物流系統(tǒng)仿真技術培訓課程

第10章物流系統(tǒng)仿真技術

本章導讀熟悉物流系統(tǒng)仿真的基本概念、基本原理。了解物流系統(tǒng)仿真的一般方法和步驟，了解物流系統(tǒng)仿真的常見應用。一般了解物流系統(tǒng)仿真常見軟件的應用。物流系統(tǒng)仿真技術能夠在物流系統(tǒng)的規(guī)劃設計階段，對設施布置、設備配置、系統(tǒng)能力、參數(shù)優(yōu)選、系統(tǒng)運行、作業(yè)流程等進行仿真分析，評價和對比不同的系統(tǒng)設計方案，從而達到優(yōu)化物流系統(tǒng)的目的。物流系統(tǒng)仿真技術在國外已普遍推廣應用，據(jù)國外經(jīng)驗，應用物流系統(tǒng)仿真技術后能使物流系統(tǒng)方案總投資有效降低30％左右。

10.1基本概念和基本原理10.1.1基本概念1）系統(tǒng)、系統(tǒng)模型與系統(tǒng)仿真“系統(tǒng)、模型、仿真”三者之間有著密切關系。系統(tǒng)是研究的對象，模型是系統(tǒng)的抽象，仿真是通過對模型的試驗以達到研究系統(tǒng)的目的。系統(tǒng)仿真有三個基本活動，即系統(tǒng)建模、仿真建模和仿真試驗，聯(lián)系這三個活動的是系統(tǒng)仿真的三要素：即系統(tǒng)、模型、計算機（包括軟件和硬件）。

2）物流系統(tǒng)的復雜性物流系統(tǒng)是由物流各要素組成且各要素之間存在著有機聯(lián)系的綜合體。物流系統(tǒng)是一個復雜系統(tǒng)，其復雜性主要源于物流系統(tǒng)諸要素的不確定性和系統(tǒng)要素間的相關性，而且隨著系統(tǒng)要素不確定性和相關性的相互疊加，其復雜性進一步增強。3）物流系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真方法是一種非解析方法。物流系統(tǒng)仿真（LogisticsSystemSimulation），就是借助計算機仿真技術，對物流系統(tǒng)建模并進行實驗，得到各種動態(tài)活動及其過程的瞬間仿效記錄，進而研究物流系統(tǒng)性能的方法（物流術語GB／T18354－2006）。由于物流仿真模型的一次運行只是對真實系統(tǒng)的一次抽樣模擬，所以系統(tǒng)仿真不是一種嚴格意義上的優(yōu)化方法，它一般不能直接求出系統(tǒng)的最優(yōu)解。不過，物流系統(tǒng)仿真卻是一種很好的間接優(yōu)化方法。系統(tǒng)仿真不單純追求耗時費力的、有研究意義而無實際意義的最優(yōu)解，而是快速尋求改善和優(yōu)化物流系統(tǒng)的途徑和方法。

10.1.2物流系統(tǒng)仿真的基本原理1）連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)狀態(tài)隨時間連續(xù)變化的系統(tǒng)，如電力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機電系統(tǒng)等。離散系統(tǒng)又常稱之為離散事件動態(tài)系統(tǒng)（DEDS：DiscreteEventDynamicSystem），是指系統(tǒng)狀態(tài)隨時間呈離散變化的系統(tǒng)。更具體地說，DEDS是指受事件驅動、系統(tǒng)狀態(tài)跳躍式變化、系統(tǒng)狀態(tài)遷移發(fā)生在一串離散時間點上的動態(tài)系統(tǒng)。離散系統(tǒng)本質上屬于人造系統(tǒng)。系統(tǒng)中，對系統(tǒng)行為進程起決定作用的是一批離散事件，而不是連續(xù)變量，所遵循的是一些人為規(guī)則，而不是物理學定律。結合物流系統(tǒng)的復雜性和不確定性的分析，可以得出這樣的結論：物流系統(tǒng)主要是離散系統(tǒng)（或離散事件動態(tài)系統(tǒng)），物流系統(tǒng)行為進程中起決定作用的是人為規(guī)定的一系列規(guī)則。

