11-01-第十一章 - 物流工程仿真

2022.7朱占峰教授、博士后、博士生导师高级物流师、高级咨询师

《物流工程导论》第11章物流工程仿真

2015年4月，首个由国内港口自主研发的铁路生产业务系统——宁波港铁路生产业务系统正式投入运行，这将大大加快宁波港集装箱海铁联运融入以物联网、大数据为代表的“互联网＋”时代的步伐。今后业务人员只需轻点鼠标，宁波港海铁联运集装箱的在途情况便尽收眼底。——引子：11.1现代系统仿真技术11.1.1系统仿真原理11.1.2系统仿真过程 11.1.3系统仿真类型系统仿真是利用一个模型来模仿实际系统发生的运动过程并进行试验的技术。随着现代信息技术的高速发展，仿真技术也得到了飞速的发展，在军事和民用领域中的应用更是不断向广度和深度拓展，同时又促进了仿真技术本身的进步。——现代系统仿真技术6系统仿真所谓系统仿真（Systemsimulation），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。系统仿真原理根据定义可以看出，系统仿真实质上包括了三个基本要素：系统、模型、计算机。而联系这三个要素的基本活动是：模型建立、模型实现和仿真实验。——系统仿真原理物流系统模型仿真则是建立在对物流系统的结构及流程分析完成的基础上，通过对系统进行数学描述，也就是建立系统模型，然后通过合适的仿真方法，使该物流系统模拟实现的过程。其目的是通过仿真了解物料运输、存储的动态过程的各种统计性能，如运输设备的利用率是否合理，运输路线是否通畅，物料搬运系统的流动周期是否过长等。——系统仿真原理8建模阶段基本环节在这一阶段，通常是先分块建立子系统的模型。模型实验阶段在这一阶段，首先要根据实验目的制订实验计划和实验大纲。结果分析阶段在这一阶段中需要对实验数据进行去粗取精、去伪存真的科学分析，并根据分析的结果做出正确的判断和决策。——系统仿真过程一般步骤（1）针对实际系统建立系统模型，确定模型的边界。（2）仿真建模，是指根据系统的特点和仿真要求选择合适的算法。（3）程序设计，是指将仿真模型用计算机程序描述。利用专用的仿真语言，能大大减轻程序编制工作量。（4）程序检验，是指对程序调试检验和仿真算法的合理性检验。（5）仿真运行，是指仿真实验的运作过程。（6）仿真结果分析，是指对仿真结果的分析、判断。在实际仿真过程中，上述步骤往往需要多次反复和迭代。——系统仿真过程10以研究系统的特征为划分标准分类根据被研究系统的特征可分为两大类，连续系统仿真及离散事件系统仿真。以仿真时钟与实时时钟的比例为划分标准根据仿真时钟与实时时钟的比例分类，可以分为实时仿真、亚实时仿真和超实时仿真。以参与仿真的模型种类为划分标准按照参与仿真的模型的种类不同，将系统仿真分为物理仿真、数学仿真及物理——数学仿真（又称半物理仿真或半实物仿真）。——系统仿真类型11.2物流工程动态系统的仿真建模11.2.1物流工程动态系统仿真建模概述11.2.2连续变量动态系统的仿真建模 11.2.3离散事件动态系统的仿真建模1.动态系统计算机仿真的演进根据仿真过程中所采取计算机的类型不同，动态系统计算机仿真可分为：20世纪50年代，模拟机仿真；20世纪60年代以后，数字机仿真；20世纪70年代，模拟——数字混合机仿真。曾一度出现在飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多搞技术研究领域。20世纪90年代之后，随着计算机技术的快速发展，特别是并行处理机和并行处理技术的研究和发展，数字仿真依然称为计算机仿真的主流。——物流工程动态系统仿真建模概述——物流工程动态系统仿真建模概述2.动态计算机仿真的基本过程

