5-物流系统仿真技术及其应用

第5章物流系统仿真技术及其应用5.1物流系统仿真概述5.2物流系统仿真理论5.3物流系统计算机仿真5.4物流系统仿真应用分析5.1物流系统仿真概述5.1.1系统模型与仿真的概念1.系统模型系统模型是反映系统内部要素的关系，反映系统某些方面本质特征，以及内部要素与外界环境关系的系统的抽象，是对一个现实存在的系统或计划建立的系统的某种形式的描述。2.仿真仿真是以系统理论、形式化理论、随机过程理论、统计理论以及优化理论为基础，借助计算机和仿真软件对实际系统行为进行动态实验研究的方法。根据系统特性仿真模型的类别分为离散系统仿真、连续系统仿真和混合系统仿真三大类。三种系统仿真类别涵义图：汽车上的人数时间飞机水平速度时间离散系统仿真连续系统仿真油量时间装油过程入库过程运输过程运输车油量变化库存油量变化混合系统仿真5.1.2系统仿真的基本步骤⒈问题阐述和仿真目标确定⒉建立仿真模型⒊数据采集⒋模型的确认⒌模型的编程实现与验证⒍仿真试验设计⒎模型的仿真运行⒏仿真结果的输出分析问题阐述确认仿真目标仿真程序编制或生成仿真试验设计模型确认模型验证仿真运行仿真输出与分析仿真报告辅助决策是否否仿真建模数据采集是5.1.3系统仿真技术在物流工程中的应用物流作为一个多因素、多目标的复杂系统，追求其整体的优化是一个复杂的系统分析问题。现代物流越来越多地强调物流的系统化和综合化。在物流系统研究中系统仿真技术的应用主要有以下几个方面：⑴物流系统规划与设计⑵仓储规模与库存管理⑶物料运输调度⑷物料成本估算系统仿真在物流系统的应用，除以上4个主要方面外，还可以用来对物流系统进行可靠性分析等。5.2物流系统仿真理论5.2.1离散事件系统仿真⒈离散事件系统仿真的概念离散事件系统是指系统状态在某些随机时间点上发生离散变化的系统，因而离散事件系统一般都具有随机特性，系统的状态变量往往是离散变化的。离散事件系统一般由以下六个基本要素所组成：⒉离散事件系统仿真方法离散事件系统仿真，实质上是对那些由随机系统定义的，用数值方式或逻辑方式描述的动态模型的处理过程。离散事件系统仿真方法可分为两种：⑴面向过程的离散事件系统仿真面向过程的仿真方法主要研究仿真过程中发生的事件以及模型中实体的活动。这些事件或活动的发生是顺序的，而仿真时钟的推进正是依赖于这些事件和活动的发生顺序。⑵面向对象的离散事件系统仿真在面向对象仿真中，组成系统的实体以对象来描述。对象有三个基本的描述部分，即属性、活动和消息。每个对象都是一个封装了对象的属性及对象状态变化操作的自主的模块，对象之间靠消息传递来建立联系以协调活动。5.2.2物流系统仿真优化理论1.物流系统优化问题物流系统要求在一定条件下，达到物流总费用最省、顾客服务水平最好、全社会经济效益最高的综合目标。⑴物流系统优化的必要性物流系统要素之间的联系同时也是冲突、相持和协同的综合表现。物流系统要素之间存在目标、产权、运作等方面的冲突。这些冲突决定了我们必须进行物流系统优化研究。⑵系统优化设计优化设计是最优化技术与计算机技术在设计领域应用的结果，它为工程设计提供了一种重要的科学设计方法，在解决复杂设计问题时，它能从众多的设计方案中找到尽可能完善的设计方案。要实现问题的优化必须具备两个条件：①存在一个优化目标②具有多个方案可供选择优化设计通常主要包括两部分内容：①优化设计的建模技术；②优化设计问题的求解技术将一个实际的设计问题抽象成一个优化设计问题，并建立起符合实际要求的优化设计数学模型，这是优化设计的关键。建立实际问题的优化数学模型，不仅需要掌握优化设计方法的基本理论，更重要的是要具有该设计领域的设计经验。2.物流系统优化方法物流系统优化主要有运筹学方法、智能优化方法和模拟仿真法三种方法。⑴运筹学方法物流系统的运筹学优化方法一般建立在物流系统的数学模型的基础上，物流系统数学模型中的目标函数是在一定条件下，达到物流总费用最省、顾客服务水平最好、全社会经济效益最高的综合目标。