基于时间竞争成本的长江航道维护船艇备件物料供应保障分析

温　泉

(长江航道规划设计研究院，武汉 430011)

基于时间竞争成本的长江航道维护船艇备件物料供应保障分析

温泉

(长江航道规划设计研究院，武汉 430011)

摘要：通过对航道维护船艇现行备件物料供应保障体系进行调研分析，发现多数供应保障优化研究成果局限于成本费用最佳而忽视备件物料需求时效性的问题，提出将航道维护疏浚任务等级进行划分，建立时间竞争成本模型，引入排队论中强占优先权法对不同任务等级供应保障时间成本进行优化，通过算例找出各环节服务机构的最佳配置。

关键词：航道维护船艇；时间成本；供应保障；排队论；强占优先权

长江“黄金水道”是国内重要的内河水运通道，2004年起长江干线货运量已连续10年保持10%以上的年增长，2014年突破20.06亿t，超越莱茵河与密西西比河成为世界运量最为繁忙的河流，如图1所示。

图1　2004～2014年长江干线航道货运量

为了更好的依托“黄金水道”打造长江沿岸新经济带，国家加大了对长江沿线航道整治工作，力求促进沿海与中西部地区经济命脉互通互联，构建相互支持相互促进的新格局[1-2]。

为了确保长江航道的安全畅通，常态化的航道维护工作变得愈发重要。2003年三峡大坝全面蓄水发电后，长江中下游河段水位变化较大，枯水期内碍航、出浅河段增多导致航道维护任务加重，同时航道内行船安全事故也屡有发生，严重影响“黄金水道”正常通航需要。面对突发事件与应急疏浚等时效性较强的任务时，及时准确做好航道维护船艇备件物料供应保障工作是确保维护任务顺利进行的重要基础。

1备件物料现行供应保障体系

截至2014年底，长江航道局所属各航道维护单位下辖各类型维护船艇共计366艘(不含泵船)，面对繁杂的常态化维护与应急抢险任务需求，满足各类型船艇备件物料供应保障需求变得至关重要。

目前，备件物料供应保障工作主要以航道维护船艇为主体，依据各自月度、季度和年度需求计划向上级航道处进行申领，待审批合格后由航道处制定采购申请计划报各所属区域航道局审批，继而由航道局统一审批汇总后委托下属备件物料采购公司代为进行采购，如图2所示。

航道维护船艇现行采购方式主要由区域航道局集中采购与施工项目自行采购两大类构成。集中采购主要承担大量常用、通用与进口备件物料的采购，而自行采购主要根据项目临时需求弥补集中采购无法及时满足、需求量较小的备件物料采购工作。此外，船用备件物料拥有单值高、采购批量小、种类繁多且进口备件采购周期长等特点，在自行采购模式下虽易满足项目施工时效性需求，但无法获得集中采购模式下价格折扣优势[3-4]。

图2　船用备件物料采购供应保障流程

2优化目标与任务等级划分

2.1时间优化

为保证航道各项维护施工任务的顺利进行，航道维护船艇备件物料供应保障工作务必明确其优化目标。目前，针对备件物料供应保障优化研究成果较多，但多数专注于库存控制策略方面且多以成本费用最优为研究目标，这类研究主要通过采购批量、库存费用等方面优势来降低备件物料的整体费用[5-7]，但面对应急抢险等时效性较强的任务时，其所降低备件物料费用远低于因航道突发公共事件所引起的经济与社会效益损失。

对于生产企业而言，针对时间竞争成本优化的核心内容主要体现在生产环节时间压缩、销售配送环节时间降低以及对客户需求预测制定新的生产计划三方面。简而言之，通过降低各环节占用时间，达到最终降低整体时间耗费提升总体经济效益的目的。对于航道维护船艇备件物料供应保障工作而言，其对时间竞争成本的敏感性要大于一般生产企业。因此，本文从备件物料采购、拣选与配送运输三个环节入手对其耗费时间作为优化目标。

2.2航道维护任务等级划分

长江干线航道枯水期维护疏浚工程是航道整治工作的重点，由于中下游航道碍航河段众多且河床构成、河道形态变化较大，因此对各类型航道维护任务提出了更高的要求。依据长江干线航道维护任务特点，综合考虑普通与应急维护任务特点，通过分析航道维护水深标准、航道通航标准、客货运量、施工任务标准、航道淤积状况以及航道昼夜通航标准等技术指标，对航道维护疏浚任务等级进行划分[8-9]，见表1。

表1　航道维护疏浚任务等级分类

3基于时间竞争成本最优的多级库存控制模型

针对备件物料供应保障体系为研究对象，引入时间竞争成本、维护疏浚任务等级分类的概念，运用排队论理论对不同任务下备件物料供应保障时间竞争成本进行研究。本文基于制造企业-代理商-工程船舶三方构建时间优化模型，不将仅作为申购审核、负责审批汇总的航道处、区域航道局以及生产企业原材料采购生产环节的时间成本纳入模型考虑范畴，如图3所示。

图3　制造企业、代理商、工程船舶时间竞争成本最优库存模型

3.1模型基本条件与参数设定

1) 假设含i家备件物料生产企业，j条航道工程船舶与一家备件物料代理商k。

2) 仅考虑船用备件物料库存管理相关业务活动所涉的时间费用支出，不考虑产品采购成本等与时间无关费用的支出。

3) 假设施工区域内仅有一家备件物料代理k负责供应备件物料，同时工程船舶需求是随机的。此外，假设各层级工程船舶、代理商、生产企业之间的缺货与运输延迟是均匀且随机的。

