（机械设计及理论专业论文）基于automod的物流配送中心的建模与仿真.pdf

基于a u t o m o d 的物流配送中心的建模与仿真 摘要 物流配送中心是现代物流业的重要组成部分。以往优化配送中心的过程常在配送中心 运作时进行，通过对已建成的配送中心各环节的分析，改进作业过程或改建配送中心的设 备。这种做法不仅会浪费许多机械设备和资金，而且需耗用大量的人力和时问。为节省优 化过程的成本和时间，保证规划和决策的科学性，作者提出“基于a u t o m o d 的物流配送中 心的建模与仿真”的研究。 本文在阐述物流和物流配送中心的国内外研究现状的基础上，根据配送中心的作业特 点，应用p e t r i 网对配送中心物流系统进行建模。作者探讨了p e t r i 网和工作流等基础理 论，在系统介绍物流配送中心基本组成和作业流程的基础上，将物流配送中心剖析为进货、 储存、分拣、配货、计算机和搬运输送设备等子系统。通过对配送中心物流系统的整体分 析，结合各个子系统的机械配簧及作业特点，提出了基于p e t r i 网的分层建模方法，建立 了进货、储存、分拣、配货四个子系统以及配送中心整体的p e t r i 网一般模型。本文总结 了各个子系统的变迁事件表，并采用p e t r i 网工作流的模型化简法和可达树法分析了系统 的一般模型。 为了验证所建物流配送中心系统p e t r i 网一般模型的可行性和实用性，作者以南京地 区某配送中心为依托，根据分层建模方法，建立了该配送中心的p e t r i 网应用模型。并借 助物流仿真软件a u t o m o d ，完成了此配送中心的分拣系统的计算机仿真。作者通过对分拣 系统模型的3 d 仿真，找出了该系统作业过程的“瓶颈”所在，并提出了一些改进措施。 改进后模型的仿真结果表明，这些措施能有效地消除系统的“瓶颈”，并为浚配送中心的 改进方案和决策提供参考依据。 关键字：物流配送中心、p e t r i 网、a u t o m o d 、建模、仿真 m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h ed i s t r i b u t i o nc e n t e r o f l o g i s t i c sb a s e do na u t o m o d a b s t r a c t d i s t r i b u t i o nc e n t e ri sa ni m p o r t a n tp a r to f l o g i s t i c s b a s e do nt h ef u n c t i o n ，t h er e s u l to f t h e a n a l y s i s , t h et a s kf l o wa n dt h ee q u i p m e n to fd i s t r i b u t i o nc e n t e rt h a th a db e e nb u i l t ，i tw a s o p t i m i z e di nt h ep a s t t h i sm e t h o dd o e s n to n l yw a s t em a n ye q u i p m e n t sa n df u n d s ，b u ta l s o n e e dt oc o n s u m eag r e a td e a lo fm a n p o w e ra n dt i m e i no r d e rt os a v ec o s ta n dt i m eo ft h e p r o c e s sa n da s s u r es c i e n c eo fp r o g r a m m i n ga n dd e c i s i o n ，t h ea u t h o rp u t sf o r w a r dt h er e s e a r c h t o p i co f m o d e l i n ga n ds i m u a t i o no f t h ed i s t r i b u t i o nc e n t e ro f l o g i s t i c sb a s e do na u t o m o d ” i nt h i sp a p e ri te l a b o r a t e st h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h a c t u a l i t yo f t h el o g i s t i c s a n dt h ed i s t r i b u t i o nc e n t e r a n dt h em o d e l i n go ft h ed i s t r i b u t i o nc e n t e ri sb u i l tu s i n gp e t r i - n e t m a ti sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fi t ，t h ea u t h o rd i s c u s s