物流工程第10章物流系统仿真技术

第10章物流系统仿真技术•本章导读–熟悉物流系统仿真的基本概念、基本原理。–了解物流系统仿真的一般方法和步骤，了解物流系统仿真的常见应用。–一般了解物流系统仿真常见软件的应用。•物流系统仿真技术能够在物流系统的规划设计阶段，对设施布置、设备配置、系统能力、参数优选、系统运行、作业流程等进行仿真分析，评价和对比不同的系统设计方案，从而达到优化物流系统的目的。•物流系统仿真技术在国外已普遍推广应用，据国外经验，应用物流系统仿真技术后能使物流系统方案总投资有效降低30％左右。10.1基本概念和基本原理10.1.1基本概念•1）系统、系统模型与系统仿真•“系统、模型、仿真”三者之间有着密切关系。系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型的试验以达到研究系统的目的。•系统仿真有三个基本活动，即系统建模、仿真建模和仿真试验，联系这三个活动的是系统仿真的三要素：即系统、模型、计算机（包括软件和硬件）。•2）物流系统的复杂性•物流系统是由物流各要素组成且各要素之间存在着有机联系的综合体。•物流系统是一个复杂系统，其复杂性主要源于物流系统诸要素的不确定性和系统要素间的相关性，而且随着系统要素不确定性和相关性的相互叠加，其复杂性进一步增强。•3）物流系统仿真•系统仿真方法是一种非解析方法。•物流系统仿真（LogisticsSystemSimulation），就是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间仿效记录，进而研究物流系统性能的方法（物流术语GB／T18354－2006）。•由于物流仿真模型的一次运行只是对真实系统的一次抽样模拟，所以系统仿真不是一种严格意义上的优化方法，它一般不能直接求出系统的最优解。•不过，物流系统仿真却是一种很好的间接优化方法。•系统仿真不单纯追求耗时费力的、有研究意义而无实际意义的最优解，而是快速寻求改善和优化物流系统的途径和方法。10.1.2物流系统仿真的基本原理1）连续系统和离散系统•连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统，如电力系统、液压系统、机电系统等。•离散系统又常称之为离散事件动态系统（DEDS：DiscreteEventDynamicSystem），是指系统状态随时间呈离散变化的系统。更具体地说，DEDS是指受事件驱动、系统状态跳跃式变化、系统状态迁移发生在一串离散时间点上的动态系统。•离散系统本质上属于人造系统。•系统中，对系统行为进程起决定作用的是一批离散事件，而不是连续变量，所遵循的是一些人为规则，而不是物理学定律。•结合物流系统的复杂性和不确定性的分析，可以得出这样的结论：物流系统主要是离散系统（或离散事件动态系统），物流系统行为进程中起决定作用的是人为规定的一系列规则。•2）离散事件系统的基本要素•描述一个离散事件系统一般需要5个基本要素：实体、属性、事件、活动、进程等。（1）实体•实体分为临时实体和永久实体两类。凡是在系统仿真期间流经系统、在仿真结束时已经离开系统的实体称为临时实体。凡在系统仿真期间自始自终停留在系统中的实体称为永性实体。•例如进入企业的原材料，经生产加工后离开企业进入销售流通领域，对生产企业来说就是临时实体，而生产加工的机器设备则为永久实体。再如，送达配送中心经储存又离去的货物是临时实体，而货架则是永久实体。（2）属性•实体的所有特征称为实体的属性。•需要强调的是，实体可能具有若干特征，但并不是所有的特征都被称为仿真系统的实体属性。只有与物流系统仿真相关的那些特征，才称为属性。•例如，物品有大小、形状、颜色等属性，又有加工（仓储）批量、到达（离开）时间等属性，显然这里只有加工（仓储）批量、到达（离开）时间等才可以称之为仿真系统的实体属性。（3）事件•在离散事件系统仿真中，事件有两类。•一类是引起系统状态变化的行为，例如仓储系统物品入库到达被称为一个事件，物品的出库离去被称为一个事件。