交通运输系统管理03

1、系统仿真 概念 仿真分类 工作步骤 离散系统仿真 仿真算法 12021-5-12 第1页/共71页 2 系统仿真概念 根据系统分析的目的，在分析系统各 要素性质及其相互关系的基础上，建立仿 真模型，描述系统结构或行为过程，据此 进行虚拟试验，再进行定量分析，以获得 各种系统的结构或行为信息。 第2页/共71页 7.3物流系统仿真物流系统仿真 系统仿真概念系统仿真概念 物流系统仿真是物流系统仿真是借助计算机仿真技术，对物流系统借助计算机仿真技术，对物流系统 建模并进行实验，得到各种动态活动及其过程的瞬建模并进行实验，得到各种动态活动及其过程的瞬 间仿效记录，进而研究物流系统性能的方法间仿效记录，

2、进而研究物流系统性能的方法 (GB/T18354-2006)(GB/T18354-2006)。 物流仿真常用的软件有Arena、Flexsim、AutoMod等。 第3页/共71页 系统仿真的实质 针对一些复杂的随机问题，仿真的过程也是虚 拟实验的过程，仿真实验不是依据实际环境， 而是依据模型进行实验。 仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及 其发展过程。因此，仿真也是收集系统运行信 息的过程，能够提供令人满意的系统行为信息。 当无法通过数学方法求解时，仿真技术是一种 对系统问题求数值解的计算技术。 42021-5-12 第4页/共71页 系统仿真的作用 对一些难以建立物理模型和数学模型的复

3、杂系统， 可通过仿真模型来预测、分析和评价系统的结构 和行为。 暴露出原系统中隐藏着的一些问题； 启发新的思想或产生新的解决问题的策略； 验证解决问题的思路和方案的有效性。 52021-5-12 第5页/共71页 系系 统统 仿仿 真真 工工 作作 步步 骤骤 第6页/共71页 仿真系统分类 连续系统仿真： 化工工艺 液压 电子 离散事件系统仿真： 生产线、物流、仓库 银行、机场、税务大厅等服务窗口 72021-5-12 第7页/共71页 8 连续系统仿真连续系统仿真 定义：系统中状态变量随时间而连续变化的系统。 基本思想：将用微分方程所描述的系统转变为能在计 算机上运行的模型，然后进行编程、

4、运行，以得到连 续系统的变化发展结果。 特点： n由于连续系统数学模型主要描述每一实体的变化速 率，故其系统模型通常是由微分方程组成。 n当系统比较复杂时，微分方程很难求解，需要采用 仿真方法求解。 第8页/共71页 9 离散事件系统仿真离散事件系统仿真 定义：系统状态变量只在一些离散的时间点上发生变化的系统。 特点： p 系统只考虑一些离散的时间点上发生变化， p 输入变量为随机变量，输出也往往为随机变量， p 描述方式是表示前后逻辑关系的流程图。 第9页/共71页 10 离散事件系统仿真离散事件系统仿真 基本思想： p 画出系统工作的流程图； p 描述 到达模式 （输入）、服务模式（输出）

5、、排队规则等系统活动； p 根据上述仿真模型编程， p 在计算机上运行，记录结果 p 分析仿真结果。 第10页/共71页 离散事件系统的基本要素离散事件系统的基本要素 实体：工件、车床 属性：到达间隔时间、加工时间 状态：操作、空闲、维修 事件：工件到达、工件加工完毕 活动：车床处于“开动”活动（状态）中 进程：工件经过一系列加工活动（车、铣、刨、抛光、打码等） 112021-5-12 第11页/共71页 离散事件系统的基本要素离散事件系统的基本要素 事件、活动、进程之间的关系 122021-5-12 第12页/共71页 事件、活动、进程之间的关系 132021-5-12 进程 排队活动服务活

6、动 顾客到达事件服务开始事件服务结束事件 离散事件系统中的实体、事件、活动和进程 实体：顾客、服务台 第13页/共71页 离散事件系统的基本要素离散事件系统的基本要素 实体： 永久实体：货位、运输车辆、车床 临时实体：货物、零件 142021-5-12 第14页/共71页 离散事件系统的基本要素离散事件系统的基本要素 属性 几何、物理属性（尺寸、颜色、质量、含水率、存储温度范围） 时间属性（到达时间间隔、平均加工时间、加工时间概率分布、标准差、提 前订货期） 成本属性（存储成本、搬运成本、货损、运输成本） 状态：在某个时段（时间区间），对实体的所有属性的描述。 152021-5-12 关关 注

7、注 第15页/共71页 离散事件系统的基本要素离散事件系统的基本要素 事件：在某个时间点，系统状态产生变化 系统行为事件：系统运行固有的，事件发生引起系统状态变化（货物入库、 零件检查开始、零件检查结束） 确定事件：顾客到达 条件事件：顾客到1号窗口 仿真程序事件：不是系统运行固有的，纯粹为了控制仿真程序运行而设立 的（如仿真开始、仿真结束） 162021-5-12 第16页/共71页 离散事件系统的基本要素离散事件系统的基本要素 活动：两个事件之间的过程；系统从一个状态转移到另一个状态的中间过程（针对一个时间区间） 空闲：（货位空、机器处于空闲状态、柜台前无人） 非空闲：正处于某种动作或加工

