基于多智能体的铁路快捷物流作业区作业能力优化仿真研究

Optimisation of Operation Capacity of Railway Express Logistics Area Based on Multi-Agent Simulation

摘要

铁路快捷物流作业区是铁路快捷物流发展及货运场站业态升级转型的重要作业场所，目前铁路快捷物流作业区能力优化研究仍处空白，难以支撑铁路快捷物流作业区提质增效。以识别作业区作业能力限制瓶颈、提出优化配置建议为目标，以典型铁路快捷物流作业区“两台两线”布置形式为仿真场景，装卸作业业务流程为仿真逻辑，构建基于多智能体的仿真模型。通过仿真试验，得出在日作业120车时，叉车利用能力饱和及仓库利用率不足的问题，提出补强叉车配置及加强对仓储资源经营的发展建议；面向叉车能力这一限制因素，进行运量提升情境下的仿真试验，归纳不同运量下叉车配置数量规律，提出配置建议。研究成果可以为提升铁路快捷物流作业区场站作业能力，支撑场站设施升级转型提供参考。

Abstract

Railway express logistics area is an important operation site for the development of railway express logistics as well as the upgrading and transformation of freight stations. There is still a research gap on the operation capacity of railway express logistics area, which hardly supports the improvement of express logistics area in quality and efficiency. A simulation model was constructed based on multi-agent, aiming to identify the capacity limit and propose optimization suggestions. The typical layout of the railway express logistics area was taken as the simulation scene. The business process of loading and unloading operation was adopted as the simulation logic. According to the simulation test, the daily operation of 120 cars comes with saturated capacity of forklift trucks and insufficient utilization of the warehouse. Development suggestions were put forward to strengthen the configuration of forklift trucks and the operation of warehousing resources. To solve the problem of limited capacity of forklift trucks, this paper further carried out the simulation test under the situation of capacity enhancement. The laws of forklift configuration quantity under different capacity were summarized and the configuration suggestions were come up with. The results provide a reference for enhancing the operation capacity of stations in the railway express logistics area and supporting the upgrading and transformation of station facilities.

Graphical abstract

关键词

快捷物流 / 物流中心 / 设施设备配置 / 多智能体仿真 / 离散事件仿真

Key words

Express Logistics / Logistics Center / Facility and Equipment Configuration / Multi-Agent Simulation / Discrete Event Simulation

0　引言

随着中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)着力构建现代物流体系，以小件白货为主要运输品类的铁路快捷物流作业区将在快捷物流领域发挥更加重要的节点作用。我国大多数铁路货场均设有装卸站台、站台仓库等作业设施，具备面向快捷物流业态升级转型的基础条件，但其仓储及装卸作业设施设备能力配置缺乏理论支撑，难以满足蓬勃发展的物流需求，因而开展快捷物流作业区能力优化研究，识别作业瓶颈，提出设施设备配置优化方案，对补强场站能力、保障快捷物流发展具有重要意义。

针对铁路货运及物流仿真领域的研究主要集中于货运网络仿真、业务流程优化仿真^[1]、集装箱作业区仿真^[2-3]、园区仿真布局评价^[4-5]、运输调度仿真^[6]及生产链物流仿真^[7-10]。ZHANG等^[11]构建多式联运多产品货运网络分配仿真模型，以希腊等11国组成的泛欧铁路为例，量化得出国际快速联运政策及基础设施建设对铁路服务质量的积极影响；王丹竹等^[12]建立Petri网模型，对铁路货运物流流程进行优化设计与再造；郭鹏等^[13]构建基于eM-Plant的铁路集装箱物流中心整体作业模型，得出不同特征的运输需求对作业效率的影响关系；孙文桥等^[14]提出铁路物流中心方案评价标准及指标，并以典型铁路物流中心为例，通过仿真提出布局优化建议；陈旭超^[15]通过离散系统仿真构建铁路物流中心的列车运转作业、集卡车作业及场站作业仿真模型，并以典型物流中心为例，提出运输组织优化建议；马茂源等^[16]基于Plant Simulation平台对大型冶金制造企业进行仿真分析，优化企业物流规划的设计方案，有效减少项目投资；王亮等^[17]基于Flexsim软件对立体仓库收发能力进行仿真研究，提出叉车等设备配置优化建议。目前研究聚焦于社会仓库出入库能力分析，但铁路快捷物流作业区沿装卸线布局，装卸设备在平行于装卸线方向的走行距离长，受取送车作业次数限制，作业时间较为集中，对高峰作业能力要求更高，既有研究难以适应铁路特征。综上，铁路快捷物流作业区的仿真领域处于空白，作为铁路物流中心的重要组成部分及现代物流体系建设的重要承载设施，亟需开展相关研究，为铁路快捷物流作业区提质增效提供支撑。

