城市地下物流服务供应链的流程设计：基于着色Petri 网模型

侯龙龙，董建军，潘欣维，倪卫红，付光辉

（1.南京工业大学经济与管理学院，江苏南京 211816；2.南京工业大学智慧城市研究基地，江苏南京 211816；3.中国人民解放军陆军工程大学国防工程学院，江苏南京 210001）

1 研究背景

城市物流作为现代物流的重要组成部分，近年来，区别于单一的城市配送模式，其逐渐形成以提供全流程服务为目标的物流供应链运作模式。虽然这种城市物流的运作模式在一定程度上起到了部分物流服务集成的作用，但是在城市货物运输方面依然未达到有效整合，并且其依托地面交通的运输方式对城市环境和社会有明显的负外部性。长远来看，随着城镇化进程的不断加快，城市货运服务需求大规模增加，但是城市道路交通的承载力以及环境状况却远远不能满足发展的要求，城市物流的发展与“大城市病”的矛盾将会进一步加剧，因此，必须采取行之有效的措施，改善目前城市物流服务供应链运作模式很难跳出货物分散运输，以及地上道路资源不足导致的物流成本居高不下、分发效率面临瓶颈等困境。而地下物流系统（underground logistics system，ULS）利用货运机车，通过城市地下隧道（含管道）等封闭空间，自动化集成运输城市货物的物流服务供应方式的出现，将大大改善这种状况。将ULS 纳入城市物流体系，是未来城市智慧物流的必然趋势。作为新型城镇化导向下的城市物流服务解决方案，地下物流服务供应链是指ULS 运营商与多个提供专业物流服务的物流企业合作，以城市物流服务集成商的角色，依托信息平台等流程控制平台，对链上各节点企业的资源利用状况以及作业状态进行监控，有效地整合链上仓储服务、配送服务、流通加工等物流服务企业的服务能力资源，以实现物流服务的高效集成，在直面客户进行服务产品设计、订单处理后，具体通过ULS 作业部门向上承接配送服务、流通加工服务提供商集成城市运输服务，向客户提供个性化的物流服务产品。

世界上对地下物流的研究与实践已长达30 年之久，日本、荷兰、美国、德国、英国等国家都进行了不同程度的尝试。就我国而言，北京通州、河北雄安新区和武汉长江新区等，已将地下物流系统规划建设纳入城市基础设施网络建设的一部分。由于ULS 的建设耗资巨大、建设周期较长，并且建设和运营风险高，如果建设不能符合现实需求则可视为失败，损失巨大，所以在建设之前充分了解ULS 在城市物流服务供应链中的运作方式、流程及其运营商在市场上的组织行为模式是重要的，也是必须的。

2 文献综述

目前在ULS 运营研究方面，首先，有研究认为运营ULS 在经济效益、环境效益以及社会效益方面均有良好的表现［1］；其次，如Chen 等［2］认为地下物流系统能够使货运效率提高50%以上，Zahed 等［3］和孙飞飞等［4］则认为其综合成本约为地上道路运输的34.3%，运输时间减少83%；另外，有研究认为利用现代信息技术对线上货流信息进行动态监控和预测，能够解决包括发车间隔在内的ULS 运营和调度的问题［5］。

另一方面，基于“服务供应链”的概念而衍生的物流服务供应链是一种以“功能物流服务提供商-物流服务集成商-客户”为基本结构的新型管理模式，通过协调物流服务的供需机制促进物流服务交付流程的高效运行。服务供应链是为满足顾客需求而集成与传递服务的网络服务，由服务集成商根据顾客需求集成来自供应商、服务集成商内部和顾客三方的资源,并将其转化成为核心服务产品传递给顾客［6］；另外，服务企业应当通过调整服务能力进行供应链协调［7］。在此基础上，物流服务供应链被认为是由物流服务集成商招募多种功能型物流提供商组成合作联盟，向终端客户提供综合性服务，满足客户多样化、个性化需求的网链结构［8］。

再者，Petri 网是研究服务供应链的一种广泛的模型，其中，相较于传统Petri 网，着色Petri 网在复杂网络建模方面具有优势，适用于具有分布式特征的供应链的分层建模、分析和控制研究［9］。在供应链的信息流处理研究方面，Liu 等［10］认为着色Petri 网可以应用到供应链的信息分类和信息传递描述；孙亮等［11］认为供应链流程的着色Petri 网模型构建和描述主要通过变迁规则以及库所的定义及讨论来实现，模型有效性证明是必要的；王雯等［12］认为着色Petri 网在描述定制生产活动下的供应链运作模型中能够较好地显示供应链系统的运行机制。

