#物流系统建模与仿真软件简介

一、物流系统建模和仿真软件简介
由于物流系统变得越来越复杂并且内部关联性越来越强。

仿真是公司检验其物流系统及决策是否真的高效的唯一可用技术了。

在设计一个新的工厂或系统，对已由系统添加新设备或重新优化，仿真都是非常必要的。

同时仿真还用来提供直觉的和经验的决策支持。

在当今市面上，仿真可用使用专用软件来实现。

由于存在着如此多的仿真软件，如何正确的选择软件至关重要。

下面列举出典型的系统仿真软件[3]。

软件名称简介
（1）20-sim 20-sim是由Twente大学控制实验室开发的运行于Windows系统下
的建模和仿真软件。

作为著名软件包TUTSIM的后续产品，它完全
支持图形建模，让用户在直观和友善的方式对动态系统进行设计和
分析，同MATLAB和Simulink可以方便的进行建模和仿真的交互。

使用20-sim，我们可以仿真动态系统（例如电力、机械、水动力系
统或它们的组合系统）的各种行为。

（2）arena 该软件可以用来模拟服务、制造、运输、物流、供应链和其它系统。

（3）Automod 该软件提供了真实的三维虚拟现实动画，使得仿真模型非常用以理
解；提供了高级的特征让用户可以仿真复杂的活动，如机器人、设
备工具、生产线等的运动和转动。

该软件还为用户提供了一套基于
专家系统的物料搬运系统，它是根据工业自动化的真实运行经验开
发的。

这些包括输送链、自动存储和检索系统，桥式起重机等。

（4）Awesim Awesim提供生产系统动态模型的仿真机。

动画使用图形界面构建，
用户可以对交互式仿真进行特定的控制。

（5）Easy5 由波音公司开发的用来模拟和仿真包含水力、风力、机械、热、电
子和数字等子系统的动态系统软件包。

包括了一整套控制系统建
模、分析和设计功能。

（6）Idef 该软件是一种流程图析软件，可以非常容易的适用流程图来绘制和
表述流程。

它能够提供比传统流程图更多的信息。

流程中包含的流
程、流程约束、人和其他资源能够被整合到一起。

（7）Intrax 该软件能够提供许多被建模和仿真实际流程的管理决策。

它能够被
用来执行战略（同战略视图，同步价值链视图相符合的现实），流
程改善（工序改善、生产力改善、节约循环时间），同步价值链（动
态视觉，同步约束）和日常运作（可对比的运作替代方案，短期变
化影响力的检验）等的模拟和仿真。

