物流建模与仿真 期末复习PPT第二章-物流系统建模

▪ 仿真模型局限：大部分仿真模型要针对所分析 的具体问题专门设计。
2.4 物流系统建模技术
▪ 最优模型与仿真模型的区别： ➢ 以仓库选址问题为例，最优选址模型寻求的是
最佳的仓库数量、最佳的位置、仓库最佳规模 ，而仿真模型则是试图在给定的多个仓库、多 个分配方案的条件下，反复使用模型，对多个 布局方案进行评价，从而找出最优的系统方案 。
2.4 物流系统建模技术
▪ 物流系统建模方法
建模方法
最优化 方法
最优化模 型、数学 规划…
模型仿真 方法
仿真模型 、计算机 仿真实验
启发式 方法
经验法则 和策略
其它方法
计划评审 法
预测技术 方法
2.4 物流系统建模技术
▪ 最优化方法（系统优化方法） ➢ 应用运筹学最优化理论和方法来建立系统的数
学表达式。 ➢ 最优模型范畴：数学规划模型（线性规划、非
内容
最适合建仓库的地点是那些需求最大的地区 或临近这些地区的地方；
按整车批量购买的客户应该直接由供应点直 接供货，而不应再经过仓储系统；
如果某产品出、入库运输成本的差异能够弥 补仓储成本，就应该将该产品存放在仓库里；
从分拨的立场看，成本最高的客户是那些以 小批量购买且位于运输线末端的客户。
2.4 物流系统建模技术
线性规划、动态规划、混合整数规划）、排队 模型、枚举模型、微积分模型等。 ✓ 例如，在基本运输调度、资源分配问题中常采 用线性规划模型；基本的经济订货批量模型是 以微积分为基础。
2.4 物流系统建模技术
优势
最优化模型在给定一整套假设条件和数据的情况下 ，可以保证用户能得到最优解；而且借助于计算机 软件对所有方案进行评估，分析的效率很高，可靠 性也高。
1
实体的抽象 与模仿
2
由分析问题 有关的因素
所组成
3
用来表明这 些因素之间
的关系
2.2 物流系统模型
▪ 物流系统模型主要参数（影响因素）
➢ 以运输和仓储系统为例
➢ 周期数、库存量、初始库存、库存价格、库存 成本、进出货量、延迟时间、运输价格、运输 成本、总成本等。
2.2 物流系统模型
▪ 物流系统的常用模型
状结构的信息流模型。其早期是用来进行计算 机异步通讯机制的描述。 ✓ 具有并行、不确定性、异步和分布描述能力以 及分析能力，是一种适合于并发、异步、分布 式系统描述与分析的图形数学工具。
2.4 物流系统建模技术
▪ 形式化建模技术 ➢ （4）Petri网建模方法 ✓ 经典的Petri网是简单的过程模型，由两种节点
2.2 物流系统模型
▪ 物流系统模型的概念与特点
➢ 定义：物流系统模型是对物流系统特征要素、 有关信息和变化规律的一种抽象表达方式，描 述了系统各要素之间的关系、系统与环境之间 的相互作用。
➢ 目的：使用物流系统模型来代替客观系统进行 实验分析，解决实际系统中存在的问题。
2.2 物流系统模型 物流系统模型特点
最优模型：未知方案中求解最优方案； 仿真模型：已知方案中评选最优方案；
2.4 物流系统建模技术
▪ 启发式方法 ➢ 利用经验、规则表述系统中的一些难于用数学
表达式表征的关系。本质是应用一些经验法则 来降低优化模型的精确度，求取物流系统的满 意解。 ➢ 用启发式方法构建的模型，往往是混合模型。 （最优化+启发式，仿真+启发式） ➢ 其缺点：难以知道何时求得最优解。
的模型。 ✓ 缺陷：没有考虑实际布局、加工时间分布都是
标准分布、没有考虑托盘与缓冲站存在的某种 确定关系、适合定性分析。
2.4 物流系统建模技术
▪ 形式化建模技术 ➢ （2）极大代数法 ✓ 方法：将生产系统视为确定性系统（加工时间
和加工顺序确定），生产系统中加工活动的开 始时刻作为系统的状态变量，工件和加工设备 等资源作为输入变量，加工任务完成时间就是 输出变量。 ✓ 缺陷：由于将系统作为确定性和线性系统，只 适用于生产系统的性能分析，不适合生产调度 分析。
▪ 物流系统建模方法比较
方法 最优化 方法
启发式 算法 ▲系统 仿真方 法
特征
基于最优化理论,构 建精确系统模型,并 求得模型最优解.