e st h ef o u n d a t i o nt h e o r i e so ft h e p e t r i n e ta n dw o r k f l o w b a s e do nt h ec o n s t i t u t ea n dt h et a s kf l o w ，t h ed i s t r i b u t i o nc e n t e ri s d i v i d e di n t os o m es u b s y s t e m ss u c ha ss t o c k i n g ，s t o r a g e ，p i c k i n g ，d i s t r i b u t i o n ，c o m p u t e ra n d h a n d l i n gs y s t e m ，e t c a c c o r d i n gt o t h er e s u l to ft h ea n a l y s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h e e q u i p m e n t so fi t ，t h el a y e r i n gb u i l d i n gm o d e lm e t h o di sp u tf o r w a r d a n dt h es u b s y s t e mm o d e l s o ft h es t o c k ，t h es t o r a g e , t h ep i c k i n g ，t h ed i s t r i b u t i o n ，t h ec o m p u t e ra n dt h et r a n s p o r tw e r eb u i l t t h ea u t h o rt a l l i e du pt h ec h a n g ea f f a i r f o r m so fe a c hs u b s y s t e m ，a n da n a l y z e dt h ec o m m o n l y m o d e lo f t h es y s t e mu s i n gt h ew o r k f l o wp r e d i g e s t i o no f p e t r i - n e ta n dt h er e a c h a b l et r e e i no r d e rt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h ec o m m o n l ym o d e l ，t h ea u t h o r b u i l d st h ep r a c t i c a l i t ym o d e lo fn a n j i n gd i s t r i b u t i o nc e n t e ro fl o g i s t i c su s i n gt h el a y e r i n g b u i l d i n gm o d e lm e t h o dt h a ti sb a s e do nt h el a y o u to fi t a n dt h ec o m p m e rs i m u l a t i o no f p i c k i n g s y s t e mo fn a n j i n gd i s t r i b u t i o nc e n t e ri sd o n eb yd i n to fa u t o m o ds o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h e r e s u l to ft h r e ed i m e n s i o n ss i m u l a t i o n ，t h e “b o t t l e - n e c k p h e n o m e n o ni sd i s c o v e r e d m a n y m e a s l e st h a tc a ne l i m i n a t et h i sp h e n o m e n o ni sb r o u g h tf o r w a r d ，a n dp r o v i d e st h ei m p r o v e d p l a na n dt h ed e c i s i o ns u p p o r tf o rt h et e r m i n a l k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nc e n t e ro fl o g i s t i c s ；p e t r i - n e t ；a u t o m o d ；m o d e l i n g ； s i m u l a t i o n s h a om i n g x i s u p e r v i s e db yz h a n gy i q u a n 致谢 y 9 0 6 5 7 3 在本文完成之际，谨向我的导师张沂泉教授表示衷心的感谢! 