（交通信息工程及控制专业论文）基于Flexsim的机场行李分拣系统值机岛子系统仿真优化研究.pdf

中国民航大学硕士学位论文 摘要 随着国内民用航空运输市场的快速发展、机场进出港旅客数量的不断增加，要求机 场能够给旅客提供更加方便快捷的进、离港服务，而行李分拣系统作为其中的一个重要 组成部分对机场的运行有很大的影响。值机子系统负责旅客行李收集，是行李分拣系统 中唯一面向使用部门的一个系统接口，同时也是行李处理流程的最前端，所以其各项指 标会对旅客的服务产生直接影响。 计算机仿真技术是目前比较先进的物流系统研究方法，它的最大优点是，不需实际 安装设备，不需实际实施方案即可验证设备的导入效果和比较各种方案的优劣，在工程 建设或作业流程的计划阶段发现和解决问题。 基于此，在综合分析了物流系统仿真的基础上，对首都机场三号航站楼行李分拣系 统值机岛子系统的构成、特点和物流流程进行了分析，之后根据物流系统仿真的方法及 步骤基于f l e x s i m 仿真软件平台建立值机岛的仿真模型。通过分析仿真运行结果数据， 找出系统存在的问题，并有针对的提出滚动周期下的“窗口保留”这一优化策略。最后 运行优化模型得出结果数据，经过数据分析得出“窗口保留策略”可以提高值机岛的运 行效率、稳定性和服务质量。 关键词：机场行李分拣系统；值机；f l e x s i m ；物流系统；仿真；优化 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fd o m e s t i cc i v i la v i a t i o ni n d u s t r ya n dc o n t i n u o u si n c r e a s eo f p a s s e n g e r s ，i ti sr e q u i r e dt op r o v i d et h ep a s s e n g e r sw i t hc o n v e n i e n ta n de f f i c i e n t s e r v i c e s d u r i n gb o t ha r r i v a la n dd e p a r t u r e a sa ni m p o r t a n ts u b s y s t e mo fa i r p o r t ，b h s ( b a g g a g e h a n d l i n gs y s t e m ) a c c o u n t sf o rag r e a tp a r to fe f f i c i e n c yo fa i r p o r to p e r a t i o n c h e c k - i n s u b s y s t e mi su s e dt oc o l l e c tb a g g a g e sa n d i ti st h eu n i q u eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo fb h s f u r t h e r m o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo fc h e c k i ns u b s y s t e mh a sad i r e c ti m p a c to ns e r v i c eq u a l i t yi n t h a tc h e c k i ns u b s y s t e mo p e r a t e sa st h ef i r s ts t a g eo fb a g g a g eh a n d l i n gp r o c e s s a sac o m p a r a t i v e l ya d v a n c e dr e s e a r c hm e t h o do fl o g i s t i c ss y s t e ma tp r e s e n t ，t h eg r e a t e s t a d v a n t a g eo fc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi st h a tw ec a n d e t e c th e n c er e s o l v ep r o b l e m s o rc o m p a r ed i f f e r e n ts c h e m e si nt h ep l a ns t a g eo fap r o j e c tw i t h o u tp r a c t i c a le q u i p m e n t i n s t a l l a t i o n f i r s t l y , t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ec o m p o n e n t s ，p e r f o r m a n c ea n dl o g i s t i c sp r o c e s so ft h e3 1 。 