大型艦船物資轉(zhuǎn)運(yùn)瓶頸解析計(jì)算及分段優(yōu)化方法

金迎村，宗硯，王皎

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

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大型艦船物資轉(zhuǎn)運(yùn)瓶頸解析計(jì)算及分段優(yōu)化方法

金迎村，宗硯，王皎

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

摘要：大型艦船物資轉(zhuǎn)運(yùn)屬于復(fù)雜的物流過程，針對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間與路線、通道要素、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備參數(shù)互為優(yōu)化約束條件的特點(diǎn)，建立一種基于運(yùn)籌學(xué)的復(fù)雜轉(zhuǎn)運(yùn)路線瓶頸早期解析計(jì)算方法，在按一定原則將復(fù)雜轉(zhuǎn)運(yùn)路線分段后，計(jì)算分析轉(zhuǎn)運(yùn)路線中各分段的流量及轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，確定轉(zhuǎn)運(yùn)路線中的瓶頸環(huán)節(jié)，并對(duì)瓶頸所在分段的通道及設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)依據(jù)流量均衡原理對(duì)全路線各分段進(jìn)行優(yōu)化。該方法能夠在大型艦船設(shè)計(jì)初期，針對(duì)同時(shí)在多條復(fù)雜路線進(jìn)行的物資轉(zhuǎn)運(yùn)的情況，經(jīng)過相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算和列表分析后，判斷出轉(zhuǎn)運(yùn)瓶頸，同時(shí)還可對(duì)物資轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中的主要組成部分包括轉(zhuǎn)運(yùn)路線、通道要素、設(shè)備性能指標(biāo)等的合理性進(jìn)行有效分析和調(diào)整，形成較為優(yōu)化的物資轉(zhuǎn)運(yùn)方案，減少以往進(jìn)行仿真計(jì)算的時(shí)間和工作量，避免在設(shè)計(jì)后期因轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)計(jì)不合理帶來總布置和設(shè)備的較大修改。

關(guān)鍵詞：大型艦船；物資轉(zhuǎn)運(yùn)；瓶頸；解析計(jì)算；分段優(yōu)化；Flexsim軟件

0　引言

航母等大型艦船的食品、日用品類物資通常存儲(chǔ)在相應(yīng)的倉(cāng)庫(kù)中，多個(gè)倉(cāng)庫(kù)集中布置，形成數(shù)個(gè)倉(cāng)庫(kù)群。倉(cāng)庫(kù)群分區(qū)域設(shè)置在艦船靠近底部的不同甲板層上，不同倉(cāng)庫(kù)群之間可能存在較長(zhǎng)的水平距離。艦船進(jìn)行普通物資補(bǔ)給時(shí)，補(bǔ)給物資上艦后，轉(zhuǎn)運(yùn)的起點(diǎn)在主甲板或露天平臺(tái)的補(bǔ)給接收點(diǎn)處，轉(zhuǎn)運(yùn)的終點(diǎn)為物資存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)，物資轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)生在露天甲板、平臺(tái)以及艙內(nèi)，可視作大型艦船典型的物資轉(zhuǎn)運(yùn)過程。

1　大型艦船典型物資轉(zhuǎn)運(yùn)路線及流程

大型艦船的物資轉(zhuǎn)運(yùn)屬于復(fù)雜的物流過程。當(dāng)物資需要從多個(gè)補(bǔ)給接收點(diǎn)（物資轉(zhuǎn)運(yùn)起始點(diǎn)）轉(zhuǎn)運(yùn)至全船各物資存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)時(shí)，在主甲板或者主甲板以下的露天平臺(tái)上進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)的物資一般需經(jīng)過露天升降機(jī)、大型叉車、露天垂直輸送裝置等設(shè)備運(yùn)送至艙內(nèi)，其特點(diǎn)為運(yùn)送量大，運(yùn)送路線長(zhǎng)（圖1）。

圖1大型艦船復(fù)雜轉(zhuǎn)運(yùn)路線示意（露天甲板及平臺(tái)）Fig.1　 Complex routes of material transportation on the deck of large naval ships

