集装箱物流中心的弹性仿真分析

梁孝诚，郭 燕，周 强,辛永宝

(武汉理工大学 物流工程学院，湖北 武汉 430063)

系统弹性是近年来较难的学术问题，存在较多的争议，主要集中在两个方面：①概念的表述；②测度的确定。弹性原指金属材料的性质，表示金属材料在外力作用下发生形变，而在外力去除后恢复原形尺寸的性质。弹性系数本质上与金属材料结构性质有关，可用外力大小与形变尺寸之比来衡量。相对而言，系统弹性的研究就比较复杂，系统弹性的一般概念最早是由HOLLING[1]提出的，而后便被引用到诸多学科领域而被赋予新的内涵。ABDULLAH等[2]认为弹性是系统面对意外干扰的控制与反应能力；TRAN等[3]构建了系统弹性的评估框架，着重强调了系统从意外干扰中恢复的性能；耿亮等[4]认为弹性是系统吸收扰动、适应扰动和从扰动中恢复的综合能力的体现。而在不同的学科领域内，对弹性的定义也是大相径庭。在经济学中，弹性是指一个变量相对于另一个变量发生一定比例改变的属性；在社会生态学中，弹性是指系统在运动到由不同过程控制的不同状态空间之前所能容忍的扰动量。可见系统弹性是一个多学科交叉的综合性学术问题，值得深入探讨研究。

集装箱物流中心是物流业发展到一定阶段的必然产物，目下已然成为现代物流体系中不可或缺的一环。而伴随着这种快速发展，集装箱物流中心内部结构及外部环境也将愈加复杂，系统往往容易被外部环境不确定性因素所干扰，影响系统正常运作甚至对系统造成危害。目前关于集装箱物流中心系统弹性的研究基本处于学术真空状态，笔者以集装箱物流中心为对象，深入探讨集装箱物流中心系统弹性的概念、性质、影响因素及测度指标，探讨测度集装箱物流中心系统弹性的仿真试验方法，以期为集装箱物流中心系统弹性的定性分析及定量研究提供一定的技术参考。

1 集装箱物流中心弹性概述

1.1 不确定性因素分析

从复杂性系统科学[5]的角度来考虑，集装箱物流中心内部结构及外部环境都是动态系统，包含诸多非线性因素，这些非线性因素相互交织进而产生种种不确定性因素[6]，笔者将其划分为自然环境因素和非自然环境因素。

(1)自然环境因素：从系统自身的角度出发，可以分为内部结构不确定性因素和外部环境不确定性因素。系统内部结构的不确定性渗透到物流系统的各个层面和环节，主要体现在系统内部的结构设施、设备配置的安全可靠性及员工整体素质等方面；对于系统外部环境的不确定性，根据其所带来的后果可划分为两类，一类是造成物流系统服务能力变化的不确定性因素，如天气变化带来的运输迟滞、作业故障等服务效率不高的情况；另一类是造成物流系统成本变化的不确定因素，如技术革新、设备换代等造成物流成本变化的情况。

(2)非自然环境因素：主要指物流需求的不确定性，体现在两个方面，即物流服务对象的不确定和物流服务要求的不确定。其中，服务对象的不确定包括服务区域、服务对象的类别或数量不确定等；而物流服务要求的不确定则更为广泛，服务地点、服务时间、服务质量等皆是因人而异。

1.2 弹性的定义及性质

目前关于集装箱物流中心弹性的研究尚不多见，对弹性的定义也说法不一，笔者根据其他学科领域内的弹性概念，结合集装箱物流中心自身相关特点，对集装箱物流中心系统弹性做如下定义：在一定条件下，系统遭受外部意外冲击偏离初始正常作业状态，而在外部作用消失后逐渐恢复到初始正常作业状态的能力。

系统在意外干扰作用下的状态变化，可以反映出系统的抗冲击能力和恢复能力，而系统状态可通过仓库的占用率、相关设施设备的利用率加以体现，因而具有较强的直观性与可测度性。一般情况下，在系统遭受外部冲击前，集装箱物流中心处于一种稳定运营状态，表现为稳定的仓库占用率及合理的设施设备利用率；在遭受外部冲击作用期间，系统处于一种低水平运营状态；在外部冲击作用消失后，集装箱物流中心逐渐恢复到初始运营状态。

结合上述集装箱物流中心弹性的定义和其他学科领域关于弹性的描述，可以总结集装箱物流中心弹性有如下性质：①弹性是系统的一种固有属性，只与集装箱物流中心的内部结构相关，系统内部结构的确定意味着系统弹性的确定，与其所处的环境无关；②弹性只有在系统受到外部冲击作用后才能表现出来。换言之，在不受外部冲击作用，系统正常运作的情况下，无法判断该集装箱物流中心弹性的强弱程度；③系统要偏离初始作业状态，若集装箱物流中心在外部冲击作用下能够保持初始作业状态，表明外部冲击作用强度较为“弱小”，抑或是系统本身较为“强大”，却并不能反映该集装箱物流中心弹性的优劣。

