李景峰，張 艷，張 樹

(1.山西大學經(jīng)濟與管理學院，山西 太原 030006;2.山西省政府發(fā)展研究中心，山西太原 030001;3.山西省煤炭運銷集團有限公司，山西太原 030002)

基于面向?qū)ο蠓謱覲etri網(wǎng)的煤炭超市業(yè)務流程建模與優(yōu)化研究

李景峰1，張 艷2，張 樹3

(1.山西大學經(jīng)濟與管理學院，山西 太原 030006;2.山西省政府發(fā)展研究中心，山西太原 030001;3.山西省煤炭運銷集團有限公司，山西太原 030002)

煤炭超市是一種集物流、信息流、資金流一體化運作的新型煤炭產(chǎn)業(yè)運作模式。由于其系統(tǒng)建設(shè)的復雜性和創(chuàng)建性，煤炭超市研究目前仍屬新興領(lǐng)域。本文借鑒和采用分層Petri網(wǎng)方法，對煤炭超市業(yè)務流程改進問題進行了探討，通過建立面向?qū)ο蠓謱覲etri網(wǎng)模型，實現(xiàn)對煤炭供應鏈系統(tǒng)中物流、信息流和資金流的數(shù)學描述以及業(yè)務流程的優(yōu)化分析。

煤炭超市;Petri網(wǎng)方法;面向?qū)ο蠓謱覲etri網(wǎng)模型;優(yōu)化分析

一、研究基礎(chǔ)

煤炭超市是煤炭物流的重要節(jié)點，連接著煤炭生產(chǎn)源地與煤炭銷售市場，是滿足市場需求進行煤炭洗選加工、實現(xiàn)加工增值的場所，也是物流配送和煤炭集散基地［1］。較以往傳統(tǒng)的企業(yè)倉儲模式，煤炭超市具有更明顯的生產(chǎn)性服務業(yè)特點和優(yōu)勢［2］。通過建設(shè)上游煤炭采購網(wǎng)絡(luò)、中游儲配網(wǎng)絡(luò)、下游銷售服務網(wǎng)絡(luò)，建立與大型煤炭生產(chǎn)企業(yè)、鐵路、港口、運輸企業(yè)、金融機構(gòu)和下游電廠等產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)方的戰(zhàn)略合作關(guān)系，成為集物流、信息流、資金流、商流為一體的集散中心，為客戶提供包括標準化產(chǎn)品定制、外包業(yè)務、金融信貸以及信息咨詢等煤炭增值服務。

當前煤炭超市研究仍然是一個嶄新的領(lǐng)域，有關(guān)該企業(yè)運作模式和流程優(yōu)化的研究還不多。業(yè)務流程是典型的離散系統(tǒng)，對業(yè)務流程建模的常用方法有:RAD方法、CPM/PERT方法、IDEF方法群、隨機網(wǎng)絡(luò)方法、ARIS方法、事件驅(qū)動的過程鏈方法，等［3］。由于煤炭超市業(yè)務的復雜性，傳統(tǒng)的研究方法很難對其各個流程環(huán)節(jié)進行深入直觀的描述和分析。Petri網(wǎng)建模方法在描述和分析供應鏈結(jié)構(gòu)和業(yè)務流程上具有獨特的優(yōu)勢，很容易顯示供應鏈管理活動中的優(yōu)先訂單、批處理和異步并發(fā)程序［4］。因此，該方法得到了國內(nèi)外眾多研究學者的關(guān)注。