（8）Manufacturing Engineering 该软件提供离散仿真功能来解决制造问题和设计制造方案。

它在广阔的使用领域中预测产出率，人工和其他的绩效。

（9）Matlab 该软件是组合的数字计算、高级图形技术和可视化、高级编程语言
的集成计算机算环境。

Simulink式用来对动态系统进行建模、仿真
和分析的交互式工具。

它可以构建图形化的结构图，模拟动态系统，
评估系统绩效和精炼设计。

（10）Modsim 该软件可以用来仿真像港口，铁路网和航空管制等的管理模型。

还
可以用来仿真制造系统。

（11）Promodel 该软件可以对制造系统、仓储系统和物流系统的评估、规划或重新
设计进行仿真。

典型使用包括精益制造的实施，周期事件的降低，
设备投资决策，产出率和能力分析，识别和排除瓶颈，资源分配等。

（12）Prosolvia 该软件将现实带入虚拟制造。

它让用户从各个角度和位置观察产
品。

在产品开发过程早期的概念设计阶段的最终用户的交互和功能
检测意味着在历程早期可以做出重要的设计和制造决策。

对于制造
流程，在生产前，既可以对人员进行装配和维修培训。

（13）Quest 该软件为用户提供了图形和可视化分析功能。

它能够对输送设备，
缓存设备，泊位，自动存储和检验系统等进行准确的建模和仿真。

（14）SDI Supply Chain 该软件提供了研究需求，物流决策和生产策略的变化对系统核心绩效指标冲击的工具。

它用来对从原始资源到最终用户的整个供应链进行动力学建模，包括全面的规划，资源，制造和配送过程。

它允许用户设计、分析和研究诸如供应链能力，瓶颈识别，物品调度，资源调度，系统周转率和可靠性等领域的问题。

它还可以对供应商，仓库和运输渠道网络建模。

供应链绩效从产品总成本、系统滞留成本、系统滞留时间和可靠性等方面进行测量。

（15）Witness(SDX) 该软件提供离散事件仿真。

该软件具备的多种工具使得对自动化制
造系统进行仿真非常容易。

周转时间、损坏模式和定时，调整模式
和定时，缓冲设备容量和保存时间，机器类型等连同路径信息都为
仿真提供了方便性。

该软件还包括物料流动优化，虚拟现实功能。

有效地物流流动可以最小化设备间物料和产品流动的费用。

软件名称简介
1、Automod Automod是目前市面上比较成熟的三维物流仿真软件。

主要包
括了三大模块：AutoMod、AutoStat和AutoView。

AutoMod模块提
供给用户一系列的物流系统模块来仿真现实世界中的物流自动化
系统。

主要包括输送机模块（辊道、链式），自动化存取系统（立
体仓库、堆垛机），基于路径的移动设备（AGV等），起重机模块等。

AutoStat模块为仿真项目提供增强的统计分析工具，由用户定义测
量和实验的标准，自动在AutoMod的模型上执行统计分析。

主要特
点是：基于发展策略运算法则的最优化分析，用户为得到更好的模
型来定义输出审核，多CPU并行计算等。

AutoView可以允许用户
通过AutoMod模型定义场景和摄像机的移动，产生高质量的A VI
格式的动画。

用户可以缩放或者平移视图，或使摄像机跟踪一个物
体的移动，如叉车或托盘的运动。

AutoView可以提供动态的场景描
述和灵活的显示方式。

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。

作为物流仿真器，为多数用户所采用。

功
能十分强，如果能灵活使用的话，就能够实现相当高难度的仿真。

并多数模型之间可以进行通信(Op)。

建模操作十分复杂；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；价格昂贵。

2、SIMAnimation SIMAnimation是美国3i公司设计开发的集成化物流仿真软件。

SIMAnimation使用的是先进的基于图像的仿真语言，这种语言可以
简化仿真模型的创建。

由于他OOP编程方法，仿真系统可以非常
简单的创建模型。

许多的先进软件工具都合成为一种语言，它包括
布局编辑器，完全的二维和三维的动画，曲线拟合，路线优化软件，
试验编辑器和完整的用户报表编辑器。

同时仿真模型还包括丰富的
交互特点，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。

SIMAnimation使用OpenGL三维建模技术，集三维实体
光照、材质视点变换、漫游于一体，提供真正的三维动画和虚拟的
现实世界，使仿真模型更加容易理解。

同时使管理、生产、工程人
员的意见交流更加容易。

SIMAnimation不同于其他的仿真系统，它
可以处理系统物理元素和逻辑元素。

SIMAnimation提供先进的特点
去允许用户仿真复杂的运动，像动力学和速度，像机器人、车床、
传输通道、特殊空间中显示，包括传输、旋转、有形物体、视角和
不断运动视觉。

在算法上，SIMAnimaiton在保证出库有限的情况下，
按路径最短原则进行自动定位和设计路经，实现多回路运输。

SIMAnimation使用Petri网模型技术。

它包含两个程序：建模部分
是针对于物理和逻辑模型。

在用户定义物理和逻辑模型之后，他就
可以编辑成为一个可执行模型，在这个模型中仿真和动画同时运
行，并且运行非常快，实现了完全交互化。

而且它可以随时停止来
观察统计和模型状态。

3、ShowFlow ShowFlow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。

ShowFlow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。

ShowFlow主要包括几大模块：
建模、仿真、统计、分析、动画和文档输出。

建模：可以定义队列，
缓冲器，等待区域，操作任务，运输工具，输送机，AGV,立体化仓
库，自动存取设备，路径等基本元素的标准属性和特殊属性。

仿真：
采用优化的仿真运算法则技术(OSAT)，固定的或变化的时间仿真运
行，可对离散事件进行仿真。

统计：可对多种概率分布（均匀、正
态、指数、爱尔朗、经验分布等）进行统计分析，并带有随机数生
成器。

分析：输入数据分析，包括数据设置分析、最合适建议等，
并可导入微软的Excel的数据。

输出数据分析，包括可输出队列曲
线图、柱状图、饼状图等，动态图表显示，用户自定义图表格式，
并可将数据输出到微软的Excel中。

动画和文档：可产生二维、三
维动画，可对摄像机进行移动，缩放，旋转。

可按功能性或元素排
序自动生成模型文档，产生仿真事件跟踪报告，输入参数值列表等。

4、Quest Quest开发商是Dassault Systemes法国达索系统公司开发，
DELMIA是针对eManufacturing-数字化制造技术的统一产品品牌，
Quest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，实时交互界面
允许在运行期间对变量进行修改并观察各参数的演变, Quest可单独
操作或从DENEB的其它产品中输入模型，准确的确定现有的或新
的系统的优化车间布置、成本、工艺流程。

