第2章物流系统、模型与仿真

第2章物流系统、模型与仿真第一节物流系统概述第二节物流系统模型第三节物流系统仿真物流是一个系统Logisticsisasystem企业内的物流系统运输储存…企业的边界企业间的物流系统运输储存…运输…储存企业2的边界企业1的边界物流是一个系统Logisticsisasystem制造商分销商零售商消费者供应链物流系统逆向物流正向物流物流系统物流系统的定义2.1.1物流系统物流系统是指在一定的时间和空间里，由所需位移的物资与包装设备、搬运装卸机械、运输工具、仓储设施、人员和通讯联系等若干相互制约的动态要素，所构成的具有特定功能的有机整体。用“系统”的三个基本属性来理解物流系统:物流系统的功能（要实现的目的）？2.1.1物流系统服务能力高，无货损货差，服务费用合理；在客户指定时间窗口内完成服务；合理利用设备资源；优化物流网络，规模合理化合理选择库存控制策略与方法5S目标—优质服务5S目标—迅速及时5S目标—节约空间5S目标—规模适当5S目标—控制库存用“系统”的三个基本属性来理解物流系统:物流系统的功能（要实现的目的）？2.1.1物流系统提高客户满意度；提高市场反应速度；降低物流成本；提高资源利用率；增强企业竞争优势……企业物流系统可能的目的用“系统”的三个基本属性来理解物流系统:物流系统构成要素：2.1.1物流系统网络要素构成节点---仓库、物流中心、批发店、零售店…线路---运输线路用“系统”的三个基本属性来理解物流系统:物流系统构成要素：2.1.1物流系统活动环节要素构成运输子系统储存子系统包装子系统装卸子系统相互影响、相互联系流通加工子系统配送子系统信息处理子系统物流系统的基本模式2.1.1物流系统（1）原材料、设备（2）劳动力（3）能源（4）资金（5）信息等（1）物流设施、设备（2）物流业务活动（3）信息处理（4）管理工作等（1）产品位置转移（2）各种劳务（3）能源（4）信息（5）环境负担输出系统转换输入环境反馈一、物流系统工程的定义定义：在物流管理中，从物流系统的整体利益出发，把物流与信息流融为一体，运用系统工程的理论和方法，为物流系统的规划、管理、控制选择最优方案。物流系统工程用来解决物流系统的以下问题:最优控制最优设计最优管理规划计划预测分析评价2.1.2物流系统工程二、物流系统工程的理论基础1.数学基础理论（用数学思想看待物流系统）2.一般系统理论（物流系统是由运输、储存、包装、装卸、搬运、配送、流通加工、信息处理等子系统组成，需要用系统论进行研究）2.1.2物流系统工程3.耗散结构理论耗散结构理论的创始人是普利高津教授，荣获了1977年诺贝尔化学奖。耗散结构的概念是相对于平衡结构的概念提出来的，它提出一个远离平衡态的**系统，在外界条件发生变化达到一定阀值时，量变可能引起质变，系统通过不断地与外界交换能量与物质，就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态。耗散结构理论成功地引用到某些系统。系统的平衡态和非平衡态在有序和无序之间的转化关系：我们仅以日常能够接触到的事物为例。如冬天玻璃窗上的水汽可以凝结成美丽的冰晶,其内部的分子、原子呈长程有序排列,它们之间的相互作用不随时间改变。这就是一种典型的平衡结构。经典热力学和统计物理学认为,在一个闭合系统的物理、化学结构中,自由能F和能量E、温度T、熵S之间有如下关系:T=E-TS。就冰晶而言,如果温度升高,TS项作用增大,晶体的结构就将被破坏,系统则转入高熵的液态和气态,即由有序变为无序。2.1.2物流系统工程耗散结构需要具备四个条件：（1）系统必须是**系统，能与环境进行物质、能量和信息交换，并能不断地引入足够大的负熵流；（在普利高津的公式（dS/dt=deS/dt+diS/dt）中，deS/dt被翻译成“熵流项”，其值可正可负，取负值的就被叫做“负熵流”。）