叶玉玲，冷韦韦+，陈鹏超
(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804)
【摘要】铁路货运装车作业是铁路货运业务的重要环节，其作业速度对铁路货物运输效率有着重要影响，需要对铁路货运作业流程进行优化。本文从铁路货运装车作业出发，分析了目前我国铁路货运装车作业的流程现状，并以整车运输为例，建立相应的Petri网模型，利用Exspect仿真软件对优化前后的模型进行仿真，并对装车作业流程优化以后的效果进行量化评价，验证了优化方案的有效性。
【关键词】铁路货运；装车作业；Petri网；流程再造；系统仿真
1引言
面对铁路客货分线后铁路潜在运能释放、铁路管理体制改革的重大契机、激烈的货运市场竞争以及物流业的飞速发展，铁路货运市场的物流服务需求日益突显，传统的铁路运输模式以及货运业务流程已不能满足客户的物流服务需求。以客户需求为中心，以市场为导向，整合资源，创新铁路货物运输组织方式已经成为铁路运输业适应新形式发展的必然趋势和重要战略选择。而随着货运量的增加，为了提高铁路货运装车效率，更好地服务客户，铁路货运装车部门努力寻求简化相关手续、改进装车流程的措施，压缩装车作业时间，提高货运装车效率。
目前，也有一些学者对铁路货运业务流程的优化进行了研究，例如王丹竹、郎茂祥等通过分析铁路货运作业流程现状以及问题，对优化前后的货运作业流程进行仿真评价。陈旭着重研究铁路货运营业站的业务受理流程，运到货物交付业务以及货物车辆配送与挂运业务流程再造。徐利民、迟骋、贾永刚等从电子商务的角度，对现有的铁路货运流程进行分析，并提出了改进建议。
上述研究倾向于对铁路货运业务整个流程的分析和优化，并没有单独深入地对某个具体的流程分析。而众所周知，铁路货运业务的流程涉及的主体多，流程较为复杂，且某些作业存在着随机不确定性，而广义随机Petri网通过引入随机开关和时间的概念，用托肯(token)的延误来表示每项作业所需时间，用选择变迁来解决流程中某些作业环节的概率选择问题，因此，可以深入分析铁路货运业务中某个具体的流程。本文以整车运输为例，在分析现有铁路货运装车流程的基础上，运用Petri网建模，并利用Exspect软件进行仿真，进一步提出铁路货运装车作业流程的优化方案并给出优化效果，从而为决策者提供决策依据。
2 Petri网模型基本理论
Petri网理论最早由德国学者卡尔·亚当·佩特里于1962年提出的，适合描述流程中的顺序、异步、冲突等关系，具有严格的数学理论基础和直观的图形表达方式，被广泛的运用在离散时间动态系统研究中。
随着学者们研究的不断深入，人们不断通过引入时间属性、托肯复制、定义随机开关等方法拓宽了Petri网的应用范围，如有色Petri网、时间Petri网、层次Petri网和随机Petri网。其中广义Petri网在以下方面做了拓展：①引入了时间的概念，每一个变迁都有一个时间参数，根据是否发生延迟，可将变迁分为顺势变迁和时间变迁；②定义随机开关，确定一个表示下多个变迁的实施概率；③增加了静止弧。
Petri网的基本概念和描述方法如下：
通常用圆圈或椭圆表示库所P，用方框或粗杠表示变迁T，用户X到Y的箭头表示流关系中的(x，y)。用库所中的黑点表示库所的状态，称为托肯(token)。
3铁路货运装车作业流程现状与Petri网模型
3.1铁路货运装车作业流程现状
铁路货物运输按其组织方法可以分为整车运输、零担运输和集装箱运输，其中整车运输与集装箱运输是我国铁路货运的主要组织形式。传统的铁路货运作业主要是指货物在发站和到站进行的各项作业。铁路货运装车作业是铁路货运生产的重要环节。为了使作业流程更加简洁明了，将铁路货运装车作业流程分为4个主要环节：装车前准备（接车对货位，装车前准备），装车作业，装车后处理（装车后作业、剩余货物处理，运单处理）以及费用核收。其中检查车辆及货物和复查车辆及附属作业为货运员与装卸员共同进行。
