基于随机Petri网的铁路货运流程优化研究

张小强，胡芳捷，骆 玲

(西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031)

为适应电子商务与现代物流服务的新要求，提升铁路货运的客户满意度，中国铁路总公司开发了基于互联网的货运电子商务平台。该平台于2012年9月开始试运行，实现了全国铁路货运需求网上受理，提升了铁路货运服务水平，同时为客户提供了一个公开、公平服务环境。货运电子商务平台投入运营，标志着中国铁路货运改革迈出重要步伐。

在铁路货运及物流领域，国内有许多专家学者已经开展了大量的工作。在铁路物流方面，文献[1]通过分析我国货运和物流市场，提出铁路发展现代物流的市场定位及措施。文献[2]结合铁路物流企业的实际运作情况，从创新服务理念、创新服务内容、创新服务方式等方面提出铁路物流企业推进一体化物流服务的相应思路。文献[3]通过分析传统铁路货运经营模式对现代物流发展的阻碍，提出基于现代物流服务的铁路货运发展战略和拓展物流增值服务的战略方针。文献[4]借鉴外国铁路发展形式，分析我国铁路发展现代物流的基本趋势，提出相关优化措施。

在铁路货运业务流程方面，文献[5]在分析哈尔滨铁路局货运组织现状及存在问题的基础上，对铁路站段组织机构进行设计优化，并对各部门的具体业务流程进行再造。文献[6]对铁路货场和物流中心的作业流程进行了对比研究。文献[7]在建模分析铁路货运现状的基础上，研究供应链环境下铁路货运业务流程再造方案，并运用ESIA方法对普通货物列车流程、大宗直达货物列车流程和集装箱班列流程进行了优化和改进。文献[8]在分析传统货运业务流程的基础上，分别从货物受理、运到交付、车辆配送以及挂运、物流服务等主要环节，对电子商务环境下的货运业务流程进行分析。文献[9]和文献[10]运用流程再造思想，深化铁路物资管理体制改革，提出了物资集中化办理流程与措施。文献[11-13]分别运用价值链理论、战略装车点和方法研究的思想进行货运流程优化。在铁路货运电子商务方面，文献[14]论述了电子商务对铁路物流的影响，并提出了铁路物流电子商务策略与系统结构。文献[15-17]分析了铁路货运对于电子商务的应用研究，说明了电子商务对铁路发展的重要性。

从上述分析可以看出，对于铁路货运流程的研究都是针对传统货运业务流程，电子商务环境下的铁路货运业务办理模式同传统的货运办理模式有较大的区别。电子商务环境下的货运流程再造应用网络技术增加了企业与客户、企业与企业之间的联系，强化了各主体间的紧密性，其在业务流程上更加强调流程的并行与同步，且电子商务环境下的业务流程不仅要关注企业内部业务流程，还要注意企业与客户、企业与企业间的流程衔接，从而促进业务流程由松散转化为集成，达到企业间互动的高级阶段，充分发挥电子商务的优势。显然，以上研究对电子商务环境下的业务流程缺乏直接指导意义。与此同时，由于电子商务环境下的铁路货运业务开展时间较短，在电子商务方面的前期研究主要集中在研究如何进行电子商务化的货运业务，还没有针对电子商务环境下铁路货运业务流程现状的优化研究。因此，本文以铁路95306货运电子商务平台为背景，在分析当前电子商务环境下货运业务流程的基础上，进行货运业务流程再造，进一步优化电子商务平台下货运业务办理的流程，为电子商务环境下铁路货运业务流程提供优化决策支持。

1 铁路货运业务流程建模与模型分析

流程再造是通过对企业业务流通渠道做根本性的思考和重构，改善企业在成本、质量、服务和进度方面的品质，以使企业更好地适应市场环境的变化[18]。就铁路货运业务流程而言，由于铁路货运生产过程是指将货物从甲地运送到乙地，同时在运送过程中，进行必要的装车站的发送作业、途中作业以及卸车站的到达作业的一系列过程[7]。因此，铁路货运业务流程再造应以铁路货运生产过程的一系列作业活动为基点，跨越不同职能和多个部门，从整体优化的角度综合考虑与分析业务流程，优化货运业务作业过程，提高服务质量，满足客户需求。

1.1 电子商务模式下铁路货运业务流程

电子商务模式下铁路货运业务流程主要包括发送端的需求提报与业务受理、途中运输作业和到达端的到达交付作业。

货物的需求提报及业务受理作业是指货物在发站所进行的各项货运作业。电子商务模式下货运业务发送端办理流程依次经过：客户登录平台，填报订单→车站审核订单→路局审批计划→客户填报请车和运单信息→路局受理日请车→货物交接→装车作业→费用核算和支付→发车，如图1所示。客户无需多次往返营业，只需在铁路货运电子商务平台上进行简单操作即可。货物的途中作业是指货物在运输途中需要进行的各项作业。电子商务模式下的途中作业与传统模式下一致。货物的到达交付作业是指货物在到站所进行的各项货运作业，如图2所示。电子商务模式下的货运到达交付作业主要有货车到站、卸车作业和信息验证与货物交付。

