第2講 物流系統(tǒng)建模

物流系統(tǒng)工程鐘勝鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義22023/6/19第2講物流系統(tǒng)建模建模是系統(tǒng)分析的必要過程，模型建立的質(zhì)量也影響著系統(tǒng)優(yōu)化的效果。本講將概述幾類主要的模型及其特點(diǎn)，并對常用的物流系統(tǒng)模型建模技術(shù)進(jìn)行討論。模型概述物流系統(tǒng)模型的建立物流系統(tǒng)建模技術(shù)鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義32023/6/19§2.1模型概述模型的定義模型的分類實(shí)物模型圖形模型最優(yōu)化模型仿真模型鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義42023/6/19§2.1.1模型的定義模型是指為了某個(gè)特定目的而將原型所具有的本質(zhì)屬性的某一局部信息經(jīng)過簡化、提煉而構(gòu)造的原型替代物。模型集中反映系統(tǒng)信息的整體，是對實(shí)際系統(tǒng)的一種抽象，是系統(tǒng)本質(zhì)的表述，是人們對客觀世界反復(fù)認(rèn)識、分析，經(jīng)過多級轉(zhuǎn)換、整合等過程而形成的最終成果，它具有與系統(tǒng)相似的數(shù)學(xué)描述或物理屬性，以各種可用的形式，給出研究系統(tǒng)的信息。一個(gè)原型，為了不同的目的可以有多種不同的模型。模型是對真實(shí)系統(tǒng)中那些有用的和令人感興趣的特性的抽象化。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義52023/6/19§2.1.2模型的分類從不同的角度觀察模型，可以得出多種不同的分類方法。按照模型的形式分，模型有抽象模型和形象模型；按模型中變量的性質(zhì)分，模型有動態(tài)模型和靜態(tài)模型、連續(xù)模型和離散模型、確定性模型和隨機(jī)性模型等；按模型的規(guī)模分，模型有宏觀模型、中觀模型、微觀模型；按模型的用途分，模型有工程用模型、科研用模型、管理用模型等。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義62023/6/19按模型的形式細(xì)分鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義72023/6/19模型的分類根據(jù)模型與實(shí)際系統(tǒng)的一致程度，可概略地把模型分為以下四類：實(shí)物模型圖形模型最優(yōu)化模型仿真模型鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義82023/6/19§2.1.3實(shí)物模型實(shí)物模型是根據(jù)系統(tǒng)之間的相似性而建立起來的物理模型。靜態(tài)的實(shí)體模型最常見的是比例模型。例如，建筑師做縮小比例的房屋模型，作為自己的設(shè)計(jì)方案。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義92023/6/19§2.1.4圖形模型圖形模型是用少量文字、簡明的數(shù)字、不同形式的直線和曲線所構(gòu)成的圖模型，直觀、生動、形象地表示出現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的本質(zhì)和規(guī)律。圖形模型又可分為流程圖、方框圖、結(jié)構(gòu)圖、流圖及網(wǎng)絡(luò)圖等。流程圖：反映某種實(shí)體的流轉(zhuǎn)過程，例如生產(chǎn)流程圖。方框圖：一個(gè)系統(tǒng)由許多子系統(tǒng)組成，用方框來代表子系統(tǒng)從而簡化了對問題的說明。結(jié)構(gòu)圖：用來研究系統(tǒng)元素之間邏輯聯(lián)系、結(jié)構(gòu)層次、空間分布等。如管理決策的層次結(jié)構(gòu)、企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)。流圖：可分為信息流圖、資金流圖和物流圖。信息流圖能反映組織信息的來龍去脈；資金流圖反映了費(fèi)用的流轉(zhuǎn)和消耗情況，通過計(jì)算每一環(huán)節(jié)的費(fèi)用可以分析出企業(yè)的生產(chǎn)效益；物流圖反映了物資流動的方向、運(yùn)量、距離和費(fèi)用等內(nèi)容，對研究工廠布局、計(jì)算運(yùn)費(fèi)、確定運(yùn)輸工具有重要意義。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義102023/6/19§2.1.5最優(yōu)化模型廣義地說，但凡一切數(shù)學(xué)概念、數(shù)學(xué)理論體系、各種數(shù)學(xué)公式、各種方程式以及由公式系列構(gòu)成的算法系統(tǒng)等都被稱為數(shù)學(xué)模型。狹義的說，但凡將具表達(dá)象、事物的特征和性質(zhì)給以數(shù)學(xué)表達(dá)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，如各種等式、不等式、圖、表或框圖等，也叫數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型是由實(shí)物模型為根底〔如圖〕，以解決現(xiàn)實(shí)問題為目的，在正確分析研究現(xiàn)實(shí)對象、構(gòu)建系統(tǒng)的實(shí)物模型和抽象系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征的根底上建立的。它必須反映現(xiàn)實(shí)問題的數(shù)量關(guān)系。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義112023/6/19最優(yōu)化模型鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義122023/6/19最優(yōu)化模型數(shù)學(xué)模型給科學(xué)研究的對象以定量描述，從而把科學(xué)推向更高階段。