物流系统仿真技术

物流工程与管理第5章物流系统仿真技术包装与印刷工程学院李光第一页，共八十四页。内容5.1物流系统仿真概述5.2物流系统模型与计算机仿真软件5.3计算机仿真在物流系统规划中的应用第二页，共八十四页。5.1物流系统仿真概述5.1.1物流系统仿真的概念5.1.2物流系统仿真的类型5.1.3物流系统仿真的作用5.1.3物流系统仿真的方法第三页，共八十四页。5.1.1系统仿真的概念什么是系统仿真？仿真是一种模仿行为，模仿现有系统或未来系统的运行状态。海湾战争以后，美军公布了在军事上战胜伊拉克过程中，采用系统仿真辅助作战的成功案例。美国总统办公室和国防部从1992年以来，一直将“建模与仿真”列入优先发展的先进技术。第四页，共八十四页。从一般意义上讲，系统仿真可以被理解为：在对一个已经存在或尚不存在的系统进行研究的过程中，为了解系统的内在特性，必须进行一定的实验；由于一些原因（未存在，危险性大，或者成本高昂），无法在原系统上直接进行实验，只能设法建立既能反映系统特征又能满足系统实验要求的系统模型，然后在该模型上进行实验，以达到了解或设计系统的目的。第五页，共八十四页。从近现代意义上讲，所谓系统仿真，是指：利用计算机来运行仿真模型，模仿实际系统的运行状态及其随时间的变化情况，并通过对仿真过程的观察和统计，得到仿真模型的输出参数和基本特征，以此来估计和推断实际系统的真实性能。第六页，共八十四页。所谓系统仿真，就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。第七页，共八十四页。系统仿真的实质(1)它是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处理。(2)仿真是一种人为的试验手段。仿真实验不是依据实际环境，而是在实际系统映象的系统模型，以及相应的“人造”环境下进行的。(3)仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。第八页，共八十四页。系统仿真的特点（1）系统仿真是一种有效的“实验”手段，它为一些复杂系统创造了一种计算机实验环境，使系统的未来性能和长期整体特性，能在极短的时间内在计算机上得到估计、验证和结论。（2）仿真模型通常具有面向实际过程或实际问题的特征，它可以反映系统中主要事物间的逻辑关系和数学关系。第九页，共八十四页。（3）仿真的输出结果是在仿真运行过程（即仿真实验过程）中，对系统行为和系统状态的参数值进行计算和统计而得到的。这种计算和统计是由仿真软件实现的。（4）复杂系统仿真往往需要考虑随机因素的影响，每一次模型的仿真运行只是对系统行为的一次随机抽样，因此，一个完整的仿真实验往往由仿真模型的多次独立重复运行组成。所得到的仿真结果也只是对真实系统进行具有一定样本量的仿真实验的随机样本。因此，需要通过必要的统计处理，才能得出对真实系统的性能的估计。第十页，共八十四页。系统仿真的缺点（1）仿真模型本身并不具备优化功能，每次仿真实验只能给出实际问题的一个可行解，如果要获得问题的最优解，需要对多种备选方案逐一实验，因此具有枚举法的弱点。（2）仿真建模是直接面向问题的建模过程，对于同一个问题，由于建模人员的素质或风格上的差异或对问题了解的深度不同，往往会构造出迥然不同的仿真模型，其运行结果自然也会有差异。第十一页，共八十四页。按系统状态是否变化静态系统动态系统投针试验理发馆模型按系统状态的变化与时间的关系连续型系统：系统的状态随时间连续变化离散型系统：系统状态仅在某些时间点上发生变化按有无随机过程确定型系统：系统的输出取决与输入随机型系统：包含随机因素的系统物流系统仿真主要研究动态离散随机排队系统5.1.2系统仿真的类型第十二页，共八十四页。还有一些用于系统(特别是社会经济和管理系统)仿真的特殊而有效的方法，如系统动力学方法、蒙特卡洛法等。第十三页，共八十四页。