物流系统建模与仿真 课件 第一章 绪论

物流系统建模与仿真普通高等教育物流管理与工程类专业一、物流系统三、常见物流仿真软件

第一章绪论Contents二、建模与仿真一、物流系统（一）系统1.系统来源及定义

系统（system）一词源于拉丁文的“sytema”，表示群体、集合等。系统这一概念来源于人类长期的社会实践。人类认识现实世界的过程，是一个不断深化的过程。只有认识不断深化，在对个体、对局部都有更多、更深的了解以后，再把这些分散的认识联系起来，才看到了事物的整体，以及构成整体的各个部分之间的相互联系，从而形成了科学的系统观。一般可采用如下的定义：系统（system）是具有特定功能的、相互间具有有机联系的（element）所构成的一个整体。一、物流系统（一）系统2.系统特性

集合性：系统是由两个或两个以上的可以相互区别的要素或子系统组成的，而要素是构成系统的最基础部分。相关性：组成系统的要素是相互联系、相互作用的，相关性说明这些联系之间的特定关系。层次性：系统作为一个相互作用的诸要素的总体，可以分解为一系列的子系统并存在一定的层次结构，这是系统空间结构的特定形式。整体性：系统是由两个或两个以上的可以相互区别的要素，按照作为系统所应具有的综合整体性而构成的。目的性：通常系统都具有某种目的，要到达既定目的，系统都具有一定的功能，而这正是区别这一系统和其他系统的标志。环境适应性：任何一个系统都存在于一定的物质环境之中，必然要与外界环境产生物质、能量和信息交换，外界环境的变化必然会引起系统内部各要素之间的变化。一、物流系统（一）系统3.系统分类

根据系统的变化特性，系统可分为离散系统和连续系统。离散系统是指变量值只在某个离散时间点集合上发生变化的系统。连续系统是指状态变量随时间连续改变的系统。根据系统的物理特征，系统可以分为工程系统和非工程系统两大类。根据系统的形成方式不同，系统可分为自然系统和人工系统。自然系统形成的主体是自然界，而人工系统主体是人类自身对自然界的改造形成的系统或者是人类创造的系统。根据系统的实体性质不同，系统可分为实体系统和概念系统。实体系统是可见的，而概念系统是不可见的，它需要借助一定的实体才能体现出来，例如虚拟的网络系统。根据系统的开放程度，系统可分为孤立系统、封闭系统和开放系统。孤立系统与环境之间既无物质交换也无能量交换，封闭系统与环境之间仅有能量交换没有物质交换，开放系统与环境之间既有物质交换也有能量交换。根据运行性质不同，系统可分为静态系统和动态系统。一、物流系统（二）物流系统1.概念与分类

物流系统是指在一定的时间和空间里，由所需运转的物资、包装设备、搬运和装卸机械、运输工具、仓储设施、人员以及通讯联系等若干相互制约的动态要素所构成的，具有特定功能的有机整体。其目的是使企业物流合理化，并将企业生产出来的产成品按时、按质、按量且配套齐全、完好无损地迅速运达到消费者手中，以实现其空间和时间效益。按照不同的标准，可对物流系统进行不同的分类：根据物流发生的位置，物流系统可分为企业内部物流系统和企业外部物流系统。根据物流运行的性质，物流系统可以划分为供应物流系统、生产物流系统、销售物流系统、回收物流系统和废弃物流系统。根据物流活动的范围，物流系统可以划分为企业物流系统、区域物流系统和国际物流系统。根据物流构成的内容，物流系统可以划分为专项物流系统和综合物流系统。一、物流系统（二）物流系统2.物流系统的特点