數(shù)學(xué)建模是一種具有創(chuàng)新性的科學(xué)方法，它將現(xiàn)實(shí)問題簡化、抽象為一個(gè)數(shù)學(xué)問題或數(shù)學(xué)模型，然后采用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法求解，進(jìn)而對現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行定量分析和研究，最終到達(dá)解決實(shí)際問題之目的。但是能用數(shù)學(xué)表示的事物是有限的，在許多情況下，與現(xiàn)象完全吻合的數(shù)學(xué)表述是不可能的。因而，數(shù)學(xué)模型必須對現(xiàn)象做一些必要的簡化和假設(shè)：首先，要忽略現(xiàn)實(shí)問題中許多與數(shù)量無關(guān)的因素，其次，還要忽略一些次要的數(shù)量因素。因此，數(shù)學(xué)模型可以說是用數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的一種假定情況。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義132023/6/19最優(yōu)化模型數(shù)學(xué)模型包括概念模型和正規(guī)模型，其建模過程稱為一次建模。概念模型是指用說明文字、框圖、流程和資料等形式對原始系統(tǒng)的描述；正規(guī)模型是用符號和數(shù)學(xué)方程式來表示的系統(tǒng)的模型，其中系統(tǒng)的屬性用變量表示，系統(tǒng)的活動那么用相互有關(guān)的變量之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式來表示。正規(guī)模型通常依賴精確的數(shù)學(xué)方程式和嚴(yán)密的數(shù)學(xué)過程來分析和評價(jià)系統(tǒng)的各種可選方案，所得的解往往是針對該問題的最優(yōu)解，因此也稱為最優(yōu)化模型。最優(yōu)化模型也有其局限性。由于實(shí)際系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果建立的模型對現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的描述過于細(xì)致，那么即使利用最大型的計(jì)算機(jī)，也可能無法在合理的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出最優(yōu)解。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義142023/6/19§仿真模型能提供數(shù)學(xué)最優(yōu)解的模型雖然看起來最好，但有時(shí)，在理論上的最優(yōu)解對現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)卻沒有意義。例如，物流設(shè)施選址問題，按數(shù)學(xué)模型求出的最優(yōu)點(diǎn)可能位于某條河道或橋梁上。物流系統(tǒng)規(guī)劃及決策分析中，存在許多隨機(jī)因素，而且有時(shí)數(shù)學(xué)上的最優(yōu)解并不是問題的關(guān)鍵，因此，經(jīng)常選用仿真技術(shù)，建立系統(tǒng)仿真模型。所謂仿真模型，就是以代數(shù)和邏輯語言作出的對系統(tǒng)的模擬，這種模擬通常要利用隨機(jī)的數(shù)學(xué)關(guān)系，仿真的過程就是對系統(tǒng)模型進(jìn)行抽樣試驗(yàn)的過程。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義152023/6/19仿真模型仿真模型是一種適合在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行和試驗(yàn)的模型，主要根據(jù)計(jì)算機(jī)運(yùn)算特點(diǎn)、仿真方式、計(jì)算方法、精度要求，將原始系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)的程序。仿真的過程就是對系統(tǒng)模型進(jìn)行抽樣試驗(yàn)的過程。仿真系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模過程稱為二次建模過程。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義162023/6/19仿真模型系統(tǒng)仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：符合人們的思維習(xí)慣，有助于系統(tǒng)分析；系統(tǒng)仿真對各種復(fù)雜的系統(tǒng)具有很好的適應(yīng)性；系統(tǒng)仿真有利于定性與定量相結(jié)合；系統(tǒng)仿真有利于解決隨機(jī)因素的影響；系統(tǒng)仿真可以幫助系統(tǒng)優(yōu)化。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義172023/6/19仿真模型由于仿真模型能真實(shí)地模擬系統(tǒng)過程，因而廣泛應(yīng)用于物流系統(tǒng)中的各種環(huán)節(jié)：物流系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)；物料控制；物料運(yùn)輸調(diào)度；倉庫選址；物流績效的影響因素分析；物流設(shè)備配置；物流本錢分析；等等。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義182023/6/19仿真模型仿真模型與最優(yōu)模型的區(qū)別可以倉庫選址問題為例進(jìn)行比照：最優(yōu)選址模型尋求的是最正確的倉庫數(shù)量、最正確的位置、倉庫最正確規(guī)模；而仿真模型那么是試圖在給定的多個(gè)倉庫、多個(gè)分配方案的條件下，反復(fù)使用模型，對多個(gè)布局方案進(jìn)行評價(jià)，從而找出最優(yōu)的系統(tǒng)方案。