一般认为，运筹最优化方法是物流系统工程方法论中的重要组成部分。⑵智能优化方法智能优化算法，又称现代优化算法，是20世纪80年代初兴起的优化算法，这些算法包括禁忌搜索（tabusearch）、模拟退火算法、遗传算法、人工神经网络，以及近年发展起来的群体智能技术等，它们主要用于解决大量的实际应用问题。它们共同的目标是求NP-hard组合问题的全局最优解。目前引人注目的有模拟退火法（SA），禁忌搜索（TS），遗传算法（GA），三种随机优化方法为那些传统最优化技术难以处理的组合优化问题提供了切实可行的解决方案。这三种优化方法各有所长，三者的比较如下表所示。三种常用智能优化算法的比较表算法种类性能特点模拟退火法禁忌搜索法遗传算法全局搜索能力较强（不但向解得好的方向搜索，而且以一定方式向其他方向搜索）只向使禁忌表的记忆方法方向进行搜索较强（不但向解得好的方向搜索，而且以一定方式向其他方向搜索）缺点最后搜索结果比中间结果差用于离散问题的寻优“早熟”现象参数温度控制参数，退火速度禁忌表，吸收水平函数种群规模，交叉率，变异率等解近似最优解近似最优解近似最优解⑶模拟仿真方法仿真技术是高科技发展的前沿，是可对各种问题进行多学科综合研究的边缘科学。优点：投资少、周期短、见效快、可控、安全无破坏性、极易修改结构及参数、易于考虑多种因素。可以克服一般研究方法由于难以考虑各种因素相互间的互动影响，使研究结果与实际情况相距甚远的缺点，而且可以减少投资风险和避免造成人力、资金的浪费。为此，发达国家在众多领域中广泛采用了仿真技术。系统仿真就是对真实系统的模仿，这种模仿是对现实系统某一层次抽象属性的模拟。5.3物流系统计算机仿真5.3.1物流系统计算机仿真概述计算机仿真是一种非实物仿真方法，是用计算机对一个系统的结构和行为进行动态演示，以评价或预测一个系统的行为效果，为决策提供信息的一种方法。对于物流系统应用计算机仿真技术，不仅可以避免建立物理实验模拟系统的投资，减少设计成本，而且可以通过计算机技术进行精确计算和验证分析，提高系统方案的可行性。仿真结束后可根据统计数据生成仿真报告，显示各物流设备的利用率、空闲率、阻塞率等数据。可根据仿真报告提供的数据对物流系统的优缺点进行判断，做出科学决策。5.3.2物流系统计算机仿真软件⒈RaLC仿真软件RaLC系列仿真软件，是由日本人工智能服务株式会社独立开发的拥有自主知识产权的物流仿真软件。RaLC系列仿真软件，集现代物流技术、人工智能、3D图像、数据处理和计算机仿真等技术于一体，专门服务于物流行业和工业工程领域，处于国际领先水平。RaLC系列仿真软件，是专业面向物流的3D动画仿真软件系统。RaLC系列仿真软件，采取模块化设计理念，注重数据分析，提供直观结果，以创作利润和产业化为根本目标。软件具有易学易用、快速建模、专业实用、性价比高等特点。⒉F1exsim仿真软件Flexsim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。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和、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应用深层开发对象，这些对象代表着一定的活动和排序过程Flexsim中的对象参数可以表示几乎所有存在的实物对象Flexsim可以使模型构造更具有层次结构⒊AnyLogic仿真软件AnyLogic，是一款应用广泛，对离散、连续和混合系统建模和仿真的工具。AnyLogic是一款独创的仿真软件，它以最新的复杂系统设计方法论为基础，是第一个将UML语言引入模型仿真领域的工具，也是唯一支持混合状态系统设计并有效描述离散和连续行为的语言的商业化软件。