物流系統(tǒng)建模與仿真 課件 第一章 緒論

物流系統(tǒng)建模與仿真普通高等教育物流管理與工程類專業(yè)一、物流系統(tǒng)三、常見物流仿真軟件

第一章緒論Contents二、建模與仿真一、物流系統(tǒng)（一）系統(tǒng)1.系統(tǒng)來源及定義

系統(tǒng)（system）一詞源于拉丁文的“sytema”，表示群體、集合等。系統(tǒng)這一概念來源于人類長期的社會實踐。人類認識現(xiàn)實世界的過程，是一個不斷深化的過程。只有認識不斷深化，在對個體、對局部都有更多、更深的了解以后，再把這些分散的認識聯(lián)系起來，才看到了事物的整體，以及構成整體的各個部分之間的相互聯(lián)系，從而形成了科學的系統(tǒng)觀。一般可采用如下的定義：系統(tǒng)（system）是具有特定功能的、相互間具有有機聯(lián)系的（element）所構成的一個整體。一、物流系統(tǒng)（一）系統(tǒng)2.系統(tǒng)特性

集合性：系統(tǒng)是由兩個或兩個以上的可以相互區(qū)別的要素或子系統(tǒng)組成的，而要素是構成系統(tǒng)的最基礎部分。相關性：組成系統(tǒng)的要素是相互聯(lián)系、相互作用的，相關性說明這些聯(lián)系之間的特定關系。層次性：系統(tǒng)作為一個相互作用的諸要素的總體，可以分解為一系列的子系統(tǒng)并存在一定的層次結構，這是系統(tǒng)空間結構的特定形式。整體性：系統(tǒng)是由兩個或兩個以上的可以相互區(qū)別的要素，按照作為系統(tǒng)所應具有的綜合整體性而構成的。目的性：通常系統(tǒng)都具有某種目的，要到達既定目的，系統(tǒng)都具有一定的功能，而這正是區(qū)別這一系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的標志。環(huán)境適應性：任何一個系統(tǒng)都存在于一定的物質環(huán)境之中，必然要與外界環(huán)境產(chǎn)生物質、能量和信息交換，外界環(huán)境的變化必然會引起系統(tǒng)內部各要素之間的變化。一、物流系統(tǒng)（一）系統(tǒng)3.系統(tǒng)分類

根據(jù)系統(tǒng)的變化特性，系統(tǒng)可分為離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)。離散系統(tǒng)是指變量值只在某個離散時間點集合上發(fā)生變化的系統(tǒng)。連續(xù)系統(tǒng)是指狀態(tài)變量隨時間連續(xù)改變的系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的物理特征，系統(tǒng)可以分為工程系統(tǒng)和非工程系統(tǒng)兩大類。根據(jù)系統(tǒng)的形成方式不同，系統(tǒng)可分為自然系統(tǒng)和人工系統(tǒng)。自然系統(tǒng)形成的主體是自然界，而人工系統(tǒng)主體是人類自身對自然界的改造形成的系統(tǒng)或者是人類創(chuàng)造的系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的實體性質不同，系統(tǒng)可分為實體系統(tǒng)和概念系統(tǒng)。實體系統(tǒng)是可見的，而概念系統(tǒng)是不可見的，它需要借助一定的實體才能體現(xiàn)出來，例如虛擬的網(wǎng)絡系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的開放程度，系統(tǒng)可分為孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)與環(huán)境之間既無物質交換也無能量交換，封閉系統(tǒng)與環(huán)境之間僅有能量交換沒有物質交換，開放系統(tǒng)與環(huán)境之間既有物質交換也有能量交換。根據(jù)運行性質不同，系統(tǒng)可分為靜態(tài)系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng)。一、物流系統(tǒng)（二）物流系統(tǒng)1.概念與分類

物流系統(tǒng)是指在一定的時間和空間里，由所需運轉的物資、包裝設備、搬運和裝卸機械、運輸工具、倉儲設施、人員以及通訊聯(lián)系等若干相互制約的動態(tài)要素所構成的，具有特定功能的有機整體。其目的是使企業(yè)物流合理化，并將企業(yè)生產(chǎn)出來的產(chǎn)成品按時、按質、按量且配套齊全、完好無損地迅速運達到消費者手中，以實現(xiàn)其空間和時間效益。按照不同的標準，可對物流系統(tǒng)進行不同的分類：根據(jù)物流發(fā)生的位置，物流系統(tǒng)可分為企業(yè)內部物流系統(tǒng)和企業(yè)外部物流系統(tǒng)。根據(jù)物流運行的性質，物流系統(tǒng)可以劃分為供應物流系統(tǒng)、生產(chǎn)物流系統(tǒng)、銷售物流系統(tǒng)、回收物流系統(tǒng)和廢棄物流系統(tǒng)。根據(jù)物流活動的范圍，物流系統(tǒng)可以劃分為企業(yè)物流系統(tǒng)、區(qū)域物流系統(tǒng)和國際物流系統(tǒng)。根據(jù)物流構成的內容，物流系統(tǒng)可以劃分為專項物流系統(tǒng)和綜合物流系統(tǒng)。一、物流系統(tǒng)（二）物流系統(tǒng)2.物流系統(tǒng)的特點