由于系統(tǒng)是由眾多相關(guān)的子對象構(gòu)成，每個對象都有自己的行為和特性，對象之間的交流是通過信息傳遞來達到。為克服Petri網(wǎng)在非模塊化設(shè)計、可維護性和可重復性差等方面的問題，Lee［5］和 Wang［6-7］等人將面向?qū)ο蠹夹g(shù)集成到 Petri網(wǎng)中，提出了面向?qū)ο驪etri網(wǎng)(object-oriented petri nets，縮寫OPN)方法。OPN具有豐富的系統(tǒng)描述手段和行為分析技術(shù)，可以為具有并發(fā)、異步、分布式、并行和隨機性等特性的復雜系統(tǒng)構(gòu)造出需要的模型，并進行分析得到相應的信息以進行評價和改進［8］。雖然OPN建模方法可以解決面向?qū)ο蠹夹g(shù)和Petri網(wǎng)技術(shù)各自建模的一些弊端，但OPN和普通Petri網(wǎng)結(jié)合建模仍有兩個關(guān)鍵的制約［9］:一是難以表示多個節(jié)點，多節(jié)點會使模型規(guī)模成倍擴大;二是即使表示了多節(jié)點，由于模型的狀態(tài)空間容易爆炸，也無法進行分析。為了解決目前越來越凸出的復雜系統(tǒng)建模和分析問題，研究人員將OPN方法與高級Petri網(wǎng)結(jié)合，提出了面向?qū)ο驪etri網(wǎng)的幾種擴展形式:面向?qū)ο笾玃etri網(wǎng) (object oriented colored petri net，縮 寫OOCPN)，通過有效變遷的輸入庫所中不同Token顏色的組合構(gòu)成變遷的不同顏色［10］，主要應用研究領(lǐng)域有電子產(chǎn)品制造系統(tǒng)、中國列車運行控制系統(tǒng)以及艦載裝配系統(tǒng)［11］，但模型缺乏對時間特性的描述。面向?qū)ο筚x時Petri網(wǎng)(object oriented timed petri net，縮寫OOTPN)，其核心是通過引入模塊化的Petri子網(wǎng)模塊，將其按一定規(guī)則聯(lián)系起來形成整個系統(tǒng)的模型，該方法具有較好的理解性能和分析驗證能力［12］，主要用于解決工程工期、企業(yè)業(yè)務流程效率分析、企業(yè)信息系統(tǒng)平臺建設(shè)等領(lǐng)域［13］。面向?qū)ο蠓謱覲etri網(wǎng)(object oriented layered petri net，縮寫OOLPN)，將層次化結(jié)構(gòu)概念引入Petri網(wǎng)中，通過不同層次Petri網(wǎng)的建立來簡化模型復雜度。OOLPN便于自頂向下設(shè)計，對于復雜系統(tǒng)的建模清晰明了，有助于用戶理解和對系統(tǒng)節(jié)點的分析和規(guī)約［14］。目前，主要用于研究倉儲管理、供應鏈建模、制造流程優(yōu)化等領(lǐng)域［15］。

供應鏈流程需要考慮和分析每一個參與對象。本文采用面向?qū)ο蠓謱覲etri網(wǎng)方法來運行和描述煤炭超市的業(yè)務流程，在確定系統(tǒng)模型中包含的對象實體之后，通過對流程中參與對象集成整體、單個參與對象層和對象間關(guān)系OPN模型的構(gòu)建和性能分析，可以實現(xiàn)整個供應鏈業(yè)務流程的高度抽象性和良好的系統(tǒng)界面模型的可擴展性。然后，對基礎(chǔ)、內(nèi)部節(jié)點、流程系統(tǒng)中的物流、信息流和資金流通過數(shù)學的語言進行分析和描述。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)所建分層Petri網(wǎng)模型對煤炭超市流程進行優(yōu)化分析。

二、煤炭超市分層Petri網(wǎng)建模

(一)煤炭超市業(yè)務流程

煤炭超市是專業(yè)的煤炭生產(chǎn)性流通服務企業(yè)。通過構(gòu)筑強大的煤炭交易和網(wǎng)絡(luò)服務平臺，建立集上游煤炭供應商、中游煤炭物流服務商和金融機構(gòu)等、下游煤炭消費企業(yè)以及其他有關(guān)合作伙伴共享的服務網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)專業(yè)的供應鏈管理服務［16］。煤炭超市業(yè)務流程如圖1所示。

(二)面向?qū)ο蟮姆謱覲etri網(wǎng)