采用经验规则, 减低 模型复杂度.
采用数学和计算机 抽象表达,构建动态 模型.
优缺点
应用
可以求得最优解, 确定 小规模,问题, 是对于大规模和动态性 进行局部优化. 复杂模型,求解成本较大.
▪ 而实际中，大多数系统还无法用严格的数学方 程进行描述，导致上述形式化建模方法的普适 性较差；大量的抽象建模，不符合人类常规思 维方式。
▪ 因此，一些将图形图像和形式化建模相互结合 的建模方法出现，如Petri网建模方法、系统动 力学方法。
2.4 物流系统建模技术
▪ 形式化建模技术 ➢ （4）Petri网建模方法 ✓ Petri网是德国Carl Adam Petri博士提出的一种网
模型 资源分配模型 存储模型 输送模型 等待服务模型 指派模型 决策模型
内容举例 人员、设备、资金的合理分配 各种物资的最优库存分析 车辆运输问题 仓库、维修车间等 任务分配、加工顺序模型等 群体决策、专家系统决策等
2.2 物流系统模型
建模原则
系统化
构建系统 化的建模
思想
简单化
从简单入 手，逐步 构建模型
▪ 形式化建模技术 ➢ （5）系统动力学建模
▪ 例：武汉市物流系统动力学系统流图如下：
▪ 形式化建模技术 ➢ （5）系统动力学建模 ▪ 例：动力学方程（部分）：
2.4 物流系统建模技术
▪ 形式化建模技术 ➢ （5）系统动力学建模 ✓ 系统动力学(System Dynamics) 是研究系统内部
信息反馈行为的一种系统仿真方法。 ✓ 它采用定性与定量、系统整体思考与分析、综合
与推理相结合的方法，来研究和处理复杂系统问 题。通过描述系统元素之间的正负反馈关系，并 采用状态方程进行系统状态改变的模拟。
和输入输出关系。以便通过计算机对模型进行 试验，并通过试验获得改善物流系统或设计新 的物流系统所需的信息。 ➢ 数学元素：数学公式、逻辑表达式、图标、坐 标等抽象概念。 ➢ 特点：将数学模拟和计算仿真相结合，适合大 规模复杂系统建模。
2.4 物流系统建模技术
▪ 仿真方法本质上以代数和逻辑语言做出的对系 统的模拟，这种模拟通常要利用随机的数学关 系，可以说，仿真的过程就是对系统模型进行 抽样试验的过程。
▪ 物流系统的目的：
➢ 实现物资的空间和时间效益。
2.1 物流系统概述
▪ 物流系统的构成
➢ 多子系统组成：运输、储存、包装、装卸、搬 运、配送、流通加工、信息处理等子系统。
➢ 功能上：物流作业系统和物流信息系统。
➢ 物流作业系统是为物流活动服务，而物流信息 系统是为物流作业系统服务。
2.1 物流系统概述
2.2 物流系统模型 ▪ （2）物料控制
物料的供应 策略、物料 入库、出库 的时机和数 量等
2.2 物流系统模型
▪ （3）运输调度
时间约束（客户 需求、物品保鲜 期等）、车辆容 量约束、车辆数 量约束等
2.2 物流系统模型
▪ 其它方面 ▪ 如：物流成本估计、供应链库存波动分析、物
流网络应急能力分析等.
