（交通运输规划与管理专业论文）配送服务时间可靠性研究.pdf

摘要 随着配送服务在国内的迅速发展，越来越多的企业对配送服务水平日益重视。 多数配送企业着重于提高配送效率，提高服务能力，降低配送成本，然而，面对 着激烈的竞争市场，已有的配送指标不能满足客户的配送服务需求。配送时间可 靠性现成为客户选择配送企业的重要指标，也成为配送企业构筑本企业核心竞争 力的发展方向之一。 由于配送服务具有随机性和复杂性，其各个阶段的任务时间也具有较大的波 动性。本论文在总结国内外可靠性研究成果，分析配送服务发展存在的问题的基 础上，探讨了配送服务可靠性理论体系的建立，借鉴路网可靠性指标定义了多个 配送服务可靠性指标，给出了指标计算方法，对各种指标和方法进行比较分析。 基于上述考虑，本文以配送服务过程为研究对象，以系统最优为目标，建立 了配、送两阶段的时间可靠性模型。配货阶段的时间可靠性模型主要参照工程可 靠性中的边值法进行构建；送货阶段的时间可靠性模型考虑了在送货过程中的可 靠性影响因素，构建了以服务水平为变量的概率模型，采用近似算法对该模型进 行了求解。并用具体算例对所建立模型和算法进行分析验证，获得了满意结果。 文章最后对配送服务时间可靠性进行了经济分析，讨论了可靠性成本对不同利益 集团的影响。 关键词：可靠性；配送；近似算法；双层规划模型 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t i o ni nc h i n a ，m o r ea n dm o r ee n t e r p r i s e s a r ep a y i n gm o r ea t t e n t i o nt od i s t r i b u t i o ns e r v i c el e v e l m o s td i s t r i b u t i o ne n t e r p r i s e s o v e r w e i g ht oi m p r o v e d i s t r i b u t i o n e f f i c i e n c y a n ds e r v i c e a b i l i t y , t o d e c r e a s e d i s t r i b u t i o nc o s t h o w e v e r , e x i s t i n gd i s t r i b u t i o ni n d i c e sc a n t s a t i s f yc u s t o m e r s d e m a n d sb e f o r ef i e r c ec o m p e t i t i o nm a r k e t t h er e l i a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o nt i m eh a s b e c o m e st h em o s ti n d e xf o rc u s t o m e r si nc h o o s i n gd i s t r i b u t i o ne n t e r p r i s e sa n da l s oo n e o ft h e d e v e l o p m e n t t r e n d so fd i s t r i b u t i o n e n t e r p r i s e sc o n s t r u c t i n g t h e i rk e y c o m p e t i t i v e n e s s f o rd i s t r i b u t i o ns e r v i c e sr a n d o m n e s sa n dc o m p l e x i t y , t h em i s s i o nt i m eo fi t se a c h s t a g eh a sb i gf l u c t u a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nb a s e do ns u m m a r i z i n gr e s e a r c hr e s u l t so f r e l i a b i l i t ya n a l y s i sd o m e s t i ca n da b r o a d ，a n a l y z i n gd e v e l o p m e n tp r o b l e m si nt h e d i s t r i b u t i o ns e r v i c e ，d i s c u s s e sr e l i a b i l i t y s y s t e mi n f oe s t a b l i s h m e n to nd i s t r i b u t i o n s e r v i c e ，d e f i n e ss o m er e l i a b i l i t yi n d e x e su s i n gr e l i a b i