基于隨機Petri網的鐵路貨運整車卸車流程優化

張云逸，劉文歌，張智海，石 可，胡曉騫，喜照軒

（1.大連交通大學 經濟管理學院，遼寧 大連 116028；2.中國鐵路沈陽局集團有限公司 貨運服務中心，遼寧 沈陽 110801；3.中國鐵路沈陽局集團有限公司 調度所，遼寧 沈陽 110001；4.沈陽鐵道物流集團有限公司 沈陽分公司，遼寧 沈陽 110002）

0 引言

新冠疫情期間，旅客出行需求減少，由此導致全國鐵路客運量斷崖式下跌，鐵路客運收入不斷降低。與此同時，公路運輸受到疫情沖擊，喪失了部分市場。面對瞬息萬變的市場形勢，國鐵集團加大“以貨補客”的力度，鐵路貨運得到快速發展。2021年全國鐵路貨運發送量為47.7億t，比2020年增加了2.2億t，增長了4.9%；國家鐵路貨運收入4 359億元，同比增長8.4%；國家鐵路日均裝車16.8萬車，同比增長4.4%[1]。

在鐵路貨運量快速增長的同時，鐵路總公司對鐵路貨運組織效率的提高提出了更高的要求。2018年在北京召開的中國鐵路總公司工作會議上，公司黨組提出：鐵路要自覺承擔起“交通強國，鐵路先行”的歷史使命、堅持深化“強基達標、提質增效”的工作主題。長期以來，作業流程的不斷優化提高了鐵路貨物運輸組織的效率[2]，卸車作業是排空車和裝車的基礎，自然成為了鐵路貨運作業流程的關鍵節點。能否正確、迅速且及時地組織卸車作業，是保證貨物運輸質量、確保裝車車源、完成排空任務以及加速貨車周轉、提高貨車使用效率的關鍵所在。

本文基于隨機Petri網理論對鐵路貨運整車卸車流程進行分析，深入探討現行鐵路貨運整車卸車流程存在的問題，并提出優化原則與優化措施，旨在提高鐵路貨物運輸組織效率，為持續深入的鐵路貨運改革提供參考。

1 鐵路貨運整車卸車流程診斷分析

1.1 鐵路貨運整車卸車流程基本內容

現行的鐵路貨運整車卸車流程[3]大致包括8個子流程，具體為：（1）卸車計劃：貨運調度員操作貨運站系統，在系統內執行卸車計劃后，指派貨運員和裝卸班組出場進行卸車作業，并將送車計劃、卸車計劃及其他相關信息傳遞給現場。（2）接車對位：調車組牽車入場，外勤貨運員接車對位，核對貨運站系統內車輛信息與現車情況是否一致，安裝鐵鞋、確認防溜措施良好后確認交接。（3）安設防護信號：按規定在貨物線兩端來車方向左側鋼軌上設置帶脫軌器的固定或移動式防護信號（盡頭線路只在來車一端防護），安設完畢后填記《裝卸防護信號使用登記簿》。（4）卸車前檢查：貨運員檢查運單記載信息與現車狀況、貨運調度員下達的卸車計劃是否相符合。檢查車輛、貨物裝載狀態有無異狀，貨物施封是否完好。如有異常應按規章處理后再進行卸車。（5）卸車：企業裝卸班組按照《鐵路貨物裝卸安全技術規則》有關規定進行卸車作業，卸車過程中要求裝卸班組合理使用貨位，按規定碼放貨物。（6）卸車后檢查：裝卸班組卸車后，由外勤貨運員進行卸車后檢查。主要包括檢查貨物件數、堆碼及防護措施；檢查車體是否損壞、車內貨物是否卸凈等情況。（7）撤除防護信號：外勤貨運員確認無誤后撤除防護信號，準備放車出場。（8）放車出場：貨運調度員聯系調車組，將空車牽出作業場所。

1.2 基于隨機Petri網的鐵路貨運整車卸車流程分析

1.2.1 模型構建。隨機Petri網是一種運用一定符號描述模型的建模工具，常被用于流程建模。其特點在于適用于多種系統，尤其是離散事件動態系統的圖形化、數字化建模，能為描述和研究具有并行、異步和隨機性等特征的信息加工系統提供強有力的手段。隨機Petri網作為一種高級Petri網，符合鐵路貨運系統的特性并能較好地描述貨運各流程環節間的銜接和關系。因此，本文選用隨機Petri網對鐵路貨運整車到達流程進行建模分析。

在基本Petri網[4]中關聯時間概念，即可建立隨機Petri網模型，即：

其中P、T、F、K、W的含義與基本Petri網保持一致；M=｛M0，M1，Mi…，Mn｝為標識狀態集合，其中0≤i≤n，Mi為資源標識在各庫所中的分布情況，M0表示初始狀態下資源標識分布情況；τ =｛τ1,τ2，…，τn｝為變遷集T=｛T1,T2，…，Tn｝的延時集合（即變遷所消耗的時間）；λ={λ1，λ2，…，λn}為T=｛T1，T2，…，Tn｝的平均運行速率集合，λi為在可運行條件下單位時間內的運行次數，即λi=1/τi（1≤i≤n）。

