基于Petri 网模型的口岸站作业流程分析及优化

李 晨，魏玉光

LI Chen, WEI Yuguang

（北京交通大学 交通运输学院，北京 100044)

“一带一路”倡议提出后，相关的陆路运输基础设施建设稳步推进，铁路作为陆上交通的主要载体，承担联结我国与“一带一路”沿线国家的重要任务。截至2019 年5 月17 日，中欧班列累计开行1.5 万列，通往欧洲15 个国家的50 多个城市[1]，极大促进了我国与中亚及欧洲各国的经济联系与贸易往来。《交通强国建设纲要》提出，2035 年我国将基本建成交通强国，基本形成“全球123 运输物流圈”，实现国内1 天送到、周边国家2 天送到、全球主要城市3 天送到的目标[2]。在中欧班列开行的实践中，边境口岸站通行能力的问题较为突出[3]。提升中欧班列运输效率应针对口岸站进行能力加强技术改造[4]，还应优化口岸站的作业流程，以提升口岸站作业效率。目前，针对口岸站作业优化的研究较少，既有研究根据经验对现有口岸站作业流程进行定性分析，并针对部分作业环节提出优化建议[5-6]，缺乏具体量化分析。陈雯[7]基于作业调度仿真方法优化口岸站换装过程以提升作业效率，但未考虑口岸站全局作业流程。为此，基于流程优化的思想，在口岸站列车整体作业流程分析的基础上，建立Petri 网模型且通过ExSpect 软件验证作业流程优化方案可行性。

1口岸站作业流程分析与建模

1.1 口岸站作业流程分析

目前我国铁路口岸站根据铁路轨距和通关模式可以分为3 种类型，分别是“一地两检”办理换装作业的口岸站、“一地两检”不办理换装作业的口岸站、“两地两检”办理换装作业的口岸站[8]。如果两国铁路轨距不同，假设对方国的铁路轨距为宽轨。由于各类口岸站流程有相似之处，主要分析“两地两检”办理换装作业口岸站的进口列车作业流程，具体过程如下。

（1）入境列车抵达口岸站后，我国边检人员进行列车边防检查，车号员进行现车核对并完成到达编组顺序表编制，海关、出入境检验检疫人员进行相关检查，外勤到发线交接员完成车辆和货物的商务检查并编制商务记录，双方交接员办理车辆和货物交接作业。

（2）联运值班员审核票据后，将其交给内勤舱单岗位。舱单岗位录入运单，并将信息发送至海关，将票据交给翻译。翻译对运单译制内容进行审核，核对运单内容与清单。计划室随后将票据交给代理进行报关报检。

（3）海关放关并下达作业指令后，总调度员安排对位计划。车站调度员编制宽轨调车计划。调车组根据调车计划分解宽轨车辆至指定的调车线上，宽轨重车过衡后送至换装场换装，或送至换轮场完成换轮作业。海关、检验检疫等人员进行查验，编制问题货车商务记录。装卸人员装卸货物。如有退运货物，操作员与对方人员协商，办理退运手续，再由车站调度员下达调车计划，编组退运宽轨 重车。

（4）车辆换装作业完成后，调车组集结宽轨空车及退运宽轨重车至宽轨调车线。车站调度员编制停留在宽轨场编组线的宽轨空车和退运宽轨重车的调车计划。调车组按照计划编组宽轨车列，并转至到发场。双方交接员依照车辆交接单内容，对现车车号进行核对，检查宽轨空车是否清洁干净，是否存在未卸空残余货物，车辆门窗是否关闭，装载加固材料是否撤除完毕。检查结束后，双方在车辆交接单上签字，表示交接完毕。边检人员检查列车司机的证件，同时检查列车内部，确认列车内没有藏匿违禁走私货物及人员，宽轨列车即可出发返回对方国家。

进口列车作业流程如图1 所示。

1.2 口岸站作业流程建模

Petri 网模型是对于具有不定性、共享性、并发性的系统的重要分析工具。通过模型的比较分析发现，Petri 网模型可以较好地描述复杂的口岸站作业流程，因而采用Petri 网模型构建口岸站作业流程模型。