在三年攻读研究生期间 我得到了恩师的精心指导和不倦教诲。从论文的选题、撰写，直到最后完稿，张老师都倾 注了大量的心血。张老师学识渊博、治学严谨，在学术上更是兢兢业业，这种执着追求和 敬业精神深深鼓舞着我，将使我终身受益。 在本课题的研究过程中，南京地区某物流中心吴东旗副总经理提供了大量的研究资 料，并给予了指导和帮助，在此表示衷心的感谢 在攻读硕士学位期间，我还得到了姜树海( 博士后) 老师、黄银娣老师、商庆清老师 给予了大量的指导和帮助，使我颇受启发，在此表示衷心的感谢 特别感谢王春峰、张春娜、蔡平三位在论文撰写过程中给予的帮助。同时感谢杨淑琴、 罗江丽、陈芳芳、吴晓峰、候学贵在学习、生活等方面给予的支持和帮助。 感谢林业机械教研室的各位老师对我的关心、支持和帮助。最后，特别感谢我的父母 和亲友，在漫长的求学生涯中，给予的关心和鼓励。 在此向关心、帮助过我的人们表示衷心的感谢 作者：邵明习 二o o 六年四月二十号 1 绪论 现代物流作为一种先进的组织方式和管理理念，被广泛地认为是企业降低物 耗，提高劳动生产率以外的第三利润源泉。物流产业正在成为全球经济发展的重 要热点，世界各国特别是发达国家都在积极研究现代物流业的形态和发展。随着 我国经济持续快速的发展、国际贸易的不断增进、消费需求的多样化和差异化， 物流这一新兴产业在我国将得到更大的发展。因此，在我国促进现代物流业的发 展，加快现代物流的理论和实践探索，提高社会综合服务能力，是我困经济结构 全面调整和产业整合的必然要求，它在推动国民经济持续发展方面具有十分重要 的意义。物流是现代化生产的重要组成部分，它集物流、信息流、资金流和人 才流于一体，起着挖掘社会潜力、提高效益、节约资源、降低成本的重要作用。 1 1 物流及物流配送中心 1 1 1 物流概念发展概况【2 5 1 物流是指物品从供应地向接收地的实物流动过程，根据实际需要，将运输、 储存、装卸、包装、流通加工、配送、信息处理等基本功能实施有机结合。物流 ( d i s t r i b u t i o n ) 一词最早出现在美国。1 9 2 1 年阿奇萧在市场流通中的若干问 题( s o m ep r o b l e mi nm a r k e td i s t r i b u t i o n ) 一书中提出“物流是与创造需要不同 的一个问题”，并提到“物资经过时问或空间的转移，会产生附加价值”。 1 9 3 5 年，美国销售协会最早对物流进行了定义：“物流( p h y s i c a ld i s t r i b u t i o n ) 是包 含于销售之中的物质资料和服务，与从生产地到消费地点流动过程中伴随的种种 活动”。在第二次世界大战期间，美国对军火等进行的战时供应中，首先采取了 后勤管理这一名词，对军火的运输、补给、屯驻等进行全面管理。同本在1 9 6 4 年开始使用物流这一概念。1 9 6 5 年，日本在政府文件中正式采用“物的流通” 这个术语，简称为“物流”。1 9 8 6 年，美国物流管理协会将p h y s i c a ld i s t r i b u t i o n 改为l o g i s t i c s ，其理由是因为p h y s i c a ld i s t r i b u t i o n 的领域较狭窄，l o g i s t i c s 的 概念则较宽广、连贯、整体，改名后的美国物流协会( c l m ) 对l o g i s t i c s 所 做的定义是：“以适合于顾客的要求为目的，对原材料、在制品、制成品与其关 联的信息，从产业地点到消费地点之间的流通与保管，为求有效率且最大的对 费用的相对效果而进行计划、执行、控制”。 我国开始使用“物流”一词始于1 9 7 9 ，当时商业部提出建立“物流中心”的问 题。储存和运输是物流的主体，物流作为“实物流通”的简称，提法既科学合理， 又确切易懂。1 9 8 8 年台湾也开始使用“物流”这一概念。1 9 8 9 年4 月，第八届国 际物流会议在北京召开，“物流”一词在我国的使用日益普遍。 1 1 2 物流配送中心 ( 1 ) 物流配送中心的概念 物流配送是由送货逐渐演变过来的。一般的送货形态已经有相当长的历史 了，可以说是伴随着市场经济形成而诞生的一种必然的市场行为。物流中心 ( 1 0 9 i s t i c sc e n t e r ) 与配送中心( d i s t r i b u t i o nc e n t e r ) 都是由英译而来的，一般说 来，两者没有本质上的区别【6 】，因为它们都是现代物流网络中的物流结点，所以 为了研究的方便在本文中不对这两个概念进行区分。 配送活动是在物流发展的客观过程中产生并不断发展的，这一活动过程随着 物流活动的深入和物流社会化服务的提高，在实践中不断演绎和完善着其组织结 构。我们将组织配送执行销售或专门执行实物配送活动的流通机构称为配送中 心。 2 0 0 1 年8 月1 日颁布实施的中华人民共和国国家物流术语( g b t 18 3 5 4 2 0 0 1 ) 中关于配送是这样定义的：从事配送中心的物流场所或组织，应基本符合下列要 求：主要为特定的用户服务：配送功能健全；完善的信息网络；辐射范 围小； 多品种，小批量； 以配送为主，储存为辅。 ( 2 ) 物流配送中心的分类 随着社会生产的发展，流通规模不断扩大，物流配送中心不仅数量增加，也 由于服务功能和组织形式的不同演绎出许多新的类型。标准不同，分类的结果也 一样，一般按配送中心的功能、辐射范围及服务对象、商品类型等标志进行划分， 主要有如下三种形式忡j ： 按配送中心的功能分类 ( a ) 流通型配送中心一般情况下，流通型配送中心主要以随进随出方式进 行分拣、配货和送货，其典型方式是“整进零取”，商品在配送中心中仅做短暂 停留。 ( b ) 加工型配送中心这类配送中心的主要功能是对商品进行再生产或再加 工，以强化服务的目的，提高服务质量和服务水平，为消费者提供更多的便利。 ( c ) 储存型配送中心此类配送中心拥有较大规模的仓库设施，具有很强的 储存功能，从而有效的降低了各种商品的储存空间和时间，实现更高自动化的库 存调度，大大减低了库存成本，并且它充分强化了商品的储存和储备功能。 ( d ) 多功能型配送中心多功能型配送中心集储存、流通加工、分拣与配送 等多功能于一体。它能加速商品流通，提高流通效率，更好的顺应市场要求。 ( d 按辐射范围及服务对象 ( a ) 区域性配送中心区域性配送中心是以较强的辐射范围和库存商品，向 全省、全国甚至国际范围的用户服务的配送中心，其物流设施齐全，库存规模较 大，用户多，配送量也较大。 ( b ) 城市配送中心这是以所在的城市为配送中心范围的配送中心，由于城 市范围一般处于汽车运输经济里程，因此，这种配送中心都采用机动性强、调 度灵活的汽车运输，而且直接配送到最终用户，可以实现“门到门”服务。 按商品分类 ( a ) 综合型配送中心综合型配送中心是指那些储存、加工、分拣与配送多 种商品的物流配送中心。 ( b ) 专业型配送中心所谓专业型配送中心是指专门服务于某些特定用户或 专门从事某大类商品服务的物流配送中心。 上述配送中心的划分，在理论上比较简明，但在实际中有时很难对一个配送 中心进行精确的分类，甚至无法划分。从现代物流发展的角度来看，为了加速商 品的快速流动，更好的满足用户要求，必须根掘市场需求变化和物流发展的具体 要求对现代物流配送中心进行具体的分类。 ( 3 ) 研究物流配送中心的重要性 物流配送中心是实现物流现代化的重要组成部分，在物流网络中，这一结点 不仅执行一般的物流职能，而且越来越多地执行指挥调度、信息处理、作业优化 等重要的职能，是物流的灵魂所在，因此，近两年物流配送中心的作用越来越受 到人们的重视。另外，在现代商品流通中的作用极大，它通过对商品的运输、保 管、装卸、搬运、流通加工、配送、定单处理和信息处理等工作的统一管理，可 以大大减轻作业劳动强度，减少商品损耗，提高库存周转率，加速商品流通，降 低流通成本，提高社会需求的满足度，给消费者带来更多的选择，因此，对物流 配送中心的研究具有很重要的意义。 1 2 物流配送中心建模与仿真 1 2 1 研究意义及方法 建模与仿真是指构造现实世界实际系统的模型和计算机上进行仿真的有关 复杂活动，它主要包括实际系统、模型和计算机等三个基本部分 7 l 。当前，建模 与仿真技术已经成为分析、研究各种复杂系统的重要工具，它广泛用于工程领域 和非工程领域。物流系统是企业生产的一个重要组成部分，物流合理化是提高企 业生产率最重要的方法之一【8 】，因此，对物流系统的建模与仿真的研究日益受到 人们的重视。 建模阶段主要根据研究目的、系统的先验知识及实验观察的数据，对系统进 行分析，确定各组成要素以及表征这些要素的状态变量和参数之间的数学逻辑关 系，建立被研究系统的数学逻辑模型【9 】。物流系统是典型的离散事件系统【i o 】，现 在被广泛使用物流系统建模方法主要有：g r a i 法、s i m 法、a r i s 方法、p e t r i 网、基于a g e n t 法等。由于p e t r i 网模型具有图形建模的直观性和分析理论的严 谨性，对带有并发性、异步性、分布式、非确定性、并行性的系统能进行有力的 描述，所以已被广泛使用于物流系统的离散事件建模中。 三维仿真( 3 ds i m u l a t i o n ) 是利用三维建模技术，构建现实世界的三维场景 并通过一定的软件环境驱动整个三维场景，响应用户的输入，根据用户的不同动 作做出相应的反应，并在三维环境中显示出来。三维仿真的关键技术主要有动态 环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发 工具、系统集成技术等。目前，比较有代表性的物流仿真软件有：a u t o m o d 、 s i m a n i m a t i o n 、s h o w f l o w 、e x t e n d 、w i t n e s s 1 ”、p r o m o d e l 、a r e n a 、q u e s t 、e f a c t o r y 等。这些软件不仪包括建模、仿真运行和结果输出，还包括模型分析、系统规划 设计和统计分析等功能。用，、界面也直观灵活。系统模型可以二维或三维方式动 画显示，以便对系统仿真过程进行实时的跟踪和分析。这些仿真软件不需要仿真 者有很多的计算机知识和编程技巧，也不需要了解很多的仿真理论和算法。仿真 的主要精力可以放在系统建模和系统分析上。