图1 电子商务模式下铁路货运发送端业务办理流程图

图2 电子商务模式下铁路货运到达端业务办理流程图

可以看出，通过电子商务平台实现客户及时获取铁路运输信息资讯，使业务办理过程快捷方便。然而，我国铁路货运电子商务平台运行时间不长，还需在此基础上进一步完善。

1.2 铁路货运业务流程Petri网模型

Petri网是一种运用一定符号描述模型的建模工具，常被用于流程建模。其特点在于适用于多种系统，尤其是离散事件动态系统的图形化、数字化建模工具，它能为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提供强有力的手段[19]。因此，Petri网较符合货运系统的特性(并行、随机等)，能较好地描述货运各流程环节间的衔接和关系。因此本文选用Petri网用于分析业务流程。

在1.1节铁路货运电子商务平台下货运业务流程描述的基础上，运用Petri网理论，对铁路货运业务流程进行层次化建模。首先对整个货运流程的主要环节进行建模，如图3所示，然后对货运与物流需求填报与受理进行细化，建立子过程T1，如图4所示，对到站货物交付与客户接收货物环节细化，建立子过程T9，如图5所示。其中，模型中各变迁与库所含义见表1～表3。

图3 电子商务模式下铁路货运业务流程Petri网模型

图4 铁路货运与物流需求填报及受理子过程T1的Petri网模型

图5 到站货物交付与客户接收货物子过程T9的Petri网模型

库所含义变迁含义P1客户完成注册，准备登录电子商务平台T1客户铁路货运与物流需求填报与受理子过程

续上表

续上表

表2 子过程T1的Petri网模型中库所和变迁含义表

表3 到站货物交付与客户接收货物子过程T9的Petri网模型

1.3 铁路货运业务流程模型分析

Petri网中存在同步、并发、选择和冲突四种结构关系，它们可以通过关联矩阵表示与辨别。四种关系中，“选择”和“并发”关系不影响网与网之间相互关系，进而不影响整个流程效率，而“冲突”和“同步”关系则表现出系统的耦合现象，代表网与网间并行结构的相互影响和制约，影响流程效率。

本文运用基于关联矩阵的重组算法[20]，寻找铁路货运业务流程模型的各子网。通过观察子网间的关系，进而得到子网间的同步与冲突关系表，找出业务流程中的瓶颈环节，即影响业务流程效率的问题所在，为后文流程优化提供依据。经过分析发现，图3～图5中，库所与变迁的同步关系和冲突关系见表4、表5。

表4 模型中的同步关系

表5 模型中的冲突关系

2 电子商务模式下铁路货运业务流程优化

电子商务模式下货运业务流程优化的目标应从铁路货运上级要求、主观条件和其他客观因素来考虑，贯彻“最大限度地便民利民”思想，促进货运业务“门到门”物流服务，在开放的互联网环境下，利用便捷、低成本的电子通信方式，使客户便捷、快速地通过网络完成货运业务。结合上文模型中同步及冲突关系分析结果，利用基于关联矩阵重组优化的合并、删除、差距缩小和保留规则(见表6)对业务流程中的不合理环节进行优化，优化后的Petri网模型与变迁、库所含义分别如图6～图8和表7～表9所示。

表6 关联矩阵重组优化规则[21]

图6 优化后铁路货运业务流程Petri网模型

图8 优化后到站货物交付与客户接收货物子过程T8的Petri网模型

库所含义变迁含义P1客户注册通过，准备登录电子商务系统T1客户铁路货运与物流需求填报与受理子过程P2车站接收到客户货物，完成货物交接T2进行装车作业P3空车到达，等待装车T3核算费用，通知客户支付费用P4客户收到请车结果，待缴费、制票T4客户查看费用，完成费用支付P5装车完毕，待发车T5完成货运制票，发车P6客户收到缴费通知，准备支付费用T6列车和货物到站信息发送至到站和客户

续上表

表8 优化后货运与物流需求填报及受理子过程T1的Petri网模型相应库所和变迁含义

续上表

表9 优化后到站货物交付与客户接收货物子过程T8的Petri网模型相应库所和变迁含义

(1)对图3货运业务流程的优化

优化1：使制票流程与货运流程并行进行，即对P4至P8间流程进行修改，使串联结构改为并联，提高流程效率；优化2：货物发车需客户交清费用，完成制票，即P5与P7同步。子网4所经环节要比子网3多，两者的同步时间取决于子网4的效率。因此需要提高子网4的效率，缩短客户缴费与制票同步距离，进而提高整个网络效率。针对子网4，通过提前通知客户缴费，并开通网上支付方式等措施提高效率；优化3：在T6处向客户发出列车到达预报，提前通知客户准备取货，提高到站办理效率。

