交通運輸系統(tǒng)管理03

1、系統(tǒng)仿真 概念 仿真分類 工作步驟 離散系統(tǒng)仿真 仿真算法 12021-5-12 第1頁/共71頁 2 系統(tǒng)仿真概念 根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各 要素性質(zhì)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立仿 真模型，描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或行為過程，據(jù)此 進行虛擬試驗，再進行定量分析，以獲得 各種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或行為信息。 第2頁/共71頁 7.3物流系統(tǒng)仿真物流系統(tǒng)仿真 系統(tǒng)仿真概念系統(tǒng)仿真概念 物流系統(tǒng)仿真是物流系統(tǒng)仿真是借助計算機仿真技術(shù)，對物流系統(tǒng)借助計算機仿真技術(shù)，對物流系統(tǒng) 建模并進行實驗，得到各種動態(tài)活動及其過程的瞬建模并進行實驗，得到各種動態(tài)活動及其過程的瞬 間仿效記錄，進而研究物流系統(tǒng)性能的方法間仿效記錄，

2、進而研究物流系統(tǒng)性能的方法 (GB/T18354-2006)(GB/T18354-2006)。 物流仿真常用的軟件有Arena、Flexsim、AutoMod等。 第3頁/共71頁 系統(tǒng)仿真的實質(zhì) 針對一些復(fù)雜的隨機問題，仿真的過程也是虛 擬實驗的過程，仿真實驗不是依據(jù)實際環(huán)境， 而是依據(jù)模型進行實驗。 仿真可以比較真實地描述系統(tǒng)的運行、演變及 其發(fā)展過程。因此，仿真也是收集系統(tǒng)運行信 息的過程，能夠提供令人滿意的系統(tǒng)行為信息。 當無法通過數(shù)學方法求解時，仿真技術(shù)是一種 對系統(tǒng)問題求數(shù)值解的計算技術(shù)。 42021-5-12 第4頁/共71頁 系統(tǒng)仿真的作用 對一些難以建立物理模型和數(shù)學模型的復(fù)

3、雜系統(tǒng)， 可通過仿真模型來預(yù)測、分析和評價系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 和行為。 暴露出原系統(tǒng)中隱藏著的一些問題； 啟發(fā)新的思想或產(chǎn)生新的解決問題的策略； 驗證解決問題的思路和方案的有效性。 52021-5-12 第5頁/共71頁 系系 統(tǒng)統(tǒng) 仿仿 真真 工工 作作 步步 驟驟 第6頁/共71頁 仿真系統(tǒng)分類 連續(xù)系統(tǒng)仿真： 化工工藝 液壓 電子 離散事件系統(tǒng)仿真： 生產(chǎn)線、物流、倉庫 銀行、機場、稅務(wù)大廳等服務(wù)窗口 72021-5-12 第7頁/共71頁 8 連續(xù)系統(tǒng)仿真連續(xù)系統(tǒng)仿真 定義：系統(tǒng)中狀態(tài)變量隨時間而連續(xù)變化的系統(tǒng)。 基本思想：將用微分方程所描述的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉谟?算機上運行的模型，然后進行編程、

4、運行，以得到連 續(xù)系統(tǒng)的變化發(fā)展結(jié)果。 特點： n由于連續(xù)系統(tǒng)數(shù)學模型主要描述每一實體的變化速 率，故其系統(tǒng)模型通常是由微分方程組成。 n當系統(tǒng)比較復(fù)雜時，微分方程很難求解，需要采用 仿真方法求解。 第8頁/共71頁 9 離散事件系統(tǒng)仿真離散事件系統(tǒng)仿真 定義：系統(tǒng)狀態(tài)變量只在一些離散的時間點上發(fā)生變化的系統(tǒng)。 特點： p 系統(tǒng)只考慮一些離散的時間點上發(fā)生變化， p 輸入變量為隨機變量，輸出也往往為隨機變量， p 描述方式是表示前后邏輯關(guān)系的流程圖。 第9頁/共71頁 10 離散事件系統(tǒng)仿真離散事件系統(tǒng)仿真 基本思想： p 畫出系統(tǒng)工作的流程圖； p 描述 到達模式 （輸入）、服務(wù)模式（輸出）

