《物流工程学》课件-第13章 物流建摸与仿真

主要内容：物流建模与仿真的基本概念、基本步骤、仿真软件的使用以及随机数的产生。

重点掌握：物流建模与仿真的基本概念、随机数的产生方法、仿真步骤、会使用相关软件。第13章物流建模与仿真

7/22/20251物流建模与仿真物流建模与仿真：13.1

物流系统仿真概述13.2

物流系统仿真方法13.3

随机数及其在物流仿真中的应用13.4

库存系统模拟13.5基于Flexsim系统建模与仿真实例7/22/20252物流建模与仿真

13.1.1

系统仿真

系统仿真模型的基本要素：

1)实体（Entities)：在仿真中模拟不同类型的资源，是组成系统的物理单元。如仓库、原材料、处理器和产成品等。分为临时实体和永久实体。在仿真整个过程中一直在系统中存在的实体称为永久实体；短暂停留的实体称为临时实体。

2)事件(Event):因状态起系统瞬间变化的行为，是系统动态过程得以延续的动力。条件事件和必然事件。

13.1

物流系统仿真概述

7/22/20253物流建模与仿真

3)活动（Activity):两个相邻事件之间的过程。

4)进程（Process）若干事件与若干活动组成的过程称为进程。它描述了各事件活动发生的相互逻辑关系及时序关系。

5）仿真时钟（SimulationClock

）。仿真时钟用于表示仿真时间的变化。7/22/20254物流建模与仿真13.1.2

系统仿真一般步骤第一步：调研系统，设立目标。第二步：收集数据，建立模型。第三步：编制仿真程序。第四步：运行仿真模型。第五步：输出结果分析。下面是系统仿真流程图：7/22/20255物流建模与仿真7/22/20256物流建模与仿真13.2

离散事件系统仿真方法

13.2.1

仿真钟的推进

第一类：事件步长法

7/22/20257物流建模与仿真第二类：时间调度法按固定的时间增量推进仿真钟。比较适合周期性的系统仿真。7/22/20258物流建模与仿真

13.2.2仿真算法目前，最常用的仿真算法有：面向事件的事件调度法、面向活动的活动扫描法和面向进程的进程交互法。

1）事件调度法事件调度法是通过定义事件，并按时间顺序处理所发生的一系列事件。7/22/20259物流建模与仿真

2）活动扫描法活动扫描法的步骤①设置系统仿真钟TIME，即控制系统仿真时间。②设置成分仿真钟t。表示各成分活动持续的预定时刻，用来控制成分活动的持续时间。其中tα≤TIME表示成分活动可以或早该发生；是否发生唯一取决于条件是否满足。③设置条件处理模块-成分活动开始与结束其他的条件是否满足。④设置成分活动子程序-处理活动开始与结束时系统的状态变化。7/22/202510物流建模与仿真3）进程交互法进程交互法的处理方法①设置一张当前事件表CEL(CurrentEVentList),它包含了从当前时间点开始有资格执行的事件的事件记录，但是该事件是否发生的条件尚需要判断。②设置一张将来事件表FEL(FutureEventsList)，它包含在将来某个仿真时刻发生的事件的事件记录。③设置系统仿真钟TIME和成分仿真钟t。7/22/202511物流建模与仿真13.2.3

仿真结果分析

1）仿真结果分析的理论基础一般采用区间估计方法来估计这一误差，即估计输出结果的置信度或置信区间，以及估计值的置信概率。区间估计方法基于两种假设：⑴所有的测量值是彼此独立的，即一次抽样不受其他采样的影响。⑵总体分布是稳定的，即随机变量的总体分布不受采样次数的影响，也不受采样长度的影响。7/22/202512物流建模与仿真

2）仿真结果分析方法常见的主要有复演法和批均值法两种

复演法：系统仿真长度事先确定。可以由用户根据实际确定仿真次数。批值法：它是指把仿真运行划分为长度（采样次数P）相等的M段复演法和批均值法尽管在原理上和方法上是相同的，但是，由于它们对同一样本空间作了不同的处理，前者是每次运行都从初始状态开始，后者是每次运行的结束作为下一次运行的开始。7/22/202513物流建模与仿真