2）離散事件系統(tǒng)的基本要素描述一個離散事件系統(tǒng)一般需要5個基本要素：實體、屬性、事件、活動、進程等。（1）實體實體分為臨時實體和永久實體兩類。凡是在系統(tǒng)仿真期間流經(jīng)系統(tǒng)、在仿真結束時已經(jīng)離開系統(tǒng)的實體稱為臨時實體。凡在系統(tǒng)仿真期間自始自終停留在系統(tǒng)中的實體稱為永性實體。例如進入企業(yè)的原材料，經(jīng)生產加工后離開企業(yè)進入銷售流通領域，對生產企業(yè)來說就是臨時實體，而生產加工的機器設備則為永久實體。再如，送達配送中心經(jīng)儲存又離去的貨物是臨時實體，而貨架則是永久實體。（2）屬性實體的所有特征稱為實體的屬性。需要強調的是，實體可能具有若干特征，但并不是所有的特征都被稱為仿真系統(tǒng)的實體屬性。只有與物流系統(tǒng)仿真相關的那些特征，才稱為屬性。例如，物品有大小、形狀、顏色等屬性，又有加工（倉儲）批量、到達（離開）時間等屬性，顯然這里只有加工（倉儲）批量、到達（離開）時間等才可以稱之為仿真系統(tǒng)的實體屬性。（3）事件件在離散事件件系統(tǒng)仿真真中，事件件有兩類。。一類是引起起系統(tǒng)狀態(tài)態(tài)變化的行行為，例如如倉儲系統(tǒng)統(tǒng)物品入庫庫到達被稱稱為一個事事件，物品品的出庫離離去被稱為為一個事件件?？梢钥纯闯鲞@一類類事件是系系統(tǒng)固有的的，是系統(tǒng)統(tǒng)狀態(tài)變化化的主要驅驅動力。另一類事件件是所謂的的程序事件件，例如仿仿真過程中中為了使仿仿真結束，，專門定義義一個事件件，使其終終止仿真。。程序事件件并非系統(tǒng)統(tǒng)所固有的的，而是根根據(jù)需要設設定的。（4）活動動活動是兩個個可以區(qū)分分的事件之之間的過程程。顯然，，事件是系系統(tǒng)狀態(tài)轉轉變的起因因，而活動動則是系統(tǒng)統(tǒng)狀態(tài)轉移移的標志。。例如配送中中心中，事事件“貨物物到達”與與事件“貨貨物入庫””之間的過過程，就可可以稱為活活動。（5）進程程進程是由若若干個有序序事件及若若干個活動動組成的過過程，一個個進程描述述了其中所所包括的事事件和活動動的相互邏邏輯及時序序關系。例如一個制制造物流系系統(tǒng)中，工工件到達、、等待、加加工、加工工完后離去去，就可以以稱為一個個進程。3）離散事事件仿真鐘鐘的推進方方法為了實現(xiàn)對對系統(tǒng)的動動態(tài)仿真，，必須跟蹤蹤仿真過程程中時間的的推進，即即必須給模模型一個從從某一時刻刻推進到下下一時刻的的時間推進進機制。仿真鐘就是是一個仿真真模型中用用來記錄仿仿真當前時時刻的變量量，即用于于表示仿真真時間的變變化。仿真鐘所顯顯示的是系系統(tǒng)仿真所所花費的時時間，而不不是計算機機運行仿真真模型的時時間。離散事件系系統(tǒng)仿真的的仿真鐘推推進方法分分為兩類：：一類是變變步長推進進法(或稱稱下一事件件步長法)，另一類類是固定步步長推進法法(或稱固固定增量法法)。變步長推進進法也叫下下一事件步步長法，或或面向事件件的仿真時時鐘推進。。該推進方方式事先并并沒有確定定時鐘推進進步長，而而是根據(jù)隨隨機事件的的發(fā)生，進進行隨機步步長的推進進，推進步步長為最后后發(fā)生事件件與下一事事件之間的的時間間隔隔。固定步長推推進法也叫叫面向時間間間隔的仿仿真時鐘推推進。該推推進方式確確定一個固固定的時間間間隔，以以此為增量量來逐步推推進仿真鐘鐘。4）系統(tǒng)仿仿真算法仿真算法是是確定仿真真鐘推進策策略的控制制方法，是是仿真控制制的核心。。比較成熟熟的仿真算算法有三種種：第一類是以以事件為基基礎的事件件調度法（（ES，EventScheduling））；第二類是以以活動掃描描為基礎的的活動掃描描法（AS，ActivityScanning）；；第三類是以以進程為基基礎的進程程交互法（（PI，ProcessInteraction）。。（1）事件件調度法事件調度法法是面向事事件的。