在前文有關鐵路貨運整車到達流程描述的基礎上，建立鐵路貨運整車卸車流程隨機Petri網模型，如圖1所示，庫所和變遷的含義見表1；根據可達樹分析得到不同狀態下資源標識分布情況見表2；通過跟蹤沈大線上某貨運作業站的敞車卸車作業，收集多批次作業數據并加以整理，最終對既有整車到達流程各環節作業平均延時賦值見表3，速率賦值見表4。

表1 既有隨機Petri網模型庫所及變遷含義

表2 既有隨機Petri網標識狀態及庫所分布

表3 既有隨機Petri網各變遷延時（單位：min）

表4 既有隨機Petri網各變遷速率

圖1 既有整車卸車流程隨機Petri網模型

1.2.2 系統性能分析。采用馬爾可夫方法對實際運輸作業流程系統的運行效率、節點的吞吐與響應能力進行分析，量化系統各個環節的狀態及其穩定性，進而尋找優化方案。首先根據隨機Petri網模型，構造與其可達樹[5]同構的馬爾可夫鏈，如圖2所示。

圖2 既有可達樹同構馬爾可夫鏈

定義既有整車卸車馬爾可夫鏈[6]的轉移速率矩陣為V，矩陣V的元素vij為狀態Mi轉移到狀態Mj的所有轉移概率之和，如果兩個狀態之間不存在變遷，則vij=0（i≠j），而vii則由∑jvij=0判定。設馬爾可夫鏈中的穩定狀態概率P[Mi]為行向量X=(x0，x1，...，xi），求式（2）可得各狀態下的穩態概率值。

帶入參數構建穩態概率方程為：

求解穩態概率方程，得到各狀態下的穩態概率，見表5。

對于任意可達標識的位置si∈S，設P[M(si)=q]為庫所位置si處于其所表示狀態的概率（q為標記數），定義-ui為穩態下位置si在任意的可達標記中的平均標記數，則有：

用q=1 代表庫所處于工作狀態，則既有整車卸車隨機Petri 網系統中庫所的平均托肯數

定義R(ti,si)為單位時間內流入ti的后置位置si內的平均標記數，即：

既有整車卸車隨機Petri網系統中流入的平均標記流速λ=R(T1,P2)=U(t1)×λ1=4.61×10-3。

根據系統出入速率相等原理，既有整車卸車隨機Petri網系統的平均延時時間N=/λ=414.92min。

以上結果表明：既有整車卸車隨機Petri網系統的平均延時時間較長，各節點的吞吐與響應能力不理想，系統整體運行效率有待提高。

1.3 既有鐵路貨運整車卸車流程診斷

（1）流程繁瑣。通過對既有整車卸車隨機Petri網的分析發現該流程主要以串行結構為主，并行結構較少。各環節需要依次進行，前一個變遷發生后，后續環節才可以進行，極易造成庫所擁堵。具體表現在：現場卸車作業時裝車前與裝車后檢查環節的作業項點太多[7]，在現場作業能力緊張時很難高質量地完成特定變遷。

（2）智能化水平低。目前鐵路貨運整車卸車作業中智能化、自動化物流設備使用率低，部分環節依然依靠人工，造成系統整體運行效率低下。例如，在卸車作業時，要求外勤貨運員嚴格落實卸車前后檢查工作，現場人員需要爬車進行檢查。由于此環節依靠人工完成，因此效率極其低下，尤其是在臨近牽出貨車時，現場人員往往無法兼顧所有檢查科目，造成安全隱患。

（3）信息傳遞不暢。鐵路貨運卸車作業流程中各節點之間信息傳遞不暢，存在著信息失真等問題。例如，卸車信息的傳遞主要依靠現場貨運員手抄、拍照后傳遞給其他作業節點，由于抄記錯誤導致返工的情況時有發生；在現場作業的同時，貨運調度員需要時刻與現場貨運員通過外部通信設備保持聯絡，在貨運站系統中錄入現場的相關信息并進行一系列操作。目前信息主要通過外部設備采集、傳遞，市場出現信息填記錯誤的情況。

（4）作業標準化有待加強。標準化的組織與管理可以有效控制鐵路貨運作業質量。在新條件、新形勢下，與卸車作業相關的某些貨運規章、技術標準亟待更新，某些作業站的作業細則亟待完善。同時，鐵路貨運各主體對各項作業標準的執行和管理力度不夠，出現問題時責任劃分不清，制約了作業標準化的推進[8]。

2 鐵路貨運整車卸車流程優化分析

2.1 優化原則

（1）提質增效。鐵路貨運作業流程優化是提高鐵路貨物運輸組織效率、深化鐵路貨運改革的重要舉措。當前在構建新發展格局，暢通國內經濟大循環、促進國內國際雙循環的背景下，迫切需要鐵路貨運作業流程“提質增效”。所謂提質增效就是要提高質量、增加效率，在對鐵路貨運整車卸車作業流程進行優化時，不能只浮于表面、局限于宏觀。要深入研究流程中各節點、各細分環節的作業質量與作業效率，注重梳理節點間的邏輯關系與結構，找到流程中的死鎖，通過改變結構等方式對擁堵的節點進行疏通，提高關鍵環節的作業質量，降低其錯誤率和返工率，最終使整個流程“提質增效”。

