基于面向对象时间petri网的物流配送业务流程优化与仿真

1、 硕士学位论文基于面向对象时间 Petri 网的物流配送业务流程优化与仿真LOGISTICS ENTERPRISE BUSINESS PROCESSOPTIMIZATION AND SIMULATION BASED ONOBJECT-ORIENTED TIME PETRI NETS赵冬霞2010 年 6 月 国内图书分类号：C931.9国际图书分类号：659代码：10213密级：公开管理学硕士学位论文基于面向对象时间 Petri 网的物流配送业务流程优化与仿真硕 士 研 究 生：赵冬霞导师：马维忠副教授申 请 学 位：管理学硕士学科：管理科学与工程所 在 单 位：管理学院答 辩 日 期： 20

2、10 年 6 月授予学位单位：哈尔滨工业大学 Classified Index: C931.9U.D.C:659Dissertation for the Master Degree in ManagementLOGISTICS ENTERPRISE BUSINESS PROCESSOPTIMIZATION AND SIMULATION BASED ONOBJECT-ORIENTED TIME PETRI NETSCandidate：Supervisor：Academic Degree Applied for：Speciality：Affiliation：Date of Defence：Degr

3、ee-Conferring-Institution： Zhao DongxiaAssociate Prof.Ma WeizhongMaster of ManagementManagement Science & EngineeringSchool of ManagementJune, 2010Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学管理学硕士学位论文 摘 要随着经济的快速发展，越来越多的企业进行信息化建设，信息技术的引入使得企业的业务流程产生变化。新的流程在实施前，需要对将要实施的流程进行评估，确定新流程的合理性，建模与仿真能够很好的解决这一问题，本文提出了一

4、种用于业务流程建模的 Petri 网方法，并利用该方法进行实例分析，建模与仿真。本文首先对国内外业务流程研究现状进行了评述，提出研究的问题，即基于信息技术的物流配送业务流程优化与仿真。通过参考 Petri 网建模仿真的相关文献，本文提出了一种基于面向对象时间 Petri 网的建模方法，该方法克服了一般 Petri 网建模的复杂性缺点。采用面向对象的方法，可以把数据处理的内容和方法封装在 Petri网模型中，对于单个对象 Petri 网模型的内部方法与内容的改动不会对其他对象产生影响。然后针对该方法建立了物流配送 Petri 网模型，并利用 Petri 网的相关理论对模型进行了分析，建立的模型是

5、正确的，可用的。利用提出的建模方法，针对某物流场站的物流配送业务流程建立 Petri 网模型。该场站正在实施企业信息化，重新设计业务流程。本文针对设计后的业务流程建立Petri 网模型，并对模型进行分析，证明了模型的正确性、可用性。以周期时间作为参数，利用 ExSpect 软件对模型进行仿真。通过对结果进行分析，建立优化的 Petri网模型，并利用软件进行仿真。按照一定的评价标准对两次仿真结果进行对比，验证了优化模型的优化程度，进而反映出本文提出的面向对象时间 Petri 网能够较好的用于业务流程建模。关键词：物流配送；业务流程优化；面向对象；Petri 网 -I- 哈尔滨工业大学管理学硕士学

6、位论文 AbstractWith the rapid development of economy, more and more enterprises informatizationconstruction, information technology introduction enterprise business flow changes。Newprocess before implementation, needed to evaluate the process to implement the newprocess, the rationality, modeling and s

7、imulation can be very good solution to thisproblem, this paper puts forward a method for business process modeling method PetriNets，using this method to analyz the modeling and simulation.This paper firstly review business process research situation at home and abroad , andputs forward the problems

8、in information technology based on the research of thelogistics business process optimization and simulation. Petri nets modeling simulation byreference to the relevant literatures, this paper puts forward a method based onobject-oriented time Petri nets of modeling method, this method overcomes Pet

9、ri netsmodeling the complexity of the general shortcomings. Using object-oriented method, canput the content and methods of data processing in Petri nets model housed in a Petri netsfor a single object, content and method of the internal model for other objects of thechanges will not affect. Then th

10、e method established Petri nets model of logisticsdistribution, and the relevant theory of Petri net model is analyzed, the model is correct,usable.Using the proposed modeling method, this paper establishment Petri nets model basedon the business process of logistics station. The stations are implem