這這種方法按按時間順序序處理物流流系統(tǒng)所發(fā)發(fā)生的一系系列事件，，記錄每一一事件發(fā)生生時引起的的系統(tǒng)狀態(tài)態(tài)的變化，，來完成物物流系統(tǒng)的的整個動態(tài)態(tài)過程仿真真。建模的任務務在于確定定導致系統(tǒng)統(tǒng)狀態(tài)改變變的事件以以及與各類類事件相對對應的邏輯輯關系。（2）活動動掃描法活動掃描法法是面向活活動的，活活動開始和和結束是物物流系統(tǒng)狀狀態(tài)變化的的標志。在以活動掃掃描為基礎礎的離散型型仿真中，，仿真模型型描述系統(tǒng)統(tǒng)實體所進進行的活動動以及預定定導致活動動開始或結結束的條件件?；顒娱_始或或終止的事事件并非由由模型事先先安排，而而是由為活活動規(guī)定的的條件所初初始化。隨隨著仿真時時鐘按一定定步長推進進，對每項項活動的開開始或終止止的條件進進行掃描。。（3）進程程交互法進程交互法法是面向進進程的，是是事件調度度法與活動動掃描法的的結合。一個進程包包含若干有有序事件和和有序活動動，據(jù)此可可以模型各各主動成分分的活動為為主線生成成仿真進程程表。仿真真時，一旦旦某個成分分進入物流流系統(tǒng)，它它將完成該該進程中的的全部活動動。進程交互法法更接近于于實際系統(tǒng)統(tǒng)，從用戶戶的觀點看看，更容易易使用，但但進程交互互法的軟件件實現(xiàn)，比比事件調度度法與活動動掃描法都都要復雜。。10.1.3物流流系統(tǒng)仿真真的一般步步驟10.2物物流系統(tǒng)統(tǒng)仿真的應應用10.2.1常見見的物流系系統(tǒng)仿真應應用系統(tǒng)仿真在在物流系統(tǒng)統(tǒng)運行中的的應用，可可以從三方方面考慮：：（1）在物物流系統(tǒng)尚尚未建立之之前，可以以評價和論論證系統(tǒng)方方案及其可可行性，避避免投資風風險；并且且可以進行行多種方案案的比較，，進行最優(yōu)優(yōu)化設計，，能大大提提高設計的的成功率。。（2）在物物流系統(tǒng)設設計過程中中，利用仿仿真技術可可以幫助設設計人員建建立系統(tǒng)模模型，進行行模型驗證證與模型簡簡化并進行行最優(yōu)化設設計；利用用仿真技術術可以幫助助設計人員員完成設備備和運行參參數(shù)的選擇擇。（3））在在物物流流系系統(tǒng)統(tǒng)建建成成后后，，利利用用仿仿真真技技術術可可以以分分析析系系統(tǒng)統(tǒng)工工作作的的狀狀況況，，尋尋求求系系統(tǒng)統(tǒng)改改進進的的途途徑徑以以及及找找出出最最佳佳的的運運行行參參數(shù)數(shù)。。常見見物物流流系系統(tǒng)統(tǒng)仿仿真真應應用用主主要要有有：：1））物物流流系系統(tǒng)統(tǒng)規(guī)規(guī)劃劃與與設設計計在物物流流系系統(tǒng)統(tǒng)還還處處于于規(guī)規(guī)劃劃設設計計、、沒沒有有實實際際建建成成的的情情況況下下，，把把系系統(tǒng)統(tǒng)規(guī)規(guī)劃劃轉轉換換成成仿仿真真模模型型，，通通過過運運行行模模型型，，評評價價規(guī)規(guī)劃劃方方案案的的優(yōu)優(yōu)劣劣并并修修改改方方案案，，是是系系統(tǒng)統(tǒng)仿仿真真經(jīng)經(jīng)常常用用到到的的一一方方面面。?？煽梢砸栽谠谙迪到y(tǒng)統(tǒng)建建成成之之前前，，對對不不合合理理的的設設計計和和投投資資進進行行修修正正，，避避免免了了資資金金、、人人力力和和時時間間的的浪浪費費。。系統(tǒng)統(tǒng)仿仿真真運運行行準準確確地地反反映映了了未未來來物物流流系系統(tǒng)統(tǒng)在在有有選選擇擇的的改改變變各各種種參參數(shù)數(shù)時時的的運運行行效效果果，，從從而而使使設設計計者者對對規(guī)規(guī)劃劃與與方方案案的的實實際際效效果果更更加加胸胸有有成成竹竹，，有有利利于于避避免免企企業(yè)業(yè)新新上上項項目目的的失失誤誤。。