本文中所建立的面向?qū)ο蠓謱覲etri網(wǎng)由頂層Petri網(wǎng)模型、子層Petri網(wǎng)模型和子層間關(guān)系連接模型三部分組成。其中，頂層Petri網(wǎng)模型針對整個煤炭超市系統(tǒng)，對象是煤炭超市業(yè)務流程涉及的對象，各個對象之間的關(guān)系通過物流、信息流和資金流來實現(xiàn);子層Petri網(wǎng)模型描述頂層Petri網(wǎng)各個對象所涉及的具體業(yè)務活動;子層間關(guān)系連接模型主要描述子層之間的關(guān)系。

圖1 煤炭超市業(yè)務流程圖

定義1 頂層Petri網(wǎng)模型是一個3元組，(O，P，R)

(三)模型構(gòu)建

1.層次Petri網(wǎng)對象

根據(jù)業(yè)務流程圖可知，煤炭超市層次Petri網(wǎng)共有10個對象。分別為:銷售部，直接面對終端客戶，對客戶訂單需求按品種進行分類;采購部，負責與煤炭供應商簽訂采購合同，采購所需不同種類的煤炭產(chǎn)品;信息中心，負責整個管理系統(tǒng)的信息調(diào)度和指令下達;加工部，按客戶訂單要求，對原煤進行洗選、配比等加工服務;倉儲物流部，負責產(chǎn)品的倉儲、物流配送和質(zhì)押貨物的監(jiān)管;外包商，承接定制產(chǎn)品的加工和倉儲物流外包業(yè)務;財務部，負責整個系統(tǒng)的資金運行和增值服務中的信貸資金發(fā)放;信貸部，負責信貸資格審核和質(zhì)押貨物審查;銀行等金融機構(gòu)，為客戶提供信貸資金;煤炭供應商和客戶，超市內(nèi)部供應鏈系統(tǒng)的上游生產(chǎn)企業(yè)和下游煤炭產(chǎn)品消費企業(yè)。

2.頂層Petri網(wǎng)模型

頂層Petri網(wǎng)模型是對整個煤炭超市模糊業(yè)務流程的一個圖形直觀描述，展示了煤炭超市分層中各個對象在業(yè)務流程中所處的位置，通過此模型可以了解煤炭超市業(yè)務的整體運作情況(圖2)。

圖2 煤炭超市頂層Petri網(wǎng)模型

3.子層Petri網(wǎng)模型

子層Petri網(wǎng)模型如圖3所示。

圖3 煤炭超市子層Petri網(wǎng)模型

4.子層間關(guān)系連接模型

根據(jù)煤炭超市的物流、信息流和資金流在各個對象之間的流動，建立子層間關(guān)系連接模型(圖4)。模型直觀地展示了各個部門在整個系統(tǒng)具體業(yè)務流程中彼此之間的關(guān)系。

圖4 煤炭超市子層間關(guān)系連接模型

在以上模型中，各個庫所與變遷的含義如表1所示。

三、基于分層Petri網(wǎng)模型的業(yè)務流程優(yōu)化分析

(一)通過分層Petri網(wǎng)模型尋找變遷過程中產(chǎn)生的物流和資金流

基于在系統(tǒng)運行中對整個變遷過程實際發(fā)生影響的變量主要是物流量和資金流量，信息流雖貫穿全過程，但只是起基本的數(shù)據(jù)提供和節(jié)點連接作用，故本文在優(yōu)化分析中對其不予計入。具體內(nèi)容詳見表2。

(二)優(yōu)化分析

煤炭超市業(yè)務流程優(yōu)化是一個多目標優(yōu)化，其中包括客戶滿意度目標、煤炭超市利潤最大化目標以及成本最小化目標(成本包括物流成本、采購成本、洗煤成本等)。優(yōu)化的準則是:煤炭超市流程優(yōu)化是動態(tài)的多目標優(yōu)化;優(yōu)化的前提是:煤炭超市根據(jù)客戶的需求進行煤炭的采購和加工，不進行提前預測。

目標函數(shù):

①利潤目標

利潤=銷售收入+金融服務收入+倉儲服務收入－成本

則Max利潤=銷售收入+金融服務收入+倉儲服務收入－min{原煤成本+采購成本+倉儲成本+洗配煤成本+運輸成本+外包成本}，那么利潤的最大化目標轉(zhuǎn)化成成本最小化目標，即:

