集裝箱物流中心的彈性仿真分析

梁孝誠，郭 燕，周 強(qiáng),辛永寶

(武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

系統(tǒng)彈性是近年來較難的學(xué)術(shù)問題，存在較多的爭議，主要集中在兩個方面：①概念的表述；②測度的確定。彈性原指金屬材料的性質(zhì)，表示金屬材料在外力作用下發(fā)生形變，而在外力去除后恢復(fù)原形尺寸的性質(zhì)。彈性系數(shù)本質(zhì)上與金屬材料結(jié)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)，可用外力大小與形變尺寸之比來衡量。相對而言，系統(tǒng)彈性的研究就比較復(fù)雜，系統(tǒng)彈性的一般概念最早是由HOLLING[1]提出的，而后便被引用到諸多學(xué)科領(lǐng)域而被賦予新的內(nèi)涵。ABDULLAH等[2]認(rèn)為彈性是系統(tǒng)面對意外干擾的控制與反應(yīng)能力；TRAN等[3]構(gòu)建了系統(tǒng)彈性的評估框架，著重強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)從意外干擾中恢復(fù)的性能；耿亮等[4]認(rèn)為彈性是系統(tǒng)吸收擾動、適應(yīng)擾動和從擾動中恢復(fù)的綜合能力的體現(xiàn)。而在不同的學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)，對彈性的定義也是大相徑庭。在經(jīng)濟(jì)學(xué)中，彈性是指一個變量相對于另一個變量發(fā)生一定比例改變的屬性；在社會生態(tài)學(xué)中，彈性是指系統(tǒng)在運(yùn)動到由不同過程控制的不同狀態(tài)空間之前所能容忍的擾動量。可見系統(tǒng)彈性是一個多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)術(shù)問題，值得深入探討研究。

集裝箱物流中心是物流業(yè)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，目下已然成為現(xiàn)代物流體系中不可或缺的一環(huán)。而伴隨著這種快速發(fā)展，集裝箱物流中心內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部環(huán)境也將愈加復(fù)雜，系統(tǒng)往往容易被外部環(huán)境不確定性因素所干擾，影響系統(tǒng)正常運(yùn)作甚至對系統(tǒng)造成危害。目前關(guān)于集裝箱物流中心系統(tǒng)彈性的研究基本處于學(xué)術(shù)真空狀態(tài)，筆者以集裝箱物流中心為對象，深入探討集裝箱物流中心系統(tǒng)彈性的概念、性質(zhì)、影響因素及測度指標(biāo)，探討測度集裝箱物流中心系統(tǒng)彈性的仿真試驗(yàn)方法，以期為集裝箱物流中心系統(tǒng)彈性的定性分析及定量研究提供一定的技術(shù)參考。

1 集裝箱物流中心彈性概述

1.1 不確定性因素分析

從復(fù)雜性系統(tǒng)科學(xué)[5]的角度來考慮，集裝箱物流中心內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部環(huán)境都是動態(tài)系統(tǒng)，包含諸多非線性因素，這些非線性因素相互交織進(jìn)而產(chǎn)生種種不確定性因素[6]，筆者將其劃分為自然環(huán)境因素和非自然環(huán)境因素。

(1)自然環(huán)境因素：從系統(tǒng)自身的角度出發(fā)，可以分為內(nèi)部結(jié)構(gòu)不確定性因素和外部環(huán)境不確定性因素。系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不確定性滲透到物流系統(tǒng)的各個層面和環(huán)節(jié)，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)施、設(shè)備配置的安全可靠性及員工整體素質(zhì)等方面；對于系統(tǒng)外部環(huán)境的不確定性，根據(jù)其所帶來的后果可劃分為兩類，一類是造成物流系統(tǒng)服務(wù)能力變化的不確定性因素，如天氣變化帶來的運(yùn)輸遲滯、作業(yè)故障等服務(wù)效率不高的情況；另一類是造成物流系統(tǒng)成本變化的不確定因素，如技術(shù)革新、設(shè)備換代等造成物流成本變化的情況。

