第5章 物流系统仿真技术ppt课件

1、物流工程与管理第5章 物流系统仿真技术包装与印刷工程学院 李光内 容5.1 物流系统仿真概述5.2 物流系统模型与计算机仿真软件5.3 计算机仿真在物流系统规划中的运用5.1 物流系统仿真概述5.1.1 物流系统仿真的概念5.1.2 物流系统仿真的类型5.1.3 物流系统仿真的作用5.1.3 物流系统仿真的方法5.1.1 系统仿真的概念什么是系统仿真？仿真是一种模拟行为，模拟现有系统或未来系统的运转形状。海湾战争以后，美军公布了在军事上战胜伊拉克过程中，采用系统仿真辅助作战的胜利案例。美国总统办公室和国防部从1992年以来，不断将“建模与仿真列入优先开展的先进技术 。从普通意义上讲，系统仿真可

2、以被了解为：在对一个曾经存在或尚不存在的系统进展研讨的过程中，为了解系统的内在特性，必需进展一定的实验；由于一些缘由未存在，危险性大，或者本钱高昂，无法在原系统上直接进展实验，只能设法建立既能反映系统特征又能满足系统实验要求的系统模型，然后在该模型上进展实验，以到达了解或设计系统的目的。从近现代意义上讲，所谓系统仿真，是指：利用计算机来运转仿真模型，模拟实践系统的运转形状及其随时间的变化情况，并经过对仿真过程的察看和统计，得到仿真模型的输出参数和根本特征，以此来估计和推断实践系统的真实性能。所谓系统仿真，就是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根底上，建立能描画系统构造或行为

3、过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进展实验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。系统仿真的本质(1)它是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无法经过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处置。 (2)仿真是一种人为的实验手段。仿真实验不是根据实践环境，而是在实践系统映象的系统模型，以及相应的“人造环境下进展的。(3)仿真可以比较真实地描画系统的运转、演化及其开展过程。系统仿真的特点1系统仿真是一种有效的“实验手段，它为一些复杂系统发明了一种计算机实验环境，使系统的未来性能和长期整体特性，能在极短的时间内在计算机上得到估计、验证和结论。2仿真模型通常具有面向实践过程

4、或实践问题的特征，它可以反映系统中主要事物间的逻辑关系和数学关系。3仿真的输出结果是在仿真运转过程即仿真实验过程中，对系统行为和系统形状的参数值进展计算和统计而得到的。这种计算和统计是由仿真软件实现的。4复杂系统仿真往往需求思索随机要素的影响，每一次模型的仿真运转只是对系统行为的一次随机抽样，因此，一个完好的仿真实验往往由仿真模型的多次独立反复运转组成。所得到的仿真结果也只是对真实系统进展具有一定样本量的仿真实验的随机样本。因此，需求经过必要的统计处置，才干得出对真实系统的性能的估计。 系统仿真的缺陷1仿真模型本身并不具备优化功能，每次仿真实验只能给出实践问题的一个可行解，假设要获得问题的最优

5、解，需求对多种 备选方案逐一实验，因此具有枚举法的弱点。2仿真建模是直接面向问题的建模过程，对于同一个问题，由于建模人员的素质或风格上的差别或对问题了解的深度不同，往往会构造出迥然不同的仿真模型，其运转结果自然也会有差别。按系统形状是否变化静态系统动态系统投针实验理发馆模型按系统形状的变化与时间的关系延续型系统：系统的形状随时间延续变化离散型系统：系统形状仅在某些时间点上发生变化按有无随机过程确定型系统：系统的输出取决与输入随机型系统：包含随机要素的系统物流系统仿真主要研讨动态离散随机排队系统5.1.2 系统仿真的类型还有一些用于系统(特别是社会经济和管理系统)仿真的特殊而有效的方法，如系统动

6、力学方法、蒙特卡洛法等。系统动力学是一种延续系统仿真技术，研讨对象主要是复杂的社会经济系统和生态系统，以及一些可以用一阶微分方程组描画的系统。经过建立系统动力学模型(系统构造框图、因果关系图、流图等)、利用DYNAMO仿真言语在计算机上实现对真实系统的仿真实验，从而研讨系统构造、功能和行为之间的动态关系。蒙特卡洛(Monte Carlo)方法，或称计算机随机模拟方法，是一种基于“随机数的计算方法。这一方法源于美国在第二次世界大战研制原子弹的“曼哈顿方案。该方案的主持人之一、数学家冯诺伊曼用著名世界的赌城，摩纳哥的Monte Carlo，来命名这种方法，为它蒙上了一层奥秘颜色。蒙特卡洛法是基于概