（2）系统必须远离平衡态，是非平衡系统；（3）系统内部各个要素之间存在着非线性的相互作用；（4）涨落导致有序；一座城市可看作一个耗散结构，每天输入食品、燃料、日用品等，同时输出产品和垃圾，它才能生存下去，它要保持稳定有序状态，否则将处于混乱。现代物流系统也是一个非平衡的**系统，物流系统内部各元素的联系是非线性的，存在着有规律的波动和无规律的随机扰动，因此也是一个耗散结构。可以采用耗散结构理论进行分析研究。参考文献《基于耗散结构理论的区域物流系统演化机理》2.1.2物流系统工程4.协同学理论协同学理论是以耗散结构理论为基础的，即它也在远离平衡态的**系统条件下提出的，它强调在复杂的大系统内，各子系统的协同行为产生出超越各要素自身的单独作用，从而形成整个系统的统一作用和联合作用。（1+12）协同学的应用范围十分广泛，一切**系统，由于内部子系统之间的非线性作用，都可以在一定的条件下呈现出非平衡的有序结构，都可以应用协同学。物流系统是一个复杂的系统（实体复杂性、结构复杂性、环节之间交互作用的复杂性），采用协同学理论研究较为适用。参考文献《基于协同学的生鲜农产品冷链物流系统研究》2.1.2物流系统工程5.系统动力学理论2.1.2物流系统工程系统动力学（SystemsDynamics，SD）是美国麻省理工学院（MIT）的弗雷斯特（J.W.Forrester）教授于1956年提出的一种以反馈控制理论为基础，以计算机仿真技术为辅助手段的计算机仿真模型，当时主要是针对企业管理问题进行系统分析。系统动力学适用范围：适用于需要进行比较、选择或优化决策的系统，尤其是大规模复杂系统；具有自律性和由于系统中所存在的因果关系而形成反馈机制的系统；原因和结果相互作用具有多样性和复杂性，因而导致非线性多重反馈结构的系统。因果关系分析（一）因果箭一般系统内变量间的因果关系用箭头图表示，一个箭头连接两个有因果关系的相关变量，称之为因果箭。因果箭的箭尾始于原因要素，箭头指向结果要素。2.1.2物流系统工程5.系统动力学理论（二）因果链因果链是用因果箭来描述的递推性的因果关系。所示图负因果箭的因果链，如正因果链：含有偶数个所示图负因果箭的因果链，如负因果链：含有奇数个)()b(c2.1.2物流系统工程因果关系分析5.系统动力学理论（三）因果关系的反馈回路当因果链中“原因”引起“结果”，“结果”又引起“结果的结果”，最终又作用于最初的“原因”，形成一个封闭的回路，则称为因果关系的反馈回路或因果反馈回路、因果反馈环。个负因果箭的反馈回路正反馈回路：含有偶数个负因果箭的反馈回路负反馈回路：含有奇数5.系统动力学理论2.1.2物流系统工程因果关系分析（四）多重因果反馈回路同一系统中存在的两个或两个以上的反馈回路称为多重反馈回路。2.1.2物流系统工程5.系统动力学理论因果关系分析系统动力学模型（一）流程图（FlowDiagram）TextTextText状态变量•也称为流位变量，是描述系统积累效应的变量：现实值等于原有值加上改变量。决策变量•也称为流率变量、速率，是描述系统积累效应的变化快慢的变量5.系统动力学理论2.1.2物流系统工程流程图常用符号流流位流率源与汇参数辅助变量5.系统动力学理论系统动力学模型（一）流程图（FlowDiagram）2.1.2物流系统工程【例】进行存款活动时，存款与利息的因果关系反馈回路可表示为：可用流程图描述以上因果关系反馈回路为：其中：存款为状态变量利息为流率变量利率为辅助变量5.系统动力学理论2.1.2物流系统工程（二）系统动力学方程系统动力学中的基本DYNAMO方程主要有：1.状态变量方程LLEVEL.K=LEVEL.J+DT*(INFLOW.JK-OUTFOLW.JK)2.流率方程CON.K,AUX.K,LEVEL.K,RATE.KLfR3.辅助方程CON.K,RATE.JK,LEVEL.K,AUX.K,AUX.KgA5.系统动力学理论系统动力学模型2.1.2物流系统工程（二）系统动力学方程4.