物流系统建模与仿真

仿真本质上是一种知识处理的过程，典型的系统仿真过程包括系统模 型建立、仿真模型建立、仿真程序设计、仿真试验和数据分析处理等， 它涉及多学科多领域的知识与经验。仿真的基本思想是利用物理的或 数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵 循的基本原则是相似性原理。
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二、仿真技术的特点
仿真技术是模型（物理的、数学的或非数学的）的建立、验证 和试验运行技术。现代仿真技术的特点可归纳为以下几点：
系统
问题的本源
系统模型
桥梁
实验
解决问题手段
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基本概念 (Simulation)
一、什么是仿真技术
仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有 关专业技术为基础，以计算机系统、与应用有关的物理效应设备及仿 真器为工具，利用模型对系统（已有的或设想的）进行研究的一门多 学科的综合性的技术。
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对那些内部结构和特性不清楚的系统，可假设模型并通过试验验证和修正 建立模型，也可以用辨识的方法建立模型。
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对于内部结构和特性有部分了解，但又不甚了解的，则采用以上两种方法 相结合的方式 。
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现代仿真技术 ----建模与仿真方法学
随着仿真应用范围的不断拓宽，近年来系统建模理论与方法的 研究范围逐渐从定量系统向定性系统拓宽，其中典型的定性系统 建模方法有Kuiper 法以及各类基于模糊理论的方法等。此外，在 离散事件系统及各类并发分布系统的建模方法中，Petri 网及Bond 图方法及其应用也有较快的发展。从建模的方法学来看，除了典型 的机理建模及系统辨识方法外，近年来正积极发展模糊优化法、人 工智能辅助建模方法学及混合模式（multi-paradigm）的建模方法 学等 VV&A （ verification ， validation and accreditation ）技术，即系 统模型的校核、仿真模型的验证以及仿真结果的认可技术，已成 为复杂系统建模与仿真技术中的重要课题，尤其受到军事部门的 高度重视，并正从局部的、分散的研究向实用化、自动化、规范 化与集成化的VV＆A系统发展。
多用）和CPlex（运输和供应链仿真多用）
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现代仿真技术 ----仿真软件
未来的仿真软件将在以下几个方面得到进一步的发展：
采用新的建模仿真方法学、人工智能等新技术改善建模仿真功能； 增强对建模仿真全生命周期活动的支持功能； 基于标准及基于软总线的开放的体系结构； 注重面向专业领域、面向用户，扩大应用领域； 支持复杂系统虚拟样机的开发；
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现代仿真技术 ----仿真算法
仿真算法是将系统模型转换成仿真模型的一类算法，经历了 从串行算法到并行算法的发展过程。目前，连续系统与离散 事件系统的非实时串行算法已相当完善，其成果包括处理线
性、非线性、刚性、间断右函数等连续系统算法，各类分布
参数系统算法，各种随机统计算法及基于系统分割、方法分 割和时间分割的部分并行算法。当前研究的重点是实时连续
仿真技术是一门通用的支撑性技术。在决策者们面对一些重大的、棘手的问 题时，能以其他方法无法替代的特殊功能，为其提供关键性的见解和创新的 观点。 仿真技术学科的发展具有相对的独立性，同时又与光、机、电、声，特别是 信息等众多专业技术领域的发展互为促进。因此，仿真技术具有学科面广、 综合性强、应用领域宽、无破坏性、可多次重复、安全、经济、可控、不受 气候条件和场地空间的限制等独特优点，这是其他技术无法比拟的。
演绎法
归纳法
混合方法
通过定理、定律、公理以 及已经验证了的理论推演 出数学模型。这是最早的 一种建模方法，这种方法 适用于内部结构和特性很 明确的系统，可以利用已 知的定律来确定系统内部 的运动关系，大多数工程 系统属于这一类。
通过大量的试验数据， 分析、总结归纳出数 学模型。对那些内部 结构不十分清楚的系 统，可以根据对系统 输入、输出的测试数 据来建立系统的数学 模型。