l i t yi n d e x e so fd i s t r i b u t i o n s e r v i c e ，p r o v i d e ss o m ei n d e xc a l c u l a t i o nm e t h o d sa n dc o m p a r a t i v e l ya n a l y z e st h e m a st h ec o m p l e x i t yo fd i s t r i b u t i o ns e r v i c ep r o c e s s ，t h i s p a p e rs e t su pt i m e r e l i a b i l i t ym o d e l sf o rt h et w os t a g e s t h ef i r s tm o d e lu s e st h ee n g i n e e r i n gm o d e l ；t h e s e c o n dm o d e lc o n s i d e r st h el o s p r a c t i c a le x a m p l ea n a l y s i si sg i v e n e c o n o m i c a n a l y s i sa b o u td i s t r i b u t i o ns e r v i c et i m e sr e l i a b i l i t yi sp r o p o s e da tt h ee n do ft h i sp a p e r r e l i a b i l i t yc o s t si n f l u e n c eo nd i f f e r e n ti n t e r e s tg r o u p si sa l s od i s c u s s e da tt h i sp a r t k e yw o r d s ：r e l i a b i l i t y ；d i s t r i b u t i o n ；a p p r o x i m a t i o na l g o r i t h m ； b i l e v e lp r o g r a m m i n gm o d e l i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：碴狄日岫年丫月西日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 ， 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：匀f 南k 别醛轹学一 日w 年，月日 日期：多勿g 年j - 月矿日 第一章绪论 物流活动是人类古老的活动之一，只要存在生产要素的空间分离、生产与消 费的分离以及对资源配置的要求，物流问题便随之出现。随着商品生产和商品交 换的扩大，物流的重要性日益突出，已经成为社会再生产的重要组成部分，也成 为影响企业经营成本和利润的重要因素。配送作为物流的一项重要职能，几乎包 括了所有的物流功能要素。因此，配送服务研究成为研究者广泛关注的课题，本 文主要借鉴可靠性工程理论，将可靠性的研究框架应用到配送服务中，以期预测 和评价配送服务时间可靠性，提高配送服务的准确性。本课题紧跟当前的研究前 沿，具有很大的理论与现实意义。 1 1 研究背景 随着社会技术进步和现代物流管理水平的提高，现代物流系统中通过“储存” 创造物品时间效应的功能正在弱化。而利用不同的运输方式，通过发挥不同交通 运输方式的技术经济特点，合理地组织运输，特别是实施准时制配送，使交通运 输与物流配送在现代物流系统中的重要地位更加凸现出来。 现代经济的发展促进了现代物流配送的发展。配送是指在经济合理区域范围 内，根据用户要求对物品进行拣选、加工、包装、分割、组配等作业，并按时送 达指定地点的物流活动。配送是以全球通信网络为基础，没有可靠的物流配送， 电子商务的发展也将受到极大的限制。 近年来在印尼、中国等地发生的自然灾害已经引起了人们对在物流配送领域 展开可靠性分析的重视。2 0 0 4 年的印尼海啸造成了大量人员的伤亡，国内外救援 物资配送可靠性的高低直接影响着伤员的救治工作。2 0 0 7 年中国南部特大雪灾造 成交通几乎瘫痪，生活必需品的供应受到前所未有的威胁。由于道路结冰造成的 交通事故等不确定事件也会影响到配送可靠性。此外，2 0 0 8 年北京奥运会和2 0 1 0 年上海世博会的举办，又将给物流配送提出新的挑战。 在日常的货物配送中，更为稳定可靠的配送服务水平也日益成为客户和管理 者的迫切需要。物流企业希望货物能在准确的时间送达，以便维持其正常的生产 和经营。这种需求促成了以某一规定的时间达到目的地的可靠性研究，即配送服 务时间可靠性。路网可靠性研究的迅速发展也对评价与预测不确定环境下的物流 配送服务时间可靠性提供了有益的参考。 配送是配货与送货有机结合的形式，其主要经济活动是送货，由于送货的一 个重要特征就是随机动态性。