t e r m i n a lh a l lo fc a p i t a la i r p o r tb a s e do nt h ea n a l y s i so fl o g i s t i c ss y s t e ms i m u l a t i o n s e c o n d l y ， c h e c k i ni s l a n ds i m u l a t i o nm o d e lw a sb u i l tw i t ht h es i m u l a t i o ns o f t w a r ef l e x s i m a tl a s t ， w i n d o wr e s e r v a t i o n so p t i m i z a t i o ns t r a t e g yw a sp r o p o s e db a s e d o nt h ec o m p r e h e n s i v e a n a l y s i so fs i m u l a t i o nd a t a t h eo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yw a sp r o v e dt ob ea b l et oi m p r o v e t h e e f f i c i e n c y , s t a b i l i t ya n ds e r v i c eq u a l i t yo f c h e c k - i ni s l a n d k e y w o r d s ：a i r p o r tb a g g a g eh a n d l i n gs y s t e m ；c h e c k - i n ；f l e x s i m ；l o g i s t i c ss y s t e m ；s i m u l a t i o n ； o p t i m i z a t i o n i i 中国民航大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国民航大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：丝丝日期：2 苎璺血- 中国民航大学学位论文使用授权声明 中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全 部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权中国民航大学研究生部办理。 躲轴新签名确易坳m 七2 ， 中国民航大学硕士学位论文 第一章绪论 本章介绍了民航运输快速的发展对机场行李系统的要求：分析了行李系统对机场运 行的影响；讨论了行李系统的现状；回顾了物流仿真在国内外的现状；最后，给出了本 论文的主要研究内容与论文的组织结构。 1 1 课题背景和意义 1 1 1 课题的背景 科技的高速发展，尤其是高速快捷的交通方式的出现，引起近百年来人类生活方式 的巨大变革，其中航空运输是目前最快捷方便的交通方式。尤其改革开放以来，随着国 民经济持续稳定发展，中国民航运输也进入一个快速增长期，越来越多地人把乘坐飞机 作为出行的首选。截至2 0 0 6 年1 0 月底，中国民航全行业在册运输飞机已达9 6 6 架，全国 共有颁证运输机场1 4 2 个。航空运输总周转量在国际民航组织缔约国的排名由2 0 0 0 年的 第9 位跃升至第2 位。各国都在纷纷采取各种方式争取更大的市场份额，近几年新机场 如雨后春笋般投入运营，世界范围内机场间的竞争也越来越激烈。为了能确保在激烈的 竞争中立于不败之地，各机场运营商都在不断的努力寻求更加合理的解决方案来确保机 场高效有序安全的运营，以求做到既能快速输送旅客和货物，增加便利，又能减少开支， 加强各自机场的竞争力。 飞行器的安全运行是重中之重，航空公司的安全纪录是旅客选择的乘坐对象的重 点。但航空公司的服务质量也对旅客的选择产生很大的影响，航空服务包括很多方面， 其中给旅客免费托运一定尺寸一定重量的行李是很重要的一项内容。根据国际机场规则 要求行李与行李的主人必须要同时到达同一目的地，即航空公司必须确保机上所载的行 李与其主人都在同一架飞机上。承运人必须保证旅客安全，同时也必须保证行李的安全、 完整。这样才能称之为服务质量达标。 值机环节是旅客乘机流程中的首个环节，主要是旅客凭票换取登机牌，办理行李托 运，当繁忙时段，经常出现拥堵状况。出现拥堵状况的原因很多，比如现在很多机场没 有采用全开放式值机，办理值机手续慢的值机柜台排队人数众多，而快的值机柜台却空 闲着，这样值机柜台不能充分利用，影响到航空公司的利益。 1 1 2 课题意义 随着计算机技术的发展，计算机仿真技术被广泛地应用到物流系统设计、规划的研 究当中并取得了许多成果。本文的研究目的是在f l e x s i m 的仿真软件平台上建立一个值 中国民航大学硕士学位论文 机岛子系统模型，通过三维模型的动态显示和模型运行数据的分析，有针对性的提出改 进并验证，更好的指导实际的工作。 如上所述，通过仿真系统工作过程找出影响因素并尽量减少值机柜台的差异及排队 时间对于机场和航空公司体现其良好的服务质量，树立良好的品牌以及减少不必要的纠 纷有很大的实际意义： 其一，可减少航空公司之间非人为差异，因为占据快的值机柜台的航空公司体现出 的服务质量高，所以航空公司都想占据优先级高的值机柜台，在竞争中取得了先机，这 样就不利于公平竞争的原则，对航空公司之间的竞争不利。