英语原文共 11 页

信息通信技术对多式联运系统的影响：Petri网的建模方法

摘要

考虑到新信息和通信技术（ICT）的影响，本文讨论了在运营层面建模和管理多式联运系统（ITS）的问题。ITS被视为离散事件系统，并在时间Petri网的框架中建模。为了显示ITS建模和控制技术的效率，考虑到了意大利的Trieste渡轮码头的案例研究，结果表明，该方法可用于验证ICT对ITS的有效实时管理的潜力，以及它们对ITS基础设施的影响。

1． 介绍

多式联运系统是整合不同运输服务的物流网络，旨在及时将货物从原产地转移到目的地，并使用多种运输方式(Caris, Macharis, amp; Janssens, 2008; Macharis amp; Bontekoning, 2004)。它的管理和规划问题是目前研究的相关主题，因为它比传统交通系统更有效、更经济、更可持续地运输(Crainic amp; Kim, 2007; European Commission Task Force, 1997)。然而，由于这些系统的动态性和大规模，决策的层次结构，参与的参与者的多样性, 以及各种输入和操作的随机性，导致决策是一个非常复杂的过程。在相关文献中经常提到的一个控制所有决策的系统方法是基于一个三级层次: 战略、战术和运营层次。战略层面规划涉及ITS设计并考虑几年的时间范围，需要近似和汇总数据。战术层面规划主要是指通过给定的物流网络优化商品和服务的流程。最后，运营级别管理是一种短期规划，涉及所有运输商的运输安排，每小时一班，根据不断变化的市场条件以及不可预见的运输要求和事故。

随着信息和通信技术的发展, 利用这些创新技术对其决策的有效影响，可以用不同于过去的方式处理业务问题。事实上，信息与通信技术解决方案可以增加数据流和信息质量，同时允许智能交通系统和交通网络中的实时数据交换 (Crainic amp; Kim, 2007; Dotoli amp; Fanti, 2006; Dotoli, Fanti, amp; Meloni, 2006)。正如Giannopoulos (2004)所讨论的信息和通信技术的许多应用于交通运输领域的新应用目前正处于不同的发展阶段，但在信息传递领域，新的系统似乎是单一的。在将信通技术解决方案应用于多式联运方面, 一个重要的、基本上尚未探索的研究领域是：在新的信息和通信技术工具实施之前，通过成本效益分析 (Xu amp; Hancock, 2004; Zografos amp; Regan, 2004)，在业务层面对管理和控制的影响的评估。特别是，一个有效的模型运营层面通过整合信息流，应侧重于评估描述活动、资源 (成本、利用率和库存) 、产出 (吞吐量、提前期) 和灵活性 (提前期、提前期可变性) 的绩效指标 (Viswanadham，1999 )。

相关文献中，仿真是分析运输物流和评估解决方案影响的高效有用的工具 (Coronado, Coronado, amp; Lalwani, 2009; Shabayek amp; Yeung, 2002; Yun amp; Choi, 1999)。然而，多式联运和它们的决策过程并发程度高，具有资源共享和冲突的特点。因此，它的系统可以成功地建模为离散事件系统 (DES)，其动态取决于离散事件的相互作用，例如终端的运输工具的需求，离开和到达以及车辆的收购和释放资源。DES模型广泛用于描述物流系统中的决策制定和运营流程。特别是，Ramstedt 和Woxenius (2006)分析有关交通链中决策过程模拟的文献等，例如Gambardella(1998)模拟联运集装箱码头的资源分配问题。在随后的工作中，Rizzoli(2002)等人提出了内陆联运终端之间和内部多式联运终端单元流的离散事件仿真模型，通过公路网为用户区服务，并通过铁路走廊相互连接。此外，Legato和Mazza（2001） 提出与集装箱码头中的船舶基本过程相关的物流活动的排队网络模型。文献(Parola 和Sciomachen, 2005)也将离散事件仿真模型用于在多式联运集装箱环境中分析新的公路和铁路网络对物流系统的影响。此外，Maione (2008) 提出了一种多代理系统架构，用于模拟和控制联运集装箱码头。在可用的DES模型中，可以选择Petri网（PN）作为图形和数学技术，适用于描述并发和同步(Peterson, 1981)。实际上，(Fischer amp; Kemper, 2000)研究的多式联运终端的流程在(Degano amp; Di Febbraro, 2001; Di Febbraro, Porta, amp; Sacco, 2006)和时间Petri网 (TPN)中体现。