常量方程CONC注意：(1)常量方程中不能出现时间下标(2)常量可以依赖于其他常量。5.赋值方程LEVELN注意：(1)赋值方程中不能出现时间下标(2)模型中每一个状态变量方程都必须赋予初始值，因此每个L方程后都必须跟随一个N方程5.系统动力学理论系统动力学模型2.1.2物流系统工程物流系统动力学由于物流系统具有系统性、动态性、反馈性和滞后性等特征，因此非常适合运用系统动力学的方法进行分析和优化。因果关系分析物流系统动力学模型中较常采用的状态变量一般有经济水平、人口水平、消费水平、物流系统供给和物流系统需求等。物流系统动力学模型中较常采用的决策变量一般有物流系统政策、经济发展政策、收入分配政策等。2.1.2物流系统工程物流系统动力学基本反馈回路把系统(或环节)的输出直接或经过一些环节重新引回到输入端的做法，叫做反馈。在物流系统动力学模型中最基本的是一阶和二阶反馈回路。例：一阶负反馈回路【例】已知一库存系统，当前库存量为2000件，期望库存量为8000件，每周向供应商订货，**5周时间调整到期望库存，建立一个一阶负反馈回路。2.1.2物流系统工程例、一阶负反馈回路第一步：因果关系分析当库存量增加时，库存量与期望库存量之间的差额减少，两者形成负因果箭当库存差额增加时，订货速率（即每周的订货批量）增加，两者形成正因果箭；当订货速率增加时，库存量将变大，两者形成正因果箭。2.1.2物流系统工程第二步：绘制流程图库存量为状态变量，订货速率为流率变量，库存差额、期望库存量和库存调整时间为辅助变量。例、一阶负反馈回路2.1.2物流系统工程第三步：输入方程式库存调整时间＝5（周）期望库存＝8000（件）初始库存量＝2000（件）库存差额＝期望库存量-库存量订货速率＝库存差额/库存调整时间库存量＝INTEG（订货速率）例、一阶负反馈回路2.1.2物流系统工程当库存量越来越接近期望库存量时，订货速率越来越小，最后库存量在第20周左右逐渐逼近期望库存量，该库存系统是一个渐进稳定的系统，其中的一阶负反馈回路起到了自我平衡的作用。例、一阶负反馈回路2.1.2物流系统工程三、物流系统工程的基本方法1.模型化技术模型可分为形象模型和数学模型两大类。建立模型是系统设计的关键。常用到下列数学模型:物流预测模型物流节点选址模型库存模型运输模型投入产出模型等2.1.2物流系统工程2.最优化的理论和方法常用的物流系统优化方法有：(1)数学规划法。(2)动态规划法。(3)探索法。(4)分割法。3.网络技术网络技术与模拟技术相结合的网络模拟方法对复杂物流系统进行设计和优化4.分解协调技术将复杂大系统分解为若干相对简单的子系统，在实现子系统的局部优化基础上根据整体最优原则进行优化。5.模拟技术2.1.2物流系统工程2.2.1物流系统模型物流系统模型：物流系统模型是对物流系统的特征要素、相关信息和变化规律的一种抽象表述，反映物流系统某些本质属性。物流系统模型的特征：（1）是物流系统中现实实体的抽象或模仿；（2）由一些与物流系统分析有关的因素所组成；（3）用来表明物流系统中各因素间的关系。2.2.1物流系统模型系统优化方法模型仿真方法启发式方法网络技术预测技术方法物流系统建模的方法1．准确性模型必须准确反映现实系统的本质规律。2．可靠性模型在反映事物本质的基础上，必须有—定的精确度。3．简明性模型的表达方式应明确、简单、抓住本质。4．实用性模型必须能方便用户，因此要努力使模型标准化、规范化，要尽量采用已有的模型。5．反馈性建模是一个由浅入深、循序渐进的过程。物流系统建模原则2.2.2物流系统建模2.2.2物流系统建模物流系统建模步骤（1）弄清问题，掌握原型的**特征要清晰准确地了解系统的规模、目的和范围以及判定准则，确定输出输入变量及其表达形式。（2）搜集资料搜集**可靠的资料，对资料进行分类，概括出本质内涵，分清主次变量，把已研究过或成熟的经验知识或实例，进行挑选作为基本资料，供新模型选择和借鉴。将本质因素的