本研究以典型铁路物流中心快捷物流作业区为业务场景，基于多智能体离散事件仿真工具，依据业务逻辑及参数进行仿真试验，识别快捷物流作业区业务场景作业瓶颈，并提出设备优化配置方案。

1　铁路快捷物流作业区业务场景

以典型铁路物流中心快捷物流作业区构建仿真场景。作业区每24 h每条线取送车作业3次；每日到发整车120车左右，其中整车到达占15%，整车发送占85%。作业区布局、设备配置及作业流程情况如下。

1.1　作业区布局

铁路快捷物流作业区以货二线、货三线为装卸线，有效长780 m，1次最大作业车数44车；沿装卸线设置装卸站台及8个线边库；于作业区东南侧设置叉车停放库。作业区平面布局示意图如图1所示。

货二线1号库、货二线2号库、货三线1号库、货三线2号库各包含44个货位，线边库内布置情况为每列11个货位共计4列。货二线3号库、货二线4号库、货三线3号库、货三线4号库各包含52个货位，线边库内布置情况为每列13个货位共计4列。线边库单个货位大小40~60 m²，单层可以堆放25个标准托盘(托盘尺寸1.2 m×1 m，货位中单个托盘预留面积尺寸1.4 m×1.2 m)，一般堆叠2层，仓库内门通道宽3 m，消防通道宽1.5 m，每个仓库开门3~4个，货二线、货三线分别设置仓库门13个。线边库货区货位设置示意图如图2所示。

1.2　装备配置

铁路快捷物流作业区既有叉车24台，采取三班轮转使用模式，每班使用8台进行装卸作业。作业区装备配置情况如表1所示。

1.3　作业流程

铁路快捷物流作业区作业流程包括发送作业及到达作业，其中发送作业由装车前准备、装车作业、装车后作业等主要步骤组成，到达作业由卸车准备、卸车作业、卸后检查等主要步骤组成。作业流程及要求如表2所示。

2　能力优化仿真模型构建

叉车及线边仓库作为快捷物流作业区的主要设施设备，其配置缺乏理论指导，因而仿真主要包括2个目的，一是通过仿真试验确定现有叉车及仓库利用情况，识别作业区作业限制瓶颈；二是进一步通过仿真确定主要限制因素合理配置情况，给出优化配置建议。

2.1　仿真空间构建

运用AnyLogic多智能体仿真软件，基于作业区空间布局及作业流程构建仿真空间，主要包括三维模型模块、发送到达作业流程模块及结果输出模块。仿真空间模块构成如图3所示。

2.2　三维模型模块

三维模型模块包括三维智能体构建及三维作业场景构建，其中三维智能体作为参与仿真的主体，参与到铁路快捷物流作业区的仿真并仿照现实中的工作情况进行作业，仿真过程即通过其行为体现功能区能力，包装成件功能区智能体主要包括机车、棚车、集卡车、托盘、叉车。智能体设置包括智能体的三维模型及参数设置。智能体参数设置如表3所示。

三维作业场景基于场站布局构建，作为仿真作业及可视化展示空间，主要组成部分包括铁路、仓库、集卡车作业区、集卡车出入口、集卡车走行路线、叉车走行路线及叉车停放区，在三维模型模块中，铁路货车、集卡车、叉车、货物由仿真逻辑驱动作业。作业区三维仿真模型如图4所示。

2.3　仿真逻辑设计

梳理到发作业流程中与仿真相关步骤，以模块化编程的形式构建仿真逻辑，作为智能体在三维仿真模型中的行为驱动。其中，发送作业步骤包括集卡车驶入园区、集卡车卸车、托盘进入仓库、存放、集卡车驶离园区、铁路到达、铁路装车、铁路驶离；到达作业步骤包括铁路到达、铁路卸车、托盘进入仓库、存放、集卡车驶入园区、集卡车装车、集卡车驶离园区，其中的装卸作业由叉车进行。仿真流程设置如表4所示。