系统动力学是一种连续系统仿真技术，研究对象主要是复杂的社会经济系统和生态系统，以及一些可以用一阶微分方程组描述的系统。通过建立系统动力学模型(系统结构框图、因果关系图、流图等)、利用DYNAMO仿真语言在计算机上实现对真实系统的仿真实验，从而研究系统结构、功能和行为之间的动态关系。第十四页，共八十四页。蒙特卡洛(MonteCarlo)方法，或称计算机随机模拟方法，是一种基于“随机数”的计算方法。这一方法源于美国在第二次世界大战研制原子弹的“曼哈顿计划”。该计划的主持人之一、数学家冯·诺伊曼用驰名世界的赌城，摩纳哥的MonteCarlo，来命名这种方法，为它蒙上了一层神秘色彩。蒙特卡洛法是基于概率论的随机抽样的计算方法，可以解决如下两类的静态或动态问题：第十五页，共八十四页。问题－：某人每轮向靶子射10箭，已知其击中靶心的概率为25％，问一轮中射中7箭的概率为多少？问题二：有一银行营业点打算添置一台自动存取款机（12小时服务），顾客按一定的间隔时间到来，排队接受服务，先来者先用，后来者后用，顾客不愿在队列中等待太久，否则会离去。管理人员想了解等待时间超过3分钟的顾客的比例为多少，若该比例太大，则考虑再增设一台机器。第十六页，共八十四页。问题一的求解方法：1.产生均匀分布随机数0.00～0.99（100个），某个数字出现的概率相等。若产生1000个这样的数，则（1）数值为0.00～0.24大约会有250个，比例大约为0.25；（2）数值为0.25～0.99大约会有750个，比例大约为0.75。第十七页，共八十四页。2.以每产生一个随机数代表射1箭，若产生的随机数小于0.25，则代表击中靶心，如果产生的随机数大于或等于0.25，则表示没有击中靶心。若实验的次数很多（远大于1000），则击中靶心的频率接近于25％。若实验的次数无限多，则击中靶心的概率等于25％。第十八页，共八十四页。3.确定一轮中击中7箭的概率（1）每轮由计算机产生10个均匀分布的随机数Ni（i=1，2，3，…10），代表射10箭；（2）其中若Ni小于0.25为击中，记下该轮中击中的次数；（3）重复(1)―(2)步，进行K轮实验；（4）找出K轮中所有每轮击中7次的总轮数M，则K轮中每轮击中7箭的频率为M/K，若K趋向无穷大时，M/K为每轮击中7箭的概率。第十九页，共八十四页。问题二的求解方法：1.模拟过程顾客到达排队→使用存取款机→顾客离开2.调查数据观察100位顾客到达间隔时间和使用机器的持续时间，得到如下统计数据：第二十页，共八十四页。3.产生均匀分布的二组随机数产生0.00-0.99间隔两组均匀分布的随机数。一组用于模拟顾客到达间隔时间，另一组模拟顾客用机时间。由第一组产生的一个随机数代表当前到达存取款机的一位顾客。如：随机数的值为0.70，通过表2.2-1，可以确定所模拟的该顾客到达的时间与前一位顾客到达时的间隔时间为5分钟。由第二组产生的一个随机数代表正在使用存取款机的一位顾客。如：随机数的值为0.90，通过表2.2-2，可以确定所模拟的该顾客使用存取款机的时间为4分钟。第二十一页，共八十四页。4.手工模拟步骤与结果（假设模拟开始时间为0）顾客编号到达间隔随机数间隔时间用机时间随机数用机时间到达时间开始使用时间离开时间等待时间10.5740.502446020.0310.8945610130.9590.311141415040.3830.8031717200第二十二页，共八十四页。5.1.3系统仿真的作用(1)仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。尤其是对一些复杂的随机问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。(2)对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。第二十三页，共八十四页。