物流系统建模与仿真.pptx

系统建模基础 系统概述 从系统工程角度 物流系统分析系统模型与系统仿真物流系统模型物流系统建模技术 一 系统与系统工程 系统工程 SystemsEngineering 是在系统思想的指导下 综合应用自然科学和社会科学中的有关的先进思想 理论 方法和工具 对系统的结构 功能 要素 信息和反馈等 运用多学科成果 进行分析 处理和解决实际问题 以达到最优规划 最优设计 最优管理和最优控制的目的 1 系统 由两个以上相互区别或相互作用的单元 子系统 之间有机的结合起来 完成某一功能的综合体 2 系统的模式 系统三要素 输入 处理 输出 3 系统的结构与特点 研究组成系统的各元素之间的关系 是研究系统的中心问题 也是分析和改善系统的关键 4 系统的特征 1 系统的目的性式中 表示系统的总目标 是系统的任意一个分目标 表示系统的分目标数 2 系统的集合性式中 表示元素的集合 表征某个系统 是集合中的某一个元素 表示集合中的元素数 3 系统的相关性系统的相关性是用来说明组成元素之间相互联系 相互依赖 相互制约 相互作用的关系的 4 系统的层次性 5 系统的整体性 6 系统对环境的适应性 5 系统的分类 1 确定型系统和随机型系统 2 连续型系统和离散型系统 3 简单系统和复杂系统 6 物流系统的构成 最少 效果最佳 物流系统服务性的衡量标准 对用户订货能很快进行配送接受客户订货时商品的在库率高运送中交通事故 货损 丢失和发送错误少保管中变质 丢失 破损少具有能很好实现运送 保管功能的包装装卸搬运功能满足运送和保管的要求能提供保障物流活动流畅进行的物流信息系统 能及时反馈信息合理的流通加工 以保证生产费 物流费之和最少 7 系统工程的核心内容 运筹学 用数学的方法来寻求合理利用现有人力 物力 财力的最优工作方案 统筹规划和有效的运用 以达到用最少的费用取得最大的效果 综合应用方法 强调运用各个学科和各个技术领域内所获得的成就和方法 使得各种方法相互配合 达到系统工程最优化 系统管理理论 把研究的对象和研究过程看作一个整体 8 系统工程的方法论及原则 方法论 为了达到系统的预期目标 运用系统工程思想极其技术内容解决问题的工作步骤 系统工程的原则 1 由粗到细的原则 先搭建构想框架 再逐步细化到具体的方案 2 相互结合的原则 善于将看似无关的问题联系起来考虑 找出它们的之间的内在规律 3 系统目标优化的原则 取得每个项目的开发 设计 制作和运用 管理和决策的最优化目标 4 系统分解 协调和综合的原则 做好系统的结构 功能 指标等的分解 做好系统的内部与外部协调以及各方面的综合工作 5 系统创造思维原则 对新的事物给以旧的和新的解释及解决 从而创造出新理论 新技术 9 物流系统工程的含义 物流系统工程是指在物流管理中 从物流系统的整体利益出发 把物流与信息融为一体 运用系统工程的理论和方法 为物流系统的规划 管理和控制选择最优方案 物流系统工程要解决的问题是 解决物流系统的最优控制 最优设计 最优管理问题 解决物流系统的规划 计划 预测 分析和评价问题 物流系统工程的方法 物流系统分析的方法 物流系统评价的方法 物流系统预测的方法 物流系统决策的方法 物流系统优化的方法 物流系统网络分析的方法 物流系统模拟的方法 物流系统排队的方法 10 物流系统工程的程序 物流系统工程结构图 11 物流工程技术 一 物流系统分解技术将复杂的物流大系统分解成若干相对简单的子系统 再根据大系统的总体目标和要求不断协调各个子系统的相互关系 达到物流系统的费用省 服务好 效益高的总目标 二 物流系统仿真技术通过实验来求解问题的技术 比较真实的描述系统的运行 演变以及发展过程 三 物流系统的最优化技术对众多的物流方案进行研究 从中选择一个最优的方案 四 