我们首先将相关的装车作业进行分类：一是增值业务，二为非增值业务。所谓增值业务，就是指能增加顾客价值的作业，非增值作业就是指不能增加顾客价值的业务。增值作业必须同时满足以下条件：
(1)该作业的功能是明确的；
(2)该作业能为最终产品或劳务提供价值；
(3)该作业在企业的整个作业链中不能去掉、合并或被替代。
3.2铁路货运装车流程Petri网模型
在基本Petri网理论的基础上，将上述货运装车作业流程图抽象化，建立流程模型。元素转化关系如下：
铁路货运装车作业流程-Petri网
作业处理过程中的人或单位——库所(P)
处理过程的实施与执行——变迁(T)
对铁路货运装车流程的认识主要从流程中发生的主要活动、活动作用对象、执行活动的实体人手，通过铁路货运装车业务流程图分析得到Petri网模型，具体情况见1图。
图1中各库所的含义如下所示：P1、P4:车站；P2、P27:调度；P3:站调；P5、P26:货调；P7、P8:劳调；P6、P13、P15、P17、P19、P20、P22、P24、P25:货运员；P14、P16:装卸员；P9、P10、P11、P12、P18:货运员、装卸员；P21、P23:托运人；P28:无实际意义（表示流程结束）。
图2中各变迁的含义如下所示：T1报告货物的信息；T2:调车计划；T3:下达调车计划，送车上道；T4:检查线路；T5:落实货位；T6:抄录车种信息；T7:通知装卸员装车；T8:向装卸员传达货物信息以及注意事项；T9:检查车辆及货物；Tl0:检查货物的货车量尺划线情况；T11:核对待装货物；T12:复查加固材料、绳网；T13:填写货车篷布使用通知单；T14：核对，检查篷布和绳网质量；T15:报告装车信息和装车开始时间；T16:装车、检查；T17:报告实际装完时间；T18:复查车辆及其附属作业；T19:装载质量签认；T20:签证装卸工作单；T21:整理处理剩余货物；T22:签收运单，填写有关事项；T23:支付现金或支票；T24:整理票据；T25:登记票据；T26:上报调度；T27:通知站调取车挂运。对上述变迁(T)进行赋时，其理论赋时如表1所示。
4 铁路货运现有装车作业流程仿真与分析
为了更好的了解整车装车作业流程，以某车站为例，对其货运装车流程进行模型仿真，并对现有的货运装车作业流程问题进行分析。
本文选择ExSpect软件对Petri网模型进行仿真，因为ExSpect软件不仅可以提供用于随机产生token的部件“generator”，还可以提供用于数据记录和存储的部件“store”，以及用于随机选择的部件“random”，这些功能都为Petri网模型的仿真提供了极大支持。模型中P1至P9及P11为延迟变迁，其余为选择变迁。考虑到库所Pl0有些货物不得划线装车，只能过磅称重，以及库所P13、P14是根据货物种类来决定是否使用篷布，因此我们假设经过选择变迁T10.T13的概率为80%。利用Exspect仿真软件进行模型仿真，如图2所示，模型仿真结果如表2所示。
为了减少随机性带来的误差，整个流程设定了约300个托肯，分三组完成，xaverage表示该组托肯完成流程的平均时间。由仿真结果图2可知，完成整个流程的平均周期时间约为274分钟。
从仿真的结果来看，完成一次作业的时间是274分钟，时间比较长。以下原因有三点。
(1)串联作业过多。串联作业虽然能够明确表明各个作业的衔接，分工明晰，但是最大的缺点就是费时。因此，尽可能地把串联作业改成并行作业，以达到增加效率，减少时间的消耗的目的。
(2)关键作业时间过长。例如变迁T16（装车，检查），所消耗的时间为120分钟到150分钟，占了总的时间的76%以上，若能压缩这部分时间，则能够大大提高装车作业的效率。
(3)非增值作业较多。对于装车作业流程，先对作业进行分类，找出非增值业务有节点1.2、6、15.16、17.24.25和26，共9项，占到了整个作业流程的三分之一，并且都是一些信息传递或者是统计活动，既不能对最终货运产品带来经济效益，同时又耗费人力和时间，应当要尽量减少这些作业。
