（交通运输规划与管理专业论文）基于随机模拟的库场物流优化管理系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，物流产业的发展不仅促进了制造业降低产品成本，提高经济效 益，促进传统经营组织形式的调整，更有助于制造企业提高核心竞争能力。 其中，对库存管理有着重要影响的物流均衡性研究的重要性更是不言而喻。 这对于港口企业来说也不例外。武钢工业港的成品库场作为武钢目前最主要 的成品集散地，成品库场物流的均衡性对武钢外发能力的大小有着强有力的 影响。因此，随着物流业的迅速发展，港口企业更需要广泛且合理的运用现 代物流技术以开拓展自身利润来源、增强市场竞争能力。 本文针对武钢工业港成品库场存在的库场管理水平滞后、库场作业效率 低下和库场通过能力不足等问题，从物流均衡性的角度，基于随机模拟对武 钢工业港成品库场物流系统进行研究。本文首先概述了系统模拟的基本理论 和方法；其次分析了武钢工业港成品库场的生产现状、物流系统的组成以及 货流流程及其特点，指出了工业港库场物流系统存在的问题，提出了工业港 成品库场物流管理优化的具体目标和要求；第三，对工业港成品库场物流优 化管理系统进行了系统分析，划分系统功能模块，构建系统框架和结构设计。 根据库场物流优化理论，建立库场堆码优化模型和随机库存模型，并运用退 火算法对模型进行求解：第四，进行系统设计、代码编写和程序调试。通过 随机库存模型和库场优化决策模型，实现了一个快速响应、降低库存成本、 。提高经济效益和易于维护的管理系统，用户可根据模拟结果数据对现有库存 方案进行改进或反复模拟，为整个物流系统的优化提供了最基本的指导方向。 运用可视化的图形显示方法使库场管理人员能直观的了解经过优化配置后库 场的运作状态，并采用系统模拟的方式真实地反映出库场物流的实际状态， 有利于考察库场物流的通过能力和检验库存方案的合理性。该模拟系统的库 存预警机制为企业的库存管理提供决策依据，最终实现提高企业的库场管理 水平和经济效益的目标。 关键词：武钢工业港；库场管理；随机模拟；物流系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to f1 0 9 i s t i c si n d u s t r yi sn o to n l yp r o m o t i n g m a n u f a c t u r i n gt o r e d u c ep r o d u c tc o s t ，r a i s i n ge c o n o m i cb e n e f i ta n da d j u s t i n g t r a d i t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o r m ，b u ta l s oh e l p f u lt oi m p r o v ee n t e r p r i s e sc o r e c o m p e t i t i v e n e s s l o g i s t i c se q u i l i b r i u mr e s e a r c h ，w h i c hh a ss i g n i f i c a n te f f e c t so n i n v e n t o r yc o n t r o l ，i sv e r yi m p o r t a n t 。o fc o u r s e ，i t ，sa l s ov e r yi m p o r t a n tt oh a r b o r e n t e r p r i s e a tp r e s e n t ，w i s c oi n d u s t r i a lp o r tf i n i s h e dp r o d u c t sw a r e h o u s ei st h e m a i nf i n i s h e dp r o d u c t sd i s t r i b u t i o nc e n t r eo fw i s c o i t sw a r e h o u s el o g i s t i c s e q u i l i b r i u mh a sp o w e r f u l i n f l u e n c eo nt h e s e n d i n g o u ta b i l i t yo fw i s c o t h e r e f o r e ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fl o g i s t i c si n d u s t r yi nt h en o w a d a y s ， h a r b o re n t e r p r i s er e q u i r e st ou s el o g i s t i c st e c h n o l o g yb r o a d l ya n dr a t i o n a l l ys oa s t oe x p l o r ei t so w np r o f i ts o u r c ea n ds