在值机柜台的优先级同等的 情况下，航空公司只有通过加强自己服务来提高竞争力，利于公平竞争。作为地面机场 方面，减少了分配值机柜台的难度，提高了机场的利用率，使旅客的旅途快捷方便。 其次，可尽量避免航班的非正常延误而导致的各种损失。机场值机柜台是把办理值 机手续把行李送入行李分拣系统，如果在值机产生大的延误，可能影响到航班引起航班 延误导致航空公司损失。 其三，是通过在f l e x s i m 仿真平台中建立三维系统仿真模型，可以最大程度的反映 真实值机岛的场景，这区别于其他软件所建立的系统仿真模型都是平面二维的。过去要 建立实际场景模型需要在仿真平台之外的第三方软件上建立三维模型，这就增加了工作 量，并且仿真与场景运行是分离的。这样的仿真结果会大打折扣。将仿真过程与值机岛 系统运行相结合是系统仿真的一大发展，仿真者不仅可以分析统计仿真的数据，还可以 看到逼真的运行情况。 1 2 研究现状 1 2 1 机场行李系统及仿真现状 在整个机场行李系统中，一个基本要素是旅客行李的处理。如果离港或到港的旅客 行李发生了问题，那就会波及机场运行的很多方面。例如，如果离港行李发生问题，那 么飞机就会延误起飞，这种过多的停留，将不可避免地造成拥挤和飞行区运行效率的下 降，由此还可能造成进港飞机的延误。 对于行李系统分拣方式有三种：人工、半自动、全自动。其中人工系统最为简单， 但是如果行李梁较大，送入的行李可能会堆满分拣的传送轨道。半自动系统，也要依靠 分拣员阅读行李标签，计算机读取标签后，当行李运动到目的位置时，通过操纵机械臂 将行李从传送带取下。全自动行李分拣系统通常用于枢纽机场，它有两个优点：降低人 力成本和加快行李输送速度。己办好手续的行李在到达飞机之前是由离港行李系统自动 分拣的，这个过程涉及行李目的地的识别，以及行李输送到指定的位置以便装入特定航 班。在传送带上输送行李需要在行李标签上加入一个识别码，一般采取商品条形码技术， 可以用激光来阅读，并且条形码已经加入了乘客的值机信息。眵町 2 中国民航大学硕士学位论文 随着国内航空市场的快速发展、机场进出港旅客数量的不断增加，机场信息系统对 计算机自动化和集成的要求越来越高，运输系统对旅客行李分拣系统的处理能力也提出 了越来越高的要求，越来越多的机场开始使用行李自动分拣系统。机场旅客行李自动分 拣系统是面向大中型机场，对旅客行李进行集中统一的传送、分拣与处理的自动化系统， 集计算机、工业控制网络、p l c 及电气控制技术于一体，有快速、高效、集成度高等优 点，具有广阔的应用前景。先进的自动分拣技术以前一直由发达国家掌握，目前我国各 大机场使用的行李自动分拣系统大部分都是引进国外的成套系统，虽然性能不错，但是 价格昂贵。如首都机场三号航站楼行李系统设计处理能力为出发行李每小时1 9 2 0 0 件， 中转行李每小时8 0 0 0 件，此项工程西门子为总承包商合同金额约2 亿美元约合人民币 为2 0 亿元。近年来国内也有单位正在投入力量积极研发具有自主知识产权的行李自动 分拣系统解决方案。口盯啪1 查阅一些国内外研究资料，发现目前的物流系统仿真技术主要应用在集装箱码头， 配送中心，流水生产线等物流系统的仿真上，在这些领域物流系统仿真取得了很大进展， 但是对机场来行李系统的仿真在国内还处于起步阶段。在国外，行李系统的仿真是由一 些行李系统的承包商做的，来验证他们的解决方案是否达到机场的要求，里面的一些仿 真策略，参数作为商业机密他们是不会过多透露。行李系统的仿真一般属于离散事件系 统仿真。因此，我们可以根据离散事件系统仿真的特点和其他相似离散事件系统仿真的 经验，来对机场行李系统进行仿真。 1 2 2 物流仿真优化研究的现状 仿真是利用计算机来运行仿真模型，模拟时间系统的运行状态及其随时间变化的过 程，并通过对仿真运行过程的观察和统计，得到被仿真系统的输出参数和基本特性，以 此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能口1 。在对物流系统进行规划、管理、控 制和研究过程中，必须要用到各种常用的现代科学理论与方法，如数学规划法、统筹法、 系统优化法与仿真法，其中仿真法是近年来物流系统研究中应用最普遍的方法之一。随 着计算机软硬件技术的飞速发展和仿真技术研究的不断完善，仿真在物流系统研究中的 应用也不断扩大。 1 9 9 4 年，j o h n s o n 等人采用s i m a n 语言为h e w l e t t p a c k a r d 公司的北美新配送中心建 模，建立了自动分拣系统、订单采集、包装和订单出货四个子系统，得到优化后的配送 中心模型，指导和加速了北美新配送中心的建设。1 9 9 5 年，e kp e n gc h e w 等人对配送中 心的补充策略进行了建模，采用启发式算法进行求解，最后用仿真的方法进行验证。1 9 9 8 年，d o b r l ap e t r o v i c 等开发了一个特殊的仿真工具s c s i m ，用来分析供应链在存在不确 定性因素时的行为和性能。2 0 0 1 年，d e r r i e nr 等开发了一个用来分析多车厢配送系统 的仿真模型，这个仿真模型可以用于帮助客户进行系统分析。