物流系统是复杂的离散事件系统，有如下5个特点：不确定性：不确定性存在于物流系统中的每一节点，它总是处在一个不确定的环境中，受很多随机因素的影响，具有多目标、多因素、多层次的特性。非线性：物流系统的各个实体可主动改变自己的内部或外部结构，以适应环境的变化，从而呈现出物流系统的非线性特点。复杂性：物流系统是由若干个供应商、制造商、配送中心、销售商和终端客户组成的。其复杂性主要体现在贯穿于物流系统中的不确定及各实体要素间的非线性关系。适应性：物流系统各个实体为了适应市场环境的变化，与周围环境和其他实体间不断进行交互作用。多样性：由于物流系统各实体要素间处于不断相互作用和不断适应的过程，造成了实体向不同的方面发展变化，从而形成了物流系统实体类型的多样性。二、建模与仿真（一）模型许多情况下，难以直接对实际系统本身加以实验研究，也无法对实际系统进行研究。这时，最好建立一个实际系统的模型作为替代品来研究。模型是系统各元素交互关系的简化表示，这些关系包括因果关系、流程关系以及空间关系等。模型可以分为物理模型、逻辑模型，而逻辑模型又可以进一步分为符号模型、解析模型、仿真模型，如图所示。二、建模与仿真（二）仿真模型分类2.连续系统仿真：反映系统状态的状态变量取值随时间连续变化。如温控系统的温度是连续变化的，它是一个连续系统，对其进行仿真即为连续系统仿真。1.离散系统仿真：反映系统状态的状态变量取值随一个个离散事件的发生而在特定的时点离散变化，系统的状态变化是由事件随机驱动的。如银行排队系统是离散系统，对其进行的仿真即为离散系统仿真。3.混合系统仿真：如果仿真所模拟的系统既有连续的部分，也有离散的部分，则称为混合系统仿真。比如液态包装奶的生产流程，在液态奶包装前，为连续系统，后续储存、出库流程就属于离散系统。二、建模与仿真（三）仿真作用与优缺点作为解释手段去说明一个系统或问题。通过计算机仿真，可以使现有系统不受干扰，经过分析仿真结果，对现有系统做出正确评价，并可预测其未来的发展趋势，提出改进方案。作为设计准绳去综合分析和评价所建议的决策措施。对于所设计的新系统，在未能确定其优劣的情况下，先不必花费大量的投资去建立它，而是采用计算机仿真，对新系统的可行性和经济效果做出正确的评价。作为决策支持系统辅助决策。在管理决策中，针对具有不同的决策变量或参数组合的不同决策方案，进行计算机仿真的多次运行，按照既定的目标函数，对不同的决策方案进行分析比较，从中选择最优方案，从而辅助管理决策。作为预测方法去预报和辅助计划系统的未来发展。作为分析工具去确定系统的关键组成部分或项目。1.仿真作用

二、建模与仿真（三）仿真作用与优缺点①对于复杂系统具有良好的适应性，大多数具有随机因素的复杂系统无法用准确的数学模型表述从而采用解析方法评价，于是仿真通常就成为解决这类问题的好方法；②它允许对一段系统工作时间进行压缩，用小段时间仿真出大量时间段的工作情况；③不需要打乱真实系统就可以使人们能对现有系统在重新设计的工作条件下的工作成果做出分析判断；④能帮助人们选择最优的系统设计方案。2.仿真优点

