物流系统建模与仿真

1、系统建模与仿真-物流中心规划与设计的有效工具物流中心规划与设计的有效工具主要内容第第1节节 系统仿真概述系统仿真概述第第2节节 系统仿真的应用系统仿真的应用第第3节节 系统仿真与物流中心规划系统仿真与物流中心规划第第4节节 系统仿真方法论系统仿真方法论第第5节节 物流系统仿真工具简介物流系统仿真工具简介1 1 系统仿真概述系统仿真概述针对事物表面特征的模仿针对事物表面特征的模仿什么是仿真？什么是仿真？ImitateFake系统仿真系统仿真Simulation探究其本质特征和内在规律探究其本质特征和内在规律分拣系统分拣系统装卸系统装卸系统自动化仓库自动化仓库配送中心配送中心识别设备识别设备传送带

2、传送带作业员作业员v 实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现。 (Morgenthater，1961)v 用能代表所研究的系统的模型进行实验。(Korn，1978)v 仿真是一种基于模型的“建模实验分析”的活动 。 (Oren，1984)v 目前的定义：利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统。1.1 定义定义1.2 系统仿真的类型系统仿真的类型模模型型类类型型物理模型物理模型数学模型数学模型计算机仿真模型计算机仿真模型连续仿真连续仿真离散仿真离散仿真信信号号流流时时间间标标尺尺实时仿真实时仿真超实时仿真超实时仿真亚实时仿真亚实时仿真研研

3、究究对对象象经济系统仿真经济系统仿真制造系统仿真制造系统仿真仿真时间标尺小于自然时间标尺仿真时间标尺小于自然时间标尺仿真时间标尺大于自然时间标尺仿真时间标尺大于自然时间标尺v 某工厂在计划期内要安排生产、两种产品，已知生产单位产品所需的设备台时及A、B两种原材料的消耗（。该工厂每生产一件产品可获利2元，每生产一件产品可获利3元。应如何安排计划使该工厂获利最多?拥有量2设备8台时1原材料A4016kg原材料B0412kg产品资源0124164823221212121x ,xxxxx:xxzmax约束条件目标函数1.3 系统仿真的意义系统仿真的意义v当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长

4、的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种有效的研究手段。v由于系统的复杂性日益增强，传统基于数学计算的方法很难适用于目前对系统的规划和改善，因此，基于计算机的系统仿真得到广泛应用。2.系统仿真的应用系系统统仿仿真真的的应应用用优化系统设计优化系统设计性能评价与改进性能评价与改进节省经费节省经费失效分析失效分析抗干扰分析抗干扰分析人员培训人员培训决策支持决策支持复杂的系统建立之前，通过改变仿真模型结构复杂的系统建立之前，通过改变仿真模型结构和调整参数来优化系统设计和调整参数来优化系统设计对既有系统的整体或部分进行性能对既有系统的整体或部分进行性能评价与改进，如资源利用率分析、评价与改

5、进，如资源利用率分析、瓶颈分析等瓶颈分析等缩短试验过程缩短试验过程分析系统失效可能造成的后果，并提出合理的分析系统失效可能造成的后果，并提出合理的预防或应急措施预防或应急措施避免试验危险性避免试验危险性优化系统设计对系统的规模、布局等优化设计性能评价与改进/资源分配问题对既有系统的资源利用率进行分析失效分析机场救助人员培训培训人员的操作能力使操作人员对操作过程有直观了解，缩短试验过程刹车失效分析刹车失效分析思考思考&谈论谈论v结合前面介绍的内容，你认为系统仿真对物流中心的规划和设计具有什么作用？v仿真物流中心的布局，节约成本，提高效率仿真物流中心的布局，节约成本，提高效率v选择合适的物

6、流设备选择合适的物流设备v优化物流路径及流程优化物流路径及流程v失效分析失效分析v能力和需求分析，规模估算能力和需求分析，规模估算v系统参数设定，比较其优越性系统参数设定，比较其优越性v在仿真过程中，发现问题在仿真过程中，发现问题v节省成本，减少损失节省成本，减少损失v确定规模，位置确定规模，位置v同一地区物流中心的数量同一地区物流中心的数量v外观和功能展示外观和功能展示v反复试验，然后选择出最优方案反复试验，然后选择出最优方案v用于人员培训用于人员培训v避免使用真材实料，节约人员、物资避免使用真材实料，节约人员、物资v应急处理，检查物流系统是否可靠应急处理，检查物流系统是否可靠v理论研究过程

