铁路物流中心物流能力仿真系统总体设计

李传勇何世伟陈旭超

（1中国中铁二院工程集团有限责任公司土木建筑设计研究一院 四川 成都 610031）（2北京交通大学交通运输学院 北京 100044 3北京交通大学城市交通复杂系统理论与技术教育部重点实验室 北京 100044）

铁路物流中心物流能力仿真系统总体设计

李传勇1何世伟2陈旭超3

（1中国中铁二院工程集团有限责任公司土木建筑设计研究一院 四川 成都 610031）（2北京交通大学交通运输学院 北京 100044 3北京交通大学城市交通复杂系统理论与技术教育部重点实验室 北京 100044）

研究目的：随着我国经济发展进入“新常态”，铁路物流中心建设对提高铁路物流运输服务水平具有十分重要的意义。铁路物流中心是一个十分复杂的物流系统，传统的经验公式难以对铁路物流中心设计方案做出准确定量评价，因此计算机仿真成为大型场站设计规划中所广泛采用的技术手段。本文基于离散事件系统理论，重点研究铁路物流中心物流能力仿真系统的总体设计，并给出系统验证实例。

铁路物流中心；仿真系统；物流能力；离散事件系统

随着我国铁路货运改革的不断推进，铁路货运由原来的按照计划组织货物运输转变为依照市场需求来组织货物运输[1]，铁路物流中心的建设运营对保证铁路货运时效性，建设全程物流服务体系有十分重要的作用[2]。根据十三五铁路发展规划要求，“十三五”期间铁路物流中心建设将进一步加快加强，2015-2017年，全路规划改造建设33个一级铁路物流中心站，175个二级铁路物流中心站及300个左右的专业铁路物流中心，铁路物流中心站在我国铁路货运体系中将发挥举足轻重的作用。采用计算机仿真方法进行铁路物流中心规划设计，能够克服传统经验公式误差大、不全面的缺点，提高设计规划精度，降低建设运营成本[3]。

1.概述

1.1铁路物流中心

根据2016年出台的《铁路物流中心设计规范》，铁路物流中心指依托铁路、具有完善信息网络、为社会提供物流活动的场所，并具有为社会或企业自身提供物流服务、功能健全、集聚辐射范围大和存储吞吐能力强等功能的特点[4]。

铁路物流中心按办理货物品类和性质可分为专业性和综合性铁路物流中心，其中综合铁路物流中心为多种类型货物的提供到发、装卸、仓储、加工等服务，典型的综合铁路物流中心站的平面布局如图1所示。综合铁路网物流中心包含多种类型的货运功能区，主要货运功能区包括：

图1 典型铁路物流中心平面示意图

（1）集装箱功能区：提供集装箱的运装卸、多式联运及门到门服务、掏装箱作业、临修及清洗，装卸和运输机械的检修及清洗等功能。

（2）长大笨重货物功能区：提供长大笨重货物的装卸、堆放、分选、配送等功能。

（3）包装成件货物功能区：提供成件货物包装、储存、配送等功能。

（4）商品汽车功功能区：提供铁路、公路运输商品汽车到达和发运；汽车存放、展示、信息发布、零配件包装、配送等功能。

（5）散堆装货物功能区：提供散堆装货物的运输及装卸、多式联运及门到门服务、装卸和运输机械的检修及清洗等功能。

（6）仓储配送功能区：具有运输、装卸搬运、仓储、配送和货物信息处理等功能。

（7）危险货物功能区：提供危险货物运输、仓储、装卸、配送等物流服务。综合铁路物流中心内危险货物功能区应单独分区，且布置在物流中心的边缘地带。

（8）冷藏功能区：为超低温物流、冷冻物流、冰温物流、冷藏物流产品提供运输、装卸、仓储功能，通常以冷藏集装箱、冷库为核心载体。

（9）其它功能区：包括内陆港功能区、流通加工功能区、交易展示场所等。

1.2铁路物流中心物流能力

铁路物流能力(Railway logistics capability)是根据用户的各种需求，利用铁路货运各种设施设备，通过科学运输组织，促进货物快速运输的能力，它包含从物流信息的收集及订单受理、货物的承运及加工处理、最终交付全过程中，在运送效率、运输成本、途中查询及送到时间的可靠性等能力的综合反映[5]。