5、、排隊規(guī)則等系統(tǒng)活動； p 根據(jù)上述仿真模型編程， p 在計算機上運行，記錄結(jié)果 p 分析仿真結(jié)果。 第10頁/共71頁 離散事件系統(tǒng)的基本要素離散事件系統(tǒng)的基本要素 實體：工件、車床 屬性：到達間隔時間、加工時間 狀態(tài)：操作、空閑、維修 事件：工件到達、工件加工完畢 活動：車床處于“開動”活動（狀態(tài)）中 進程：工件經(jīng)過一系列加工活動（車、銑、刨、拋光、打碼等） 112021-5-12 第11頁/共71頁 離散事件系統(tǒng)的基本要素離散事件系統(tǒng)的基本要素 事件、活動、進程之間的關(guān)系 122021-5-12 第12頁/共71頁 事件、活動、進程之間的關(guān)系 132021-5-12 進程 排隊活動服務(wù)活

6、動 顧客到達事件服務(wù)開始事件服務(wù)結(jié)束事件 離散事件系統(tǒng)中的實體、事件、活動和進程 實體：顧客、服務(wù)臺 第13頁/共71頁 離散事件系統(tǒng)的基本要素離散事件系統(tǒng)的基本要素 實體： 永久實體：貨位、運輸車輛、車床 臨時實體：貨物、零件 142021-5-12 第14頁/共71頁 離散事件系統(tǒng)的基本要素離散事件系統(tǒng)的基本要素 屬性 幾何、物理屬性（尺寸、顏色、質(zhì)量、含水率、存儲溫度范圍） 時間屬性（到達時間間隔、平均加工時間、加工時間概率分布、標準差、提 前訂貨期） 成本屬性（存儲成本、搬運成本、貨損、運輸成本） 狀態(tài)：在某個時段（時間區(qū)間），對實體的所有屬性的描述。 152021-5-12 關(guān)關(guān) 注

7、注 第15頁/共71頁 離散事件系統(tǒng)的基本要素離散事件系統(tǒng)的基本要素 事件：在某個時間點，系統(tǒng)狀態(tài)產(chǎn)生變化 系統(tǒng)行為事件：系統(tǒng)運行固有的，事件發(fā)生引起系統(tǒng)狀態(tài)變化（貨物入庫、 零件檢查開始、零件檢查結(jié)束） 確定事件：顧客到達 條件事件：顧客到1號窗口 仿真程序事件：不是系統(tǒng)運行固有的，純粹為了控制仿真程序運行而設(shè)立 的（如仿真開始、仿真結(jié)束） 162021-5-12 第16頁/共71頁 離散事件系統(tǒng)的基本要素離散事件系統(tǒng)的基本要素 活動：兩個事件之間的過程；系統(tǒng)從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個狀態(tài)的中間過程（針對一個時間區(qū)間） 空閑：（貨位空、機器處于空閑狀態(tài)、柜臺前無人） 非空閑：正處于某種動作或加工

8、中（機器正在切削，貨位正被占用、車輛正在行駛） 172021-5-12 第17頁/共71頁 離散事件系統(tǒng)的基本要素離散事件系統(tǒng)的基本要素 進程（過程）：一個實體經(jīng)過了一系列事件（活動），完成了某項生產(chǎn)、服務(wù)、管理任務(wù)。 182021-5-12 第18頁/共71頁 19 系統(tǒng)仿真在物流管理中的典型應(yīng)用系統(tǒng)仿真在物流管理中的典型應(yīng)用 （1）排隊（生產(chǎn)線、機場柜臺、醫(yī)院掛號） （2）庫存（中央倉庫、碼頭堆場） 第19頁/共71頁 離散事件系統(tǒng)仿真典型系統(tǒng)（離散事件系統(tǒng)仿真典型系統(tǒng)（1 1） 排隊系統(tǒng) 到達模式（隨機分布） 服務(wù)模式（隨機分布） 排隊規(guī)則：FIFO，LIFO，按優(yōu)先級 輸出參數(shù)（統(tǒng)計數(shù)