在艙內(nèi)進(jìn)行的物資轉(zhuǎn)運(yùn)主要是將物資經(jīng)過艙內(nèi)通道送至各存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)。由于艦船艙室及通道的密性要求，艙內(nèi)的水平轉(zhuǎn)運(yùn)通道上一般有多個(gè)高度不同的門檻，不同通道的寬度、高度及通道內(nèi)設(shè)施布置的情況也各不相同。物資在艙內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，由于需經(jīng)過不同的通道和門檻且要避開通道內(nèi)的其他設(shè)施，因此可能會(huì)更換各種不同轉(zhuǎn)運(yùn)裝置，例如，在不同通道分別采用水平輸送小車、傳送帶或滑道等設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)［1-2］。圖2為物資在艙內(nèi)向各個(gè)存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)的典型路線示意，轉(zhuǎn)運(yùn)所經(jīng)過的艙壁門或通孔部位通常都有一定高度的門檻。在艙內(nèi)的垂直轉(zhuǎn)運(yùn)通常采用多層貨物電梯，經(jīng)過多層甲板的垂直轉(zhuǎn)運(yùn)如圖3所示。無論是露天甲板平臺(tái)或艙內(nèi)物資轉(zhuǎn)運(yùn)都可能存在多個(gè)路線同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)的情況。

圖2大型艦船復(fù)雜轉(zhuǎn)運(yùn)路線示意（艙內(nèi)水平輸送）Fig.2 The complex routes of material transportation in large naval ships（inboard and horizontally）

圖3大型艦船復(fù)雜轉(zhuǎn)運(yùn)路線示意（艙內(nèi)垂直輸送）Fig.3　 The complex routes of material transportation in large naval ships（inboard and vertically）

對(duì)于大型艦船來說，物資轉(zhuǎn)運(yùn)往往在多條路線上同時(shí)發(fā)生，每條路線上的轉(zhuǎn)運(yùn)物資都可能經(jīng)歷如物資拆包、設(shè)備轉(zhuǎn)換等各種環(huán)節(jié)，物資轉(zhuǎn)運(yùn)路線和流程等要素可以用網(wǎng)絡(luò)圖表示［3-4］。圖4所示即以網(wǎng)絡(luò)圖的形式，表示在典型物資轉(zhuǎn)運(yùn)流程中，物資從起始點(diǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)到倉(cāng)庫(kù)需要經(jīng)過的路線、節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)通道特征和所使用的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備等各種信息要素。網(wǎng)絡(luò)圖中所示的節(jié)點(diǎn)，為需要在該處進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的更換，或者需要人員進(jìn)行其他輔助作業(yè)，如裝卸或拆包、掃描、打印條碼等操作的地點(diǎn)［5］。

圖4大型艦船復(fù)雜轉(zhuǎn)運(yùn)路線流程典型算例網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4　 Typical example flow chart of material transportation in a large naval ship

2　早期分析需求

艦船的物資轉(zhuǎn)運(yùn)是艦船補(bǔ)給中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，物資轉(zhuǎn)運(yùn)經(jīng)常要占用主甲板和主要通道大面積的區(qū)域，轉(zhuǎn)運(yùn)速度直接影響下批次物資能否按時(shí)補(bǔ)給上艦。從作戰(zhàn)和防御需求的角度來說，艦船應(yīng)在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定數(shù)量的物資轉(zhuǎn)運(yùn)［6-7］。