11、enting enterpriseinformatization and designing business processes. Establishing Petri nets model of thestations business process, and the model analysis, it is proved the validity of the model,the usability. To cycle time as parameter, use ExSpect software simulation model.Through the analysis of th

12、e results, establishing the Petri nets optimization model forsimulation software. According to the evaluation standard, comparing two simulationresults verify the optimal degree of optimization model,which reflects the object-orientedPetri nets better for business process modeling.Keyword: Logistics

13、, Business Process Optimization, Object-oriented, Petri nets -II- 哈尔滨工业大学管理学硕士学位论文 目录摘 要 . IAbstract .II 第 1 章 绪论 . 11.1 研究背景与问题提出 . 11.1.1 研究背景. 11.1.2 问题提出. 11.2 研究的目的及意义 . 21.3 国内外在该方向的研究现状及评价 . 31.3.1 业务流程国内外研究现状. 31.3.2 Petri 网国内外研究现状 . 51.4 对已有研究的评价 . 61.5 本文主要研究方法与内容 . 61.5.1 研究方法与技术路线. 61.5.

14、2 研究内容. 7第 2 章 物流配送业务流程 . 92.1 电子商务物流配送分析 . 92.1.1 电子商务物流配送概述. 92.1.2 电子商务物流配送的优势. 102.2 电子商务物流配送业务流程分析 . 112.3 物流系统仿真分析 . 132.3.1 物流系统仿真的特点. 132.3.2 物流系统仿真应用领域. 132.3.3 物流系统仿真研究现状. 142.3.4 物流配送业务流程仿真的主要步骤. 142.4 本章小结 . 16第 3 章 物流配送业务流程建模方法 . 173.1 业务流程建模方法 . 173.1.1 Petri 网方法 . 173.1.2 事件过程链方法. 173

15、.1.3 IDEF 模型方法 . 18-III- 哈尔滨工业大学管理学硕士学位论文 3.1.4 流程图方法. 183.1.5 建模方法的对比. 183.2 Petri 网理论方法 . 193.2.1 Petri 网的基本理论 . 193.2.2 高级 Petri 网 . 203.3 一种面向对象时间 Petri 网 . 203.3.1 面向对象时间 Petri 网的基本概念 . 213.3.2 面向对象时间 Petri 网的建模步骤 . 223.3.3 面向对象时间 Petri 网的建模优势 . 233.3.4 面向对象时间 Petri 网业务流程建模 . 243.3.5 面向对象时间 Pet

16、ri 网的优化模型建模原则 . 243.4 本章小结 . 25第 4 章 面向对象时间 Petri 网模型性质分析. 274.1 电子商务下物流配送业务流程 Petri 网模型建立 . 274.1.1 问题描述与分析. 274.1.2 建立模型. 284.2 模型性质分析 . 314.2.1 模型的可达性. 314.2.2 模型的有界性. 324.2.3 模型的死锁性. 324.2.4 模型的活性. 324.2.5 模型的冲突性. 334.2.6 S-不变量与 T-不变量. 334.3 电子商务下物流配送业务流程 Petri 网模型性能分析 . 344.4 本章小结 . 36第 5 章 仿真与

17、优化案例分析 . 375.1 案例背景介绍 . 375.2 仿真平台与仿真参数介绍 . 385.2.1 仿真平台介绍. 385.2.2 仿真参数设计. 395.3 业务流程建模与仿真 . 405.3.1 业务流程建模. 405.3.2 业务流程模型性能分析. 44-IV- 哈尔滨工业大学管理学硕士学位论文 5.3.3 业务流程模型仿真与分析. 475.4 业务流程优化模型与仿真 . 485.4.1 业务流程优化建模. 485.4.2 业务流程优化模型性能分析. 495.4.3 业务流程优化模型仿真与分析. 515.5 业务流程仿真结果对比分析 . 525.6 本章小结 . 53结论 . 54参

18、考文献 . 55攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 . 58哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 59哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 . 59致谢 . 60 -V- 哈尔滨工业大学管理学硕士学位论文 第1章 绪论1.1 研究背景与问题提出1.1.1 研究背景上世纪 90 年代以来，随着计算机技术与网络技术的快速发展，电子商务作为一种全新的商务模式产生了。电子商务的出现，颠覆了传统企业的运作模式，产生了一种全新的营销方式，提升了企业的竞争力。在电子商务环境下，企业充分利用网络优势，将供应链上下游企业之间、企业内部部门之间进行有效地整合，进行业务流程优化，从而提升供应链上企业的市场竞争