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義192023/6/19§2.2物流系統(tǒng)模型的建立物流系統(tǒng)模型定義物流系統(tǒng)建模的必要性物流系統(tǒng)建模原那么物流系統(tǒng)建模思路物流系統(tǒng)建模步驟物流系統(tǒng)建模應(yīng)注意的問題常見的物流系統(tǒng)模型鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義202023/6/19§2.2.1物流系統(tǒng)模型定義物流系統(tǒng)模型是對物流系統(tǒng)的特征要素及其相互關(guān)系和變化趨勢的一種抽象描述。物流系統(tǒng)模型反映物流系統(tǒng)的一些本質(zhì)特征，用于描述物流系統(tǒng)要素之間的相互關(guān)系、系統(tǒng)與外部環(huán)境的相互作用等。物流系統(tǒng)模型具有如下三個(gè)特征：是物流系統(tǒng)實(shí)體的抽象或模仿；由與所分析問題有關(guān)的因素所組成；用來說明這些因素間的關(guān)系。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義212023/6/19§2.2.2物流系統(tǒng)建模的必要性人類認(rèn)識和改造客觀世界的研究方法，主要可分為三種，即實(shí)驗(yàn)法、抽象法、模型法。實(shí)驗(yàn)法是通過對客觀事物本身直接進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行研究的。物流系統(tǒng)范圍廣、環(huán)節(jié)多、構(gòu)成要素復(fù)雜，因此不可能采用實(shí)驗(yàn)法研究物流系統(tǒng)。抽象法是把現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)抽象為一般的理論概念，然后進(jìn)行推理和判斷。這種方法缺乏實(shí)體感，過于概念化，同樣不適合研究物流系統(tǒng)。模型法是在對現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行抽象的根底上，把它們再現(xiàn)為某種實(shí)物的、圖畫的或數(shù)學(xué)的模型，再通過模型來對系統(tǒng)進(jìn)行分析、比較和研究，最終導(dǎo)出結(jié)論。由此可見，模型法既防止了實(shí)驗(yàn)法的局限性，又防止了抽象法的過于概念化，適合于對物流系統(tǒng)的研究和分析。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義222023/6/19物流系統(tǒng)建模的必要性使用物流系統(tǒng)模型的必要性具體在于：物流系統(tǒng)建設(shè)的需要--新建一個(gè)物流系統(tǒng)時(shí)，由于物流系統(tǒng)尚未建立，無法直接進(jìn)行測試或?qū)嶒?yàn)，只能通過建造相應(yīng)的系統(tǒng)模型來對系統(tǒng)的效果進(jìn)行預(yù)測，以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的分析、優(yōu)化、評價(jià)和決策。經(jīng)濟(jì)上的節(jié)約--對復(fù)雜的物流系統(tǒng)或其子系統(tǒng)直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其本錢將十分昂貴，但是，如果使用相應(yīng)的系統(tǒng)模型就非常經(jīng)濟(jì)。時(shí)間上的考慮--物流系統(tǒng)與社會系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)相似，具有慣性大、反響周期長的特點(diǎn)，對這樣的系統(tǒng)直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，那么要等假設(shè)干年以后才能看到結(jié)果，這當(dāng)然是系統(tǒng)分析和評價(jià)所不允許的。使用物流系統(tǒng)模型進(jìn)行分析和評價(jià)，將很快就可得到分析結(jié)果。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義232023/6/19物流系統(tǒng)建模的必要性系統(tǒng)分析的靈活性要求--現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中包含的因素太多而且復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往難以直接與其中的某一因素掛鉤。因此，直接實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不易理解。另外，試驗(yàn)過程中要改變系統(tǒng)某些參數(shù)也相當(dāng)困難。但是，系統(tǒng)模型突出的是研究所需的主要特征，模型〔尤其是數(shù)學(xué)模型〕的修改和參數(shù)變動非常容易，便于在各種不同的條件下對系統(tǒng)進(jìn)行分析和評價(jià)。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義242023/6/19§2.2.3物流系統(tǒng)建模原那么準(zhǔn)確性可靠性簡明性實(shí)用性反響性鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義252023/6/19§2.2.4物流系統(tǒng)建模思路直接分析法--系統(tǒng)較簡單，問題明確，可按問題的性質(zhì)直接建立模型。數(shù)據(jù)分析法--當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)尚不夠清楚，但通過分析系統(tǒng)功能的已有數(shù)據(jù)或新做的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以建立協(xié)調(diào)的模型。