物流系统网络技术合理设计网络问题 以网络分析为主要内容 以电子计算机为先进手段来经营和管理物流活动 二 物流系统分析 物流系统分析的基本含义物流系统分析就是针对物流系统内所存在的基本问题 用系统观点进行逻辑推理 在确定与不确定的条件下 探索可能采取的方案 通过分析对比 为达到物流系统的预期目标选出最优方案的一种技术经济方法 物流系统分析 概念 系统问题 最优系统方案 系统分析 搬运系统系统布置物流预测生产 库存系统等 物流系统分析的要点 解决问题的 6WH 即 What Why When Who Where How 项目的对象是什么 即要干什么 What 这个项目何以需要 即为什么这样干 Why 它在什么时候和在什么样的情况下使用 即何时干 When 使用的场所在哪里 即在何处干 Where 是以谁为对象的物流系统 即谁来干 Who 怎样做才能解决问题 即如何干 How 物流系统分析的步骤 1 问题构成与目标确定当研究分析的问题确定以后 首先要将问题作成物流系统与合乎逻辑的叙述 以便进行分析研究 2 搜集资料探索可行方案在问题构成之后 就要根据当前物流系统运作过程中所产生问题的性质以及预期目标的要求 建立起抽象 简洁而又充分体现物流系统相关特性的若干方案 3 综合评价对比物流系统各可行性方案 详细考虑成本 效益等因素 权衡各方案的利弊得失 由此选出最优方案 系统分析作用 图2 6系统开发的程序图 系统分析的特点 以整体为目标以特定问题为对象运用定量方法凭借价值判断 系统分析的要素 5要素目标替代方案模型费用和效益评价标准 生产经营活动的逻辑模型 系统分析的原则 外部条件与内部条件相结合当前利益与长远利益相结合子系统与整个系统相结合定量分析与定性分析相结合 系统分析的过程 物流系统分析的技术方法 系统模型 1 实物模型 现实系统的缩放 表明主要特性和各部分关系 优点 形象 缺点 不易说明数量关系 尤其是不能揭示内在联系 也不能用于优化 2 图示模型 网络图 物流图优点 直观 简单 缺点 不易优化 所变量因素数量限制 维数 2 3 模拟模型 4 数学模型 三 物流系统模型 1 系统模型的定义模型是为了了解系统的结构和行为通过抽象 归纳 演绎 类比等方法 用适当的表现形式描述出来的仿制品 即模型是把对象实体通过适当的过滤 用适当的表现规则描绘出的简洁的模仿品 通过这个模仿品 人们可以了解到所研究实体的本质 而且在形式上便于人们对实体进行分析和处理 模型的特点 1 它们都是被研究对象的模仿和抽象 2 它们都是由与研究目的有关的 反映被研究对象某些特征的主要因素构成的 3 反映被研究对象各部分之间的关联 体现系统的整体特征 使用模型的意义 首先 客观实体系统很难作试验 或者根本不能作试验 其次 对象问题虽然可以作试验 但是利用模型更便于理解 第三 模型易于操作 利用模型的参数变化来了解现实问题的本质和规律更加经济方便 因此 在系统分析中模型被广泛地应用 2 系统模型的分类 按照模型的形式分 模型有抽象模型和形象模型 1 抽象模型用概念 原理 方法等非物质形态对系统进行描述所得到的模型 一般来讲抽象模型没有具体的物理结构 如用数学方法描述的模型 用逻辑关系描述的框图 用类比方法描述的类比模型等 数学模型图形模型计算机程序概念模型 2 形象模型形象模型分为模拟模型和实物模型 前者的特点是具有物理结构 故又称物理模型 3 系统建模的一般过程 模型化的过程是对现实系统进行分析和观察 通过概念化获取信息 这是对系统的认识过程 对获取的信息经加工 处理 进一步深化认识后抽象出模型并用确定的形式进行描述 这是提高认识的过程 由于对系统的认识是逐步提高的 因此模型化的过程是认识 提高 再认识 再提高的过程 4 常用建模方法 1 直接分析法 2 数据分析法 3 