t r e n g t h e nm a r k e t p l a c ec o m p e t i t i v e n e s s i na l l u s i o nt ot h ep r o b l e m so fw i s c oi n d u s t r i a lp o r tw a r e h o u s el i k el a g g i n g m a n a g e m e n t ，i n e f f i c i e n to p e r a t i o na n dl o wu t i l i z a t i o nr a t e sa n da tt h ea n g l eo f l o g i s t i c se q u i l i b r i u m , t h ep a p e rs t u d i e sw i s c oi n d u s t r i a lp o r tf m i s h e dp r o d u c t s w a r e h o u s el o g i s t i c ss y s t e mw h i c hb a s e d0 1 1r a n d o ms i m u l a t i o n t h ep a p e rf i r s t l y a n a l y s e st h ef u n d a m e n t a lt h e o r i e sa n dm e t h o d so fs y s t e ms i m u l a t i o n s e c o n d l y , i t a n a l y s e st h ec u r r e n to p e r a t i n gs i t u a t i o n , c o m p o s i t i o no fl o g i s t i c ss y s t e ma n d c h a r a c t e r i s t i co fg o o d sf l o wo fw i s c oi n d u s t r i a lp o r tf i n i s h e dp r o d u c t s w a r e h o u s e ，p o i n t so u tt h ep r o b l e m sa n dt h es p e c i f i ct a r g e t s a n dr e q u e s t so f i n d u s t r i a lp o r tw a r e h o u s el o g i s t i c ss y s t e m t h i r d l y , i ts y s t e m a t i c a l l ya n a l y s e st h e l o g i s t i c ss y s t e m ，d i v i d e st h es y s t e mf u n c t i o nm o d u l e ，a n ds t r u c t u r e st h es y s t e m f r a m ea n dp h y s i c a ld e s i g n i tb u i l d su ps t a c ko p t i m i z a t i o nm o d e l sa n dr a n d o m i n v e n t o r ym o d e l sa c c o r d i n gt ow a r e h o u s el o g i s t i c so p t i m i z a t i o nt h e o r y , a n d a p p l i e sa n n e a la r i t h m e t i ct of i n dt h es o l u t i o nt ot h em o d e l s f i n a l l y , i td e s i g n st h e s y s t e m ，c o m p i l e st h ec o d e s ，a n dd e b u g st h ep r o c e d u r e s i tr e a l i z e s am o d e m m a n a g e m e n ts y s t e mw h i c hc a nr a p i d l yr e s p o n d , r e d u c ei n v e n t o r yc o s li n c r e a s e e c o n o m i ce f f i c i e n c ya n de a s i l ym a i n t a i nb yb u i l d i n gu par a n d o mi n v e n t o r ym o d e l a n dw a r e h o u s eo p t i m i z a t i o nd e c i s i o n - m a k i n gm o d e l c o n s u m e r sc a nu s et h ed a t a 玎 武汉理工大学硕士学位论文 o fs i m u l a t e dr e