本文将铁路物流中心站的物流能力定义为：在一定的运营期内，一定的中心站生产计划和调度管理下，综合考虑各方面因素，物流硬件资源能够完成的合理的最大货运量。即列车、货运卡车、装卸线、装卸设备、仓储区等有形的物流要素在中心站的装车计划、卸车计划等无形要素上所反映的综合能力[6]。

2.仿真系统架构

物流能力仿真系统的设计目标是针对铁路物流中心内部的主要物流作业设施设备及作业实现动态仿真，并根据仿真结果对当前物流中心仿真方案进行评价分析。系统需要提供物流中心站模型构建、物流作业过程仿真、仿真结果统计分析3项主要功能，其系统架构如图2所示。

图2 铁路物流中心物流仿真系统架构

2.1模型构建模块

模型构建模块提供仿真仿真模型搭建功能，采用GDI+图形交互技术提供用户建模操作界面，具体内容包括：

（1）物流中心站布局设计子系统：提供铁路物流中心站的平面布局设计功能，用户可根据需求，添加设置物流中心站包含的各货运功能区，并对各功能区的作业场类型，作业场形式、位置关系、内部布局形式等进行设置，构建铁路物流中心站的平面布局模型。

（2）物流中心站设施配置子系统：提供物流作业设施配置功能，用户可在铁路物流中心站仿真模型中添加轨道、站内道路、龙门吊、仓库堆场等设施，构建物流中心站设施配置模型。

（3）物流中心站参数设定子系统：提供仿真参数设置功能，包括设施规格等静态参数和列车到达分布、重车平均占比等动态参数。

2.2离散系统仿真模块

离散系统仿真模块基于离散事件系统理论，采用Petri Net技术[7]构建铁路物流中心站物流作业仿真模型，是系统的核心模块，具体仿真原理及模型详见第3节。该模块分为3个子模块，具体包括：

（1）列车运行动态仿真模型：主要针对列车在铁路物流中心站内的运行过程进行仿真，包括列车到达作业、列车转场作业、列车出发作业等环节。

（2）货卡运行动态仿真模型：主要针对货卡在铁路物流中心站内的运输作业过程进行仿真，包括货卡到达作业、门区检查作业、站内走行过程、货物功能区内装卸作业等环节。

（3）装卸搬运设备动态仿真模型：主要针对铁路物流中心站内各类型装卸搬运机械、车辆等的作业过程进行仿真，包括轨道式龙门吊、自走吊、叉车、内部转运卡车等设备。

2.3仿真结果分析模块

仿真结果分析模块提供仿真数据存储、更新、统计、分析等功能，采用MsChart图表处理技术对仿真生命周期内的各项仿真数据进行统计分析，根据用户需求计算物流能力评价指标，并生成统计分析图表。

仿真结果分析模块主要分为4部分，分别是列车物流作业能力分析子模块、货卡物流作业能力分析子模块、装卸搬运设备能力分析子模块及仓库堆场能力利用分析子模块。

3.仿真原理分析

离散事件动态系统[8]（Discrete Event Dynamics Systems）是由异步、突发的事件驱动状态演化的动态系统，铁路物流中心可以被视为一种离散事件系统。

3.1面向对象的离散系统仿真方法

面向对象的离散事件系统仿真通过建立系统内不同元素间的信息传输关系实现元素间的联系，所有的内部元素被视为对象处理(object)，每一个对象包含对象的属性及方法函数，用以表示元素的静态及动态特征。

离散事件系统的包含事件调度策略、活动扫描策略以及进程交互策略三种仿真策略[9]，本系统采用事件调度策略。事件调度策略中，每一项事件的发生时间是通过扫描事件表确定的，仿真开始时，系统调用事件表中的第一个事件并将仿真时钟跳转到该事件对应的时间，该事件完成后继续调用事件表中的第二个事件，直到所有事件完成，仿真终止。