13.2.4常见物流仿真软件介绍目前市场上常见的物流仿真软件有Flexsim、AutoMod、RaLC、WITNESS、eM-Plant、ARENA、EXTEND等。7/22/202514物流建模与仿真根据动画表现形式和建模方法的不同可分为：

7/22/202515物流建模与仿真常用的仿真软件作一简单的介绍：

1、ArenaArena是系统建模公司的产品，主要包括ArenaBasic、Standard和ProfessionalEditions。它可以用来模拟服务、制造、运输、物流、供应链和其它系统，可用于仿真离散和连续系统。

2、Automod该软件提供了真实的三维虚拟现实动画，使得仿真模型非常用以理解；提供了高级的特征让用户可以仿真复杂的活动，如机器人、设备工具、生产线等的运动和转动。该软件还为用户提供了一套基于专家系统的物料搬运系统，它是根据工业自动化的真实运行经验开发的。这些包括输送链、自动存储和检索系统，桥式起重机等。7/22/202516物流建模与仿真3、ProModelProModel是PROMODEL公司提供的。它是一款用于建立制造系统模型的仿真和动画工具。它具有面向制造业的建模元素和基于规则的决策逻辑，完成时可以以数据、图形、图标等多种形式输出结果，其运行见面允许用户为实验定义多个场景，可以对制造系统、仓储系统和物流系统的评估、规划或重新设计进行仿真。典型应用包括精益制造的实施，周期事件的降低，设备投资决策，产出率和能力分析，识别和排除瓶颈，资源分配等。7/22/202517物流建模与仿真

4Quest

Quest是Delmia公司开发出来的，是一个面向制造业的仿真软件包。该软件将一个基于对象的真实3-D仿真环境与图形化用户界面和物料流块相结合，用来对工人、传送带、自动导引车、运动设备、起重机、动力和无动力传送带以及自动存储与检索系统建模。5Witness(SDX)该软件提供离散事件仿真。该软件具备的多种工具使得对自动化制造系统进行仿真非常容易7/22/202518物流建模与仿真6、FlexsimFlexsim是由美国的FlexsimSoftwareProduction公司出品的，是一款商业化离散事件系统仿真软件。它是工程师、管理者和决策人对提出的“关于操作、流程、动态系统的方案”进行试验、评估、视觉化的工具。Flexsim采用面向对象技术，并具有三维显示功能。建模快捷方便和显示能力强大是该软件的重要特点。该软件提供了原始数据拟合、输入建模、图形化的模型构建、虚拟现实显示、运行模型进行仿真试验、对结果进行优化、生成3D动画影像文件等功能，也提供了与其他工具软件的接口。Flexsim软件及其构成模块的结构如图所示。7/22/202519物流建模与仿真

7/22/202520物流建模与仿真

13.3.1蒙特卡洛法根据概率样本对随机变量进行试验的方法。蒙特卡洛法的步骤：

①确定重要变量的概率分布；②建立每个变量的累计概率分布；③建立每个变量的随机数区间；④产生随机数；⑤进行一系列模拟。

13.3随机数及其在物流仿真中的应用7/22/202521物流建模与仿真13.3.2用Matlab产生随机数

1．用产生在区间[0，1]中均匀分布的随机数>>rand()2．用公式产生在区间[a,b]中均匀分布的随机数

>>a+(b-a)*rand()3．用公式产生正态分布的随机数，均值为μ,标准方差为σ.