2 0 0 2 年，f e l i xt 等采用 软件包s i m p r o c e s s 建立了一个供应链仿真模型，用于找出最优的订单下达策略。2 0 0 3 年， 中国民航大学硕士学位论文 r o b e r t 等应用a g e n t 技术，对零售业的库存控制进行仿真吲。 我国的物研究起步较晚，物流系统仿真研究更为有限，主要集中在生产物流仿真模 型的研究。1 9 9 8 年，山东大学的常发亮、刘长有等人建立了分析自动化立体仓库输送调 度系统的仿真p e t r i 网模型。在此基础上，刘长有等人于2 0 0 1 年，分别采用p e t e r i 网、 时态逻辑、模拟退火、遗传算法和神经网络等方法并结合计算机仿真技术对自动化立体 仓库的实际运行情况进行了研究。2 0 0 1 年，上海交通大学自动化研究所的李霄峰和徐立 云针对宝钢炼钢连铸物流系统，采用分层有色p e t r i 网进行建模，并提出一种基于c o m 技 术的仿真程序设计方法。2 0 0 3 年，西安交通大学管理学院的于泳海、张正祥等人建立了 一个具有不确定需求的多周期合作型供应链库存控制模型，并利用计算机仿真的方法对 该模型进行了求解。2 0 0 3 年，周立新和陶瑞岩采用系统仿真的方法，针对物流项目不同 的要素构成和物流需求，利用v i s u a l b a s i c 开发了仿真程序，通过对设计方案的运行效 果分析，为项目设计者提供重要的决策依据口_ 们。 目前市场上常见的物流仿真软件有f l e x s i m 、a u t o m o d 、r a l c 、w i t n e s s 、e m - p l a n t 、 a r e n a 、e x t e n d 等，从动画表现形式和建模方法来看，大体分类如下： ( 1 ) 按动画表现形式： 2 d 类：a r e n a ，e m p l a n t ，w i t n e s s ，e x t e n d 3 d 类：f l e x s i m ，a u t o m o d ，r a l c ，( w i t n e s s ) ( 2 ) 按建模方法： 部件固定类：a r e n a ，w i t n e s s ，e x t e n d ，a u t o m o d ，r a l c 部件开放类：f l e x s i m ，e m p 1 a n t 在我国，集成化物流规划设计仿真技术的研发目前还处在起步阶段，从2 0 0 1 年开始， 山东大学和同济大学开始了相关领域的预研工作，但目前还未见到研发出实际产品。 然而，仿真模型仅是对问题的直观描述，仿真运行只能提供一定条件下的可行方案， 它并不能给出问题的最优解，所以需要将优化技术嵌入仿真过程，以便在仿真环境下使 输出响应不断地得到改进，从而可以形成各种仿真的优化结构，进而实现系统性能的优 化。仿真优化就是指非枚举地从可能值中找到最佳输入变量值，使得输出结果为最优解 或满意解的过程，其目标是在仿真试验中获得更多信息的同时，所耗费的资源最少，使 得用户可以更加容易地进行决策，对于辅助决策与有重要意义。瞵1 其中优化策略利用仿真模型的输出对最优解的搜索过程提供反馈，当产生的输出结 果满足寻优的条件是，就可以退出求解过程。可以大体分为基于梯度的搜索方法；随机 优化；响应曲面法( r s m ) ；启发式方法；统计方法等几个大类。 基于梯度的搜索方法包括有限微分法；似然比法( l r ) ；摄动分析( p a ) ；频域方 法( f d m ) ，随机优化包括r m 年n k w 方法；样本路劲优化，启发式方法包括遗传算法( g a ) ； 模拟退火方法( s a ) ；t a b us e a r c h 方法( t s ) ；n e l d e r - m e a d 单纯形法，统计方法包括 重点抽样方法；排序和选择；与最佳值多重比较( m c b ) 。啪1 4 中国民航大学硕士学位论文 1 3 本文主要研究内容 本文在综合分析了物流系统仿真的基础上，对首都机场三号航站楼行李分拣系统值 机岛子系统的构成、特点和物流流程进行了分析，之后根据物流系统仿真的方法及步骤 基于f l e x s i m 仿真软件平台建立值机岛的仿真模型。通过分析仿真运行结果数据，找出 系统存在的问题，并有针对的提出滚动周期下的“窗口保留”这一优化策略。最后运行 优化模型得出结果数据，经过数据分析得出“窗口保留策略 可以提高值机岛的运行效 率、稳定性和服务质量。各部分主要内容如下： 第一章概述课题背景和研究意义，介绍了民航运输快速的发展对机场行李系统的要 求；分析了行李系统对机场运行的影响；讨论了行李系统的现状；回顾了物流仿真在国 内外的现状；最后，给出了本论文的主要研究内容与论文的组织结构。 第二章分析了离散系统及其仿真的相关概念及理论，给出了离散系统的仿真步骤， 然后对应于物流系统的特点介绍了物流系统的建模与仿真，并且介绍了相关的排队理论 与仿真优化理论，为下文的应用打下理论基础。 第三章重点介绍了首都机场三号航站楼值机岛子系统的构成、特点和物流流程， 为下文的仿真提供数据支持。 第四章介绍f l e x s i m 仿真软件，研究了f l e x s i m 软件的特点。