7、中不能确定的问题可以利用仿真实理论研究过程中不能确定的问题可以利用仿真实际运行，得出结论际运行，得出结论v发现在理论过程中可能出现的问题，完善方案发现在理论过程中可能出现的问题，完善方案v利用仿真模拟现实中的各种情况，采集数据得到利用仿真模拟现实中的各种情况，采集数据得到全面资料全面资料v节约成本，减少人员使用节约成本，减少人员使用v提高工作效率提高工作效率v降低风险降低风险v提供决策的依据、如实施设备选择提供决策的依据、如实施设备选择v发现历史数据、经验的不能发现的问题发现历史数据、经验的不能发现的问题v便于对设计方案的修正便于对设计方案的修正v便于发现问题、解决问题便于发现问题、解决问题v

8、有利于流程的优化有利于流程的优化v合理分配资源、协调各项工作的开展、充分利用合理分配资源、协调各项工作的开展、充分利用资源和技术，取得良好的经济效益资源和技术，取得良好的经济效益v物流系统的特点3.系统仿真与物流中心规划跨度性跨度性可分性可分性动态性动态性复杂性复杂性多目标性多目标性地域跨度、产品在产需时间上的差异各功能要素和系统的运行受市场需求、供应渠道和价格变化的影响处理对象的大量化和多样化、系统本身由大量种类各异的元素构成l提高设备、空间和人员等资源利用率l最大限度地减少物料搬运l简化作业流程l缩短生产周期l降低投资成本新建物流中心的规划新建物流中心的规划既有物流中心的改进既有物流中心的

9、改进3.1新建物流中心规划与仿真物流中心规划设计流程物流中心规划设计流程前期准备前期准备设施设备规划设施设备规划信息系统规划信息系统规划作业流程规划作业流程规划选址规划选址规划功能规划功能规划确定目标与原则确定目标与原则物流中心经营商品的品种、货源、流量、流向、供需情况以及物流业发展情况l长期、中期、近期l集货、转运、配送l技术水平设施、设备的布局、数量，作业路线等货物流通量的大小，所需要的设施、设备类型l提高设备等资源利用率l减少物料搬运l简化作业流程l缩短生产周期l降低投资成本系统系统仿真仿真前期数据调研物流需求分析所在区域的邮政业务总量所在区域的社会消费品零售总额所在区域的就业总量所在区

10、域的人口总量所在区域的生产总值所在区域的载货车辆拥有量所在区域的工业总产值所在区域的进出口总额所在区域的居民人均可支配收入所在区域的人均地区生产总值所在区域的其他物流企业已完成物流中心仓储面积所在区域的人均城市道路面积所在区域的内河航道里程数所在区域的等级公路里程物流经济环境分析物流基础设施分析物流相关行业分析物流供给分析所在区域实际利用外资所在区域的总货运周转量所在区域港口码头吞吐量所在区域的铁路网密度所在区域的相关产业总产值所在区域的相关产业的类型和数量新建物流中心需求进行的前期分析（宏观经济政策、管理体制）（市场环境的变化）（技术进步的影响等）功能规划仓储装卸包装配送流通加工运输信息处理

11、分拣输送系统仓库货架堆垛机导向系统起重机条码分类系统输送机打包机叉车升降机配送中心功能功能设施、设备设施、设备选址规划自然环境因素经营环境因素基础设施状况其他因素交通条件公共设施状况国土资源利用环境保护要求周边状况气象条件地质条件水文条件地形条件经营环境商品特性物流费用服务水平选址阶段需考虑的因素3.2 既有物流中心改进与仿真既有物流中心改进与仿真v 当物流中心的原始设计具有某些缺陷，或者无法满足当前的需求时，需要对其进行改进。然而，由于系统的复杂性，研究者很难找出问题发生的原因，相应地，也很难对系统进行全局优化。利用系统仿真的方法可有效解决这一难题。v 新建系统与既有系统仿真的区别主要在于：

12、前者是一个从无到有的事物，其仿真建模具有高度的弹性和自由度；而后者是一个在现实中确实存在的事物，仿真建模应尽可能贴近其实际境况，然后根据仿真模型运行的结果发现问题、分析问题、提出优化方案并进行验证和评估3.3 物流中心的优化方法物流中心的优化方法取消取消(elimination)合并合并(combination)重排重排(rearrangement)简化简化(simplification)替代替代(substitution)取消不必要的流程、路径或作业点等取消不必要的流程、路径或作业点等ECRSS将两个或以上的流程、动作等合并为一将两个或以上的流程、动作等合并为一流程、设施设备的重排；作业任务

13、的重排流程、设施设备的重排；作业任务的重排简化流程、路径、动作等简化流程、路径、动作等高性能替代低性能、低成本替代高成本等高性能替代低性能、低成本替代高成本等3.4 系统仿真对物流中心规划的作用系统仿真对物流中心规划的作用整体展示整体展示有助于发现问题有助于发现问题方案评价数据支持方案评价数据支持人员培训人员培训方案改善效果检验方案改善效果检验检验方案的改善效果，防止无效方案或错误方案检验方案的改善效果，防止无效方案或错误方案被实施后带来不必要的损失被实施后带来不必要的损失在进行多方案的评价和比较时，系统仿真可提供在进行多方案的评价和比较时，系统仿真可提供定量的数据定量的数据由于系统的复杂性，