Quest对搬运设备和加
工设备等特定对象物体布置能使用3D-CAD等软件制作的外观，并
将它们配置到三维立体空间上，并指定货品流程和设备规格等来运
行模型。

作为制造业生产线的仿真器，Quest具有出类拔萃的操作
简便性和功能。

演示性能强大，富有现实感，几乎独一无二，可以
设置逻辑命令语言，所以熟练掌握后可以实现相当高难度的仿真，
在周边的机器人仿真器群等方面的功能也很齐备，不过Quest以适
用于大型制造业生产线为目的，没有自动立体仓库等常用设备，所
以对物流生产线不太适用，且价格非常昂贵。

5、Stream Stream是日本三井造船股份有限公司开发的仿真软件，其最大
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，
由于是日本国产工具软件，所以非常适合日本国内的需求胃口，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，由于开发商身为实力强大的机械设备
生产厂家，所以在周边的机器人仿真器等方面也很齐备；其开发基
础是Sil-Tools ，所以和一般的Windows 使用程序相比，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。

6、Witness Witness是英国Lanner Group的产品，是平面离散系统生产线仿
真器，操作简单，在低配置计算机上也完全可以灵活使用，是生产
线仿真器的老字号，其齐备的基本仿真功能和处理优势，一直是大
家所公认的。

作为可选项，还具备了三维立体显示功能（VR)，扩
大了其适用范围，不过三维立体显示功能是后来添加的可选项，所
以不适合模型从大致轮廓的概念设计开始依次建构下去的动态过
程中使用。

7、eM-Plant eM-Plant(原名SIMPLE++)系统规划分析模拟软件，在规划阶段
可透过eM-Plant分析全厂之设施规划方案选择、设备投资评估、暂
存区、生产线平衡、瓶颈分析、派工模拟及产能分析模拟及企业再
造等模拟分析基本上和Witness和Factor/AIM一样，同样属于平面
离散系统生产线仿真器。

齐备了周边的机器人仿真器群。

可以和
CAD、CAPE、ERP、DB等软件之间实时通信。

和周边的机器人仿
真器群之间有强有力的关联，面向大型制造业领域的仿真群中，和
Delmia公司实力相当。

其主要目的是整体系统的优化等，主要和周
边系统联合起来灵活使用。

但是价格昂贵，从周边工具群的联合中
脱离出来单独使用时，缺乏魅力。

8、Flexsim Flexsim的前身是Taylor II，Flexsim使用深层开发对象，这些对
象代表着一定的活动和排序过程。

要想利用模板里的某个对象，
只需要用鼠标把该对象从库里拖出来放在模型视窗即可。

每一个对
象都有一个坐标（x,y,z）、速度（x,y,z），旋转以及一个动态行为（时
间）。

对象可以创建、删除，而且可以彼此嵌套移动，它们都有自
己的功能或继承来自其他对象的功能。

这些对象的参数可以把任何
制造业、物料处理和业务流程的快速、轻易、高效建模的主要特征
描述出来。

不过其宣称的Flexsim内置了虚拟现实浏览窗口，可以
让用户添加光源、雾以及虚拟现实立体技术，个人感觉仅是个噱头
而已。

9、RaLC（乐龙）乐龙软件由日本人工智能服务有限公司开发，上海乐龙人工智能软
件有限公司为其在华独资子公司，完全中文化界面，点击按钮即可
在三维立体画面上显示出的对象物体，通过对这些对象物体的配置
来进行设计，对各个对象物体的形状和规格，即使在仿真执行中也
很容易可设置其属性。

可以非常直观且简单的建模。

使用的时候，
不需要复杂的知识。

由于仿真结果以动作日志形式排出，所以可以
自由进行分析。

作为简单的建模操作和三维立体动画模型，是破例
的低价格，独一无二的高性价比（Cost Performance）。

作为软件包
其魅力十足，将系统仿真领域的使用纳入视野，提供解决方案服务。

这一点则是其最大的优点。

并可对每一个用户的个性化需求提供个
性化服务。

用户独创性机器设备可以和模型整合。

人工作业功能的
作业管理器也可以说是杰作，如，对于“分拣、验货、包装、搬运”
等一系列作业，用户既可以让多数人来分担，又可以使工人互相协
助；或设定作业优先度等。