实验分析法 4 主观想象法 5 人工实现法 6 模拟分析法 5 物流系统模型 1 物流系统模型定义和特征物流系统模型是对物流系统的特征要素 变化规律和相关信息的一种抽象表达 它反映了物流系统的某些本质属性 描述了物流系统各要素间的相互关系 系统与环境之间的相互作用 反映了所研究的物流系统的主要特征 物流系统模型具有如下三个特征 1 实体的抽象或模仿 2 由与分析问题有关的因素所组成 3 表明因素间的关系 2 物流系统模型分类 3 建立物流系统模型的必要性1 模型比实体要简洁得多 它所表达的因素也只是现实物理系统中所有因素的主要部分 2 人们通过建立和不断改进模型 进一步理解和认识物流系统的真实情况 3 建立物流系统的模型是物流合理化的重要前提 4 建立物流系统的模型可以大大简化现有物流系统或新的物流系统的分析过程 加快物流系统的分析过程 Models 所要研究的系统 抽象Assumptionsaboutthenatureofthesystem Entity Entity Entity 模型 Relationships Relationships Relationships 所设想的行为 目标 性能度量 7 物流系统建模步骤 1 弄清问题 掌握真实情况 要清晰准确地了解系统的规模 目的和范围以及判定准则 确定输出输入变量及其表达形式 2 搜集资料 搜集真实可靠的资料 对资料进行分类 概括出本质内涵 对已研究过或成熟的经验知识和实例进行挑选作为基本资料 供新模型选择和借鉴 3 确定因素之间的关系 确定本质因素之间的相互关系 列出必要的表格 绘制图形和曲线等 4 构造模型 构造一个能代表所研究系统的数量变换数学模型 这个模型可能是初步的 简单的 如初等函数模型 5 求解模型 用解析法或数值法求解模型最优解 对于较复杂的模型 有时需编出框图和计算机程序来求解 6 检验模型的正确性 检验模型是否在一定精确度的范围内正确地反映了所研究的问题 同时进行必要修正和反复订正后投入使用 建模的理由 减小风险了解和表示知识解释 Whatif 首先必须解释 whatis 改进系统的日常运作 8 建立物流系统模型的原则 准确性 模型必须反映现实系统的本质规律 合乎科学根据 合乎科学规律和经济规律 可靠性 模型必须反映事物的本质 且有一定的精度 简明性 模型的表达式应明确 简单 抓住本质 实用性 使模型标准化 规范化 尽量采用已有模型 反馈性 建模时要注意灵敏问题 即留心哪些参数或变量的改变对模型影响特别敏感 1 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的数量关系 求得最优决策 2 模型仿真方法 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内部状态和输入 输出之间的关系 以便通过计算机对模型进行试验 通过实验取得改善物流系统或设计物流系统所需要的信息 3 启发式方法 运用一些经验法则来降低优化模型的数学精确程度 并通过模拟人的跟踪校正过程求出物流系统的满意解 4 其它建模方法 如用于预测的统计分析法 用于评价的加权函数法 功效系统法及模糊数学方法等 9 物流系统的一般建模方法 10 物流系统模拟技术的应用 1 物流系统规划与设计2 物料控制3 物料运输调度4 物流成本估算 11 物流系统模型的主要参数 1 周期数 物流系统的决策与运行都是离散的 假设其订货或者业务处理是遵循一定的节奏和周期 因此物流过程在时间上可以使用周期数来表示 2 库存量 库存是物流系统的重要环节 是保证物流系统不同环节藕合的重要部分 每一个时刻的库存量是物流系统的重要参数 3 初始库存 在一个物流系统的运作的初期 每一个仓库需要有一定的初始库存用以防止在系统运作初期的波动 