19、力，降低企业成本，提高企业产品和服务的质量，提高供应链上企业的整体效率，更好的满足顾客的需求。企业实施电子商务后，原有的业务流程不能适应企业的发展，需要对企业的业务流程进行优化，重新设计适合于企业的业务流程，使得业务优化后，能够将企业部门之间、上下游企业之间的业务流程有效整合。自 1990 年以后，有许多企业实施电子商务并进行企业业务流程优化，一些企业取得成功，例如，福特公司的物资采购流程优化、海尔公司业务流程优化等，这些企业在业务流程优化中取得成功，是对企业业务流程进行充分掌握，对企业业务流程优化理论进行充分认识的结果。然而，还有一些企业在未对业务流程优化进行充分认识后，对企业实施业务流程优

20、化造成失败。目前，企业业务流程优化仍是很多学者与企业研究的热点，本文正是基于以上背景，提出一种业务流程优化建模方法。1.1.2 问题提出在电子商务环境下，由于采用了计算机技术、网络技术与信息技术，使得相关企业之间能够实现各种企业信息共享。电子商务下物流配送相对于传统物流配送业务流程更加简单化、智能化，配送的领域范围扩大，配送的商品多批次、少批量，物流配送的效率得到提高，物流配送的成本得到降低。目前，很多企业实施电子商务，对物流配送业务流程的重视程度较轻，物流配送效率低，物流配送成本高。传统的少批次、大批量的物流配送已经很难适应物流企业的发展，因此，有必要对电子商务下物流企业的业务流程优化进行研

21、究，从而提高物流企业适应市场的能力，提高物流企业物流配送效率。计算机技术没有普及以前，对物流配送业务流程建模的研究普遍采用数学方法 -1- 哈尔滨工业大学管理学硕士学位论文 建立数学模型。当研究的物流配送业务流程相对简单时，或经过一定处理降低了业务流程的复杂程度时，采用数学方法，如线性代数、微积分、运筹学、计算数学等方法建立物流配送业务流程模型。但随着对业务流程建模的不断深入，物流配送业务流程研究问题日益复杂，非确定因素、不可知因素、模糊因素众多，单独应用数学方法难以进行描述或很难求解且有时无法求解。单纯的数学方法对物流配送业务流程建模已经不符合企业建模的需求。随着计算机技术的普及，利用 Pe

22、tri 网等建模方法建立业务流程模型，并利用计算机进行仿真成为研究的热点。利用 Petri 网方法可以建立复杂的业务流程模型，该方法可以利用计算机模拟仿真业务流程动态运行，并可以得到仿真结果进行分析。因此，本文通过对 Petri 网建模方法的研究，提出一种适用于业务流程效率建模的 Petri 网方法，并利用该方法对电子商务下物流配送业务流程进行建模仿真。1.2 研究的目的及意义本文的研究目的就是在业务流程重组理论、电子商务理论、物流理论的指导下，借鉴国内外业务流程优化成功的案例，提出一种适用于业务流程优化建模的面向对象时间 Petri 网建模方法，并建立物流配送业务流程的面向对象时间 Petr

23、i 网模型，通过对模型进行仿真分析，提出优化业务流程 Petri 网模型并进行仿真验证，从而提高物流配送的配送效率，降低物流配送的时间。对于物流企业业务流程的优化，由于现实问题，不能在具体的企业中进行试验。由于物流市场的不断扩大，物流配送企业的业务流程所面临的问题日益复杂，不确定性因素增多，需要采用仿真手段模拟验证企业的业务流程变动是否正确，业务流程优化的效率仿真系统建模与仿真，建模仿真是通过对实际系统的分析，建立逻辑模型，利用计算机对建立的业务流程模型进行仿真模拟。利用仿真软件，对不同方案的业务流程进行仿真模拟，通过对仿真结果对比分析，选择最优的物流配送业务流程。本文正是由于以上内容，结合实

