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摘要:配送系统作为第三方物流系统的核心,其运作效率的高低直接影响着整个系统的效益。针对配送系统事件的随机并发性,采用Petri网建立系统模型,并运用关联矩阵法,分析模型的性质,建立其状态方程,同时通过实验模拟,评价系统运行的有效性 。
关键词:第三方物流配送系统;Petri网;建模;关联矩阵;状态方程
中图分类号:F259.22 文献标识码:A
A Study on Third-party Logistics Distribution System ModelingBased on Petri Net
ZUO Chun-rong,ZHANG Zhi-ping
(School of Management,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)
Abstract: Distribution system is the core of third-party logistics. The operation efficiency directly affects that of the whole system. On account of the randomness and concurrency of the logistics distribution system, the paper adopts the Petri Net theory to construct the system model. Correlation matrix method is used to analyze the character of the model and build the state equation. The operation effectiveness of the system is evaluated via experimental simulations.
Key words: third-party logistics distribution system; Petri net;modeling;correlation matrix;state equation
一、前言
随着现代企业生产经营方式的变革和市场外部条件的变化,“第三方物流”(Third Party Logistics)这种物流专业化的形态开始引起人们的重视。配送系统是整个第三方物流系统的核心,高效准确的配送系统是物流企业提高物流服务水平,获取竞争优势,赢得客户的关键[1]。
在系统真正实施前,通过对配送系统各种资源的评估和分析,建立系统模型, 分析模型性质,从而减少系统的设计错误,保证系统的有效运行。目前对物流系统建模有多种方法,Petri网是非常有效的一种。Petri网是异步并发系统建模与分析的一种重要工具,可直观、系统地表达各种关系和行为,如资源共享、冲突关系等。Kulp,P, DisCesare,F等提出采用随机颜色Petri网模型对系统进行绩效评价,利用模拟试验产生一个近似可达模型 ;文献[3]提出了一种基于Petri网动态模型的物流系统模型,它可以将物流系统的物理过程通过Petri网系统形象地表示出来。文献[4]基于Agent的遗传分层有色Petri网(AGHCPN),采用AGHCPN方法建立供应链配送系统适应性主体的执行层模型,实现对适应性主体自治性、动态性以及自适应性等特性的描述。文献[5]的Jan Kosturiak和Milan Gregor将离散事件中建模仿真用于复杂物流系统的设计、运作和连续的改进。Derrien R.Jansen等开发一个仿真模型用来分析多车厢配送系统[6]。意大利的Pasquale Legat和RinaM .M aZZa采用过程的方法,对集装箱码头船只到达、停泊和离开等物流活动建立一个队列网络模型[7]。
笔者根据第三方物流配送系统的业务流程分析,基于Petri网这一建模工具,建立其可视化模型,并运用关联矩阵法,对所建立的模型进行实验模拟,分析系统运作效率。
二、Petri网的物流配送系统建模
(一) Petri网的含义
一般Petri定义为6元组[8]:
∑=(P,T,F,K,W,M)
P——库所(每一位置代表一种资源),用圆圈代表,表示离散系统可能的状态,通过库所中是否包含及包含多少托肯(Token)来表述。托肯用包含在库所中的实心圆表示,它反映着库所所代表的局部状态与事件之间的联系;
T——变迁,用四方形或粗实线代表,表示系统中可能的事件;
F——流关系,用一条带箭头的弧来表示,规定资源在状态元素P和变迁元素T之间流动;
K——容量函数,当容量函数W(p)=w时(其中w表示无穷大)时,通常省略标注。当K(p) W——权函数,对于弧f∈F,当权函数W(f)>1时,将W(f)标注在弧上,当W(f)=1时,省略不标;