表1 煤炭超市Petri網(wǎng)模型中庫所和變遷的含義所示

其中，Yk為客戶訂單需要的k類煤炭量;Pk為k類煤炭(精煤)的價格;Xi為i類煤炭(原煤)數(shù)量;ci為i類煤炭供應價(不含運費);Q單為單次采購煤炭數(shù)量，CP運輸是煤炭超市年運力，Q*最佳訂購批量，Q外包洗煤是外包洗煤量，Q外包配煤是外包配煤量;c倉儲為單位噸/天的倉儲成本，c采購為單次采購成本，c洗煤為每噸洗煤成本;c洗煤為每噸配煤成本，c運1為煤炭供應商到煤炭超市噸運輸成本，c運2為煤炭超市到終端客戶的每噸運輸成本;α，β，γ是煤炭超市自營比例，R為洗煤流失率，K為倉單質(zhì)押信貸資金服務費率。

表2 煤炭超市分層Petri網(wǎng)模型中變遷產(chǎn)生的物流量和資金流量說明

②本最小化目標

由于本優(yōu)化模型是建立在客戶需求的基礎(chǔ)上，那么客戶的訂單量決定著采購量、洗配煤量、物流量，假設(shè)客戶的訂單量已知，則采購量，洗配煤量和物流量也確定，使總成本最小，需求是總成本最小時的最佳配煤比例。即:

式(3)中 xi為配煤百分比，xi≥0，i=1，2，…，n;a1i為煤的發(fā)熱量，i=1，2，…，n;a2i為煤的灰分含量，i=1，2，…，n;a3i為煤的揮發(fā)分含量，i=1，2，…，n;a4i為煤的硫分含量，i=1，2，…，n;a5i為煤的粘結(jié)指數(shù)，i=1，2，…，n;ci為各種煤到煤炭超市的價格，i=1，2，…，n。在保證配合煤發(fā)熱量等于 J，煤灰分小于b1%，揮發(fā)分在b2% ～b3%之間，硫分小于b4%，粘結(jié)指數(shù)在b5～b6之間，最優(yōu)的各種煤的配比，能使每噸配合煤的成本最低。

其中，物流成本、洗配煤成本在配煤比例確定后即可求得，而采購成本受采購批次的影響，則最小采購成本等于最佳訂購批量成本

其中，最佳訂購批量Q*=Squat(2DC/H)，Squat()函數(shù)表示開平方根;C表示每次訂貨的費用;H表示單位庫存維持費;D表示客戶需求量。

③客戶滿意度目標

煤炭產(chǎn)品品種的多樣性、產(chǎn)品價格、產(chǎn)品供應的及時性和穩(wěn)定性以及特色增值服務的提供是衡量客戶滿意度的重要指標［17］。產(chǎn)品多樣性由煤炭的不同指標來約束，產(chǎn)品的價格受秦皇島港煤炭價格指數(shù)約束，穩(wěn)定性由日供應量來約束，及時性由訂單完成時間來約束，服務質(zhì)量由訂單滿足率來約束。