24、际企业，提出一种面向对象时间 Petri 网建模方法，并利用该方法对电子商务下物流配送进行业务流程进行优化研究，使企业能够进行高效合理的物流配送，降低物流成本。在本文中，关于物流企业业务模型的建立难度较大。在关于物流配送的研究中，多数研究为制造业企业的物流部门的配送，关于物流企业的业务流程的研究向对较少。我国的物流企业具有一定的特点，因此本文的研究立足于我国物流配送企业的实际情况，建立适用于我国物流配送企业的业务流程模型，对其业务流程优化研究具有一定的现实价值。 -2- 哈尔滨工业大学管理学硕士学位论文 1.3 国内外在该方向的研究现状及评价1.3.1 业务流程国内外研究现状1.3.1.1 业

25、务流程优化国外研究现状业务流程优化（Business Process Optimization）是 20 世纪 90 年代以来企业经营与管理领域最重要的概念之一。在业务流程理论研究方面，Michael Hammer （1990）1首先提出了“再造工程”（Reengineering）概念， Michael Hammer 与 James Champy 提出了业务流程重组的定义：BPR 是对企业的业务流程作根本性的思考和彻底重建，其目的是在成本、质量、服务和速度等方面取得显著的改善，使得企业能最大限度地适应以顾客、竞争、变化为特征的现代企业经营环境在。Shazia Sadiq， Maria Orlo

26、wska2提出了研究人员容易忽视的工作流程中的数据流问题，对数据流的规格进行了定义，并进行了验证，解决该问题可以防止实施过程中的数据不一致问题。目前对于 BPR 理论研究中，有一些与业务流程重组类似的概念被广泛研究，并探讨它们之间的关系。Varun Grower3提出了业务流程变化，强调了持续变化的特点，并研究了流程的管理方法。Colin Armistead4等研究业务流程重组与全面质量管理的关系，并阐述了在何种情况下进行流程重组最有效的问题，并强调了流程重组要以过程为中心，而不能以任务或组织为中心。在 业 务 流 程 建 模 与 实 证 研 究 方 面 ， LP.Tatsiopoulos,

27、N.A.Panayiotou andS.T.Ponis5用 GRAI 方法结合电子商务技术挖掘企业潜在的需要改进之处，确定企业战略，利用 IDEF-0 和 IDEF-3 建模工具建造流程模型，进行企业的电子商务流程再造，并以服装业为例进行实例分析。Silvana Castano，Valeria De Antonellis6等提出了一种实施控制的方法和相关的环境工具用于企业流程分析与重组，这种实施控制框架企业流程就像工作流一样根据企业的组织结构进行分析，具有可操作性，可以方便进程之间的交互，并在政府部门进行了实例分析。Ki-Jin7用企业模型与质量绩效评价分析企业的业务流程再造是否成功，分析方法

28、采用定量分析与性能测试用于检测业务流程的信息流是否协调。Jang Stephen C.F. Chanb,Jiaguang Sun8等提出了一种基于着色 Petri 网的工作流建模方法，该方法是扩展的工作流网，可以参照与工作流网相同的逻辑规则。Nick Russell, Wil M.P. vander Aalst9等用 UML 2.0 中的活动图对企业的业务流程进行建模，利用活动图建模能够描述一个高层次的动态系统的行为。Nadja Damij10在探讨业务流程建模和改进是创建一个成功的和有竞争力的企业的一种基本工作。为了实现这一目标，提出了一个方法，称为由六个阶段方法。 -3- 哈尔滨工业大学管

29、理学硕士学位论文 用于处理业务流程识别、造型和改进。Zahir Irani11提出识别业务流程建模中的障碍并进行消除。并用案例阐述如何使用仿真模型能够有效的进行业务流程的优化。1.3.1.1 业务流程优化国内研究现状对在业务流程优化的概念引入国内后，有很多学者对这一领域进行了深入的研究。在业务流程优化理论研究方面，米志强12以企业的视角，从供应链优化的角度论述了以用户需求为牵引，以供应链为纽带、以业务流程重组为核心，整合管理资源与市场资源。李建中13建立了生命周期模型，强调了 BPR 应是对企业战略的延伸，同时引入了“传递维度”和“协作维度”概念分析信息技术可以有效降低传递纬度，优化企业流程的