7、率论的随机抽样的计算方法，可以处理如下两类的静态或动态问题：问题：某人每轮向靶子射10箭，知其击中靶心的概率为25，问一轮中射中7箭的概率为多少？问题二：有一银行营业点计划添置一台自动存取款机12小时效力，顾客按一定的间隔时间到来，排队接受效力，先来者先用，后来者后用，顾客不愿在队列中等待太久，否那么会离去。管理人员想了解等待时间超越3分钟的顾客的比例为多少，假设该比例太大，那么思索再增设一台机器。问题一的求解方法：1. 产生均匀分布随机数 0.000.99100个，某个数字出现的概率相等。假设产生1000个这样的数，那么1数值为0.000.24大约会有250个，比例大约为0.25；2数值为0

8、.250.99大约会有750个，比例大约为0.75。2. 以每产生一个随机数代表射1箭，假设产生的随机数小于0.25，那么代表击中靶心，假设产生的随机数大于或等于0.25，那么表示没有击中靶心。假设实验的次数很多远大于1000，那么击中靶心的频率接近于25。假设实验的次数无限多，那么击中靶心的概率等于25。3.确定一轮中击中7箭的概率1每轮由计算机产生10个均匀分布的随机数Nii=1，2，3， 10，代表射10箭；2其中假设Ni小于0.25为击中，记下该轮中击中的次数；3反复(1)(2)步，进展K轮实验；4找出K轮中一切每轮击中7次的总轮数M，那么K轮中每轮击中7箭的频率为M/K，假设K趋向无

9、穷大时，M/K为每轮击中7箭的概率。问题二的求解方法：1.模拟过程顾客到达排队运用存取款机顾客分开2.调查数据察看100位顾客到达间隔时间和运用机器的继续时间，得到如下统计数据：3.产生均匀分布的二组随机数产生0.00-0.99间隔两组均匀分布的随机数。一组用于模拟顾客到达间隔时间，另一组模拟顾客用机时间。由第一组产生的一个随机数代表当前到达存取款机的一位顾客。如：随机数的值为0.70，经过表2.2-1，可以确定所模拟的该顾客到达的时间与前一位顾客到达时的间隔时间为5分钟。由第二组产生的一个随机数代表正在运用存取款机的一位顾客。如：随机数的值为0.90，经过表2.2-2，可以确定所模拟的该顾客

10、运用存取款机的时间为4分钟。4.手工模拟步骤与结果假设模拟开场时间为0顾客编号到达间隔随机数间隔时间用机时间随机数用机时间到达时间开始使用时间离开时间等待时间10.5740.502446020.0310.8945610130.9590.311141415040.3830.80317172005.1.3 系统仿真的作用(1)仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地搜集和积累信息的过程。尤其是对一些复杂的随机问题，运用仿真技术是提供所需信息的独一令人称心的方法。(2)对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可经过仿真模型来顺利地处理预测、分析和评价等系统问题。(3)经过系统仿真，可以把一个复杂

11、系统降阶成假设干子系统以便分析。 (4)经过系统仿真，能启发新的思想或产生新的战略，还能暴显露原系统中隐藏着的一些问题，以便及时处理。5.1.4 系统仿真的方法1.计算机仿真的过程计算机仿真的三项根本要素是：系统、模型和计算机，三者之间的关系如图5-1所示。而联络这三个要素的根本活动是：模型设计、模型实现和仿真实验，仿真过程三项根本活动之间的关系如图5-2所示。系统模型计算机图5-1 仿真三要素关系图图5-2 仿真的三项根本活动 对象系统模型设计仿真模型数学模型模型实现模拟电路软件编程仿真实验数据处置结果评价1建模阶段在这一阶段，通常是先分块建立子系统的模型。假设为数学模型那么需求进展模型变换

12、，即把数学模型变为可以在仿真计算机上运转的模型，并对其进展初步的校验；假设为物理模型，需求在功能与性能上覆盖系统的对应部分。然后根据系统的任务原理，将子系统的模型进一步集成为全系统的仿真实验模型。2模型加载阶段在这一阶段，利用仿真软件将仿真模型输入计算机。根据实验目的的制定实验方案和实验大纲，在方案和大纲的指点下，设计一个好的流程，选定待丈量变量和相应的丈量点，以及适宜的丈量仪表。3仿真实验阶段在这一阶段，转入模型运转，即进展仿真实验并记录结果。4结果分析阶段在这一阶段，需求对实验数据进展去粗取精、去伪存真的科学分析，并根据分析结果做出正确的判别和决策。实验的结果反映的是仿真模型系统的行为，这