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现代仿真技术 ----虚拟现实技术
虚拟现实（Virtual Reality）技术是现代仿真技术的一个重要研 究领域，其核心是建模与仿真，通过建立模型，对人、物、环 境及其相互关系进行本质的描述，并在计算机上实现，从根本 上改变了人与计算机的关系。飞行器模拟、虚拟战场、虚拟样 机、虚拟制造等都是虚拟现实技术的典型应用。
确定和随机系统
对于动态系统可分为两类，一个系统的每个状态，若 其连续的状态是唯一确定时，这个系统称为确定系统。 随机系统是指在既定的条件下，系统从一个状态转换 成另一个状态，这不是确定性的，而是带着一定的随 机性质。也即相同的输入经过系统的转换过程会有不 同的输出结果。比如，一个放射性的原子核就是一个 随机系统，导致放射性裂变的状态是随机的，也就是 粒子的放射是无规律的。 随时间的改变，其状态的变化是连续的系统称为连续 系统。若系统状态随时间呈间断地改变或突然变化， 9 则称为离散的系统。
模拟方法
启发式方法
启发式方法是针对优化方法的不足，运用一些经验法则来降 低优化模型的数学精确程度，并通过模仿人的跟踪校正过程 13 求取物流系统的满意解。启发式方法能同时满足详细描绘问 题和求解的需要，比优化方法更为实用。
现代仿真技术 ----建模与仿真方法学
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对内部结构和特性清楚的系统，利用已知的一些基本定律，经过分析和演 绎推导出系统模型 。
开发及完善支持分布仿真工程的支撑框架。
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现代仿真技术 ----仿真计算机/仿真器
近10年来，由于RISC技术及并行计算机技术的飞速发展，装 配有面向问题仿真软件的通用高性能微机、工作站及并行机已 成为仿真机的主流。目前，超大规模的并行计算机、工作站以 及高性能微机的运算速度已有很大提高。基于高速、宽带、异 步、多媒体网络通信及分布计算技术的发展，使分布计算环境 成为仿真计算机平台的重要发展方向。高性能仿真计算机研究 的主要课题包括处理机技术与节点结构、并行程序设计模型与 并行化编译器、支持自动并行化的新的框架与概念等。
数学模型
是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法来再现原型的功 能或结构特征。例如：排队论中的客户到达时间及特征、库存中的订 货模型、 设备故障率、交通路口车辆达到分布等。
仿真模型
指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机可以实施的模型。 11
数学模型
利用计算机对一个系统进行仿真，首先要建立起 被研究系统的数学模型
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二、仿真技术的特点
仿真技术的发展与应用紧密相关。应用需求是推动仿真技术发展的原 动力，仿真技术应用效益不但与其技术水平的高低有关，还与应用领 域的发展密切相关。大量实例表明，仿真技术的有效应用必须依托于 先进的仿真系统，只有服务于应用的仿真系统向前发展了，才能带动 仿真技术的发展。因此，必须处理好应用需求牵引、系统带技术、技 术促系统、系统服务于应用的辩证关系。
系统算法、各类系统的并行算法及定性系统算法，其中并行
系统算法 的效率将是并行仿真计算机发展中的关键课题。
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现代仿真技术 ----仿真软件
仿真研究的许多活动都是通过仿真软件来实现的，仿真软件是一类面向仿真
用途的专用软件，它的特点是面向问题、面向用户。近40年来，仿真软件充 分吸收了仿真方法学、计算机、网络、图形/图像、多媒体、软件工程、自动 控制、人工智能等技术所取得的新成果，从而得到了很大的发展。自1955年 第一个仿真软件问世以来，按照新技术出现的时间顺序，可将仿真软件的发 展分为六个阶段，即通用程序设计语言（Fortran语言编写）、仿真程序包及 初级仿真语言（例如GPSS排队问题仿真）、完善的商品化的高级仿真语 言、一体化（局部智能化）建模与仿真环境、智能化建模与仿真环境 （Automod，Showflow，Matlab，Witness等）以及支持分布交互仿真的综 合仿真环境。
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物流行业仿真软件
目前，物流行业应用化较广泛的仿真软件有 AutoMod、Witness、Flexsim、 Showflow、 Matlab 、Extend、SIMAnimation、RaLC和 Arena等。
GT(佐治亚理工）的仿真教学用到的仿真主要是AutoMod