不同種類的煤炭通過洗配生成滿足客戶需求的煤炭產(chǎn)品

產(chǎn)品的價格隨市場價格10%比例浮動

其中，P指數(shù)是秦皇島港煤價，Pk是加工后煤炭 K(精煤)的價格。

日供應量大于等于客戶最低需求保障量，小于等于煤炭超市日運力

其中，d表示全年365天。

訂單完成時間小于等于合同完成時間

倉單質(zhì)押信貸資金服務費率小于客戶融資成本率

④業(yè)務流程中的輸入輸出均衡條件

煤炭采購數(shù)量=煤炭供應商運輸?shù)矫禾砍械臄?shù)量

煤炭供應商運輸?shù)矫禾砍械臄?shù)量=自營洗煤量+外包洗煤量

自營洗煤量+外包洗煤量=自營配煤煤量+外包配煤量

自營配煤煤量+外包配煤量=煤炭超市運輸?shù)浇K端客戶的數(shù)量

煤炭超市運輸?shù)浇K端客戶的數(shù)量=客戶訂單量

外包業(yè)務量=ε自營業(yè)務量

⑤煤炭超市的運營能力約束條件

客戶訂單量大于等于客戶最低訂購批量，小于等于訂單完成期內(nèi)的最大承運量

客戶精煤訂單量小于等于客戶訂單完成時間內(nèi)洗配煤能力

倉單質(zhì)押信貸量不大于客戶倉儲量的70%

通過建立客戶滿意度，成本最小化的多目標函數(shù)，進而轉(zhuǎn)化成利潤最大化的單目標函數(shù)，再根據(jù)客戶的需求，業(yè)務流程中的輸入輸出均衡條件，煤炭超市的運營能力等約束條件，構(gòu)建出使煤炭超市利潤最大化的物流和資金流量的優(yōu)化模型。通過使用優(yōu)化模型，煤炭超市流程中的每一個節(jié)點的決策優(yōu)化信息可以獲得，并根據(jù)客戶需求和其它條件的變化而及時的調(diào)整決策，因此，多目標動態(tài)優(yōu)化的煤炭超市流程的相關(guān)問題就可以得到解決。

四、小結(jié)

基于面向?qū)ο蠓謱覲etri網(wǎng)方法在分析系統(tǒng)并發(fā)行為、動態(tài)特性等方面的優(yōu)勢以及在對象間層次分明、耦合性低的特點，本文對煤炭超市業(yè)務流程進行了自頂向下，逐層分解分析，在此基礎(chǔ)上所建立的煤炭超市業(yè)務流程分層Petri網(wǎng)模型，更加直觀地反映了其供應鏈的動態(tài)運行。通過數(shù)學語言描述和分析煤炭超市運行系統(tǒng)中的內(nèi)部節(jié)點、物流、資金流，運用數(shù)學方法建立簡明實用的煤炭超市優(yōu)化分析模型，根據(jù)客戶需求和內(nèi)外部條件的變化，及時調(diào)整煤炭超市業(yè)務流程中每一個節(jié)點的決策信息，進而進行煤炭超市的流程優(yōu)化。本文所完成的研究成果是將最新Petri網(wǎng)技術(shù)方法運用到煤炭超市業(yè)務流程研究中的一次應用嘗試，豐富和擴展了該方法的應用范圍，具有一定的創(chuàng)新性和實際意義。隨著國內(nèi)煤炭超市企業(yè)的發(fā)展，本文所建立的優(yōu)化模型中的約束條件還有待進一步的優(yōu)化設(shè)計。此外如何將形式化的建模規(guī)則自動生成計算機控制程序，如何對建立的模型進行實證分析驗證仍有待進一步研究。

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Research on Modeling and Optimizing Business Process of
Coal Supermarkets Based on Object Oriented Hierarchical Petri Nets

LI Jing-feng1，ZHANG Yan2，ZHANG Shu3
(1.School of Management，Shanxi University，Taiyuan 030006，China;2.Development Research Center of Shanxi Provincial Government，Taiyuan 030001，China;3.Shanxi Coal Transportation and Sales Group Co.Ltd，Taiyuan 030002，China)

Coal supermarket is a new service platform and industrial operation mode in coal industry through integrating logistics，information flow and cash flow.Because of the complexity and innovativeness of system construction，the research on coal supermarkets still is an emerging study field until now.This paper analyzes the business process improvement and optimization of coal supermarkets adopting the method of hierarchical Petri nets.Based on the model of object oriented hierarchical Petri nets on coal supermarkets，the paper illustrates the mathematical description of logistics，information flow and cash flow in coal supply chain，then make the optimization analysis on business process of coal supermarkets.

coal supermarkets;Petri nets;object oriented hierarchical Petri nets;optimization analysis

F270

A

1002－9753(2013)09－0133－08

2012－12－11

2013－04－21

課題項目:山西省重點學科建設(shè)專項(201205738)

李景峰(1965－)，男，漢，山西武鄉(xiāng)人，山西大學經(jīng)濟與管理學院教授、博士生導師;山西大學圖書館館長。

(本文責編:海 洋)