按照f l e x s i m 仿真软 件的仿真步骤，以首都机场三号航站楼值机岛系统为仿真对象，在f l e x s i m 的仿真平台 上建立值机岛系统仿真模型，运行仿真模型得出结果，并运用统计的方法对结果进行了 分析，对下一步优化提供目标。 第五章通过对上一章的仿真结果分析，对于值机柜台之间影响的问题。本章提出了 滚动周期“窗口保留”策略，以排队论理论为指导，提出了静态与滚动时域控制的动态 窗口保留优化策略，并对优化策略进行仿真，对其结果进行比较分析。 中国民航大学硕士学位论文 第二章物流系统仿真优化概述 物流系统的随机性、复杂性、非线性等符合典型的离散事件系统的特征，所以物流 系统是一个离散事件系统。本章首先介绍了离散系统及其仿真的相关概念及理论，给出 了离散系统的仿真步骤，然后对应于物流系统的特点介绍了物流系统的建模与仿真，并 且介绍了相关的排队理论与仿真优化理论。 2 1 离散事件系统仿真 2 1 1 离散事件系统基本概念 随着科学技术的进步，尤其是信息技术和计算机技术的发展，“仿真”的概念不断得 以发展和完善，因此给予仿真一个清晰和明了的定义是非常困难的。但是一个通俗的系 统仿真基本含义是指：设计一个实际系统的模型，对它进行实验，以便理解和评价系统 的各种运行策略。而这里的模型是一个广义的模型，包含数学模型，非数学模型，物理 模型等。从仿真的实现的角度来看，模型特征可以分为连续系统和离散事件系统两大类。 由于这两类系统的运动规律差异很大，描述其运动规律的模型也有很大的不同，因此相 应的仿真方法不同，分别对应为连续系统仿真和离散事件系统仿真【1 1 1 。 离散事件系统是相对于连续系统而言的，连续系统的状态变量是连续变化的( 时间上 可以是连续的，也可以是离散的) ，离散事件系统的状态变量只是在离散时间点上发生 变化，并且这些离散时间点一般也是不确定的，具有随机性同时，系统的状态变化也 会具有随机性，同一种内部状态由不同事件或原因触发，可以向多种状态转变。另一方 面，系统内部状态只在离散时间点上发生变化，且状态在一段时间内保持不变。 离散事件系统是指那些系统状态变量随时间呈离散状态的变化。一个模型的形式化 描述如式2 1 所示。 m = t ，u ，x ，y q ，入) ( 2 1 ) 其中：卜时间基；u 一输入变量；x 一状态变量；y 一输出变量；q 一状体转移函 数；九- 状态空间。 离散事件系统有如下特点： 1 ) 时间集：离散事件系统的时间集是可变的，随着时间基的变化，仿真结果各不相 同。所以离散事件系统仿真结果是一个统计的过程，与统计的区段大小有关。 2 ) 输入变量输出变量：输入变量带有随机性，因此离散事件系统的模型也称为随机 模型。 3 ) 状态变量：状态变量可能是非连续的。 4 ) 状态转移函数：离散事件系统不存在状态转移函数，人们无法找到一个函数来表达 6 中国民航大学硕士学位论文 状态变量变化的规律。 5 ) 状态空间：状态空间是状态变量集合表示的空间。对于一个系统，引进不同组合的 状态变量，可以构造不同的状态空间模型。 离散事件系统的输入、输出变量的随机性以及状态变量的不确定性，决定了系统仿 真模型是一个概率模型。系统变量反映系统各部分相互作用的一些确定或随机事件，系 统模型则反映了这些事件和状态的值集，仿真的结果是产生处理这些事件的时间历程。 物流领域的大多数系统是离散事件系统，本文所探讨的行李分拣系统就是一个典型 的离散事件系统。 2 1 2 离散事件系统仿真结构元素 离散事件仿真可以用于各种具体的系统，但是各种各样的离散事件仿真模型中却共 用着大量的共有的结构元素，大多数离散事件仿真模型具有如下8 种结构元素： ( 1 ) 实体( 服务对象) 实体是系统仿真模型中的基本临时元素，它可以单独被识别和处理。在离散事件系 统中实体分为永久性实体和临时实体两类。凡是在系统仿真期间流经系统、在仿真结束 后己经离开系统的实体称为临时实体，它是系统活动的外部驱动。凡是在系统仿真期间 自始至终停留在系统中的实体称为永久性实体，它是系统活动的基础和必要条件。 ( 2 ) 属性 实体所有的特性称为实体的属性。系统中每一个实体都具有一个或多个属性，属性 是一个实体相关的信息。实体可能具有若干特征，但并不是所有的特征都是实体的属性， 只有那些与系统仿真相关的特征才称其为属性。 ( 3 ) 资源( 服务) 资源是模型结构中基本永久元素，它们为临时元素( 实体) 提供服务。 ( 4 ) 队列 一旦实体等待资源服务，而资源由于某种原因没有空闲，那么在系统中形成了一个 队列，通常资源与队列可以互连而形成一个有实体通过的仿真模型的网络。 ( 5 ) 事件 事件就是引起系统状态发生变化的行为，当系统处在状态发生变化的时间点上，即 资源因处理一个实体而变忙，或者它完成了对实体的服务而变空闲。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，它是系统所固有的，是系统状态 变化的主要驱动力；另一类是所谓的程序事件，例如在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，这类事件并非系统所固有的，是根据需要设定的。 ( 6 ) 活动 在每一事件点上所触发的过程称之为活动，活动改变系统实体的状态信息，当特定 条件满足时，活动也可以被触发，一旦活动被触发，通常需要一定的时间来完成。 