3.仿真缺点

①它需要花费大量的费用和时间，这是由仿真系统开发的复杂性及仿真所需的计算机存储量大和计算时间长造成的；②对于现实生活中的复杂性，不能完成全部仿真而只能是其中一部分，所以会影响到仿真结果的可信度；③仿真的精度受到许多方面因素的影响，较难控制和测定；④模型的参数设定非常困难；即难以确定合适的系统仿真初始条件。三、常见物流仿真软件（一）软件工具可以采用多种软件工具建立仿真模型，这些工具总结如下：(1)通用程序设计语言：如VB、C、C++、Fortran等。(2)通用仿真语言：如GPSS、SIMSCRIPT、SLAM、SIMAN等。(3)电子表格及其插件：如Excel、@Risk(Excel插件)、CrystalBall(Excel插件)等。(4)可视化仿真软件包：如Flexsim、Arena、Automod、ExtendSim、Promodel、Witness等。（二）可视化仿真软件1.FlexsimFlexsim拥有C++IDE接口及编译器的图形仿真环境，是采用了VR技术的商业化离散事件系统仿真软件。Flexsim不仅带有强大的数据统计分析功能，还有强大的三维显示功能。三、常见物流仿真软件（二）可视化仿真软件2.RaLCRaLC系列仿真软件是由日本人工智能服务株式会社独立开发的拥有自主知识产权的物流仿真软件。RaLC系列仿真软件，集现代物流技术、人工智能、3D图像、数据处理和计算机仿真等技术为一体，专门服务于物流行业和工业工程领域。3.ArenaArena是一种管理系统模拟软件，很好地解决了计算机模拟与可视化技术的有机集成，兼备高级模拟器易用性和专用模拟语言柔性的优点，并且还可与通用过程语言，如VB、Fortran、C/C++等编写的程序连接运行。三、常见物流仿真软件（二）可视化仿真软件4.eM-PlanteM-Plant可以对各种规模的工厂和生产线，建模、仿真、优化生产系统。eM-Plant属于平面离散系统生产线仿真器，具有周边的机器人仿真器群，可与CAD、CAPE、ERP、DB等软件之间实时通信。eM-Plant用户通过扩展的分析工具、统计数据和图表来评估不同的解决方案并在生产计划的早期阶段做出迅速而可靠的决策。5.WitnessWitness是面向工业系统、商业系统流程的动态系统建模可视化交互型仿真软件，主要针对离散事件系统。Witness操作简单，在低配置计算机上也完全可以灵活使用。作为可选项，还具备三维立体显示功能（VR)。Witness的功能包括投资项目评估、现有设备改进、参数变化管理等，模型可分阶段建立，而且在模型运行时可随时改变。三、常见物流仿真软件（二）可视化仿真软件6.ExtendSimExtendSim是Extend的升级版本，ExtendSim仿真环境为不同层次的建模者提供了多种工具，用这些工具可以高效地建立精准、可信、有用的模型。ExtendSim的设计方式能够使仿真项目从建模、校验、确认到建立用户界面的每一步得到简化、方便。系统工具的开发者可以使用ExtendSim内嵌的编译语言MODL（类似C语言）来创建可以重复使用的建模模块。所有这些都是在自成一体的集成环境中完成的。不需要外部接口、编译器和代码产生器。7.AutoModAutomod是比较成熟的三维物流仿真软件。Automod建立搬运机器设备等对象物体，对各个作业流程都要建立过程语言，通过编制程序才能做出作业流程。全部配置结束后，编译源程序来执行模型。Automod功能十分强，能够实现相当高难度的仿真。多数模型之间可以进行通信。建模操作复杂，由于对全部机器设备等对象物都需要程序命令语言，所以操作人员必须要具备编程知识。三、常见物流仿真软件（二）可视化仿真软件8.QuestQuest系统仿真软件是针对设备建模、实验、分析设备分布和工艺流程的柔性、面向对象的、基于连续事件的专用模拟软件。2D图表和3D模型均可以通过按钮式界面、对话框、扩展标准库而得到，作为制造业生产线的仿真器，Quest操作简便性，演示性能强大，富有现实感，可以设置逻辑命令语言，不过Quest对物流生产线不太适用。9.SupplyChainGuru®它允许用户输入或导入供应链网络信息，用以自动建立强大的离散事件仿真和网络优化模型。用户可以测定改变供应链结构或策略所带来的影响，预测库存投资、运输费用以及生产情况，为企业提供预算功能。它可以让企业迅速模拟并优化其供应链运作，从而大幅降低物流、库存、生产和采购成本、提高客户服务水平。SupplyChainGuru®帮助企业处理从网络优化到运输优化中所涉及的每个问题，从而实现更加有效和有弹性的供应链。三、常见物流仿真软件（二）可视化仿真软件10.ClasswarehouseClasswarehouse通过在虚拟的计算机环境来进行设计、改进和测试复杂的仓库解决方案。能帮助公司评估产品的产量、人员的组织以及设备情况，来量化成本、效率以及服务水平。Classwarehouse所解决的实际问题范围很广，从对新建仓库的设计、评估，到对已有仓库的某个具体生产工艺的改进，再到如何在改变供应链和客户需求时保证成本、服务和效率三者间的平衡和优化。11.ProModelProModel可以构造多种生产、物流和服务系统模型ProModel是一套功能相当强且容易使用的数据及图型导向系统仿真软件。从小型化工场，大型工厂生产及先进的弹性制造系统皆可较容易地规划及模拟。