3.2基于Petri网的铁路物流中心站物流能力仿真建模

Petri网（Petri Net ）是对离散并行系统的数学表示，由库所、变迁、有向弧以及令牌等元素组成，库所一般由圆圈“○”表示，变迁一般由短竖线或矩形框表示[10]。

铁路物流中心内不同货运功能区的物流作业流程存在一定差异，但主要作业流程均可以排队论为基础，将货物的到达、装卸、搬运、仓储、加工、配送等作业过程视为－个相互关联的排队系统。本节以作业流程相对复杂的集装箱功能区为例，采用Petri网技术构建仿真模型，如图3所示。

图3 系统Petri Net模型（重箱到达）

该模型包含4个子模型，分别是铁路运输系统子模型、装卸系统子模型、箱场系统子模型、集卡运输系统子模型。其中箱场系统模型（图3中Subsystem3所示）变迁事件见表1，库所及变迁含义说明如下：

库所：

p1：集卡移动至集装箱主箱区等待装卸，托肯数为集卡数量；

p2：被卸至主箱区的集装箱，托肯数为集装箱数量；

p3：处于占用状态的箱位，托肯数为处于占用状态的箱位数量；

p4：处于空闲状态的装卸机械，托肯数为空闲的装卸机械数量；

p5：准备装车的集装箱，托肯数为集装箱数量；

p6：被装至集卡的集装箱，托肯数为集装箱数量；

p7：准备卸箱的集装箱，托肯数为集装箱数量；

p8：被装至列车的集装箱，托肯数为集装箱数量；

p9：处于空闲状态的箱位，托肯数为箱位数量。

变迁：

t1：卸箱作业，是瞬时变迁；

t2：箱位被占用作业，是时间变迁；

t3：集装箱堆存过程，是时间变迁；

t4：装车作业，是瞬时变迁；

t5：集卡装卸过程，是时间变迁；

t6：列车装卸过程，是时间变迁。

表1 箱场系统PN模型变迁事件表

4.仿真系统实现及实例验证

4.1铁路物流中心站物流能力仿真系统

系统采用C#语言开发，在Microsoft Visual Studio 2010平台上实现。

（1）模型构建模块：

物流中心站布局设计子系统、设施配置子系统、参数设定子系统部分界面如图4-6所示。

图4 物流中心布局设计子系统界面

图5 设施配置子系统界面

图6 仿真参数设置子系统界面

（2）离散系统仿真模块：

该模块各子模型均为后台运行，部分仿真过程可以动态演示，某作业动态仿真过程演示界面如下图。

图7 动态仿真过程演示界面

（3）仿真结果分析模块：

列车物流作业能力分析、货卡物流作业能力分析等主要界面如图8-9所示。

图8 物流能力指标统计界面

图9 物流能力统计图表展示界面

4.2实例验证

（1）仿真模型构建

选取前场特大型货场（物流中心）进行实例验证，前场铁路特大型货场位于福建省东南部厦门市的西北方向，是厦门铁路枢纽内的计划建设运营的铁路特大型货场（车站中心：K670+280）。前场总体布局为“七区两核”型布局，总体布局示意图如下图10所示，包括铁路作业区、集装箱集散区、工贸配送区、钢铁加工配送区、汽车及机电配送区、特种物流区、粮食及冷链物流区7大货运功能区。

图10“七区两核”型布局示意图

构建前场仿真模型，模型参数根据《前场特大型货场深化可研说明书》设定，部分参数设定如下表2至表3所示。

表2 前场货运功能区主要参数

表3 前场主要机械设备参数

（2）仿真结果分析

仿真时间设置为30天，运行仿真模型10次并对仿真结果取平均值，主要仿真结果如下。

图11 货运量指标

图12 设备能力利用指标计

表4 列车运行指标统计

表5 货卡运行指标统计

整个仿真周期内，铁路系统总货运量为106.97万吨，公路系统总货运量为49.47万吨，其中集装箱货物和零散快运货物占比最大，二者货运量之和超过了整个物流中心站货运量的50%以上。列车到达共534列，平均在站停留时间6.4小时，其中集装箱列车平均在站停留时间最短，仅为3.5小时。货卡到达共16770辆，平均在站停留时间35.7分钟，平均装卸时间5.3分钟。装卸设备利用方面，零散快运货场装卸设备日均作业时间最长，达8.1小时，利用率为50.9%，长大笨重货场装卸设备利用率最低，仅为14.3%。