有多种因素影响制约着物流配送服务的可靠性，比 如驾驶员的路线选择、人员配置、道路条件( 包括道路线型、横断面组成、车道 宽度、路面状况等) 、车辆性能、交通组成、交通流量、交通管理措施、交叉口交 通状况、气候条件等。 现有的物流配送研究文献中，主要集中于配送网络的设计、配送车辆的路径 选择、配送成本优化以及最短路问题等方面。然而这些常态性能指标，己经难以 满足用户的要求。要更加合理地反映物流配送服务的随机动态性特征，就必须引 入可靠性分析。配送服务时间可靠性作为配送服务可靠性的一项重要指标，能充 分反映配送服务质量的优劣。 1 2 研究目的与意义 国内外实践证明，配送服务可促进商品流通的社会化、现代化与合理化，是 一种极具生命力的流通方式。由于长期以来，我国重生产轻流通，在现代化建设 中，流通严重滞后。所以，加快流通现代化的步伐非常重要。流通现代化包括流 通设施、技术装备现代化和流通管理现代化。而配送作为一种综合性的物流活动， 要求相应的生产手段，包括现代化的仓储、计量、分拣、加工、装卸搬运和运输 等技术装备。同时要求拥有高素质的配送人员，组织、运用先进的管理方法和手 段，特别是利用计算机进行信息处理和辅助管理。因此，对“配货 与“送货 两阶段的服务时间进行可靠性分析，有利于决策者优化人员配置，确定敏感路段， 规避高风险路段。因此，建立配送服务时间可靠性指标非常重要，其意义如下： ( 1 ) 2 1 世纪是以知识经济和高科技为主导的世纪，竞争更加激烈。物流服务的 竞争实质上是配送服务可靠性的竞争，只有掌握可靠性技术的物流企业才能提供 高水平的物流服务水平。 ( 2 ) 随着国家对基础设施投资力度的增大，路网规模日益增大，组成路网的路 段数急剧增加，路网的复杂性也相应增大，因此对各路段可靠性采用对应的方法 进行分析才能保证整个路网的可靠性。 ( 3 ) 在方案论证阶段，通过预计配送服务时间可靠性，比较不同方案的可靠性 水平，为最优方案的选择和方案优化提供依据。 ( 4 ) 分析影响时问可靠性的主要因素，找出薄弱环节，采取相应的措施，提高 系统的时间可靠性。 ( 5 ) 为时问可靠性增长试验、验证及费用核算等提供依据。 ( 6 ) 为可靠性分配奠定基础。 ( 7 ) 通过对配送服务时间可靠性的研究，定量分析可靠性与各成本间的关系。 其一般关系如图1 1 所示。 2 成 本 图1 1 成本一可靠性曲线 1 3 国内外研究现状 可靠性 本 随着可靠性理论的日益成熟，进行可靠性研究的领域也越来越广，可以说这* 是一种必然的趋势。与行程时间可靠性相关研究可以追溯到2 0 世纪7 0 年代末， 国外关于交通运输与物流配送领域的可靠性研究文献有： b e l l t 引等( 1 9 9 7 ) 认为行程时间可靠度主要受交通流变化的影响。路径的行程 时间由各路段的行程时间决定，其期望值和方差等于各路段行程时间的期望值和 方差之和： ，、 丁= i 心，吒2l ( 1 1 ) 口pa e p 式中：t 为路径p 的旅行时间：以为路段a 的旅行时间的期望值；仃。2 为路段a 的旅行时间的方差。上式忽略了各路段旅行时间的相关性。定义可靠度为旅行时 间小于某定值的概率，得到旅行时间可靠度的模型为： 羽钏= 掣 ( 1 2 ) l a m 和x u b l ( 1 9 9 9 ) 根据路段检测器信息和交通调查的0 d 值，构建一个交通流 仿真器( t r a f f i cf l o ws i m u l a t o r ：t f s ) 计算路段流量，当路段流量收敛后，求得其 期望值和方差。 b e l l 和c a s s i r ( 1 9 9 7 ) 采用l o g i t 随机用户平衡模型进行敏感度分析，得到随 3 机用户平衡时路段流量的敏感度，从而得到近似的旅行时间敏感度和方差。代入上 式后，可求得旅行时间可靠度。 l e e ( 2 0 0 0 ) 认为旅行时间变动的本质是交通流和容量之间的相互作用。假设 交通需求为定值，容量变化符合正态分布，旅行时间可靠度是道路容量大于交通流 量的概率，则根据系统工程学的概念，路段旅行时间可靠度为： 胁) = 嫱e x p i ( - 叫g - 1 2 ) 卜 ( 1 3 ) 式中：x 为交通流量：为路段容量的期望值：仃为路段容量的标准差。路径的 可靠度等于路段可靠度的连乘值 r 一= 兀r ( 1 4 ) c h e n 哺“”e ta 1 ( 2 0 0 2 ) 将旅行时间可靠度的概念扩展到由于受天气、拥挤、 事故等因素影响而退化的路网。假设c 和c n 分别表示衰减后的和原始的路网容 量，o d 对w 间相应的旅行时间分别为u 。( c ) 和u 。( c o ) ，则旅行时间可靠度为： 以啦p ( 器朝 ( 1 5 ) 秒表示路网应始终保持的服务水平。为了评价整体路网的性能，c h e n 提出路网 的旅行时间可靠度等于所有路径的可靠度的加权平均和，很明显，这种方法没有考 虑各0 d 对的旅行时间的相关性，并不能真实反应路网的性质，并且加权值的确定 也有一定难度。 a s a k u r aa n dk a s h i w a d a n i n 订( 1 9 9 1 ) 提出了路网运行时间可靠度的计算模型， 此模型中考虑了交通流随时间的变化，以行程时间波动性来反映路网可靠性，讨 论o d 对间交通在一定的路网需求下在特定时间间隔内能够成功到达的概率。