(2)非自然環(huán)境因素：主要指物流需求的不確定性，體現(xiàn)在兩個方面，即物流服務(wù)對象的不確定和物流服務(wù)要求的不確定。其中，服務(wù)對象的不確定包括服務(wù)區(qū)域、服務(wù)對象的類別或數(shù)量不確定等；而物流服務(wù)要求的不確定則更為廣泛，服務(wù)地點(diǎn)、服務(wù)時間、服務(wù)質(zhì)量等皆是因人而異。

1.2 彈性的定義及性質(zhì)

目前關(guān)于集裝箱物流中心彈性的研究尚不多見，對彈性的定義也說法不一，筆者根據(jù)其他學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的彈性概念，結(jié)合集裝箱物流中心自身相關(guān)特點(diǎn)，對集裝箱物流中心系統(tǒng)彈性做如下定義：在一定條件下，系統(tǒng)遭受外部意外沖擊偏離初始正常作業(yè)狀態(tài)，而在外部作用消失后逐漸恢復(fù)到初始正常作業(yè)狀態(tài)的能力。

系統(tǒng)在意外干擾作用下的狀態(tài)變化，可以反映出系統(tǒng)的抗沖擊能力和恢復(fù)能力，而系統(tǒng)狀態(tài)可通過倉庫的占用率、相關(guān)設(shè)施設(shè)備的利用率加以體現(xiàn)，因而具有較強(qiáng)的直觀性與可測度性。一般情況下，在系統(tǒng)遭受外部沖擊前，集裝箱物流中心處于一種穩(wěn)定運(yùn)營狀態(tài)，表現(xiàn)為穩(wěn)定的倉庫占用率及合理的設(shè)施設(shè)備利用率；在遭受外部沖擊作用期間，系統(tǒng)處于一種低水平運(yùn)營狀態(tài)；在外部沖擊作用消失后，集裝箱物流中心逐漸恢復(fù)到初始運(yùn)營狀態(tài)。

結(jié)合上述集裝箱物流中心彈性的定義和其他學(xué)科領(lǐng)域關(guān)于彈性的描述，可以總結(jié)集裝箱物流中心彈性有如下性質(zhì)：①彈性是系統(tǒng)的一種固有屬性，只與集裝箱物流中心的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)，系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的確定意味著系統(tǒng)彈性的確定，與其所處的環(huán)境無關(guān)；②彈性只有在系統(tǒng)受到外部沖擊作用后才能表現(xiàn)出來。換言之，在不受外部沖擊作用，系統(tǒng)正常運(yùn)作的情況下，無法判斷該集裝箱物流中心彈性的強(qiáng)弱程度；③系統(tǒng)要偏離初始作業(yè)狀態(tài)，若集裝箱物流中心在外部沖擊作用下能夠保持初始作業(yè)狀態(tài)，表明外部沖擊作用強(qiáng)度較為“弱小”，抑或是系統(tǒng)本身較為“強(qiáng)大”，卻并不能反映該集裝箱物流中心彈性的優(yōu)劣。

1.3 彈性的影響因素及測度指標(biāo)

1.3.1 彈性的影響因素

系統(tǒng)彈性的影響因素主要包括系統(tǒng)的魯棒性(robustness)、適應(yīng)性(adaptation)及冗余性(redundancy)[7-9]。

魯棒性是指系統(tǒng)抵抗外部遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過系統(tǒng)在正常運(yùn)作情況下所承受的沖擊作用而不崩潰或喪失系統(tǒng)功能的內(nèi)在能力，主要由系統(tǒng)內(nèi)部基礎(chǔ)設(shè)施的安全性、可靠性及抗災(zāi)等級所決定；適應(yīng)性是指系統(tǒng)在緊急情況下充分調(diào)動各種可利用資源以維持系統(tǒng)性能，適應(yīng)外部沖擊的能力，體現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部作業(yè)設(shè)備的配置情況、員工的人數(shù)和整體作業(yè)素質(zhì)等方面；冗余性是指系統(tǒng)在遭受到外部沖擊作用后削弱沖擊作用的影響并進(jìn)行自我恢復(fù)的能力，主要由系統(tǒng)內(nèi)部的工藝流程設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)施布置、緊急方案預(yù)備等決定。