13、种行为能否代表实践系统的行为，由仿真用户或熟习系统领域的专家来断定。假设得到认可，那么可以转入文档处置，否那么，需求前往建模和模型实验阶段查找缘由，或修正模型构造和参数，或检查实验流程和实验方法，然后再进展实验，直到获得称心结果。 2.仿真算法和仿真软件1仿真算法1集中参数系统数字仿真算法2分布参数系统数字仿真算法3离散事件系统数字仿真算法2仿真软件仿真软件可提供根本的功能元素，使仿真的编程任务大大简化，常见的有Automod、Witness、eM-Plant、Flexim、Racl等。3.仿真结果的处置根据流程运转结果，进展系统能否存在“瓶颈，流程能否畅通，物流量能否能满足要求。假设结果不理

14、想，要根据相应的缘由，调整方案或者改动参数，直至满足物流系统的需求。5.2 物流系统模型与计算机仿真软件5.2.1 物流系统模型5.2.2 计算机仿真软件5.2.1 物流系统模型1.物流系统建模方法1物流系统建模的原那么1模型的研讨目的要有针对性。2模型的层次逻辑要明晰明确。3模型选取的精度要适当可靠。4模型要保证仿真实验的可行性。5尽量运用规范模型和规范接口。2物流系统建模的思绪1对于构造与特性相对比较清楚的物流系统，比较容易建立准确数学模型进展系统描画。2对于构造比较清楚，而系统特性不太明确的物流系统，采用逻辑图方式建立模型。3对于构造与特性都不很清楚，且又不能直接进展实验察看的物流系统，

15、采用数据统计分析方法进展建模。4当系统构造复杂、性质不太清楚、缺乏足够的数据，且无法进展实验察看时，采用定性定量的启发式方法及系统动力学方法等建模。2.常见物流系统模型1典型库存系统模型确定性库存系统：解析方法；随机性库存系统：计算机仿真。库存控制中的根本经济订购批量模型EOQ：其中： -最正确订购批量； -该物资在T时间内的总需求量； -每批次物资订购费用； -单位物资存储费用； -特定的存储时间。2典型排队问题模型排队论是运筹学的一个分支，也被称为随机效力系统实际。排队论主要研讨各种系统的排队队长、排队等待时间及所提供效力等参数，以便求得更好的效力。研讨排队问题本质上就是研讨如何平衡等待时

16、间与效力台空闲时间，即如何确定一个排队系统，使效力台效率要高，实体等待时间又不太长。例：理发馆系统在研讨理发馆系统时，我们不思索如下情况：1理发馆的设备与工具；2理发师的个人行为品德质量，技术高低；3顾客对发型的偏好等。我们关注的是：1理发馆的效力才干；2理发师的忙闲情况；3顾客拥堵程度等待理发排队的顾客有多少。我们的研讨目的为：1分析系统运转情况；2找出系统运转的瓶颈；3改造系统构造。分析理发排队系统： 1假设添加理发师，那么排队减少，获得效力的顾客会增多，理发馆收入会添加，但理发师工资本钱也会添加； 2假设减少理发师，那么排队严重，获得效力的顾客会减少，理发馆收入会减少，但理发师工资本钱也

17、会降低。由此产生了矛盾的两个方面： 1添加效力才干，收入会添加但本钱也会添加； 2减少效力才干，收入会减少但本钱也会减少。因此一定会存在一个最优的效力才干，使理发馆获得的利润最大。例: 只需一个理发师的理发店模型到达服务离开空闲?排队到达排队效力分开效力台YN普遍运用的排队系统性能目的1稳态平均队列时间p：其中： -第i个顾客排队的时间。2稳态平均逗留时间w：其中： -第i个顾客经过系统时的逗留时间。3稳态平均队长L：其中： -t时辰的队列长度。4稳态平均顾客数Q：其中： - t时辰的顾客数。5.2.2 计算机仿真软件目前商用的系统仿真软件：AutomodWitnessFlexsimEmpla

