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位結(jié)構(gòu)，使得煤炭資源長期處于多種運輸方式下由北向南、由西向東的運輸格局。國內(nèi)煤炭物流網(wǎng)絡(luò)受到眾多學(xué)者關(guān)注和研究，趙國智等[1]從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、動態(tài)演化性、動力學(xué)特性、聚類性等幾個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]從定性和定量兩個方面研究得出鐵水聯(lián)運情況下煤炭物流網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有量多、動態(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題。王澤江[4]定性探討了我國煤炭物流需求預(yù)測的主要影響因素，構(gòu)建了以我國煤炭需求為研究對象的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，并結(jié)合實例進(jìn)行了相關(guān)驗證與分析。

雖然現(xiàn)有研究對北煤南運的網(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、運輸線路規(guī)劃等局部性優(yōu)化問題，很少從宏觀層面探討與運輸網(wǎng)絡(luò)整體的綜合優(yōu)化問題。從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)角度對聯(lián)運系統(tǒng)進(jìn)行研究時，僅僅從度、聚類系數(shù)等特性來考慮，并不能很好的揭示物流系統(tǒng)復(fù)雜的內(nèi)部因素。北煤南運網(wǎng)絡(luò)是由鐵路、水路等多種運輸方式組成的多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)，針對北煤南運網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)行為及運量分布的研究較少。本文通過Petri網(wǎng)研究其物流活動并建立北煤南運仿真模型，分析煤炭物流網(wǎng)絡(luò)這種大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)和交互過程，并能使系統(tǒng)的整體性能被精確地評估。本文旨在用仿真技術(shù)量化地分析北煤南運物流網(wǎng)絡(luò)，建立相關(guān)模型對其網(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)通過能力的研究成果。

2 北煤南運網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成

我國煤炭資源北富南貧、東多西少，煤炭從西北地區(qū)產(chǎn)煤點運往華東、華南地區(qū)消費節(jié)點。其中煤炭運輸包含多條主線：（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)石太線運抵黃驊港進(jìn)行中轉(zhuǎn)下水；（4）北方輸出型煤炭碼頭通過水路運輸至華東、華南等地區(qū)進(jìn)行消費；（5）安徽省產(chǎn)生的部分煤炭經(jīng)鐵路運輸至南京等地區(qū)消費。

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

3 北煤南運系統(tǒng)物流活動分析

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

圖1 北煤南運系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

下面對北煤南運物流系統(tǒng)給出如下定義：

P1：計算機(jī)系統(tǒng)空閑；P2：計算機(jī)系統(tǒng)占用；P3：煤炭訂單產(chǎn)生；P4：裝車計劃產(chǎn)生；P5：裝車計劃完成；P6：貨源點停車場空閑；P7：貨源點停車場占用；P8：貨源點裝車道空閑；P9：貨源點裝車道占用；P10：火車空閑；P11：火車占用；P12：消費城市卸車計劃產(chǎn)生；P13：消費城市卸車計劃完成；P14：消費節(jié)點卸車線空閑；P15：消費節(jié)點卸車線占用；P16：船舶空閑；P17：船舶占用；P18：裝卸船計劃產(chǎn)生；P19：裝卸船計劃完成；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)至計算機(jī)；T1：計算機(jī)發(fā)出指令；T2：訂單到達(dá)貨源點；T3：火車進(jìn)入停車場；T4：火車進(jìn)入裝車線；T5：火車駛離貨源點；T6：火車到達(dá)消費城市；T7：火車進(jìn)入裝車線；T8：火車駛離消費城市；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)的北煤南運物流活動模型

4 煤炭運輸系統(tǒng)仿真建模

由于貨源和需求的產(chǎn)生都不是連續(xù)事件，無論是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還是動態(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)中活動之間的內(nèi)在聯(lián)系?；陔x散事件動態(tài)系統(tǒng)的仿真理論，分析北煤南運運輸系統(tǒng)的實體元素、關(guān)聯(lián)關(guān)系以及運輸系統(tǒng)的狀態(tài)、事件與活動。

4.1 模型假設(shè)

（1）模型中涉及的各地區(qū)或城市簡化為單個樞紐節(jié)點（貨源點、碼頭、消費點等），執(zhí)行煤炭的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)運、消費等功能。

（2）樞紐節(jié)點只描述節(jié)點與環(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的技術(shù)能力，不描述其內(nèi)部的裝卸運輸活動。

（3）針對北煤南運模型而言，煤炭的實體流是單向的，方向為由東向西，由北至南。

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

4.2 模型模塊

煤炭運輸系統(tǒng)仿真模塊庫的主要系統(tǒng)構(gòu)建為：節(jié)點模塊、路網(wǎng)模塊、運輸工具模塊和數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊。其中，根據(jù)節(jié)點模塊功能不同將模塊細(xì)分為：貨源產(chǎn)生模塊、轉(zhuǎn)運節(jié)點模塊、消費節(jié)點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。所建立的北煤南運輸系統(tǒng)層次模型如圖3所示。

圖3 北煤南運運輸系統(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中心，根據(jù)需求，將煤炭進(jìn)行裝車操作，然后通過路網(wǎng)模塊運輸?shù)礁鞴?jié)點。