根据图1 所示的进口列车作业流程，建立进口列车作业流程Petri 网模型如图2 所示。图2 中，“○”为基本库所，表示某项运输任务的开始或结束，或表示信息流转的节点；“□”为基本变迁，表示执行某项运输任务或传递某项信息。

图2 中，进口列车作业流程Petri 网模型的库所变量如表1 所示，进口列车作业流程Petri 网模型的变迁变量如表2 所示。

在进口列车作业流程分析的基础上，对进口列车作业流程模型中的子过程T16 (宽轨空车返回子过程)进行建模。宽轨空车返回子过程Petri 网模型如图3 所示。

图3 中，宽轨空车子过程Petri 网模型的库所变量如表3 所示，宽轨空车子过程Petri 网模型的变迁变量如表4 所示。

图1 进口列车作业流程Fig.1 Operation flow chart of inbound trains

图2 进口列车作业流程Petri 网模型Fig.2 Petri nets model of inbound trains

2口岸站作业流程Petri 网模型分析

口岸站作业流程Petri 网模型的分析主要采用定性分析和定量分析。定性分析即结构分析，用于判断模型的正确性，以消除异常结构，排除死锁、冲突，确保模型与实际的作业流程相符。定量分析即性能分析，是对作业流程的性能进行深入分析评价，通过分析模型的流程成本、流程周期时间等性能指标，来评价流程优劣。因此，使用关联矩阵分析方法分析Petri 网模型的数学特征，使用仿真进行定量分析。

表1 进口列车作业流程Petri 网模型的库所变量Tab.1 Inbound trains Petri nets model library variable description

表2 进口列车作业流程Petri 网模型的变迁变量Tab.2 Inbound trains Petri nets model transition variable description

2.1 口岸站作业流程Petri网模型数学特性分析

以Petri 网的数学特性为依据，对模型结构的合理性及是否存在潜在问题进行分析。在Petri 网模型中，元素的连接只能存在于库所与变迁之间。如果库所与库所之间存在连接、变迁与变迁之间存在连接或者是有孤立元素或多余及不完整信息存在，则视为模型错误。以此规则对模型进行检查。经检查，所建立的模型符合规范。

使用基于关联矩阵的分析方法，对所建立模型的数学特性进行分析。T-不变量指一组变迁从某一标识通过后，又回到原来标识的过程，即循环过程。口岸站作业流程Petri 网模型中没有循环结构，T-不变量均为0。S-不变量用于研究Petri 网的活性及有界性等，代表部分位置托肯数的加权守恒性。研究分析口岸站作业流程Petri 网模型的数学性质，得到各模型的S-不变量。根据计算结果，对Petri 网模型性质进行判定。

对图2 所示的“两地两检”办理换装口岸站进口列车作业流程Petri 网模型建立关联矩阵，得到其对应的关联矩阵A如下。

表3 宽轨空车子过程Petri 网模型的库所变量Tab.3 Broad gauge empty train subprocedure Petri nets models library variable description

表4 宽轨空车子过程Petri 网模型的变迁变量Tab.4 Broad gauge empty train subprocedure Petri nets models transition variable description

图3 宽轨空车返回子过程Petri 网模型Fig.3 Petri nets model of broad gauge empty train subprocedure

由ATX= 0，可得S-不变量

在S-不变量中，如果有托肯(Token)流经某库所，则其对应的分量为非0 常数，否则为0。托肯的分布满足条件，则模型在结构上有界且守恒。同时，S-不变量的个数固定，与线性方程组的自由变量个数相等。根据S-不变量的值，图2 进口列车作业流程Petri 网模型中托肯所走路线可能为

根据Petri 网模型活性、有界性、可达性的定义，图2 所示的进口列车作业流程Petri 网模型具有活性、有界性、可达性。同理，对宽轨空车子过程作业模型进行分析可知，模型同样具有活性、可达性、有界性。