本文讨论了ITS在业务层面的管理，侧重于ICT工具对多式联运链管理和控制的影响。特别是，本文侧重于ICT的应用，允许利益相关者在用户友好技术的基础上共享信息。为了展示建模和控制方法，本文分析了由括Trieste港（意大利）和Fernetti卡车终端构成的ITS，以及由于Trieste——土耳其渡轮服务而涉及的卡车交通。更确切地说，ITS通过应用自上而下的方法并采用组成它的子系统的模块化描述在TPN框架中建模。

因此，本文的目的是双重的。首先，参考实际情况，它显示了简单ICT解决方案的引入如何能够显着改善ITS的行为。其次，在更一般的方法论层面，本文提出了TPN框架中的建模技术，该技术包括ITS的模块化描述。如果系统发生变化，则可以轻松更新生成的模型，并且可以使用所呈现的模块来描述任何通用ITS的子系统。

将TPN框架与其他离散事件仿真模型进行比较，一方面需要指出TPN无法像其他仿真工具那样详细描述ITS的所有复杂操作（例如Arena，Witness，ExtendSi等）。另一方面，诸如排队分析的更多聚合模型可以适合于描述ITS的真实网络，因为它们的计算成本有限，但是它们不能提供高分辨率。TPN通过适当的框架提供中间优势，允许使用PN表示的两个显着优点：图形和数学。一方面，图形方面使得能够以简洁有效的方式设计和验证模型。另一方面，数学表示允许我们在软件环境（即，众所周知的软件MATLAB）中容易地模拟系统，考虑以终端和运营商之间共享的不同信息水平为特征的不同动态条件。而且，在一些理论结果的基础上(Giua, DiCesare, amp; Silva, 1992)， PN数学表示允许通过执行广义互斥的监视库所来合成控制规则约束（GMEC）。更准确地说，控制法表达了现代ICT工具所允许的信息交换，并且可以通过TPEC在TPN框架中轻松实现。

因此，所考虑的案例研究是解释TPN框架中的建模和控制技术的手段。特别是，所提出的模拟分析提供了适当的性能指标，用于评估活动，资源（通过其利用）和产出（按吞吐量和提前期），以初步预见ICT解决方案整合的好处。该系统在两个操作条件下进行研究：第一个操作条件描述了所考虑的ITS的当前管理，而第二个操作条件假定ICT允许在物流参与者之间交换信息。在对模拟结果进行适当验证后，该模型用于预防性地估计ICT对ITS基础设施的有效影响，在系统资源利用率和系统成本指数方面进行绩效评估。

在本文的其余结构如下。第2节简要介绍了TPN，第3节描述了案例研究。此外，第4节描述了拟议的TPN模型，第5节和第6节分别介绍了两种运行条件下的系统管理和ITS模拟（即当前的港口管理和ICT集成解决方案）。最后一节第7节总结了结论。

2． Petri网的背景

2.1． Petri网的基础知识

Petri网（PN）是一种广泛使用的工具，用于描述DES的结构和动态(Cassandras amp; Lafortune, 2008)。本节回顾了PN的一些基本定义。有关其他详细信息，请感兴趣的读者查阅(Peterson, 1981)。

时间PN（TPN）(Peterson, 1981)是由五元组描述的二分图，其中P是一组具有的库所，T是一组具有 变迁。注意，符号表示通用集A的基数。转换集T被划分为立即转换的集合（由条表示），指数转移的集合（由框表示）和确定性的集合定时变迁（用黑框表示）。矩阵Pre：和Post：分别是入射前和入射后矩阵，用于指定连接库所和变迁的弧。更确切地说，对于每个pP和tT元素，Pre（p，t）（Post（p，t））等于表示从p到t（从t到p）的弧存在的弧线多重性的自然数，并且否则它等于0。此外，函数F：T→指定与每个转换相关联的定时。特别地，对于每个确定性定时转换，函数F指示其（常数）点火延迟，即;对于每个指数分布的定时转移，F指定平均发射延迟，即，其中是相应指数分布的参数;对于每个立即 函数F表示相应的零点火时间，即。注意，N是非负整数的集合，是一组非负实数。

网络的关联矩阵定义如下：。给定TPN，对于每个库所，可以定义以下转换集：，命名为p的预设;和，命名为p的后置。类bull;似地，对于每个变迁，以下几组库所可以定义：，命名为t的预设；和，命名为t的后置。此外，如果转换tT没有输入弧，则称为源转换，即它保持。TPN的状态由其当前标记给出，该标记是映射M：，为网络的每个库所分配非负数量的标记。M由载体描述，M的第i个成分用表示，表示第i个库所中的令牌数。TPN系统是具有初始标记的TPN。