s u l tt oi m p r o v eo rs i m u l a t et h ec u r r e n ti n v e n t o r ys c h e m er e p e a t e d l y , w h i c hc a np r o v i d et h em o s tf u n d a m e n t a ld i r e c t i o nt ot h ee n t i r el o g i s t i c ss y s t e m o p t i m i z a t i o n a p p l y i n gv i s u a lf i g u r ed i s p l a ym e t h o dm a k e sw a r e h o u s eo p e r a t i n g c r e wr e a l i z et h ew a r e h o u s e so p e r a t i o nw h i c hh a sb e e no p t i m i z e d a n di ta d o p t s s y s t e ms i m u l a t i o nw a y st o r e f l e c tw a r e h o u s ea c t u a l l o g i s t i c ss t a t e ，w h i c hi s f a v o r a b l et oe x p l o r et h ec a p a c i 哆o fw a r e h o u s el o g i s t i c sa n dc h e c kt h er a t i o n a l i t y o fi n v e n t o r ys c h e m e t h es i m u l a t i o ns y s t e m s i n v e n t o r yw a r n i n gm e c h a n i s m p r o v i d e sad e c i s i o n - m a k i n gb a s i sf o re n t e r p r i s ei n v e n t o r yc o n t r 0 1 u l t i m a t e l y , i t c a nr e a l i z et h eo b j e c t i v e so fi m p r o v i n gw a r e h o u s em a n a g e m e n ta n de c o n o m i c b e n e f i t k e yw o r d s ：w i s c oi n d u s t r i a lp o r t ；w a r e h o u s em a n a g e m e n t ；r a n d o ms i m u l a t i o n ； l o g i s t i c ss y s t e m i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 研究背景、目的和意义 自上世纪九十年代以来，国际市场的竞争不断加刷，企业面临的生存和 发展问题更为复杂。为了获取更多的市场份额和更大的市场竞争优势，物流 ( l o g i s t i c s ) 己经成为国外企业关注的焦点。 物流管理之所以受到如此重视是因为合理、高效的物流管理能减少流通 环节，缩短生产周期，加速资金周转；在简化信息流通渠道的同时，不仅节 约了具体的生产、流通的物资，也增加社会物资财富的可调节性。企业便可 以较少的成本、更高的服务水平获取更多的利润、更强的竞争力，而且能促 使区域或国家经济的巨大发展。 库存管理是物流中的重要环节，是物流研究中的一个重要领域。其目的 是在满足顾客服务要求的前提下通过对企业的库存水平进行控制，力求尽可 能降低库存水平，提高物流系统的效率，以加强企业的竞争力。 随着我国经济与世界接轨和全球经济一体化进程的推进，社会生活因此 发生了巨大的变革。用户需求的多样性与市场变化的不确定性使企业面对一 个变化迅速而无法预测的买方市场，企业惟有运用计算机信息技术，先进的 制造技术和有效的管理方法来提高竞争力。在武钢集团实施“名牌、精品和 扩大规模”的战略中，武钢工业港作为集团公司原料进口、产品出口的门户， 采用现代物流技术，对形成工业港物流技术体系，优化港口物流模式，提高 港口物流综合通过能力，降低港口物流成本，增加利润具有重要的意义。 武钢工业港钢( 坯) 材进出口码头是武钢目前最主要的成品集散地，共有 码头两座，即三作业区8 ，9 码头。三作业区码头为两座大型栈桥式悬臂直立 码头，年设计吞吐能力1 2 0 万吨。三作业区8 码头库场为封闭式库场，库场 面积5 7 9 2 1 2 ，库场容量为1 6 0 0 0 t ，以存放出口材为主；9 码头库场为露天库 场，库场面积9 6 0 0 m 2 ，库场容量为3 5 0 0 0 t ，以存放商品材为主。8 、9 码头成 品库场是进出口钢材集散和换装过程中短期堆存的场地。库场的大小，尤其 是管理水平的高低，影响着船舶装卸效率的高低和在港停时的长短，直接影 响到三区码头的通货能力，影响到武钢产品的外发能力。 