4) 假设备件物料生产企业对代理商、代理商对工程船舶能够在数量上满足各自所需，采购价格在一段时间内是不变的，且只涉及一种船用备件物料，同层级企业均不存在供需关系[10-11]。

3.2总时间成本模型

(1)

I级订单在代理商订单处理系统中平均逗留时间Ws1a为

(2)

同理可得，Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级订单在代理商处订单处理平均逗留时间分别为Ws2b、Ws3c、Ws4d。

(3)

(4)

(5)

通用备件物料订单在系统中的平均逗留时间Wsik1为

(6)

同理可得，专用备件物料订单在系统中的平均逗留时间Wsik2为

(7)

(8)

所以，联立上式(6)、(7)、(8)可得代理商自订单发出至生产企业将备件物料送达代理商处所耗费的时间总和Tik为：

1)采购通用备件物料所耗费的平均时间Tik1为

(9)

2)采购专用备件物料所耗费的平均时间Tik2为

(10)

图4　代理商配送运输服务系统

图5　代理商拣选备货服务系统

代理商拣选备货平均逗留时间Wskj1为

代理商配送运输服务平均逗留时间Wskj2为：

(12)

所以，工程船舶订单经过3个流程所耗费的平均时间Ttkj为

(13)

依据式(3)～(5)、(9)、(10)、(13)可推导出工程船舶从发出订单需求经过代理商与生产企业到最终获得所需备件物料所耗费的时间。其中包括：采购通用备件物料所耗费的平均时间Tij1、采购专用备件物料所耗费的平均时间Tij2和I级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级订单采购通用和专用备件物料所耗费的时间。针对时间竞争成本模型中所涉服务台数最优值选择问题，分别对多服务台服务环节逗留时间或等待时间分布函数进行求导，依据整数规划求解i、c、d在系统平衡状态下的正整数值，用枚举法可知三值分别是：15、2、3。

4算例

假设所有订单到达速率为60份/月，其中Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级订单各占40%、30%、20%、10%。代理商与生产企业订单处理平均服务速率都服从负指数分布且为120份/月，处理一份订单的固定成本为gc1=1 500元，变动成本记为bc1=150元。生产企业拣选配货平均服务速率分别为120份/月，配送运输平均服务时间为1/30月，由于将其过程看作一个串联单服务台模型，其拣选加配送一份订单的固定成本为gc2=1 500元，变动成本为bc2=150元。代理商拣选平均服务速率与生产企业相同，配送运输往返一次平均耗费时间为1/10月，其拣选与运输一份订单的固定成本分别为gc3=1 500元和gc4=1 500元，变动成本分别为bc3=150元和bc4=150元。此外，假设每份订单单位时间的等待成本记作Vbw=10万元。

采购通用与专用备件物料的平均时间成本分别为记作TC通用和TC专用：

TC通用=gc1(1+i)+gc2+gc3·c+gc4·d+

(14)

TC专用=2gc1+gc2+gc3·c+gc4·d+

(15)

由式(14)、(15)可分别采购通用与专用备件物料时，备件物料订单的平均供应保障时间、Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级订单条件下平均供应保障时间以及需求订单供应保障的服务作业时间总成本，见表2和表3，图6和图7。

表2　采购通用备件物料耗费时间与费用

通过Matlab对本文所建立时间竞争成本优化模型进行编程赋值求解，分别得到通用和专用备件物料供应保障流程各阶段服务台最佳配置，即:

1)通用备件物料：18个订单处理服务台、5个拣选服务台、6辆配送车辆。

2)专用备件物料：5个拣选服务台、6辆配送车辆。

此外，由表2、表3与图5、图6所示可知，针对各阶段服务台配置情况可分别求得通用与专用备件物料供应保障总时间成本、总平均耗费时间与航道维护疏浚任务各等级订单备件物料供应保障平均耗费时间。因此，通过建立时间竞争成本模型，针对不同任务需求配置最佳服务机构数量，降低供应保障各环节时间耗费，保障航道维护船艇施工任务需求及时准确得到满足，以期获得最佳经济效益与社会效益。

表3　采购专用备件物料耗费时间与费用

图6　采购通用备件物料耗费时间

图7　采购专用备件物料耗费时间

5结论

相较于以往同类研究重成本轻时间的特点，本研究综合考虑并权衡时间与成本两方面要素，基于强制优先权理论建立了时间竞争成本模型，研究成果对保障长江航道维护任务的顺利实施，寻找运维费用与时效性的最佳平衡点有较好的借鉴作用，同时也可为“十三五”期智能航道养护管理系统建设的顺利推进提供技术支持。

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On the Supply Guarantee System of Spare Parts Based on Time Cost for the Waterway Maintenance Ships

WEN Quan

(Changjiang Waterway Planning Design and Research Institute, Wuhan 430011,China)

Abstract:The spare parts and materials supply guarantee system is investigated for the waterway maintenance ships in Yangtze river. It is shown that the current researches of supply guarantee usually concentrates on cost optimization rather than the timeliness of waterway maintenance task. In order to solve this problem, a method is set forth to classify task levels of waterway maintenance dredger and establish a time competitive cost model. The preemptive priority method of queuing theory is introduced to optimize supply guarantee time cost model for different levels of task. A numerical example is given to obtain the best configuration in different supply guarantee service stages.

Key words:waterway maintenance ship; time cost; supply guarantee; queuing theory; preemptive priority

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.037

收稿日期：2015-12-07

基金项目：交通运输部2013年信息化重大专项

第一作者简介：温泉(1984—)，男，博士，工程师

中图分类号：U615

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0167-07

修回日期：2016-01-04

(2013-364-548-200)

研究方向:水陆交通信息化、数字航道、智能航道

E-mail:58071899@qq.com