武汉理工大学《物流系统建模与仿真》课设

1、物流系统建模与仿真课程设计任务书（一）课程性质结合物流系统建模与仿真课程的理论知识和课堂实践内容，进一步提高分析和解 决实际物流工程决策问题的逻辑思维和工程实践动手能力；通过撰写课设报告，提高查阅 文献和撰写技术报告的能力；通过仿真程序编写及其团队讨论，培养团队协作能力，以及 运用计算工具的能力；通过PPT答辩，提高表达能力。（二）任务描述某物流系统制造加工单元共有5个加工站，每个加工站的机床类型均相同，拥有的机 床数量如表1所示。表1机床数量加工站编号12345机床台数32431该厂加工的零件共有三类，其比例为3： 5： 2；其中，第一类零件有四道工序，第二类零件有三道工序，第三类零件有五道

2、工序。每 道工序必须在指定加工站的机床上加工，每类零件的加工顺序以及每道工序的加工时间如 表2所示。表2加工时间零件类型加工顺序及其加工时间1加工站3加工站1加工站2加工站50.5小时0.6小时0.85小时0.5小时2加工站4加工站1加工站31.1小时0.8小时0.75小时3加工站2加工站5加工站1加工站4加工站31.2小时0.25小时0.7小时0.9小时1.0小时假设零件发放数量=107个，零件发放时间间隔服从负指数分布（Beta=707秒）。所有 零件在各工序的加工时间均服从负指数分布，其Beta值如表2所示。零件按照工序要求到 达某工作站后，如果机床为闲，则立即加工，并按照如下规则选择闲

3、置的机床：按照工作站内机床序号，遍历选择闲置的机床；每个工作站前有一个缓冲区，用于零件排队等候。工作站内的机床前不存在队列。如果某工作站内的机床都为忙，则零件在该工作站对应的缓冲区内按FIFO排队。根据以上描述，按照按照实体流图建模方法建立上述系统模型。结合以上描述，使用eM-Plant仿真软件，构建上述系统的仿真模型，并结合仿真输出 分析的理论，对系统进行分析，找出系统的瓶颈，并给出改进的合理建议。 TOC o 1-5 h z 1研究意义4 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.1物流系统建模与仿真4 HYPERLINK l bookmark1

4、5 o Current Document 1.2物流系统建模步骤5 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.3国内研究现状6 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 1.3物流仿真技术的发展趋势7 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 2仿真系统分析8 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 2.1系统工艺描述8 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 2.2系统分析8

5、HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 3系统模型建立9 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 3.1实体流程图的建立93.2 em-plant 仿真模型9 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 4仿真输出分析14 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 5结术语16参考文献17物流系统建模与仿真课程设计1研究意义物流系统建模与仿真介绍了在实际研究中，随着物流理论和实践的不断深入，所提出 的研究问题日益复杂，非确定因

6、素、模糊因素众多，因果关系复杂，单独应用数学方法就 难以进行描述或很难求解且有时无法求解，使得我们的研究需要采用计算机仿真的方法来 辅助解决。1.1物流系统建模与仿真1.1.1建模与仿真技术简介建模（Modeling）就是建立模型，就是为了理解事物而对事物做出的一种抽象，是对 事物的一种无歧义的书面描述。建立系统模型的过程，又称模型化。建模是研究系统的重要手段和前提。凡是用模型 描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模。因描述的关系各异，所以实现这一过 程的手段和方法也是多种多样的。可以通过对系统本身运动规律的分析，根据事物的机理 来建模；也可以通过对系统的实验或统计数据的处理，并根据关于

7、系统的已有的知识和经 验来建模，还可以同时使用几种方法。仿真（Simulation），也称为模拟，通俗来讲，它就是按照客观的实际情况，把所要 研究的问题或对象构造成模型，然后在模型上进行实验或试验，以观察一项设计或计划方 案，在接近于实际的条件下，其工作（或运行）情况是否合乎主观的意图或要求，或者是 同时分析比较几个设计或计划方案，以确定其中哪一个方案更符合主观的意图或要求，具 有更好的技术性能或经济效果，从而，确定选择其中一个较好的设计或计划方案。仿真技术是在20世纪40年代末以来，伴随着计算机技术的发展，仿真技术最初主要 应用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试

8、验难以实现 的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进 一步扩大到今天的社会系统、经济系统、交通运输系统等一些非工程系统领域。现代系统 仿真技术和综合性仿真系统已经成为复杂系统，特别是高技术产业中不可缺少的分析、研 究、设计、评价、决策和训练的重要手段，其应用范围还在不断扩大。1.1.2物流系统建模与仿真物流系统建模主要用于三个方面：分析和设计实际系统。例如工程界在分析设计一个新系统时，通常先进行数学仿真 和物理仿真实验，最后再到现场作实物实验。数学仿真比物理仿真简单、易行。用数学仿 真来分析和设计一个实际系统时，必须有一个描述系统特征的模型。对于许多复杂的

