物流工程-第7章-物流系统建模与仿真技术

本课题所开发的集装箱码头装卸系统模拟模型，每一子系
统的模块功能较完善，为今后同类问题的研究奠定了良好的基 础。因此，模型还可用于下列问题的研究： ①对码头船舶到达方案的研究； ②船舶装卸作业效率的研究； ③码头设备数量、装卸效率、利用率的研究； ④泊位作业效率、利用率的研究； ⑤堆场内交通流方案的研究； ⑥堆场内箱子堆放方案的研究等。

事件
系统由一种状态变化为另一种状态是由于系统内 部发生了变动，这种内部变动称为系统行为。事件就 是指引起系统状态变化的系统行为。

活动
人们把系统中两个相邻发生的事件之间的过程称
为活动。系统活动的发生标志着系统状态在变化，由 一种状态转移为另一种状态。

进程
若干相关事件和活动的发生组成了系统的某种运行过程。
船舶离开
图7-5 船舶装卸子系统流程图
铁路集装箱车辆产生
到达码头
卸出口箱
直装船上； 到堆场
装进口箱
从船上装； 从堆场上装
铁路集装箱车辆离开
图7-6
卡车产生 进入大门
火车装卸子系统流程图
直装上船（或卸到堆场） 离开码头
卡车产生
进入大门
从船上（或从堆场）装箱
离开码头
图7-7 卡车操作子系统流程图
7.3.4
模型建立
模拟分下面几个步骤完成：
①结合该码头实际情况，建立集装箱码头计算机动画模 拟模型； ②将码头参数输入模型，通过输出结果与实际运营结果 的比较，验证模型的可信度； ③改变模型参数，如吞吐量、设备数等，运行模型并输 出模拟结果； ④分析模型结果，回答上述问题。

船舶到港规律模拟
船舶到港规律一般服从泊松分布，到船间隔服从负指 数分布。
7.2 现代生产物流系统仿真
7.2.1
物流系统的排队模型
图7-3 物料排队系统图
物流排队系统解决的主要是服务与被服务的问题。
服务过程包括三个基本因素：A接受服务；B进行服务； C等待接受服务的队列。 排队问题最核心的是解决系统的效率和效益，即确定 适当服务台数量和服务时间，减少排队等待时间，缩短物 料储存运输的周期。
主观想象法
对系统内部结构和特性不清楚，既无足够数据，又不 能在系统上做实验，且无法通过人工具体实施。在似乎无 法开展建模活动的情形下，可以利用“主观想象”，凭直 觉经验来人为地先构想一个模型。

混合法
复杂系统模型的构造大都常需要综合运用上述几种方 法，才能得到满意的结果，这种混合使用上述方法的方法 称为混合法。
图74系统模型总结构图733模块功能与子系统构成模块功能船舶生成子系统sgs船舶装卸子系统slus火车生成子系统tags火车装卸子系统talus卡车生成子系统tcgs卡车操作子系统tclus堆场操作子系统yos码头管理子系统tms集装箱管理子系统cms数据输入子系统dis统计结果输出子系统srs模块子系统流程船舶的产生到达港口靠泊卸进口箱直卸到铁路集装箱车辆上直卸到外部输运卡车上卸到场内拖车堆场装出口箱从铁路集装箱车辆上卸下从外部输运卡车上卸下来自堆场船舶离开图75船舶装卸子系统流程图铁路集装箱车辆产生到达码头卸出口箱装进口箱从船上装从堆场上装铁路集装箱车辆离开直装船上到堆场卡车产生卡车产生进入大门进入大门从船上或从堆场装箱直装上船或卸到堆场离开码头离开码头图76火车装卸子系统流程图图77卡车操作子系统流程图734模型建立模拟分下面几个步骤完成结合该码头实际情况建立集装箱码头计算机动画模拟模型将码头参数输入模型通过输出结果与实际运营结果的比较验证模型的可信度改变模型参数如吞吐量设备数等运行模型并输出模拟结果分析模型结果回答上述问题
人们把由若干事件与若干活动组成的过程称为进程。
图7-2
系统进程