多方位化
多层次化 分析
规范化
利于抽象 化模型， 提高通用
性
2.3 物流系统建模步骤
▪ 主要包括以下步骤：
➢ 1）通过前期调研，了解物流系统的目标和实际情况， 明确建模目的；
➢ 2）根据建立模型的目的，进行实际调查，搜集资料； ➢ 3）分析物流系统中各因素之间关系（主要因素和次要
因素关系）； ➢ 4）根据系统特征和服务对象及它们之间关系，构造一
2.4 物流系统建模技术
▪ 优势：启发式模型对物流系统中某些难以解决 的问题，是一种很实用的方法。物流系统规划 人员对某个问题的求解经验，有时可能胜过复 杂的数学公式，如果能将这样的知识或经验以 规则形式融入现有模型中，将能快速得到高质 量的解。
2.4 物流系统建模技术
启发式策略
选址 配送 仓储 仓储
▪ 物流系统工程
2.2 物流系统模型
▪ 物流系统模型
➢ 根据物流系统分析的目的和需求，通过建立各 种系统模型，并利用模拟技术进行物流系统分 析和优化。
➢ 物流系统模拟（仿真）技术目前是物流系统分 析的主要手段。
2.2 物流系统模型
▪ 物流系统模型的应用
▪ （1）物流系统规划与设计
设备数量 、线路布 置、内部 布局、货 架设计等
（库所和变迁），有向弧，以及令牌等元素组 成的。
2.4 物流系统建模技术
▪ 形式化建模技术 ➢ （4）Petri网建模方法
• 库所（Place）圆形节点 • 变迁（Transition）方形节点 • 有向弧（Arc）是库所和变迁之间
的有向弧 • 令牌（Token）是库所中的动态对
象，可以从一个库所移动到另一 个库所。 • Petri网的规则是： • 有向弧是有方向的 • 两个库所或变迁之间不允许有弧 • 库所可以拥有任意数量的令牌
2.4 物流系统建模技术
物流 节点
运输 路径
2.4 物流系统建模技术
▪ 形式化建模技术 ➢ （4）Petri网建模方法 ✓ 经典Petri网的局限性: • 没有测试库所中零 • 模型容易变得很庞大 • 模型不能反映时间方面的内容 • 不支持构造大规模模型，如自顶向下或自底向上 ✓ Petri网发展： • 着色Petri网（Colored Petri Nets，CPN）
个能代表所研究系统的初步模型（逐步完善模型）； ➢ 5）采用适当的方法进行模型分析和求解（包括实验、
求解等）； ➢ 6）验证模型的正确性（对获得的实验数据进行分析和
判断）。
2.3 物流系统建模步骤 ▪ 物流系统建模流程
▪ 课后思考：
▪ 结合《运筹学》、《物流系统规划与设计》等 已学课程，思考常用的物流系统模型的结构。
2.4 物流系统建模技术
▪ 物流系统主要建模技术
形式化 建模
非形式 化建模
采用大量的数学工 具通过状态方程对 系统进行描述和分 析；简单说就是采 用数学语言和思路 进行系统建模和分
析。
采用图形符号或者语 言等方式进行系统描 述和分析。
2.4 物流系统建模技术
▪ 形式化建模技术 ➢ （1）排队网络法 ✓ 方法：采用排队论模型对系统进行建模。 ✓ 表现：基于概率统计学对流程构建一个纯数学
2.4 物流系统建模技术
▪ 形式化建模技术 ➢ （3）扰动分析法 ✓ 方法：基于模型，研究参数的变化对系统性能
指标的影响。 ✓ 缺陷：由于将系统作为确定性和线性系统，只
适用于生产系统的性能分析，不适合生产调度 分析。
▪ 形式化建模的特点：采用数学形式，对系统建 立严格的状态方程，因而具有较好的数理逻辑 推导过程。
▪ 物流系统的基本模式
2.1 物流系统概述
▪ 物流系统分析
▪ 指从物流的整体出发，根据系统的目的要求， 采用科学的分析工具和计算方法，对系统目标 、功能、环境、费用和效益等，进行充分的调 研，并收集、比较、分析、处理有关数据和资 料，建立若干拟定方案，比较和评价结果。
▪ 分析原则（四个结合ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、分析内容（区域和对 象）、分析步骤等。
有效减低模型求解难度, 具有明确经验 无法保证求得最优解. 特征的问题
可对复杂动态系统构建 复杂物流系统. 仿真模型, 并进行重复 实验,但仿真时间较长.
注意:上述方法在实际建模中,经常结合使用. 如将启发式算法 与仿真模型结合,减少明确不可行方案; 将最优化方法生成初 始可行方案,提供给仿真模型.
2.4 物流系统建模技术
▪ 形式化建模技术 ➢ （5）系统动力学建模 ✓ 主要元素：（1）因果反馈关系；（2）流位；
（3）流率；（4）流；（5）系统流图。
2.4 物流系统建模技术
▪ 形式化建模技术 ➢ （5）系统动力学建模
▪ 形式化建模技术 ➢ （5）系统动力学建模
▪ 例：武汉市物流系统因果关系图如下：
局限
由于实际系统的复杂性，如果建立的模型对现实系 统的描述过于细致，则即使利用了最大型的计算机 ，也无法在合理的计算时间内得到最优解（因为会 出现“组合爆炸”的问题）。因此，需要在问题求解 的时间与问题描述的现实之间取得平衡。
2.4 物流系统建模技术
▪ 模型仿真方法 ➢ 利用数学元素来表示实际物流系统的内部状态
第2章 物流系统建模
1
物流系统概述
2
物流系统模型
3
物流系统建模步骤
4
物流系统建模技术
2.1 物流系统概述
▪ 物流系统的概念
➢ 物流系统是指在一定的时间和空间内，由所 需位移的物资与包装设备、搬运装卸机械、 运输工具、仓储设施、人员和通信联系等若 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。