根据武钢“十一五”规划，2 0 1 0 年武钢力争实现钢产3 0 0 0 万吨以上，外 武汉理工大学硕士学位论文 发产品将远远超过工业港三区码头的设计通货能力1 2 0 万吨。即便是目前， 仅以2 0 0 0 年为例，工业港共外发钢材1 7 3 万吨，超过码头设计能力近1 3 。 三区码头的通货能力已成为武钢生产流通体系的一大瓶颈。并且，武钢工业 港第三作业区的库场管理基本上以经验的、手工操作为主，库场管理水平滞 后，存在库场作业效率低下、库场利用不充分的弊端，影响了库场通过能力 的正常发挥。 因此，为了满足武钢生产经营发展的需要，解决制约工业港第三作业区8 、 9 码头通过能力的瓶颈因素，提高库场管理的水平，开发一个以数据库为基础 的库场物流优化管理系统势在必行。 基于随机模拟的库场物流优化管理系统以现代化的管理方法替代传统的 人工经验管理，改变了武钢工业港成品库场传统的作业模式，协调库场各生 产环节。该系统不仅能实现传统管理信息系统数据存储和处理的功能，提高 工人工作效率和准确性，还通过可视化的方法实时显示经过优化配置后库场 的堆放情况，弹性定置管理大大提高了库场利用率。针对现实库场系统这种 具有诸多不确定因素的复杂离散事件系统，本文在常规库场优化管理系统的 基础上加入了对库存方案模拟的功能。根据系统随机生成库场作业所需的数 据，对管理人员设定的库存方寨进行连续的模拟，预定库存方案的模拟结果 可为企业考察库场物流通过能力和制定库存方案提供可靠的依据，并与库存 管理信息系统的其它功能联合在一起而形成的一整套的库场管理信息系统， 提高企业的库场管理决策质量，从而提高企业的库场管理水平和市场竞争力 以及经济效益。 基于随机模拟的库场物流优化管理系统结合武钢工业港成品码头及其成 品库场的实际情况，通过物流系统分析构建合理的库场物流模型、优化生产 作业方式和合理的组织管理来解决成品库场生产物流中所面临的生产能力不 足的问题，并提高库场作业效率及其合格率和准确率，降低库存成本，这对 于提高库场利用率和最大限度地提高物流通过能力有重要的现实意义。 1 2 物流管理系统概述 1 2 1 物流管理系统的发展和应用 信息系统与物流的发展相辅相成，信息系统是物流的神经中枢，它贯穿 2 武汉理工大学硕士学位论文 物流的始末。物流管理信息系统( l o g i s t i c sm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ， 简称l m i s ) 是指通过对与物流相关的信息流的加工处理来达到对物流的有效 控制和管理的人机系统。它是支撑物流合理化。提高物流效率，降低物流费 用的重要基础设施。随着信息技术特别是网络技术的不断发展完善，管理技 术的广泛应用，管理信息系统得到了促进和扩展。与此同时，经济活动的全 球化和服务业的日益壮大，为物流信息管理系统带来了前所未有的机遇和挑 战。 经典的物流信息管理系统l m i s 经历了集中式信息管理模式、分布式信息 管理模式、客户服务器模式等发展阶段。但一般来说。都是集中在一个系统 平台上。不同的l m i s 系统之间存在的系统兼容性问题，一直制约物流信息管 理水平的提高。 与传统的物流信息管理系统比较，现代的物流管理信息系统在管理和动 作时，改变了经典物流信息管理系统信息共享交流困难，传送速度慢的缺陷， 更多的表现出互操作性、系统性、智能化、自动化等多个方面，更好的满足 了物流过程具有时间的连续性、空间的位移性等特点的要求。目前物流管理 信息系统的发展主要几方面的特征是：标准化、网络化和一体化。 1 2 2 随机库存管理的重要性和必要性 库存管理是物流中的重要环节，是物流研究中的一个重要领域。把库存 量控制到最佳数量，尽量少用人力、物力、财力把库存管理好，获取最大的 供给保障，是很多企业、很多经济学家追求的目标，甚至是企业之间竞争生 存的重要一环。研究表明，在物流系统中，仓库的信息化与物流重组是整个 系统中的重中之重。因为除了运输以外，在物流作业过程中，有7 0 的作业任 务是在仓库里完成的，如理货、盘点、流通加工、配货等。 随机库存模型是库存中重要的存储模型，需求量或到货时间不确定所构 成的存储模型为随机库存模型。这种模型主要是考虑到需求量经常变化，而 且因为港口装卸作业种种因素导致货物往往不能按时送到，发生随机性的延 迟。用随机模型表示产品需求和生产过程中的延迟，较好地反映了实际系统 的不确定性，真实的反应库存系统的特点。 1 2 3 国内外研究现状 目前，现代物流被认为是降低资源消耗，提高劳动生产率之外的“第三 3 武汉理工大学硕士学位论文 利润源泉”。它作为一种新的理念，一种先进的运营组织方式、管理技术和最 为经济的综合服务模式，成为全球经济发展的热点和新经济增长点之一。物 流研究已形成了包括物流基础理论、物流技术、物流资源、物流管理、物流 实践及物流战略研究等较为庞大的知识体系。 国内外物流管理研究主要集中在物流信息技术的运用和物流管理模型构 建上，以发展现代物流的理论和运用成熟的物流信息技术来解决实际生产物 流中所出现的问题。我国物流管理从研究内容上看，以物流专题研究为主， 以物流信息技术为突破口，整合传统的仓储作业、运输组织、装卸生产作业 流程，构筑现代物流中心、配送中心的研究为主。 