总的来说，国内外关于ULS、服务供应链以及基于Petri Net 理论进行供应链建模分析的研究为本研究提供了理论基础。本研究引入“ULS 服务运营商”的概念，其通过承接第三方物流服务企业和生产企业的物流外包业务以及普通客户的物流服务需求，从事相关市场经济活动，通过运营平台统一调度、分配服务资源，实现城市物流的集成、共同配送以及服务流程的自动化；并在对地下物流服务供应链的运作流程分析基础上，构建ULS 服务运营商的着色Petri 网（colored Petri Net）模型，通过相关运行指标讨论该模型的可靠性，最后根据仿真结果对模型性能进行分析。本研究以期为ULS 在市场化环境下运营模式及运作流程的研究提供一套建模方法和一个新的视角。

3 地下物流服务供应链的运作流程分析

基于城市ULS 的服务供应链运作流程，涉及了基于各管理部门的信息流、资金流处理和监控，以及基于各物流服务供应商和ULS 作业部门的服务供给，如图1 所示。首先，客户与服务集成商的需求管理部门存在订单信息，需求管理部将客户订单处理后发送给信息中心；与此同时，财务部接收到客户预付款后进行记账、归类登记以及核对等财务流程后发送给信息中心。其次，供应管理以及环境监测部门与各服务运营主体之间存在服务资源利用信息流动，收集到的信息除了供部门日常作业管理活动外，还需将其发送给信息中心。在此需要说明的是，供应链上的信息流是动态更新的，以尽可能低的延迟率运行。以上流程成功执行完毕后，信息中心根据上述管理部门提供的数据形成信息资源库，随后进行供应链的服务能力评估、服务策略制定以及服务资源协调，将各项协调指令信息直接发送给相关服务运营主体，最后各服务提供商开始安排服务资源进入服务流程。每项服务业务完成后都需要更新部门状态信息、进行信息反馈，反馈的信息将用于下次作业流程。鉴于该服务供应链运作流程的复杂性，为了更加清晰地论述其管理控制流程及服务交付流程，本研究在随后的Petri 网模型构建过程中将采用自下而上的层次建模方法，即将集成商的各个管理部门、ULS 作业部门以及各服务供应商作为单独的子网进行建模，最后将各个子网连接起来形成顶层Petri。

图1 基于ULS 的服务供应链服务流程概念框架

4 基于Petri 网的地下物流服务供应链性能分析及仿真

着色Petri 网是由传统Petri 网发展而来的高级Petri 网系统，其特点一是可以通过着色的方式对库所（place）以及托肯（token）进行类型定义；二是可以对通过设置弧和变迁的属性对事件的发生进行控制，相较于传统Petri 网系统，其在很大程度上提高了对复杂网络系统的建模能力，符合构建城市ULS 服务供应链系统模型的需求。另外，出于对城市ULS 服务供应链效率研究的考虑，模型必须在颜色集的基础上增加时间戳，从而更加详细地描述系统的运行状况，所以赋时着色Petri 网（timed colored Petri Net）成为最终选择。本研究基于赋时着色Petri网建模平台的CPN Tools 系统建模分析工具，对城市ULS 服务供应链的业务流程进行建模，首先给出服务供应链流程的顶层模型，然后利用替代变迁对模型逐步细化。

4.1 基于Petri 网的模型构建

4.1.1 基于ULS 的服务供应链的顶层模型

如以上流程分析所述，基于ULS 的服务供应链的处理流程主要包括需求管理、财务处理、内部信息集获取（供应管理部、环境监测部）、信息处理和策略指令（信息中心）、取货（配送服务供应商）、流通加工、ULS作业、ULS终端分流（仓储服务供应商、配送服务供应商）以及售后服务（客服部）9个子流程。首先，给出基于ULS 的服务供应链流程顶层Petri 网模型，如图2 所示；其次，分别用需求管理（demand type analysis）、财务处理（check）、内部信息获取（integration）、信息处理及发送策略指令（calculate）、取货（pick）、流通加工（CP）、地下物流系统作业（ULS transport）、地下物流系统终端分流（shunt）和售后服务（server）等9 个替代变迁表示ULS 服务供应链各环节的详细流程。模型中的函数声明、库所、变迁说明如表1、表2 所示。

图2 基于ULS 的服务供应链顶层Petri 网模型

表1 基于ULS 的服务供应链Petri 网颜色集声明

表2 基于ULS 的服务供应链顶层Petri 网库所与变迁说明

表2（续）

4.1.2 基于ULS 的服务供应链的子模型

（1）需求管理子模型。基于简化模型的考虑需求，管理子模型主要是完成对服务包的选择，具体的服务包设计等详细过程不在此描述。其流程是按照客户需求类型生成对应的服务包类型和数量，模型具体流程如图3 所示，库所与变迁的说明如表3所示，其中时延函数表示需求管理流程所消耗的时间满足5min～7 min 的均匀分布。