仅仅在选用内设菜单选项即可简单完成
这些复杂的作业运行，不需要任何复杂编程，且附带有能自动生成
最短行进路径的智能化功能，比如，只要给出存货位置数据和分拣
指令，作业员就会走向指令产品的放置位置去拣货。

即使货位数据
当场发生变化，作业员也能立即去适应，当布局和货位每发生变化
时，行走路径的设置上不必花费太多时间就能极其简单地进行多方
面的验证。

基于此功能，也可以在没有传送带和自动立体仓库等机
器设备的平置型仓库的人员模拟操作中灵活使用，其效果极好。

二、成功仿真研究的步骤
对于每一个成功的仿真研究项目,其使用都包含着特定的步骤。

不论该研究的类型和目的，仿真的过程是保持不变的。

一般要进行如下9步
1．问题定义
2．制定目标
3．描述系统并对所有假设列表
4．罗列出所有可能替代方案
5．收集数据和信息
6．建立计算机模型
7．校验和确认模型
8．运行模型
9．分析输出
下面对这九步作简洁的定义。

它不是为了引出详细的讨论，仅仅起到抛砖引玉的作用。

注意仿真研究不能简单遵循这九步的排序，有些项目在获得系统的内在细节之后，可能要返回到先前的步骤中去。

同时，检验和确认将贯穿于仿真工程的每一个步骤当中。

1．问题的定义
一个模型不可能呈现被模拟的现实系统的所有方面，有时是因为太昂贵。

另外，假如一个表现真实系统所有细节的模型也常常是非常差的模型，因为它将过于复杂和难于理解。

因此，明智的做法是：先定义问题，再制定目标，再然后构建一个能够完全解决问题的模型。

在问
题定义阶段，对于假设要小心谨慎，不要做出错误的假设。

例如，假设叉车等待时间较长，比假设没有足够的接收码头要好。

作为大纲，制定问题的陈述越普通越好，考虑到值问题的原因，然后尽可能将问题定义的专业化。

2．制定目标和定义系统效能测度
没有目标的方针研究是毫无用途的。

目标是仿真工程所有步骤的导向。

系统的定义是基于系统目标的；目标决定了该作出怎样的假设；目标决定了应该收集那些信息和数据；模型的建立和确认专门是考虑是否满足目标的需求。

目标需要清楚、明确和切实可行。

目标经常被描述成像这样的问题“通过添加机器或延长工时，能够获得更多的利润吗？”在定义目标时，详细说明那些将要被用来决定目标是否实现的性能测度是非常必要的。

每小时的产出率、工人利用率、平均排队时间、以及最大队列长度是最常见的系统性能测度。

最后，列出仿真结果的先决条件。

如，必须通过利用现有设备来实现目标，或最高投资额要在限度内，或产品订货提前期不能延长等。

3．描述系统和列出假设
简单点说，仿真模型降低完成工作的时间。

系统中的时间被划分成处理时间、运输时间和排队时间。

不论模型是一个物流系统、制造工厂、或服务机构，清楚明了的定义如下建模要素都是非常必要的：资源、流动项目（产品、顾客或信息）、路精、项目运输、流程控制、加工时间，资源故障时间。