在大型艦船的典型物資轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，各類轉(zhuǎn)運(yùn)物資的包裝形式多樣，存儲(chǔ)地點(diǎn)分散，運(yùn)輸設(shè)備轉(zhuǎn)換頻繁，整個(gè)過程通常要經(jīng)歷接收平臺(tái)、露天甲板、轉(zhuǎn)運(yùn)通道等環(huán)節(jié)，多數(shù)貨物轉(zhuǎn)運(yùn)路線長(zhǎng)達(dá)上百米，物資在轉(zhuǎn)運(yùn)期間可能會(huì)經(jīng)過露天升降機(jī)、大型叉車、露天垂直輸送裝置、水平輸送機(jī)、垂直升降機(jī)、艙內(nèi)推車、傳送帶、滑道等多種設(shè)備的裝卸和更換。在這樣轉(zhuǎn)運(yùn)路線長(zhǎng)、環(huán)節(jié)多、通道要素多變、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備更換頻繁的復(fù)雜路線轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，很可能會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)瓶頸，影響整個(gè)物資轉(zhuǎn)運(yùn)的效率。

上述的物資轉(zhuǎn)運(yùn)過程在每條路線上并不是完全連續(xù)進(jìn)行的，而是間隔的離散隨機(jī)事件過程［8］。對(duì)于該類事件，憑直觀很難準(zhǔn)確判斷出影響全部轉(zhuǎn)運(yùn)效率的瓶頸，目前也沒有針對(duì)此類問題的較成熟的解析分析方法，通常采用的是能獲得較為精確結(jié)果的仿真計(jì)算方法［9］。而在大型艦船設(shè)計(jì)的初始階段，轉(zhuǎn)運(yùn)方案的設(shè)計(jì)相對(duì)比較粗略，總布置處于不斷調(diào)整中，總體及各系統(tǒng)和設(shè)備技術(shù)方案均存在較大變數(shù)，其他接口狀態(tài)也未完全確定，在很大程度上影響了仿真建模的精度，而且也會(huì)耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間。

艦船的使命任務(wù)主要是海上作戰(zhàn)及防御，其艙室布置、通道設(shè)置、船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備使用環(huán)境條件均以作戰(zhàn)及防御功能為主要出發(fā)點(diǎn)，限制了為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的物資轉(zhuǎn)運(yùn)方案而對(duì)總布置和通道進(jìn)行較大調(diào)整的可能性。因此，艦船的物資轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)計(jì)與陸上的物資轉(zhuǎn)運(yùn)有很大區(qū)別，難以直接應(yīng)用物流學(xué)的成熟理論和方法作為依據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算和優(yōu)化，需尋找適合艦船物流特點(diǎn)的計(jì)算分析方法。在以往進(jìn)行的復(fù)雜路線物資轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)計(jì)中，其設(shè)計(jì)難度及仿真計(jì)算需花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間和較大工作量，而因轉(zhuǎn)運(yùn)瓶頸問題造成設(shè)計(jì)后期的總布置和相關(guān)系統(tǒng)的大量調(diào)整，也使在艦船設(shè)計(jì)早期階段即能進(jìn)行瓶頸優(yōu)化及整體合理性調(diào)整的需求更加突出，需要有一種較為簡(jiǎn)易的方法，能較快且準(zhǔn)確地判斷出全部轉(zhuǎn)運(yùn)線路中不合理的環(huán)節(jié)，對(duì)其總布置或設(shè)備進(jìn)行調(diào)整及優(yōu)化，避免在設(shè)計(jì)后期進(jìn)行較大的修改。

3　解析計(jì)算及分段優(yōu)化

大型艦船通常存在多條轉(zhuǎn)運(yùn)路線，如前所述，在總布置框架基本確定的情況下，很難對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)路線進(jìn)行全面調(diào)整。多數(shù)情況下，對(duì)路線中每段通道要素及轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備參數(shù)分別進(jìn)行改進(jìn)更容易實(shí)現(xiàn)。在艦船這種特點(diǎn)下，可以將轉(zhuǎn)運(yùn)瓶頸分析分解為對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)路線每個(gè)分段參數(shù)的計(jì)算和優(yōu)化，以艦船需完成的總轉(zhuǎn)運(yùn)量為設(shè)計(jì)輸入，以轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，以通道要素和轉(zhuǎn)運(yùn)裝置轉(zhuǎn)運(yùn)能力為約束條件，通過對(duì)每個(gè)分段的最大轉(zhuǎn)運(yùn)量及最少轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算分析，找出轉(zhuǎn)運(yùn)瓶頸，根據(jù)流量均衡原理，對(duì)各分段轉(zhuǎn)運(yùn)能力進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船轉(zhuǎn)運(yùn)全路線轉(zhuǎn)運(yùn)能力的整體優(yōu)化。