1.3 弹性的影响因素及测度指标

1.3.1 弹性的影响因素

系统弹性的影响因素主要包括系统的鲁棒性(robustness)、适应性(adaptation)及冗余性(redundancy)[7-9]。

鲁棒性是指系统抵抗外部远远超过系统在正常运作情况下所承受的冲击作用而不崩溃或丧失系统功能的内在能力，主要由系统内部基础设施的安全性、可靠性及抗灾等级所决定；适应性是指系统在紧急情况下充分调动各种可利用资源以维持系统性能，适应外部冲击的能力，体现在系统内部作业设备的配置情况、员工的人数和整体作业素质等方面；冗余性是指系统在遭受到外部冲击作用后削弱冲击作用的影响并进行自我恢复的能力，主要由系统内部的工艺流程设计、基础设施布置、紧急方案预备等决定。

1.3.2 弹性的测度指标

系统弹性阶段图如图1所示，在0～ts期间，系统处于稳态；ts～td为外部冲击扩散阶段，反映外部冲击对系统造成的负面影响；td～tf为系统适应阶段，系统适应性发挥作用，抑制外部冲击作用的持续扩散，系统处于低水平稳定状态；tf～th为系统恢复阶段，表示系统在各方面的调度协调下，削弱外部冲击造成的危害并逐步恢复到初始作业状态。

图1 系统弹性阶段图

不难看出，外部冲击作用持续时间t1=tf-ts与恢复时间t2=th-tf可以从一定程度上反映系统弹性的抗冲击能力与恢复能力，但由于外部冲击作用持续时间t1与恢复时间t2的大小与系统遭受外部冲击时的初始作业状态、作业强度、内部设备配置以及外部冲击强度、持续时间等诸多复杂因素相关，单独度量没有实际参考意义。综合考虑，定义集装箱物流中心系统弹性测度指标为：k=t1/t2。显然，若k越大，则说明外部冲击作用时间t1相对较大，系统恢复时间t2相对较小，可理解为集装箱物流中心抵抗外部冲击的能力较强，恢复响应速度较快，即系统弹性较强；反之，若k越小，则说明外部冲击作用时间t1相对较小，系统恢复时间t2相对较大，可理解为集装箱物流中心抵抗外部冲击的能力较弱，恢复响应速度较慢，即系统弹性较差。

2 集装箱物流中心的概念模型

集装箱物流中心内部作业主要由入园、出园作业驱动进行，实现货物在集装箱物流中心内部的装卸、转运、仓储等。笔者建立相关概念模型，对集装箱物流中心的入园流程、出园流程、拆箱作业流程及装箱作业流程进行说明。

(1)入园流程。入园作业开始时，按照一定的时间间隔产生入园箱实体，进入缓存区排队等待。若满足入园条件，则集疏运车辆装载重箱入园，行驶到指定仓库进行货物的拆卸仓储，作业完毕后集疏运车辆载空箱出园；若不满足入园条件，则继续在缓存区等待。入园作业流程如图2所示。

图2 入园作业流程

(2)出园流程。出园作业需求按照一定时间间隔产生，从空箱堆场提出空箱。若满足出园条件，由内集卡装载出园空箱到指定仓库进行集拼箱作业，作业完毕后载重箱至重箱堆场堆存。而后外集卡空载进入集装箱物流中心，行驶至重箱堆场，装载重箱后出园；若不满足出园条件，则继续在缓存区等待。出园作业流程如图3所示。

图3 出园作业流程

(3)拆箱作业流程。当产生拆箱作业需求时，叉车启动至仓库月台，装载货物后返回仓库卸载仓储，然后判断此次拆箱作业是否完毕，若作业完毕，则叉车返回仓库内部停车道；若未作业完毕，则叉车行驶至仓库月台继续进行拆箱作业。拆箱作业流程如图4所示。

图4 拆箱作业流程

(4)装箱作业流程。装箱作业流程与拆箱作业流程相似，其目的在于实现货物从仓库到集装箱的转运，大体为拆箱作业的逆过程，在此不做赘述。装箱作业流程如图5所示。

图5 装箱作业流程

3 集装箱物流中心仿真案例研究

3.1 仿真模型

通过上文可知弹性只在系统遭受外部冲击并偏离正常作业状态时才能表现出来，在实际运营中很难进行测度，而采用仿真手段则可以完美解决此类问题。鉴于集装箱物流中心是典型的离散事件动态系统[10]，借助Witness仿真平台进行建模与分析。Witness 仿真软件是英国 Lanner 集团开发的面向工业系统、商业系统流程的动态系统建模仿真软件平台[11]，以其完善的建模环境、强大的仿真引擎、清晰的层次建模功能以及灵活的输入和输出方式在各个工程学科领域内得到广泛应用。