9、據(jù)）：實體平均等待時間、實體平均通過系統(tǒng)時間、實體排隊平均長度、系統(tǒng)中滯 留實體平均數(shù)/最大值 202021-5-12 第20頁/共71頁 離散事件系統(tǒng)仿真典型系統(tǒng)（離散事件系統(tǒng)仿真典型系統(tǒng)（2 2） 庫存系統(tǒng) 補給模式：入庫的數(shù)量、時間 需求模式：出庫的數(shù)量、時間 成本計算規(guī)則：存儲成本、缺貨損失 輸出參數(shù)（統(tǒng)計數(shù)據(jù)） ：存儲費、訂貨費、缺貨損失、過期變質(zhì)損失 212021-5-12 第21頁/共71頁 離散事件系統(tǒng)仿真典型系統(tǒng)離散事件系統(tǒng)仿真典型系統(tǒng) 排隊系統(tǒng)與庫存系統(tǒng)比較 222021-5-12 排隊系統(tǒng)庫存系統(tǒng) 要素服務(wù)臺、顧客訂貨、需求 目標提高服務(wù)臺的效率保證供應(yīng)情況下，降低 庫存

10、 系統(tǒng)主要性能 指標 排隊長度、平均等待時間、平均 滯留時間、平均滯留實體數(shù) 訂貨費、月平均存儲費、 月平均貨損費 輸出評價指標效率指標（時間）效益指標（費用） 第22頁/共71頁 離散系統(tǒng)仿真算法離散系統(tǒng)仿真算法 事件調(diào)度法 232021-5-12 第23頁/共71頁 Auto Loan Case Car loan applications arrive at a processing center approximately every 5 minutes. At this point, 1 of 5 loan officers will review the application to

11、 ensure that it is complete. This review step usually takes 15 minutes, but can be as short as 12 minutes or as long as 18 minutes. Applications are sent to an automatic processing machine where they are processed. This process can take from 0.5 to 1.5 hours to complete, but usually requires 1 hour.

12、 It is assumed that the automatic processor can process as many applications as needed. 242021-5-12 第24頁/共71頁 Auto Loan Case After processing, the results are reviewed by a loan officer who will write either an acceptance or rejection document. This task usually takes 7 minutes, but can require anyw

13、here from 5 to 10 minutes to complete. At this point, the loan application process finishes, and the acceptance or rejection document is sent to the customer. Run this simulation for one 8-hour day. 252021-5-12 第25頁/共71頁 Flowchart Modules Create 262021-5-12 第26頁/共71頁 Flowchart Modules Process 272021

14、-5-12 第27頁/共71頁 Flowchart Modules Process 282021-5-12 第28頁/共71頁 Flowchart Modules Process 292021-5-12 第29頁/共71頁 Flowchart Modules Dispose 302021-5-12 第30頁/共71頁 Data Modules Entity 312021-5-12 第31頁/共71頁 Data Modules Resource 322021-5-12 第32頁/共71頁 Run The Model Setup 332021-5-12 第33頁/共71頁 Run The Mode

15、l Setup 342021-5-12 第34頁/共71頁 Run The Model Setup 352021-5-12 第35頁/共71頁 Report Category Overview 362021-5-12 第36頁/共71頁 User-Specified Veriables Variables: Being Changed along the simulation User-defined Variables, i.e. number of patients registered System (Predefined) Variables, i.e. NQ(counter name