2））生生產產物物料料控控制制對于于生生產產制制造造企企業(yè)業(yè)來來說說，，可可以以根根據(jù)據(jù)企企業(yè)業(yè)生生產產的的工工藝藝流流程程、、設設備備參參數(shù)數(shù)、、人人員員配配備備、、資資金金約約束束、、物物料料供供應應等等，，建建立立生生產產物物流流仿仿真真系系統(tǒng)統(tǒng)。。通過過仿仿真真，，可可以以分分析析生生產產系系統(tǒng)統(tǒng)的的生生產產量量，，確確定定生生產產瓶瓶頸頸位位置置，，報報告告資資源源利利用用率率；；可可以以考考察察生生產產物物流流系系統(tǒng)統(tǒng)重重構構、、車車間間物物流流改改造造；；可可以以考考評評生生產產物物料料的的JIT配配送送、、生生產產物物流流的的庫庫存存管管理理等等。。生產產物物流流仿仿真真若若能能同同MRP、、MRPII、、ERP等等結結合合，，將將使使企企業(yè)業(yè)的的人人、、財財、、物物等等資資源源配配置置更更合合理理有有效效。。3））庫庫存存控控制制對企企業(yè)業(yè)內內部部運運行行來來說說，，由由于于外外部部市市場場需需求求的的不不確確定定及及其其波波動動，，導導致致企企業(yè)業(yè)內內部部物物料料供供應應部部門門與與生生產產加加工工部部門門的的供供求求關關系系往往往往存存在在矛矛盾盾。。通過過對對物物料料庫庫存存狀狀態(tài)態(tài)的的仿仿真真，，可可以以動動態(tài)態(tài)地地模模擬擬入入庫庫、、出出庫庫、、庫庫存存的的實實際際狀狀況況。。根根據(jù)據(jù)加加工工要要求求，，正正確確地地掌掌握握入入庫庫、、出出庫庫的的時時機機和和數(shù)數(shù)量量。。對企企業(yè)業(yè)所所在在供供應應鏈鏈來來說說，，供供應應商商、、生生產產商商、、分分銷銷商商、、零零售售商商和和終終端端客客戶戶，，每每個個環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)都都可可以以建建立立模模型型進進行行仿仿真真，，動動態(tài)態(tài)地地模模擬擬入入庫庫、、出出庫庫、、庫庫存存的的實實際際狀狀況況，，根根據(jù)據(jù)下下游游需需求求正正確確地地掌掌握握入入庫庫、、出出庫庫的的時時機機和和數(shù)數(shù)量量；；在在此此基基礎礎上上，，拓拓展展到到整整個個供供應應鏈鏈，，從從而而降降低低整整個個供供應應鏈鏈的的總總庫庫存存量量和和庫庫存存成成本本，，提提高高供供應應鏈鏈的的整整體體運運行行績績效效。。這方方面面典典型型的的應應用用，，如如構構建建““啤啤酒酒游游戲戲””的的計計算算機機模模型型，，分分析析比比較較不不同同庫庫存存策策略略時時““啤啤酒酒游游戲戲””和和““牛牛鞭鞭效效應應””產產生生的的原原因因和和機機理理，，根根據(jù)據(jù)仿仿真真結結果果采采取取相相應應的的手手段段，，降降低低供供應應鏈鏈中中企企業(yè)業(yè)的的庫庫存存總總量量，，降降低低供供應應鏈鏈的的物物流流總總成成本本。。4））物物流流運運輸輸物流流運運輸輸系系統(tǒng)統(tǒng)是是一一個個復復雜雜的的動動態(tài)態(tài)過過程程，，系系統(tǒng)統(tǒng)中中常常常常包包含含有有多多種種運運輸輸車車輛輛、、多多種種運運輸輸路路線線。。運運輸輸策策略略存存在在著著多多種種可可能能性性。。建立立運運輸輸系系統(tǒng)統(tǒng)仿仿真真模模型型，，動動態(tài)態(tài)運運行行此此模模型型，，再再用用動動畫畫將將運運行行狀狀態(tài)態(tài)、、道道路路堵堵塞塞情情況況、、貨貨物物供供應應情情況況等等生生動動地地呈呈現(xiàn)現(xiàn)出出來來。。通過過對對運運輸輸調調度度過過程程仿仿真真，，調調度度人人員員對對所所執(zhí)執(zhí)行行的的調調度度策策略略進進行行檢檢驗驗和和評評價價，，就就可可以以采采取取比比較較合合理理的的調調度度策策略略。。