5铁路货运装车作业流程的优化
铁路装车作业流程的优化可以分为两个部分，一是近期增加平行作业，缩短原先作业流程的长度；二是远期实施电子货票以便删除部分非增值业务。
(1)近期增加平行作业
首先，将部分串联作业改成并联作业，如把原先P9、T9（货运员、装卸员检查货物），P10、T10（货运员、装卸员检查划线），p11、T11（货运员、装卸员核查货物作业）三项串联作业改成三项并行作业。
其次，在已并联作业的基础上，调整部分作业顺序。如在原先P2、P4、P7三项并联作业基础上，将作业P13，T13（货运员填写篷布）和P14、T14（装卸员核对篷布质量）作业提前至作业P8、T8之后。具体各个库所和变迁的变化见表3。
基于上述方案，对铁路货运装车作业流程进行改进，建立优化后的货运装车作业流程模型，如图3所示，模型仿真结果如表4所示。经过改进以后的模型，作业时间由原先的274分钟缩短到了235分钟左右，共缩短了39分钟，时间缩短了14.2%。效果比较明显。
(2)远期实施电子货票
上述改进措施主要是把串联作业改为并联作业，并没有减少非增值业务。若采用电子货票，则在此基础上还能进行进一步优化，可以删除大量的非增值业务。
电子货票的应用，将改变纸质货票一式四联的传统形式。随着相关法律法规的建立，对于电子货票的法律效力进行明确规定，使得纸质票据作为运输合同及凭证所发挥的作用将被逐渐削弱。可将原有的四联减为一联，去掉用于铁路内部运输指挥及管理所需的甲联、乙联及丁联，保留货主留存的丙联，利用微机自动制票，保证丙联与存储信息的一致性。货主可以网上支付运费，而铁路运输管理部门能够直接从信息系统所存储的货票数据，获取车号、到站、品类等准确信息，编制和实施站内作业环节，尽可能减少货票数据重新录入、现车重复核对等作业量，以减少站停时间，进一步提高车辆利用率及劳动生产率。
电子货票无需上报信息、人工签收运单、填写信息、票据登记及整理票据信息，并可网上进行支付，因此库所P6、P15.P22、P23、P24和P25可删除。
综合考虑增加平行作业和实施电子货票等措施，对铁路货运装车作业流程进行改进，建立优化后的货运装车作业流程模型，如图4所示，模型仿真结果如表5所示。
从表5可以看出，利用电子货票等先进的技术以后的铁路货运装车流程，将原先的几个非增值业务，也就是不会对最终产品带来价值的流程都给删除了（例如P6、P15等），时间从235分钟缩短到了202分钟，与原先相比，约减少了72分钟，时间上缩短了26.3%，可见，利用电子货票以后的装车作业流程，省去了许多繁琐且不必要的操作，提高了作业的效率，又避免了浪费时间。
但制约总时间的关键作业仍没有改变。如变迁T16所需的时间并没有减少，它还是一个制约整个流程时间的关键因素所在，若能够增加铁路货运站机械化水平，则对提高整个作业效率是很有帮助的。
6 结语
本文将Petri网的建模方法应用到铁路货运装车作业流程当中，直观、详细地描述了铁路货运装车作业各个作业环节和作业时间。通过引入随机开关和时间的概念，解决了流程中某些作业环节的概率选择问题，利用Exspect软件先对铁路货运现有装车作业流程进行仿真，以token的流动模拟铁路货运的整车装车作业流程，通过对仿真结果的分析，进一步提出了铁路货运装车作业流程的优化方案，近期增加平行作业，远期在此
基础上实施电子货票，从而使一次作业的时间由原先的274分钟缩短到了202分钟，提高了整个铁路货运装车的效率，为相关部门提供了决策依据。本文仅以铁路货运整车运输为例，实际上铁路货运装车的作业流程因货运品类不同、货运组织方式而有所区别。并且，对于货物是否划线装车以及是否使用篷布采用假设的方式，与实际情况可能有所出入，因此，对铁路货运装车流程，还有待进一步的研究。