2.2 口岸站作业流程Petri网模型仿真分析

将时间参数引入进口列车作业模型各变迁中，并使用ExSpect 软件进行仿真，计算平均周期时间，以此指标为依据分析进口列车作业流程的效率。在实际的业务中，流程的完成时间在某一范围内波动，具有一定的随机性，因而在仿真模型中，将部分变迁的完成时间设定为服从某一区间上的均匀分布，使分析更加符合实际。根据阿拉山口口岸站调研资料，得到进口列车作业模型仿真参数如表5 所示。

表5 进口列车作业模型仿真参数Tab.5 Inbound trains Petri nets model simulation parameters

以进口列车作业流程Petri 网模型为基础，以表5 中给出的各变迁仿真参数为依据，使用ExSpect 软件进行作业模型仿真。进口列车作业仿真模型如图4 所示。

ExSpect 软件中，库所的类型与流经此库所的托肯类型相同，因而在仿真模型中设置real 为所有库所及流经的托肯类型。在初始状态的系统中，设置库所P1 中的初始托肯值为1.0 作为整个系统的触发条件，其余库所中均无初始值。在仿真中使用uniform{a：real，b：real，seed：real}，表示函数服从区间(a，b)上的均匀分布。在本模型中部分变迁时间参数服从在区间{tmin，tmax}的均匀分布。在进口列车作业模型中，存在一个选择结构用于表示实际工作中海关检查是否合格的情况，所以模型中流动的托肯有2 种情况，通过对托肯的执行来判断执行T6 或T7。

同时，进口列车作业Petri 网中的T16 可扩展为一个子过程。T16 子过程仿真参数如表6 所示。建立T16 子过程仿真模型如图5 所示。

在仿真中，设定T6 及T7 的执行概率都是50%。在进口列车作业仿真模型中，使用函数binomial[n：real，P：real，seed：real]：real 实 现当库所P1 中的托肯触发变迁T1 后，将值为1.0 或0.0 的托肯以50%的概率传至库所P2 的操作。

在上述仿真模型中，只触发T16 所得仿真时间实为宽轨列车在站停留时间，只触发T17 所得仿真时间实为准轨列车在站停留时间。为此设置只触发T16 或T17，分别进行仿真实验，记录其周期时间，并求得平均周期时间。只触发T16 的进口列车作业流程仿真结果如表7 所示。只触发T17 的进口列车作业流程仿真结果如表8 所示。

表6 T16 子过程仿真参数Tab.6T16 subprocedure simulation parameters

图4 进口列车作业仿真模型Fig 4 Simulation model of inbound trains process

图5 T16 子过程仿真模型Fig 5T16 subprocedure simulation model

表7 只触发T16 的进口列车作业流程仿真结果Tab.7 Inbound trains Petri nets model simulation results (Only triggerT16)

2.3 进口列车作业流程模型仿真结果

仿真结果显示口岸站的作业存在以下问题： ①宽轨列车、准轨列车均在口岸站停留过长时间；②问题车出现频率高，导致线路及场地占用时间过长，增加了作业时间及工作量；③部分流程时间过长，影响了整体作业时间；④串行流程过多，导致时间浪费情况比较严重。造成以上问题的原因如下。

（1）车站平面布置不合理。目前的口岸站均是进行了多次扩能改造之后形成的，各个站场分布不够合理，对作业流程有很大影响。同时，站内作业量大，进路交叉严重，无法充分利用设施，作业效率低下，导致列车在站停留时间过长。

（2）信息化程度较低。目前口岸站的信息系统仅限内部使用，无法与他国口岸站、海关、边检、交接等共同使用，导致各个关口进行大量重复工作，流程繁琐复杂，增加了列车在站停留时间。

（3）列车编组不规范。宽轨列车存在违编现象，增加了解编作业负担。虽然我国与邻国口岸站均签署了关于口岸站列车编组的议定书，但是随着运量增长，对方口岸站出现运力不足的情况，违编列车数量不断上升，导致我方调车作业量增加，延长列车在站停留时间。