對(duì)于物資轉(zhuǎn)運(yùn)瓶頸，可理解為該處的物資轉(zhuǎn)運(yùn)速度/流量與整條路線其他環(huán)節(jié)的流量不匹配，導(dǎo)致在該處產(chǎn)生了貨物的堆積。轉(zhuǎn)運(yùn)瓶頸可以在轉(zhuǎn)運(yùn)路線網(wǎng)絡(luò)流量計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間計(jì)算而分析得出。網(wǎng)絡(luò)流量的計(jì)算可以借鑒運(yùn)籌學(xué)的網(wǎng)絡(luò)最大流分析方法［9-11］，但并不能完全歸結(jié)為求最大流的問題，而是將每個(gè)物資轉(zhuǎn)運(yùn)終點(diǎn)（倉(cāng)庫(kù)）的補(bǔ)給需求量作為全部轉(zhuǎn)運(yùn)需求的已知量，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)環(huán)節(jié)的流量計(jì)算出該環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)全部需求量物資所需的時(shí)間，從而分析查找全部路線中流量相對(duì)不均衡的環(huán)節(jié)。以大型艦船典型物資轉(zhuǎn)運(yùn)路線和流程為例，按以下方法進(jìn)行物資轉(zhuǎn)運(yùn)瓶頸分析及分段優(yōu)化：

1）根據(jù)大型艦船轉(zhuǎn)運(yùn)的初步方案，將復(fù)雜路線物資轉(zhuǎn)運(yùn)過程從轉(zhuǎn)運(yùn)起始點(diǎn)（通常為補(bǔ)給接收點(diǎn)）到存儲(chǔ)點(diǎn)（存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)）劃分為各個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)分段。分解的原則可為根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)路線中轉(zhuǎn)運(yùn)通道特征、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備變化、產(chǎn)生裝卸拆包等環(huán)節(jié)，若轉(zhuǎn)運(yùn)的起始點(diǎn)為vs，終點(diǎn)為vt，用nij表示在整個(gè)過程中從vi到vj運(yùn)送的貨物最小包裝單元總量。

2）繪出大型艦船復(fù)雜轉(zhuǎn)運(yùn)路線分段網(wǎng)絡(luò)示意圖（圖5），根據(jù)流程圖，將艏部、舯部同時(shí)接收的轉(zhuǎn)運(yùn)過程用網(wǎng)絡(luò)圖表示，圖中包含了每個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)的起點(diǎn)vi到終點(diǎn)vj，轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)V，通道要素lij等。根據(jù)已知的各倉(cāng)庫(kù)的物資下艙需求量，可得出各轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)運(yùn)總量nij。對(duì)于從vi到vj的每個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)中的最小包裝單元運(yùn)送總量nij，則需滿足：

根據(jù)式（1）列方程，對(duì)于終點(diǎn)vt，可根據(jù)其對(duì)應(yīng)的各個(gè)冷庫(kù)容量，確定每次補(bǔ)給倉(cāng)庫(kù)的補(bǔ)給物資需求量，補(bǔ)給接收點(diǎn)（起點(diǎn)）vs的物資接收量與之相等。則式（1）中v(n)為已知量，由此可列出網(wǎng)絡(luò)各分段運(yùn)送的最小包裝單元總量的線性方程，并據(jù)此求解出每個(gè)環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)運(yùn)中運(yùn)送的最小包裝總量nij。

3）mij為從vi到vj點(diǎn)可同時(shí)工作的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備每次轉(zhuǎn)運(yùn)中運(yùn)送的最小包裝單元數(shù)量，V表示該設(shè)備的運(yùn)行速度，lij表示vi到vj點(diǎn)的水平或垂直距離。則該段轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)可達(dá)到的最大運(yùn)輸流量qij為