三、常见物流仿真软件（二）可视化仿真软件12.SIMAnimationSIMAnimation使用基于图像的仿真语言，可以简化仿真模型的创建。仿真模型允许使用者去改变参数输入，其目的是通过模拟实际生产情况及市场波动对系统造成的冲击，从而避免了在理想化状态下系统设计所无法预料的各种因素，对系统的堵塞有着形象和直观的解决方案。13.ShowFlowShowFlow仿真软件，可为制造业和物流业提供建模、仿真、动画和统计分析工具。ShowFlow可以提供生产系统的生产量，确定瓶颈位置，估测提前期和报告资源利用率。还可以被用来支持投资决定，校验制造系统设计的合理性，通过对不同的制造策略进行仿真实验来找出最优解。14.Delmia提供了当今业界可用的集成和协同的数字制造解决方案。通过以工艺为中心的技术来定义、监测和控制各类生产系统，包括从单个的设备单元、生产线、工厂物流直到整个企业的生产过程。客户通过使用Delmia解决方案，能够大大地提高生产力、效率，在安全性和品质方面得到最大的效益，并同时降低成本。三、常见物流仿真软件（二）可视化仿真软件15.IncontrolIncontrol中的EnterpriseDynamicsTransport允许针对交通运输节点内部和外部的运输流和信息流的详细建模仿真。其中，EDTransport-Node库可为货运公司和配送中心建模，能够仿真货运中心和配送中心运营的整个过程。EDTransport-Node库还可以进行物流网络建模，即能够对包含若干物流节点以及其运输进行建模。16.StreamStream最大特点是从日文命令组中选出并排列的形式记述每一个设备的控制逻辑，关于制作完成的模型，仍然沿袭使用了其前身MiFactory。不仅可以当作物流生产线的仿真器使用，而且在单一个机械设备的仿真方面也可以用来变通使用，其开发基础是Sil-Tools，所以与一般的Windows应用程序相比，其操作上的感觉有些不同，且另外还需要特殊的开发环境，所以在扩展性和技术支持方面令人担忧。三、常见物流仿真软件（二）主流仿真软件比较仿真软件国度及开发商应用行业动画功能操作容易性价格面向对象物流部件扩展性分析功能Flexsim美国/FlexsimSoftwareProduction几乎能为所有产业定制特定的模型3D可用C++创建和修改对象。一般是有较好较强RaLC日本/人工智能服务株式会社专业面向物流，物流行业和工业工程领域3D建模简单直观，短时间内可熟练掌握较低是有一般一般eM-Plant美国/Tecnomatix面向大型制造业领域的仿真群2D比较复杂一般是丰富较好强大Witness英国/LannerGroup平面离散系统生产线仿真器2D一般一般是有一般一般SIMAnimation美国/3i公司集成化物流仿真软件3D基于图像的仿真语言，建模简单一般是有一般一般ShowFlow荷兰/IncontrolSimulationSoftware制造业和物流业3D功能简练，操作简单较低是有较好较强Delmia美国/DELMIACorp.USA汽车、航空、结构组装、电力电子、家用消费品、造船等行业。3D可3D协同工作较贵是有较好一般Quest法国/DassaultSystemes大型制造业生产线，对物流生产线不太适用3D快速有效地建模昂贵是有较好强大三、常见物流仿真软件（二）主流仿真软件比较仿真软件国度及开发商应用行业动画功能操作容易性价格面向对象物流部件扩展性分析功能Automod美国/Autosimulation比较成熟的三维物流仿真软件3D需要编制程序才能做出作业流程昂贵是有较好强大ProModel美国/ProModel小型化工场、大型工厂生产及先进的弹性制造3D不需撰写任何程序较贵是丰富较好一般Arena美国/SystemModeling制造业、物流及供应链、服务、医疗、军事、日常生产作业、各类资源的配置2D用户容易得到的免费参考材料以及服务一般是有较好较强Stream日本/三井造船股份有限公司物流生产线的仿真、单个机械设备的仿真3D技术支持较差一般是有差一般Incontrol荷兰/Incontrol

Enterprise

Dynamics交通仿真、物流配送、产能管理、政策分析和系统控制3D技术支持较好较贵是有一般较强Supplychainguru美国/LLammaSoft3D一般较贵是有一般一般Classwarehouse英国/CirrusLogistics3D一般一般否有一般一般Extend美国/ImagineThat2D用户需有行业经验，具备编程知识一般是一般最好较强三、常见物流仿真软件（二）主流仿真软件选择评价项目评价内容备注分析功能有没有好的随机数发生器？是否可设定随机数初值？有多少种统计分布函数可供选择？是否有自动找出合适分布函数的功能（或是否附带有ExpertFit等工具）？是否有优化功能(或是否附带有OptQuest等工具)？是否有Excel接口？是否能和ODBC数据源相连接？是否具有强力的商务图表功能？分析功能的强与弱是评价仿真软件最关键的一个项目。能否容易地建立近似于现实系统的模型是仿真成功的关键。注意：没有随机数发生器和多种统计分布函数的软件，不可能实现仿真。动画功能是2D类还是3D类？能否自由变更部件的图形？是否可用大众化3D图形文件？在仿真运行过程中，