废旧智能手机回收再利用业务流程仿真与优化

2021-03-09钱思源杨善林

计算机工程与应用 2021年5期

倪明，钱思源，杨善林

1.南京财经大学营销与物流管理学院，南京210023

2.合肥工业大学管理学院，合肥230009

近年来，我国智能手机市场不断发展，产品更新换代速度加快、生命周期缩短[1]，废旧产品数量激增，构建高效的回收再利用业务流程，不仅是顺应“污染防治”的政策号召，更能促进循环经济发展。目前，针对废旧智能手机回收再利用业务流程优化的研究虽然较少，但自Hammer[2]提出流程再造理论，并衍生出流程优化概念后，立即引起国内外学者的关注。流程优化研究对象主要分为：

（1）单组织的业务流程优化。Holmström等[3]指出组织应关注核心业务流程，通过综合信息系统识别和重新设计了产品销售业务的流程，提高了营销绩效。李春澜等[4]受此理念影响，研究物流中心的核心配送业务并找出关键路线，细分各操作环节并对操作时序进行了改进。赵济东[5]和张武[6]同样在此理念指导下对煤炭产业的运销业务和供应链企业的采购业务进行基于信息化的流程优化，简化了操作并提高了工作效率。Srinivasan等[7]则认为生产流程优化最能为企业带来效益，使用定义-测量-分析-改进-控制方法，提升产品客户端质量。杨玮等[8-9]也意识到客户满意度的重要性，分别使用UML结合多色集合和Flexsim对不同物流企业的核心业务流程进行建模及结构优化，提高了流程执行效率。Pawlak等[10]认为产品要达到客户的完美要求，其生产流程必须能以迭代的方式不断改进，对三类数学规划模型进行GOCCS评估，以找到最优工艺参数，从而优化生产流程。靳璐璐等[11]同样认为不断优化的生产流程才能持续创新客户价值，构建了企业信息化赋能-员工行为变化-流程结构重构的动态循环，达到了生产流程优化的目的。

（2）跨组织的业务流程优化。Christy等[12]建立了供应商与采购商博弈模型，对供应链流程进行优化以保障和维护供需关系。Bevilacqua等[13]在Christy基础上，采用实体-关系模型和作业成本法定义、分析供应链现状，建立信息化产品追溯管理系统，同时优化了多个阶段业务流程。徐新卫等[14]则认为找出供应链中的关键流程进行优化最为有效，建立ABCM-CPM-Petri模型，减少了销售、配送业务中各组织间的衔接耗时。Budiono等[15]以销售和仓储为企业关键业务流程进行优化，使服务效率和产品可用性同时得到提高。李景峰等[16]与找关键业务的思路不同，将供应链思维运用到新型煤炭超市产业，构建Petri网模型逐层分析并优化业务流程。王雯等[17]则认为连续性制造企业内部供应链更应得到重视，采用SCOR建模框架，优化了包含多阶段业务的供应链性能。张小强等[18]与王雯不同，指出应注意企业与客户及企业间的流程外部衔接，构建了电商环境下的petri网模型，提升了组织间紧密性及流程效率。陈霞等[19]受到张小强的启发，通过搭建物流信息平台、调整流程结构，优化了涵盖多个组织及企业的进口物流业务流程。Alrabiah等[20]在构建信息平台的基础上，引入外部监管时间约束，采用HCMS框架使各组织合作效率提升。

综上，国内外学者较多以生产、营销、采购、仓储、配送等阶段业务流程为研究对象进行优化，较少针对回收再利用环节的业务流程优化问题进行研究。同时，大多数文献在优化流程时考虑到的组织不多，极少能覆盖到产品全生命周期中所有相关企业及组织。因此，以时下引起各界高度关注的废旧智能手机为对象，从全生命周期角度对其回收再利用业务流程进行描述与建模，并在分析仿真结果的基础上提出相关优化建议。

1 废旧智能手机回收再利用业务流程Petri网建模

自2017年生产者责任延伸制度推行以来，生产者对其产品承担从生产环节到废物处置等全生命周期的资源环境责任。因此，构建高效、高收益的废旧智能手机回收再利用业务流程，对完善废弃电器电子产品回收处理制度和绿色循环低碳发展有极大的促进作用。