試驗(yàn)分析法--對于對于某些問題，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析尚不能確定個(gè)別變量對整個(gè)系統(tǒng)工作指標(biāo)的影響，又不可能做大量試驗(yàn)時(shí)，也可以在系統(tǒng)上作局部試驗(yàn)，確定關(guān)鍵的本質(zhì)變量，弄清楚其本質(zhì)特性及其對所關(guān)心指標(biāo)的影響，并逐步分析發(fā)現(xiàn)矛盾，建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，直到取得滿意的效果為止。主觀想象法--當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性質(zhì)不明確，又無足夠的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)上又無法做實(shí)驗(yàn)，此時(shí)看來無法建立模型，但實(shí)際上也是可以利用“主觀想象〞來人為地實(shí)現(xiàn)模型。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義262023/6/19物流系統(tǒng)建模思路人工實(shí)現(xiàn)法--當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性質(zhì)不明確，沒有足夠的數(shù)據(jù)，又無法在系統(tǒng)上做實(shí)驗(yàn)，或者不允許做實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以人為地逐步建立模型〔如下圖〕。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義272023/6/19§2.2.5物流系統(tǒng)建模步驟弄清問題，掌握真實(shí)情況--要清晰準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)的規(guī)模、目的和范圍以及判定準(zhǔn)那么，確定輸出輸入變量及其表達(dá)形式。對于經(jīng)濟(jì)模型而言，要根據(jù)有關(guān)經(jīng)濟(jì)理論，假定結(jié)構(gòu)方程，確定變量關(guān)系，設(shè)定隨機(jī)量的概率分布。搜集資料--搜集真實(shí)可靠的資料，全面掌握資料，對資料進(jìn)行分類，概括出本質(zhì)內(nèi)涵，分清主次變量，把已研究過或成熟的經(jīng)驗(yàn)知識或?qū)嵗?，進(jìn)行挑選作為根本資料，供新模型選擇和借鑒。將本質(zhì)因素的數(shù)量關(guān)系，盡可能用數(shù)學(xué)語言來表達(dá)。確定因素之間的關(guān)系--確定本質(zhì)因素之間的相互關(guān)系，列出必要的表格，繪制圖形和曲線等。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義282023/6/19物流系統(tǒng)建模步驟構(gòu)造模型--在充分掌握資料的根底⊥，根據(jù)系統(tǒng)的特征和效勞對象，構(gòu)造能代表所研究系統(tǒng)的數(shù)量變換的數(shù)學(xué)模型。這個(gè)模型可能是初步的、簡單的，如初等函數(shù)模型。求解模型--用解析法或數(shù)值法求解模型最優(yōu)解。對于較復(fù)雜的模型，有時(shí)需編出框圖和計(jì)算機(jī)程序來求解。檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性--目的在于肯定模型是否在一定精確度的范圍內(nèi)正確地反映了所研究的問題。必要時(shí)要進(jìn)行修正和反復(fù)訂正，如除去一些變量，合并一些變量，改變變量性質(zhì)或變量間的關(guān)系以及約束條件等，使模型進(jìn)一步符合實(shí)際，滿足在可信度范圍內(nèi)可解、易解的要求后投入使用。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義292023/6/19§2.2.6物流系統(tǒng)建模應(yīng)注意的問題明確目的，確定構(gòu)成要素--即使針對同一個(gè)系統(tǒng)，由于建模的目的不同，構(gòu)造出來的模型也不同，因而要素構(gòu)成也不同。模型的簡單化和高精度模型--簡單模型包含實(shí)際系統(tǒng)的信息少，模型的精度就差。因而應(yīng)權(quán)衡簡單化與高精度的關(guān)系。沒有固定不變的建模方法--無法確定哪一種模型最好是建模的一個(gè)特征。模型的驗(yàn)證--為了確認(rèn)模型的準(zhǔn)確，必須進(jìn)行驗(yàn)證。沒有人類介入的系統(tǒng)建模鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義302023/6/19§2.2.7常見的物流系統(tǒng)模型資源分配型--任何一個(gè)生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)，允許使用的資金、能源、原材料、資源、運(yùn)輸工具、臺時(shí)、工時(shí)等都是有限的，環(huán)境對生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)也有一定約束，所以企業(yè)是在這些限制條件下進(jìn)行生產(chǎn)。如何合理安排和分配有限的人力、物力、財(cái)力，充分發(fā)揮其作用，使目標(biāo)函數(shù)到達(dá)最優(yōu)，這就是資源分配型。通?？梢岳玫哪Ｐ陀芯€性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃和目標(biāo)規(guī)劃。存儲型--為了使生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)得以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一定量的資源儲藏是必要的。在保證生產(chǎn)過程順利進(jìn)行的前提下，如何合理確定各種所需物資存儲數(shù)量，使資源采購費(fèi)用、存儲費(fèi)用和因缺乏資源影響生產(chǎn)所達(dá)成的損失的總和為最小，這就是存儲型。通?？梢岳玫哪Ｐ陀袔齑婺Ｐ秃蛣討B(tài)規(guī)劃模型。