1.3.2 彈性的測度指標(biāo)

系統(tǒng)彈性階段圖如圖1所示，在0～ts期間，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)；ts～td為外部沖擊擴(kuò)散階段，反映外部沖擊對系統(tǒng)造成的負(fù)面影響；td～tf為系統(tǒng)適應(yīng)階段，系統(tǒng)適應(yīng)性發(fā)揮作用，抑制外部沖擊作用的持續(xù)擴(kuò)散，系統(tǒng)處于低水平穩(wěn)定狀態(tài)；tf～th為系統(tǒng)恢復(fù)階段，表示系統(tǒng)在各方面的調(diào)度協(xié)調(diào)下，削弱外部沖擊造成的危害并逐步恢復(fù)到初始作業(yè)狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)彈性階段圖

不難看出，外部沖擊作用持續(xù)時間t1=tf-ts與恢復(fù)時間t2=th-tf可以從一定程度上反映系統(tǒng)彈性的抗沖擊能力與恢復(fù)能力，但由于外部沖擊作用持續(xù)時間t1與恢復(fù)時間t2的大小與系統(tǒng)遭受外部沖擊時的初始作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)強(qiáng)度、內(nèi)部設(shè)備配置以及外部沖擊強(qiáng)度、持續(xù)時間等諸多復(fù)雜因素相關(guān)，單獨(dú)度量沒有實(shí)際參考意義。綜合考慮，定義集裝箱物流中心系統(tǒng)彈性測度指標(biāo)為：k=t1/t2。顯然，若k越大，則說明外部沖擊作用時間t1相對較大，系統(tǒng)恢復(fù)時間t2相對較小，可理解為集裝箱物流中心抵抗外部沖擊的能力較強(qiáng)，恢復(fù)響應(yīng)速度較快，即系統(tǒng)彈性較強(qiáng)；反之，若k越小，則說明外部沖擊作用時間t1相對較小，系統(tǒng)恢復(fù)時間t2相對較大，可理解為集裝箱物流中心抵抗外部沖擊的能力較弱，恢復(fù)響應(yīng)速度較慢，即系統(tǒng)彈性較差。

2 集裝箱物流中心的概念模型

集裝箱物流中心內(nèi)部作業(yè)主要由入園、出園作業(yè)驅(qū)動進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)貨物在集裝箱物流中心內(nèi)部的裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)、倉儲等。筆者建立相關(guān)概念模型，對集裝箱物流中心的入園流程、出園流程、拆箱作業(yè)流程及裝箱作業(yè)流程進(jìn)行說明。

(1)入園流程。入園作業(yè)開始時，按照一定的時間間隔產(chǎn)生入園箱實(shí)體，進(jìn)入緩存區(qū)排隊等待。若滿足入園條件，則集疏運(yùn)車輛裝載重箱入園，行駛到指定倉庫進(jìn)行貨物的拆卸倉儲，作業(yè)完畢后集疏運(yùn)車輛載空箱出園；若不滿足入園條件，則繼續(xù)在緩存區(qū)等待。入園作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 入園作業(yè)流程

(2)出園流程。出園作業(yè)需求按照一定時間間隔產(chǎn)生，從空箱堆場提出空箱。若滿足出園條件，由內(nèi)集卡裝載出園空箱到指定倉庫進(jìn)行集拼箱作業(yè)，作業(yè)完畢后載重箱至重箱堆場堆存。而后外集卡空載進(jìn)入集裝箱物流中心，行駛至重箱堆場，裝載重箱后出園；若不滿足出園條件，則繼續(xù)在緩存區(qū)等待。出園作業(yè)流程如圖3所示。

圖3 出園作業(yè)流程

(3)拆箱作業(yè)流程。當(dāng)產(chǎn)生拆箱作業(yè)需求時，叉車啟動至倉庫月臺，裝載貨物后返回倉庫卸載倉儲，然后判斷此次拆箱作業(yè)是否完畢，若作業(yè)完畢，則叉車返回倉庫內(nèi)部停車道；若未作業(yè)完畢，則叉車行駛至倉庫月臺繼續(xù)進(jìn)行拆箱作業(yè)。拆箱作業(yè)流程如圖4所示。

