大型舰船物资转运瓶颈解析计算及分段优化方法

金迎村，宗砚，王皎

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064



大型舰船物资转运瓶颈解析计算及分段优化方法

金迎村，宗砚，王皎

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

摘要：大型舰船物资转运属于复杂的物流过程，针对转运时间与路线、通道要素、转运设备参数互为优化约束条件的特点，建立一种基于运筹学的复杂转运路线瓶颈早期解析计算方法，在按一定原则将复杂转运路线分段后，计算分析转运路线中各分段的流量及转运时间，确定转运路线中的瓶颈环节，并对瓶颈所在分段的通道及设备进行调整，同时依据流量均衡原理对全路线各分段进行优化。该方法能够在大型舰船设计初期，针对同时在多条复杂路线进行的物资转运的情况，经过相对简单的计算和列表分析后，判断出转运瓶颈，同时还可对物资转运系统中的主要组成部分包括转运路线、通道要素、设备性能指标等的合理性进行有效分析和调整，形成较为优化的物资转运方案，减少以往进行仿真计算的时间和工作量，避免在设计后期因转运设计不合理带来总布置和设备的较大修改。

关键词：大型舰船；物资转运；瓶颈；解析计算；分段优化；Flexsim软件

0　引言

航母等大型舰船的食品、日用品类物资通常存储在相应的仓库中，多个仓库集中布置，形成数个仓库群。仓库群分区域设置在舰船靠近底部的不同甲板层上，不同仓库群之间可能存在较长的水平距离。舰船进行普通物资补给时，补给物资上舰后，转运的起点在主甲板或露天平台的补给接收点处，转运的终点为物资存储仓库，物资转运发生在露天甲板、平台以及舱内，可视作大型舰船典型的物资转运过程。

1　大型舰船典型物资转运路线及流程

大型舰船的物资转运属于复杂的物流过程。当物资需要从多个补给接收点（物资转运起始点）转运至全船各物资存储仓库内时，在主甲板或者主甲板以下的露天平台上进行转运的物资一般需经过露天升降机、大型叉车、露天垂直输送装置等设备运送至舱内，其特点为运送量大，运送路线长（图1）。

图1大型舰船复杂转运路线示意（露天甲板及平台）Fig.1　 Complex routes of material transportation on the deck of large naval ships

在舱内进行的物资转运主要是将物资经过舱内通道送至各存储仓库。由于舰船舱室及通道的密性要求，舱内的水平转运通道上一般有多个高度不同的门槛，不同通道的宽度、高度及通道内设施布置的情况也各不相同。物资在舱内转运时，由于需经过不同的通道和门槛且要避开通道内的其他设施，因此可能会更换各种不同转运装置，例如，在不同通道分别采用水平输送小车、传送带或滑道等设备进行转运［1-2］。图2为物资在舱内向各个存储仓库进行转运的典型路线示意，转运所经过的舱壁门或通孔部位通常都有一定高度的门槛。在舱内的垂直转运通常采用多层货物电梯，经过多层甲板的垂直转运如图3所示。无论是露天甲板平台或舱内物资转运都可能存在多个路线同时进行转运的情况。

图2大型舰船复杂转运路线示意（舱内水平输送）Fig.2 The complex routes of material transportation in large naval ships（inboard and horizontally）

图3大型舰船复杂转运路线示意（舱内垂直输送）Fig.3　 The complex routes of material transportation in large naval ships（inboard and vertically）

对于大型舰船来说，物资转运往往在多条路线上同时发生，每条路线上的转运物资都可能经历如物资拆包、设备转换等各种环节，物资转运路线和流程等要素可以用网络图表示［3-4］。图4所示即以网络图的形式，表示在典型物资转运流程中，物资从起始点转运到仓库需要经过的路线、节点、转运通道特征和所使用的转运设备等各种信息要素。网络图中所示的节点，为需要在该处进行转运设备的更换，或者需要人员进行其他辅助作业，如装卸或拆包、扫描、打印条码等操作的地点［5］。