7 中国民航大学硕士学位论文 ( 7 ) 进程 进程即为一组有序的事件，是有序的事件与活动组成的过程。通常一个过程描述了 一个实体流经系统的完整过程或部分过程，进程描述了其中的事件、活动的相互逻辑关 系和时序关系。 事件、活动、进程三个概念之间的关系如图2 - i 所示。可以看出，事件是发生在某一 时刻的行为。活动和进程则是发生在某个时间段的过程n 钉。 图2 1 事件、活动与进程的关系 ( 8 ) 仿真时钟 仿真时钟是仿真模型的一个变量，用来跟踪仿真运行时仿真时间的当前值，根据此 变量的值，触发仿真过程中相应的活动。 、 2 1 3 离散事件系统仿真方法与仿真策略 离散事件系统状态变量发生跃变的现象，是由于各种流动实体进入系统后，在各个 环节上触发产生的随机离散事件所引起的，并且在离散事件发生的时刻上，可以启动或 终止某一具体的活动，从而实现模仿真实系统行为的仿真运行。 离散事件系统仿真，实质上是对那些由随机系统定义的，用数值方式或逻辑方式描 述的动态模型的处理过程。 离散事件系统仿真方法可分为两种n 羽： ( 1 ) 面向过程的离散事件系统仿真。面向过程的仿真方法主要研究仿真过程中发生的 事件以及模型中实体的活动。这些事件或活动的发生是顺序的，而仿真时钟的推进正是 依赖于这些事件和活动的发生顺序。在当前仿真时刻，仿真进程需要判断下一个事件发 生的时刻或者判断触发实体活动开始和停止的条件是否满足，在处理完当前仿真时刻系 统状态变化操作后，将仿真时钟推进到下一事件发生时刻或下一个最早的活动开始或停 止时刻。仿真进程不断按事件发生时间排列事件序列，并处理系统状态变化的过程。 ( 2 ) 面向对象的离散事件系统仿真。在面向对象仿真中，组成系统的实体以对象来描 8 中国民航大学硕士学位论文 述。对象有三个基本的描述部分，即属性、活动和消息。每个对象都是一个封装了对象 的属性及对象状态变化操作的自主的模块，对象之间靠消息传递来建立联系以协调活 动。对象内部不仅封装了对象的属性，还封装了描述对象运动及变化规律的内部和外部 转换函数，这些函数以消息或时间来激活，消息和活动可以同时产生，在满足一定条件 时产生相应的活动。 离散事件系统仿真策略适用于状态变量是离散变化、时间连续变化的一类系统的仿 真问题。 离散事件系统仿真策略可分为三种n 钔： ( 1 ) 事件调度法。事件调度法的基本思想是：用事件的观点来分析真实系统，通过定 义事件及每个事件发生对系统状态的变化，按时间顺序确定并执行每个事件发生时有关 的逻辑关系。按这种策略建立模型时，所有事件均放在事件表中，模型中设有一个时间 控制成分，该成分从事件表中选择具有最早发生时间的事件，并将仿真时钟修改到该事 件发生的时间，再调用与该事件相应的事件处理模块，该事件处理完后返回时间控制成 分。这样，事件的选择与处理不断地进行，直到满足仿真终止的条件或程序事件产生为 止。 ( 2 ) 活动扫描法。活动扫描法的基本思想是：系统由成分组成，而成分包含着活动， 这些活动的发生应当满足规定事件发生的条件每一个主动成分均有一个相应的激活条 件，若条件满足，则激活该成分的活动例程。仿真过程中，活动的发生时间也作为条件 之一，而且较之其它条件具有更高的优先权，即在判断激活条件时首先判断该活动发生 的时间是否满足，然后再判断其它条件。对活动的扫描循环进行，直到仿真终止为止。 ( 3 ) 进程交互法。一个进程包含若干个有序事件及有序活动，这种策略建模更接近于 实际系统，从用户的观点来看这种策略更易于使用。目前流行的许多仿真语言都具有进 程交互法建模的功能。进程交互法基本思想是：采用进程( p r o c e s s ) 描述系统，它将模型 中的主动成分历经系统时所发生的事件及活动按时间顺序进行组合，从而形成进程表， 一个成分一旦进入进程，它将完成该进程的全部活动。这种方法的特点是系统仿真钟的 控制程序采用两张事件表，其一是当前事件表( e e l ：c u r r e n te v e n t sl i s t ) ，它包含了 从当前时间点开始有资格执行的事件记录，但是该事件是否发生的条件尚未判断。其二 是将来事件表( f e l ：f u t u r ee v e n t sl i s t ) ，它包含在将来某个仿真时刻发生的事件记 录。每一个事件记录中包含该事件的若干属性，其中必有一个属性是说明该事件在过程 中所处位置的指针。进程交互法首先按一定分布产生到达实体并置于f e l 中，实体进入 排队等待，然后对当前事件表进行扫描，判断各种条件是否满足，再对满足条件的活动 进行处理，仿真时钟推进到服务结束并将该实体从系统中消除，最后将f e l 中为当前事 件的实体移到当前事件表中。 在离散事件系统的三类仿真策略中，事件调度法建模灵活，可应用范围广泛，但一 般要求用户采用通用的高级语言编写事件处理子程序，建模工作量大。活动扫描法对于 各成分相关性很强的系统来说模型执行效率高。但是，用户建模时，除了要求各成分的 9 中国民航大学硕士学位论文 活动建模外，仿真执行程序结构比较复杂，其流程控制要十分小心。进程交互法是建模 最为直观的策略，其模型表示接近实际系统，特别适用于活动可以预测、顺序比较确定 的系统，但是其流程控制复杂，建模灵活性不如事件调度法。