9、工业 控制过程，建模往往是最关键和最困难的任务。对社会和经济系统的定性或定量研究也是 从建模着手的。预测或预报实际系统的某些状态的未来发展趋势。预测或预报基于事物发展过程的 连贯性。例如根据以往的测量数据建立气象变化的数学模型，用于预报未来的气象。(3对系统实行最优控制。运用控制理论设计控制器或最优控制律的关键或前提是有一 个能表征系统特征的数学模型。在建模的基础上，再根据极大值原理、动态规划、反馈、 解耦、极点配置、自组织、自适应和智能控制等方法，设计各种各样的控制器或控制律。 系统建模主要用于3个方面对于同一个实际系统，人们可以根据不同的用途和目的建立不 同的模型。但建立的任何模型都只是实

10、际系统原型的简化，因为既不可能也没必要把实际 系统的所有细节都列举出来。如果在简化模型中能保留系统原型的一些本质特征，那么就 可认为模型与系统原型是相似的，是可以用来描述原系统的。因此，实际建模时，必须在 模型的简化与分析结果的准确性之间作出适当的折衷，这常是建模遵循的一条原则。物流系统仿真，普遍采用数学方法建立数学模型。当研究的物流系统不是十分复杂， 或经过简化降低了系统的复杂程度时，可以利用数学方法，如线性代数、微积分、运筹学、 计算数学等方法去求解问题。但在实际研究中，随着物流理论和实践的不断深入，所提出 的研究问题日益复杂，非确定因素、不可知因素、模糊因素众多，因果关系复杂，单独应 用

11、数学方法就难以进行描述或无法求解或很难求解，使得我们的研究需要采用计算机仿真 的方法来辅助解决。在本次设计中将采用实体流程图建模方法和eM-Plant仿真软件对案例进行建模仿真 并分析系统存在的问题，提出解决方案。1.2物流系统建模步骤不同条件下的建模方法不同，但建模的全过程始终离不开了解实际系统，其步骤可归 纳如下：弄清问题，掌握实际情况，确定输出输入变量及其表达方式。搜集资料，对资料进行分类，概括出本质内涵，分清主次变量。(3确定因素之间的关系，列出必要的表格，绘制出图形和曲线等。构造模型。在充分了解资料的基础上，构造一个能代表所研究系统的数量变换数学 模型。(5求解模型。用解析法或数值法

12、求解模型最优解。(6检验模型的正确性。1.3国内研究现状当前，国内外对于物流系统仿真的研究主要集中在生产线能力的评估、配送中心的选 址、集装箱码头的布局、数字化工厂的建设、物流车辆的监控等物流活动中，针对上文提 出的现代物流系统仿真四个步骤，得出结论，物流系统仿真的重点和难点在于对系统的建 模和仿真软件的参数输入阶段。物流系统是典型的“离散事件动态系统” (Discrete Event Dynamic System，DEDS) 或者“离散事件系统”(Discrete Event System，DES )。离散事件动态系统是系统的 状态空间描述为离散集，状态转移仅仅发生在离散的时间点上，同时状态

13、的转移与事件紧 密联系的系统。在离散事件动态系统(DEDS)的研究中，常把DEDS的模型和分析区分为三个基本层 次。即逻辑层次、代数层次和统计性能层次DEDS模型和分析的逻辑层次，着眼于在逻辑 时间层次上来研究DEDS中事件和状态的符号序列关系，采用的主要数学工具包括形式语 言/有限自动机、Petri网、马尔可夫链等。DEDS模型和分析的代数层次，着眼于在物理 时间层次上来研究DEDS的代数特性和运动过程，采用的主要数学工具有极大极小代数等。 DEDS模型和分析的统计性能层次，着眼于在性能层次上来研究随机情况下DEDS的各种平 均性能及其优化，采用的主要数学工具包括排队论等。应当指出，尽管这三

14、个层次模型所 面对的都是DEDS，但由于研究侧重点和描述手段不同，目前看来还不具备相互取代的前景， 将会长期共存并组成DEDS的模型体系，以适应不同的研究问题和研究目标。在当前众多的物流系统仿真软件中，应用最广的是由美国Flexsim公司开发的也是迄 今为止世界上第一个在图形环境中集成了 C+和编译器的仿真软件Flexsim。国内的学者大多采用建立基于Petri网的网络模型的方式来研究物流系统，研究对象 还主要是生产物流，其基本思想是用库所集P代表系统中实体和活动的状态，用变迁集T 代表系统中的事件。1.3物流仿真技术的发展趋势集成化的物流规划设计仿真技术是目前物流仿真技术发展较快的一个方向，