在物流管理的应用方面，美国、欧洲、日本及我国的香港、台湾地区较 为发达。其中著名企业有：u p s ( 美国联合包裹服务公司) 、总统轮船、f e d e x ( 美 国联邦快递公司) 、德国飞格、d p w n ( 德国邮政世界网，敦豪环球速递公司d h l 是其子公司) 、m a e r s k ( 丹麦马士基) 、英国的e x e l 、英之杰、日本通运、伊藤 忠、近铁、住友、台湾秋雨、香港保昌、铁行渣华等。当今国外物流呈现信 息化、集约化、协同化、全球化、绿色化、服务优质化、第三方物流快速发 展的趋势。 经过多年的努力，中国物流管理在基础设施方面已有长足发展，受合资、 独资的物流管理企业推动，传统运输与仓储企业( 如中远、中外运、中铁、中 邮、中储、中海运、港口、民航、中集和交通等) 实行了资产重组、流程再造 和业务转型；国内优势企业集团在市场扩展的过程中对企业物流实施流程再 造催生了象海尔、青啤、宝钢和白沙等物流企业：国内关于物流的标准、法 规等软环境也得到逐步完善；特别是各级政府在意识到物流及供应链管理对 国民经济发展的重要性后给予高度重视。 从现代物流业发展的特点看，中国物流业尚处于起步发展初期，与物流 发达国家和地区的物流发展水平相比还存在不小差距；中国物流基础设施和 装备初具规模，但内在质量及运作效率亟待提高；专业化物流服务刚刚起步， 物流服务总体质量潜力尚待大力挖掘。大力发展物流产业是提升我国企业国 际竞争力的重要手段。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 研究目标、研究内容与技术路线 1 ，3 1 论文研究目标 本文研究目标是结合武钢工业港成品码头及其成品库场的实际情况，建 立随机库存模型和库场优化决策模型，实现一个快速响应、降低库存成本、 提高经济效益和易于维护的库场物流优化管理系统。系统通过可视化的方法 使库场管理人员直观的了解经过优化配置后库场的运作状态，并采用系统模 拟的方式真实地反映出库场物流的实际状态，有利于考察库场物流的通过能 力和检验库存方案的合理性，该模拟系统的库存预警机制为企业的库存管理 提供了决策依据。基于随机模拟的库场物流优化管理系统欲结合信息技术、 计算机技术及先进的管理思想建立全功能的库场管理系统，从而改变工业港 传统的库场管理模式，使武钢工业港成品库场管理科学化，生产现代化，全 面提高成品码头的综合通过能力。 1 3 2 论文研究内容 本文研究主要内容包括： 1 ) 分析武钢工业港成品库场物流的“瓶颈”及存在的主要问题，为库 场的优化配置决策提供科学依据。 2 ) 建立库场优化决策模型，实现库场货物的弹性定置管理，最大限度地 减少货物的内部倒运，提高库场利用率。 3 ) 结合实际，分析各种货物某一段时间内的出入库量，确立随机库存模 型的概率分布，建立库场评价指标，研究随机库存的模拟实现方法。 4 ) 选择实现技术平台，根据技术平台的特点，针对前面的提出的方案进 行实验研究。 5 ) 得出实验的结果，进行模块的设计、程序的编写及测试。 1 3 3 研究方法 1 ) 通过i n t e r n e t 、文献资料查阅等了解国内外研究最新动态； 2 ) 深入武钢工业港进行实地调研，了解钢铁企业库场和码头的物流现状 和物流管理方式；对工业港码头和库场进行实地观测和调查，收集库场物流 作业流程和信息单证传递流程等数据信息，并对影响成品库场生产的因素和 5 武汉理工大学硕士学位论文 随机因素进行分析； 3 ) 系统优化分析，构建库场堆码优化模型和随机库存模型； 4 ) 理论分析，确定每个模块之间的关系和实现的方法； 5 ) 专家咨询； 6 ) 分析研究，撰写报告。 1 3 4 技术路线 图卜1 技术路线 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 系统开发方法及过程 1 4 1 信息系统开发方法综述 基于系统生命周期的结构化方法为信息系统建设提供了规范的步骤、准 则与工具，成为7 0 年代系统建设的主流方法。 8 0 代初发展起来一种新的开发方法一原型法。原型法是通过快速建立并 供用户使用的原型反映用户的信息需求，该方法加快了系统开发过程中用户 需求的获取，有助于解决一些规模不大但不确定因素较多的管理决策问题， 在一定程度上提高了系统开发的效率和有效性。 8 0 年代后期，面向对象方法得到了较大的发展。面向对象方法的出发点 和基本原则是使描述问题的问题空间和解决问题的方法空间在结构上尽可能 一致，也就是说，使人们分板、设计和实现信息系统的方法与认识客观世界 的实际过程尽可能接近。该方法主要包括面向对象分析、面向对象设计及面 向对象编程。 l l 无序状态 l l - - - - - - - - - - - - - - - _ r 1 l - i 结构化生命周期法i l - - - - _ j r 1 。1 i 原型化方法 i - _ j r 1 l i 面向对象法 i l - - - - - - - - - - - - - - - _ j r 1 _ - i c a s e 方法 i i - - - - - - - - - - ，- - - - - j r 。1 。