16、) 372021-5-12 第37頁/共71頁 Auto Loan Case Additional Information: the loan officers determined that 8% of the applications they review are incomplete. These incomplete applications are sent back to the applicant. Question: what is the actual number of applications in process throughout the simulation p

17、eriod？ 382021-5-12 第38頁/共71頁 Data Modules Varibale 392021-5-12 第39頁/共71頁 Flowchart Modules Assign 402021-5-12 第40頁/共71頁 Flowchart Modules Decide 2-way by chance 2-way by condition N-way by chance N-way by condition 412021-5-12 第41頁/共71頁 Flowchart Modules Decide 422021-5-12 第42頁/共71頁 銀行排隊 客戶到銀行辦理某種業(yè)務(wù)

18、需要經(jīng)過兩類服務(wù)： 第一類有6個服務(wù)臺，每個服務(wù)臺每次只能處理一個客戶； 經(jīng)過第一類窗口后，客戶到達第二服務(wù)臺前排隊等待， 第二類服務(wù)只有一個服務(wù)臺，每個服務(wù)臺每次只能處理一個客戶。 選擇隊列的規(guī)則：客戶到達后，根據(jù)6個并排窗口的情況選擇隊列最 短的窗口接受服務(wù)。 問題： （1）現(xiàn)要考察兩類服務(wù)臺前的基本隊列指標，（2）第二類 服務(wù)窗口前，客戶到達時排在他前面的客戶不超過2人的概率。 432021-5-12 第43頁/共71頁 庫存管理仿真案例 每次訂貨有一個的固定訂貨批量（后面會學到， 叫經(jīng)濟訂貨批量）300件， 顧客需求隨機到達，符合Expo分布（0.2h）， 每天營業(yè)10小時； 如果庫存

19、不足，則記錄欠貨（backorder）， 并且日后再補， 如果庫存已降至訂貨點，則向上游供應(yīng)商訂貨。 訂貨到達前，要查看是否庫里已無貨 （stockout），并做記錄。 442021-5-12 第44頁/共71頁 庫存管理仿真案例 仿真目的： 通過修改參數(shù)的設(shè)置，探討訂貨批量(order size)、再訂購點(reorder point)、訂貨提前期(lead time)之間的關(guān)係。 最佳的參數(shù)搭配？此種搭配唯一嗎？（通過不斷改變參數(shù)，做虛擬實驗才能 得到。） 452021-5-12 第45頁/共71頁 庫存管理仿真案例 462021-5-12 第46頁/共71頁 Flowchart Modu

20、les Record 472021-5-12 第47頁/共71頁 庫存管理仿真案例 前面例子存在什么問題？ 平均每0.2小時到一個顧客（買1件產(chǎn)品），每天開業(yè)10小時 訂貨提前期4天 固定訂貨批量300件 思考：有關(guān)參數(shù)的設(shè)定是否合理？ 482021-5-12 第48頁/共71頁 課后小組討論（不需要交作業(yè)） 復(fù)習庫存管理的例子，思考如何協(xié)調(diào)訂貨批量 (order size)、再訂購點(reorder point)、訂貨 提前期(lead time)之間的關(guān)係達到最優(yōu)。 通過庫存管理仿真的例子和前面運輸量分配優(yōu)化 的例子，思考仿真和優(yōu)化的不同。 仿真和優(yōu)化是否需要結(jié)合？能帶來什么好處？ 492

21、021-5-12 第49頁/共71頁 物流新設(shè)備R&D計劃模擬 代碼R&D任務(wù)前導工序正常持續(xù)時間趕工持續(xù)時間 A概念設(shè)計-TRIA(3,4,5) B前期市場分析AUNIF(3,5) C前期技術(shù)分析AUNIF(4,8) D開發(fā)前財務(wù)分析B,CEXPO(3) E產(chǎn)品開發(fā)與測試DEXPO(61) F試上市EUNIF(6,12)UNIF(3,10) G試生產(chǎn)ETRIA(8,9,10)TRIA(6,7,8) H正式投產(chǎn)前市場分析FUNIF(5,8)UNIF(4,5) I投產(chǎn)GTRIA(4,8,12)TRIA(3,6,9) J上市H,IUNIF(5,7)UNIF(3,5) 502021-5-12 第50