(3)通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便分析。(4)通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。第二十四页，共八十四页。5.1.4系统仿真的方法1.计算机仿真的过程计算机仿真的三项基本要素是：系统、模型和计算机，三者之间的关系如图5-1所示。而联系这三个要素的基本活动是：模型设计、模型实现和仿真实验，仿真过程三项基本活动之间的关系如图5-2所示。第二十五页，共八十四页。系统模型计算机图5-1仿真三要素关系图图5-2仿真的三项基本活动对象系统模型设计仿真模型数学模型模型实现模拟电路软件编程仿真实验数据处理结果评估第二十六页，共八十四页。（1）建模阶段在这一阶段，通常是先分块建立子系统的模型。若为数学模型则需要进行模型变换，即把数学模型变为可以在仿真计算机上运行的模型，并对其进行初步的校验；若为物理模型，需要在功能与性能上覆盖系统的对应部分。然后根据系统的工作原理，将子系统的模型进一步集成为全系统的仿真实验模型。第二十七页，共八十四页。（2）模型加载阶段在这一阶段，利用仿真软件将仿真模型输入计算机。根据实验目的的制定实验计划和实验大纲，在计划和大纲的指导下，设计一个好的流程，选定待测量变量和相应的测量点，以及适合的测量仪表。第二十八页，共八十四页。（3）仿真实验阶段在这一阶段，转入模型运行，即进行仿真实验并记录结果。第二十九页，共八十四页。（4）结果分析阶段在这一阶段，需要对实验数据进行去粗取精、去伪存真的科学分析，并根据分析结果做出正确的判断和决策。实验的结果反映的是仿真模型系统的行为，这种行为能否代表实际系统的行为，由仿真用户或熟悉系统领域的专家来判定。如果得到认可，则可以转入文档处理，否则，需要返回建模和模型实验阶段查找原因，或修改模型结构和参数，或检查实验流程和实验方法，然后再进行实验，直到获得满意结果。第三十页，共八十四页。2.仿真算法和仿真软件1）仿真算法（1）集中参数系统数字仿真算法（2）分布参数系统数字仿真算法（3）离散事件系统数字仿真算法第三十一页，共八十四页。2）仿真软件仿真软件可提供基本的功能元素，使仿真的编程工作大大简化，常见的有Automod、Witness、eM-Plant、Flexim、Racl等。第三十二页，共八十四页。3.仿真结果的处理根据流程运行结果，进行系统是否存在“瓶颈”，流程是否畅通，物流量是否能满足要求。如果结果不理想，要根据相应的原因，调整方案或者改变参数，直至满足物流系统的需求。第三十三页，共八十四页。5.2物流系统模型与计算机仿真软件5.2.1物流系统模型5.2.2计算机仿真软件第三十四页，共八十四页。5.2.1物流系统模型1.物流系统建模方法1）物流系统建模的原则（1）模型的研究目标要有针对性。（2）模型的层次逻辑要清晰明确。（3）模型选取的精度要适当可靠。（4）模型要保证仿真试验的可行性。（5）尽量使用标准模型和标准接口。第三十五页，共八十四页。2）物流系统建模的思路（1）对于结构与特性相对比较清楚的物流系统，比较容易建立精确数学模型进行系统描述。（2）对于结构比较清楚，而系统特性不太明确的物流系统，采用逻辑图方式建立模型。第三十六页，共八十四页。（3）对于结构与特性都不很清楚，且又不能直接进行实验观察的物流系统，采用数据统计分析方法进行建模。（4）当系统结构复杂、性质不太清楚、缺乏足够的数据，且无法进行实验观察时，采用定性定量的启发式方法及系统动力学方法等建模。第三十七页，共八十四页。2.常见物流系统模型1）典型库存系统模型确定性库存系统：解析方法；随机性库存系统：计算机仿真。第三十八页，共八十四页。库存控制中的基本经济订购批量模型EOQ：其中：-最佳订购批量；-该物资在T时间内的总需求量；-每批次物资订购费用；-单位物资存储费用；-特定的存储时间。第三十九页，共八十四页。2）典型排队问题模型排队论是运筹学的一个分支，也被称为随机服务系统理论。