即有利于提高仿真效率，也有利于 提高仿真的质量。 1 2 2 国外研究现状 目前，在国外的物流和制造企业中己广泛应用建模与仿真技术，如u p s 、加 拿大邮政、日本村阳公司i l “、l gp h i l i p s 、西门子德马泰克等。同时，也有很多 科研人员用建模与仿真技术来研究物流系统。比如，s o u t h a l l 等人( 19 9 8 ) 用一个 离散事件仿真系统来评价不确定数据对供应链性能的影响，如顾客定单、工厂交 纳周期等。斯洛伐克工业工程研究所的j a nk o s t a r i a k 和m i l a ng r e g o r ( 1 9 9 9 ) 总结 了如何将离散事件仿真用于复杂制造和物流系统的设计、运作和连续的改进。朝 鲜海运大学的l e e ，t a e w o o 教授( 2 0 0 3 ) 把供应链模型及其分析框架应用于港内 工业中，提出了一种仿真方法【l ”。a o y a m a y u k o ( 2 0 0 5 ) 等人分析物流产业的模 式和最近发展趋势，特别强调了企业到企业的电子商务的影响，建立了一个包含 物流以及信息流两个内部连接网络的最优化模型，并应用蒙特卡洛仿真法突出了 物流产业中对企业到企业的电子商务影响反应较大的环节，通过仿真我们找到了 在物流企业中影响信息和运输费用的因素【h 】。 在配送方面，也有很多学者应用建模仿真技术对配送中心进行研究。 首先，对整个配送中心方面的研究，比如d e r r i e nr j a n s c n 等人( 2 0 0 1 ) 开发 了一个仿真模型用来分析个多车厢配送系统，这个仿真模型可以满足顾客的要 求，如缩短交纳周期，增加发送频率，提高加工和生产的质量，它还量化了食物 供应链中多车厢配送系统，以及在不同的可供选择购物情景中的物流和金融性能 ”。美国的l e n d e r m a n np e t e r 博士( 2 0 0 3 1 对一个半导体公司的供应链进行仿真， 通过这个仿真模型可非常灵敏而直观的测试配送中心、仓库等的状态并为其制定 供应计划 16 l 。 配送中心合并是全球物流管理的一个新的趋势，新加坡国立大学的 t e o c h u n gp i a w 等人( 2 0 0 1 ) 用分析建模的方法去研究当多个配送中心合并成为 一个配送中心时对设备投资和库存成本上的影响。并特别指出：如果需求是恒定 而独立的，那么合并会导致整体设备投资和库存成本下降并且按不恒定的 p o i s s o n 分布变化l i7 1 。英国的r a n d o mh o u s e 是1 i | = 界上最大的出版社之一，为了 提高它在威斯敏斯特和马里兰对配送中心单线操纵能力，通过建立配送中心仿真 模型的方法，成功的测试了配送中心实时配送状态。 其次，对配送中心的重要环节分拣系统的研究，p e t e r s e n c h a r l e s g 等人 ( 2 0 0 4 ) 在研究分拣系统时，为了提高拣选效率才用了分类储存的方法，把货物 分为几个等级，并把储存地点也分为几个面积块进行储存，为了分析整个分拣系 统的实际性能，采用仿真方法来验证这种储存的方法的可靠性【l 引。c h i n c h i a j a n e 在分析配送中心的分拣系统时，为了平衡每个分拣者的工作负担，保证整个分拣 系统能连续运行，提出了基于消费定单启发式的储存方法，并应用经验公式和仿 真实验给予验证，通过仿真来调整不合理的储存位蜀来平衡每个分拣工作负担提 高分拣效率哼1 。 1 2 3 国内研究现状 在网内，建模与仿真的方法也被广泛应用与各行各业，例如：军事中的导弹 模拟、物流配送、企业规划、产品设计等等。随着物流业的发展，对物流系统研 究的学者也相继出现。山东工业大学的张丹羽等( 1 9 9 9 ) 基于面向对蒙方法学， 采用窗口界面技术，提出了一种面向对象和基于图形的建模仿真环境的技术方 案，面向对象技术解决了f m s ( 柔性制造系统) 中的模型复杂性高和可重用性差的 问题 2 ；上海交通大学自动化研究所戴晓明等( 2 0 0 1 ) 基于面向对象方法开发 了离散事件动态系统仿真工具d e d s s i m ，它运用c o m ( c o m p o n e n to b i e c tm o d e l ) 组件技术，采用图形窗口环境，通过拖放方式组态系统，联线方式建立模型间逻 辑联系，并具备系统扩展功能，已经在某一炼钢连铸物流系统得到了成功地运用 2 1 1 。 国防大学的罗批等( 2 0 0 3 ) 讨论了基于a g e n t 建模仿真方法的基本思路与特 点，综述了基于a g e n t 复杂系统模型构建技术的研究现状，并指出了该建模仿真 方法的主要发展趋势【2 ”。中远连云港公司的周忠志、武汉交通科技大学蒋琼珠 基于g p s s f 仿真语言对港口物流系统进行建模仿真，为港口物流仿真提供了 新的仿真手段1 2 3 1 。 近年来，在我国同样也有很多学者对配送中心进行研究，比如： 2 0 0 1 年，山东大学控制科学与工程学院的田国会副教授基于面向对象着色 p e t r i 网模型和时态逻辑方法，对自动化仓库输送系统运行过程的调度问题进行 研究，建立了系统的面向对象着色网模型，并讨论了该过程的死锁问题，给出了 系统行为的时态逻辑规范和死锁避免的最大允许反馈控制策略1 2 4 。 