标识M0下,可能有若干个变迁发生权,随意一个变迁发生,就得到一个新的标识M1。不同的变迁发生,所得到的新标识一般也不相同。在M1下又可能有若干个变迁有发生权,其中随意一个发生,又得到一个新的标识M2,……。这样继续下去,变迁的连接发生和标识的不断变化,就是网系统的运行[9]。
Petri网是完全从过程的角度出发的一种有效模型工具。它既能够说明复杂离散系统的运行机制,又可以用数学分析或图形表达系统的运行过程,善于描述顺序、并行、选择、条件“与”、循环等常见流程[9]。因此基于Petri网理论的模型非常适合于在物流系统中的运用。
(二)配送处理系统业务流程建模
1.配送系统的业务流程
配送系统根据客户的要求并结合库存的情况,制定经济可靠的配送计划,对货物进行相关的补货、拣货、分货、送货等作业,将货物及时准确送达指定地点[10] 。
配送系统的一般业务流程如下:
首先,配送中心接到客户订单,根据订单要求完成装运单,并通知运输装备到达仓库。然后根据装运单要求进行拣货。拣货是指配送中心根据订单所规定的货物品名数量和储存库位地址,将货物从货垛或货架上取出,搬运到理货场所。在现代化配送中心里,在货架的每一货格上安装电子数字显示器,作业人员按照货位指示灯和数字显示器立即可以获知所需货品在货架的具体位置和数量,并可按照指令取货。若拣货区缺货,则进行补货作业,补货的目的是保证拣货区有货可拣。通常是以托盘为单位从货物保管区将货品移到另一个按订单拣取用的拣货区。拣货作业完成后将商品按照不同的客户或不同的配送路线做分类的工作就称之为分货。随着激光扫描计算机控制和条形码等高新技术日新月异地发展,国内外许多大中型配送中心都广泛使用自动分拣系统,自动分拣系统大体上由收货输送机、喂料输送机、分拣指令设定装置、合流装置、分拣输送机、分拣卸货道口、计算机控制器等七部分组成 。最后进行送货作业。现代送货作业能够通过智能系统、专家系统的决策分析,降低运输的空驶率和运输成本。通过车载终端设备GPS 、卫星定位技术GSM、无线通信技术GIS、 地理信息系统技术、互联网技术等形成一个完整的GPS车辆监控系统,最终使货物能及时安全的到达目的 。其业务流程图见图1所示。
2. 配送系统的Petri网建模
(1)配送处理的Petri网模型。根据前文物流配送的业务流程描述,运用Petri网建立系统模型,如图2所示,其变迁与库所的含义见表1。
(2)关联矩阵分析。根据建立的Petri网模型,运用关联矩阵法分析模型性质。其配送系统的事件和条件见表2所示。
Petri网的状态方程为M=M0+ATX。其中M0为初始标识,n维非负整数向量X称为发生数向量,其中X中的第i个分量等于ti在变迁序列σ中出现的次数。若求出的X为非负向量,且存在合法的变迁序列σ,则认为M是从M0可达的;否则求出X为负向量,则M从M0是不可达的[9]。
(3)Petri网模型的实验模拟分析。在物流配送系统的实际运行中,往往很难在短时间内跟踪发现运作是否有效顺畅,这是因为不能随时随刻监视系统每一环节的作业[12]。一般都是一个运作周期以后,根据企业的效益及客户的满意度才能发现系统运行是否有问题,这样给企业带来极大的损失,此时再修补系统通常难度极高,且代价昂贵,效果却并不尽人意。这些问题可通过对模型进行实验模拟来解决,根据系统前后状态的变化,能检测出此段时间内整个流程如何运作,是否合理,以便及时发现和解决问题,使系统处于正常运作状态。
下面就两种典型的情况验证如何运用关联矩阵分析系统运行的有效性。
不失一般性,假设容量函数K(p)为无限大,权函数W(f)=1。
实验一:初始状态下的标识是M0=(100000010)T,表示p1,p7是有资源的,即接到客户订单及可供出库方案。一段时间后,观察到Petri网系统的新状态,M1=(100010011)T,即接到客户订单,仓库管理员等待,可供出库方案及完成出库装车。由前后状态,可得出X=(1111101121)T。由X值,进一步考察,得出变迁序列σ=t7t8t0t1t2t3t4t6t7。在这种情况下,配送系统的各个环节都处于正常的运行状态,从M0到M1是可达的。整个配送系统都能顺畅有效的运行。
实验二:同样初始状态下的标识是M0=(100000010)T,p0,p7是有资源的,即接到客户订单及可供出库方案。一段时间后,观察到Petri网系统的新状态M2=(100110000)T,即p0,p3,p4是有资源的。接到客户订单,可供运输设备已到达仓库,且有仓库管理员等待。计算X=(111000011)T,得出变迁序列σ=t0t1t2t7t8或者σ=t7t8t0t1t2。在这种情况下,流程的前半阶段是接到顾客订单后,完成装运单,并将装运单发送给运输设备。而后半阶段则是在制定完成出库方案后,进行送货。而中间阶段的已到达仓库设备的运输设备和仓库管理员没有进行有效工作,使得流程的连续性中断,从而影响了整个配送系统的效率。变迁序列σ并不合理,所以正常运行情况下从M0是不能到达M2的。出现从M0到M2的情况说明,这个系统处于非正常状态,问题在于到达仓库的运输设备和仓库管理员这两个环节。找到了关键所在,这样就可以有针对性地及时解决。