图4大型舰船复杂转运路线流程典型算例网络图Fig.4　 Typical example flow chart of material transportation in a large naval ship

2　早期分析需求

舰船的物资转运是舰船补给中一个必不可少的环节，物资转运经常要占用主甲板和主要通道大面积的区域，转运速度直接影响下批次物资能否按时补给上舰。从作战和防御需求的角度来说，舰船应在尽量短的时间内完成规定数量的物资转运［6-7］。

在大型舰船的典型物资转运过程中，各类转运物资的包装形式多样，存储地点分散，运输设备转换频繁，整个过程通常要经历接收平台、露天甲板、转运通道等环节，多数货物转运路线长达上百米，物资在转运期间可能会经过露天升降机、大型叉车、露天垂直输送装置、水平输送机、垂直升降机、舱内推车、传送带、滑道等多种设备的装卸和更换。在这样转运路线长、环节多、通道要素多变、转运设备更换频繁的复杂路线转运过程中，很可能会出现转运瓶颈，影响整个物资转运的效率。

上述的物资转运过程在每条路线上并不是完全连续进行的，而是间隔的离散随机事件过程［8］。对于该类事件，凭直观很难准确判断出影响全部转运效率的瓶颈，目前也没有针对此类问题的较成熟的解析分析方法，通常采用的是能获得较为精确结果的仿真计算方法［9］。而在大型舰船设计的初始阶段，转运方案的设计相对比较粗略，总布置处于不断调整中，总体及各系统和设备技术方案均存在较大变数，其他接口状态也未完全确定，在很大程度上影响了仿真建模的精度，而且也会耗费大量的人力和时间。

舰船的使命任务主要是海上作战及防御，其舱室布置、通道设置、船体结构和设备使用环境条件均以作战及防御功能为主要出发点，限制了为实现最优的物资转运方案而对总布置和通道进行较大调整的可能性。因此，舰船的物资转运设计与陆上的物资转运有很大区别，难以直接应用物流学的成熟理论和方法作为依据进行分析、计算和优化，需寻找适合舰船物流特点的计算分析方法。在以往进行的复杂路线物资转运设计中，其设计难度及仿真计算需花费较长时间和较大工作量，而因转运瓶颈问题造成设计后期的总布置和相关系统的大量调整，也使在舰船设计早期阶段即能进行瓶颈优化及整体合理性调整的需求更加突出，需要有一种较为简易的方法，能较快且准确地判断出全部转运线路中不合理的环节，对其总布置或设备进行调整及优化，避免在设计后期进行较大的修改。

3　解析计算及分段优化

大型舰船通常存在多条转运路线，如前所述，在总布置框架基本确定的情况下，很难对转运路线进行全面调整。多数情况下，对路线中每段通道要素及转运设备参数分别进行改进更容易实现。在舰船这种特点下，可以将转运瓶颈分析分解为对转运路线每个分段参数的计算和优化，以舰船需完成的总转运量为设计输入，以转运时间为优化目标，以通道要素和转运装置转运能力为约束条件，通过对每个分段的最大转运量及最少转运时间进行计算分析，找出转运瓶颈，根据流量均衡原理，对各分段转运能力进行调整，实现对舰船转运全路线转运能力的整体优化。

对于物资转运瓶颈，可理解为该处的物资转运速度/流量与整条路线其他环节的流量不匹配，导致在该处产生了货物的堆积。转运瓶颈可以在转运路线网络流量计算的基础上，通过进行转运时间计算而分析得出。网络流量的计算可以借鉴运筹学的网络最大流分析方法［9-11］，但并不能完全归结为求最大流的问题，而是将每个物资转运终点（仓库）的补给需求量作为全部转运需求的已知量，通过对网络中每个环节的流量计算出该环节转运全部需求量物资所需的时间，从而分析查找全部路线中流量相对不均衡的环节。以大型舰船典型物资转运路线和流程为例，按以下方法进行物资转运瓶颈分析及分段优化：