30、信息传递。董沛武、全良、李明星14等提出了应用流程时间减少率来评价流程的重组效果。关于业务流程优化实证研究方面，代成宏15提出企业的业务流程重组与优化应基于客户关系管理，建立符合企业需要的全新功能模块，形成全面的企业前端业务流程闭合环路。周兆农，马楠16突破以现行部门内部工作分类为基础的条状清晰分工式业务流程的局限，在同步建立的信息化系统的帮助下，分析部门业务流程，发现传统人力资源管理工作过程中的瓶须，通过工作业务流程的重组改善工作绩效。周建升17探讨了会计领域的业务流程重组，建立以“事件”为驱动的会计行业的流程重组，呈报标准化数据信息的会计流程，有利于加速企业供应链信息流，使财务与业务同步交

31、互。关于业务流程建模方面，关于业务流程建模和分析技术研究，国内的研究也相对较多，与国际的研究水平也更接近。罗海滨、范玉顺18提出了基于开放系统体系结构的业务流程建模。张立春，赵合计19提出了为工作流过程建模的 UML 活动图，并进行了实例分析。牛东，宁可20等提出了基于 IDEF3 的过程建模方法，该方法以过程为线索收集信息，以过程视图为中心组织信息的建模框架。近几年来，基于Petri 网的业务流程建模被予以关注。陈胜，程景云21在工作流建模方面有了深入的研究，提出了一种基于 Petri 网的工作流建模方法。乔非在业务流程建模方面有着非常深入的研究。他于 1997 年提出了一种自顶而下和自底而

32、上双相结合的基于 Petri网的事务流程模型22，于 1999 年从分析 BPR 流程模型的特征需求入手，提出了一种基于扩展的 Petri 网的面向 BPR 的事务流程模型23，该模型的多元属性同时增强了流程模型在模型描述和模型分析两方面的对 BPR 的支持能力。乔非24于 2001 年提出了一种基于 Petri 网的流程建模方法 BPM，通过增加是党的属性，用该方法设计的流程可以直接用于仿真，得到流程优化数据。他于 2001 年从实用、可行的角 -4- 哈尔滨工业大学管理学硕士学位论文 度提出了一种基于高级 Petri 网的流程模型25，设计了自顶而下的 BPR 流程建模方法与步骤，并探讨了

33、基于该建模方法的流程仿真方法，仿真过程管理及数据分析。1.3.2 Petri 网国内外研究现状Petri 网的概念最早是在 1962 年 Carl Adam Petri 的博士论文中提出来的。Petri网既是图形工具又是数学工具，具有图形直观、能描述冲突和并发、能以状态分布表示等优点。Petri 网是一种可用图形表示的组合模型，具有直观、易懂和易用的优点，对描述和分析并发现象有独到的优越之处。同时，Petri 网又是严格定义的数学对象，借助于数学开发的 Petri 网分析方法和技术既可用于静态的结构分析，又可用于动态的行为分析。基于 Petri 网的建模技术可用于模拟带有并发性、异步性、分布式

34、、非确定性、并行性等特性的系统，被认为是迄今研究离散事件系统的最有力的工具。Peter James26给出了用 Petri 网进行系统建模的原则和方法，他主要在基本网的基础上讨论了如何对系统建立模型。但是，传统的 Petri 网还难以直接用流程模型的建立，主要表现在如下几个方面：（1） 无输入与输出的封闭系统27,28，Petri 网对外没有明确的输入与输出，它的动态行为是由其内部状态各种可能的变化以及这些变化间的关系刻画的。实际上，一个实际问题的各个系统都是相互联系的，不会是一个没有输入和输出的封闭系统。（2） 状态空间的“爆炸”问题27,28，一个含有 m 个状态元素的 Petri 网模型

35、的状态空间至少有 2m 个状态（在每个元素只有两个状态的前提下），即状态空间随着状态元素的增加呈指数增长。随着对 Petri 网研究的深入，改进的 Petri 网被引入解决该问题。着色网系统29通过给每个个体命名以区别于其它个体，对同类的个体染上同一种颜色，不同类的则以不同的颜色区分，增加了系统建模的灵活性。基本 Petri 网一个非常大的弱点就是不能表示事件间的时间关系，在基本网中引入时间概念就形成了时间 Petri 网30。在时间 Petri 网的研究中，随机 Petri 网30和广义随机 Petri 网31能为具有随机过程的系统提供建模和进行性能分析。由于研究问题的扩大，网系统越来越复杂，一些学者们提出了面向对象 Petri 网，并将面向对象 Petri 网与各种高级 Petri 网相结合