三种策略各有其优缺点， 在离散事件系统仿真中均可得到广泛的应用。显然，选择何种策略进行仿真建模依赖于 被研究系统的特点。一般来说，如果系统中各个成分相关性较少，宜采用事件调度法： 相反则宜采用活动扫描法；如果系统成分的活动比较规则，则宜采用进程交互法。在具 体编制离散事件系统仿真程序时，多数情况下不是单一地采用一种仿真策略，而是将这 三种策略有机的结合起来使用。 2 1 4 离散事件系统仿真步骤 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、仿真校验和数据分析处理等，它涉及多学科、多领域的知识 与经验。 离散事件系统仿真基本步骤为：确定仿真目标：系统调研；建立系统模型；确定仿 真算法：建立仿真模型；模型验证与确认；行仿真模型；仿真结果输出。 ( 1 ) 确定仿真目标 对一个系统的仿真目的可以各不相同。因此，在进行系统仿真时，首先要确定仿真 的目标，也就是要解决的问题。这是系统调研和建模的依据。 ( 2 ) 系统调研 系统调研的目的是为了深入了解系统的总体流程、各种建模参数，以便建立系统模 型。系统调研是了解系统运行状况和采集系统数据资料的全过程。 ( 3 ) 建立系统模型 系统模型由模型和模型参数两部分组成。模型参数是对系统调研结果的整理。由于 系统仿真的专业性特点，仿真建模和运行模型的工作一般由专业的仿真人员来做。但是 对系统的分析常常需要仿真需求方的密切配合。 ( 4 ) 确定仿真算法 仿真算法是控制仿真时钟推进的方法，是系统仿真的核心。目前最常用的有事件调 度法、活动扫描法和进程交互法三种。 仿真钟是用于表示仿真时间变化的时间标识。仿真钟代表模拟的系统的时间，而仿 真运行时间和模型的规模与复杂程度以及计算机性能有关。仿真钟的推进有两种经典的 方式：固定步长推进法和变步长推进法( 或称为下一事件推进法) 目前大多数仿真软件 都采用变步长推进法n 副。 ( 5 ) 建立仿真模型 仿真模型是将系统模型规范化和数字化的过程，同时也需要根据计算机运行的特点 增加一些必要的部件。仿真模型主要部件有初始化模块、输入模块、仿真钟、随机数发 1 0 中国民航大学硕士学位论文 生器、状态统计计数器、事件表、事件处理子程序和输出模块等。 ( 6 ) 模型验证与模型确认 对建立的仿真模型必须进行验证，保证通过仿真软件或者仿真语言所建立的仿真模 型，准确地反映了所描述的系统模型。模型的验证主要验证所建立的仿真模型( 包括系 统组成的假设、系统结构、参数及其取值、对系统的简化和抽象) 是否被准确地描述成 可执行的模型( 如计算机程序) ；型的确认则是考察所建立的模型及模型的运行特征是否 代表所要研究的实际系统。 ( 7 ) 运行仿真模型 运行仿真模型需要确定仿真终止的时间。一般有两种终止方法，一个是确定一个仿 真时间长度，如仿真l o o d 、时。系统仿真时钟推进1 0 0 小时后将自动终止仿真，并输出仿 真结果。另一种方法是确定仿真事件的数量。以工件到达仓库为例，可以设定1 0 0 批物 品到达后终止仿真。选择哪一种方式可根据仿真系统的具体情况确定。 ( 8 ) 仿真结果分析 关于仿真结果可以有两种角度的分析：一种是从系统优化的角度考虑问题，即对照 仿真目标考察仿真结果是否满意，如果满意，表明系统的参数无需改动：另一种分析是 仿真结果是否可信。由于离散事件系统大多数是随机系统，输入变量带有随机性，因此 每一次输入一组随机变量所得到的结果只是系统的一个随机抽样的仿真结果，为了得到 真正意义上的结果，需要对随机变量的所有可能的值都进行仿真，然后进行统计分析。 ( 9 ) 仿真结果输出 仿真结果输出有实时在线输出和在仿真结束时输出两种方式。当对系统进行动态分 析时，往往需要了解变量的实时变化情况。对于这些变量可以设定在仿真时钟推进的每 一或者某一时刻输出该变量的瞬时值，即实时在线结果输出，输出的是仿真阶段性的结 果。最后在仿真结束后，需要输出最终的仿真结果。目前成熟的仿真软件一般都可以提 供多种仿真结果输出形式h 副。 图3 - 2 描述了离散事件系统仿真的一般步骤。 中国民航大学硕士学位论文 2 1 5 随机变量及其分布 图3 - 2 离散事件系统仿真的一般步骤 随机事件和随机变量是研究离散事件系统不可缺的概念。在机场行李系统中，旅客 到达的时间间隔、办理值机手续的时间、各种设备的服务时间等都是服从某种分布的随 机变量，在建立模型进行仿真时就需要用某种方法产生或得到这些随机变量。 ( 1 ) 离散型随机变量及其分布规律 离散型随机变量是指随机变量的可能取值是有限个，也可能是可列无限多个。例如： 在某一时段内到达值机柜台的旅客数量。 设离散型随机变量x 所有可能的取值为工，o = 1 , 2 ，3 ) ，z 取其中之一x ，的概率为几， 记作 p ( x = 而) = p ， ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 描述了离散型随机变量取每个可能值的概率称为离散型随机变量的分布 1 2 中国民航大学硕士学位论文 率。显然有以下恒等式 p ，= 1 ，= l 随机变量x 的概率分布函数为： f g ) = 尸伍而) ( x 为任意实数) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 对于离散型随机变量x ，将e ( x = 以) 按k = l ，2 ，3 i 累加起来，就可得到随机变量 x 的概率分布函数p 伍- - 0 为常数，服从参数为入的泊松分布随机变量，其均值和方差均为入。