1.1 业务流程描述

为了贯彻实施生产者责任延伸制度，已经有一部分手机生产商结合全生命周期理论，积极探索使智能手机的整个生命周期呈现开放的闭环结构。智能手机的全生命周期共有设计阶段、生产阶段、销售阶段、消费阶段、回收再利用阶段五个阶段。因此，回收再利用阶段的决策与运作对其他四个阶段会产生影响，同时，其他的四个阶段也在一定程度上影响着回收再利用流程的运作成效，见图1。

图1 废旧智能手机回收再利用流程图

在图1中，每一阶段活动结束后过渡到下一阶段，而每一阶段的实施结果将产生反馈信息对其他阶段决策产生影响。各阶段活动推进过程中，内部记录行为数据，同时外部接口交互有用信息，涉及的各企业与各部门高效协同，智能手机整个生命周期形成一个开放的闭环结构。其主要流程有：

（1）设计阶段。智能手机生产商产品设计部门整合销售阶段提供的市场调研数据、销售分析报告、消费阶段的用户反馈分析及回收再利用阶段拆解、修理废旧智能手机时的检测报告、原材料使用反馈等信息，与设计战略合作企业共同对市场需求进行研究与预测。细节设计包含产品尺寸、颜色、外壳材质等外观选择，制造设计包含元器件设计、电路设计、装配方式等。在满足市场功能需求的基础上，提高不同机型产品及新旧产品之间的兼容性，可以简化回收再利用阶段的拆卸步骤和零部件的可再用率；尽量选用绿色原材料可提高原材料再循环率并减轻废弃物处理压力。设计完成后给少数消费者试用样机，并根据消费者的测试反馈信息，设计人员再次讨论修改手机的外观、结构、功能等缺陷。该阶段内参与的主体主要有：生产商设计部门、设计战略合作企业、销售企业、消费者、回收处理中心等。

（2）生产阶段。手机生产商生产部门将设计信息处理成具体可行的生产数据，使新产品的概念设计思路变成可能，其生产工艺水平直接限制了产品问世的可能性。生产部门以需求分析报告和回收再利用阶段的反馈报告为制造目标，采用模块化生产方式提高拆解效率及可用零部件的利用率。产品实体构造包括制造工程数据调整、元器件选型、硬件匹配测试、电路测试、面向回收的装配方式、生产工艺创新等，同时与设计部门讨论调整方案。产品测试合格之后投入生产线，并由生产部门相关专业人员进行产品跟踪。该阶段内参与的主体主要有：原材料供应商、生产商设计部门、生产部门、回收处理中心等。

（3）销售阶段与消费阶段。销售阶段的市场调研活动、销售市场分析报告以及消费阶段的用户反馈分析报告向设计阶段提供市场信息与消费者需求信息，可优化产品设计，提高消费者满意度；同时，在营销方案制定与消费引导、消费跟踪环节需考虑回收因素，通过增大回收宣传力度、制定适当的回收奖励方案、提高旧机剩余价值评估效率等方式，对刺激消费者回收需求产生正面影响。两阶段参与的主体主要有：生产商营销部门、合作零售商、合作物流企业、消费者等。

（4）回收再利用阶段。消费者产生回收需求后，可通过本手机品牌生产商自建网点或与其他生产商、分销点的合作网点回收废旧智能手机。回收处理中心从联合回收网点处获取废旧手机资源，在对废旧手机进行检测、修理、再循环与再制造的过程中，对硬件的可持续利用性、回收时整机损耗程度、整机拆解难易度、零部件损耗程度、零部件再利用率、原材料可循环利用率、固体废弃物环境影响程度等信息进行记录，并反馈给设计部门及生产部门。该阶段参与的主体主要有：回收处理中心、合作回收网点、生产商设计部门、生产商生产部门、消费者、原材料供应商等。

1.2 基本假设

本文基于产品全生命周期理论，对废旧智能手机回收再利用业务流程展开研究，下面是基本假设：

（1）为了明确智能手机在生命周期各个阶段所呈现的具体状态，假设智能手机都拥有唯一标识。

（2）为了更加符合实际，假设整个废旧智能手机的回收再利用过程符合2011年国务院颁布的《废弃电器电子产品回收处理管理条例》。

（3）由于流程模型对信息化要求较高，为了提高仿真结果的可信度，本文假设智能手机生命周期各阶段衔接节点较顺畅，且各阶段均有外部数据接口，并能实时记录内部活动行为。在实践中，已经有一些企业的信息化建设能够达到这一要求。