2.4　参数输出模块

参数输出模块对功能区仿真过程中关键参数进行统计并制图进行结果输出，输出结果包括铁路到达作业时间、集卡车作业时间、仓库利用率、叉车利用率、发送到达作业次数的图表及关键参数的统计。

3　能力限制因素分析

3.1　仿真试验结果

根据铁路快捷物流作业区现状对其进行模型内时间长度为15 d的仿真，并改变随机种子重复3次，仿真试验结果如表5所示。

3.2　作业瓶颈分析

统计分析3次仿真结果，在仿真时间15 d内，铁路快捷物流作业区平均装卸88列车，其中货二线平均完成列车装卸作业43次，货三线平均完成列车装卸作业45次。在当前运量及参数设置下，仓库利用率为42.55%，其中货二线仓库利用率为41.52%，货三线仓库利用率为43.58%。平均叉车利用率为83.1%，平均装卸时间为131.76 min，其中货二线平均装卸时间为133.06 min，货三线平均装卸时间为130.46 min。

综合来看，铁路快捷物流作业区在目前运量下，线边库利用率约为40%，较低；叉车利用率高于80%，能力接近饱和，难以支撑快捷物流作业区运量提升，因而铁路快捷物流作业区能力瓶颈为叉车配置数量有限，导致作业能力不足，因此铁路快捷物流作业区应增加叉车配置，或采用智能无人叉车等作业装备，提升装卸作业能力，同时通过提供仓储服务等形式加强对仓储资源的经营，提升仓库利用效率。

4　作业能力优化配置建议

目前叉车能力较为饱和，通过增加每日作业车数测算在运量增大的场景下叉车的合理配置区间。选取平均列车装卸时间在120~180 min时的叉车数量为合理叉车运用数量，选择120~180 min作为评判标准的原因如下。

一是以测量当前运量(日作业120车)下不同叉车运用数量的平均装卸时间为目的进行仿真，日作业120车时叉车数量和平均装卸时间关系如图5所示。结果显示随着叉车运用数量突破某个阈值后，平均装卸时间会大幅度下降至180 min以下，随着叉车运用数量的继续增加，平均装卸时间逐步下降，在降至120 min左右时继续增加叉车数量后平均装卸时间降幅较少，边际效应递减，因此在120 min左右时继续增加叉车运用数意义较小，因而选择120~180 min作为评判标准。二是依据《货装管理细则》，180 min为当前装卸时间标准要求，与仿真过程中180 min拐点相契合。

4.1　仿真对比试验

在日作业量120车、144车、168车、192车、216车及240车的情况下，对合理叉车运用数量进行仿真。叉车合理配置数量仿真试验结果如表6所示，表6中叉车数量仅保留合理的叉车运用数。

4.2　叉车配置建议

总结仿真试验结果，不同日均装卸车数下合理叉车运用数量建议区间如图6所示。

考虑叉车备用量及检修量，对叉车运用区间进行回归分析，当叉车运用量为叉车保有量的80%时，叉车保有量配置区间应为[0.229 1x+0.416 6，0.293 1x-4.226 2]，其中x为日均装卸车数，建议叉车保有量与日均装卸车数关系为y=0.247 7x-0.535 7。不同日均装卸车数下建议叉车合理配置数量如表7所示。

5　结束语

随着我国铁路快捷物流发展，铁路快捷物流作业区将成为铁路物流中心业务升级转型的重要承载设施，目前全国已建成一级、二级铁路物流基地150余个，绝大多数铁路物流基地均设有装卸站台及站台仓库等作业设施，通过多智能体仿真技术识别快捷物流装卸作业瓶颈，并提出设施设备配置优化方案，对发挥既有设施作业能力，提升作业效率具有重要指导作用。本研究基于典型铁路快捷物流作业区布置形式进行装卸作业仿真，通过仿真试验识别叉车能力不足的作业瓶颈，并提出合理配置区间，但缺少对业务流程的优化及智能化物流装备应用的考虑，因此在未来研究中，需结合仿真优化业务流程，进一步提升铁路快捷物流作业区作业能力，并考虑立体货架、无人叉车等智能物流装备在铁路场景中的应用。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(P2023X014)

中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2022YJ355)