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義312023/6/19常見的物流系統(tǒng)模型輸送型--在一定的輸送條件下〔如道路、車輛〕，如何使輸送量最大、輸送費(fèi)用最省、輸送距離最短，這就是輸送型。圖論、網(wǎng)絡(luò)理論、規(guī)劃理論為解決這類問題提供了有用模型。等待效勞型--系統(tǒng)中由要求效勞的顧客〔如領(lǐng)料的工人、待打印的文件、報(bào)壞的機(jī)器、提貨單〕和為顧客效勞的機(jī)構(gòu)〔如倉庫、維修車間、發(fā)貨點(diǎn)〕所構(gòu)成的等待系統(tǒng)中，如何最優(yōu)地解決“顧客〞和“機(jī)構(gòu)〞之間的一系列問題，了解顧客到來的規(guī)律，確定顧客等待的時(shí)間，尋求使顧客等待時(shí)間最少而機(jī)構(gòu)設(shè)置費(fèi)用最省的優(yōu)化方案。通?？梢岳玫哪Ｐ陀信抨?duì)模型。指派型--任務(wù)的分配、生產(chǎn)的安排以至加工順序問題更是企業(yè)中常見的問題，如何以最少費(fèi)用或最少時(shí)間完成全部任務(wù)，這就是指派型，數(shù)學(xué)上稱為指派問題和排序問題。通?？梢岳玫哪Ｐ陀姓麛?shù)規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃模型。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義322023/6/19常見的物流系統(tǒng)模型決策型--在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中，由于決定技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題的因素愈來愈復(fù)雜而又不明確，解決生產(chǎn)技術(shù)問題的途徑和措施又多樣化，因此需要有許多行之有效的決策技術(shù)來支持。從各種有利有弊且?guī)эL(fēng)險(xiǎn)的替代方案中，對經(jīng)營管理中的一些重大問題做出及時(shí)而正確的抉擇，找出所需的最優(yōu)方案。這就是決策型，決策論為解決這類問題提供了可以利用的模型。其他模型--物流系統(tǒng)中的問題是很復(fù)雜的，可以利用的數(shù)學(xué)模型很多，除以上介紹的這些模型以外，還有如解釋預(yù)測型、投入產(chǎn)出型、布局選址型等等。系統(tǒng)總體的優(yōu)化問題往往是一個(gè)綜合性的復(fù)雜問題。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義332023/6/19§2.3物流系統(tǒng)建模技術(shù)物流系統(tǒng)屬離散事件動態(tài)系統(tǒng)。近年來，研究人員對離散動態(tài)系統(tǒng)的建模、分析、優(yōu)化等方面的研究取得了很大進(jìn)展，開發(fā)了很多新的建模技術(shù)。概括地講，這些建模方法可分為兩大類：形式化建模技術(shù)和非形式化建模技術(shù)。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義342023/6/19物流系統(tǒng)建模技術(shù)所謂形式化建模技術(shù)，是指采用大量的數(shù)學(xué)工具，通過狀態(tài)方程對系統(tǒng)進(jìn)行描述和分析，像排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)法、極大代數(shù)法、擾動分析法、Petri網(wǎng)法等；所謂非形式化建模技術(shù)，是指采用圖形符號或語言描述等較貼近人們思維習(xí)慣的方式對系統(tǒng)進(jìn)行描述和分析，這種分析主要借助計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，像活動循環(huán)圖、模擬語言、面向?qū)ο蠹夹g(shù)等。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義352023/6/19

物流系統(tǒng)建模技術(shù)形式化建模技術(shù)非形式化建模技術(shù)Petri網(wǎng)絡(luò)物流系統(tǒng)模型系統(tǒng)動力學(xué)建模技術(shù)Agent與Multi-Agent模型鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義362023/6/19形式化建模技術(shù)排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)法極大代數(shù)法擾動分析法鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義372023/6/19形式化建模技術(shù)上述三種建模方法有一個(gè)共性的問題，即都是對系統(tǒng)的動態(tài)過程建立嚴(yán)格的動態(tài)方程。在現(xiàn)實(shí)中，大量的實(shí)際系統(tǒng)無法用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方程來描述，因此，其實(shí)用性受到限制。同時(shí)狀態(tài)方程無論是建模還是分析都需要大量的數(shù)學(xué)知識，其抽象表述也不符合人們的思維方式，因此這些建模方法也不宜于推廣使用。相對于上述抽象的表述及分析，Petri網(wǎng)模型由于對系統(tǒng)動態(tài)特性〔尤其是對并發(fā)現(xiàn)象〕能進(jìn)行較好的描述，且其圖形表示法易于理解和接受，以致Petri網(wǎng)模型已經(jīng)成為目前離散動態(tài)系統(tǒng)建模中最活潑的建模技術(shù)之一。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義382023/6/19排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)法Solberg〔1977〕將排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)理論用于離散事件動態(tài)系統(tǒng)的建模。其模型假定效勞臺具有指數(shù)型效勞時(shí)間分布，工件都是同一類型。