2 0 0 2 年，华中科技大学管理学院博士研究生周宏( 2 0 0 2 ) 对于分销仓储配 送中心在客户需求量和再订货提前期都是随机性的情况，利用a r e n a 模拟软件对 再订货点模型进行模拟，解决现实中这种“双随机性”的复杂订货决策问题 2 5 1 。 2 0 0 3 年，汀汉石油学院李诗珍等以某大型i t 分销商的配送中心为原型，建立 了一个涵盖多种分拣单位、分拣方式、分拣分区、分拣设备等具有代表性的配送 中心分拣系统，并采用v b 6 0 与m i c r o s o f t a c e s s 编制了配送中心从接受订单开始 到产生分拣单和分类单的订单处理模拟程序，仿真运行达到预期效果1 2 “。同时， 浙江大学管理科学与信息工程系统研究所的陈火根教授等对带时间约束的物流 配送中心车辆调度问题，采用混合整数规划方法进行建模，分析了该模型用精确 算法进行求解的复杂性，指出对实际问题若完全采用精确算法求解往往达不到实 时响应的要求，提出了遗传算法与启发式算法相结合的求解方法，将该问题分解 为车辆分配和单一车辆路线安排两个相互关联的子问题进行求解，仿真结果表 明，该算法是很有效1 2 “。 2 0 0 4 年，清华大学机械工程系的陈昌祥等人应用a u t o m o d 软件完成了两级 库存系统的仿真分析和参数优化，同时分析了用户需求模型对库存系统运行状态 的影响，用稳态用户需求代替非稳态用户需求会对库存系统运行状态的预测结果 有很大影响1 2 8 1 。长沙理工大学交通运输学院的胡列格教授、胡建国指出，在配 送中心的运营中，储位分配是配送中心仓储管理的一个引人关注的重要问题。在 研究过程中他们综合“公平份额分配准则”方法和a b c 分类决策方法的成果， 在综合考虑关键因素的基础上，建立目标数学模型，模型中的计算系数用变异系 数确定，最后用动态规划法进行实例计算，验证了关键因素储位分配决策方法的 可行性【29 1 。重庆大学计算机学院的石欣针对物流系统调度中存在的区域配送“少 批量，多批次”供货要求的问题，作者用时间片规范订单，通过拆分、组合订单 及优化调度计划，降低成本，并以某企业工程实践为背景，提出了一类区域配送 的物流调度模型1 3 0 1 。 2 0 0 5 年，为了兼顾配送中心的效率和顾客满意，李诗珍提出了单品拣取模 型，该模型开发了一个基于存储箱数量、整箱或不足一箱的库存分隔策略，从而 解决了传统的基于活动分隔库存的复杂性口”。上海的王岩峰博士运用e x t e n d 仿 真软件在对供应链的仿真中模拟了一家家电公司的三级配送网络，用于研究配送 流程对客户定单满足的及时性和库存积压程度的影响1 3 2 1 。 1 3 本文的主要内容 从上述国内外研究现状来看，不论是理论建模方面，还是仿真方面，国外对 配送中心的研究比较全面，既有对整个配送中心的研究，也有对配送中心内部子 系统的研究，但是，应用理论建模和仿真相结合的方法对配送中心研究还没有检 索到。在国内，大多数学者主要对配送中心内部系统研究，比如，分拣系统、库 存系统、车辆调度问题等等，缺少对整个配送中心的研究。鉴于此种状况，我们 提出了应用p e t r i 网建模理论和仿真技术对配送中心研究的课题，这不仅可以为 以后配送中心研究提供借鉴，也可以为配送中心设计方案的评估和改进提供了理 论依据。本文主要内容如下： 6 ( 1 ) 首先阐述物流和物流配送中心概况，以及研究配送中心的意义，然后回 顾了物流配送中心建模与仿真的研究状况，并总结出国内外对它研究的重点以及 不足。 ( 2 ) 主要探讨p e t r i 网的基本概念、分类以及性质，简单的阐述了工作流的 定义和基于p e t r i 网理论的工作流模型建立方法及化简规则，并叙述了p e t r i 网在 物流行业中的应用状况，为物流配送系统的研究奠定了理论基础， ( 3 ) 介绍物流配送中心的一般作业流程、常用设备、设施以及评价指标，根 据其作业特点，把配送中心系统分割为进货、储存、分拣、配货、计算机和搬运 等若干个子系统。通过对配送中心的分析，结合其机械设备的特点以及p e t r i 网 描述事件的特点，提出基于p e t r i 网的分层建模方法，并建立进货、储存、分拣、 配送四个子系统以及整个配送中心系统的p e t r i 网般模型，总结了每个系统变 迁事件表，并采用工作流p e t r i 网模型化简方法和可达树对模型进行了简单的分 析，验证了模型的畅通性和可达性。 ( 4 ) 总结南京地区某配送中心概况、设备设施、作业流程以及作业原则等。 重点的研究了该配送中心的作业系统，以及它的进货、储存、分拣、配货、计算 机、堆场等若干个子系统。接着，对每个子系统进行了详细的分析，并以上一章 所建的物流配送中心系统的p e t r i 网一般模型为基础，建立了该配送中心系统的 p e t r i 网实用模型以及各个子系统的p e t r i 网实用模型。这既验证了物流配送中心 系统p e t r i 网一般模型的可行性和实用性，也为对次配送中心的进一步研究奠定 了基础。 ( 5 ) 介绍物流仿真软件a u t o m o d 的四大组成模块及其子系统，对软件的常 用命令和一些常用的功能作了简单的说明。