（2）協調有序。系統論認為：系統是由相互作用、相互依賴的若干組成部分結合而成的、具有特定功能的有機整體，且該有機整體亦是其所從屬的更大系統的組成部分。從系統論的角度出發，鐵路貨運整車卸車流程就是由節點、邏輯、設備、信息等若干部分組成的一個多維有機系統。對其進行優化的目的是提高系統有序性，使該系統實現“協調有序”。因此，在對其進行優化時，要對各節點、各環節的組成與功能進行深入分析，使系統中各環節和各細分模塊高效率地服務系統。在找到沖突或擁堵后，制定改進措施予以消解，同時要評估改進后是否會產生新的沖突和擁堵，并對其加以控制，使系統整體協調有序。

2.2 基于隨機Petri網的鐵路貨運整車卸車流程優化

2.2.1 優化措施。針對現行卸車流程存在的問題，可以采取以下優化措施：

（1）提高智能化水平?？紤]自主研發或外部引入“智能貨檢系統”輔助人工進行作業，縮短現場貨檢作業時間，提高檢查效率?！爸悄茇洐z系統”依靠高精度相機等設備輸出高精度圖像，并通過AI實現自動識別預檢、自動識別車廂信息、檢查車廂異常狀態等功能。發現常見的敞車車門開啟、敞車插銷未落槽、車幫殘留、門搭扣未落位等問題后及時發出預警，由現場人員進行人工處理。卸車前由該系統對車體以及所裝貨物進行智能檢查，卸車后也由該系統對車體進行檢查，同時由現場人員對所卸貨物進行檢查。

（2）加強內部信息集成。為現場貨運員配備內部手持設備或開發內部APP，與“智能貨檢系統”及“貨運站”系統相連。貨運員進行出場作業前，自動傳遞卸車計劃等信息，現場人員到場后對現場情況進行核對并確認，如有異常，錄入相關信息后自動傳遞至貨運站系統等其他作業節點。調度員只需在系統內確認即可，不必再通過電話隨時聯絡現場，提高了內部信息集成能力。

（3）加強現場作業質量監控。為貨運員或裝卸人員配備小型記錄儀，對卸車作業進行全程監控。發生問題時，用其記錄的影像資料作為責任劃分的依據。管理人員也可以用其來指導現場人員，提高標準化作業水平的同時，通過定期總結、數據分析等完善相關規章。

2.2.2 模型構建。將原有Petri網模型中的T5、T6合并為新的變遷，T8、T9合并為新的變遷；減少模型中的串行結構，增加同步與并行結構。優化后的整車卸車Petri網模型如圖3所示，庫所和變遷的含義見表6，根據可達樹分析得到不同狀態下的資源標識分布情況，見表7。

表6 優化后隨機Petri網模型庫所及變遷含義

表7 優化后隨機Petri網標識狀態及庫所分布

圖3 優化后整車卸車隨機Petri網模型

由于各項優化措施的實施，各變遷的作業延時有所改變。優化后的整車到達流程各環節作業平均延時賦值見表8，速率賦值見表9。

表8 優化后隨機Petri網各變遷延時（單位：min）

表9 優化后隨機Petri網各變遷速率

2.2.3 系統性能分析。采用馬爾可夫方法對優化后運輸作業流程系統的運行效率、節點的吞吐與響應能力進行分析、量化系統各個環節的狀態及其穩定性，評估優化效果。根據優化后整車卸車隨機Petri網模型，構造與其可達樹同構的馬爾可夫鏈，如圖4所示。

圖4 優化后可達樹同構馬爾可夫鏈

根據優化后整車卸車馬爾可夫鏈網轉移矩陣，采用前文介紹的方法得到優化后卸車馬爾可夫鏈的穩態概率方程為：

求解穩態概率方程，得到各狀態下的穩態概率，見表10。

表10 優化后各狀態下穩態概率值

3 結語

本文基于隨機Petri網理論，對鐵路貨運整車卸車流程進行優化研究。對現行鐵路貨運整車卸車流程進行診斷分析，通過模型構建和系統性能分析，發現現有流程存在著流程繁瑣、智能化水平低、信息傳遞不暢以及作業標準有待加強等問題。在此基礎上，對鐵路貨運整車卸車流程進行優化分析，從優化后的結果來看，優化后整車卸車隨機Petri網系統的響應時間與吞吐能力均有所提高，系統的平均延時由優化前的414.92min變化為優化后的378.83min，縮短了36.09min，降低了8.70%。研究結果表明：卸車流程優化措施是有效的，優化后的卸車流程效率得到了大大提升。未來的研究方向是：在卸車流程優化的基礎上進一步針對內交付辦理、外交付辦理等整車到達作業的其他子流程進行優化研究，從而進一步提高我國鐵路貨物運輸整體組織效率，為持續推進中的鐵路貨運改革和我國鐵路貨運的發展起到積極的推進作用。