通過排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型，可以分析系統(tǒng)生產(chǎn)率、平均加工時(shí)間、工位利用率等。但由于排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型沒有考慮系統(tǒng)的實(shí)際布局，加工時(shí)間分布都是標(biāo)準(zhǔn)分布，也沒有考慮托盤與緩沖站存在某種確定關(guān)系，因此只適應(yīng)于對系統(tǒng)的定性分析。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義392023/6/19極大代數(shù)法極大代數(shù)法是由G.Cohen〔1985〕等人提出的，以極大代數(shù)為工具，將生產(chǎn)系統(tǒng)視為確定性系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行關(guān)系建立起一系列事件發(fā)生時(shí)間的狀態(tài)方程，分析其特征值，得出加工設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備的工作周期、利用率等指標(biāo)。這種模型當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模增大，方程的維數(shù)也增大，對復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義402023/6/19擾動分析法最初提出擾動分析法是哈佛大學(xué)YC.H提出并開展起來的，它兼容了模擬法與理論分析法的長處，其核心為研究系統(tǒng)參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響，以此對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)多參數(shù)變化時(shí)，用狀態(tài)方程描述較困難；而且擾動較大時(shí)，系統(tǒng)分析的誤差也可能太大。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義412023/6/19非形式化建模技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷開展，人們越來越希望借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行分析。一些圖形法就是通過人們易于接受并理解的圖形表示來對系統(tǒng)進(jìn)行建模，然后轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)語言，通過程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行分析?；顒友h(huán)圖流程圖法面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義422023/6/19活動循環(huán)圖活動循環(huán)圖，又稱ACD圖，它認(rèn)為系統(tǒng)中的每一種實(shí)體都按各自的方式循環(huán)地發(fā)生變化，而在這一循環(huán)中又只有兩種狀態(tài)—靜止?fàn)顟B(tài)和活動狀態(tài)，這兩種狀態(tài)交替地出現(xiàn)，活動循環(huán)圖以圖形方式，直觀地顯示系統(tǒng)。通過系統(tǒng)中的狀態(tài)變化，有利于理解和分析。但對于較復(fù)雜的系統(tǒng)，活動循環(huán)圖十分繁雜。由于它是非形式化的，因此沒有完整的狀態(tài)轉(zhuǎn)換方程等數(shù)學(xué)描述來支持該模型的分析，只能通過程序設(shè)計(jì)，分析系統(tǒng)的情況。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義432023/6/19流程圖法流程圖法一直是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)時(shí)所用的系統(tǒng)的模型，它通過信息〔數(shù)據(jù)〕的傳遞和轉(zhuǎn)移來描述系統(tǒng)。這種方法主要是用來做程序設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)的狀態(tài)缺乏直接的描述。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義442023/6/19面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)面向?qū)ο蠹夹g(shù)最初是由一組面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)概念開展起來的。這種概念對面向?qū)ο蠓治觥睴bject-orientedAnalyze〕和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)〔Object-orientedDesign〕非常有用。面向?qū)ο蟮募夹g(shù)如分解、抽象、遞階等特性非常適用于復(fù)雜問題的求解。面向?qū)ο蠹夹g(shù)可以使對現(xiàn)實(shí)世界的描述更接近實(shí)際。傳統(tǒng)的面向過程的系統(tǒng)主要是由一些算法構(gòu)成，對每一種算法，輸入輸出關(guān)系是確定的，類似控制理論中的代數(shù)系統(tǒng)，這種描述與實(shí)際系統(tǒng)有較大的差距。而面向?qū)ο竽敲磳⑾到y(tǒng)的屬性映射為一組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)與外界的交互映射為一組操作，系統(tǒng)外部對系統(tǒng)狀態(tài)的訪問必須經(jīng)過操作進(jìn)行，類似于控制理論中的動力學(xué)系統(tǒng)，這種描述更接近客觀實(shí)際，更有利于進(jìn)行系統(tǒng)集成。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義452023/6/19面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)面向?qū)ο笾械睦^承、聚集等機(jī)制可對系統(tǒng)進(jìn)行簡化、分解，有助于復(fù)雜系統(tǒng)的描述。