物流工程第10章 物流系统仿真技术

4）系统仿真算法
• 仿真算法是确定仿真钟推进策略的控制方法，是 仿真控制的核心。比较成熟的仿真算法有三种： • 第一类是以事件为基础的事件调度法（ES，Event Scheduling）； • 第二类是以活动扫描为基础的活动扫描法（AS， Activity Scanning）； • 第三类是以进程为基础的进程交互法（PI， Process Interaction）。
4）物流运输 • 物流运输系统是一个复杂的动态过程，系 统中常常包含有多种运输车辆、多种运输 路线。运输策略存在着多种可能性。 • 建立运输系统仿真模型，动态运行此模型， 再用动画将运行状态、道路堵塞情况、货 物供应情况等生动地呈现出来。 • 通过对运输调度过程仿真，调度人员对所 执行的调度策略进行检验和评价，就可以 采取比较合理的调度策略。
10.1.2 物流系统仿真的基本原理
1）连续系统和离散系统 • 连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统， 如电力系统、液压系统、机电系统等。 • 离散系统又常称之为离散事件动态系统（DEDS： Discrete Event Dynamic System），是指系统状 态随时间呈离散变化的系统。更具体地说，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。
（4）活动 • 活动是两个可以区分的事件之间的过程。 显然，事件是系统状态转变的起因，而活 动则是系统状态转移的标志。 • 例如配送中心中，事件“货物到达”与事 件“货物入库”之间的过程，就可以称为 活动。
（5）进程 • 进程是由若干个有序事件及若干个活动组 成的过程，一个进程描述了其中所包括的 事件和活动的相互逻辑及时序关系。 • 例如一个制造物流系统中，工件到达、等 待、加工、加工完后离去，就可以称为一 个进程。
10.2.2 常见的物流系统仿真软件简介 • 1）Arena • Arena是1993年美国Rockwell Automation公 司推出的可视化交互仿真软件，它基于面 向对象的思想和结构化的建模概念，将专 用仿真语言的灵活性和仿真器的易用性很 好结合在了一起，成为广泛应用的仿真工 具之一。
• 在物流系统还处于规划设计、没有实际建成的情 况下，把系统规划转换成仿真模型，通过运行模 型，评价规划方案的优劣并修改方案，是系统仿 真经常用到的一方面。可以在系统建成之前，对 不合理的设计和投资进行修正，避免了资金、人 力和时间的浪费。 • 系统仿真运行准确地反映了未来物流系统在有选 择的改变各种参数时的运行效果，从而使设计者 对规划与方案的实际效果更加胸有成竹，有利于 避免企业新上项目的失误。
6）物流发展战略 • 应用计算机仿真模型，可以对从过去到未 来的国家、地区乃至企业的物流系统发展 规律进行仿真运算分析，研究系统的因果 关系、相互作用、发展机理等，得出有益 的结论，以利于制定科学的区域、行业或 企业物流发展战略，促进物流系统的改进 和发展。
7）其他应用，如： • 物流系统运行分析； • 物流方案评价优选； • 军事物流后勤保障； • 应急物流响应机制；等。
• 离散系统本质上属于人造系统。 • 系统中，对系统行为进程起决定作用的是一批离 散事件，而不是连续变量，所遵循的是一些人为 规则，而不是物理学定律。 • 结合物流系统的复杂性和不确定性的分析，可以 得出这样的结论：物流系统主要是离散系统（或 离散事件动态系统），物流系统行为进程中起决 定作用的是人为规定的一系列规则。
第10章 物流系统仿真技术
• 本章导读
–熟悉物流系统仿真的基本概念、基本原理。
–了解物流系统仿真的一般方法和步骤，了 解物流系统仿真的常见应用。 –一般了解物流系统仿真常见软件的应用。