8、中（机器正在切削，货位正被占用、车辆正在行驶） 172021-5-12 第17页/共71页 离散事件系统的基本要素离散事件系统的基本要素 进程（过程）：一个实体经过了一系列事件（活动），完成了某项生产、服务、管理任务。 182021-5-12 第18页/共71页 19 系统仿真在物流管理中的典型应用系统仿真在物流管理中的典型应用 （1）排队（生产线、机场柜台、医院挂号） （2）库存（中央仓库、码头堆场） 第19页/共71页 离散事件系统仿真典型系统（离散事件系统仿真典型系统（1 1） 排队系统 到达模式（随机分布） 服务模式（随机分布） 排队规则：FIFO，LIFO，按优先级 输出参数（统计数

9、据）：实体平均等待时间、实体平均通过系统时间、实体排队平均长度、系统中滞 留实体平均数/最大值 202021-5-12 第20页/共71页 离散事件系统仿真典型系统（离散事件系统仿真典型系统（2 2） 库存系统 补给模式：入库的数量、时间 需求模式：出库的数量、时间 成本计算规则：存储成本、缺货损失 输出参数（统计数据） ：存储费、订货费、缺货损失、过期变质损失 212021-5-12 第21页/共71页 离散事件系统仿真典型系统离散事件系统仿真典型系统 排队系统与库存系统比较 222021-5-12 排队系统库存系统 要素服务台、顾客订货、需求 目标提高服务台的效率保证供应情况下，降低 库存

10、 系统主要性能 指标 排队长度、平均等待时间、平均 滞留时间、平均滞留实体数 订货费、月平均存储费、 月平均货损费 输出评价指标效率指标（时间）效益指标（费用） 第22页/共71页 离散系统仿真算法离散系统仿真算法 事件调度法 232021-5-12 第23页/共71页 Auto Loan Case Car loan applications arrive at a processing center approximately every 5 minutes. At this point, 1 of 5 loan officers will review the application to

11、 ensure that it is complete. This review step usually takes 15 minutes, but can be as short as 12 minutes or as long as 18 minutes. Applications are sent to an automatic processing machine where they are processed. This process can take from 0.5 to 1.5 hours to complete, but usually requires 1 hour.

12、 It is assumed that the automatic processor can process as many applications as needed. 242021-5-12 第24页/共71页 Auto Loan Case After processing, the results are reviewed by a loan officer who will write either an acceptance or rejection document. This task usually takes 7 minutes, but can require anyw

13、here from 5 to 10 minutes to complete. At this point, the loan application process finishes, and the acceptance or rejection document is sent to the customer. Run this simulation for one 8-hour day. 252021-5-12 第25页/共71页 Flowchart Modules Create 262021-5-12 第26页/共71页 Flowchart Modules Process 272021

14、-5-12 第27页/共71页 Flowchart Modules Process 282021-5-12 第28页/共71页 Flowchart Modules Process 292021-5-12 第29页/共71页 Flowchart Modules Dispose 302021-5-12 第30页/共71页 Data Modules Entity 312021-5-12 第31页/共71页 Data Modules Resource 322021-5-12 第32页/共71页 Run The Model Setup 332021-5-12 第33页/共71页 Run The Mode

15、l Setup 342021-5-12 第34页/共71页 Run The Model Setup 352021-5-12 第35页/共71页 Report Category Overview 362021-5-12 第36页/共71页 User-Specified Veriables Variables: Being Changed along the simulation User-defined Variables, i.e. number of patients registered System (Predefined) Variables, i.e. NQ(counter name

16、) 372021-5-12 第37页/共71页 Auto Loan Case Additional Information: the loan officers determined that 8% of the applications they review are incomplete. These incomplete applications are sent back to the applicant. Question: what is the actual number of applications in process throughout the simulation p

17、eriod？ 382021-5-12 第38页/共71页 Data Modules Varibale 392021-5-12 第39页/共71页 Flowchart Modules Assign 402021-5-12 第40页/共71页 Flowchart Modules Decide 2-way by chance 2-way by condition N-way by chance N-way by condition 412021-5-12 第41页/共71页 Flowchart Modules Decide 422021-5-12 第42页/共71页 银行排队 客户到银行办理某种业务

18、需要经过两类服务： 第一类有6个服务台，每个服务台每次只能处理一个客户； 经过第一类窗口后，客户到达第二服务台前排队等待， 第二类服务只有一个服务台，每个服务台每次只能处理一个客户。 选择队列的规则：客户到达后，根据6个并排窗口的情况选择队列最 短的窗口接受服务。 问题： （1）现要考察两类服务台前的基本队列指标，（2）第二类 服务窗口前，客户到达时排在他前面的客户不超过2人的概率。 432021-5-12 第43页/共71页 库存管理仿真案例 每次订货有一个的固定订货批量（后面会学到， 叫经济订货批量）300件， 顾客需求随机到达，符合Expo分布（0.2h）， 每天营业10小时； 如果库存