（4）口岸站作业流程存在弊端。一般而言，并行流程相对串行流程更加节约时间。但目前口岸站作业流程以串行流程为主，并行流程相对较少，因而流程自身的弊端也制约了口岸站作业效率。

表8 只触发T17 的进口列车作业流程仿真结果Tab.8 Inbound trains Petri nets model simulation results (Only triggerT17)

3进口列车作业流程优化分析

3.1 作业流程优化措施

口岸站作业流程优化的目的是缩短工作流程耗费的时间，提高口岸站作业效率，实现快捷运输。通过对上节内容中仿真结果的分析提出优化的具体措施，选取其中适宜用于流程改造的方法，建立新的作业流程，并进行建模仿真。结合上节仿真结果分析，针对其出现的问题，提出以下优化的具体措施。

（1）建立综合信息管理系统。以铁路作业流程为核心，搭建综合信息平台，实现作业全程电子化，与边检、海关、出入境检验检疫、代理等相关联部门实现信息交互，与邻国铁路系统也实现信息实时传递。确立口岸综合管理系统的核心地位，提供运单信息，为代理人与顾客提供便利。

（2）将串行流程改为并行流程。现行口岸站作业流程中，部分串行流程之间的关联不紧密。因此，将这些串行流程改进为并行流程，在进行调整后对整体作业无明显影响，如列车解体、货物装卸过程与海关、国检查验过程。

（3）优化平面布置形式。根据车辆作业流程，结合口岸站地形，以作业流程畅通为主要目标，考虑减少交叉干扰、提高周转效率等因素，选取合适的车站平面布置方案。该优化措施仅适用于新建口岸站。同时，可以考虑在口岸站内设置独立边检场，站内设立查验平台，全场覆盖电子监控系统，在相应部门设置电视墙，便于监督、管理与指挥。还可以采用先进的装卸设备确保货物快速装卸。

（4）加强与邻国交流，改善列车编组计划。与邻国铁路进行定期会晤，准确商定进出口运输计划，维护口岸站秩序。同时，要求列车在编组时尽可能满足口岸站要求，减少列车在口岸站的重复解编。

3.2 优化后进口列车作业流程及建模

在上述优化措施中，仅措施（1）和（2）可以在流程中体现，以这2 个优化措施作为流程优化具体措施进行仿真分析，其中假设库所容量为无穷，即口岸站现有设施设备能力均满足要求，且作业时间均为理想时间，不受天气等外界因素干扰。

优化后进口列车作业流程如图6 所示。

根据图6，建立优化后进口列车作业流程Petri网模型如图7 所示。

图7 中，优化后进口列车作业流程Petri 网模型的库所变量如表9 所示，优化后进口列车作业流程Petri 网模型的变迁变量如表10 所示。

在优化后进口列车作业流程分析的基础上和对优化后进口列车作业流程Petri 网模型中T8 和T9子过程进行建模。海关检验子过程Petri 网模型如图8 所示。图8 中，海关检验子过程Petri 网模型变量如表11 所示。

宽轨空车换装子系统Petri 网模型如图9 所示。图9 中，宽轨空车换装子系统Petri 网模型变量如表12 所示。

在上述流程中，将多个串行活动变成了并行活动，信息系统的建立则将其中例如T2，T3，T4，T13，T15，C1 等活动所需时间大大减小。

图6 优化后进口列车作业流程Fig.6 Optimized inbound trains operation process

图7 优化后进口列车作业流程Petri 网模型Fig.7 Optimized inbound trains Petri nets model

表9 优化后进口列车作业流程Petri 网模型的库所变量Tab.9 Optimized inbound trains Petri nets model library variable description