物流系統(tǒng)是復雜的離散事件系統(tǒng)，有如下5個特點：不確定性：不確定性存在于物流系統(tǒng)中的每一節(jié)點，它總是處在一個不確定的環(huán)境中，受很多隨機因素的影響，具有多目標、多因素、多層次的特性。非線性：物流系統(tǒng)的各個實體可主動改變自己的內部或外部結構，以適應環(huán)境的變化，從而呈現(xiàn)出物流系統(tǒng)的非線性特點。復雜性：物流系統(tǒng)是由若干個供應商、制造商、配送中心、銷售商和終端客戶組成的。其復雜性主要體現(xiàn)在貫穿于物流系統(tǒng)中的不確定及各實體要素間的非線性關系。適應性：物流系統(tǒng)各個實體為了適應市場環(huán)境的變化，與周圍環(huán)境和其他實體間不斷進行交互作用。多樣性：由于物流系統(tǒng)各實體要素間處于不斷相互作用和不斷適應的過程，造成了實體向不同的方面發(fā)展變化，從而形成了物流系統(tǒng)實體類型的多樣性。二、建模與仿真（一）模型許多情況下，難以直接對實際系統(tǒng)本身加以實驗研究，也無法對實際系統(tǒng)進行研究。這時，最好建立一個實際系統(tǒng)的模型作為替代品來研究。模型是系統(tǒng)各元素交互關系的簡化表示，這些關系包括因果關系、流程關系以及空間關系等。模型可以分為物理模型、邏輯模型，而邏輯模型又可以進一步分為符號模型、解析模型、仿真模型，如圖所示。二、建模與仿真（二）仿真模型分類2.連續(xù)系統(tǒng)仿真：反映系統(tǒng)狀態(tài)的狀態(tài)變量取值隨時間連續(xù)變化。如溫控系統(tǒng)的溫度是連續(xù)變化的，它是一個連續(xù)系統(tǒng)，對其進行仿真即為連續(xù)系統(tǒng)仿真。1.離散系統(tǒng)仿真：反映系統(tǒng)狀態(tài)的狀態(tài)變量取值隨一個個離散事件的發(fā)生而在特定的時點離散變化，系統(tǒng)的狀態(tài)變化是由事件隨機驅動的。如銀行排隊系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，對其進行的仿真即為離散系統(tǒng)仿真。3.混合系統(tǒng)仿真：如果仿真所模擬的系統(tǒng)既有連續(xù)的部分，也有離散的部分，則稱為混合系統(tǒng)仿真。比如液態(tài)包裝奶的生產(chǎn)流程，在液態(tài)奶包裝前，為連續(xù)系統(tǒng)，后續(xù)儲存、出庫流程就屬于離散系統(tǒng)。二、建模與仿真（三）仿真作用與優(yōu)缺點作為解釋手段去說明一個系統(tǒng)或問題。通過計算機仿真，可以使現(xiàn)有系統(tǒng)不受干擾，經(jīng)過分析仿真結果，對現(xiàn)有系統(tǒng)做出正確評價，并可預測其未來的發(fā)展趨勢，提出改進方案。作為設計準繩去綜合分析和評價所建議的決策措施。對于所設計的新系統(tǒng)，在未能確定其優(yōu)劣的情況下，先不必花費大量的投資去建立它，而是采用計算機仿真，對新系統(tǒng)的可行性和經(jīng)濟效果做出正確的評價。作為決策支持系統(tǒng)輔助決策。在管理決策中，針對具有不同的決策變量或參數(shù)組合的不同決策方案，進行計算機仿真的多次運行，按照既定的目標函數(shù)，對不同的決策方案進行分析比較，從中選擇最優(yōu)方案，從而輔助管理決策。作為預測方法去預報和輔助計劃系統(tǒng)的未來發(fā)展。作為分析工具去確定系統(tǒng)的關鍵組成部分或項目。1.仿真作用