則在vi到vj點(diǎn)的環(huán)節(jié)中，完成所需轉(zhuǎn)運(yùn)物資的最少時(shí)間為

圖5大型艦船物資轉(zhuǎn)運(yùn)分段計(jì)算網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.5　 Network diagram for sectioned calculation of material transportation in large naval ships

4）在對(duì)以上轉(zhuǎn)運(yùn)分段進(jìn)行系列計(jì)算后，可找出轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的分段，即對(duì)于物資轉(zhuǎn)運(yùn)的全部路線環(huán)節(jié)來說，其瓶頸環(huán)節(jié)v*

ij為

大型艦船的物資轉(zhuǎn)運(yùn)可能在多個(gè)路線進(jìn)行，對(duì)于持續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)的某一路線來說，每一個(gè)分段可能進(jìn)行設(shè)備的更換、貨物的裝卸或人員對(duì)設(shè)備的操作，如果某一個(gè)或者幾個(gè)分段轉(zhuǎn)運(yùn)所需物資的時(shí)間過長(zhǎng)，則意味著其他需要較短轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間分段的物資在該分段的起始處會(huì)發(fā)生等待和堆積，也就是通常所說的瓶頸。

5）分析各段計(jì)算結(jié)果，對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)的分段（瓶頸）進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為盡可能提高各分段的流量qij，主要為對(duì)通道要素進(jìn)行優(yōu)化和對(duì)設(shè)備方案進(jìn)行優(yōu)化。

以上步驟中，如果對(duì)某分段進(jìn)行優(yōu)化，受到艦上其他功能的限制時(shí)，對(duì)其無法再進(jìn)行流量的優(yōu)化改進(jìn)，該分段就成為轉(zhuǎn)運(yùn)路線的關(guān)鍵約束點(diǎn)，關(guān)鍵約束點(diǎn)決定著全路線的轉(zhuǎn)運(yùn)效率。在轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)計(jì)中，為使全部轉(zhuǎn)運(yùn)路線不存在過度優(yōu)化的現(xiàn)象，可以比對(duì)全艦的關(guān)鍵約束點(diǎn)的流量，對(duì)全部轉(zhuǎn)運(yùn)路線的流量進(jìn)行分析調(diào)整，使轉(zhuǎn)運(yùn)通道中的區(qū)域流量均衡。其中，貨物緩沖區(qū)的流量確定需比普通轉(zhuǎn)運(yùn)通道環(huán)節(jié)的流量有余量。如果對(duì)全部分段進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整后，轉(zhuǎn)運(yùn)所需的時(shí)間仍無法滿足指標(biāo)要求，則需對(duì)關(guān)鍵約束點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，這時(shí)往往涉及到全艦整體布置方案的較大調(diào)整，需要從多方面來權(quán)衡調(diào)整方案［2，8-9］。

4　列表計(jì)算

以上瓶頸計(jì)算中，需對(duì)全部路線上的每個(gè)分段環(huán)節(jié)的流量進(jìn)行計(jì)算，可采用列表方法，使計(jì)算過程和結(jié)果分析更加直觀并便于比較。

表1是根據(jù)大型艦船物資轉(zhuǎn)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)示意圖設(shè)計(jì)，可對(duì)各轉(zhuǎn)運(yùn)路線分段環(huán)節(jié)進(jìn)行瓶頸計(jì)算的表格。表中根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)順序列出了每個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)分段環(huán)節(jié)的各轉(zhuǎn)運(yùn)要素，包括各環(huán)節(jié)的起點(diǎn)、終點(diǎn)、所用的設(shè)備、設(shè)備每次裝載物資的體積、每次裝載的基本包裝單元數(shù)量qij、設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)速度V和設(shè)備往返距離（或高度）lij等，可以得出該分段完成全部轉(zhuǎn)運(yùn)量的最少時(shí)間tij。將以上各參數(shù)及計(jì)算值填入表1中的各欄中，并按各轉(zhuǎn)運(yùn)路線主要分段環(huán)節(jié)（貨物出升降機(jī)后到各倉(cāng)庫(kù)內(nèi)時(shí)間略）的計(jì)算中間值和結(jié)果，表中最后一列為從vi到vj的環(huán)節(jié)中，完成所需要轉(zhuǎn)運(yùn)的物資最少時(shí)間tij