1）根据大型舰船转运的初步方案，将复杂路线物资转运过程从转运起始点（通常为补给接收点）到存储点（存储仓库）划分为各个转运分段。分解的原则可为根据转运路线中转运通道特征、转运设备变化、产生装卸拆包等环节，若转运的起始点为vs，终点为vt，用nij表示在整个过程中从vi到vj运送的货物最小包装单元总量。

2）绘出大型舰船复杂转运路线分段网络示意图（图5），根据流程图，将艏部、舯部同时接收的转运过程用网络图表示，图中包含了每个转运环节的起点vi到终点vj，转运设备的主要技术参数V，通道要素lij等。根据已知的各仓库的物资下舱需求量，可得出各转运环节的转运总量nij。对于从vi到vj的每个转运环节中的最小包装单元运送总量nij，则需满足：

根据式（1）列方程，对于终点vt，可根据其对应的各个冷库容量，确定每次补给仓库的补给物资需求量，补给接收点（起点）vs的物资接收量与之相等。则式（1）中v(n)为已知量，由此可列出网络各分段运送的最小包装单元总量的线性方程，并据此求解出每个环节在转运中运送的最小包装总量nij。

3）mij为从vi到vj点可同时工作的转运设备每次转运中运送的最小包装单元数量，V表示该设备的运行速度，lij表示vi到vj点的水平或垂直距离。则该段转运环节可达到的最大运输流量qij为

则在vi到vj点的环节中，完成所需转运物资的最少时间为

图5大型舰船物资转运分段计算网络示意图Fig.5　 Network diagram for sectioned calculation of material transportation in large naval ships

4）在对以上转运分段进行系列计算后，可找出转运时间相对较长的分段，即对于物资转运的全部路线环节来说，其瓶颈环节v*

ij为

大型舰船的物资转运可能在多个路线进行，对于持续发生转运作业的某一路线来说，每一个分段可能进行设备的更换、货物的装卸或人员对设备的操作，如果某一个或者几个分段转运所需物资的时间过长，则意味着其他需要较短转运时间分段的物资在该分段的起始处会发生等待和堆积，也就是通常所说的瓶颈。

5）分析各段计算结果，对转运时间较长的分段（瓶颈）进行优化，优化目标为尽可能提高各分段的流量qij，主要为对通道要素进行优化和对设备方案进行优化。

以上步骤中，如果对某分段进行优化，受到舰上其他功能的限制时，对其无法再进行流量的优化改进，该分段就成为转运路线的关键约束点，关键约束点决定着全路线的转运效率。在转运设计中，为使全部转运路线不存在过度优化的现象，可以比对全舰的关键约束点的流量，对全部转运路线的流量进行分析调整，使转运通道中的区域流量均衡。其中，货物缓冲区的流量确定需比普通转运通道环节的流量有余量。如果对全部分段进行优化和调整后，转运所需的时间仍无法满足指标要求，则需对关键约束点进行优化，这时往往涉及到全舰整体布置方案的较大调整，需要从多方面来权衡调整方案［2，8-9］。

4　列表计算

以上瓶颈计算中，需对全部路线上的每个分段环节的流量进行计算，可采用列表方法，使计算过程和结果分析更加直观并便于比较。

表1是根据大型舰船物资转运网络示意图设计，可对各转运路线分段环节进行瓶颈计算的表格。表中根据转运顺序列出了每个转运分段环节的各转运要素，包括各环节的起点、终点、所用的设备、设备每次装载物资的体积、每次装载的基本包装单元数量qij、设备转运速度V和设备往返距离（或高度）lij等，可以得出该分段完成全部转运量的最少时间tij。将以上各参数及计算值填入表1中的各栏中，并按各转运路线主要分段环节（货物出升降机后到各仓库内时间略）的计算中间值和结果，表中最后一列为从vi到vj的环节中，完成所需要转运的物资最少时间tij