排队论主要研究各种系统的排队队长、排队等待时间及所提供服务等参数，以便求得更好的服务。研究排队问题实质上就是研究如何平衡等待时间与服务台空闲时间，即如何确定一个排队系统，使服务台效率要高，实体等待时间又不太长。第四十页，共八十四页。例：理发馆系统在研究理发馆系统时，我们不考虑如下情况：（1）理发馆的设备与工具；（2）理发师的个人行为（道德品质，技术高低）；（3）顾客对发型的偏好等。我们关注的是：（1）理发馆的服务能力；（2）理发师的忙闲状况；（3）顾客拥挤程度（等待理发排队的顾客有多少）。我们的研究目的为：（1）分析系统运行状况；（2）找出系统运行的瓶颈；（3）改造系统结构。第四十一页，共八十四页。分析理发排队系统：

（1）若增加理发师，则排队减少，获得服务的顾客会增多，理发馆收入会增加，但理发师工资成本也会增加；（2）若减少理发师，则排队严重，获得服务的顾客会减少，理发馆收入会减少，但理发师工资成本也会降低。由此产生了矛盾的两个方面：

（1）增加服务能力，收入会增加但成本也会增加；（2）减少服务能力，收入会减少但成本也会减少。因此肯定会存在一个最优的服务能力，使理发馆获得的利润最大。第四十二页，共八十四页。例:只有一个理发师的理发店模型到达服务离开空闲?排队到达排队服务离开服务台YN第四十三页，共八十四页。第四十四页，共八十四页。普遍使用的排队系统性能指标（1）稳态平均队列时间p：其中：-第i个顾客排队的时间。第四十五页，共八十四页。（2）稳态平均逗留时间w：其中：-第i个顾客通过系统时的逗留时间。第四十六页，共八十四页。（3）稳态平均队长L：其中：-t时刻的队列长度。第四十七页，共八十四页。（4）稳态平均顾客数Q：其中：-t时刻的顾客数。第四十八页，共八十四页。5.2.2计算机仿真软件目前商用的系统仿真软件：AutomodWitnessFlexsimEmplantExtendArenaAnylogicPromodel第四十九页，共八十四页。1.AutoMod简介AutoMod仿真软件能够达到初次使用者与专业人员的需求。你可以轻松而精确地模拟任何规模、任何精细程度的系统——从手工作坊到全自动化的设施。使用AutoMod的独特功能可以提高成功率与生产力，AutoMod的独特功能有：3D虚拟现实动画、互动建模、原料运送模板、易于理解的语言。第五十页，共八十四页。AutoMod的优点：减少设计与开发时间减少运营瓶颈的风险建模繁简由人建模高度精确增强对设计的信心减少设计错误的风险支持设备投资分析第五十一页，共八十四页。2.Witness简介Witness是由英国lanner公司推出的功能强大的仿真软件系统。它可以用于工业规划的离散系统仿真，同时又可以用于连续流体（如液压、化工、水力）系统的仿真。第五十二页，共八十四页。Witness的应用领域：汽车工业食品化学工业造纸电子

银行和财务航空政府工程运输第五十三页，共八十四页。目前已成功运用于国际3000多家知名企业的解决方案：Airbus公司的机场设施布局优化BAA公司的机场物流规划BAESYSTEMS电气公司的流程改善Exxon化学公司的供应链物流系统规划Ford汽车公司的工厂布局优化和发动机生产线优化TreborBassett公司的分销物流系统规划Motorola、Nokia公司在手机生产线上工艺流程的改进第五十四页，共八十四页。界面整齐；操作方便；拥有直观的元素：像Entity、Part、Machine、Vehicle等，易学易懂；可用于离散系统仿真，又可以用于连续流体（如液压、化工、水力）系统的仿真。Witness的特点：第五十五页，共八十四页。Witness的用户界面第五十六页，共八十四页。3.Flexsim简介Flexsim是工程师、管理者和决策人对提出的“关于操作、流程、动态系统的方案”进行试验、评估、视觉化的工具。它具有完全的C++面向对象(object-oriented)性，超强的3D虚拟现实（3D动画），直观的、易懂的用户接口，卓越的柔韧性（可伸缩性）。Flexsim是世界唯一的在图形的模型环境中应用C++IDE和编译程序的仿真软件。定义模型逻辑时，可直接使用C++，而且可立刻编译到Flexsim中。因为Flexsim具有高度的开放性和柔韧性，所以能为几乎所有产业定制特定的模型。第五十七页，共八十四页。Flexsim的主要特性