19、不足，则记录欠货（backorder）， 并且日后再补， 如果库存已降至订货点，则向上游供应商订货。 订货到达前，要查看是否库里已无货 （stockout），并做记录。 442021-5-12 第44页/共71页 库存管理仿真案例 仿真目的： 通过修改参数的设置，探讨订货批量(order size)、再订购点(reorder point)、订货提前期(lead time)之间的关係。 最佳的参数搭配？此种搭配唯一吗？（通过不断改变参数，做虚拟实验才能 得到。） 452021-5-12 第45页/共71页 库存管理仿真案例 462021-5-12 第46页/共71页 Flowchart Modu

20、les Record 472021-5-12 第47页/共71页 库存管理仿真案例 前面例子存在什么问题？ 平均每0.2小时到一个顾客（买1件产品），每天开业10小时 订货提前期4天 固定订货批量300件 思考：有关参数的设定是否合理？ 482021-5-12 第48页/共71页 课后小组讨论（不需要交作业） 复习库存管理的例子，思考如何协调订货批量 (order size)、再订购点(reorder point)、订货 提前期(lead time)之间的关係达到最优。 通过库存管理仿真的例子和前面运输量分配优化 的例子，思考仿真和优化的不同。 仿真和优化是否需要结合？能带来什么好处？ 492

21、021-5-12 第49页/共71页 物流新设备R&D计划模拟 代码R&D任务前导工序正常持续时间赶工持续时间 A概念设计-TRIA(3,4,5) B前期市场分析AUNIF(3,5) C前期技术分析AUNIF(4,8) D开发前财务分析B,CEXPO(3) E产品开发与测试DEXPO(61) F试上市EUNIF(6,12)UNIF(3,10) G试生产ETRIA(8,9,10)TRIA(6,7,8) H正式投产前市场分析FUNIF(5,8)UNIF(4,5) I投产GTRIA(4,8,12)TRIA(3,6,9) J上市H,IUNIF(5,7)UNIF(3,5) 502021-5-12 第50

22、页/共71页 物流新设备R&D计划模拟 系統评价指標 成功专案平均完成时间，方差（标准差） 方案在100天内完成的概 需要赶工的概 压缩项目工期分析 512021-5-12 第51页/共71页 物流新设备R&D计划模拟 522021-5-12 第52页/共71页 物流新设备R&D计划模拟 532021-5-12 Amend 第53页/共71页 物流新设备R&D计划模拟 542021-5-12 第54页/共71页 物流新设备R&D计划模拟 Separate / Batch : Entity 复制与合并 Route / Station : 同程之间连结 Delay : 作业时间，但未涉及资源使用

23、Decide : 进程控制 Record : 记录相关数据 552021-5-12 第55页/共71页 物流新设备R&D计划模拟 Basic Process 562021-5-12 Separate / Batch : Entity 复制与合并 第56页/共71页 物流新设备R&D计划模拟 Advanced Transfer 572021-5-12 Route / Station : 同程之间连接 第57页/共71页 物流新设备R&D计划模拟 指标数值 产品研发失败比例24.5%1.5% 成功方案赶工比例15.3%1.3% 成功方案工期的期望值268.8%1.2% 成功方案工期的标准差22.9

24、%0.5% 成功方案在100天内完成比例90.2%1.0% 582021-5-12 计划实施评价指标计划实施评价指标 第58页/共71页 物流新设备R&D计划模拟 缩短工期分析 592021-5-12 F-H: 6+5=11 G-I: 8+4=12 尽力缩短尽力缩短G-I？ 第59页/共71页 Arena高级功能 还有很多功能，请同学进深自学 欢迎旁听我的研究生课程交通运输系统管理 遇到问题时，与我个别探讨 可参考Container Harbour Logistics Case 602021-5-12 第60页/共71页 小组作业 某银行储蓄所有4个服务窗口，试分析两种排队模式： （1）每个窗

25、口前排队（顾客找最短的队站在后面）； （2）进门拿顺序号，各窗口空闲时按顺序叫号。 假设顾客的到达符合泊松分布（期望3），各窗口的处 理时间符合三角分布（5,7,9），叫号处理时间为均匀分 布（0.1，0.2），上述时间单位都为分钟 问题（1）试通过计算机仿真，分析两种排队模式哪个 效率更高？（2）哪个模式下，顾客的平均等待时间更 短？（3）哪个模式下，顾客的平均等待时间的波动性 更大？（4）有何改进建议？ 612021-5-12 第61页/共71页 小组作业 提交内容：（程序+报告） (1) Arena仿真程序, (文件命名规则：银行排队模式作业-组长 姓名.doe) （2）大作业封面（标明组长与组员，及个人的学号,文件命名 规则：银行排队模式作业-组长姓名.doc） （3）两个仿真模型的建模说明 （4）仿真结果分析，回答问题1,2,3,4 622021-5-12 报告 第62页/共71页 系统仿真的实质 针对一些复杂的随机问题，仿真的过程也是虚 拟实验的过程，仿真实验不是依据实际环境， 而是依据模型进