变迁序列σ反映的就是物流配送系统的业务运作流程。在现实操作中,因为系统的错误运行往往很难及时跟踪发现,并且需要付出巨大的代价来修补,所以采用Petri网模型对系统模拟实验是完全有效可行的。采用关联矩阵法来分析Petri网模型的可达性,可以在任一时间点,只要知道系统初始状态,就可以得出系统在这段时间是如何运行的,是否可达,是否合理[13]。及时有效地检测物流配送运作流程,提早发现并解决问题,保证系统运行顺畅。
三、结论
第三方物流配送流程的建模对于保证系统的通畅运行十分重要,因为流程运作的错误环节在实际操作中很难跟踪并及时发现[14]。一旦出现错误,需要付出较大的经济和时间代价。因此,对物流配送系统进行建模和模拟分析十分必要[15]。
笔者在详细分析第三方物流配送业务流程的基础上,采用Petri网建立物流配送系统模型,并运用关联矩阵法对Petri网模型建立状态方程,通过实验模拟分析系统运行的有效性。可在配送系统运作之前,对系统运行的有效性进行评估、比较,及时发现问题。
笔者运用基本Petri网对物流配送系统建模。下一步可在此基础上,引入颜色Petri网、时间Petri网来解决配送系统中订单差异、作业时间限制等问题。
参考文献:
[1] Raja G. Kasilingam. logistics and Transportation[M].Kluwer Academic Publishers,1998:34-56.
[2] Kulp,P, DisCesare,F. Performance evaluation of colored Petri net models using simulation and moment generating functions[J].Systems,Man,andCybernetics 1998. IEEE International Conference on, 1998,1(1):154-159.
[3] 吴耀华,颜永年,曾庆宏.基于Petri网模型的物流系统建模[J].机械工业自动化,1996(3):6-8.
[4] 周庆,甘仞初. 供应链配送系统的多主体Petri网模型的建模方法[J].北京理工大学学报,2002,12(6):786-791.
[5] Kosturiak Jan,Gregor Milan. Simulation in production system life cycle[J].ComputersinIndustry,1999(38):159-172.
[6] Jansen Derrien R,Weert Arjen van,Beulens Adrie J M,Huirne Ruud B M.Simulation model of muti—compartment distribution in the catering supply chain[J].Europe Journal of Operational Research,2001(133):210-224.
[7] Legato Pasquale,Mazza Rina M.Berth planning and resources optimization at a container terminal via discrete event simulation[J].Europe Journal of Operational Research,2001(133):537-547.
[8] Zurawski R, Zhou M C. Petri nets and industrialapplication: a tutorial[J].IEEE Trans Industrial Electronics, 1994,41(6):567-583.
[9] 吴哲辉.petri网导论[M].北京:机械工业出版社,2006:1-58.
[10]吴清一.现代物流概论[M].北京:中国物资出版社,2005:177-189.
[11]Jorgen P.van den Berg. A literature survey on planning and control of warehousing systems[J].IIE Transaction, 1999,31(3):23-52.
[12]潘启澎,姜兵.基于Petri网的工作流建模技术及应用[J].清华大学学报,2000(9):86-89.
[13]L-C .Wang. The development of an object-oriented Petri net cell control model[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 1996,11(1):59-69.
[14]胡松筠,陈燕,李晔,王惠.基于随机时间Petri网的第三方物流业务流程的建模与分析[J].大连海事大学学报,2005,31(4)::53-56.