• 物流系统仿真技术能够在物流系统的规划 设计阶段，对设施布置、设备配置、系统 能力、参数优选、系统运行、作业流程等 进行仿真分析，评价和对比不同的系统设 计方案，从而达到优化物流系统的目的。 • 物流系统仿真技术在国外已普遍推广应用， 据国外经验，应用物流系统仿真技术后能 使物流系统方案总投资有效降低30％左右。
10.1 基本概念和基本原理
10.1.1 基本概念 • 1）系统、系统模型与系统仿真
• “系统、模型、仿真”三者之间有着密切关系。 系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是 通过对模型的试验以达到研究系统的目的。 • 系统仿真有三个基本活动，即系统建模、仿真建 模和仿真试验，联系这三个活动的是系统仿真的 三要素：即系统、模型、计算机（包括软件和硬 件）。
10.1.3 物流系 统仿真 的一般 步骤
10.2 物流系统仿真的应用
10.2.1 常见的物流系统仿真应用
• 系统仿真在物流系统运行中的应用，可以 从三方面考虑： （1）在物流系统尚未建立之前，可以评价和 论证系统方案及其可行性，避免投资风险； 并且可以进行多种方案的比较，进行最优 化设计，能大大提高设计的成功率。
• 由于物流仿真模型的一次运行只是对真实 系统的一次抽样模拟，所以系统仿真不是 一种严格意义上的优化方法，它一般不能 直接求出系统的最优解。 • 不过，物流系统仿真却是一种很好的间接 优化方法。 • 系统仿真不单纯追求耗时费力的、有研究 意义而无实际意义的最优解，而是快速寻 求改善和优化物流系统的途径和方法。
（3）事件 • 在离散事件系统仿真中，事件有两类。 • 一类是引起系统状态变化的行为，例如仓储系统 物品入库到达被称为一个事件，物品的出库离去 被称为一个事件。可以看出这一类事件是系统固 有的，是系统状态变化的主要驱动力。 • 另一类事件是所谓的程序事件，例如仿真过程中 为了使仿真结束，专门定义一个事件，使其终止 仿真。程序事件并非系统所固有的，而是根据需 要设定的。
（1）事件调度法 • 事件调度法是面向事件的。这种方法按时 间顺序处理物流系统所发生的一系列事件， 记录每一事件发生时引起的系统状态的变 化，来完成物流系统的整个动态过程仿真。 • 建模的任务在于确定导致系统状态改变的 事件以及与各类事件相对应的逻辑关系。
（2）活动扫描法 • 活动扫描法是面向活动的，活动开始和结 束是物流系统状态变化的标志。 • 在以活动扫描为基础的离散型仿真中，仿 真模型描述系统实体所进行的活动以及预 定导致活动开始或结束的条件。 • 活动开始或终止的事件并非由模型事先安 排，而是由为活动规定的条件所初始化。 随着仿真时钟按一定步长推进，对每项活 动的开始或终止的条件进行扫描。
（2）属性 • 实体的所有特征称为实体的属性。 • 需要强调的是，实体可能具有若干特征，但并不 是所有的特征都被称为仿真系统的实体属性。只 有与物流系统仿真相关的那些特征，才称为属性。 • 例如，物品有大小、形状、颜色等属性，又有加 工（仓储）批量、到达（离开）时间等属性，显 然这里只有加工（仓储）批量、到达（离开）时 间等才可以称之为仿真系统的实体属性。
• 2）物流系统的复杂性 • 物流系统是由物流各要素组成且各要素之 间存在着有机联系的综合体。 • 物流系统是一个复杂系统，其复杂性主要 源于物流系统诸要素的不确定性和系统要 素间的相关性，而且随着系统要素不确定 性和相关性的相互叠加，其复杂性进一步 增强。
• 3）物流系统仿真 • 系统仿真方法是一种非解析方法。 • 物 流 系 统 仿 真 （ Logistics System Simulation），就是借助计算机仿真技术， 对物流系统建模并进行实验，得到各种动 态活动及其过程的瞬间仿效记录，进而研 究 物 流 系 统 性 能 的 方 法 （ 物 流 术 语 GB ／ T18354－2006）。
2）生产物料控制
• 对于生产制造企业来说，可以根据企业生产的工 艺流程、设备参数、人员配备、资金约束、物料 供应等，建立生产物流仿真系统。 • 通过仿真，可以分析生产系统的生产量，确定生 产瓶颈位置，报告资源利用率；可以考察生产物 流系统重构、车间物流改造；可以考评生产物料 的JIT配送、生产物流的库存管理等。 • 生产物流仿真若能同MRP、MRPII、ERP等结合，将 使企业的人、财、物等资源配置更合理有效。