在随 机运营系统中常采用泊松分布描述顾客的到达，这种到达模式是最简单流，它满足以下 三个基本条件： a ) 平稳性 在一定时间间隔内，有k 个顾客到达的概率仅与时间间隔的长度有关，而与这段时 间的起始时刻无关。 b ) 无继性 在某个时间段内到达的顾客数目与以前来到的顾客数目无关，也不影响以后顾客的 到达。 c ) 普通性 不可能有两个或两个以上顾客同时到达系统。 指数分布 设随机变量x 的密度： 饰) _ 纂。其中入为正的常数 ( 2 6 ) 则称x 服从指数分布。其分布函数为： 即) = 诧嚣垃。 ( 2 7 ) 中国民航大学硕士学位论文 2 2 物流系统特点及建模仿真 2 2 1 物流系统及其特点 物流就是以最小的总费用，按用户的要求，将物质资料( 包括原材料、半成品、产 成品、商品等) 从供给地向需要地转移的过程。主要包括运输，储存，包装，装卸，配 送，流通加工，信息管理等活动。物流系统仿真的目的是模拟物流系统的动态行为，降 低物流系统的运行成本，辅助决策者实现对物流系统的优化和控制。若仿真模型具有离 散，动态，随机的特点，就称之为离散事件计算机仿真模型。 物流系统是复杂的离散事件系统，其特点如下： ( 1 ) 不确定性( 随机性) 不确定性存在于物流系统中的每一节点，客户需求的不确定性，原材料供应供需关 系的不确定性，采购准备时间的不确定性，运输时间的不确定性，交付时间的不确定性， 产品价格的不确定性等。它总是处在一个不确定的环境中，受很多随机因素的影响，具 有多目标、多因素、多层次的特点。 ( 2 ) 非线性 非线性是指个体以及它们的属性在发生变化时，并非遵从简单的线性关系。组成物 流系统的各个实体间的相互影响不是简单的，被动的，单向的因果关系，每个实体的行 为和决策又依赖它自身的状态和一些有限的，相关的其它实体的行为，且它们易受内部 和外部环境的影响。物流系统的各个实体主动改变自己的内部或外部结构，以适应环境 的变化，从而呈现出物流系统的非线性。 ( 3 ) 复杂性 物流系统是由若干个供应商，制造商，配送中心，销售商和终端客户组成的系统。 它包含供应商，制造商的选择，配送中心的选址，运输方式( 如空运，陆运，铁运，水 运或混合运输方式的选择) 和运输路线( 选择由哪个配送中心送货) 的确定。其复杂性主 要体现在贯穿于物流系统中的不确定及各实体要素间的非线性关系。 ( 4 ) 适应性 物流系统各个实体为了适应市场环境的变化，与周围环境和其他实体间不断进行交 互作用。在这种持续不断交互作用的过程中，实体不断学习，积累经验，并根据学到的 经验改变自身的结构和行为方式，寻找合适的实体组成物流系统以适应环境的变化，从 而促成供需过程不断重新组合改造。 ( 5 ) 多样性 由于物流系统各实体要素间处于不断相互作用和不断适应的过程，造成了实体向不 同的方面发展变化，从而形成了物流系统实体类型的多样性。 ( 6 ) 离散性 物流系统之所以是一个离散系统，是因为其物流活动大部分发生在分散的时间点 1 4 中国民航大学硕士学位论文 上。物流活动在分散的时间点上，从而主要解决了物质在时间和空间上的差异问题。 ( 7 ) 动态性 现代物流系统比传统物流系统更为复杂，要求物流系统提供更加完备，迅速和灵活 的服务，并随时保持物流信息的畅通，这就使得现代物流系统必须具有一定的柔性，随 时根据环境和需求变化进行动态调整n 7 1 。 2 2 2 物流系统建模及仿真 物流系统研究的目的是对物流系统进行规划，管理，控制：选择最优的物流方案： 寻求降低物流成本，改进服务，提高物流效益的途径等，如库存水平( 重新订货点，安 全库存量等) 的确定，运输( 或搬运) 路径的选择，自动导向车的运行轨道和作业控制， 自动分拣机的运行，物流配送中心经营管理的决策支持，制造模式( 推，拉，即时) 的选 择。配送中心及仓库的选址等的研究。因此必须运用各种现代科学的理论和方法。 常用的建模方法有： ( 1 ) 最优化方法 运用线性规划，整数规划，非线性规划等数学规划技术来描述物流系统中物料储存 的时间与数量关系的数学表达式，通过求解数学表达式求得最优方案的数学方法。由于 物流系统庞大而复杂，建立整个系统的最优化模型一般比较困难，而且计算机求解大型 优化问题的时间和费用太大，因此最优化法常用于物流系统的局部优化，并结合其他方 法求得物流系统的次优解。 ( 2 ) 启发式法 应用一些经验法则来降低优化模型的数学精确度，并通过模仿人的跟踪校正过程求 取物流系统的满意解，但是其缺点是难以知道何时求得好的启发式解。 ( 3 ) 系统仿真方法 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，通过试验取得改善物流系统或设 计新的物流系统所需要的信息。所以，系统仿真就是对实际观测所获得的数据建立起来 的一种动态模型，既反映了系统的物理特征和逻辑特征，也表达了系统的静态性质和动 态性质，有利于对系统进行分析。由于物流系统受很多不确定，随机因素的影响，用仿 真的方法更能体现出此类复杂的离散事件系统的性能此外，实际系统的实施成本太高，