图3 基于ULS 服务供应链的需求管理Petri 网子模型

表3 基于ULS 服务供应链的需求管理Petri 网子模型库所与变迁说明

（2）财务处理子模型。财务处理子模型如图4所示，库所与变迁的说明如表4 所示，其中时延函数DEL1()的表达式为：colset NetDelay1=int with 1.5；fun DEL1()=NetDelay1.ran()。该时延函数代表财务处理流程所消耗的时间服从1 min～5 min 的随机分布。

表4 基于ULS 服务供应链的财务处理Petri 网子模型的库所与变迁说明

图4 基于ULS 服务供应链的财务处理Petri 网子模型

（3）内部信息获取子模型。内部信息获取子模型如图5 所示，库所与变迁的说明如表5 所示，其中涉及的颜色集AW、YZ 分别表示前3 种供应信息的集合和后两种供应信息的集合，依次用colset AW=product A*W*E 和colset YS=product Y*S 表示；时延函数round(uniform(1.0,5.0))表示内部信息处理流程所消耗的时间服从1min～5 min 的均匀分布。

图5 基于ULS 服务供应链的内部信息获取Petri 网子模型

表5 基于ULS 服务供应链的内部信息获取Petri 网子模型的库所与变迁说明

（4）信息中心子模型。信息中心子模型如图6 所示，库所与变迁的说明如表6 所示，其中时延函数表示信息中心处理流程所消耗的时间满足1min～5 min 的均匀分布。

表6 基于ULS 服务供应链的信息中心Petri 网子模型的库所与变迁说明

图6 基于ULS 服务供应链的信息中心Petri 网子模型

（5）基于配送服务供应商的取货流程子模型。取货流程子模型如图7 所示，库所与变迁的说明如表7 所示，其中时延函数表示处理取货流程所消耗的时间满足20min～30 min 之间的随机分布。

图7 基于ULS 服务供应链的取货流程Petri 网子模型

表7 基于ULS 服务供应链的取货流程Petri 网子模型的库所与变迁说明

（6）流通加工流程子模型。流通加工流程子模型如图8 所示，库所与变迁的说明如表8 所示，其中时延函数表示处理流通加工流程所消耗的时间满足5min～10 min 之间的随机分布。

图8 基于ULS 服务供应链的流通加工流程Petri 网子模型

表8 基于ULS 服务供应链的流通加工流程Petri 网子模型的库所与变迁说明

（7）ULS 作业子模型。ULS 作业子模型如图9所示，库所与变迁的说明如表9 所示，其中时延函数round (normal(4.0,0.5))表示处理ULS 的节点流通加工所消耗的时间服从期望是4、方差为0.5 的正态分布，round (normal(5.0,0.5))、round (normal(2.0,0.5))分别表示处理ULS 节点间运输和站内转运所消耗的时间。

表9 基于ULS 服务供应链的ULS 作业Petri 网子模型的库所与变迁说明

图9 基于ULS 服务供应链的ULS 作业Petri 网子模型

（8）ULS 终端分流子模型。ULS 终端分流子模型如图10 所示，库所与变迁的说明如表10 所示，其中时延函数round (normal(5.0,0.5))、DEL2()、round(uniform(5.0,10.0))分别代表处理进入ULS 终端云柜、由配送服务供应商运达至客户和进入仓储中心3 种方式所消耗的时间。

表10 基于ULS 服务供应链的ULS 系统终端分流Petri 网子模型的库所和变迁说明

图10 基于ULS 服务供应链的ULS 系统终端分流Petri 网子模型

（9）售后服务子模型。售后服务子模型如图11 所示，库所与变迁的说明如表11 所示，其中时延函数表示处理售后服务流程所消耗的时间服从5min～30 min 之间的随机分布。

图11 基于ULS 服务供应链的售后服务Petri 网子模型

表11 基于ULS 服务供应链的售后服务Petri 网子模型的库所和变迁说明

4.2 基于ULS 服务供应链的Petri 网可靠性分析及仿真

4.2.1 可靠性分析

基于ULS 服务供应链的Petri 网系统的状态空间报告中给出了系统活性的相关信息，可知该Petri网模型有以下特征：（1）存在6 个死标识（dead markings），即在这一标识下任何变迁都是不能使能的。由于此模型是非循环结构，6 个死标识为模型结束标识，此外所有标识都是活的，符合模型设计的初衷。（2）不存在死变迁实例（dead transition instance），说明不存在任何可达标识下都不能发生的变迁，即模型无死锁。（3）不存在活变迁实例（live transition instances），说明不存在任何可达标识下都能再次发生的变迁。后两项特征说明任何变迁的发生都是可能而非必然。