（4）在Petri网模型中，变迁输入库所大于等于相应权值，若权值为1，网中的库所只要托肯数不为0即可。变迁引发后，输出库所中的托肯数必须不大于容量，若超出其容量，变迁无法被引发。

1.3 模型构建

实际的废旧智能手机回收再利用业务流程非常复杂，从消费者产生回收需求到废旧智能手机被修复、再循环或再制造，包含着大量的物流、信息流和资金流，环节繁杂且不利于分析。Petri网是一种运用符号描述模型的建模工具，它能描述和研究具有并行、异步和随机性等特征的信息加工系统，常被用于流程建模，能够很好地将流程简化。其图形模型通常由表示状态的库所（Place）、表示变化的变迁（Transition）和托肯（Token）三种元素构成，托肯的变迁能够恰当地表示系统中对象的变化，托肯在库所的位置能够准确表示系统运作时的各个状态。因此，采用Petri网对废旧智能手机回收再利用流程建模，研究并完善流程中各元素之间的结构及逻辑关系。

根据图1所示的废旧智能手机回收再利用业务流程图，使用Petri网对其进行建模，模型见图2。

在图2中，模型中圆圈表示库所，描述流程的其中一个状态；方框表示变迁，刻画任务完成的过程。在Petri网描述的废旧智能手机回收再利用流程中，库所中的托肯在两个位置间转移表示一个业务活动操作的开始到完成。因此图2中，托肯从位置P1移动到位置P5、P14、P17，刻画了整个业务流程从开始到结束的过程。

图2 废旧智能手机回收再利用流程Petri网模型

在图2中，Petri网模型中各库所与变迁的含义，见表1。

表1 库所与变迁含义

1.4 模型性能分析

在建立废旧手机回收再利用流程Petri网模型后，对模型进行数学分析。Petri网建模的优势在于可以利用Petri网的分析方法对模型的行为特性进行分析，一方面能够反映系统的特性，另一方面可以在系统的设计过程中发现潜在的问题保证系统能够正确实现。Petri网的行为特性包括活性、有界性、可达性等。

活性检查所有变迁是否都被执行，有界性检查一个库所中是否积聚无穷个托肯，可达性决定某个标识（状态）是否可以到达另一标识（状态）。库所不变量（S不变量）表示模型中某个库所中所包含的托肯数是加权守恒的，当模拟系统中任务执行时，库所不变量能构成一个任务执行的路径。通过关联矩阵求解S不变量判断Petri网模型是否满足活性、有界性、可达性。

利用上述定义对图2全生命周期视角下废旧智能手机回收再利用业务流程建立关联矩阵为：

解得S_不变量为：

在上述线性方程组的正整数解中，分量是1表示有托肯在该库所中流动，分量是0表示没有托肯在该库所中流动，托肯怎样经过库所形成轨迹是确定的，是由AX=0自由变量的个数决定的，将S_不变量的正整数解转化为下列形式：

由上述4个S_不变量可知，模型中的潜在路线如下：

根据Petri网性质的定义，判断出图2废旧智能手机回收再利用业务部分生命周期流程模型具有活性、有界性、可达性。

2 废旧智能手机回收再利用业务流程模型仿真和分析

2.1 模型仿真

在查找相关资料及文献后，得到较为合理的参数值。假设回收流程中存在500件废旧智能手机，同时实际的流程中，各环节作业时间不确定，因此假设变迁时间为随机变量，且服从均匀分布，见表2。

基于建立的Petri网模型展开仿真分析，结合上述结果完成模拟操作，继而推出以流程工作时间为核心参数的仿真结果，见表3。

表2 引入随机性后的各变迁作业赋时

表3 流程工作时间仿真结果

同理以废旧智能手机回收再利用率为参数，考虑随机过程消耗，假设废旧智能手机初始回收量为500件，得到仿真结果，见表4。

表4 回收再利用率仿真结果

2.2 仿真结果分析

通过表3、表4可得仿真结果，分析如下：

（1）废旧智能手机回收再利用业务流程中有500件废旧智能手机，流程平均工作时间大概为143 h，约18个工作日，效率较高；方差较低大概为9，代表整个流程中只存在较少的不确定因素，具有可行性；流程的回收再利用率为79%左右，是一个较高的回收再利用水平。