其定 义行程时间可靠度函数为车辆在路网阻塞状态运行时间与畅通状态运行时间之 比。然而，尽管他们使用了交通分配模型并考虑了路网中的流量，但是在可靠度 计算的模型中没有涉及道路的供应条件。 d u a n dn i c h o l s o n n 2 1 ( 1 9 9 3 ) 提出了交通条件恶化后的交通系统的可靠度研究 的框架在可靠度的分析中采用了随机平衡分配模型。a s a k u r a n 3 1 ( 1 9 9 6 ) 提出了运 行时间分布函数的近似算法。a b r a h a m n 们( 1 9 7 9 ) 提出了改进的路网可靠性算法。 a g a c h a is u m a l e e 、d a v i dw a t li n g n 朝( 2 0 0 3 ) 考虑了驾驶员路线选择情况下 的路网行程时间可靠性。并采用上下界法求得时间可靠性。p r a s h k e r n 引( 1 9 7 9 ) 将 时间的准确性作为决策过程当中的一个重要的变量，在面对行程时间不确定性、 等待时间以及寻找停车位所花时间的随机性时，发现等待时间以及找寻停车位所 花时问的可靠程度比行程时间更重要。 4 a b k o w i t z n 7 1 ( 1 9 8 1 ) 对s a nf r a n c i s c ob a ya r e a 地区进行调查，研究可靠性对 通勤者出发时刻选择的影响。他认为可靠性对通勤者的出发时刻选择有重大影响。 此时只是行程时间可靠性的雏形时期，描述的是一种可靠程度。2 0 世纪8 0 年代 i i d ay 提出了可靠性在交通工程中的应用和有关的概念之后，逐步形成了路网可 靠性的相关指标和技术，行程时间可靠性才逐步发展完善起来。 国内关于可靠性的研究比国外稍晚，到目前为止，在物流配送领域关于可靠 性研究的文献还比较零散，不具有系统性。 张旭梅、吴捷n 副等研究了基于马尔可夫过程的配送服务可靠性评价问题。文 章将配送服务的结果分为四种状态：1 ) 准确配货，准确送货；2 ) 准确配货，不 准确送货；3 ) 不准确配货，准确送货：4 ) 不准确配货，不准确送货。认为在配送 服务过程中，配送服务在以上四种状态中转移，并建立了状态转移模型。根据切 普曼一柯尔莫哥洛夫方程，求出了配送服务结果为各种状态的概率。 陆奇志、艾力斯木吐拉n 钔提出了基于m a t l a b 仿真的公交系统运行时间可靠 性评价方法。侯立文等心仉2 根据城市道路网可靠性的影响因素建立了基于出行时 长的路网可靠性模型并进行仿真计算。并研究了信息条件下出行时间可靠性的计 算熊志华2 1 等针对路段之间的相互影响模式分析了路网行程时间可靠性。 刘海旭等乜3 2 8 1 等用近似算法求解随机路网的行程时间可靠性。刘海旭和蒲云 啷1 将行程质量定义为出行时间和出行时间可靠性的线性加权，提出行程质量的概 念以描述出行者在不确定环境下的路径选择准则，利用时间可靠性增长，建立了 基于行程质量的随机用户平衡分配模型。 范海雁啪1 等运用随机模拟的方法，计算了公交线路的出行时间可靠性，建立 了公交线路出行时间可靠性的数学模型。 1 4 论文的主要研究内容 本文在前述的研究成果基础上，围绕基于可靠性分析的配送服务时间问题而 展开。论文建立了配送服务时间可靠性指标体系，并将可靠性引入到相关模型中。 本文共分为五个章节，主要内容大致如下： 第一章，绪论。主要介绍目前可靠性的研究方法和提出将可靠性概念引入到 配送服务的重要意义和必要性。 第二章，可靠性理论的综述。主要介绍可靠性的相关理论及算法。 第三章，配送服务时间可靠性指标体系分析。主要介绍目前配送的模式、业 务流程、国内外配送服务现状，时间可靠性指标建立的原则和目标层次，以及时 间可靠性的具体指标的建立，通过这一章的介绍将有利于加强对时间可靠性指标 的理解。 第四章，配送服务时间可靠性模型的建立。主要建立基于可靠性理论的配货 与送货两阶段的时间可靠性模型，然后得出总的配送服务时间可靠性模型。其中 包括驾驶员的路径选择模型。 第五章，配送服务时间可靠性的经济分析。高可靠性伴随着高成本，本章主 要分析可靠性及成本对不同的利益集团产生的影响。 第六章，总结及展望。对论文所做的工作进行总结，并展望了本领域的未来 研究发展方向。 论文的整体框架如图1 2 所示： 6 7 圜_n$冲鼹窑蒿精飓 2 1 可靠性概述 第二章可靠性基本理论 可靠性是一项全面的工作，在可靠性技术出现之前，人们只凭经验或事后试 验，来考察产品或服务的可靠性和稳定性，事先对产品或服务本身的可靠性是否 达到指标要求存在着很大的盲目性，而可靠性技术就是研究通过可靠性设计、试 验、控制、预测和综合的一门学科。 2 1 1 可靠性的概念 可靠性概念的产生，可以追溯到1 9 3 9 年。当时美国航空委员会提出飞机事故 率的概念和要求，这可能是最早的可靠性指标。在第二次世界大战后期，德国火 箭专家r l u s s e r 首先提出用概率乘积法则，将系统的可靠度看成是其各子系统的 可靠度乘积，从而算得v i i 火箭诱导装置的可靠度为7 5 ，首次定量地表达了产 品的可靠性。