可以看出这一类事件是系统固有的，是系统状态变化的主要驱动力。•另一类事件是所谓的程序事件，例如仿真过程中为了使仿真结束，专门定义一个事件，使其终止仿真。程序事件并非系统所固有的，而是根据需要设定的。（4）活动•活动是两个可以区分的事件之间的过程。显然，事件是系统状态转变的起因，而活动则是系统状态转移的标志。•例如配送中心中，事件“货物到达”与事件“货物入库”之间的过程，就可以称为活动。（5）进程•进程是由若干个有序事件及若干个活动组成的过程，一个进程描述了其中所包括的事件和活动的相互逻辑及时序关系。•例如一个制造物流系统中，工件到达、等待、加工、加工完后离去，就可以称为一个进程。3）离散事件仿真钟的推进方法•为了实现对系统的动态仿真，必须跟踪仿真过程中时间的推进，即必须给模型一个从某一时刻推进到下一时刻的时间推进机制。•仿真钟就是一个仿真模型中用来记录仿真当前时刻的变量，即用于表示仿真时间的变化。•仿真钟所显示的是系统仿真所花费的时间，而不是计算机运行仿真模型的时间。•离散事件系统仿真的仿真钟推进方法分为两类：一类是变步长推进法(或称下一事件步长法)，另一类是固定步长推进法(或称固定增量法)。•变步长推进法也叫下一事件步长法，或面向事件的仿真时钟推进。该推进方式事先并没有确定时钟推进步长，而是根据随机事件的发生，进行随机步长的推进，推进步长为最后发生事件与下一事件之间的时间间隔。•固定步长推进法也叫面向时间间隔的仿真时钟推进。该推进方式确定一个固定的时间间隔，以此为增量来逐步推进仿真钟。4）系统仿真算法•仿真算法是确定仿真钟推进策略的控制方法，是仿真控制的核心。比较成熟的仿真算法有三种：•第一类是以事件为基础的事件调度法（ES，EventScheduling）；•第二类是以活动扫描为基础的活动扫描法（AS，ActivityScanning）；•第三类是以进程为基础的进程交互法（PI，ProcessInteraction）。（1）事件调度法•事件调度法是面向事件的。这种方法按时间顺序处理物流系统所发生的一系列事件，记录每一事件发生时引起的系统状态的变化，来完成物流系统的整个动态过程仿真。•建模的任务在于确定导致系统状态改变的事件以及与各类事件相对应的逻辑关系。（2）活动扫描法•活动扫描法是面向活动的，活动开始和结束是物流系统状态变化的标志。•在以活动扫描为基础的离散型仿真中，仿真模型描述系统实体所进行的活动以及预定导致活动开始或结束的条件。•活动开始或终止的事件并非由模型事先安排，而是由为活动规定的条件所初始化。随着仿真时钟按一定步长推进，对每项活动的开始或终止的条件进行扫描。（3）进程交互法•进程交互法是面向进程的，是事件调度法与活动扫描法的结合。•一个进程包含若干有序事件和有序活动，据此可以模型各主动成分的活动为主线生成仿真进程表。仿真时，一旦某个成分进入物流系统，它将完成该进程中的全部活动。•进程交互法更接近于实际系统，从用户的观点看，更容易使用，但进程交互法的软件实现，比事件调度法与活动扫描法都要复杂。10.1.3物流系统仿真的一般步骤10.2物流系统仿真的应用10.2.1常见的物流系统仿真应用•系统仿真在物流系统运行中的应用，可以从三方面考虑：（1）在物流系统尚未建立之前，可以评价和论证系统方案及其可行性，避免投资风险；并且可以进行多种方案的比较，进行最优化设计，能大大提高设计的成功率。（2）在物流系统设计过程中，利用仿真技术可以帮助设计人员建立系统模型，进行模型验证与模型简化并进行最优化设计；利用仿真技术可以帮助设计人员完成设备和运行参数的选择。（3）在物流系统建成后，利用仿真技术可以分析系统工作的状况，寻求系统改进的途径以及找出最佳的运行参数。•常见物流系统仿真应用主要有：1）物流系统规划与设计•在物流系统还处于规划设计、没有实际建成的情况下，把系统规划转换成仿真模型，通过运行模型，评价规划方案的优劣并修改方案，是系统仿真经常用到的一方面。可以在系统建成之前，对不合理的设计和投资进行修正，避免了资金、人力和时间的浪费。