效益的最大化。以冷鏈物流系統(tǒng)最優(yōu)的角度來調(diào)控冷庫發(fā)展建設是未來發(fā)展的必然趨勢。

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(編輯陽麗霞)

Cold storage development control model and simulation based on system dynamics

ZHANG Xinlin， CHENG Yaorong

(School of Traffic & Transportation Engineering， Central South University， Changsha 410075， China)

Abstract：The causality diagram and system flow diagram of cold storage development have been established, and the influential factors and their mutual relations in cold storage based on PEST analysis model and “diamond model”was analyzed.Then, a control model of the cold storage development was created on the basis of system flow diagram.Besides, an algorithm has been designed to solve it.At last, the cold storage development simulation was made for Xiangtan through Vensim and C-language.The supply-demand ratio can be achieved at 1 in the long-term in C-language programming, While Vensin can only achieve it occasionaly.In the global optimization of cold storage development system, C-language programming can achieve a better effect than Vensim software.

Key words：cold chain logistics；cold storage development mechanism；system dynamics；cold storage development control model

通訊作者：成耀榮(1968-)，男，湖南湘潭人，教授，博士，從事大型物流系統(tǒng)診斷優(yōu)化與共同配送的研究；E-mail：yaorong@csu.edu.cn

收稿日期：2015-06-01

中圖分類號：F252.24

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2015)06-1464-07