繼承主要用于系統(tǒng)層次或縱向功能的劃分；聚集那么主要用于系統(tǒng)同層或橫向的分解。面向?qū)ο蠹夹g(shù)對人機(jī)界面的設(shè)計(jì)還有一系列特點(diǎn)，如設(shè)備無關(guān)性、風(fēng)格一致性、界面可剪裁性等。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義462023/6/19Petri網(wǎng)絡(luò)物流系統(tǒng)模型CarlAdamPetri〔1962〕在他的博士學(xué)位論文“自動化通信〞中，提出了Petri網(wǎng)模型。Petri闡述了一臺計(jì)算機(jī)中的兩個(gè)異步分枝間的通信理論的根底，他特別注意到事件之間因果關(guān)系的描述。他的論文成了Petri網(wǎng)理論開展的奠基石。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義472023/6/19Petri網(wǎng)絡(luò)物流系統(tǒng)模型Petri網(wǎng)這種模型，特別適用于模擬這樣的一類系統(tǒng)，即系統(tǒng)中含有相互作用的并行分枝。由于Petri網(wǎng)對帶有并發(fā)性、異步性、分布式、非確定性、并行性系統(tǒng)的有力描述，已成為目前最有前途的建模工具。近些年，Petri網(wǎng)技術(shù)已獲得極大開展，各種各樣的網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)出來，如：條件／事件網(wǎng)，庫所／變遷網(wǎng)，有色網(wǎng)系統(tǒng)等。這些網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)極大地?cái)U(kuò)展了對復(fù)雜系統(tǒng)的建模能力。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義482023/6/19Petri網(wǎng)絡(luò)物流系統(tǒng)模型條件／事件網(wǎng)由條件和事件組成，條件由圓圈代表，事件由方框代表，如以下圖所示：鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義492023/6/19Petri網(wǎng)絡(luò)物流系統(tǒng)模型在以上網(wǎng)系統(tǒng)中，每個(gè)令牌表示同樣的事情，而在有些應(yīng)用中，需要令牌表達(dá)不同的現(xiàn)實(shí)世界的對象。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，有色網(wǎng)系統(tǒng)被引人，每個(gè)弧有一個(gè)標(biāo)記指明何種令牌，從一個(gè)位置〔處所〕流到一個(gè)變遷的數(shù)量有多少。賦時(shí)網(wǎng)〔TimedPetrinets〕系統(tǒng)那么能表達(dá)時(shí)間概念，在這種模型中，變遷需要一定的時(shí)間才能完成。給定了一個(gè)最短時(shí)間和最長時(shí)間，變遷將在此時(shí)間段內(nèi)被激發(fā)，隨機(jī)地完成。為了描述復(fù)雜的遞階系統(tǒng)，Jensen〔1991〕和Reisig〔1992〕分別提出了遞階網(wǎng)，然而這種網(wǎng)系統(tǒng)未能引入時(shí)間元素，因此不能滿足復(fù)雜物流系統(tǒng)建模的要求。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義502023/6/19系統(tǒng)動力學(xué)建模技術(shù)系統(tǒng)動力學(xué)〔systcmdynamics〕始創(chuàng)于1956年，在20世紀(jì)50年代末成為一門獨(dú)立完整的學(xué)科，其創(chuàng)始人為美國麻省理工學(xué)院福瑞斯特〔JayW.Forrester〕教授。系統(tǒng)動力學(xué)是一門分析研究信息反響系統(tǒng)的學(xué)科，是一門認(rèn)識與解決系統(tǒng)問題和溝通自然科學(xué)與社會科學(xué)的邊緣學(xué)科，是系統(tǒng)科學(xué)中的一個(gè)分枝。系統(tǒng)動力學(xué)從其誕生的初期開始就有其獨(dú)立的開展體系，有其自身的理論體系與科學(xué)方法。早在20世紀(jì)50年代初，福瑞斯特就對經(jīng)濟(jì)與工業(yè)組織系統(tǒng)的性質(zhì)和特點(diǎn)進(jìn)行了深入的研究，從而得出了有關(guān)系統(tǒng)的信息反響、根本組成等重要觀點(diǎn)。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義512023/6/19系統(tǒng)動力學(xué)建模技術(shù)系統(tǒng)動力學(xué)是一門基于系統(tǒng)論，吸取反響理論與信息論的精髓，并借助計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的交叉新學(xué)科。系統(tǒng)動力學(xué)能定性與定量地分析研究系統(tǒng)，它采用模擬技術(shù)，以結(jié)構(gòu)-功能模擬為其突出特點(diǎn)。不同于功能模擬〔也稱黑箱模擬〕法，它是從系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手建模，構(gòu)造系統(tǒng)的根本結(jié)構(gòu)，進(jìn)而模擬與分析系統(tǒng)的動態(tài)行為。這樣的模擬適于研究復(fù)雜系統(tǒng)隨時(shí)間變化的問題。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義522023/6/19系統(tǒng)動力學(xué)建模技術(shù)系統(tǒng)動力學(xué)認(rèn)為系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一體。