一、模型Flexsim采用经过高度开发的部件(Object)来建模。部件表示商业过程中的活动、行列，即代表着时间、空间等信息。建立模型时，只需要将相应的部件从部件库拖放到模型视图(View)中，各个部件具有位置(x，y，z)、速度(x，y，z)、旋转角度(rx，ry，rz)和动态的活动(时间)等属性。部件可以被制造、被消灭，也可以相互移到另一个部件里，除了具有自身的属性外还可以继承他的部件的属性。部件的参数是简单、快速、有效地建立生产、物流和商务过程模型的主要机能。通过部件的参数设置，我们可以对几乎所有的物理现象进行模型化。例如，机械手、操作人员、队列、输送机、叉车、仓库、交通信号、坦克、箱子等全都可用Flexsim来建立模型，信息情报等“软”的部分也可很容易地使用Flexsim功能强大的部件库来建模。第五十八页，共八十四页。Flexsim建立的仓库模型（局部）第五十九页，共八十四页。二、层次结构Flexsim可以让建模者使模型构造更具有层次结构。建立模型的时候，每一部件都使用继承的方法（即采用继承结构），可以节省开发时间。Flexsim可以让用户充分利用MicrosoftVisualC++的层次体系特性。第六十页，共八十四页。三、量身定制目前在市场上，像Flexsim一样能让用户自由自在的量身定制的仿真软件非常罕见。软件的所有可视窗体都可以向定制的用户公开。建模人员可以自由地操作部件、视窗、图形用户界面、菜单、选择列表和部件参数，可以在部件里增加自定义的逻辑、改变或删掉既存的编码，也可以从零开始建立一个全新的部件。值得一提的是，不论是用户设定的还是新创建的部件都可以保存到部件库中，而且可以应用在其它模型中。最重要的是，在Flexsim中可以用C++语言创建和修改部件，同时，利用C++可以控制部件的行为活动。Flexsim的界面、按钮条、菜单、图形用户界面等都是由预编译的C++库来控制的。第六十一页，共八十四页。

四、可移植性因为Flexsim的部件是向建模者公开的，所以部件可以在不同的用户、库和模型之间进行交换。可移植性与量身定制相结合能带来超级的建模速度。定制的部件保存在部件库中，建模时，只要从部件库中拖放相应部件，就能在新模型中再现这些部件。可移植性与量身定制延长了部件和模型双方的生命周期。第六十二页，共八十四页。五、仿真Flexsim具有一个非常高效的仿真引擎，该引擎可同时运行仿真和模型视图（可视化），并且可以通过关闭模型视图来加速仿真的运行速度。仿真运行时，利用该引擎和Flexscript语言准许用户在仿真进行期间，改变模型的部分属性。Flexsim能一次进行多套方案的仿真实验。这些方案能自动进行，其结果存放在报告、图表里，这样我们可以非常方便地利用丰富的预定义和自定义的行为指示器，像用处、生产量、研制周期、费用等来分析每一个情节。同时很容易的把结果输出到象微软的Word、Excel等大众应用软件里，利用ODBC（开放式数据库连接）和DDEC（动态数据交换连接）可以直接对数据库进行读写数据。第六十三页，共八十四页。