[15]刘小华.基于Petri网的物流配送系统模型的研究[J].煤矿机械,2006,26(6):64-67.
(责任编辑:阿 莲)
注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
关键词:第三方物流配送系统;Petri网;建模;关联矩阵;状态方程
中图分类号:F259.22 文献标识码:A
A Study on Third-party Logistics Distribution System ModelingBased on Petri Net
ZUO Chun-rong,ZHANG Zhi-ping
(School of Management,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)
Abstract: Distribution system is the core of third-party logistics. The operation efficiency directly affects that of the whole system. On account of the randomness and concurrency of the logistics distribution system, the paper adopts the Petri Net theory to construct the system model. Correlation matrix method is used to analyze the character of the model and build the state equation. The operation effectiveness of the system is evaluated via experimental simulations.
Key words: third-party logistics distribution system; Petri net;modeling;correlation matrix;state equation
一、前言
随着现代企业生产经营方式的变革和市场外部条件的变化,“第三方物流”(Third Party Logistics)这种物流专业化的形态开始引起人们的重视。配送系统是整个第三方物流系统的核心,高效准确的配送系统是物流企业提高物流服务水平,获取竞争优势,赢得客户的关键[1]。
在系统真正实施前,通过对配送系统各种资源的评估和分析,建立系统模型, 分析模型性质,从而减少系统的设计错误,保证系统的有效运行。目前对物流系统建模有多种方法,Petri网是非常有效的一种。Petri网是异步并发系统建模与分析的一种重要工具,可直观、系统地表达各种关系和行为,如资源共享、冲突关系等。Kulp,P, DisCesare,F等提出采用随机颜色Petri网模型对系统进行绩效评价,利用模拟试验产生一个近似可达模型 ;文献[3]提出了一种基于Petri网动态模型的物流系统模型,它可以将物流系统的物理过程通过Petri网系统形象地表示出来。文献[4]基于Agent的遗传分层有色Petri网(AGHCPN),采用AGHCPN方法建立供应链配送系统适应性主体的执行层模型,实现对适应性主体自治性、动态性以及自适应性等特性的描述。文献[5]的Jan Kosturiak和Milan Gregor将离散事件中建模仿真用于复杂物流系统的设计、运作和连续的改进。Derrien R.Jansen等开发一个仿真模型用来分析多车厢配送系统[6]。意大利的Pasquale Legat和RinaM .M aZZa采用过程的方法,对集装箱码头船只到达、停泊和离开等物流活动建立一个队列网络模型[7]。
笔者根据第三方物流配送系统的业务流程分析,基于Petri网这一建模工具,建立其可视化模型,并运用关联矩阵法,对所建立的模型进行实验模拟,分析系统运作效率。
二、Petri网的物流配送系统建模
(一) Petri网的含义
一般Petri定义为6元组[8]:
∑=(P,T,F,K,W,M)
P——库所(每一位置代表一种资源),用圆圈代表,表示离散系统可能的状态,通过库所中是否包含及包含多少托肯(Token)来表述。托肯用包含在库所中的实心圆表示,它反映着库所所代表的局部状态与事件之间的联系;
T——变迁,用四方形或粗实线代表,表示系统中可能的事件;
F——流关系,用一条带箭头的弧来表示,规定资源在状态元素P和变迁元素T之间流动;
K——容量函数,当容量函数W(p)=w时(其中w表示无穷大)时,通常省略标注。当K(p)
标识M0下,可能有若干个变迁发生权,随意一个变迁发生,就得到一个新的标识M1。不同的变迁发生,所得到的新标识一般也不相同。在M1下又可能有若干个变迁有发生权,其中随意一个发生,又得到一个新的标识M2,……。这样继续下去,变迁的连接发生和标识的不断变化,就是网系统的运行[9]。