AnyLogic是一个专业虚拟原型环境，用于设计包括离散，连续和混合行为的复杂系统使用AnyLogic,用户并不需要另外再学习什么语言或图形语言AnyLogic的动态仿真具有独创的结构AnyLogic提供客户独特的仿真方法⒋Quest仿真软件Quest开发商是DassaultSystemes法国达索系统公司开发，DELMIA是针对eManufacturing-数字化制造技术的统一产品品牌，Quest是针对设备建模、实验、分析设备分布和工艺流程的柔性、面向对象的、基于连续事件的专用模拟软件。作为制造业生产线的仿真器，Quest具有出类拔萃的操作简便性和功能。优点：演示性能强大，富有现实感，几乎独一无二，可以设置逻辑命令语言。缺点：Quest以适用于大型制造业生产线为目的，没有自动立体仓库等常用设备，对物流生产线不太适用，且价格非常昂贵。⒌AutoMod仿真软件AutoMod仿真软件由美国BrooksAutomationInc.公司出品，目前已成为国际上产品较成熟、应用较广泛的仿真软件之一，可以完成制造系统、物料处理、企业内部物流、港口、配送中心，以及控制系统等的仿真分析、评价和优化设计。AutoMod仿真软件通过建立实时模型从而对物料处理、物流和配送系统进行规划设计和方案优化。AutoMod主要包括了三大模块：AutoMod，提供给用户一系列的物流系统模块来仿真现实世界中的物流自动化系统。AutoStat，为仿真项目提供增强的统计分析工具。AutoView，允许用户通过AutoMod模型定义场景和摄像机的移动，产生高质量的AVI格式的动画。⒍Arena仿真软件Arena系统仿真软件是由美国Rockwell公司在早期的SIMAN/CINEMA仿真系统基础上开发的具有代表性的一款支持离散事件系统仿真的仿真软件包。作为通用的可视化仿真环境,Arena软件具有广泛的应用领域，其中代表性的包括：制造业、物流及供应链、服务、医疗、军事、日常生产作业、各类资源的配置、业务过程的规划、系统性能和计划结果的评价、风险预测等。Arena通过使用层次化的建模体系以保证灵活地进行各个水平上的仿真建模。Arena是一个通用仿真工具，离散系统、连续系统和混合系统都可以用它来构建。5.4物流系统仿真应用分析结合Y医药物流中心实际案例，利用ARENA仿真软件对物流系统进行分析，介绍仿真技术在物流系统分析中的应用。5.4.1项目规划方案介绍本方案结合Y医药物流中心的地理条件，在科学进行需求PCB、EIQ分析的基础上，形成了医药交易区、仓储区、商务办公区三大主功能相互依托，完备辅助功能区予以支撑的方案设计。最终可实现年吞吐量400万箱、经营品种8000-10000种、可容纳200---500家不同规模医药企业的现代化医药物流大平台。⒈布局结构对于一期一体化仓库总体规划为三层结构，单层高度7.8米，单层建设面积10764m2。仓库设计符合国家GSP要求，功能完备，布局合理。⒉动线设计结合仓库跨度大，横向长的特点，进货、补货采取从中间向两边辐射，出货从两边利用重力输送装置及升降机向一层分拣系统集中后到出货口的设计思路。对于以托盘入库，以托盘形式出库的动线如下图，说明如下：一楼托盘存储区二楼托盘存储区三楼托盘存储区分拣区出货暂存P2345678入库出库1分拣区分拣区①以整托盘形式P进库；②直接送往一楼重型货架托盘存储区；③通过升降机送往二楼重型货架托盘存储区；④通过升降机送往三楼重型货架托盘存储区；⑤进行分拣作业后，直接送到出货暂存区，后合流后出库；⑥通过升降机送到一楼，进行分拣作业后，直接送到出货暂存区，后合流后出库；⑦通过升降机送到一楼，进行分拣作业后，直接送到出货暂存区，后合流后出库；⑧和以整箱C及拆零B出库进行汇集，整体到达出库暂存区，完成出库。对于以整箱入库，以托盘、整箱及单件三种形式出库的动线如图说明如下:一楼就地码放区二楼就地码放区三楼重力式货架区分拣区出货暂存P2345678⒑入库出库C1分拣区拆零区分拣区分拣区分拣区拆零区分拣区分拣区99①以整箱形