5））物物流流成成本本估估算算物流流成成本本包包括括運運輸輸成成本本、、庫庫存存成成本本、、裝裝卸卸成成本本、、人人工工成成本本等等，，物物流流成成本本的的核核算算與與所所花花費費的的時時間間比比例例相相關關。。物流流系系統(tǒng)統(tǒng)仿仿真真是是對對物物流流整整個個過過程程的的模模擬擬，，進進程程中中每每一一個個操操作作的的時時間間，，通通過過仿仿真真推推進進被被記記錄錄下下來來。。因因此此可可以以通通過過仿仿真真統(tǒng)統(tǒng)計計物物流流時時間間的的花花費費，，進進而而計計算算物物流流的的成成本本。。這種種計計算算物物流流成成本本的的方方法法，，比比用用其其他他數(shù)數(shù)學學方方法法計計算算，，更更簡簡便便、、更更直直觀觀。。同同時時可可以以建建立立起起成成本本與與物物流流系系統(tǒng)統(tǒng)規(guī)規(guī)劃劃、、物物料料庫庫存存控控制制、、物物料料運運輸輸調調度度策策略略之之間間的的聯(lián)聯(lián)系系。。從從而而用用成成本本核核算算結結果果來來評評價價物物流流系系統(tǒng)統(tǒng)的的策策略略和和方方案案。。6）物流發(fā)展展戰(zhàn)略應用計算機仿仿真模型，可可以對從過去去到未來的國國家、地區(qū)乃乃至企業(yè)的物物流系統(tǒng)發(fā)展展規(guī)律進行仿仿真運算分析析，研究系統(tǒng)統(tǒng)的因果關系系、相互作用用、發(fā)展機理理等，得出有有益的結論，，以利于制定定科學的區(qū)域域、行業(yè)或企企業(yè)物流發(fā)展展戰(zhàn)略，促進進物流系統(tǒng)的的改進和發(fā)展展。7）其他應用用，如：物流系統(tǒng)運行行分析；物流方案評價價優(yōu)選；軍事物流后勤勤保障；應急物流響應應機制；等。。10.2.2常見的物流系統(tǒng)統(tǒng)仿真軟件簡簡介1）ArenaArena是是1993年年美國RockwellAutomation公司推出出的可視化交交互仿真軟件件，它基于面面向對象的思思想和結構化化的建模概念念，將專用仿仿真語言的靈靈活性和仿真真器的易用性性很好結合在在了一起，成成為廣泛應用用的仿真工具具之一。2）AUTOMODAUTOMOD是由美國國BrooksAutomation公司推推出的、目前前市面上比較較成熟的三維維物流仿真軟軟件。主要包括三大大模塊：AutoMod、AutoStat和和AutoView。3）SIMAnimationSIMAnimation是美國3i公司設計計開發(fā)的集成成化物流仿真真軟件。SIMAnimation使用基于OpenGL三維建模技技術的OOP編程方法，，集三維實體體光照、材質質視點變換、、漫游于一體體，提供真正正的三維動畫畫和虛擬的現(xiàn)現(xiàn)實世界。4）WitnessWitness是英國LannerGroup開發(fā)的面面向工業(yè)系統(tǒng)統(tǒng)、商業(yè)系統(tǒng)統(tǒng)流程的動態(tài)態(tài)系統(tǒng)仿真軟軟件平臺。主主要特點：（（1）交互式式面向對象的的建模環(huán)境。。（2）靈活活的執(zhí)行策略略。（3）工工程友好性強強。（4）實實時的彩色動動畫顯示。（（5）靈活的的輸入輸出方方式，OLE自動服務。。（6）豐富富的模型單元元和模型組件件庫。（7））子模型。5）AnyLogicAnyLogic是一個個專業(yè)虛擬原原型環(huán)境，用用于設計包括括離散，連續(xù)續(xù)和混合行為為的復雜系統(tǒng)統(tǒng)，能夠幫助助你快速地構構建被設計系系統(tǒng)的仿真模模型（虛擬原原型）和系統(tǒng)統(tǒng)的外圍環(huán)境境，包括物理理設備和操作作人員。使用AnyLogic，，用戶并不需需要另外再學學習編程語言言或圖形語言言。6）EM-PlantEM-Plant是以色色列Tecnomatix公司開發(fā)發(fā)的功能強大大的仿真軟件件系統(tǒng)，主要要用于離散事事件系統(tǒng)的優(yōu)優(yōu)化與仿真。。EM-Plant采用面面向對象建模模的編程方法法，打破以往往