通过与实际作业数据进行对比，仿真结果与实际运营数据基本一致，这说明该系统能够较为准确地仿真铁路物流中心站的作业过程，并从货运量、列车运行、货卡运行、设备利用等多个角度对铁路物流中心的物流能力进行综合定量分析。

5.结论

（1）通过对前场特大型货运站场进行实例分析，验证了物流仿真系统的有效性。（2）物流仿真系统能够有效提高设计规划精度，发现已有设计方案存在的问题，并大幅降低站场规划预测成本。（3）该研究成果能够广泛应用于行业规划设计部门，为其它铁路物流中心设计规划提供辅助决策及方案验证。

[1]殷玮川, 何世伟, 黎浩东, 周康, 何必胜. 实货制条件下铁路枢纽内快运班列的组织模式[J]. 北京交通大学学报, 2015, 03： 17-23.

Yin Weichuan, He Shiwei, Li Haodong, Zhou Kang, He Bisheng. Organization mode of cargo express train in railway hub on the condition of real goods business[J]. Journal of Beijing Jiaotong University,2015,03：17-23.

[2]李传勇，何世伟. 铁路场站设计向现代物流中心转型升级的探讨[J]. 铁道运输与经济, 2015(37), 88-91.

Li Chuanyong, He Shiwei. Discussion about the transformation and upgrading of terminal design from railway yard to modern logistics center[J]. Railway Transport and Economy, 2015(37), 88-91.

[3]Chen Xuchao, He Shiwei. The Research of Capability Simulation Module on Modern Railway Logistics Center[M]// Theory, Methodology, Tools and Applications for Modeling and Simulation of Complex Systems. Springer Singapore, 2016.

[4]Ballis A, Golias J. Comparative evaluation of existing and innovative rail-road freight transport terminals[J]. Transportation Research Part A, 2002(36),593-611.

[5]王德占, 何世伟. 铁路物流能力的概念与构成要素研究[J]. 综合运输, 2007(8)：53-56.

Wang Dezhan, He Shiwei. Study on the Concept and Composition of Railway Logistics Capability [J]. Comprehensive Transportation, 2007(8)： 53-56.

[6]彭小东. 铁路集装箱物流中心站物流能力仿真评价研究[D]. 北京交通大学, 2015.

[7]黄国梁.散货码头物流系统建模与仿真[D]. 武汉理工大学,2007.

Huang Guoliang. Modeling and Simulation of Logistics System on Bulk Terminals[D]. Wuhan University of Technology ,2007.

[8]施於人,邓易元等. eM-Plant仿真技术教程[M].北京：科学出版社，2009.

Shi Yuren, Deng Yiyuan, et al. Simulation Technology Tutorial of eM-Plant[M].Beijing： China Science Press,2009.

[9]李浩渊.集装箱码头物流系统的基于仿真的优化方法研究[D].东北大学，2009.

Li Haoyuan. Research on Simulation Based Optimization Approaches for Logistics Systems in Container Port[D]. Northeastern University,2009.

[10]胡学刚. 基于Flexsim的自动化立体仓库仿真与优化[D].南京林业大学,2009.

Hu Xuegang. Simulation and Optimization of the AS/RS Based on Flexsim[D].Nanjing Forestry University,2009.

研究结论：（1）通过对前场特大型货运站场进行实例分析，验证了物流仿真系统的有效性。（2）物流仿真系统能够对设计规划方案进行定量分析，提高设计规划方案的准确性。（3）该研究成果能够广泛应用于行业规划设计部门，为其它铁路物流中心设计规划提供辅助决策及方案验证。