（生产物流、微观物流的三维仿真多用）、Arena（二维仿真
这是将演绎法和归纳法 互相结合的一种建模方
法。通常采用先验知识
确定系统模型的结构形 式，再用归纳法来确定 具体参数。
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对物流系统而言，其建模方法有优化方法，模拟方法、 启发式方法、统计分析法，加权函数法、功效系统法和 模糊数学方法等
优化方法
优化方法是运用线性规划、整数规划、非线性规划等数学规 划技术，描述物流系统的数量关系以便求得最优决策。由于 物流系统庞大而复杂，建立整个系统的优化模型一般比较困 难，而且用计算机求解大型优化问题的时间和费用太大，因 此优化模型常用于物流系统的局部优化，并结合其他方法求 得物流系统的最优解。 模拟方法是利用数学公式、逻辑表达式、图表、坐标等抽象概 念来表示实际物流系统的内部状态和输入输出关系，以便通过 计算机对模型进行试验取得改替物流系统或设计新的物流系统 所需的信息。虽然模拟方法在模拟构造、程序调试、数据整理 方面工作量大，但由于物流系统结构复杂，不确定情况多，所 以模拟方法仍以其描述和求解问题的能力优势，成为物流建模 的主要方法。
仿真技术应用正向“全系统”、“系统全生命周期”、 “系统全方位管理”发展。这些都基于仿真技术的发展。
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三、仿真技术的分类
连续系统仿真（例如，液体罐装线 仿真设计）、离散系统仿真、连续/ 离散（事件）混合系统仿真和定性 系统仿真 可分为物理仿真、计算机仿真、硬 件在回路中的仿真（半实物仿真） 和人在回路中的仿真
模型可分为三类
物理模型 数学模型 仿真模型
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模型可分为三类
物理模型
指不以人的意志为转移的客观存在的实体。可以是按比例缩小了的 实物外形，也可以是与原系统性能完全一致的样机模型连续系统模 型。 例如：在飞机设计过程中，对飞机的外形要求是非常严格的， 因为气动外形将最终影响整个飞机的飞行特征。为了获得飞机外形 的气动数据，尤其是机翼的气动数据，必须制作各种不同形状的机 翼模型放到风洞中进行实验。风洞实验结果改进了飞机的设计理论， 利用该理论又可设计新型的飞机。
按模型的类型
按仿真的实现方分为实况仿真、虚拟仿真和 构造仿真
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计算机仿真三要素
系统：研究的对象
模型：系统的抽象
计算机：工具与手段
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系统：研究的对象
一个系统是指自然界存在着的由若干个相互作用和依赖的事物组 合而成的具有特定功能并按一定规律运动着的整体。 系统分为两类，一类是自然系统，它是人类在长期的生产劳动和 社会实践中逐渐认识世界而形成的，又称为非工程系统；另一类 系统是人们根据某种需要，实现预定功能而构成的系统，这类系 统称为人造系统，又称之为工程系统。我们这里谈的是工程系统。
连续和离散系统
模型：系统的抽象
从技术角度来看
系统模型是系统的某种特定性能的一种抽象形式。 系统模型的建立是系统仿真的基础，而系统模型是以系统 之间的相似原理为基础的。 相似性原理指出，对于自然界的任一系统，存在另一个系 统，它们在某种意义上可以建立相似的数学描述或有相似 的物理属性。 一个系统可以用模型在某种意义上来近似，这是整个系统 仿真的理论基础。
系统可分为三方面的内容，即实体、属性和活动。实体是指组成 系统的具体对象；属性是指实体所具有的每一种有效特性（状态 和参数）；活动是指系统内对象随时间推移而发生的状态变化。
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系 统 分 类
静态和动态系统
静态系统是被视为相对不变的，如处于平衡状态下的 一根梁，若无外界的干扰，则其平衡力是一个静态的 系统。系统的状态可改变时称之为动态系统。如一个 处于工作运行状态的计算机系统可以看成为一个系统， 它是一个动态系统。
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基本概念 (Simulation)
一、系统仿真本质
• 从一般意义上讲，系统仿真可以被理解为在对一个已经存在或尚不
存在但正在开发的系统进行研究的过程中，为了了解系统的内在特 性，必须进行一定的实验；而由于系统不存在或其他一些原因，无 法在原系统上直接进行实验，只能设法构造既能反映系统特征又能 符合系统实验要求的系统模型，并在该系统模型上进行实验，以达 到了解或设计系统的目的。