以某临港集装箱物流中心为实际案例进行仿真建模。该集装箱物流中心设置有东、南两个大门，内部建有4个大仓库，1#仓库、2#仓库及3#仓库拆箱作业与装箱作业分别在仓库两侧的月台进行；4#仓库区别于前三个仓库，其拆箱作业与装箱作业在同侧月台进行；每个大仓库分为3个子仓库，每个子仓库配备4辆叉车进行作业；堆场区域包括1个重箱区，3个空箱区。按照实际布局情况进行建模，并根据实地调研结果设置相应参数，完成后的仿真模型如图6所示。

图6 某临港集装箱物流中心仿真模型图

3.2 试验设计与数据分析

(1)试验设计。结合上文所提集装箱物流中心系统弹性的概念及测度指标，设计系统弹性仿真试验思路如下：系统在外部冲击作用下，出园作业无法进行，入园作业正常进行，统计仓库占用率、仓库叉车利用率及内集卡利用率来反映集装箱物流中心的系统状态。笔者分别设定集装箱物流中心的初始仓库占用率为55%、60%、65%、70%，当外部冲击作用持续至仓库占用率达到80%左右后，消除外部冲击作用，继续运行模型，系统以作业高峰状态处理在外部冲击作用期间积压的出园作业计划，直至恢复到初始作业状态。

(2)数据统计与分析。统计试验数据时，需要实时考察集装箱物流中心的仓储水平，即仓库占用率，分别统计集装箱物流中心仓库占用率从初始水平达到80%以及恢复到初始状态所需要的时间，从而完成集装箱物流中心系统弹性的测度。统计试验数据如表1～表4所示。

表1 仓库初始占用率为55%时的试验数据统计表

表2 仓库初始占用率为60%时的试验数据统计表

表3 仓库初始占用率为65%时的试验数据统计表

表4 仓库初始占用率为70%时的试验数据统计表

综合以上统计数据，得出在不同试验方案下，外部冲击作用持续时间t1和系统恢复时间t2，结合所提系统弹性计算公式，进而得出集装箱物流中心系统弹性k的值，将数据汇总，结果如表5所示。

表5 试验数据汇总表

由表5可知，当集装箱物流中心仓库初始占用率为55%时，系统弹性k=1.007 0；当集装箱物流中心仓库初始占用率为60%时，系统弹性k=1.003 0；当集装箱物流中心仓库初始占用率为65%时，系统弹性k=0.944 4；当集装箱物流中心仓库初始占用率为70%时，系统弹性k=0.968 8。即在不改变系统配置的情况下，以仓库初始占用率作为弹性仿真试验的变化因子，所得结果误差均在统计学允许的范畴内，符合集装箱物流中心系统弹性的基本性质，也进一步验证了该弹性仿真试验方法及测度指标的科学性与可行性。

4 结论

基于集装箱物流中心的不确定性因素分析，并结合国内外学者在系统弹性领域内的研究成果，给出集装箱物流中心系统弹性的定义及性质，深入探讨其影响因素及测度指标，从定性及定量两个层面对集装箱物流中心系统弹性进行研究。以某集装箱物流中心为研究案例，构建其概念模型及仿真模型，并设计系统弹性仿真试验，实现集装箱物流中心系统弹性的定量测度，最终试验结果也在一定程度上佐证了该弹性指标的科学性与可行性。笔者所做研究工作为进一步对系统弹性理论的拓展与研究打下了一定的基础，也为今后对系统弹性问题的探讨和分析起到了一定的借鉴作用。

参考文献：

[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的供应网络弹性度量[J].计算机集成制造系统,2014,20(5):1211-1219.

[5] 齐磊磊.系统科学、复杂性科学与复杂系统科学哲学[J].系统科学学报,2012(3):7-11.

[6] 张玲.不确定环境下逆向物流系统的构建与优化[D].杭州：浙江大学,2014.

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[8] 刘健,赵思翔,刘晓.城市供水系统弹性应对策略与仿真分析[J].系统工程理论与实践,2015,35(10):2637-2645.

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[10] 郭鹏,程文明,张则强.铁路集装箱物流中心系统建模与仿真分析[J].计算机工程与应用,2011,47(17):235-238.

[11] 魏凤.基于Witness企业物流配送中心的分析和研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学,2010.