只是从5 0 年代初期开始，在可靠性的测定中更多地引进了统计方法 和概率概念以后，定量的可靠性才得到广泛应用，可靠性问题才作为一门新的学 科被系统地加以研究。 美国对可靠性的研究始于第二次世界大战，其研究重点放在故障占大半的电 子管方面，6 0 年代初期开始机械可靠性的研究，其发展与航天计划有关。当时在 航天方面由于机械故障引起的事故多、损失大。于是美国宇航局开始在随机动载 荷下研究机械结构和零件的可靠性。 日本在1 9 5 6 年由美国引进可靠性技术后，将其推广应用到民用工业部门，大 大地提高了其产品的可靠度，为其带来了巨大的经济效益。 英国于1 9 6 2 年出版了可靠性与微电子学杂志，1 9 8 1 年发布了防务标准 o o 一4 0 ，即可靠性及维修性管理，英国标准协会发布了b s 5 7 6 0 ，即系统、设备、 零部件的可靠性指南。法国国立通讯研究所也在这一年成立了“可靠性中心，进 行数据的采集与分析，并与1 9 6 3 年出版了可靠性杂志。前苏联在5 0 年代就 开始了对可靠性理论及应用的研究，1 9 6 4 年，当时的苏联及东欧各国在匈牙利召 开了第一届可靠性学术会议。 在我国，最早是由电子工业部门开始开展可靠性工作的，在6 0 年代初进行了 有关可靠性评估的开拓性工作。7 0 年代中期，由于中日海底电缆工程的需要，提 出高可靠性原器件验证试验的研究，促进了我国可靠性数学的发展。1 9 7 2 年，组 建了我国唯一的电子产品可靠性与环境试验研究所，着手可靠性与环境试验、失 8 效分析、数据处理等研究工作。从1 9 8 4 年开始，在国防科工委的统一领导下，结 合中国国情并积极汲取国外的先进技术，组织制定了一系列关于可靠性的基础规 定和标准。 6 0 至7 0 年代，电子、机械、仪表、航天、电力及三军系统陆续开展了可靠 性工作。随着这些领域可靠性研究取得的成功，交通领域的学者也开始将可靠性 引进交通运输与交通规划领域，通过对路网、o d 对等的研究，提出了连通可靠性、 行程时间可靠性、路网容量可靠性等概念，用以描述路网状态和出行者出行需求。 根据中华人民共和国国家标准可靠性基本名词术语及定义( g b 3 1 8 7 8 2 ) ， 可靠性及可靠度分别定义为： ， 可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。“可靠性” 一词包括广义和狭义两种解释。广义可靠性是指产品在整个寿命周期内完成规定 功能的能力，它包括狭义可靠性和维修性。狭义可靠性是指产品在某一规定时间 内发生失效的难易程度。 可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。可 靠度是可靠性的定量化名词。 2 1 2 基本可靠性指标 可靠性指标是对可靠性参数要求的量值。如“m t b f 1 0 0 0 h 即为可靠性指标。 与使用、合同可靠性参数相对应，则有使用、合同可靠性指标。前者是在实际使 用保障条件下达到的指标；而后者是按合同规定的理想使用保障条件下达到的要 求。所以，一般情况下同一装备的使用，可靠性指标低于同名的合同指标。 ( 一) 可靠度 可靠度是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。般用 冗( f ) 来表示，根据可靠度定义，可用概率的方式表示可靠度。 r ( f ) = p ( t r ) ( 2 1 ) 式中：t 一规定时间 显然t 时刻可靠度是指产品在 o ，门内完成规定功能的概率。 不可靠度为 ，( f ) = p ( ts ，) ( 2 2 ) 即，时刻不可靠度，表示产品在 0 ，t 内发生故障的概率，显然： r ( ，) + f ( ，) = 1 ( 2 3 ) 可靠度是一概率值，具有如下性质： ( 1 ) 0 欠) l ( 2 ) 可靠度函数随着工作时间t 的延长而逐渐减小，即预先规定的工作时问越 长，可靠度越低。 9 ( 二) 故障率 失效率表示已工作到时刻f 的产品，在时刻r 后单位时间内发生失效的概率， 可表示为 p ( t f ) 允“1 = l i m _ 二二二 山卅 a t ( 2 4 ) 产品的失效率随工作时间的变化呈现不同的特点，根据长期以来的理论研究 和数据统计，发现多数设备失效率曲线形同浴盘的剖面，故称之为浴盆曲线。产 品的故障率随时间的变化大致可分为以下三个阶段： ( 1 ) 早期失效期 表明器件在开始使用时，失效率很高，但随着产品工作时间的增加，失效率迅 速降低，这一阶段失效的原因主要由于设计、原材料和制造过程中的缺陷造成的。 为了缩短这一阶段的时间，产品应在投入运行前进行试运转，以便及早发现、修 正和排除故障；或通过试验进行筛选，剔除不合格品。 ( 2 ) 偶然失效期 也称随机失效期。这一阶段的特点是失效率较低，且较稳定，往往可近似看作常 数，产品可靠性指标所描述的就是这个时期，这一时期是产品的良好使用阶段， 由于在这阶段中，产品失效率近似为一常数，故设彳( r ) = 2 ( 常数) 。 ( 3 ) 耗损失效期 在产品投入使用相当长的时间后，进入产品的耗损失效期，其特点是产品的 故障率迅速上升，很快出现大批量的产品故障或报废。