六、可视性如果说一幅图能够表达上千的文字，那么Flexsim的虚拟现实动画以及模型视图就表达了无限的容量。Flexsim能利用包括最新的虚拟现实图形在内的所有PC上可用的图形。如果是扩展名为3DS、VRML、DXF和STL的3D立体图形文件的话，可以直接调到Flexsim模型中用，而其他仿真软件中没有这项功能。Flexsim的VR(虚拟现实浏览窗口)放映装置允许用户调节光源、雾以及虚拟现实立体技术等场景元素。Flexsim的演示功能提供模型的艺术性表演。用Flexsim的AVI记录器能快速生成AVI文件，无论怎样的模型都能复制或记录在CD上，紧急时可邮送给任何人观看。第六十四页，共八十四页。七、输出Flexsim具有强力的商务图表功能，海图(Charts)、饼图、直线图表和3D文书能尽情地表现模型的信息，需要的结果可以随时取得。Flexsim的openarchitecture允许用户连接OBDC数据源、进行读和写，可以实时的连接Word和Excel。第六十五页，共八十四页。Flexsim建立的原材料传输模型（局部）第六十六页，共八十四页。4.eM-Plant简介eM-Plant最初由一个德国博士开发，后来被一家以色列的公司Tecnomatix买下，目前已经发布了8.1版。eM-Plant仅仅是Tecnomatix系列的一个模块，Tecnomatix的目标显然比Witness或Flexsim之类仿真软件要长远得多，它将eM-Plant作为其数字化制造系统解决方案中的一个环节，与其工艺规划和制造执行模块整合，成功地应用在世界汽车、电子、航空等行业中，Ford、GE、VW、Chrysler、FIAT、Honda等等，其中Ford更是全线采用Tecnomatix的解决方案！第六十七页，共八十四页。具有很强的开放性，尤其是最近发布的8.1版，基于com技术，使得它能非常方便地与其它软件模块整合，并且提供了相当丰富的对外接口；元素的设计理念充分体现了面向对象的思想，并且在建立模型的过程中可以使用继承派生等方法，再结合Method，就可以建立符合用户要求的类型，而在Witness中，新的类型往往须要用Module来实现，不是很方便；eM-Plant也有一些弱点，比如它不能处理流体。eM-Plant的特点：第六十八页，共八十四页。5.ExtendSim简介ExtendSim仿真和优化软件是由美国ImagineThat公司开发的通用仿真平台。EXTEND是最多世界顶尖企业在中国选择的仿真软件。ExtendSim的独特之处在于提供了一个充分扩展的平台和一个随意发挥的仿真环境，你只要有自己的行业经验，只要懂C语言，就可以开发自己的行业模块。

ExtendSim开放模块源代码，扩展性最好，是十多个仿真软件二次开发的核心引擎。第六十九页，共八十四页。ExtendSim的特点：全球用户最多，已超过13000家；开放模块源代码，扩展性最好；价格最便宜，是其他主流仿真软件价格的1/3到1/5；性价比最好；学习最容易，建模效率最高，成功应用案例最多，技术支持力量最强。第七十页，共八十四页。6.Arena简介Arena是美国SystemModeling公司于1993年基于SIMAN仿真语言研制开发的可视化交互集成式离散事件模拟软件。在诸多的仿真软件中，Arena一直在仿真学术界有着很高的声誉，2006年的美国冬季仿真会议上，48%的论文引用到了该软件，这足以说明Arena的泰山北斗地位。现在，Arena已经成为著名的Rockwell公司旗下的产品，其前景必将更加广阔。经过十多年的发展，Arena的版本已经到了11.0，而这段发展历程则是任何一个仿真软件都不能比拟的。第七十一页，共八十四页。无论您的决策是否会冲击制造、供应链、客服营运等，ARENA皆能显示出如何避免风险性投资、降低流程变异性、找出瓶颈以及提升盈余等。第七十二页，共八十四页。7.Anylogic简介AnyLogic是一个专业虚拟原型环境，用于设计包括离散，连续和混合行为的复杂系统。AnyLogic可快速地构建被设计系统的仿真模型（虚拟原型）和系统的外围环境，包括物理设备和操作人员。第七十三页，共八十四页。Anylogic特点:最灵活最强大的仿真建模技术；开放式体系结构；可交互的二维和三维动画；灵巧的可于网络上运行的模型；第七十四页，共八十四页。8.Promodel简介ProModel模拟软件系统是美国PROMODEL公司开发的一款用于模拟各种生