1 l _ i 并行及结合式方法等f 图卜2 系统开发方法的发展 近年来，随着计算机技术的发展，系统开发工作的自动化、计算机化成 为提高系统开发效率和质量的重要途径。计算机辅助软件工程是当前信息系 统领域和计算机应用领域的热门课题。c a s e 技术的目标是实现系统开发生命 周期内各阶段工作基于计算机的自动化，目前，许多支持系统开发各个环节 上的c a s e 工具已相继推出，并还在继续发展之中，这将导致系统开发工作的 根本变化。 目前，系统生命周期法、原型法，面向对象的方法和c a s e 方法构成了信 7 武汉理工大学硕士学位论文 息系统开发方法的主流。经过发展，生命周期法已经被结构化系统开发取代， 原型化方法也发展为快速原型法，面向对象技术更是出现百花齐放，百家争 鸣的现象。 另外，经过业内人士的努力，近年又出现了一些新的开发方法，如“并 行式”开发方法，“结合式”开发方法等。但这些方法无论在理论上还是在实 践上还处于发展的初级阶段，还不成熟。 1 4 2 面向对象开发方法介绍 本系统的开发采用的是面向对象开发方法。面向对象建模与仿真是将面 向对象技术应用于仿真而形成的一个研究分支，与传统仿真方法相比较，面 向对象仿真方法有如下几个特点： i ) 面向对象仿真方法使建模和仿真过程与人们对现实世界的认识过程相 一致。仿真用户利用直观的对象概念来建立仿真模型，且仿真模型中的对象 表示实际系统中的实体，从而减小( 或消除) 了物理模型与计算机模型概念之 间的差距，使建模与仿真过程十分自然、直观。 2 ) 面向对象仿真方法强调的是系统总体结构，而不是系统涉及的过程。 通过数据抽象和封装等技术，使得对象成为仿真模型的主要因素，即对象成 为系统的基本成员。整个仿真系统的行为表现为对象之间的交互行为，使得 仿真系统自然模块化。 3 ) 利用面向对象方法的继承性，使仿真系统十分容易扩充。同时，利用 对象层次结构的合理设计，可以达到最高的代码重用率。面向对象仿真系统 这种内在的可扩充性和可重用性，有利于可视化建模仿真环境的建立，为大 型复杂系统的仿真研究提供了方便的手段。 由于面向对象分析、设计、编程、维护均以对象作为系统的基本构件， 对象的稳定性和相对独立性使系统具有一种宏观的稳定效果。 面向对象方法在数据库技术中也得到了广泛的应用，面向对象的数据库 已经大量涌入市场。新推出的软件工具大多支持面向对象的开发，为信息系 统的开发人员提供了极大的方便。目前专业化通用开发的软件工具有v i s u a l c + + 、p o w e rb u i i d e r 、d e l p h i 、v i s u a lb a s i c 和v i s u a lf o x p r o 等。这些工 具不仅为数据库和资源信息系统的开发带来了高效率、高稳定性和可维护性， 而且使部件的重复使用和移植更易于实现。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 3 开发工具及开发流程 由于b l i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 具有编译速度快，编写程序方便快捷， 开发的产品有良好的图形用户界面以及与数据库的接口完备的等特点，本系 统选择v i s u a lb a s i c 为前端开发工具，a c c e s s2 0 0 3 作为后台数据库，运用 面向对象的分析方法设计出来的。系统的开发流程图见图1 - 3 。 1 5 研究结论 图1 - 3 系统的开发流程 ( 1 ) 对库场物流作业的状况进行分析，得出现行库场物流系统存在库存 能力信息滞后、库场管理人员工作效率低下和库存方案不合理等问题； ( 2 ) 针对存在问题提出解决的方法，并对库存实现定制管理，按照算法 优化后的堆放方式重新分配库存，最后得出堆放规则，如同票货或同种类货 物尽量摆放在一起，并要求货物摆放具有连续性等； ( 3 ) 开发基于随机模拟的库场物流优化管理系统软件； ( 4 ) 对定制的库存方案进行随机模拟，生成的库存能力信息等数据表明， 该系统能较真切的反映库场的实际情况，并通过对多个库存方案模拟结果的 比对，库场物流通过能力得到了提高。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统模拟理论与方法概述 2 1 系统模拟的概念 系统模拟就是在建立数学逻辑模型的基础上，通过计算机实验，对一个 系统按照一定的决策原则或作业规则由一个状态变换为另一个状态的动态行 为进行描述和分析。 系统是按照某些规律结合起来，互相作用，互相依存的要素的集合和总 和。系统经常受到系统以外因素的影响，而使实体、属性引起系统的变化。 对于一个管理系统来说，它与外部环境之间或各组成部分之间存在着一定数 学的或逻辑的关系。可以综合运用定性分析和定量分析的方法，建立一定的 数学逻辑模型去正确表述这些数学逻辑关系，以反映系统的本质，探索其运 动规律。 2 2 系统模拟的类型 系统模拟存在有三种类型：离散型，连续型，离散一连续复合型。通常 模拟时间是系统模拟的主要自变量，其它的变量为因变量，因变量是模拟时 间的函数。系统模拟的类型往往与因变量的特点有关。 