4 库存价格 单位产品单位时间所需要耗费的库存费用 5 库存成本 一个仓库里的库存对象在一个周期中发生的库存费用 库存成本是物流系统费用的重要组成部分 压缩库存成本是物流管理的重要工作 6 进 出 货量 一个时刻进出某个物流环节的货物数量 7 延迟时间 包括决策延迟时间与运输延迟时间 在的模型中 运输环节抽象为时间和费用两个因素 因此 其用运输延迟和运输成本来表示 8 运输价格 单位产品在某一个运输环节通过所需要的运输费用 9 运输成本 一个运输环节的运输对象在一个周期中发生的运输费用 10 总成本 物流系统运作发生的总成本 由库存成本 运输成本等物流成本组成 12 物流系统的常用模型 1 资源分配型2 存储型3 输送型4 等待服务型5 指配型6 决策型7 其他模型 四 系统仿真 仿真的定义1961年G W Morgenthater 仿真意指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现 1978年Korn在 连续系统仿真 一述中将仿真定义为 用能代表所研究的系统的模型做实验 1984年Oren提出 仿真是一种基于模型的活动 被认为是现代仿真技术的一个重要概念 仿真是对真实世界的模拟 基本共同观点是 仿真是基于模型进行的 1 系统 模型与仿真 模型与仿真这一领域的发展可分为两个阶段 其一是计算机出现之前 主要是在物理科学基础上的建模 其二是20世纪40年代计算机诞生以后 出现了计算机仿真技术 它的发展也促进了建模技术的发展 系统 模型及仿真三者之间有着密切的关系 系统是研究对象 模型是系统抽象 仿真则是通过对模型的实验以达到研究系统的目的 根据仿真所依据的模型的不同 仿真可以分为物理仿真 数学仿真以及半实物仿真 根据仿真时钟与实际时钟的比例关系可分为 实时仿真 亚实时仿真以及超实时仿真 物理仿真是按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型 并在物理描写模型上进行实验的过程 数学仿真是在对系统进行抽象 并将其特性用数学关系式加以描述得到系统的数学模型的基础上 对数学模型进行实验的过程 数学仿真也称为计算机仿真半实物仿真是数学仿真与物理仿真的结合甚至实物联合起来进行实验的过程 实时仿真 仿真时钟与实际时钟完全一致 也就是模型仿真的速度与实际系统运行的速度相同 当被仿真的系统中存在物理模型或实物时 必须进行实时仿真 例如各种训练仿真器就是这样 有时又称在线仿真 亚实时仿真 仿真时钟慢于实际时钟 对于仿真速度要求不苛刻的情况下均是亚实时仿真 例如大多数系统离线研究与分析 有时也称为离线仿真 超实时仿真 仿真时钟快于实际时钟 例如大气环流的仿真以及交通系统的仿真 2 系统仿真的一般方法与步骤 系统仿真的过程就是建立系统模型并通过模型在计算机上的运行来对模型进行检验和修正 使模型不断趋于完善的过程 1 系统定义 在试图求解问题以前 要详细地定义系统 定义一个系统时首先必须提出明确的准则来描述系统目标及是否达到目标的衡量标准 其次必须描述系统的约束条件 然后要确定研究的范围 即确定哪些实体属于要研究的系统 哪些属于系统的环境 2 构造模型 构造模型时要把真实系统缩小抽象 使它规范化 必须确定模型的要素 变量和参数以及它们之间的关系 在一定的约束条件下用数学模型描述所研究的系统 确定系统以下几个结构要素 1 系统的 实体 2 抽象出系统关键实体的属性 3 定义各种活动或事件 4 描述活动与实体之间的关系 3 数据准备 数据准备包括收集数据和决定在模型中如何使用这些数据 收集数据是系统研究的一个组成部分 必须收集所研究系统的输入 输出各项数据以及描述系统各部分之间关系的数据 收集仿真数据要花费很多时间和费用 因此 必须有效地进行