圖4 拆箱作業(yè)流程

(4)裝箱作業(yè)流程。裝箱作業(yè)流程與拆箱作業(yè)流程相似，其目的在于實(shí)現(xiàn)貨物從倉庫到集裝箱的轉(zhuǎn)運(yùn)，大體為拆箱作業(yè)的逆過程，在此不做贅述。裝箱作業(yè)流程如圖5所示。

圖5 裝箱作業(yè)流程

3 集裝箱物流中心仿真案例研究

3.1 仿真模型

通過上文可知彈性只在系統(tǒng)遭受外部沖擊并偏離正常作業(yè)狀態(tài)時才能表現(xiàn)出來，在實(shí)際運(yùn)營中很難進(jìn)行測度，而采用仿真手段則可以完美解決此類問題。鑒于集裝箱物流中心是典型的離散事件動態(tài)系統(tǒng)[10]，借助Witness仿真平臺進(jìn)行建模與分析。Witness 仿真軟件是英國 Lanner 集團(tuán)開發(fā)的面向工業(yè)系統(tǒng)、商業(yè)系統(tǒng)流程的動態(tài)系統(tǒng)建模仿真軟件平臺[11]，以其完善的建模環(huán)境、強(qiáng)大的仿真引擎、清晰的層次建模功能以及靈活的輸入和輸出方式在各個工程學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

以某臨港集裝箱物流中心為實(shí)際案例進(jìn)行仿真建模。該集裝箱物流中心設(shè)置有東、南兩個大門，內(nèi)部建有4個大倉庫，1#倉庫、2#倉庫及3#倉庫拆箱作業(yè)與裝箱作業(yè)分別在倉庫兩側(cè)的月臺進(jìn)行；4#倉庫區(qū)別于前三個倉庫，其拆箱作業(yè)與裝箱作業(yè)在同側(cè)月臺進(jìn)行；每個大倉庫分為3個子倉庫，每個子倉庫配備4輛叉車進(jìn)行作業(yè)；堆場區(qū)域包括1個重箱區(qū)，3個空箱區(qū)。按照實(shí)際布局情況進(jìn)行建模，并根據(jù)實(shí)地調(diào)研結(jié)果設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，完成后的仿真模型如圖6所示。

圖6 某臨港集裝箱物流中心仿真模型圖

3.2 試驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

(1)試驗(yàn)設(shè)計。結(jié)合上文所提集裝箱物流中心系統(tǒng)彈性的概念及測度指標(biāo)，設(shè)計系統(tǒng)彈性仿真試驗(yàn)思路如下：系統(tǒng)在外部沖擊作用下，出園作業(yè)無法進(jìn)行，入園作業(yè)正常進(jìn)行，統(tǒng)計倉庫占用率、倉庫叉車?yán)寐始皟?nèi)集卡利用率來反映集裝箱物流中心的系統(tǒng)狀態(tài)。筆者分別設(shè)定集裝箱物流中心的初始倉庫占用率為55%、60%、65%、70%，當(dāng)外部沖擊作用持續(xù)至倉庫占用率達(dá)到80%左右后，消除外部沖擊作用，繼續(xù)運(yùn)行模型，系統(tǒng)以作業(yè)高峰狀態(tài)處理在外部沖擊作用期間積壓的出園作業(yè)計劃，直至恢復(fù)到初始作業(yè)狀態(tài)。

(2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。統(tǒng)計試驗(yàn)數(shù)據(jù)時，需要實(shí)時考察集裝箱物流中心的倉儲水平，即倉庫占用率，分別統(tǒng)計集裝箱物流中心倉庫占用率從初始水平達(dá)到80%以及恢復(fù)到初始狀態(tài)所需要的時間，從而完成集裝箱物流中心系統(tǒng)彈性的測度。統(tǒng)計試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1～表4所示。

表1 倉庫初始占用率為55%時的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表2 倉庫初始占用率為60%時的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表3 倉庫初始占用率為65%時的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表4 倉庫初始占用率為70%時的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