二、建模與仿真（三）仿真作用與優(yōu)缺點①對于復雜系統(tǒng)具有良好的適應性，大多數(shù)具有隨機因素的復雜系統(tǒng)無法用準確的數(shù)學模型表述從而采用解析方法評價，于是仿真通常就成為解決這類問題的好方法；②它允許對一段系統(tǒng)工作時間進行壓縮，用小段時間仿真出大量時間段的工作情況；③不需要打亂真實系統(tǒng)就可以使人們能對現(xiàn)有系統(tǒng)在重新設計的工作條件下的工作成果做出分析判斷；④能幫助人們選擇最優(yōu)的系統(tǒng)設計方案。2.仿真優(yōu)點

3.仿真缺點

①它需要花費大量的費用和時間，這是由仿真系統(tǒng)開發(fā)的復雜性及仿真所需的計算機存儲量大和計算時間長造成的；②對于現(xiàn)實生活中的復雜性，不能完成全部仿真而只能是其中一部分，所以會影響到仿真結果的可信度；③仿真的精度受到許多方面因素的影響，較難控制和測定；④模型的參數(shù)設定非常困難；即難以確定合適的系統(tǒng)仿真初始條件。三、常見物流仿真軟件（一）軟件工具可以采用多種軟件工具建立仿真模型，這些工具總結如下：(1)通用程序設計語言：如VB、C、C++、Fortran等。(2)通用仿真語言：如GPSS、SIMSCRIPT、SLAM、SIMAN等。(3)電子表格及其插件：如Excel、@Risk(Excel插件)、CrystalBall(Excel插件)等。(4)可視化仿真軟件包：如Flexsim、Arena、Automod、ExtendSim、Promodel、Witness等。（二）可視化仿真軟件1.FlexsimFlexsim擁有C++IDE接口及編譯器的圖形仿真環(huán)境，是采用了VR技術的商業(yè)化離散事件系統(tǒng)仿真軟件。Flexsim不僅帶有強大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能，還有強大的三維顯示功能。三、常見物流仿真軟件（二）可視化仿真軟件2.RaLCRaLC系列仿真軟件是由日本人工智能服務株式會社獨立開發(fā)的擁有自主知識產(chǎn)權的物流仿真軟件。RaLC系列仿真軟件，集現(xiàn)代物流技術、人工智能、3D圖像、數(shù)據(jù)處理和計算機仿真等技術為一體，專門服務于物流行業(yè)和工業(yè)工程領域。3.ArenaArena是一種管理系統(tǒng)模擬軟件，很好地解決了計算機模擬與可視化技術的有機集成，兼?zhèn)涓呒壞M器易用性和專用模擬語言柔性的優(yōu)點，并且還可與通用過程語言，如VB、Fortran、C/C++等編寫的程序連接運行。三、常見物流仿真軟件（二）可視化仿真軟件4.eM-PlanteM-Plant可以對各種規(guī)模的工廠和生產(chǎn)線，建模、仿真、優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)。eM-Plant屬于平面離散系統(tǒng)生產(chǎn)線仿真器，具有周邊的機器人仿真器群，可與CAD、CAPE、ERP、DB等軟件之間實時通信。eM-Plant用戶通過擴展的分析工具、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和圖表來評估不同的解決方案并在生產(chǎn)計劃的早期階段做出迅速而可靠的決策。5.WitnessWitness是面向工業(yè)系統(tǒng)、商業(yè)系統(tǒng)流程的動態(tài)系統(tǒng)建?？梢暬换バ头抡孳浖?，主要針對離散事件系統(tǒng)。Witness操作簡單，在低配置計算機上也完全可以靈活使用。作為可選項，還具備三維立體顯示功能（VR)。Witness的功能包括投資項目評估、現(xiàn)有設備改進、參數(shù)變化管理等，模型可分階段建立，而且在模型運行時可隨時改變。三、常見物流仿真軟件（二）可視化仿真軟件6.ExtendSimExtendSim是Extend的升級版本，ExtendSim仿真環(huán)境為不同層次的建模者提供了多種工具，用這些工具可以高效地建立精準、可信、有用的模型。ExtendSim的設計方式能夠使仿真項目從建模、校驗、確認到建立用戶界面的每一步得到簡化、方便。系統(tǒng)工具的開發(fā)者可以使用ExtendSim內嵌的編譯語言MODL（類似C語言）來創(chuàng)建可以重復使用的建模模塊。所有這些都是在自成一體的集成環(huán)境中完成的。不需要外部接口、編譯器和代碼產(chǎn)生器。7.AutoModAutomod是比較成熟的三維物流仿真軟件。Automod建立搬運機器設備等對象物體，對各個作業(yè)流程都要建立過程語言，通過編制程序才能做出作業(yè)流程。全部配置結束后，編譯源程序來執(zhí)行模型。Automod功能十分強，能夠實現(xiàn)相當高難度的仿真。多數(shù)模型之間可以進行通信。建模操作復雜，由于對全部機器設備等對象物都需要程序命令語言，所以操作人員必須要具備編程知識。三、常見物流仿真軟件（二）可視化仿真軟件8.QuestQuest系統(tǒng)仿真軟件是針對設備建模、實驗、分析設備分布和工藝流程的柔性、面向對象的、基于連續(xù)事件的專用模擬軟件。2D圖表和3D模型均可以通過按鈕式界面、對話框、擴展標準庫而得到，作為制造業(yè)生產(chǎn)線的仿真器，Quest操作簡便性，演示性能強大，富有現(xiàn)實感，可以設置邏輯命令語言，不過Quest對物流生產(chǎn)線不太適用。9.SupplyChainGuru?它允許用戶輸入或導入供應鏈網(wǎng)絡信息，用以自動建立強大的離散事件仿真和網(wǎng)絡優(yōu)化模型。用戶可以測定改變供應鏈結構或策略所帶來的影響，預測庫存投資、運輸費用以及生產(chǎn)情況，為企業(yè)提供預算功能。它可以讓企業(yè)迅速模擬并優(yōu)化其供應鏈運作，從而大幅降低物流、庫存、生產(chǎn)和采購成本、提高客戶服務水平。