•系统仿真运行准确地反映了未来物流系统在有选择的改变各种参数时的运行效果，从而使设计者对规划与方案的实际效果更加胸有成竹，有利于避免企业新上项目的失误。2）生产物料控制•对于生产制造企业来说，可以根据企业生产的工艺流程、设备参数、人员配备、资金约束、物料供应等，建立生产物流仿真系统。•通过仿真，可以分析生产系统的生产量，确定生产瓶颈位置，报告资源利用率；可以考察生产物流系统重构、车间物流改造；可以考评生产物料的JIT配送、生产物流的库存管理等。•生产物流仿真若能同MRP、MRPII、ERP等结合，将使企业的人、财、物等资源配置更合理有效。3）库存控制•对企业内部运行来说，由于外部市场需求的不确定及其波动，导致企业内部物料供应部门与生产加工部门的供求关系往往存在矛盾。•通过对物料库存状态的仿真，可以动态地模拟入库、出库、库存的实际状况。根据加工要求，正确地掌握入库、出库的时机和数量。•对企业所在供应链来说，供应商、生产商、分销商、零售商和终端客户，每个环节都可以建立模型进行仿真，动态地模拟入库、出库、库存的实际状况，根据下游需求正确地掌握入库、出库的时机和数量；在此基础上，拓展到整个供应链，从而降低整个供应链的总库存量和库存成本，提高供应链的整体运行绩效。•这方面典型的应用，如构建“啤酒游戏”的计算机模型，分析比较不同库存策略时“啤酒游戏”和“牛鞭效应”产生的原因和机理，根据仿真结果采取相应的手段，降低供应链中企业的库存总量，降低供应链的物流总成本。4）物流运输•物流运输系统是一个复杂的动态过程，系统中常常包含有多种运输车辆、多种运输路线。运输策略存在着多种可能性。•建立运输系统仿真模型，动态运行此模型，再用动画将运行状态、道路堵塞情况、货物供应情况等生动地呈现出来。•通过对运输调度过程仿真，调度人员对所执行的调度策略进行检验和评价，就可以采取比较合理的调度策略。5）物流成本估算•物流成本包括运输成本、库存成本、装卸成本、人工成本等，物流成本的核算与所花费的时间比例相关。•物流系统仿真是对物流整个过程的模拟，进程中每一个操作的时间，通过仿真推进被记录下来。因此可以通过仿真统计物流时间的花费，进而计算物流的成本。•这种计算物流成本的方法，比用其他数学方法计算，更简便、更直观。同时可以建立起成本与物流系统规划、物料库存控制、物料运输调度策略之间的联系。从而用成本核算结果来评价物流系统的策略和方案。6）物流发展战略•应用计算机仿真模型，可以对从过去到未来的国家、地区乃至企业的物流系统发展规律进行仿真运算分析，研究系统的因果关系、相互作用、发展机理等，得出有益的结论，以利于制定科学的区域、行业或企业物流发展战略，促进物流系统的改进和发展。7）其他应用，如：•物流系统运行分析；•物流方案评价优选；•军事物流后勤保障；•应急物流响应机制；等。10.2.2常见的物流系统仿真软件简介•1）Arena•Arena是1993年美国RockwellAutomation公司推出的可视化交互仿真软件，它基于面向对象的思想和结构化的建模概念，将专用仿真语言的灵活性和仿真器的易用性很好结合在了一起，成为广泛应用的仿真工具之一。•2）AUTOMOD•AUTOMOD是由美国BrooksAutomation公司推出的、目前市面上比较成熟的三维物流仿真软件。•主要包括三大模块：AutoMod、AutoStat和AutoView。•3）SIMAnimation•SIMAnimation是美国3i公司设计开发的集成化物流仿真软件。SIMAnimation使用基于OpenGL三维建模技术的OOP编程方法，集三维实体光照、材质视点变换、漫游于一体，提供真正的三维动画和虚拟的现实世界。•4）Witness•Witness是英国LannerGroup开发的面向工业系统、商业系统流程的动态系统仿真软件平台。主要特点：（1）交互式面向对象的建模环境。（2）灵活的执行策略。（3）工程友好性强。（4）实时的彩色动画显示。（5）灵活的输入输出方式，OLE自动服务。（