接着，以南京地区某配送中心系统的 p e t r i 网实用模型为基础，制定了仿真目标，并借助a u t o m o d 仿真软件对该配送 中心的分拣系统进行了3 d 仿真分析( 因教学版软件功能的限制，这里仅做分拣 系统的仿真) ，找出了分拣系统的“瓶颈”所在，并提出了一些改进措施。仿真 结果表明，这些措施能有效的消除“瓶颈”现象。 2p e tri 网理论与工作流简介 本章主要介绍了p e t r i 网的基本概念、分类以及性质，简单的阐述了工作流 的定义和基于p e t r i 网理论的工作流模型建立方法及化简规则，并叙述了p e t r i 网在物流行业中的应用。为下面章节对物流配送系统的建模和模型分析打下良好 的理论基础。 2 1p e t r l 网的基本概念和性质 p e t r i 网的概念最早是1 9 6 2 年被c a r la d a mp e t r i 在他的博士论文 “k o m m n u i k a t i o n m i t a u t o m a t i o n ”中提h 的【j 。p e t r i 阐述了一台计算机中的两个 异步分支的通信理论的基础，并为其建立了网状模型。他的工作当时引起了欧美 学术界与工业界的注意，其理论成为后来p e t r i 网发展的奠基石。随着p e t r i 网理 论的发展各种各样的网系统被相继开发出来，比如：条件事件网系统、库所变 迁网系统( p t 系统) 、谓词变迁系统、有色网系统、自控网系统和随机网系统 等等。离散事件系统的研究现在广泛应用p e t r i 网进行建模分析。而物流配送系 统是典型的离散事件系统，系统内部事件具有并发性、异步性和随机性，并且配 送系统的各个作业环节是典型的工作流，所以选择p e t r i 网描述该系统比较合适。 2 1 1p e t ri 网定义及分类 2 1 1 1p e t r i 网定义 3 4 1 p e t r i 网系统模型中一般有两类基本元素构成：表示状态的元素和表示变迁的 元素。这两类元素是相互平等，相互依赖的。状态元素由变迁元素改变，变迁元 素由状态元素描述。资源在状态元素和变迁元素之间流动，联系这两类元素的是 两者之间的流关系，通常用f 表示( 在图形中用弧表示) 。 定义1三元组n = ( s ，t ；f ) 称为有向网( d i r e c t e dn e t ，简称网) 的充分必要条件 是： s n t = 庐：( 二元性) s u t 庐；( 网非空，表示至少有一个元素) ，s x t u t x s( “”为笛卡儿积) ； d o m c f ) u c o d c f ，= s u t , 瓤c 面o a 鬻竞v l 翼- x 棠暑； l ，j = 1：l z ，yj ，c 其中：d o m ( f ) 、c o d ( f ) 分别为f 的定义域和值域。 定义2 令n = ( s ，t ：f ) 是一个网，x x ，x = s u t 那么， z = b i ，x ) e ， 称为x 的输入集或前置集； x 。= 翻g ，z ) f 称为x 的输出集或后置集 定义3当且仅当六元组= ( s ，r ；f ，k ，w ，m 。) 满足下列条件时被称为网系统 n = ( s ，t ；f ) 构成有向网； k ：s 寸u 汹 是状态元素的容量函数： 0 w ：，斗是权函数： m ：s j 称为标识( m o 称为的初始标识) ，对于任何的状态元素都要 满足条件：m ( 5 ) k ( s ) ： 在p e t r i 网系统图形表示中，状态元素用圆圈表示，变迁元素用四方形表示， 为了节省空间有时也用一条黑线表示。流关系一般用带箭头的弧表示。在p e t r i 网中资源被称作托肯( t o k e n ) ，通常用黑点表示，黑点的个数表示资源的个数。 当k ( s ) = 0 9 ( 其中表示无穷大) 时，通常省略标注，当k ( s ) 1 时，将w ( 厂) 标注在弧上，当w u ) = 1 时省略 不标，如图2 1 所示： k = 2 o 一卜o s lts 2 图2 - 1p e t r i 网示意 f i g u r e 2 1p e t r in e ts i g n a lh i n t 以上给出了网系统从结构到资源的静态特征，只要再定义变迁条件和变迁后 果，网系统的定义就完全了。网系统的动态规律称为变迁规则( t r a n s i t i o nr u l e ) 。 定义4 ( 变迁发生条件) 。f = 。r u ，。称为t 的外延( e x t e n t i o n ) ； t 在m 有发生权( f i r a b l e ) 的条件是： v 5 + f ： ，0 ) w ( s ，f ) v s n 肘0 ) + 0 ，r ) 兰k ( s ) ： t 在m 有发生权记作m l f ，也说m 授权t 发生或t 在m 授权下发生。这个定 义中t 的发生权是用作为全局资源分布的标识m 来定义的，但是实际上，变迁t 的发生只与t 的外延有关，与m 中外延( 。，。) 以外的资源无关，换而言之，网 系统的全局状态不是变迁的控制因素。 