SupplyChainGuru?幫助企業(yè)處理從網(wǎng)絡優(yōu)化到運輸優(yōu)化中所涉及的每個問題，從而實現(xiàn)更加有效和有彈性的供應鏈。三、常見物流仿真軟件（二）可視化仿真軟件10.ClasswarehouseClasswarehouse通過在虛擬的計算機環(huán)境來進行設計、改進和測試復雜的倉庫解決方案。能幫助公司評估產(chǎn)品的產(chǎn)量、人員的組織以及設備情況，來量化成本、效率以及服務水平。Classwarehouse所解決的實際問題范圍很廣，從對新建倉庫的設計、評估，到對已有倉庫的某個具體生產(chǎn)工藝的改進，再到如何在改變供應鏈和客戶需求時保證成本、服務和效率三者間的平衡和優(yōu)化。11.ProModelProModel可以構造多種生產(chǎn)、物流和服務系統(tǒng)模型ProModel是一套功能相當強且容易使用的數(shù)據(jù)及圖型導向系統(tǒng)仿真軟件。從小型化工場，大型工廠生產(chǎn)及先進的彈性制造系統(tǒng)皆可較容易地規(guī)劃及模擬。三、常見物流仿真軟件（二）可視化仿真軟件12.SIMAnimationSIMAnimation使用基于圖像的仿真語言，可以簡化仿真模型的創(chuàng)建。仿真模型允許使用者去改變參數(shù)輸入，其目的是通過模擬實際生產(chǎn)情況及市場波動對系統(tǒng)造成的沖擊，從而避免了在理想化狀態(tài)下系統(tǒng)設計所無法預料的各種因素，對系統(tǒng)的堵塞有著形象和直觀的解決方案。13.ShowFlowShowFlow仿真軟件，可為制造業(yè)和物流業(yè)提供建模、仿真、動畫和統(tǒng)計分析工具。ShowFlow可以提供生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)量，確定瓶頸位置，估測提前期和報告資源利用率。還可以被用來支持投資決定，校驗制造系統(tǒng)設計的合理性，通過對不同的制造策略進行仿真實驗來找出最優(yōu)解。14.Delmia提供了當今業(yè)界可用的集成和協(xié)同的數(shù)字制造解決方案。通過以工藝為中心的技術來定義、監(jiān)測和控制各類生產(chǎn)系統(tǒng)，包括從單個的設備單元、生產(chǎn)線、工廠物流直到整個企業(yè)的生產(chǎn)過程?？蛻敉ㄟ^使用Delmia解決方案，能夠大大地提高生產(chǎn)力、效率，在安全性和品質方面得到最大的效益，并同時降低成本。三、常見物流仿真軟件（二）可視化仿真軟件15.IncontrolIncontrol中的EnterpriseDynamicsTransport允許針對交通運輸節(jié)點內部和外部的運輸流和信息流的詳細建模仿真。其中，EDTransport-Node庫可為貨運公司和配送中心建模，能夠仿真貨運中心和配送中心運營的整個過程。EDTransport-Node庫還可以進行物流網(wǎng)絡建模，即能夠對包含若干物流節(jié)點以及其運輸進行建模。16.StreamStream最大特點是從日文命令組中選出并排列的形式記述每一個設備的控制邏輯，關于制作完成的模型，仍然沿襲使用了其前身MiFactory。不僅可以當作物流生產(chǎn)線的仿真器使用，而且在單一個機械設備的仿真方面也可以用來變通使用，其開發(fā)基礎是Sil-Tools，所以與一般的Windows應用程序相比，其操作上的感覺有些不同，且另外還需要特殊的開發(fā)環(huán)境，所以在擴展性和技術支持方面令人擔憂。三、常見物流仿真軟件（二）主流仿真軟件比較仿真軟件國度及開發(fā)商應用行業(yè)動畫功能操作容易性價格面向對象物流部件擴展性分析功能Flexsim美國/FlexsimSoftwareProduction幾乎能為所有產(chǎn)業(yè)定制特定的模型3D可用C++創(chuàng)建和修改對象。一般是有較好較強RaLC日本/人工智能服務株式會社專業(yè)面向物流，物流行業(yè)和工業(yè)工程領域3D建模簡單直觀，短時間內可熟練掌握較低是有一般一般eM-Plant美國/Tecnomatix面向大型制造業(yè)領域的仿真群2D比較復雜一般是豐富較好強大Witness英國/LannerGroup平面離散系統(tǒng)生產(chǎn)線仿真器2D一般一般是有一般一般SIMAnimation美國/3i公司集成化物流仿真軟件3D基于圖像的仿真語言，建模簡單一般是有一般一般ShowFlow荷蘭/IncontrolSimulationSoftware制造業(yè)和物流業(yè)3D功能簡練，操作簡單較低是有較好較強Delmia美國/DELMIACorp.USA汽車、航空、結構組裝、電力電子、家用消費品、造船等行業(yè)。3D可3D協(xié)同工作較貴是有較好一般Quest法國/DassaultSystemes大型制造業(yè)生產(chǎn)線，對物流生產(chǎn)線不太適用3D快速有效地建模昂貴是有較好強大三、常見物流仿真軟件（二）主流仿真軟件比較仿真軟件國度及開發(fā)商應用行業(yè)動畫功能操作容易性價格面向對象物流部件擴展性分析功能Automod美國/Autosimulation比較成熟的三維物流仿真軟件3D需要編制程序才能做出作業(yè)流程昂貴是有較好強大ProModel美國/ProModel小型化工場、大型工廠生產(chǎn)及先進的彈性制造3D不需撰寫任何程序較貴是豐富較好一般Arena美國/SystemModeling制造業(yè)、物流及供應鏈、服務、醫(yī)療、軍事、日常生產(chǎn)作業(yè)、各類資源的配置2D用戶容易得到的免費參考材料以及服務一般是有較好較強Stream日本/三井造船股份有限公司物流生產(chǎn)線的仿真、單個機械設備的仿真3D技術支持較差一般是有差一般Incontrol荷蘭/Incontrol