仿真钟
仿真钟表示仿真的时间及其变化，仅用于显示仿真系统时
的仿真时间。

随机变量
复杂的现实系统常常包含有随机的因素。在物流系统中工
件的到达、运输车辆的到达和运输时间等一般都是随机的。这 些复杂的随机习题很难找到相应的解析式来描述和求解。系统
在具体建立物流系统的数学模型时，理论考 察和根据试验观测数据进行的考察都很重要。两种 方法综合运用都能够得到很好的模型。 资源分配型 存储型 输送型 等待服务型 指派型 决策型 其他模型
7.1.6
计算机系统仿真
仿真是利用一个模型来模仿实际系统所发生 的运动过程并进行试验的技术。 计算机仿真是指以计算机为主要工具，运行真 实系统或预研系统的仿真模型，通过对计算机输 出信息的分析与研究，实现对实际系统运行状态 和演化规律的综合评估与预测。

7.3.2 模型总体设计
计算机模拟就是在计算机上建立系统模型，并在模型 上进行实验。系统模拟模型的建立大约分下面几个步骤： 一是系统模型的建立，通过对实际系统的观测与辨识，根 据所研究问题的需要，将实际系统抽象成一个与实际系统 相似的系统模型；二是模拟模型的建立，在系统模型的基 础上，利用数学公式与逻辑运算将系统模型反映在计算机 上；三是模型验证，验证模型是否反映了实际系统的运行 情况；四是模型实验的完成，在各种假定的条件与参数下 运行模型，统计模型运行结果，分析当系统某一部分发生 变化时，系统的应答情况。

建模
（1）模型抽象与简化方法 （2）定义物理单元及逻辑单元 （3）详细逻辑关系定义 （4）仿真目标 （5）运行仿真模型及结果输出。 （6）仿真结果分析
7.3 集装箱码头装卸系统建模与仿真

7.3.1 概述
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，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的要求。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的 发展，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。
仿真技术成了解决这类问题有效的方法。
7.1.9
系统仿真的一般步骤
1）调研系统，明确问题。 2）设立目标，收集数据。 3）建立仿真模型。 4）编制程序。 5）运行模型，计算结果。 6）统计分析，进行决策。 应该指出，实际进行系统仿真研究时，上述各阶段 是相互影响的，在时间和步骤上也是互相交织的，应该 统一全面地通盘考虑。
图7-8 船舶到港规律分布

船舶在港停时分析
统计分析被模拟港一年船舶在港停时的情况，其 中船舶总停时包含下述内容： （1）生产性停泊。 （2）非生产性停泊。 （3）自然因素停泊。

岸边集装箱起重机、轮胎式龙门起重机、集卡等 装卸设备的模拟 堆场模拟 集疏运卡车收提箱模拟

7.3.5
模型验证

形象模型
形象模型是具有具体物理结构的模型，常称为物 理模型，它为人们提供一个系统的直观形象。
（1）实物模型
（2）模拟模型
7.1.3

物流系统建模的思路和方法举例
推理法
对系统内部结构和特性已经清楚，系统较简单，要解决 问题较少时，应确立直接推理分析的基本观点，即利用已知 的科学定理和定律．经过一定的分析和推理，得到系统模型。 故此法又称为直接分析法。

统计分析法
对系统内部结构和特性不很清楚，但已有或通过实验观 察不断获得有关系统功能的丰富数据，可通过分析数据建立 模型。

人工实现法
对系统的内部结构和特性尚不清楚．系统结构复杂，既无
足够的数据，又无法对系统进行实验，甚至不允许做实验时， 可以人为地逐步建立模型。
图7-1 人工备设计过程中的计算机仿真 物流装备的控制系统的计算机仿真 物流系统规划与设计 物料控制 物料运输调度 物流成本估算
7.1.7
系统仿真的分类
根据模型的不同，系统仿真主要分为物理仿真和 数学仿真。此外，还有的是建立混合模型。 根据所研究的系统不同，系统仿真又可分为连续 系统仿真和离散时间系统仿真。前者是指系统状态随 时间连续变化的情况。后者则是指系统状态变化是离 散的。
排队系统的模型可以是一个流程图。
流程图描述了物料的到达模式、运输车的服务模式以 及物料的排队规则。画出流程图，还需进一步分析系统的 实体、事件以及参数。 系统参数一般分为三类，输入参数、状态参数和输出 参数。
7.2.2