在對(duì)典型物資轉(zhuǎn)運(yùn)的全部路線環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算后，對(duì)于tij進(jìn)行分析比較，得出轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間最大的分段環(huán)節(jié)v*

ij= max tij，還可以從表中找出相對(duì)于其他環(huán)節(jié)較大的tij值。這些分段完成全部轉(zhuǎn)運(yùn)物資所需的最少轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，若遠(yuǎn)大于其他分段轉(zhuǎn)運(yùn)所需的最少轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，即為瓶頸環(huán)節(jié)。完成列表中的計(jì)算后，可知在全艦轉(zhuǎn)運(yùn)路線中，需對(duì)這幾個(gè)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備配置及主要參數(shù)、通道設(shè)置情況和流程確定等方面進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，對(duì)于相對(duì)于其他分段所需轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)的分段，也應(yīng)對(duì)其各轉(zhuǎn)運(yùn)參數(shù)進(jìn)行分析，看是否有優(yōu)化調(diào)整的可能。

表1大型艦船復(fù)雜路線物資轉(zhuǎn)運(yùn)瓶頸計(jì)算列表Tab.1 Bottlenecks in the calculation of material transportation routes of large naval ship

調(diào)整后可再列表進(jìn)行對(duì)比分析，在轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備參數(shù)和總布置資源約束的條件下，以流量均衡為原則，對(duì)各個(gè)分段的轉(zhuǎn)運(yùn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，使各分段轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間盡可能均衡相近，以實(shí)現(xiàn)最終方案在整體上更為優(yōu)化合理。

5　與仿真計(jì)算法的對(duì)比分析

對(duì)于大型艦船物資轉(zhuǎn)運(yùn)這類離散隨機(jī)事件，系統(tǒng)仿真法也是常用的計(jì)算方法［12-13］。系統(tǒng)仿真是非解析方法，它通過相關(guān)仿真軟件可以直觀地反映物流系統(tǒng)的特性，分析優(yōu)化系統(tǒng)流程和運(yùn)行性能，也是目前解決物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要手段之一。系統(tǒng)仿真計(jì)算法在應(yīng)用階段、計(jì)算過程、最后優(yōu)化的目標(biāo)及方法等方面，與第4節(jié)所述的瓶頸解析計(jì)算和分段優(yōu)化方法有著較大不同。

以物流系統(tǒng)常用的可視化仿真軟件Flexsim為例。Flexsim是面向?qū)ο蟮姆抡娼９ぞ?，其?duì)象參數(shù)可以表示包括作業(yè)人員、滑道、叉車、升降機(jī)、貨架、托盤、集裝箱等在內(nèi)的幾乎所有的實(shí)物對(duì)象。實(shí)物對(duì)象可以用Flexsim中的模型表示，同時(shí)數(shù)據(jù)信息也可以用Flexsim模型庫(kù)表示，整個(gè)仿真可以反映物流系統(tǒng)的空間立體特性。對(duì)物資轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)在已確定的詳細(xì)轉(zhuǎn)運(yùn)流程、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備參數(shù)、人員配置以及轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)動(dòng)作細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上建立仿真系統(tǒng)，再根據(jù)仿真模型動(dòng)態(tài)模擬所有路線的全部轉(zhuǎn)運(yùn)過程，并在此基礎(chǔ)上分析結(jié)果，通過多次修改各類參數(shù)和反復(fù)仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的間接優(yōu)化。