（2）在物流系统设计过程中，利用仿真技术 可以帮助设计人员建立系统模型，进行模 型验证与模型简化并进行最优化设计；利 用仿真技术可以帮助设计人员完成设备和 运行参数的选择。 （3）在物流系统建成后，利用仿真技术可以 分析系统工作的状况，寻求系统改进的途 径以及找出最佳的运行参数。
• 常见物流系统仿真应用主要有： 1）物流系统规划与设计
3）库存控制 • 对企业内部运行来说，由于外部市场需求 的不确定及其波动，导致企业内部物料供 应部门与生产加工部门的供求关系往往存 在矛盾。 • 通过对物料库存状态的仿真，可以动态地 模拟入库、出库、库存的实际状况。根据 加工要求，正确地掌握入库、出库的时机 和数量。
• 对企业所在供应链来说，供应商、生产商、分销 商、零售商和终端客户，每个环节都可以建立模 型进行仿真，动态地模拟入库、出库、库存的实 际状况，根据下游需求正确地掌握入库、出库的 时机和数量；在此基础上，拓展到整个供应链， 从而降低整个供应链的总库存量和库存成本，提 高供应链的整体运行绩效。 • 这方面典型的应用，如构建“啤酒游戏”的计算 机模型，分析比较不同库存策略时“啤酒游戏” 和“牛鞭效应”产生的原因和机理，根据仿真结 果采取相应的手段，降低供应链中企业的库存总 量，降低供应链的物流总成本。
• 离散事件系统仿真的仿真钟推进方法分为两类： 一类是变步长推进法(或称下一事件步长法)，另 一类是固定步长推进法(或称固定增量法)。 • 变步长推进法也叫下一事件步长法，或wenku.baidu.com向事件 的仿真时钟推进。该推进方式事先并没有确定时 钟推进步长，而是根据随机事件的发生，进行随 机步长的推进，推进步长为最后发生事件与下一 事件之间的时间间隔。 • 固定步长推进法也叫面向时间间隔的仿真时钟推 进。该推进方式确定一个固定的时间间隔，以此 为增量来逐步推进仿真钟。
5）物流成本估算
• 物流成本包括运输成本、库存成本、装卸成本、人工 成本等，物流成本的核算与所花费的时间比例相关。 • 物流系统仿真是对物流整个过程的模拟，进程中每一 个操作的时间，通过仿真推进被记录下来。因此可以 通过仿真统计物流时间的花费，进而计算物流的成本。 • 这种计算物流成本的方法，比用其他数学方法计算， 更简便、更直观。同时可以建立起成本与物流系统规 划、物料库存控制、物料运输调度策略之间的联系。 从而用成本核算结果来评价物流系统的策略和方案。
3）离散事件仿真钟的推进方法 • 为了实现对系统的动态仿真，必须跟踪仿真过程 中时间的推进，即必须给模型一个从某一时刻推 进到下一时刻的时间推进机制。 • 仿真钟就是一个仿真模型中用来记录仿真当前时 刻的变量，即用于表示仿真时间的变化。 • 仿真钟所显示的是系统仿真所花费的时间，而不 是计算机运行仿真模型的时间。
• 2）离散事件系统的基本要素 • 描述一个离散事件系统一般需要5个基本要素：实体、属 性、事件、活动、进程等。 （1）实体 • 实体分为临时实体和永久实体两类。凡是在系统仿真期间 流经系统、在仿真结束时已经离开系统的实体称为临时实 体。凡在系统仿真期间自始自终停留在系统中的实体称为 永性实体。 • 例如进入企业的原材料，经生产加工后离开企业进入销售 流通领域，对生产企业来说就是临时实体，而生产加工的 机器设备则为永久实体。再如，送达配送中心经储存又离 去的货物是临时实体，而货架则是永久实体。
（3）进程交互法
• 进程交互法是面向进程的，是事件调度法与活动 扫描法的结合。 • 一个进程包含若干有序事件和有序活动，据此可 以模型各主动成分的活动为主线生成仿真进程表。 仿真时，一旦某个成分进入物流系统，它将完成 该进程中的全部活动。 • 进程交互法更接近于实际系统，从用户的观点看， 更容易使用，但进程交互法的软件实现，比事件 调度法与活动扫描法都要复杂。