15、此项技 术应用的范围非常广泛，大到物流园区的规划设计，小到企业生产物流的规划设计，都可 以利用物流规划设计仿真技术对规划和设计方案进行比选和优化，实现的基本功能包括：（1）可以用三维虚拟物流中心模型来模拟未来实际物流中心的情况；（2）使用虚拟中心仿真器可以对物流中心的建设进行较精确的投入产出分析；（3）在参观客户现场及参阅仓库图纸等的基础上，可以在计算机上构筑模拟仓库， 并模拟各种库中作业；（4）可以模拟生产型物流的现场作业，并提供物流作业效率的评价结果；（5）可以在计算机上虚拟物流传输和运输业务，模拟配车计划及相关配送业务；（6）可以灵活地变更物流作业顺序，进行物流作业过程重组分析，优化方案

16、比较等。近年来，集成化的物流规划设计仿真技术在美日等发达国家发展很快，并在应用中取 得了很好的效果。如美国的第三方物流公司Catepillar开发的CLS物流规划设计仿真软 件，能够通过计算机仿真模型来评价不同的仓储、库存、客户服务和仓库管理策略对成本 的影响。日本在集成化物流规划设计仿真技术的研发方面处在世界领先地位，其最具代表性的 成果是以前从事人工智能技术研究的AIS研究所研发的RalC系列三维物流规划设计仿真 软件。RalC的适用范围十分广泛，在日本，包括冷冻食品仓储、通信产品销售配送、制药 和化工行业的企业物流等都有RalC的应用，并且产生了相应的效益。在我国，集成化物流规划设计仿真

17、技术的研发目前还处在起步阶段，从2001年开始， 山东大学和同济大学开始了相关领域的预研工作，但目前还未见到研发出的实际产品。物流系统是一个复杂的开放系统，而且是一个关系人们生活和社会进步的重要系统， 物流系统运作的成功与否对我们的企业效益和社会进步影响甚大。而仿真方法是完善、推 进物流系统的一个很好的方法，节省费用、减少浪费、并可以尽量节约消耗在物流环节中 的时间。但是由于物流系统的复杂性，以及物流系统所处环境的不确定性，对物流系统进行全 面仿真还是存在很大困难的，所以，这是一个系统工程，是一个需要许多人长期努力才能 实现的目标。2仿真系统分析2.1系统工艺描述在这个案例中，系统工艺描述为零

18、件的活动，其是一个从零件到达、零件排队、零件 加工及加工完成的过程。在这一过程中，包含了零件流。2.2系统分析表1系统分析临时实体零件永久实体加工站，机床，缓冲站特殊实体排队队列状态零件：等待，被加工 加工站：等待，加工作业活动零件：排队，接受加工 加工站：等待，加工作业系统事件零件到达，零件排队，结束排队、零件接受加工，加工完成离开优先规则先到先服务3系统模型建立3.1实体流程图的建立3.2 em-plant仿真模型图3.1实体流程图零件B零件C加工站5SingleProc6 加工站2EventCfnitollerBottleneckAna lyzerPlaceBufifeF Io wCon

19、tro 13SingleProc 15加工站3SingleProc 10 加工站4SingleProc 加工站1Method 1 Method? - | Method2 .MethodsMethods-Method9 .M Method4Method 10根据任务描述，我们知道该物流制造系统共有5个加工站，每个加工站的机床类型相 同，但是每个加工站的机床数量不同，加工站1有台机床，加工站2有2台机床，加工站 3有4台机床，加工站4有3台机床，加工站5有1台机床。并且当加工零件进入加工站时要选择工作站内加工零件遍历选择闲置机床，这里我们就要选用策略，如图3.2.2：图3.2.2加工策略选择该厂加

20、工的零件共有3类，分别为零件1、零件2和零件3,他们的数量比为3： 5： 2, 这里零件的总数为107，所以三种零件分别有32、54和21个。他们的产生方式为负指数分布，产生时间为707秒。在仿真软件中的具体设置如图3.2.3：Models.Frame.SourcelNavigate View Tools Help日 口 FailedlockedOKCancel ApplyAttributes Failures | Controls ； Exit Strategy Statistics ； Custom AttributesName: SourcelLabel:零件B其中，第一类零件有四道工序

21、，第二类零件有三道工序，第三类零件有五道工序。每道工序必须在指定加工站的机床上加工，例如加工站1的加工时间表设置如下: 加工站1的加工时间表如图3.2.4：各种零件从不同的加工站完成加工后都要去下一个加工站或者加工完成离开系统，此 时就需要对不同加工站的工件进行分流。不同的加工站分流的方法和程序基本相同，分别 如下:加工站1的第一次分流:图3.2.5加工站1 一次分流分流1程序:integerisr:integer;doif .name=C thenr: =1;elseif .name=A thenr: =2;elser: =3;end;return r;end图3.2.6加工站1 一次分流程