主要是由产品的老化、疲 劳、磨损、腐蚀等耗损性因素引起的。 故障 图3 1 浴盆曲线 1 0 降 ( 三) 故障概率密度 故障概率密度函数是不可靠度的导数，即 ，( f ) ：d f - ( t ) 讲 ( 2 5 ) 概率故障密度函数的物理意义是表示任意时刻f ，产品总数目中单位时间内发 生故障的概率。 可靠度、不可靠度、故障概率密度和故障率之间的关系如表3 1 所示： 已知可知 f ( t ) = 1 一r ( t ) r ( ，) 们) = 丁d f ( t ) = 一警 ，= 器= r ，罨d f ) = f f ( t ) d t ( f ) 月( ，) = 1 一，( ，) = f f ( t ) d t 圳= 器 r ( r ) = e x p 一上力( ，m 兄( ，) f ( t ) = 1 - e x p - e 2 ( t ) d t 巾) = 力( ，) e x p 一j 允。渺】 表3 1 可靠性常用指标之间的关系 ( 四) 其它指标 ( 1 ) 平均寿命 产品寿命的平均值或数学期望称为该产品的平均寿命，记为p 。 设产品的故障密度函数为厂( ，) ，则该产品的平均寿命，即寿命丁( 随机变量) 的数学期望为 o = e ( r ) = 【f ( t ) d t ( 2 6 ) 平均寿命一般通过寿命试验，用所获得的些数据来估计。由于可靠性试验 往往是具有破坏性的，故只能随机抽取一部分进行寿命试验。这部分产品在统计 学中被称为子样或样本，其中每一个称为样品。一般情况，平均寿命是指试验的 总工作时间与在此期间的故障次数之比，即 含= 驾焉笋 他7 ， ( 2 ) 可靠寿命 设产品的可靠度函数为r ( f ) ，使可靠度等于给定值，的时间f ，称为可靠寿命。 其中，称为可靠水平，满足r ( t ，) = 厂 特别，可靠水平，= 0 5 的可靠寿命os 称为中位寿命。可靠水平，= p - 1 的可靠 寿命。一- 称为特征寿命。 产品工作到可靠寿命f ，大约有1 0 0 ( 1 一，) 产品已经失效；产品工作到中位寿 命f 帖，大约有一半失效；产品工作到特征寿命，大约有6 3 2 产品失效( 在指数寿 命分布下) 。 例3 1 产品的故障密度为： 巾) = r e 。( t - 。，r o ) ”e x p 一( 生) m 】 m o ，刁 o ，t r o ( 2 8 ) ，7，7 刁 求可靠寿命t ，中位寿命，”，平均寿命臼。 解：可靠度函数为 尺( f ) ：ir a ( 尘玉) - ie x p 一( 尘鱼) m a t ：e x p 卜( 三卫) m 】、 i |j l |1 11 1 令r ( f ) = 厂，解得 11 t ，= 厂o + 1 1 ( 1 n - ) ” ，r o ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 令，= 0 5 得 ，o 5 = r o + 1 1 ( 1 n 2 ) ” ( 2 11 ) 由平均寿命公式得： 9 = 脚功。聆宁州唧h 争瑚= 巧e 卅c 争姒挚栅 ( 2 1 2 ) 1 2 做变换：( 塑) 研 露 i ，= r i p ”+ r o 则p = 胁) 去+ 怛芦舡= r o + r lf 知和= ，o 邮i 1 + 1 ) 其中 f ( x ) = f y , - l e - y d y r ( x + 1 ) = x r ( x ) t o ) = 1 2 2 已有系统可靠性的计算方法 2 2 1 典型系统可靠性模型 ，1 、厂 f ( 2 刀 z ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 一) 串联模型 系统中所有组成单元中任一单元的故障都会导致整个系统故障的系统称为串 联系统。串联模型的可靠性模型可表示为： r s o ，5l 了r t2 冉p 1 。也 。2 。7 ， 式中：r s ( ，) ：系统的可靠度 量( ，) ：单元的可靠度 ( ，) ：单元的故障率 刀：组成系统的单元数 系统的故障率以为系统中各单元的故障率以之和，可表示为： 丑= 五 闰 ( 2 1 8 ) ( 二) 并联系统 组成系统的所有单元都发生故障时，系统才发生故障的系统称为并联系统。 并联系统的可靠性模型可表示为： r 一州一1 闻- 1 - r , ( ，) 】 ( 2 1 9 ) 式中：r s ( ，) ：系统的可靠度 r ，( f ) ：单元的可靠度 刀：组成系统的单元数 ( 三) 混联系统 混联系统又分为串并联系统与并串联系统等多种方式，对于典型的混联系 统的分析，可以仿照串与并联系统分析的方法进行处理。简单的串或并联部分用 单元来代替，逐渐进行计算直到全部系统分析完为止，即所谓的逐步代替法。 ( 四) r n ( g ) 模型 刀个单元及一个表决器组成的表决系统，当表决器正常时，正常的单元数不 小于r ( 1 ，力) 系统就不会故障，这样的系统称为r n ( g ) 表决系统。该系统的可 靠性数学模型可表示为： r s p ) = r m 善c ：r o ) 。