动态系统计算机仿真的全过程可分为四大部分：第一模块为系统分析；第二模块为模型设计预确认；第三模块为模型实现；第四模块为仿真实验与仿真结果的分析评估。

如右图所示。——物流工程动态系统仿真建模概述3.动态系统计算机的建模对一个复杂系统而言，基本的建模过程可以划分为:提出系统概念;建立结构关系模型;模型的性能分析、评估与综合三个阶段（如图11.6所示）。——连续变量动态系统的仿真建模1.连续变量动态系统的基本模型连续变量动态系统（ContinuousVariableDynamicSystem,CVDS）是指由事件驱动、状态连续变化的一类物理系统。根据系统中时间取值域和取值方式的不同，CVDS常分为连续时间动态系统、离散时间动态系统和连续-离散时间混合的动态系统等多种类型。2.连续变量动态系统的基本模型转化为仿真模型的方法基本模型转化为计算机可执行模型（称为仿真模型）的几种常用方法有以下几种：1）模型转换法；2）离散相似法；3）变换操作域方法——离散事件动态系统的仿真建模

离散事件动态系统（DiscreteEventDynamicSystem，DEDS）是指受事件驱动、系统状态跳跃式变化、系统状态迁移发生在一串离散时间点上的动态系统。离散事件动态系统大多是人造系统，具有比较复杂的变化关系，难以采用常规的微分方程、差分方程等方程模型来描述。离散事件动态系统仿真步骤流程如图11.8所示。11.3现代物流仿真应用11.3.1物流系统排队模型11.3.2集装箱码头装卸系统仿真架构 排队论最早由爱尔兰（A.K.ERlang）于1918年提出，在管理通信和各类服务系统中有着广泛地应用，但采用排队论方法来为DEDS建模服务却是近20年来的事。在排队网络模型中，三个基本的构成要素是动态实体的到达模式、排队规则和服务器的服务机制。流程图11.11、11.12和11.13是离散事件动态系统仿真常用的三种典型的计算机仿真模型，这三种类型的仿真模型设计方法是排队网络仿真时较为常用的处理方法。——物流系统排队模型——集装箱码头装卸系统仿真架构1.集装箱码头装卸系统集装箱码头装卸系统是一个复杂的随机系统，它是由船、港、货、装、卸、运等多个环节组成的，各环节间的相关因素很多，再加上作业环境的气象条件、管理调度等影响，使码头装卸系统很难用单一的数学方程来描述，常规的规划方法和预测方法也难以满足精度要求。近年来，国外大的咨询公司和设计部门都采用计算机软硬件技术，计算机模拟也从只有模拟结果，看不到模拟过程的数字模拟，向动画、虚拟/现实、实时应用方面发展。国外海港码头模拟主要研究的方面有风险分析、安全工艺过程分析、码头规划、操作培训、动画/虚拟现实及实时应用等。在集装箱码头方面的研究主要集中在码头设备的研究，特别是岸边集装箱起重机配备台数的研究，堆场内交通流的研究及集装箱在堆场堆放位置的研究等。本模拟采用面向对象的模拟语言开发建立而成。——集装箱码头装卸系统仿真架构2.模型总体设计分析现有的集装箱码头装卸工艺，大致有以下几种：（1）底盘车系统。（2）跨运车装卸系统。（3）叉车装卸系统。（4）龙门起重机装卸系统。我国现有的几个大的集装箱专用码头，除厦门采用跨运车系统外，上海、宁波、广州、青岛、天津等都采用轮胎式龙门起重机装卸系统。——集装箱码头装卸系统仿真架构3.模块功能与子系统构成1）集装箱码头系统的模块功能船舶生成子系统；船舶装载子系统；火车生成子系统；集装箱货车装卸子系统；卡车生成子系统；卡车操作子系统；堆场操作子系统；码头管理子系统；货物管理子系统；数据输入子系统；统计结果输出子系统；信息检索系统。——集装箱码头装卸系统仿真架构2）模块子系统流程——集装箱码头装卸系统仿真架构4.模型建立假设模拟港的集装箱码头有泊位3个、岸边有集装箱起重机6台、轮胎式龙门起重机13台、堆场能力为2万TEU。开通的航线有波斯湾、地中海、美国、欧洲、东南亚、日本、中国、中国香港地区等13条，有中集、外运、长荣、韩进等七八家大的航运公司的船舶在此挂靠，年挂靠船舶达700多艘。码头设计能力为30万TEU，2013年完成吞吐量37万TEU，已超过原设计能力。到2020年预计被模拟的集装箱码头需要完成56万TEU的吞吐量。现有码头的设备能力能否适应新的吞吐量的增长；需要增加哪些设施以满足吞吐量的增加；码头营运情况将会怎样；等等，通过本