2 2 1 离散型模拟 在离散型模拟中，因变量在与事件时闾有关的具体模拟时间点呈离散性 交化，而模拟时间可以是连续性的或离散性的，这取决于因变量的离散性变 化可以在任何时间点发生或仅能在某些特殊时间点发生，大量的管理系统可以采 用离散型模拟进行研究。图2 - 1 表示了离散型模拟的因变量与模拟时间的关系。 图2 - 1 离散型模拟 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 连续型模拟 在连续型模拟中，因变量随模拟时间呈连续性变化。同样地，模拟时间 - - p a 是连续的，也可以是离散性的。图2 2 和2 3 分别表示了具有连续模拟 时间或离散模拟时间的连续型模拟的因变量与模拟时间的关系。 八。 u 帅7 图2 2 连续型模拟( 连续模拟时间) 图2 - 3 连续型模拟( 离散模拟时间) 2 ，2 3 复合型模拟 在复合型模拟中，因变量可以作连续 性及离散性的变化，或者作连续性变化并 有离散性突变。它的自变量一一模拟时间 可以是连续性或离散性的。图2 - 4 表示了 复合型模拟的一例一一个库存控制系统 的模拟。在这个库存控制系统中，由于满 足用户需求或生产的耗用，库存量随着时 间作连续性交化( 减少) 。 2 3 离散系统模拟模型 图2 4 复合型模拟 离散型模拟的重要特点在于所模拟的系统的状态呈离散性变化。它要涉及 实体、属性、活动、过程、状态、事件等等概念，已在前面作了说明。在这 里，要强调指出，事件是极其重要的概念事件是引起系统状态发生离散性 变化的事实。发生事件的事件点称为事件时间。一个事件可以是一个实体的 产生或消失，实体的属性值的变化，或者一项活动的开始或结束。 建立一个离散型模拟模型，主要是规定系统状态可能发生改变的事件以 及确定与每类事件相关的逻辑关系，按照在一定时间序列中每种事物的逻辑 武汉理工大学硕士学位论文 关系，引起系统状态发生变化。从而对系统的状态进行动态写照，于是形成 模拟过程。 在离散事件型模拟中，系统的状态是通过变量以及具有参数并且属于一 定文件的实体来表述的，在模拟之前，要对系统状态进行初始化。其中包含 对模拟变量赋初值，产生初始实体，安排初始事件等。在模拟进行过程中， 随着实体的运动，系统由一个状态变化为另一个状态，并且系统的状态变化 只发生于事件时间点，它们是活动的开始或结束。模拟程序的主要功能在于 随着仿真时钟的向前推移，按照模型规定的数学逻辑关系，安排和处理相应 的事件，直至模拟过程终止。 系统的状态通常表示为时间的函数。这里有两种时问需要加以区别：模 拟时间和计算机时间。模拟时间是指模型所规定的模拟时间，它等于设定的 模拟开始时间与模拟终止时间之间的差别，以年、月、日、时、分、秒等表 示。而计算机时间是指在计算机上进行该项模拟所占用的时间。 2 4 确定型系统和随机型系统 确定型系统中，一个新的系统状态是由先前的状态和活动来确定的。换 句话说，一个确定型系统的发生是由响应一个给定的活动决定的，从一个状 态到另一个状态实现确定型的方式。这类系统如图2 5 所示。图中s 。是活动 a 之前的系统状态，而s 。是活动a 出现之后系统的状态。 图2 - 5 确定型系统图2 - 6 随机型系统 随机型系统包含一个使其从一个状态转交到另一个状态的随机变量。在 该情况种，概率是已知的或能确定的。图2 - 6 所示随机型系统，s 。和s 。”是在 状态s 。响应活动a 以后，系统可能进入的两个状态。因此，一个随机型系统 就意味着，即使当前的状态和活动是已知的，下一个状态也是不能明白地表 示地一个系统，但是可以确定的。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 随机数的生成 2 5 1 随机数发生器 在计算机上依照确定算法产生的均匀随机数，它们具有类似于均匀随机 变量的独立抽样序列的性质，因此通常把这种用数学方法产生的随机数称为 伪随机数。利用计算机产生随机数的方法称为随机数发生器，它是使用最广 泛、发展最快的一类方法，如今己经出现各种各样的均匀随机数发生器。大 致分为以下几类常见的均匀随机数发生器：线性同余发生器、位移寄存器发 生器、组合发生器、非线性同余发生器和其它类型发生器。以下章节将对前 三种随机数发生器进行简要的介绍。 2 5 2 均匀随机数的产生 均匀随机数是产生其它随机数的基础，很多其它分布如正态分布，指数 分布，g a m m a 分布等的随机数都可以用均匀随机数经过变换得到，因此产生 大量的相互独立的均匀随机数至关重要。 2 5 2 1 线性同余发生器 线性同余法是目前应用最广泛的方法之一，简称为l c g ，它是利用数论 中的同余运算来产生随机数，故称为同余发生器，包括同余与线性同余法， 混合同余法，乘同余法和素数模乘同余法。 1 ) 同余与线性同余法 同余与线性同余法的一般递推公式为： i x n = ( 蹋一1 _ c ) ( m o d m ) ， i n = 勘，m ，( 栉= 1 2 ) ( 2 1 ) 【初值睫。 其中m 为模数，4 为乘子，c 为增量，且如、m 、a 、c 均为非负整数。 由( 2 1 ) 式产生的赫( r - - - - l ，2 ) 满足：o x n m ，从而h e 【o ，1 】。 