物流系统仿真过程
介绍一个实际的物流系统仿真方法与过程。 系统描述
（1）设备情况 （2）加工流程 （3）仿真目标
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。
图7-4 系统模型总结构图



7.3.3 模块功能与子系统构成
模块功能
船舶生成子系统（SGS） 船舶装卸子系统（SLUS） 火车生成子系统（TaGS） 火车装卸子系统（TaLUS） 卡车生成子系统（TcGS） 卡车操作子系统（TcLUS） 堆场操作子系统（YOS）
在模型的编程过程中，完成了模型运行规则的调试。
7.3.6
模型实验
图7-9 船舶艘次增加对码头的影响
7.3.7
结论
通过对集装箱码头装卸工艺特点的分析研究， 开发建立了集装箱码头装卸工艺系统模型。通过对 某集装箱码头实际案例的模拟，验证了该模型是可 行的，反映了实际系统的真实情况；通过运行该模 型，预测了2000年该码头的营运参数，分析了该 码头最佳的吞吐能力。
7.1.2
物流系统模型的类型
物流系统模型一般分为符号模型和形象模型。 符号模型主要包括： 数学模型； 图形模型； 计算机模型； 概念模型。 形象模型主要包括：实物模型；模拟模型。

符号模型
符号模型是用数字、字符、运算符号组成的表达式 或表格、图形，没有具体的物理结构。 （1）数学模型 （2）图形模型 （3）计算机程序模型 （4）概念模型
7.1.4
建立模型应注意的一些事项

建模工作要围绕建模目的展开 模型的简单化和高精度 模型的验证
7.1.5
几种常用的物流系统数学模型
对于物流系统建立数学模型，就是利用代数方程式、微 分方程式、积分方程式、逻辑式、数表等各种数学表达式表 示物流系统的某些行为特性和结构本质。 建立数学模型有两种方法：一种是根据对于实际系统的 实际或观测数据来确定选用方程式，一种是以过去对实际物 流系统的理论解释和规律反映来确定适当的数学表达式。前 者着眼于系统的行为，后者着眼于系统的结构。
第7章 物流系统建模与仿真技术
7.1 物流系统模型与系统仿真
7.2 现代生产物流系统仿真 7.3 集装箱码头装卸系统建模与仿真
7.1 物流系统模型与系统仿真

7.1.1 物流系统模型
物流系统模型具有如下三个特征：
（1）是实体的抽象或模仿； （2）是由与分析问题有关的因素所组成； （3）是用来表明这些因素间的关系。

码头管理子系统（TMS） 集装箱管理子系统（CMS） 数据输入子系统（DIS） 统计结果输出子系统（SRS）

模块子系统流程
到达港口 靠泊 卸进口箱
直卸到铁路集装箱车辆 上；直卸到外部输运卡车 上；卸到场内拖车→堆场
船舶的产生
装出口箱
从铁路集装箱车辆上卸 下；从外部输运卡车上卸 下；来自堆场
7.1.8

系统仿真常用概念
实体
实体是描述系统的三个基本要素之一，它是指组成 系统的物理单元。如物流系统中的运输工具、储存货物 的仓库、货物、加工工件等都是实体在仿真过程中始终 驻留在系统中的实体，称为永久实体。在仿真过程中只 在一段时间内存在的实体称为临时实体。同一实体在不 同的系统仿真过程中，扮演着永久或临时实体。