定义5 ( 变迁发生后果) 若肘l ， ，则t 在m 可以发生，将标识m 改变为m 的后继标识( s u c c e s s o r ) m7 ，m7 的定义是：对v s s ， m g ) = 0 ) 一w ( s ，) m g ) + 矿( f ，s ) m ( s ) 一w ( s ，) + w ( t ，s ) m ( s ) 若s e 。，一f 。 若s ，。一， 若s e 。fn f 若难， m 为m 的后继标识的事实记作m i 吖。 9 上述变迁和发生的规则可以理解如下i j 刈： 一个变迁被授权发生，当且仅当该变迁的每个输入库所中的托肯数大于 或等于输入弧的权函数的值，而且该变迁的输出库所中已有的托肯数与输出弧 上权函数的值之和小于输出库所的容量，简单的说就是：库所必须满足“前面 的够用，后面的够放”条件。 ( d 变迁发生的充要条件是该变迁是有效的。 变迁发生时，从该变迁的输入库所中移出的托肯个数( 即资源) 与该变 迁的输入弧的权值相等，在该变迁的输出库所中产生的托肯个数与该变迁的输 出弧权值相等，即在p e t r i 网中的变迁发生时，输入托肯和输出托肯只与输入权 值和输出权值有关，并由它们的数值决定。 2 1 1 2p e t ri 网的分类 目前，p e t r i 网虽然被广泛应用于各个领域的研究，但对于p e t r i 网的分类还 没有一个统一的方法，在这里我们根据以下几种情况给出如下分类： ( 1 ) 根据p e t r i 网的发展它有三种不同的含义【3 4 】： 指定义1 中的有向网n = ( s ，死f ) 。 指定义2 中的网系统，但k ；，w ；1 。 泛指以有向网n 为基础的整个科学，即普遍网系统。 ( 2 ) 根据网系统的容量函数k 和权函数w 可分为以下三类： k i l ，w i l 每个状态元素中只有“有托肯”和“无托肯”两种情况，因此这两种情况 可以理解为“真”和“不真”两种状态的布尔变量。网论中把这种情况下的状态 元素称为条件( c o n d i t i o n ) ，把与条件有关的变迁称为事件( e v e n t ) 。通常用b 表 示条件集，e 表示事件集。我们把由条件和事件构成的网称为基本网系统 ( e l e m e n t a r yn e ts y s t e m ) 或e n 系统。 k = 。缈= l 这系统是传统上所称的p e t r i 网系统( 通常也把它看作p t 网的一种特殊情 况) 。 k 和w 为任意值 这种网系统通常被称为库所变迁系统( p t 系统) 。 ( 3 ) 以上三种p e t r i 网称为基本p e t r i 网。在应用过程中，p e t r i 网得到不断的 改进，产生了很多形式，称为高级p e t r i 网。高级p e t r i 网给托肯赋予某种属性， 可以丰富p e t r i 网的模型语句。上述两种分类方法是对基本p e t r i 的分类，目前比 较常见的高级p e t r i 网有：谓词变迁网( p r e d i c a t e t r a n s i t i o n n e t ) 、有色p e t r i 网 ( c o l o r e dp e t r in e t ) 、时间p e t r i 网( t i m ep e t r in e t ) ( 包括随机p e t r i 网) 、自控 网系统1 3 5 。 1 0 2 1 2p e t r i 的分析方法及特点 p e t r i 网是一种可用图形表示的组合模型，具有直观易懂和易用的优点，对 描述和分析并发现象有它的独到的优越之处，它既可以用于静态的结构分析，又 可以用于动态的行为分析。p e t r i 网模型的主要分析方法是可达树、关联矩阵和 状态方程、不变量和分析简化规则等等，在以下的章节中我们将逐一介绍。 ( 1 )分析p e t r i 网的静态和动态特性方法【3 4 。6 i 可达标识图和可覆盖树 对于有界p e t r i 网，采用可达标识图可分析可达状态、可逆性、活性、公平 性和位置有界性等。对于无界p e t r i 网，则可采用可覆盖树或可覆盖图分析p e t r i 网的有界性，部分活性等。 ( d 关联矩阵和不变量 关联矩阵一般用来描述网系统的结构，所以经常用来分析p e t r i 网中不依赖 于初始标志，而仅和网结构有关的特性，如结构有界性、结构公平性和可重复性 等。不变量有位置不变量( p 不变量) 和变迁不变量( t - 不变量) 两种，这两种不变 量概念是对称，所以被称为对偶概念。 ( d 计算机仿真分析 计算机仿真分析作为一种有效工具，也可用于p e t r i 网的性能分析。通过计 算机仿真，可分析有界性、活性、回复性等性能。 p e t r i 网是系统建模的工具，用来设计和分析系统，它着眼于系统中发生的 变化，变化发生的条件以及发生后的影响，变化间的关系等。 ( 2 ) p e t r i 网模型具有以下特点 从组织结构的角度，从控制和管理的角度模拟系统，不涉及系统所依赖 的物理化学原理； ( d 精确描述系统中事件的依赖关系和不依赖关系，这是事件之间存在的， 不依赖于观察的关系； 适于描述以有规则行为为特征的系统； ( d 用统一的语言描述系统结构和行为； 网系统具有与应用环境无关的动态行为，可作为独立的研究对象； 网