( 1 一尺( ，) ) 肛 ( 2 ：2 0 ) 式中：r s ( f ) ：系统的可靠度 r ( f ) ：系统组成单元( 各单元相同) 的可靠度 r m ：表决器的可靠度 ( 五) 旁联模型 组成系统的r 1 个单元只有一个单元工作，当工作单元故障时， 转接到另一个单元继续工作，直到所有单元都故障时系统才故障， 为旁联系统。其可靠性数学模型为： ( 1 ) 假设转换装置可靠度为1 ，则系统的瓦等于各单元t 之和： t = z ，= i 式中：e ：系统的致命故障间任务时间 z ：单元的致命故障间任务时间 甩：组成系统的单元数 当系统各单元都相同且寿命服从指数分布时 1 4 通过转换装置 这样的系统称 ( 2 2 1 ) 蹦垆e 1 1 + 肌+ 篙】 ( 2 2 2 ) ( 2 ) 假设转换装置的可靠度为常数k ，两个单元相同且寿命服从故障率为力的 指数分布，系统的可靠度为： r ，( f ) = p ( 1 + k a t ) ( 2 2 3 ) ( 六) 桥联模型 系统某些功能冗余形式或替代工作方式的实现，采用的不是并联、表决或旁 联模型，而是一种桥联的形式。因此，在可靠性模型的逻辑描述中出现了电路中 桥式结构般的逻辑关系。其数学模型的建立较为复杂，不能建立通用的表达式。 2 2 2 可靠度精确算法 可靠度精确算法可分为：不交和算法、容斥原理算法、完全状态枚举法、因 子分解算法等方法。 ( 1 ) 不交和算法 不交积之和算法的原理为概率公式。设q = l ，2 ，z ) 表示系统的所有极小单 元( x 一树、生成树或割集) ，4 表示0 = 1 ，2 ， ，) 中所有单元都正常运行的事件， 则系统的两终端可靠度不交积之和( 简称不交和：s u mo fd i s j o i n tp r o d u c t s ，简记 为s d p ) 算法就是将式( 2 1 0 ) 中的项化为彼此不相交项的和，然后再求这些不相交 项的概率。不交项与可靠度表达式中的项一一对应。 p r ( g ) = 脚 4u4u u 厶 = 厅 4 + 抑 4 4 + + p r 4 a ：4 ，i 一。以 ( 2 2 4 ) 该算法由内外两个循环组成。外循环是指从计算n 4 到抑 石石张) 的循环；内循环是指具体处理某一项p r a , 4 a m 一。以 而形成的循环。此外，不 难看出在不交积之和算法中得到的不交积和的项数越少，计算时间和所占空间就 越少，产生的计算误差也就越小，人们一般用不交积和的项数来衡量算法的有效 性。 s d p 方法是由l f r a t t a 和u g m o r t a n a d 在1 9 7 3 年首先提出来的，随后很多学 者作了大量的研究，使s d p 算法得到不断的改进。 ( 2 ) 容斥原理算法 这类方法主要是按照组合数学的容斥原理公式求解系统的可靠度。设 4 ，4 ，厶为m 个事件，由容斥原理可知4 ，4 ，以中至少有一个事件发生的概 1 5 率为 疗 尸，( g ) = 尸， 4u 4u u 4 = 尸厂 4 ) 一尸， 4 4 + + ( 一1 ) 胛+ 1 4 4 厶 ， i ! l ( ，)( 3 7 ) 式中：只一延误时间率 瓦。，一可接受配送服务时间的上界 通过延误时问率可以比较不同配送企业的服务时间延误程度，延误时间率越 大，说明该企业处理配送过程的不确定性能力较弱，有必要选择延误时间率较小 的配送企业。 3 0 3 2 4 信息对可靠性指标的影响 配送服务的预留时间与信息使密切相关的，有必要考虑与配送服务信息相对 应的预留时间边界。在“配货 阶段，若掌握相关的人员与设备信息，就能充分 利用人力资源和设备资源，而不至于在面临人员缺少和机器故障时再临时调用其 它人员和更换设备。在“送货 阶段，如果配送人员能够获得道路运行的动态信 息，比如主要的道路行程时间等，就能够辅助驾驶员进行路径选择，诱导驾驶员 充分利用现有道路网资源，从而避开拥堵路段和异常状态路段，制定更合理的配 送策略。 对于配送企业来说，信息资源掌握的多少直接影响着预留时间的边界，例如 某路段彳在正常状态下的行程时间为1 0 分钟，另一路段b 在正常状态下的行程时 间为1 5 分钟，一般情况下，决策者会选择路段彳，然而，由于彳路段进行路段维 护造成车辆行驶缓慢，现在的行程时间变为3 0 分钟，而由于决策者没有掌握相应 的信息，在这样的情况下选择彳显然会导致配送时间增长，延误时间率变高，甚 至导致本次配送服务时间不可靠。 行程时间可靠性研究在国内还处于起步阶段，本文试图建立配送服务时间可 靠性指标体系来反映出配送服务时间的波动性以及客户的配送要求，具有可比性 和可操作性。随着物流在中国的快速发展，客户可应用该指标体系对配送企业的 服务时间稳定性进行纵向和横向比较，企业管理者也可以利用这些指标体系找出 配送过程中存在的问题，并采取适当的措施进行改进。建立的配送服务时间可靠 性指标体系在应用过程中，还需通过实践的检验而不断进行完善。 3 3 本章小结 本章首先论述了基本的可靠性指标，提出了建立配送服务时间可靠性指标的 依据，并构建了行程时间可靠性评价指标体系，重点阐述了四类指标的量化过程。 