在对典型物资转运的全部路线环节进行计算后，对于tij进行分析比较，得出转运时间最大的分段环节v*

ij= max tij，还可以从表中找出相对于其他环节较大的tij值。这些分段完成全部转运物资所需的最少转运时间，若远大于其他分段转运所需的最少转运时间，即为瓶颈环节。完成列表中的计算后，可知在全舰转运路线中，需对这几个环节的转运设备配置及主要参数、通道设置情况和流程确定等方面进行优化。同时，对于相对于其他分段所需转运时间较长的分段，也应对其各转运参数进行分析，看是否有优化调整的可能。

表1大型舰船复杂路线物资转运瓶颈计算列表Tab.1 Bottlenecks in the calculation of material transportation routes of large naval ship

调整后可再列表进行对比分析，在转运设备参数和总布置资源约束的条件下，以流量均衡为原则，对各个分段的转运参数进行调整优化，使各分段转运时间尽可能均衡相近，以实现最终方案在整体上更为优化合理。

5　与仿真计算法的对比分析

对于大型舰船物资转运这类离散随机事件，系统仿真法也是常用的计算方法［12-13］。系统仿真是非解析方法，它通过相关仿真软件可以直观地反映物流系统的特性，分析优化系统流程和运行性能，也是目前解决物流系统设计的主要手段之一。系统仿真计算法在应用阶段、计算过程、最后优化的目标及方法等方面，与第4节所述的瓶颈解析计算和分段优化方法有着较大不同。

以物流系统常用的可视化仿真软件Flexsim为例。Flexsim是面向对象的仿真建模工具，其对象参数可以表示包括作业人员、滑道、叉车、升降机、货架、托盘、集装箱等在内的几乎所有的实物对象。实物对象可以用Flexsim中的模型表示，同时数据信息也可以用Flexsim模型库表示，整个仿真可以反映物流系统的空间立体特性。对物资转运系统进行仿真计算时，首先应在已确定的详细转运流程、转运设备参数、人员配置以及转运作业动作细节的基础上建立仿真系统，再根据仿真模型动态模拟所有路线的全部转运过程，并在此基础上分析结果，通过多次修改各类参数和反复仿真，实现对转运系统设计的间接优化。

因此，仿真计算是对物流的实际发生过程进行模拟。对于大型舰船在多条路线同时进行的复杂转运流程来说，建立完整的物资转运仿真模型，需要在假设已完成全部需转运物资数量的基础上，确定实际在每条路线上发生的转运详细流程，即对多个路线同时进行转运的实际情况进行模拟，包括人员的具体作业细节，例如对人员操作的动作参数进行设置等［14］，同时还需确定全部物资多路线转运的指挥管理调度策略，由此才能建立准确的仿真模型，得出全舰物资转运所需时间情况以及瓶颈提示。

由此可见，在对转运瓶颈进行分析时，仿真计算与解析计算不同的是，仿真过程是对转运的全部实际发生的动态细节进行模拟评估，包括转运指挥控制策略等各方面内容。仿真计算不仅需要有非常详尽的物资转运方案流程以及转运指挥调度管理方案，而且要进行较为精确细致的建模。在舰船设计初期，对转运系统的方案确定很难达到仿真计算所需要的精准程度，且在舰船设计初期，设计师更关注的是总体布局和设备配置的合理性。第4节介绍的瓶颈解析计算及分段优化方法，仅针对转运过程中的瓶颈进行评估计算。主要根据转运环节的通道要素、转运设备各性能指标参数，评估该路线完成所需转运物资量的最小时间，是对全部转运路线上每个转运分段客观能实现的最大转运能力评估，也是对该物资转运环节中包括通道及设备等各性能指标进行评估。评估后的优化调整也是旨在调整各通道的转运要素，达到每个环节的流量尽量均衡。该方法相对于仿真来说，简而易行。