>>μ+σ*randn()；7/22/202522物流建模与仿真用公式产生参数a,b,c的三角分布第一步，输入参数，a、b、c的值，并对c标准化。例如：d=(c-a)/(b-a)第二步，产生[0，1]之间的均匀分布随机数。例如：e=rand()第三步，产生三角分布的随机数。如：if(e≤d)a+(b-a)*b*d；elsea+(b-a)*(1-sqrt(1-e)*(1-d)end7/22/202523物流建模与仿真13.4库存系统模拟7/22/202524物流建模与仿真用仿真方法可以对库存进行仿真，以得到合理的库存策略，如订购点、订货批量、库存水平等。例13-2某厂要确定生产所需要的一种主要原料的库存水平。据该厂有关部门核算，该原料占有成本与库存储蓄费用为每件每周8元，订货成本为每批25元，缺货成本为每件30元。该厂的订货周期是一周的最后一个工作日，到货周期是下一个周期的第一个工作日。当前的库存控制策略是：对该原料的再订购点为20件（即库存第一20件时进行订货），订购量的确定原则是保持库存水平为30件。例如当周末库存为19件时，则需订货11件，以保证下周期初库存量为30件；当周末库存不低于20件时则不订货。该厂发现，根据当前的订货政策，原料占有成本与库存储存费用较高，所余希望通过调整订货政策降低成本。根据以往资料分析，该厂每周对该原料的需求量是不确定的，其统计数据见表13-6，并自己已知当前期初库存为25件。13.4库存系统模拟7/22/202525物流建模与仿真7/22/202526物流建模与仿真第一步，输入已知数据。第二步，生成一系列随机数，得到不可控输入变量的抽样值。第三步，仿真运算。第四步，统计分析。第五步，对不同库存水平下的库存系统进行模拟。第六步，结果分析7/22/202527物流建模与仿真13.5基于Flexsim系统建模与仿真实例通过对混合流水线系统进行仿真，我们力求实现如下目标：⑴找出影响系统的瓶颈因素，⑵对模型加以改善，从而设计出更合理更优化的多原料多阶段加工系统。下面，我们将通过Flexsim软件来对一个混合流水线系统的例子进行仿真。7/22/202528物流建模与仿真13.5.1混合流水线系统工作流程某一制造车间需要加工A、B和C三种产品，每种产品都要通过5台不同的机器，完成5道工序，且每道工序必须在指定的机器上按照事先规定好的工艺顺序进行。其工艺路线图如图13－9所示。7/22/202529物流建模与仿真7/22/202530物流建模与仿真7/22/202531物流建模与仿真仿真模型的设计Flexsim实体

7/22/202532物流建模与仿真首先保证Flexsim软件的正确安装,双击桌面快捷菜单,弹出如下界面:7/22/202533物流建模与仿真第1步：在模型中生成一个实体

点击并按住实体库中的实体，然后将它拖动到模型中想要放置的位置，放开鼠标键。7/22/202534物流建模与仿真第2步：在模型中生成更多的实体7/22/202535物流建模与仿真移动实体——要在模型中移动实体，则用鼠标左键点住该实体，并拖动至你需要的位置。你还可以右键点击并拖动鼠标来旋转此实体移动视窗——要移动模型的视景观察点，可用鼠标左键点击视窗的一个空白区，并拖动鼠标。7/22/202536物流建模与仿真第3步：连接端口按住键盘上的“A”键，然后点击第一个实体并按住鼠标左键，拖动鼠标到下一个实体然后放开鼠标键。将会看到拖动出一条黄色连线，放开鼠标键时，会出现一条黑色的连线。7/22/202537物流建模与仿真模型完成图如下:7/22/202538物流建模与仿真第4步：给发生器指定临时实体的到达速率7/22/202539物流建模与仿真第5步：设置暂存器容量7/22/202540物流建模与仿真第6步：设置分解器参数7/22/202541物流建模与仿真7/22/202542物流建模与仿真第7步：指定处理器的操作时间在“处理时间”下拉菜单中，选择“按临时实体类型（间接）（ByItemType（Indirect））”选项，然后按按钮7/22/202543物流建模与仿真第8步：编译选择主视窗底部的按钮。一旦编译过程完成，就准备重新设置并运行此模型。7/22/202544物流建模与仿真第9步：重新设置该模型点击主视窗左下角按钮对模型进行重置可以确保所有系统变量被设置回初始值