因此，仿真計(jì)算是對(duì)物流的實(shí)際發(fā)生過程進(jìn)行模擬。對(duì)于大型艦船在多條路線同時(shí)進(jìn)行的復(fù)雜轉(zhuǎn)運(yùn)流程來說，建立完整的物資轉(zhuǎn)運(yùn)仿真模型，需要在假設(shè)已完成全部需轉(zhuǎn)運(yùn)物資數(shù)量的基礎(chǔ)上，確定實(shí)際在每條路線上發(fā)生的轉(zhuǎn)運(yùn)詳細(xì)流程，即對(duì)多個(gè)路線同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)的實(shí)際情況進(jìn)行模擬，包括人員的具體作業(yè)細(xì)節(jié)，例如對(duì)人員操作的動(dòng)作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置等［14］，同時(shí)還需確定全部物資多路線轉(zhuǎn)運(yùn)的指揮管理調(diào)度策略，由此才能建立準(zhǔn)確的仿真模型，得出全艦物資轉(zhuǎn)運(yùn)所需時(shí)間情況以及瓶頸提示。

由此可見，在對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)瓶頸進(jìn)行分析時(shí)，仿真計(jì)算與解析計(jì)算不同的是，仿真過程是對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)的全部實(shí)際發(fā)生的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬評(píng)估，包括轉(zhuǎn)運(yùn)指揮控制策略等各方面內(nèi)容。仿真計(jì)算不僅需要有非常詳盡的物資轉(zhuǎn)運(yùn)方案流程以及轉(zhuǎn)運(yùn)指揮調(diào)度管理方案，而且要進(jìn)行較為精確細(xì)致的建模。在艦船設(shè)計(jì)初期，對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的方案確定很難達(dá)到仿真計(jì)算所需要的精準(zhǔn)程度，且在艦船設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)師更關(guān)注的是總體布局和設(shè)備配置的合理性。第4節(jié)介紹的瓶頸解析計(jì)算及分段優(yōu)化方法，僅針對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的瓶頸進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。主要根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)的通道要素、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備各性能指標(biāo)參數(shù)，評(píng)估該路線完成所需轉(zhuǎn)運(yùn)物資量的最小時(shí)間，是對(duì)全部轉(zhuǎn)運(yùn)路線上每個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)分段客觀能實(shí)現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)運(yùn)能力評(píng)估，也是對(duì)該物資轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)中包括通道及設(shè)備等各性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估后的優(yōu)化調(diào)整也是旨在調(diào)整各通道的轉(zhuǎn)運(yùn)要素，達(dá)到每個(gè)環(huán)節(jié)的流量盡量均衡。該方法相對(duì)于仿真來說，簡(jiǎn)而易行。

因此，解析方法更適合在艦船設(shè)計(jì)早期對(duì)整體轉(zhuǎn)運(yùn)方案進(jìn)行綜合比較優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上確定更詳細(xì)的轉(zhuǎn)運(yùn)方案后，再采用仿真計(jì)算進(jìn)行局部調(diào)整，確定更精確合理的物資轉(zhuǎn)運(yùn)方案和作業(yè)流程。在解析運(yùn)算中也可以借鑒仿真建模過程中對(duì)人員作業(yè)環(huán)節(jié)的處理，例如在表1所列的計(jì)算項(xiàng)目中，對(duì)于在起點(diǎn)或終點(diǎn)有大量裝卸貨物、掃描或其他人員需要操作的轉(zhuǎn)運(yùn)分段，其時(shí)間的計(jì)算除考慮流量因素等環(huán)節(jié)外，還可根據(jù)人員作業(yè)所需時(shí)間情況乘以相應(yīng)系數(shù)，使解析計(jì)算結(jié)果更精確。

值得一提的是，比較某個(gè)典型轉(zhuǎn)運(yùn)算例的解析計(jì)算結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果，兩者對(duì)瓶頸環(huán)節(jié)的判斷基本一致。例如，對(duì)圖4所示的大型艦船轉(zhuǎn)運(yùn)算例中的A、B路線進(jìn)行解析計(jì)算，得出1號(hào)、3號(hào)貨物電梯入口前的轉(zhuǎn)運(yùn)分段（l5，l39）為所在轉(zhuǎn)運(yùn)路線瓶頸，對(duì)A、B路線轉(zhuǎn)運(yùn)過程進(jìn)行仿真計(jì)算（圖6），結(jié)果相同。增大此處的通道及貨物堆放區(qū)面積后，提高了該分段的轉(zhuǎn)運(yùn)最大運(yùn)輸流量，對(duì)整體轉(zhuǎn)運(yùn)效率有較大改善。