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

（3）消費節(jié)點模塊：判斷庫存并選擇是否向貨源點發(fā)出訂單，卸載從上游路網(wǎng)駛?cè)氲幕疖?，并以一定速率消費煤炭。

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

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度。

（2）鐵路模塊：描述通過能力、最大火車容納能力限制及鐵路路段長度。

4.2.3 運輸工具模塊

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

（2）火車模塊：根據(jù)需求將火車分配給對應(yīng)的貨源點，貨源點將煤炭裝車運至目的地，目的地卸車后火車返回貨源點，等待下一次裝車。

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

圖4 北煤南運運輸網(wǎng)絡(luò)仿真圖

4.3 評價指標(biāo)

北煤南運物流網(wǎng)絡(luò)的運輸效能是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各個樞紐節(jié)點及運輸通道的各項性能指標(biāo)來評價的，所以可以通過分析各樞紐節(jié)點其重要物流設(shè)施設(shè)備能力以及主要運輸通道能力來研究北煤南運物流網(wǎng)絡(luò)的通過能力和系統(tǒng)瓶頸。選取的指標(biāo)如下：

（1）煤炭外運量：煤炭外運量是主要礦區(qū)運往外界的煤炭總量，可以根據(jù)其發(fā)展趨勢預(yù)測未來煤炭需求量的增長。

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

（3）堆場的日平均占用率：煤炭碼頭堆場的占用率反映了一個碼頭的機(jī)械作業(yè)效率及中轉(zhuǎn)效率。當(dāng)一個碼頭的機(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泊位進(jìn)行裝船或者卸船作業(yè)占用時間與仿真時間的比值，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）主要煤炭運輸線路通過量：煤炭運輸線路通過量反映了當(dāng)前階段各條鐵路的運力分布，可以通過分析分布情況研究如大秦鐵路通道規(guī)劃對其他煤運鐵路線、轉(zhuǎn)運碼頭等運量的影響等。

5 北煤南運仿真試驗

本次仿真試驗以我國北煤南運為具體研究對象，建立相關(guān)模型模擬煤炭動態(tài)運輸活動，研究在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)組成及組織條件下，整個北煤南運物流網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵樞紐節(jié)點的服務(wù)水平能力以及主要運輸通道的瓶頸，分析優(yōu)化北煤南運物流網(wǎng)絡(luò)。

在裝卸配置方案相同的情況下，通過改變消費城市的煤炭需求，分析煤炭多式聯(lián)運系統(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)運系統(tǒng)可能存在的瓶頸。系統(tǒng)的運行由下游消費城市發(fā)出的訂單拉動，考慮以下游城市的需求增長量為0%、5%、10%、15%、20%、25%為變量因子，進(jìn)行仿真試驗，分別設(shè)置試驗1到試驗6六組試驗。仿真試驗長度為330天，即7 920小時，考慮剔除氣象條件和節(jié)假日的影響。每組試驗進(jìn)行十次，試驗結(jié)果取平均值，統(tǒng)計出相應(yīng)參數(shù)。

從表1中仿真試驗統(tǒng)計的貨源點煤炭外運量的數(shù)據(jù)可以看出，隨著需求量的增加，貨源點煤炭的外運量總體呈增加趨勢，但對于某些煤炭貨源節(jié)點，當(dāng)需求量增長到一定程度時，煤炭外運量增長幅度趨于平緩。

表1 貨源點煤炭外運量（萬t）

以表1和表2的試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可以得到煤炭需求量的增長對貨源點煤炭外運量的影響關(guān)系，并結(jié)合部分煤炭通道的通過能力對部分貨源點進(jìn)行具體分析。

表2 主要線路煤炭外運量（萬t）

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

圖5 煤炭運量增長率變化情況

在煤炭外運通道方面，大秦線作為煤炭的主要外運通道，在煤炭需求上升的情況下承擔(dān)著主要煤炭運輸任務(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輸任務(wù)，分析圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著需求的增長，大秦線通過能力同步上升，但秦皇島港在需求增長率超過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，在需求增長率為20%時，秦皇島和天津港的泊位利用率較高，分別為73%和81%，不能及時滿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。在整個北煤南運系統(tǒng)的未來發(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，煤炭海上航線和內(nèi)河航線的運輸量均呈現(xiàn)增長趨勢，但是受到消費城市需求量的限制，海上運量遠(yuǎn)大于內(nèi)河運輸量并有較快的增速。下面重點就上海港、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量變化情況

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

本試驗研究了網(wǎng)絡(luò)樞紐中轉(zhuǎn)能力限制、節(jié)點之間運輸能力限制以及規(guī)模效應(yīng)等對多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中不同的影響，分析多式聯(lián)運樞紐網(wǎng)絡(luò)的運輸服務(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)運節(jié)點煤炭轉(zhuǎn)運能力，充分發(fā)揮這兩條鐵路線的煤運優(yōu)勢。

（2）唐山港（京唐港、曹妃甸）在整個北煤南運系統(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，隨著未來煤炭需求進(jìn)一步增長，應(yīng)考慮新建煤炭碼頭或?qū)⒉糠置禾吭谄渌劭诮有?，緩解?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)運流程，提出了基于witness的北煤南運物流建模方法，以系統(tǒng)思想自上而下地分析系統(tǒng)層次邏輯關(guān)系并對北煤南運物流系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，針對煤炭消費城市的需求增長，比較了貨源點的生產(chǎn)能力和外運量的差距，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)，對煤炭運輸網(wǎng)絡(luò)瓶頸做出整體分析并提出解決方案。利用該方法可對北煤南運運輸進(jìn)行更好地調(diào)度與管理，具有一定工程價值。

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