綜合以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得出在不同試驗(yàn)方案下，外部沖擊作用持續(xù)時間t1和系統(tǒng)恢復(fù)時間t2，結(jié)合所提系統(tǒng)彈性計算公式，進(jìn)而得出集裝箱物流中心系統(tǒng)彈性k的值，將數(shù)據(jù)匯總，結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

由表5可知，當(dāng)集裝箱物流中心倉庫初始占用率為55%時，系統(tǒng)彈性k=1.007 0；當(dāng)集裝箱物流中心倉庫初始占用率為60%時，系統(tǒng)彈性k=1.003 0；當(dāng)集裝箱物流中心倉庫初始占用率為65%時，系統(tǒng)彈性k=0.944 4；當(dāng)集裝箱物流中心倉庫初始占用率為70%時，系統(tǒng)彈性k=0.968 8。即在不改變系統(tǒng)配置的情況下，以倉庫初始占用率作為彈性仿真試驗(yàn)的變化因子，所得結(jié)果誤差均在統(tǒng)計學(xué)允許的范疇內(nèi)，符合集裝箱物流中心系統(tǒng)彈性的基本性質(zhì)，也進(jìn)一步驗(yàn)證了該彈性仿真試驗(yàn)方法及測度指標(biāo)的科學(xué)性與可行性。

4 結(jié)論

基于集裝箱物流中心的不確定性因素分析，并結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者在系統(tǒng)彈性領(lǐng)域內(nèi)的研究成果，給出集裝箱物流中心系統(tǒng)彈性的定義及性質(zhì)，深入探討其影響因素及測度指標(biāo)，從定性及定量兩個層面對集裝箱物流中心系統(tǒng)彈性進(jìn)行研究。以某集裝箱物流中心為研究案例，構(gòu)建其概念模型及仿真模型，并設(shè)計系統(tǒng)彈性仿真試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)集裝箱物流中心系統(tǒng)彈性的定量測度，最終試驗(yàn)結(jié)果也在一定程度上佐證了該彈性指標(biāo)的科學(xué)性與可行性。筆者所做研究工作為進(jìn)一步對系統(tǒng)彈性理論的拓展與研究打下了一定的基礎(chǔ)，也為今后對系統(tǒng)彈性問題的探討和分析起到了一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] HOLLING C S. Resilience and stability of ecological systems[J]. Annual Review of Ecology & Systematics,1973,4(4):1-23.

[2] ABDULLAH N A S, NOOR N L M, IBRAHIM E N M. Resilient organization: modelling the capacity for resilience[C]∥ International Conference on Research and Innovation in Information Systems.[S.l.]: IEEE,2014:319-324.

[3] TRAN H T, BALCHANOS M, DOMERCANT J C, et al. A framework for the quantitative assessment of performance-based system resilience[J]. Reliability Engineering & System Safety,2017(158):73-84.

[4] 耿亮,肖人彬.基于DIIM的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)彈性度量[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng),2014,20(5):1211-1219.

[5] 齊磊磊.系統(tǒng)科學(xué)、復(fù)雜性科學(xué)與復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)[J].系統(tǒng)科學(xué)學(xué)報,2012(3):7-11.

[6] 張玲.不確定環(huán)境下逆向物流系統(tǒng)的構(gòu)建與優(yōu)化[D].杭州：浙江大學(xué),2014.

[7] 崔瓊,李建華.網(wǎng)絡(luò)化指揮信息系統(tǒng)彈性度量方法[J].軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程,2016,30(4):18-24.

[8] 劉健,趙思翔,劉曉.城市供水系統(tǒng)彈性應(yīng)對策略與仿真分析[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2015,35(10):2637-2645.

[9] JOERIN J, SHAW R, TAKEUCHI Y, et al. Assessing community resilience to climate-related disasters in Chennai, India[J]. International Journal of Disaster Risk Reduction,2012,1(1):44-54.

[10] 郭鵬,程文明,張則強(qiáng).鐵路集裝箱物流中心系統(tǒng)建模與仿真分析[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2011,47(17):235-238.

[11] 魏鳳.基于Witness企業(yè)物流配送中心的分析和研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),2010.