按系統(tǒng)動力學(xué)的觀點(diǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義包括兩個(gè)方面：一是指組成局部的子結(jié)構(gòu)及其相互間的關(guān)系；二是指系統(tǒng)內(nèi)部的反響回路結(jié)構(gòu)及其相互作用。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能分別表示系統(tǒng)的構(gòu)成與行為的特征，它們有對立統(tǒng)一的關(guān)系，在一定條件下兩者可相互轉(zhuǎn)化。因此，分析研究一個(gè)系統(tǒng)時(shí)必須同時(shí)考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，通過反復(fù)交叉地考察系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，才可能建立起在結(jié)構(gòu)與功能兩方面都較好地反映實(shí)際系統(tǒng)的模型。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義532023/6/19系統(tǒng)動力學(xué)建模技術(shù)也就是說，建模人員必須與有關(guān)人員、專家緊密結(jié)合，深入地去洞察實(shí)際系統(tǒng)各組成局部之間、總體與局部之間和系統(tǒng)內(nèi)外之間的種種聯(lián)系，把系統(tǒng)的行為模式與其內(nèi)部的反響回路結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，通過分析、比較、鑒別，獲得對系統(tǒng)的正確認(rèn)識，并把它們反映到模型的結(jié)構(gòu)中去。這樣一種從系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手進(jìn)行建模的過程也就是剖析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的對立統(tǒng)一關(guān)系的過程。由于系統(tǒng)動力學(xué)從系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手建立系統(tǒng)的模型，因此為研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系提供了科學(xué)的方法。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義542023/6/19系統(tǒng)動力學(xué)建模技術(shù)系統(tǒng)動力學(xué)模型的根本結(jié)構(gòu)為反響回路。反響回路又可分為正反響回路與負(fù)反響回路，一個(gè)系統(tǒng)可能由這兩種類型的反響回路單獨(dú)或以某種方式組合而成：當(dāng)系統(tǒng)行為出現(xiàn)指數(shù)規(guī)律增長趨勢時(shí)，是因?yàn)橄到y(tǒng)中有起主導(dǎo)作用的正反響回路。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾偏離原來狀態(tài)又能自動返回并趨向起始狀態(tài)時(shí)，那么說明系統(tǒng)中至少存在一個(gè)很強(qiáng)的負(fù)反響回路。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生振蕩行為時(shí)，那么說明系統(tǒng)存在二階以上的反響回路或者一個(gè)一階負(fù)反響回路加上一個(gè)一階以上的延時(shí)環(huán)節(jié)。S形增長特性那么是正反響回路與負(fù)反響回路由非線性環(huán)節(jié)相聯(lián)結(jié)而產(chǎn)生的。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義552023/6/19Agent與Multi-Agent模型Agent與Multi-Agent系統(tǒng)Agent的特征基于Agent的建模思想

鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義562023/6/19Agent與Multi-Agent系統(tǒng)Agent作為分布式人工智能概念模型，具有自己的行為、目標(biāo)和知識，是在一定環(huán)境下自主運(yùn)行的實(shí)體，具有主動性、獨(dú)立性、智能性、反響性、交互性等特點(diǎn)。多個(gè)Agent通過協(xié)同機(jī)制構(gòu)成Multi-Agent系統(tǒng)(MAS)。MAS運(yùn)作是在對系統(tǒng)中的各個(gè)Agent的目標(biāo)、資源和知識等進(jìn)行合理安排的根底上，這些Agent通過相互協(xié)同和協(xié)作，并各自獨(dú)立地運(yùn)行，在實(shí)現(xiàn)各自的目標(biāo)根底上來完成MAS的總體目標(biāo)，因此與現(xiàn)實(shí)的供給鏈運(yùn)作具有相似的特征。因此，基于Agent的物流系統(tǒng)模擬具有一定的優(yōu)越性。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義572023/6/19Agent的特征自治Agent是一個(gè)自治的計(jì)算實(shí)體，它可以通過感應(yīng)器〔物理的或軟件的〕來感知環(huán)境，并通過效應(yīng)器作用于環(huán)境。說它是計(jì)算實(shí)體，是指它是以程序的形式物理地存在并運(yùn)行于某種計(jì)算設(shè)備上；說它是自治的，是指它在一定的程度可以控制自己的行為，并可在沒有人或其他系統(tǒng)的干預(yù)下采取某種行動。為了滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，Agent將追求相應(yīng)的子目標(biāo)并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，通常這些子目標(biāo)和任務(wù)可能是互為補(bǔ)充的，也可能是相互沖突的。鐘勝?物流系統(tǒng)工程?講義582023/6/19Agent的特征智能Agent有智能，并不是指它是全知全能的，也不是說它永遠(yuǎn)不會失敗，而是說Agent在變化的環(huán)境中