Petri网是完全从过程的角度出发的一种有效模型工具。它既能够说明复杂离散系统的运行机制,又可以用数学分析或图形表达系统的运行过程,善于描述顺序、并行、选择、条件“与”、循环等常见流程[9]。因此基于Petri网理论的模型非常适合于在物流系统中的运用。
(二)配送处理系统业务流程建模
1.配送系统的业务流程
配送系统根据客户的要求并结合库存的情况,制定经济可靠的配送计划,对货物进行相关的补货、拣货、分货、送货等作业,将货物及时准确送达指定地点[10] 。
配送系统的一般业务流程如下:
首先,配送中心接到客户订单,根据订单要求完成装运单,并通知运输装备到达仓库。然后根据装运单要求进行拣货。拣货是指配送中心根据订单所规定的货物品名数量和储存库位地址,将货物从货垛或货架上取出,搬运到理货场所。在现代化配送中心里,在货架的每一货格上安装电子数字显示器,作业人员按照货位指示灯和数字显示器立即可以获知所需货品在货架的具体位置和数量,并可按照指令取货。若拣货区缺货,则进行补货作业,补货的目的是保证拣货区有货可拣。通常是以托盘为单位从货物保管区将货品移到另一个按订单拣取用的拣货区。拣货作业完成后将商品按照不同的客户或不同的配送路线做分类的工作就称之为分货。随着激光扫描计算机控制和条形码等高新技术日新月异地发展,国内外许多大中型配送中心都广泛使用自动分拣系统,自动分拣系统大体上由收货输送机、喂料输送机、分拣指令设定装置、合流装置、分拣输送机、分拣卸货道口、计算机控制器等七部分组成 。最后进行送货作业。现代送货作业能够通过智能系统、专家系统的决策分析,降低运输的空驶率和运输成本。通过车载终端设备GPS 、卫星定位技术GSM、无线通信技术GIS、 地理信息系统技术、互联网技术等形成一个完整的GPS车辆监控系统,最终使货物能及时安全的到达目的 。其业务流程图见图1所示。
2. 配送系统的Petri网建模
(1)配送处理的Petri网模型。根据前文物流配送的业务流程描述,运用Petri网建立系统模型,如图2所示,其变迁与库所的含义见表1。
(2)关联矩阵分析。根据建立的Petri网模型,运用关联矩阵法分析模型性质。其配送系统的事件和条件见表2所示。
Petri网的状态方程为M=M0+ATX。其中M0为初始标识,n维非负整数向量X称为发生数向量,其中X中的第i个分量等于ti在变迁序列σ中出现的次数。若求出的X为非负向量,且存在合法的变迁序列σ,则认为M是从M0可达的;否则求出X为负向量,则M从M0是不可达的[9]。
(3)Petri网模型的实验模拟分析。在物流配送系统的实际运行中,往往很难在短时间内跟踪发现运作是否有效顺畅,这是因为不能随时随刻监视系统每一环节的作业[12]。一般都是一个运作周期以后,根据企业的效益及客户的满意度才能发现系统运行是否有问题,这样给企业带来极大的损失,此时再修补系统通常难度极高,且代价昂贵,效果却并不尽人意。这些问题可通过对模型进行实验模拟来解决,根据系统前后状态的变化,能检测出此段时间内整个流程如何运作,是否合理,以便及时发现和解决问题,使系统处于正常运作状态。
下面就两种典型的情况验证如何运用关联矩阵分析系统运行的有效性。
不失一般性,假设容量函数K(p)为无限大,权函数W(f)=1。
实验一:初始状态下的标识是M0=(100000010)T,表示p1,p7是有资源的,即接到客户订单及可供出库方案。一段时间后,观察到Petri网系统的新状态,M1=(100010011)T,即接到客户订单,仓库管理员等待,可供出库方案及完成出库装车。由前后状态,可得出X=(1111101121)T。由X值,进一步考察,得出变迁序列σ=t7t8t0t1t2t3t4t6t7。在这种情况下,配送系统的各个环节都处于正常的运行状态,从M0到M1是可达的。整个配送系统都能顺畅有效的运行。
实验二:同样初始状态下的标识是M0=(100000010)T,p0,p7是有资源的,即接到客户订单及可供出库方案。一段时间后,观察到Petri网系统的新状态M2=(100110000)T,即p0,p3,p4是有资源的。接到客户订单,可供运输设备已到达仓库,且有仓库管理员等待。计算X=(111000011)T,得出变迁序列σ=t0t1t2t7t8或者σ=t7t8t0t1t2。在这种情况下,流程的前半阶段是接到顾客订单后,完成装运单,并将装运单发送给运输设备。而后半阶段则是在制定完成出库方案后,进行送货。而中间阶段的已到达仓库设备的运输设备和仓库管理员没有进行有效工作,使得流程的连续性中断,从而影响了整个配送系统的效率。变迁序列σ并不合理,所以正常运行情况下从M0是不能到达M2的。出现从M0到M2的情况说明,这个系统处于非正常状态,问题在于到达仓库的运输设备和仓库管理员这两个环节。找到了关键所在,这样就可以有针对性地及时解决。