下面是对各要素的简要描述：
仿真将现实系统资源分成四类：处理器，队列，运输，和共享资源如操作员。

流动项目的到达和预载的必要条件必须定义，如：到达时间、到达模式和该项目的类型等属性。

在定义流动路径时，合并和转移需要详细的描述。

项目的转变包括属性变化、装配操作（项目和并）、拆卸操作（项目分离）。

在系统中，常常有必要控制项目的流动。

如：一个项目只有在某种条件或某一时刻到来时才能移动，以及一些特定的规则。

所有的处理时间都要被定义，并且要清楚表明那些操作是机器自动完成，哪些操作是人工独立完成，哪些操作需要人机协同完成。

资源可能有计划故障时间和意外故障时间。

计划故障时间通常指午餐时间，中场休息，和预防性维护等。

意外故障时间是随机发生的故障所需的时间，包括失效平均间隔时间和维修平均间隔时间。

在这些工作完成之后，需要将现实系统作模型描述，它远比模型描述向计算机模型转化困难。

现实向模型的转化意味着你已经对现实有了非常彻底的理解，并且能将其完美的描述出来。

这一阶段，将此转换过程中所作的所有假设作详细说明非常有必要。

事实上，在整个仿真研究过程中，所有假设列表保持在可获得状态是个很好的主意，因为这个假设列表随着仿真的递进还要逐步增长。

假如描述系统这一步做得非常棒，建立计算机模型这一阶段将非常简便。

注意，获得足够的，能够体现特定仿真目的的系统本质的材料是必要的，但是不需要获得和真实系统一一对应的模型的描述。

正如爱因斯坦所说“做到不能再简单为止”。

4．列举可能的替代方案
在仿真研究中，确定模型早期运行的可置换场景是很重要的。

它将影响着模型的建立。

在初期阶段考虑替代方案，模型可能被设计成可以非常容易的转换到替换系统。

5．收集数据和信息
收集数据和信息，除了为模型参数输入数据外，在检验模型阶段，还可以提供实际数据和模型的性能测度数据进行比较。

数据可以通过历史纪录、经验、和计算得到。

这些粗糙的数据将为模型输入参数提供基础，同时将有助于一些需要较精确输入参数数据的收集。

现存数据并不是总是有用的，通过测量收集数据可能要费时、费钱。

同立马行动，收集系统输入参数数据相比，除了分析中,模型参数需要极为精确的输入数据外,采用估计方法来产生输入数据更为高效。

估计值可以通过少数快速测量或者通过咨询熟悉系统的系统专家来得
到。

即使是使用较为粗糙的数据，根据最小值、最大值和最可能取值定义一个三角分布，不仅仅采用平均值仿真效果都要好得多。

有时候采用估计值也能够很好的满足仿真研究的目的。

例如，仿真可能被简单的用来指导人员了解系统中特定的因果关系。

在这种情况下，估计值就可以满足要求。

当需要可靠数据时，花费较多时间收集和统计大量数据，用以定义出能够准确反映现实的概率分布函数就是非常必要的。

需要的数据量的大小取决于变量的变异程度，但是也有通用的规则，大拇指法指出至少需要三十甚至上百的数据。

假如要获得随即停机时间的输入参数，必须要在一个较长时间段内捕获足够多的数据。

6．构造计算机模型
构造计算机模型的过程中，仿真研究目标要记在心中。

首先构建小的测试模型来证明复杂部件建模是合适的。

一般建模过程是呈现阶段性的，在进行下一阶段建模之前，验证本阶段的模型工作正常。

而从不会将整个系统模型构建起来，然后电击“运行”按钮来进行系统的访真。

在建模过程中运行和调试每一阶段的模型。

我们可能想对同一现实系统构建多个计算机模型，每个模型的抽象程度都不相同。

抽象模型有助于定义系统的重要部分，并可以引导为后续模型的详细化而进行的数据收集活动
7．校验和确认模型
校验是确认模型的功能是否同设想的系统功能相符合。

模型是否同我们想构建的模型相吻合？产品的处理时间、流向是否正确？
确认范围更广泛。

它包括：确认模型是否能够正确反映现实？评估模型仿真结果的可信度有多大？
检验
现在有很多技术可以用来检验模型。

最最重要的、首要的是在仿真低速运行时，观看动画和仿真钟是否同步运行，它可以发现物料流程及其处理时间的总的差异。

另一种检验技术是在模型运行过程中，通过交互命令窗口，显示动态图表来询问资源和流动项目的属性和状态。

通过“步进”方式运行模型，和动态查看轨迹文件可以帮助人们调试模型。

运行仿真时，通过输入多组仿真输入参数值，来检验仿真结果是否合理也是一种很好的方法。

在某些情况下，对系统性能的一些简单测量可以通过手工或使用对比而来获得。

对模型中特定区域要素的使用率和产出率通常是非常容易计算出来的。

在调试模型中是否存在着某种特定问题时，推荐使用同一随机数流，这样可以保证仿真结果的变化是由对模型所做的修改引起的，同时对随机数流不做改动，有时对于模型运行在一些简单化假设下，非常有帮助，这些假设是为了更加简便的计算或预测系统性能。

确认
模型确认建立模型的可信度。

但是，现在还没有哪一种确认技术可以对模型的结果作出100%的确定。

我们永远不可能证明模型的行为就是现实的真实行为。

如果我们能够做到这一步，可能就不需要进行仿真研究的第一步（问题的定义）了。

我们尽力去做的，最多只能是保证模型的行为同现实不会相互抵触罢了。

通过确认，我们试着判断模型的有效程度。

假如一个模型在得到我们提供的相关正确数据之后，其输出满足我们的目标，那么它就是好的。

模型只要在必要范围内有效就可以了，而不需要尽可能的有效。

在模型结果的正确性同获得这些结果所需要的费用之间总存在着权衡。

下面是判断模型有效性的一些问题：
1）模型性能测度是否同真实系统性能测度匹配？
2）如果没有现实系统来对比，可以将仿真结果同相近现实系统的仿真模型的相关运行结果作对比。