14、研究者很难发现关键问题之由于系统的复杂性，研究者很难发现关键问题之所在。通过系统仿真可有效解决该难题所在。通过系统仿真可有效解决该难题可模拟系统处于失效的状态，系统运营者可采取可模拟系统处于失效的状态，系统运营者可采取正确的预防措施和处理机制正确的预防措施和处理机制在系统建立在系统建立/改变前，模拟其整体效果，使运营者改变前，模拟其整体效果，使运营者对建立对建立/改变后的状态有直观和感性的了解改变后的状态有直观和感性的了解使操作者对建立或改变后的系统有感性和直观的使操作者对建立或改变后的系统有感性和直观的了解，加快其操作技能的培养了解，加快其操作技能的培养失效分析失效分析准则层准则层目标层目标

15、层资源利用率资源利用率 B1物料搬运物料搬运 B2作业流程作业流程 B3生产周期生产周期 B4投资成本投资成本 B5固定资产投资固定资产投资 B51最优方案最优方案 A安装费用安装费用 B52运营成本运营成本 B53培训费用培训费用 B54设备利用率设备利用率 B11劳动力利用率劳动力利用率 B12搬运距离搬运距离 B21搬运次数搬运次数 B22路径冲突路径冲突 B23方方案案C1方方案案C2方方案案C3方案层方案层4.系统仿真方法论v现代仿真技术大多数是在计算机支持下进行的。根据仿真的概念，制造系统仿真有三个基本的活动，即系统建模、仿真建模和仿真实验。联系这三个活动的是系统仿真的三要素，即系

16、统、建模、计算机（包括硬件和软件）。系统仿真的步骤对象调查对象调查实体映射实体映射建立逻辑联系建立逻辑联系模型调试和验证模型调试和验证仿真实验仿真实验优化和比较优化和比较4.14.24.34.44.54.6调查被研究对象的各种特征调查被研究对象的各种特征将被研究对象映射为仿真实体将被研究对象映射为仿真实体建立仿真实体间的逻辑联系建立仿真实体间的逻辑联系调试模型，验证所建立的仿真模型是否正确调试模型，验证所建立的仿真模型是否正确基于所建立的仿真模型，进行实验基于所建立的仿真模型，进行实验提出优化方案，并与原方案进行比较提出优化方案，并与原方案进行比较4.1调查被研究的对象货架的属性货架的属性 层

17、数、层数、 列数列数 尺寸等尺寸等来料的属性来料的属性 种类、频率种类、频率 时间分布等时间分布等处理器的属性处理器的属性 处理时间处理时间 处理数量等处理数量等叉车的属性叉车的属性 运行速度运行速度 载货量等载货量等调度方法调度方法 配货、配装路配货、配装路 径等径等传送带的属性传送带的属性 传送速度传送速度 物流尺寸等物流尺寸等4.2实体映射4.3建立逻辑联系根据移动实体在模型中的运动路线，用连线或编程的方法连接各固定实体4.4模型调试和验证4.5仿真实验运行仿真模型运行仿真模型系统原设计方案系统原设计方案存在的问题存在的问题研究者希望改进研究者希望改进的目标的目标设施布局优化设施布局优化

18、流程瓶颈优化流程瓶颈优化仓库利用率优化仓库利用率优化物流路径优化物流路径优化l增加叉车的数量增加叉车的数量l用更高性能的叉车代替现有叉车用更高性能的叉车代替现有叉车l叉车能力不足形成转运环节的瓶颈叉车能力不足形成转运环节的瓶颈4.6优化和比较通过消除瓶颈所改善的全局设备利用率通过消除瓶颈所改善的全局设备利用率更换一台高性能叉车后，全局设备利用率的情况增加一台叉车后，全局设备利用率的情况系统整体性能的提高系统整体性能的提高Vs 增加或更换叉车所花费的成本增加或更换叉车所花费的成本5.物流系统仿真工具简介v 专门用于仿真的计算机软件，与仿真硬件同为仿真的技术工具。仿真软件是从50年代中期开始发展起

19、来的。仿真软件分为仿真语言仿真语言、仿真程序包仿真程序包和仿真软件系统仿真软件系统三类。其中仿真语言是应用最广泛的仿真软件。仿真程序包是针对仿真的专门应用领域建立起来的程序系统。使用这种程序包可免去繁重的程序编制工作。仿真软件系统以数据库为核心将仿真软件的所有功能有机地统一在一起，构成一个完善的系统。它由建模软件、仿真运行软件（语言）、输出结果分析报告软件和数据库管理系统组成。 Flexsim简介v Flexsim是美国flexsim公司开发的一个基于Windows、面向对象的仿真环境，用于建立离散事件流程过程，如制造业，物料处理和办公室工作流等。Flexsim应用深层开发对象，这些对象代表着