转换T在标记M处启用当且仅当（iff）为每个时，它保持和符号表示在标记M处启用T。当触发时，产生新的标记，由表示，由PN状态方程计算。

设是一系列变迁（或激发序列）：符号 表示序列可以在M处激发，产生。如果存在点火序列使得，则标记可以从lt;TPNgt;到达。可从 到达的所有标记的集合定义了可达性集。

2.2． 广义互斥约束

本节回顾了在PN上强制执行广义互斥约束（GMEC）的问题(Giua, DiCesare, amp; Silva, 1992).。在综合中，GMEC对库所子集中的标记的加权和强制实施限制，从而产生PN监督者，其指定状态反馈控制法则防止网络从初始标记到达给定的禁止标记集。通过GMEC表示控制器的优点是闭环系统可以使用PN技术和工具作为整体进行分析，并且控制动作的计算速度很快，因为它不需要任何单独的计算 (Wang, Zang, amp; Yan, 2004)。

令是TPN系统，其可达标记集是。假设给出了一组合法标记并考虑设计监控器的基本控制问题，该监控器将闭环系统的可达性集限制为。合法标记集由一组表示GMECs。特别地，GMEC是一对，其中是的权重向量，和Z是整数的集合。。控制代理人，称为主管，必须确保不会达到禁止标记，然后控制的法律标记集合为。当使用PN对监督控制问题建模时，转换可以是可控的或不可控制的。监督者可以禁用可控转换。(Giua, DiCesare, amp; Silva, 1992),，如果所有转换都是可控的，则强制执行（L，H）的TPN控制器具有由下式给出的关联矩阵并且控制器数控的初始标记由下式给出。如果初始标记是合法的，则控制器存在，即.如此构造的控制器是最大允许的，即它仅防止产生禁止标记的变迁点火。控制网有控制库所，称为监控库所，并且没有转换添加到受控网络。

3． 案例研究的描述

本节分析了一个描述ITS的真实案例研究，包括Trieste港（意大利），Fernetti卡车码头，连接它们的道路和高速公路。特别是，考虑了由于港口和卡车终端之间的Trieste——土耳其渡轮服务而产生的卡车交通。此外，由于ICT工具集成到系统中，因此考虑了物流系统的当前管理和可能的ITS修改。

道路连接与两个终端之间的道路长度的示意图如图3.1。卡车驶向土耳其从所谓的Lisert收费站进入该系统，每日收费率不同。特别是系统中考虑了两种类型的卡车：直线卡车和半挂车：直线卡车（也称为厢式货车）是单体车辆，货体和牵引发动机安装在同一底盘上，而半拖车（也称为铰接式卡车）是由牵引发动机（通常称为拖拉机）和承载货物的半挂车组成的铰接式车辆。此外，图6.1.1显示一些额外的厢式货车每天都会进入ITS，从Salzburg抵达的Trieste的专用列车将装载到土耳其的船上。特别是在港口，Trieste和土耳其之间每天都有滚装/滚装渡轮服务。这艘船可以毫无区别地开出辆。港口排队区的容量为直列车和半挂车，因此两种运输方式的物流管理不同。更详细的是，直线卡车就这样开始了，而从Lisert抵达港口的半挂车首先被拆卸，因此他们的未挂钩的半挂车就开始了，而拖拉机在专用的停车场等待其他半挂车的到达在下一艘船上进一步运费。此外，请注意来自Lisert收费站的半挂车可以直接前往港口停车区等待轮到他们。相反，如果必须从Lisert出发一辆直行卡车，它必须首先前往Fernetti卡车终端等待转弯。Fernetti终端最多可容纳卡车。表3.1总结了ITS资源的能力。

前往土耳其的渡轮每天下午6点开航，登船于中午5:30开始登机。在Fernetti等待的卡车只能在登船期间前往港口，因此，考虑到两个终端之间的距离，他们只能从上午11点到下午5点离开Fernetti。Lisert收费站，Fernetti码头和港口通过高速公路连接，其名称和长度如图所示图3.1.此外，火车抵达港口（见图3.1）每天上午11点，下午01点和（周二和周五除外）下午3点。

目前在物流系统终端之间没有信息流。因此，在续集中，作者调查了ICT工具的整合，这些工具可以告知来自Lisert收费站的卡车和在Fernetti终端等待港口区域未使用容量的车辆。更准确地说，管理系统使得直接卡车进入ITS时可以在系统资源可用时直接前往港口，并防止车辆在饱和时驶向港口。

图3.1 案例研究的示意图

表3.1 图3.1中ITS的资源容量

4． 时间Petri网模型

本节介绍了TPN建模技术，该技术可用于通过考虑卡车通过道路到达港口和

资料编号：[5018]