18、ntExtendArenaAnylogicPromodel1.AutoMod简介AutoMod仿真软件可以到达初次运用者与专业人员的需求。他可以轻松而准确地模拟任何规模、任何精细程度的系统从手任务坊到全自动化的设备。运用AutoMod 的独特功能可以提高胜利率与消费力， AutoMod 的独特功能有：3D虚拟现实动画、互动建模、原料运送模板、易于了解的言语。AutoMod的优点：减少设计与开发时间减少运营瓶颈的风险建模繁简由人建模高度准确加强对设计的自信心减少设计错误的风险支持设备投资分析2.Witness简介Witness是由英国lanner公司推出的功能强大的仿真软件系统。它可以用于工业规

19、划的离散系统仿真，同时又可以用于延续流体如液压、化工、水力系统的仿真。Witness的运用领域：汽车工业 食品化学工业造纸电子 银行和财务 航空 政府 工程 运输目前已胜利运用于国际3000多家知名企业的处理方案：Airbus公司的机场设备规划优化BAA公司的机场物流规划BAE SYSTEMS电气公司的流程改善Exxon化学公司的供应链物流系统规划Ford汽车公司的工厂规划优化和发动机消费线优化Trebor Bassett公司的分销物流系统规划Motorola、Nokia公司在手机消费线上工艺流程的改良界面整齐；操作方便；拥有直观的元素：像Entity、Part、Machine、Vehicle

20、等，易学易懂；可用于离散系统仿真，又可以用于延续流体如液压、化工、水力系统的仿真。Witness的特点：Witness的用户界面3. Flexsim简介Flexsim是工程师、管理者和决策人对提出的“关于操作、流程、动态系统的方案进展实验、评价、视觉化的工具。它具有完全的C+面向对象(object-oriented)性，超强的3D虚拟现实3D动画，直观的、易懂的用户接口，杰出的柔韧性可伸缩性。Flexsim是世界独一的在图形的模型环境中运用C+ IDE和编译程序的仿真软件。定义模型逻辑时，可直接运用C+，而且可立刻编译到 Flexsim 中。由于Flexsim 具有高度的开放性和柔韧性，所以能

21、为几乎一切产业定制特定的模型。Flexsim的主要特性一、模型Flexsim采用经过高度开发的部件(Object)来建模。部件表示商业过程中的活动、行列，即代表着时间、空间等信息。建立模型时，只需求将相应的部件从部件库拖放到模型视图(View)中，各个部件具有位置(x，y，z)、速度 (x，y，z)、旋转角度(rx，ry，rz)和动态的活动(时间)等属性。部件可以被制造、被消灭，也可以相互移到另一个部件里，除了具有本身的属性外还可以承继他的部件的属性。部件的参数是简单、快速、有效地建立消费、物流和商务过程模型的主要机能。经过部件的参数设置，我们可以对几乎一切的物理景象进展模型化。例如，机械手、

22、操作人员、队列、保送机、叉车、仓库、交通讯号、坦克、箱子等全都可用Flexsim来建立模型，信息情报等“软的部分也可很容易地运用Flexsim功能强大的部件库来建模。 Flexsim建立的仓库模型部分二、层次构造Flexsim可以让建模者使模型构造更具有层次构造。建立模型的时候，每一部件都运用承继的方法即采用承继构造，可以节省开发时间。Flexsim可以让用户充分利用Microsoft Visual C+的层次体系特性。三、量身定制目前在市场上，像Flexsim一样能让用户自在自在的量身定制的仿真软件非常稀有。软件的一切可视窗体都可以向定制的用户公开。建模人员可以自在地操作部件、视窗、图形用户

23、界面、菜单、选择列表和部件参数，可以在部件里添加自定义的逻辑、改动或删掉既存的编码，也可以从零开场建立一个全新的部件。值得一提的是，不论是用户设定的还是新创建的部件都可以保管到部件库中，而且可以运用在其它模型中。最重要的是，在Flexsim中可以用C+言语创建和修正部件，同时，利用C+可以控制部件的行为活动。Flexsim的界面、按钮条、菜单、图形用户界面等都是由预编译的C+库来控制的。四、可移植性由于Flexsim的部件是向建模者公开的，所以部件可以在不同的用户、库和模型之间进展交换。可移植性与量身定制相结合能带来超级的建模速度。定制的部件保管在部件库中，建模时，只需从部件库中拖放相应部件，