Enterprise

Dynamics交通仿真、物流配送、產(chǎn)能管理、政策分析和系統(tǒng)控制3D技術支持較好較貴是有一般較強Supplychainguru美國/LLammaSoft3D一般較貴是有一般一般Classwarehouse英國/CirrusLogistics3D一般一般否有一般一般Extend美國/ImagineThat2D用戶需有行業(yè)經(jīng)驗，具備編程知識一般是一般最好較強三、常見物流仿真軟件（二）主流仿真軟件選擇評價項目評價內容備注分析功能有沒有好的隨機數(shù)發(fā)生器？是否可設定隨機數(shù)初值？有多少種統(tǒng)計分布函數(shù)可供選擇？是否有自動找出合適分布函數(shù)的功能（或是否附帶有ExpertFit等工具）？是否有優(yōu)化功能(或是否附帶有OptQuest等工具)？是否有Excel接口？是否能和ODBC數(shù)據(jù)源相連接？是否具有強力的商務圖表功能？分析功能的強與弱是評價仿真軟件最關鍵的一個項目。能否容易地建立近似于現(xiàn)實系統(tǒng)的模型是仿真成功的關鍵。注意：沒有隨機數(shù)發(fā)生器和多種統(tǒng)計分布函數(shù)的軟件，不可能實現(xiàn)仿真。動畫功能是2D類還是3D類？能否自由變更部件的圖形？是否可用大眾化3D圖形文件？在仿真運行過程中，