20、一定的活动和排序过程。要应用模板里的某个对象，只需要用鼠标把该对象从库里拖出来放在模型视窗即可。每一个对象都有一个坐标（x，y，z）速度（x，y，z），旋转以及一个动态行为（时间）。对象可以创建、删除，而且可以彼此嵌套移动，它们都有自己的功能或继承来自其他对象的功能。这些对象的参数可以把任何制造业、物料处理和业务流程快速、轻易、高效的描述出来。Flexsim的实体、属性和工具实实体体类类型型固定实体固定实体临时实体临时实体可移动实体可移动实体实实体体属属性性常规常规视景视景标签标签统计统计工工具具单表导入单表导入/导出导出全局时间表全局时间表MTBF/TRFlexsim的相关操作的相关操作(1

21、)发生器(Source)发生器用来创建在模型中行进通过的临时实体。每个发生器创建一类临时实体，并能够为它所创建的临时实体分配属性，如实体类型或颜色。模型中至少有一个发生器。发生器可以按照每个到达时间间隔、每个到达时间表或一个定义的到达序中创建临时实体。(2)吸收器(Sink)吸收器用来消除模型中已经完成全部处理的临时实体。一旦一个临时实体进入吸收器，就不能再恢复。任何涉及即将离开模型的临时实体的数据收集，都应在它进入吸收器之前或在吸收器的进入触发器中进行。如果需要循环利用临时实体而不是消除掉，不要使用吸收器，而代之为一个暂存区。进入暂存区的临时实体可以被移进模型中的其它部分而实现重新进入。(3

22、)暂存区(Queue)暂存区用来在下游实体尚不能接收临时实体时暂时存储它们。默认工作方式是先进先出式，即当下游实体变为可用时，已经等待那个实体的等待时间最长的那个临时实体首先离开暂存区。暂存区设有分批选项，可以积累临时实体到一个批次再释放它们。(4)处理器(Processor)处理器用来在模型中模拟对临时实体的处理过程。处理过程仅被简单地模拟为一段强制的时间延迟。总延迟时间被分成预置时间和处理时间。处理器可以设置中断停机，并且经过随机或定期的时间间隔之后恢复在线状态。当处理器中断停机时，所有正在处理的临时实体都会被延迟。处理器一次可以处理多个临时实体。平均故障间隔时间平均故障间隔时间平均修复时

23、间平均修复时间(5)合成器(combiner)和分解器(Separator)合成器用来把模型中行进通过的多个临时实体组合在一起。它可以将临时实体永久地合成在一起，也可以将它们打包并在以后某个时间点上分离。合成器首先从输入端口1接收一个临时实体，然后才会从其它输入端口接收后续的临时实体。只有当用户要求的后续临时实体全部到达后，才开始对预置/处理时间计时。(6)输送机(Conveyor)输送机用来在模型中沿一系列路径移动临时实体。通过创建输送机的不同分段来定义路径。每个分段可以是直段，也可以是弧段。弧段用转过的角度和半径定义。直段由长度定义。这样可以使输送机具有其所需要的弯曲度。Type1.00为

24、直段Type2.00为弧段末端相对于始端所升高的高度弧段的半径支撑柱的高度(7)货架(Rack)货架用来像在仓库货架上一样存储临时实体。货架的列数和层数可以由用户定义。用户可以指定位置来放置进入货架的临时实体。货架也可以用来当作一个仓库的地面堆存，使用列号来指定在地面上放置临时实体的x位置，用层来指定放置临时实体的y位置。(8)运输机(Transporter)和操作员(Operator)运输机主要用来从一个实体到另一个实体搬运临时实体。它有一个货叉，可以在向货架中捡取或放下临时实体时抬升到相应的高度。如果需要，它可以一次搬运多个临时实体。(9)起重机(Crane)等起重机在固定的空间内工作，沿着互相垂直的x、y和z三个方向运动。它用来模拟有轨梁导引的起重机，如门式、桥式和悬臂式起重机。在默认情况下，起重机吊具在捡取或放下临时实体，移动到下一个位置前，会上升到某一个高度。视景指定实体的三指定实体的三维形状维形状指定实体的二指定实体的二维形状维形状指定实体在模型布局中的空间位指定实体在模型布局中的空间位置和尺寸大小置和尺寸大小常规可在此更改实体名称可在此更改实体名称输入端口输入端口输出端口输出端口中间端口中间端口可根据实体的端口可