3.3 优化后进口列车作业流程Petri网模型仿真

由上节的分析可知，由于信息系统的建立，许多活动的时间参数变小。优化后进口列车作业流程模型时间参数如表13 所示。

基于已建立的优化后进口列车作业流程Petri网模型，按照表13 中给出的各变迁仿真参数，使用ExSpect 软件建立作业仿真模型。优化后进口列车作业流程Petri 网模型仿真如图10 所示。

同时，模型中还存在2 个子网，建立T8，T9对应的海关检验子过程Petri 网仿真如图11 所示，宽轨空车返回子过程Petri 网仿真如图12 所示。海关检验子过程Petri 网模型时间参数如表14 所示。宽轨空车返回子过程Petri 网模型时间参数如表15所示。图11 所示的子过程中存在一个选择结构，用于表示实际工作中海关检查是否合格的情况，因而整个模型中流动的托肯有2 种情况，通过对托肯的执行来判断执行C2 或C3。

表10 优化后进口列车作业流程Petri 网模型的变迁变量Tab.10 Optimized inbound trains Petri nets model transition variable description

图8 海关检验子过程Petri 网模型Fig.8 Petri nets model of customs inspection subprocedure

表11 海关检验子过程Petri 网模型变量Tab.11 Customs inspection subprocedure Petri nets model variable description

图9 宽轨空车换装子系统Petri 网模型Fig.9 Petri nets model of broad gauge empty train

表12 宽轨空车换装子系统Petri 网模型变量Tab.12 Broad gauge empty train Petri nets modal variable description

表13 优化后进口列车作业流程模型时间参数Tab.13 Optimized inbound trains Petri nets model simulation parameters

模型中，只触发T12 和T13 所得仿真时间实为宽轨列车在站停留时间，只触发T10 所得仿真时间实为准轨列车在站停留时间。为此分别设置只触发T10、T12 和T13，进行仿真实验，分别记录其周期时间，并求得平均周期时间。只触发T10 的优化后进口列车作业流程仿真结果如表16 所示。只触发T12 和T13 的优化后进口列车作业流程仿真结果如表17 所示。

图10 优化后进口列车作业流程Petri 网模型仿真Fig.10 Simulation model of optimized inbound trains process

图11 海关检验子过程Petri 网仿真Fig.11 Customs inspection subprocedure Petri nets model simulation

图12 宽轨空车返回子过程Petri 网仿真Fig.12 Broad gauge empty train Petri nets model simulation

表14 海关检验子过程Petri 网模型时间参数Tab.14 Customs inspection subprocedure Petri nets model simulation parameters

表15 宽轨空车返回子过程Petri 网模型时间参数Tab.15 Broad gauge empty train Petri nets model time parameters

表16 只触发T10 的优化后进口列车作业流程仿真结果Tab.16 Optimized inbound trains Petri nets model simulation results (OnlyT10)

表17 只触发T12 和T13 的优化后进口列车作业流程仿真结果Tab.17 Inbound trains Petri nets model simulation results (OnlyT12 andT13)

3.4 优化前后比较分析

与采取优化措施前的仿真结果进行比较分析，可以得到宽轨列车在站停留时间如表18 所示，准轨列车在站停留时间如表19 所示。

表18 宽轨列车在站停留时间 hTab.18 Broad gauge trains residence time

表19 准轨列车在站停留时间 hTab.19 Standard gauge trains residence time

由表18、表19 可知，信息系统的引入以及串行流程改为并行流程的优化措施可以使车站作业流程得到优化，缩短进口列车作业流程时间，减少列车在站停留时间，提高作业效率。

4 结束语

针对“两地两检”办理换装作业的口岸站进口列车作业流程，通过利用Petri 网模型对口岸站作业流程进行建模及仿真优化，为口岸站作业流程优化提出建议。但是，由于仅考虑作业时间流程因素作为流程优化的主要参数，而未考虑设备能力、工作效率等其他因素，在实际工作中，既有口岸站设施设备、站场布局仍然是口岸站作业能力的制约因素。因此，还应对既有设施设备及站场布局提出改造、扩建方案，以更好地实现口岸站作业流程优化，提升口岸站作业效率。