变迁序列σ反映的就是物流配送系统的业务运作流程。在现实操作中,因为系统的错误运行往往很难及时跟踪发现,并且需要付出巨大的代价来修补,所以采用Petri网模型对系统模拟实验是完全有效可行的。采用关联矩阵法来分析Petri网模型的可达性,可以在任一时间点,只要知道系统初始状态,就可以得出系统在这段时间是如何运行的,是否可达,是否合理[13]。及时有效地检测物流配送运作流程,提早发现并解决问题,保证系统运行顺畅。
三、结论
第三方物流配送流程的建模对于保证系统的通畅运行十分重要,因为流程运作的错误环节在实际操作中很难跟踪并及时发现[14]。一旦出现错误,需要付出较大的经济和时间代价。因此,对物流配送系统进行建模和模拟分析十分必要[15]。
笔者在详细分析第三方物流配送业务流程的基础上,采用Petri网建立物流配送系统模型,并运用关联矩阵法对Petri网模型建立状态方程,通过实验模拟分析系统运行的有效性。可在配送系统运作之前,对系统运行的有效性进行评估、比较,及时发现问题。
笔者运用基本Petri网对物流配送系统建模。下一步可在此基础上,引入颜色Petri网、时间Petri网来解决配送系统中订单差异、作业时间限制等问题。
参考文献:
[1] Raja G. Kasilingam. logistics and Transportation[M].Kluwer Academic Publishers,1998:34-56.
[2] Kulp,P, DisCesare,F. Performance evaluation of colored Petri net models using simulation and moment generating functions[J].Systems,Man,andCybernetics 1998. IEEE International Conference on, 1998,1(1):154-159.
[3] 吴耀华,颜永年,曾庆宏.基于Petri网模型的物流系统建模[J].机械工业自动化,1996(3):6-8.
[4] 周庆,甘仞初. 供应链配送系统的多主体Petri网模型的建模方法[J].北京理工大学学报,2002,12(6):786-791.
[5] Kosturiak Jan,Gregor Milan. Simulation in production system life cycle[J].ComputersinIndustry,1999(38):159-172.
[6] Jansen Derrien R,Weert Arjen van,Beulens Adrie J M,Huirne Ruud B M.Simulation model of muti—compartment distribution in the catering supply chain[J].Europe Journal of Operational Research,2001(133):210-224.
[7] Legato Pasquale,Mazza Rina M.Berth planning and resources optimization at a container terminal via discrete event simulation[J].Europe Journal of Operational Research,2001(133):537-547.
[8] Zurawski R, Zhou M C. Petri nets and industrialapplication: a tutorial[J].IEEE Trans Industrial Electronics, 1994,41(6):567-583.
[9] 吴哲辉.petri网导论[M].北京:机械工业出版社,2006:1-58.
[10]吴清一.现代物流概论[M].北京:中国物资出版社,2005:177-189.
[11]Jorgen P.van den Berg. A literature survey on planning and control of warehousing systems[J].IIE Transaction, 1999,31(3):23-52.
[12]潘启澎,姜兵.基于Petri网的工作流建模技术及应用[J].清华大学学报,2000(9):86-89.
[13]L-C .Wang. The development of an object-oriented Petri net cell control model[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 1996,11(1):59-69.
[14]胡松筠,陈燕,李晔,王惠.基于随机时间Petri网的第三方物流业务流程的建模与分析[J].大连海事大学学报,2005,31(4)::53-56.
[15]刘小华.基于Petri网的物流配送系统模型的研究[J].煤矿机械,2006,26(6):64-67.
(责任编辑:阿 莲)
注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”