(2)对于图4子过程T1流程的优化

优化4：提高系统自动审核订单准确率与效率，删除人工审核订单流程，消除子网1与子网2在s4的冲突；优化5：当日班车安排后，就提前提醒客户支付货运与物流费用，即对c11进行修改；优化6：合并客户送货(自主送货/上门取货)中的步骤，简化流程；优化7：通过实际调研与计算得出货物取送优选途径，解决c13/c14的冲突。

(3)对于图5子过程T9流程的优化

优化8：费用一站式收取，删除m2，以缩短在m3/m4处的同步距离；优化9：通过实际调研与计算得出优选途径，解决z1/z3的冲突。

3 基于随机Petri网的铁路货运业务流程优化效果分析

周期时间是铁路货运运营方和客户共同关注的重要因素。本文引入时间因素，建立电子商务模式下铁路货运业务流程随机Petri网模型，进而利用MC(Markov Chain)的计算方法对业务流程进行性能分析，以验证优化效果。考虑到货运业务流程模型的复杂性，首先运用随机Petri网性能等价公式对模型进行等价化简。

(1)优化前业务流程Petri网性能计算

不同客户的货物运送需求，因发到地、货物类别、货物量等因素影响，导致货运业务装卸、在途等时间不同，故难于计算平均货运办理周期。本文不考虑因货运量、运送里程等因素引起的在途、装卸搬运等时间，并假设其为零。通过对成都八里货运站和龙潭寺货运站实地调研，在电子商务平台上的实际操作，以及参考文献[7，13，22，23]中货运时间参数，对图3～图5优化前货运流程各环节作业时间赋值见表10。

运用随机Petri网性能等价公式，对子过程T1和T9进行等价化简，再将其并入整体流程得到优化前合并后的货运流程Petri网模型图(如图9所示)，其各环节作业时间见表11。根据图9的货运业务流程SPN模型，得出如图10所示的马尔可夫过程。其中弧旁边的参数为对应的变迁实施速率，标志及标志所包含的库所见表12。

表10 优化前货运流程各环节作业时间

图9 优化前货运流程SPN模型图

变迁min速率1/min变迁min速率1/minc116λ10 063T520λ80 05c2801λ20 001T630λ90 033c3270λ30 004T7T8280λ100 004c4120λ40 008m1150λ110 007T2150λ50 007m230λ120 033T315λ60 067m3m445λ130 022T420λ70 05T102λ140 5

图10 优化前货运流程SPN模型的MC

标识M0M1M2M3M4M5M6M7M8M9M10M11M12M13M14库所P1s2/s3s3/s11/P3s2/s5s5/s11/P3P2/P3P4P5/P6P5/P7P8P9P11z1/z2z1/z3P12

优化前货运流程Petri网模型的MC转移速率矩阵为Q。矩阵Q的元素qij为从状态Mi转移到状态Mj的所有转移概率之和，如果两个状态之间不存在变迁，则qij=0(i≠j)，而qii由∑jqij=0决定。设MC中的稳定状态概率为行向量X=(x1，x2，…，x14)，根据公式

计算可得各个状态的稳定概率为：

标志M0M1M2M3M4M5M6M7M8M9M10M11M12M13M14Pi0 0090 0560 0080 3800 1460 0810 0080 0110 0110 0170 1510 0810 0160 0240 001

P[M(s2)=1]+…+P[M(P12)=1]=1.879

(2)优化后业务流程Petri网性能计算

P[M(s2)=1]+…+P[M(P12)=1]=2.327 1

4 结束语

通过优化后的结果来看，优化后平均延时时间比优化前缩小122.416 min，即比优化前货运办理周期减少7.032%。可见，优化后明显缩短了流程的执行时间。从流程结构来看，优化后业务流程时间的缩短主要原因在于使制票流程与货运流程并行进行，开通网上支付、提前通知客户准备取货、删除人工单证审核流程、全程货运费用一站式收取等方面。因此，可通过这些措施进一步改进电子商务模式下铁路货运业务流程，以提高铁路的服务水平和市场竞争能力。

铁路货运电子商务标志着铁路货运进入了一个新的发展阶段，电子商务的应用将进一步提升铁路货运服务的水平和能力，提高铁路的货运竞争力。电子商务模式下的铁路货运业务流程还不够完善，通过实际应用和理论研究，逐步改进货运电子商务的业务流程是未来铁路货运研究的一个重要内容。

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