4.2.2 仿真分析

模型活性指标分析表明，本研究构建的Petri 网模型具有可靠性且符合设计预期。进一步对模型进行仿真实验，其中时间参数主要是依据以下两种方式获取的数据再经过统计分析确定：一是通过对行业知名的两家快递企业的调研获取数据，二是对于通过行业调研无法获取的数据则采用专家咨询的方法，即通过咨询ULS 方面的专家获取ULS 运输、节点转运等相关数据。仿真参数具体情况如表12 所示。

表12 基于城市ULS 的服务供应链运作仿真参数

在Petri 网建模软件中通过设置数据收集监视器（data collection monitor）获取仿真过程中的数据信息，以便对系统性能进行分析。依次对服务包类型为q和服务包类型为p的两种初始标识下的模型进行仿真各100 次（由于服务包p是针对第三方物流服务运营商提供的，服务内容不包含取货和流通加工流程，即不进行pick、CP 流程，所以要分开进行仿真），监视器收集到的数据如表13、表14 所示。

表13 基于ULS 的服务供应链模型仿真数据（服务包q 状态下）

表14 基于ULS 的服务供应链模型仿真数据（服务包p 状态下）

首先，在服务包q 状态下，ULS 的转运流程发生了89 次，ULS 的流通加工流程发生101 次，即每运行一次就有0.89 次ULS 转运和1.01 次ULS 流通加工发生；在100 次运作中，其中有27 次货物通过配送服务供应商送达客户，有39 次进入了ULS 终端云柜，有34 次进入了仓储中心。由此可以看出，存在随机发生属性的节点流程没有极端状况出现，即各随机性节点的设置与实际状况以及设计预期较为符合。服务包q状态下的相关表现与服务包q 相当，不再重复描述。

其次，无论是服务包q还是服务包p，两种状态下的server monitor、shunt D monitor 和shunt S monitor这3 个监视器皆显示其所属服务流程的耗时占比较高，即售后服务、负责ULS 终端分流的配送服务供应商和仓储服务供应商对城市ULS 服务供应链整体的服务效率有较大影响，存在一定的提升空间。就售后服务而言，应用人工智能技术使尽可能多的模块实现自动化服务以降低人为因素造成不必要的时延；在仓储服务方面，激励服务供应商使用自动化仓储设备，从而实现与ULS 作业部门的高效对接。另外，相较于服务包p，服务包q存在取货流程和流通加工流程，在此状态下，根据CP monitor、Pic monitor 监测结果显示，负责这两个流程配送服务供应商以及流通加工服务供应商同样是供应链整体效率提升过程中需要关注的对象。

最后，结合仿真实验1），服务包q、p平均每运行一次分别耗时67.41 min 和36.96 min，服务包q状态的耗时接近服务包p的两倍，即取货流程和流通加工流程占用了较多的时间，这种现象正好与CP monitor、Pic monitor 的监测结果相对应。从另一方面来说，仿真结果在一定程度上也说明了目前物流行业存在的较为突出的“最后一公里”问题。值得一提的是，虽然这个问题也会出现城市ULS 服务供应链当中，但并不是说明该服务供应链与传统城市物流服务供应网络存在同样的缺陷，相反，这个问题将促使ULS 服务集成商实行纵向一体化发展战略，即发展下一代城市ULS 将成为可能。下一代城市ULS 可以称之为“超级地下物流系统”，该系统将“最后一公里”的地上人工配送方式转变为采用地下管道自动化运输的方式，将大大提升这一流程的效率。

5 结论

本研究在城市ULS 服务供应链运作流程设计及分析的基础上，利用CPN-tools 软件构建了赋时着色基于ULS 的物流服务供应链Petri 网模型，并对模型的可靠性以及仿真结果进行了分析。结果表明：第一，根据系统活性指标显示，该模型具备可靠性，符合设计预期；第二，仿真结果给出了各流程运作耗时情况以及服务供应链整体的运作时间性能。总之，本研究为城市ULS 服务供应链的业务模式提供了建模仿真思路，为相关从业者把握未来城市物流发展方向以及城市ULS 服务供应链的内部运作性能提供参考。由于基于城市ULS 的服务供应链本身是非常复杂的，且其概念是不断发展的，后续将在时间性能的基础上综合考虑该服务供应链的绩效影响因素，使研究更加丰富、完整。

注释：

1）因篇幅所限，具体仿真报告不在本文中呈现，有需要者可联系作者提供。