圖6大型艦船復(fù)雜轉(zhuǎn)運(yùn)路線轉(zhuǎn)運(yùn)算例仿真圖Fig.6　 Simulation example of material transportation routes in a large naval ship

6　結(jié)　語(yǔ)

艦船物流設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)屬新興設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在理論設(shè)計(jì)方法和實(shí)際應(yīng)用方面都有待不斷探索。上述方法根據(jù)大型艦船物流的特點(diǎn)，綜合應(yīng)用了現(xiàn)代物流學(xué)、運(yùn)籌學(xué)的原理和方法，為大型艦船復(fù)雜路線物資轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)計(jì)提供相對(duì)簡(jiǎn)單可行的設(shè)計(jì)流程。解析計(jì)算方法可在航母等大型艦船早期立項(xiàng)論證和方案設(shè)計(jì)階段，無需進(jìn)行大量仿真建模運(yùn)算，只經(jīng)過相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算分析后，即可對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中包括轉(zhuǎn)運(yùn)路線、通道、設(shè)備性能指標(biāo)等主要組成元素的合理性進(jìn)行判斷和調(diào)整，形成較為優(yōu)化

的物資轉(zhuǎn)運(yùn)方案，同時(shí)對(duì)艦船的總布置提出優(yōu)化和調(diào)整建議，可避免在設(shè)計(jì)的中后期發(fā)生顛覆性修改。在對(duì)一些具體算例的應(yīng)用中，也證明了該方法相對(duì)于艦船設(shè)計(jì)后期的仿真計(jì)算來說更加簡(jiǎn)單實(shí)用，對(duì)航母等大型艦船復(fù)雜路線轉(zhuǎn)運(yùn)方案中路線、總體通道要素、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備參數(shù)等的確定和優(yōu)化，能達(dá)到滿意的結(jié)果，可在今后大型艦船物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中加以推廣和完善。

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Analytic calculation and sectional optimization of material transportation bottlenecks in large naval ships

JIN Yingcun，ZONG Yan，WANG Jiao
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Abstract：Material transportation is a highly intricate logistics process on large naval ships, where the transportation time is affected by the transportation route, alleyway, and transporting equipment, etc. In this paper, a method of analytic calculation of the complex material transportation bottleneck, based on opera?tional researches, is proposed. The route is first divided into several sections, and the bottleneck is deter?mined after calculating and analyzing the flow and time of transportation in each section. The alleyway and the equipment on the bottleneck should be adjusted accordingly, and each section of the route could be op?timized to the equipoise principle. In brief, the proposed method can locate bottlenecks through relative simple calculation when the material is transported on several complex routes at same time, and the ratio?nality of the route & alleyway & equipment can be judged and modified to optimize the overall transporta?tion project. It is seen that the time and effort in the simulation calculation is reduced, and further modifica?tion of arrangement and equipment can be avoided.

Key words：large naval ship；material transport；bottleneck；analytic calculation；sectioned optimized；Flexsim

作者簡(jiǎn)介：金迎村（通信作者），女，1970年生，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：船舶裝置。E-mail: mickey_cl@163.com宗硯，男，1984年生，碩士，工程師。研究方向：船舶裝置。E-mail: wuhan701zzk@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2015 - 06 - 22網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-1-19 14:55

中圖分類號(hào)：U664.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.016

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.034.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：金迎村，宗硯，王皎.大型艦船物資轉(zhuǎn)運(yùn)瓶頸解析計(jì)算及分段優(yōu)化方法［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（1）：121-127. JIN Yingcun，ZONG Yan，WANG Jiao. Analytic calculation and sectional optimization of material transportation bottlenecks in large naval ships［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：121-127.