24、就能在新模型中再现这些部件。可移植性与量身定制延伸了部件和模型双方的生命周期。五、仿真Flexsim具有一个非常高效的仿真引擎，该引擎可同时运转仿真和模型视图可视化，并且可以经过封锁模型视图来加速仿真的运转速度。仿真运转时，利用该引擎和Flexscript言语准许用户在仿真进展期间，改动模型的部分属性。Flexsim 能一次进展多套方案的仿真实验。这些方案能自动进展，其结果存放在报告、图表里，这样我们可以非常方便地利用丰富的预定义和自定义的行为指示器，像用途、消费量、研制周期、费用等来分析每一个情节。同时很容易的把结果输出到象微软的Word、Excel等群众运用软件里，利用ODBC开放式数据库

25、衔接和DDEC动态数据交换衔接可以直接对数据库进展读写数据。六、可视性假设说一幅图可以表达上千的文字，那么Flexsim的虚拟现实动画以及模型视图就表达了无限的容量。Flexsim能利用包括最新的虚拟现实图形在内的一切PC上可用的图形。假设是扩展名为3DS、VRML、DXF和STL的3D立体图形文件的话，可以直接调到Flexsim模型中用，而其他仿真软件中没有这项功能。Flexsim 的 VR(虚拟现实阅读窗口) 放映安装允许用户调理光源、雾以及虚拟现实立体技术等场景元素。Flexsim的演示功能提供模型的艺术性扮演。用 Flexsim 的 AVI 记录器能快速生成AVI 文件，无论怎样的模型

26、都能复制或记录在CD上，紧急时可邮送给任何人观看。七、输出Flexsim具有强力的商务图表功能，海图(Charts)、饼图、直线图表和3D文书能纵情地表现模型的信息，需求的结果可以随时获得。Flexsim 的open architecture允许用户衔接OBDC 数据源、进展读和写，可以实时的衔接Word和Excel。 Flexsim建立的原资料传输模型部分4.eM-Plant简介eM-Plant最初由一个德国博士开发，后来被一家以色列的公司Tecnomatix买下，目前曾经发布了8.1版。eM-Plant仅仅是Tecnomatix系列的一个模块，Tecnomatix的目的显然比Witness

27、或Flexsim之类仿真软件要长久得多，它将eM-Plant作为其数字化制造系统处理方案中的一个环节，与其工艺规划和制造执行模块整合，胜利地运用在世界汽车、电子、航空等行业中，Ford、GE、VW、Chrysler、FIAT、Honda等等，其中Ford更是全线采用Tecnomatix的处理方案！具有很强的开放性，尤其是最近发布的8.1版，基于com技术，使得它能非常方便地与其它软件模块整合，并且提供了相当丰富的对外接口； 元素的设计理念充分表达了面向对象的思想，并且在建立模型的过程中可以运用承继派生等方法，再结合Method，就可以建立符合用户要求的类型，而在Witness中，新的类型往往需

28、求用Module来实现，不是很方便；eM-Plant也有一些弱点，比如它不能处置流体 。eM-Plant的特点：5.ExtendSim简介ExtendSim仿真和优化软件是由美国Imagine That公司开发的通用仿真平台。EXTEND是最多世界顶尖企业在中国选择的仿真软件。ExtendSim的独特之处在于提供了一个充分扩展的平台和一个随意发扬的仿真环境，他只需有本人的行业阅历，只需懂C言语，就可以开发本人的行业模块。 ExtendSim开放模块源代码，扩展性最好，是十多个仿真软件二次开发的中心引擎。ExtendSim的特点：全球用户最多，已超越13000家； 开放模块源代码，扩展性最好；价

29、钱最廉价，是其他主流仿真软件价钱的1/3 到1/5 ；性价比最好；学习最容易，建模效率最高，胜利运用案例最多，技术支持力量最强 。6.Arena简介Arena是美国System Modeling公司于1993年基于SIMAN仿真言语研制开发的可视化交互集成式离散事件模拟软件。在诸多的仿真软件中，Arena不断在仿真学术界有着很高的声誉，2006年的美国冬季仿真会议上，48%的论文援用到了该软件，这足以阐明Arena的泰山北斗位置。如今，Arena曾经成为著名的Rockwell公司旗下的产品，其前景必将更加宽广。经过十多年的开展，Arena的版本曾经到了11.0，而这段开展历程那么是任何一个仿真软件都不能比较的。无论您的决策能否会冲击制造、供应链、客服营运等，ARENA皆能显示出如何防止风