22、頁/共71頁 物流新設(shè)備R&D計劃模擬 系統(tǒng)評價指標 成功專案平均完成時間，方差（標準差） 方案在100天內(nèi)完成的概 需要趕工的概 壓縮項目工期分析 512021-5-12 第51頁/共71頁 物流新設(shè)備R&D計劃模擬 522021-5-12 第52頁/共71頁 物流新設(shè)備R&D計劃模擬 532021-5-12 Amend 第53頁/共71頁 物流新設(shè)備R&D計劃模擬 542021-5-12 第54頁/共71頁 物流新設(shè)備R&D計劃模擬 Separate / Batch : Entity 復(fù)制與合并 Route / Station : 同程之間連結(jié) Delay : 作業(yè)時間，但未涉及資源使用

23、Decide : 進程控制 Record : 記錄相關(guān)數(shù)據(jù) 552021-5-12 第55頁/共71頁 物流新設(shè)備R&D計劃模擬 Basic Process 562021-5-12 Separate / Batch : Entity 復(fù)制與合并 第56頁/共71頁 物流新設(shè)備R&D計劃模擬 Advanced Transfer 572021-5-12 Route / Station : 同程之間連接 第57頁/共71頁 物流新設(shè)備R&D計劃模擬 指標數(shù)值 產(chǎn)品研發(fā)失敗比例24.5%1.5% 成功方案趕工比例15.3%1.3% 成功方案工期的期望值268.8%1.2% 成功方案工期的標準差22.9

24、%0.5% 成功方案在100天內(nèi)完成比例90.2%1.0% 582021-5-12 計劃實施評價指標計劃實施評價指標 第58頁/共71頁 物流新設(shè)備R&D計劃模擬 縮短工期分析 592021-5-12 F-H: 6+5=11 G-I: 8+4=12 盡力縮短盡力縮短G-I？ 第59頁/共71頁 Arena高級功能 還有很多功能，請同學進深自學 歡迎旁聽我的研究生課程交通運輸系統(tǒng)管理 遇到問題時，與我個別探討 可參考Container Harbour Logistics Case 602021-5-12 第60頁/共71頁 小組作業(yè) 某銀行儲蓄所有4個服務(wù)窗口，試分析兩種排隊模式： （1）每個窗

25、口前排隊（顧客找最短的隊站在后面）； （2）進門拿順序號，各窗口空閑時按順序叫號。 假設(shè)顧客的到達符合泊松分布（期望3），各窗口的處 理時間符合三角分布（5,7,9），叫號處理時間為均勻分 布（0.1，0.2），上述時間單位都為分鐘 問題（1）試通過計算機仿真，分析兩種排隊模式哪個 效率更高？（2）哪個模式下，顧客的平均等待時間更 短？（3）哪個模式下，顧客的平均等待時間的波動性 更大？（4）有何改進建議？ 612021-5-12 第61頁/共71頁 小組作業(yè) 提交內(nèi)容：（程序+報告） (1) Arena仿真程序, (文件命名規(guī)則：銀行排隊模式作業(yè)-組長 姓名.doe) （2）大作業(yè)封面（標明組長與組員，及個人的學號,文件命名 規(guī)則：銀行排隊模式作業(yè)-組長姓名.doc） （3）兩個仿真模型的建模說明 （4）仿真結(jié)果分析，回答問題1,2,3,4 622021-5-12 報告 第62頁/共71頁 系統(tǒng)仿真的實質(zhì) 針對一些復(fù)雜的隨機問題，仿真的過程也是虛 擬實驗的過程，仿真實驗不是依據(jù)實際環(huán)境， 而是依據(jù)模型進