其中，可接受的配送服务时间边界，表现配送服务时间在可接受的波动范围之内， 预留时间指标，主要表现在不确定环境下，为保证准点到达目的地，需额外准备 的配送服务时间。当延误超过人们可容忍的范围，通过延迟指标，表现这些出行 对配送服务时间可靠性的影响。行程时间波动是与信息相关的，掌握的信息越充 分，配送服务时间的可靠性越高。 3 l 第四章配送服务时间可靠性模型 由论文的前三章可知，配送是配货与送货两种活动的有机结合，研究配送服 务时间可靠性时，本文采用可靠度作为可靠性特征量，分别研究“配货 时间可 靠度与“送货”时间可靠度。由于两个过程属于串联关系，故配送服务时间可靠 度为上述两种可靠度之积。 4 1 配货时间可靠性模型 4 1 1 配货过程影响因素分析 配货过程包括拣货、加工、包装、分配、组配等作业，主要由人与设备两部 分组成。因此，可分别分析该两部分对配货时间可靠度的影响。 ( 一) 人的因素 世界上一切科学技术的进步，一切物质财富的创造，一切社会生产力的发展， 一切社会经济系统的运行，都离不开人的服务。由于每个劳动者的劳动力状况( 受 教育程度、专长、能力、经验等) ，劳动态度，劳动贡献等因素的差异，所以，不 同劳动者完成同一工序所花费的时间也不同，由此导致的失误率也不一样。人的 失误是指工作人员完不成预先分配给他的功能，使之包括人在内的整个系统的功 能有恶化的可能行为。人们在进行有目的的生活活动或生产劳动中，通常都经历 三个阶段：首先是感觉阶段，接着是识别判断阶段，然后是行动操作阶段。如果 三个阶段衔接顺利，那么劳动者将判断准确、动作无误、效果良好；如果三个阶 段不连贯，将导致思维判断失误或动作受阻就会出现失误。也就是说，从生产行 为的角度看，人因失误主要是由于人感知环境信息的失误，人大脑处理信息时做 出错误的决策，动作器官没能完成指定动作三方面原因引起的。 从更深一层进行分析，人之所以出现行为失误，主要是由于人的心理、生理、 管理决策、社会环境以及人机界面设计不协调等多方面原因所导致。其中人的生 理方面的原因主要指人的各种能力的限度，包括人的知觉、感觉、反应速度、体 力、生物节律等。人的心理方面的原因主要指人的气质、性格和情绪等，沉稳的 人与浮躁的人完成同一项任务时的焦虑程度不同，浮躁的人出现失误的概率相对 较大。管理决策方面的原因主要指作业时间不合理，计划不周，决策失误，劳动 过程过于繁杂等。社会环境的原因包括物理环境和人际环境，即作业场所和人际 关系的好坏，良好的工作环境更有利于劳动者专心工作。人机界面设计方面的原 因主要指人机功能分配不当，工程设计上的不合理等使人产生失误。 在考虑配货时间可靠性时，人的失误是不可避免的现象，人具有能动性，有 3 2 处理不同情况的能力，而这种能动性恰好是产生失误的根源。因此，人的行为失 误成为影响配货时间可靠性的核心因素之一，有必要对人的可靠性进行分析和评 价。 ( 二) 设备因素 在配货阶段，主要设备包括叉车、托盘、平板车等，机器故障可随时让某一 工序处于瘫痪状态，从而增加配货时间。因此，有必要定时对相关设备进行维修 保养，以降低其发生故障的概率。 4 1 2 配货时间可靠性模型 由于配货过程包括拣货、包装、流通加工等环节，各环节组成一混联模式。 而配货过程中的人机系统是可修复系统，因此可采用边值法来求解配货时间可靠 度。 边值法又称上下限法。其基本思想是将一个不能用数学模型法求解的复杂系 统，先简单地看成是某些单元的串联系统，求该串联系统的可靠度预计值的上下限 值，然后再考虑系统的复杂情况，逐渐向系统可靠度的真实值逼近，当达到一定精 度要求后，再将上下限值做一定的数学处理，求出系统的可靠度预计值。 例如某配货服务的工序如图4 1 所示。 cdg 田m石7 图4 1 配货系统工序图 步骤： 1 上限值预测 ( 1 ) 第一次预测 第一次预测只取系统中的串联单元，而认为并联部分的可靠度为1 。这样的 可靠度是把串联部分的结果增大了，将其作为第一次的可靠度上限月，即 r 上l = r 月r b ( 4 1 ) ( 2 ) 第二次预测 考虑并联部分的作用，并联部分的可靠度是小于l 的值，应该在系统中减去 由于并联部分的可靠度设为1 的影响。故第二次上限值为： 也：= 兀即一( 乓e ) 】 ( 4 2 ) 式中：n 一系统串联单元数 n r - 同一并联单元中两个单元同时故障引起系统故障的状态数 凡，r 一引起系统故障的同一并联单元两个故障单元的故障概率 2 下限值的估计 ( 1 ) 第一次预测 假设系统中所有的单元均为串联系统的单元，其值为可靠度下限： r 下。= 兀r ， ( 4 3 ) 式中：n 一整个系统单元数 ( 2 ) 第二次预测 考虑并联部分的作用，其值表示为： r ：= 兀r ( 等) ，( 4 4 ) 5 l j 。l “ 式中：n 一整个系统单元数 t 一并联单元中一个单元故障后系统能正常工作的状态数 e ，r j 一并联单元中一个故障单元故障概率和可靠度 故第二次下限预测值为： “ 砟z = + 恐= 丌( 1 + 等) ( 4 5 ) ( 3 ) 第三次预测 考虑并联单元中，处于同一并联单元中有两个单元故障时，系统处于正常状 态，此时，系统正常工作的概率为： r s = 冉趴差