（2）废旧智能手机回收再利用业务流程中，关键路径是各环节作业总时间最长的路径，它对整个流程的平均工作时间有最直接、最大的影响，关键路径为：P1,T1,P2,T2,P6,T5,P7,T6,P8,T7,P15,T12,P16,T13,P17。如果提高该路径的工作效率，将会对整个业务流程的效率有大幅度的改善。Petri网建模的优势在于可以发现流程中存在的冲突关系，从而找到流程中的瓶颈环节，为进一步利用关联矩阵重组优化规则对业务流程优化提供基础。

（3）废旧智能手机回收再利用业务流程中，流程的主要工作集中于处理环节的活动上。废旧智能手机经过回收活动到回收处理中心后，进行检测分类，并根据损耗程度进行修理和拆解，每一个环节开始前都会先获取外部信息，过程中都会记录内部行为数据，结束后都会向外部提供信息报告。此时的回收再利用阶段与其他4个阶段都有充分的信息交流，形成一个四通八达的信息网络，各参与主体间的信息共享和信息交互也处于一个较高的水平。

（4）废旧智能手机回收再利用业务流程中，流程整体运行效率较高，各环节衔接时间较少，回收再利用率较高，说明资源得到了较好的统筹配置，有利于回收再利用业务流程相关企业的可持续发展。Petri网模型体现了每一个业务环节的关系和完成时间，不论是通过结构重组减少冗余环节，还是由于生产、信息等技术的革新减少衔接时间，都能够直观地立即反应在模型和仿真结果当中，具有良好的反馈能力。

2.3 业务流程优化分析

上文仿真结果可见，从全生命周期角度来构建废旧智能手机回收再利用业务流程已初见成效。该流程将智能手机设计、生产、销售、消费、回收再利用五个阶段有机地结合起来，形成一个开放的闭环结构，其平均工作时间、回收再利用效率、各组织间信息共享程度都已达到一定的水平。为了进一步完善和普及从全生命周期角度构建的业务流程，对相关企业有以下建议：

（1）重视消费者在流程中的作用，提高消费者参与回收积极性。消费跟踪是从全生命周期角度构建废旧智能手机回收再利用业务流程的特有环节，该活动从消费者购买行为发生开始，直到回收行为发生结束。在此过程中，各阶段涉及的企业及组织重视消费者的反馈，产品更加符合消费者的喜好，且让消费者感受到自己在产品的整个生命周期起着十分重要的作用，将会延长智能手机的生命周期，也会激励消费者主动承担回收再利用废旧智能手机的社会责任，从源头上促进废旧智能手机回收再利用业务流程的发展。目前，消费者跟踪技术以及生产商投入消费跟踪环节的精力较为有限，尚未发挥最大的作用。2013年9月起，我国开始实行购买手机卡实名制，如果购买智能手机也推行实名制或与手机卡身份绑定，将有利于生产商对用户进行产品使用跟踪，同时能够更加主动地宣传、引导消费者在换机时参与手机回收，提高废旧智能手机回收率。

（2）构建并完善组织间信息交流平台，提升各阶段信息交互效率。各阶段业务信息化是组织间信息交流的基础，只有规范化的业务内容信息数据记录，才能使各阶段的组织取得高效的信息交互。从生命周期角度构建废旧智能手机回收再利用业务流程，要求各阶段信息交流更多、更快、更直接，而目前的业务流程中信息传递成本较高、传递速度仍有提升空间。现行业中亟需建立一个由政府监管、核心企业联合构建的信息平台，流程相关的企业、消费者都能够在平台上查询废旧手机回收再利用的相关信息并参与互动。降低各组织、消费者间的信息不平衡程度，加快信息传递速度，减少信息传递成本和时间成本。

（3）进一步优化业务流程顺序，提高回收再利用业务总体效益。从全生命周期角度构建废旧智能手机回收再利用业务流程，可使流程顺序更加科学，再利用处理环节分类更加细致。想要进一步降低流程的损耗率并提高回收再利用效率，不仅需在拆解、修理、再循环、再制造等环节提高与其他阶段信息交互水平，还需在设计、生产、销售、消费阶段充分考虑回收再利用因素，其益处有：如，绿色设计、绿色生产可提升再利用环节操作及流程顺序的科学性及效率，销售及消费阶段的宣传和引导可提高消费者回收积极性等。同时，要加快物流标准化的建设，以及再利用技术的研发创新。