因此，解析方法更适合在舰船设计早期对整体转运方案进行综合比较优化，在此基础上确定更详细的转运方案后，再采用仿真计算进行局部调整，确定更精确合理的物资转运方案和作业流程。在解析运算中也可以借鉴仿真建模过程中对人员作业环节的处理，例如在表1所列的计算项目中，对于在起点或终点有大量装卸货物、扫描或其他人员需要操作的转运分段，其时间的计算除考虑流量因素等环节外，还可根据人员作业所需时间情况乘以相应系数，使解析计算结果更精确。

值得一提的是，比较某个典型转运算例的解析计算结果和仿真计算结果，两者对瓶颈环节的判断基本一致。例如，对图4所示的大型舰船转运算例中的A、B路线进行解析计算，得出1号、3号货物电梯入口前的转运分段（l5，l39）为所在转运路线瓶颈，对A、B路线转运过程进行仿真计算（图6），结果相同。增大此处的通道及货物堆放区面积后，提高了该分段的转运最大运输流量，对整体转运效率有较大改善。

图6大型舰船复杂转运路线转运算例仿真图Fig.6　 Simulation example of material transportation routes in a large naval ship

6　结　语

舰船物流设计在国内属新兴设计领域，在理论设计方法和实际应用方面都有待不断探索。上述方法根据大型舰船物流的特点，综合应用了现代物流学、运筹学的原理和方法，为大型舰船复杂路线物资转运设计提供相对简单可行的设计流程。解析计算方法可在航母等大型舰船早期立项论证和方案设计阶段，无需进行大量仿真建模运算，只经过相对简单的计算分析后，即可对转运系统中包括转运路线、通道、设备性能指标等主要组成元素的合理性进行判断和调整，形成较为优化

的物资转运方案，同时对舰船的总布置提出优化和调整建议，可避免在设计的中后期发生颠覆性修改。在对一些具体算例的应用中，也证明了该方法相对于舰船设计后期的仿真计算来说更加简单实用，对航母等大型舰船复杂路线转运方案中路线、总体通道要素、转运设备参数等的确定和优化，能达到满意的结果，可在今后大型舰船物流系统的设计中加以推广和完善。

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Analytic calculation and sectional optimization of material transportation bottlenecks in large naval ships

JIN Yingcun，ZONG Yan，WANG Jiao
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Abstract：Material transportation is a highly intricate logistics process on large naval ships, where the transportation time is affected by the transportation route, alleyway, and transporting equipment, etc. In this paper, a method of analytic calculation of the complex material transportation bottleneck, based on opera⁃tional researches, is proposed. The route is first divided into several sections, and the bottleneck is deter⁃mined after calculating and analyzing the flow and time of transportation in each section. The alleyway and the equipment on the bottleneck should be adjusted accordingly, and each section of the route could be op⁃timized to the equipoise principle. In brief, the proposed method can locate bottlenecks through relative simple calculation when the material is transported on several complex routes at same time, and the ratio⁃nality of the route & alleyway & equipment can be judged and modified to optimize the overall transporta⁃tion project. It is seen that the time and effort in the simulation calculation is reduced, and further modifica⁃tion of arrangement and equipment can be avoided.

Key words：large naval ship；material transport；bottleneck；analytic calculation；sectioned optimized；Flexsim

作者简介：金迎村（通信作者），女，1970年生，硕士，高级工程师。研究方向：船舶装置。E-mail: mickey_cl@163.com宗砚，男，1984年生，硕士，工程师。研究方向：船舶装置。E-mail: wuhan701zzk@163.com

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2015 - 06 - 22网络出版时间：2016-1-19 14:55

中图分类号：U664.8

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.016

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.034.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：金迎村，宗砚，王皎.大型舰船物资转运瓶颈解析计算及分段优化方法［J］.中国舰船研究，2016，11（1）：121-127. JIN Yingcun，ZONG Yan，WANG Jiao. Analytic calculation and sectional optimization of material transportation bottlenecks in large naval ships［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：121-127.