22、序分流2程序：integerisr:integer;doif .name=A thenr: =1;elseif .name=B thenr: =2;elser: =3;end;return r;end;图3.2.7加工站1二次分流程序加工站3的分流程序:|: integerisr:integer;doif .name=A then r: =1;elser: =2;end;return r;end;加工站4的分流程序:integerr:integer;doif .name=B then r: =1;else end;return r;end;图3.2.9加工站4分流程序加工站5的分流程序:|:

23、integerisr:integer;doif .name=C then r: =1;elser: =2;end;return r;图 3.2.图3.2.10加工站5分流程序end;在每个加工站前设置缓冲区用于零件到来后累计的排队。如果某工作站内的机床都为 忙，则零件在该工作站对应的缓冲区内按FIFO排队。4仿真输出分析对系统进行多次仿真，所得结果如下:1-U0.5 -I I I I I I I I Ii I I I I I I I IWorking二 WaitingI : Blocked FailedPausedUnplanned10.0 ,Fr,IIIIIIIIIIIIISinglePro

24、c SingleProc 10 SingleProclS Singl.eProcl5 SingleProc4 SingleProc6 SingleProc9Statw SingleProc 1 SingleProc 12 SingleProc 14 SingleProc2 SmgleProc5 SingleProcSWorkingWaitingBlockedFailedPausedUnplanned0.494 0.573 0.578 0.318 0.347 0.398 0.365 0.470 0.612 0.572 0.499 0.417 0.632 0.506 0.427 0.422 0.6

25、82 0.653 0.602 0.635 0.530 0.388 0.428 0.501 0.583 0.368 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.0

26、00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000图4.1第一次仿真结果图WorkingZ2I Waiting n Blocked FailedPausedUnplannedWorking Waiting Blocked Failed Paused Unplanned0.438 0.571 0.393 0.473 0.476 0.380 0.575 0.404 0.647 0.657 0.593 0.489 0.606 0.562 0.429 0.607 0.527 0.524 0.620 0.425 0.5

27、96 0.353 0.343 0.407 0.511 0.394 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.0

28、00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000图4.2第二次仿真结果图WorkingZ2I Waiting_J Blocked FailedPausedUnplannedI SingleProc SingleProc 10 SingleProcl3 SingleProcl5 SingleProc4 SmgleProcB SingleProc9Station SingleProcl SingleProc 12 SingleProc 14 SingleProc2 SingleProc5 SingleProc8WorkingWaitingBlockedFai

29、ledPausedUnplanned0.554 0.5440.6090.3860.4010.5220.421 0.4580.4720.6400.679 0.5660.4930.446 0.4560.3910.6140.5990.4780.579 0.5420.5280.3600.321 0.4340.5070.000 0.0000.0000.0000.0000.0000.000 0.0000.0000.0000.000 0.0000.0000.000 0.0000.0000.0000.0000.0000.000 0.0000.0000.0000.000 0.0000.0000.000 0.00

30、00.0000.0000.0000.0000.000 0.0000.0000.0000.000 0.0000.0000.000 0.0000.0000.0000.0000.0000.000 0.0000.0000.0000.000 0.0000.000图4.3第三次仿真结果图WorkingZl Waiting Blocked FailedPausedUnplannedWorking Waiting BlockedFailedPaused Unplanned0.600 0.604 0.599 0.613 0.255 0.358 0.432 0.373 0.469 0.472 0.517 0.56

31、4 0.658 0.400 0.396 0.401 0.387 0.745 0.642 0.568 0.627 0.531 0.528 0.483 0.436 0.342 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.00

32、0 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000SingleProcl SingleProcl2 SingleProcl4 SingleProc2 SingleProc5 SingleProc8WorkingZl Waiting_J Blocked FailedPausedUnplannedStationWorkingWaitingBlockedFailedPausedUnplanned0.716 0.467 0.637 0.351 0.296 0.

33、437 0.336 0.552 0.614 0.412 0.478 0.538 0.395 0.284 0.533 0.363 0.649 0.704 0.563 0.664 0.448 0.386 0.588 0.522 0.462 0.605 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.

34、000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000Working二 WaitingBlocked FailedPausedUnplanned图4.5第5次仿真结果图Working Waiting Blocked Failed Paused Unplanned TOC o 1-5 h z 0.673 0.647 0.5260.3380.4360.4080.478 0.5450.6880.6220.687 0.5300.4430.327 0.353 0.4740.6620.5640.5920.522 0.4550.3120.3780.313 0.4700.5570.000 0.000 0.0000.0000.0000.0000.000 0.0000.0000.0000.000 0.0000.0000.000 0.000 0.0000.0000.0000.0000.000 0.0000.0000.0000.000 0.0000.0000.000 0.000 0.0000.0000.0000.0