2 ) 混合同余法 同余与线性同余法产生的均匀随机数有一个缺点就是周期不长，统计性 质也没有那么好，混合同余法就是适当的选取参数口、c 、x o 使产生的均匀随 机数尽量满足上节中提到的性质。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 满周期混合式l c g 为使混合l c g 达到满周期，参数可取为： f m = 2 l ( 三为整数的尾数字长) ， i a = 4 a + l ，口为任意正整数，11 、 ic = 2 , 0 + 1 ，为任意正整数， ix o 为任意非负整数 此时混合l c g 的递推公式可写成： j x n = ( ( 4 岱+ 1 ) 知一l + ( 2 + 1 ) ) ( m o d 2 ) ， h = 赫2 = 1 2 ) ， ix o 为任意非负整数 l 统计性质优的l c g 为使混合l c g 的统计性质优，各参数可以选取如下： im = 2 l 。蛳为任意非负整数， 盯= 8 x m 6 4 n + 5 ， l c = 2 x m 2 x o 2 1 1 3 2 4 8 6 5 + 1 ( 2 3 ) ( 2 ，4 ) 乘同余法 在( 2 1 ) 式中当c - - o 时的l c g 方法称为乘同余法。即： i x n = ( a 飘一o ( m o d 肘) ， ( 地) = l ( 2 5 ) l 湘为非负整数 其中a = 5 2 x + lm = 2 l ，下面是实验中取的参数： 上：1 2 、1 3 、1 4 s ：2 ，3 a = 5 “”：3 1 2 5 、7 8 1 2 5 素数模乘同余法 在乘同余法中，取m = 2 。并不是最好的方法，它与满周期相差较大。素 数模乘同余法是精心挑选m 和a ，比如取膨为小于2 的最大素数，将得到 t = m 一1 ，且统计性能优的乘同余发生器。 递推公式如( 2 1 ) ，实验中选取的参数如下： 当l = 3 5 时，取m - 2 ”- - 3 1 = 3 4 3 5 9 7 3 8 3 7 ，a = 2 5 = 3 1 2 5 ； 当上= 3 1 时，取竹- 2 ”一1 = 2 1 4 7 4 8 3 6 4 7 ： a 取1 6 8 0 7 、3 9 7 2 0 4 0 9 4 、7 6 4 2 6 1 1 2 3 、6 3 0 3 6 0 0 1 6 中的任意一个。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 2 2 反馈位移寄存器法 用线性同余法产生随机数有一些缺点，主要是用l c g 方法产生的均匀随 机数作为所( m 1 ) 维均匀随机变量时相关性较大，其次是用l c g 方法产生的 均匀随机数列的周期与计算机字长有关，在整数的尾数字长为l 位的计算机 上，不可能得到t 2 。的均匀随机数列。陶恩沃思提出了反馈位移寄存器法， 通过对寄存器进行位移，直接在存储单元中形成随机数。它包括f s r 方法和 g f s r 方法。 1 ) f s r 方法 ( 1 ) 彳( - m ，0 h = ( w 一) 2 ) ，得彳= ( 函，a n + ，一1 ) ( 不包括符号位) ； ( 2 ) b = a ，将e 莹移g 位，右边g 位充以0 ，得占= ( 踟+ 叮，a n + ，】，o ，o ) ，这一步 可用占+ a 2 9 来实现； 一叮位 雅 ( 3 ) a = a 0 置得0 = ( 函+ ，幽+ p + ( ，一q ) b 幽+ ，一即，a n + p 1 ) ，这一步可以通过 逻辑变量与整型变量的等价关系而由逻辑运算来实现； ( 4 ) b = a ，将b 右移p g 位，左边p 一旦位充以0 ，得b = ( o 0 0 ，m + ”a n + ，+ g 一1 ) ， 这一步可甩丑= 彳，2 9 1 实现： 社9 非 ( 5 ) a = a o 及得0 = ( 幽j 彳，a n + 2 , 0 - q - i ，a n 2 p ，m + 2 p - 1 ) 即在寄存器中存放 的数就是 + i = ( w h + p ) 2 ，这一步也可以通过逻辑变量与整型变量的等价关系而由逻辑 运算来实现： ( 6 ) 重复( 2 h 5 ) ，得数列 p ，令r n - - - - y 2 9 ，则( ) 为所求的均匀随机数列。 2 ) g f s r 方法 对以上的f s r 方法进行简化，寄存器中的二进制直接用递推公式 幽+ p = m 0 踟+ p = 1 2 ) 计算，这种改进的方法称为g f s r 方法。g f s r 方法 对整数列t p ，有如下的递推公式。p + p = 勋o p + ，伪= l ，2 ) ，用g f s r 产生随 机数的步骤如下： ( 1 ) 先产生阶随机整数( 初值) ：y t ，y 2 ，。伽这外取值在( o ，2 ”1 ) 的随机数可通过同 余法来产生： ( 2 ) 枷+ p = 弦。弦+ ，依次产生 + “栉= 1 2 ) ( 3 ) 令 = 弦2 9 ，则 即为均匀随机数列。 2 5 2 3 组合发生器 把多个独立的随机数发生器以某种方式组合在一起来产生随机数，希望能 得到比任何一个单独的随机数发生器得到周期更长，统计性质更优的随