《物流中心规划与设计》实验参考资料.docx
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《物流中心规划与设计》实验参考资料
《物流中心规划与设计》
实验参考材料
1概述
2系统仿真技术
2.1系统仿真的应用
2.2系统、模型及仿真
2.3为什么要用系统仿真技术解决物流问题
2.4离散事件系统仿真步骤
3Flexsim系统仿真软件
3.1Flexsim系统仿真软件简介
3.2Flexsim系统仿真软件功能特征
4实验一：
物流中心分析与规划实验
4.1几个常用的Flexsim术语
4.2虚拟物流设施模型的描述
4.3码盘模型的建立
4.4自动仓库模型
5实验二：
物流中心分拣系统规划实验
5.1物流配送中心仿真内容概述
5.2物流配送中心仿真所需的基本数据
5.3物流配送中心仿真案件详解—冷冻食品配送中心仿真模型
5.4物流配送中心其它仿真实例简介
1概述
当前，我国物流从功能和发展潜力来看，主要还是依靠经验和感觉自然形成物流系统。
自然形成的物流系统由于缺乏前瞻性和系统规划，在物流资源的配置，物流网络的结构等方面，很难保证其可靠性、合理性、协调性和最优化。
而物流运作过程，主要以经验管理为主，基本上没有采用优化理论和方法，不合理现象随处可见。
计算机仿真技术是目前比较先进的物流系统研究方法，它的一个最大的优点是，不需实际安装设备，不需实际实施方案即可验证设备的导入效果和比较各种方案的优劣。
在工程建设或作业流程的计划阶段发现和解决问题，因此，它对降低整个物流投资成本起到不可缺少的作用。
2系统仿真技术
2.1系统仿真的应用
系统仿真一般分为离散事件系统仿真和连续事件系统仿真，连续系统的状态变量是连续变化的，例如流体系统，热能系统等属于连续事件系统。
离散事件系统的状态变量只是在离散时间点上发生变化。
我们通常所指的物流等社会系统属于离散事件系统，所以本文所涉及的系统仿真都是指离散事件系统仿真。
计算机离散事件系统仿真始源于上个世纪五十年代后期，但真正开始普遍应用是PC开始普及并且市场上PC专用仿真软件登场后的上个世纪八十年代。
在中国，随着改革开放，世界制造业中心开始向中国转移的上个世纪九十年代，乘着自动化·信息化的波浪，计算机离散事件系统仿真也开始急速发展。
现在，计算机离散事件系统仿真的重要性逐渐被经营者、管理者所认识。
特别是最近，因为没有仿真方案而竞标失败的情况越来越多。
1）．物流设备厂家就自家产品进行销售或投标时，被要求用系统仿真进行导入前的性能评估已经是理所当然的事情了。
2）．物流咨询、物流规划设计公司对新建物流中心场地规划时，被要求用仿真进行方案比较的情况也越来越多。
3）．像自动仓库、自动分拣那样大规模系统导入时，也往往被要求仿真。
2.2系统、模型及仿真
仿真的主体就是作为分析对象的现实系统和它的模型。
所谓系统就是由各种个体或元素（例如：
货贺、叉车、货物、输送机、操作员等）组成的，为实现某种目的而功能化的组织体。
模型就是描述系统，分析系统的一种表现方式。
模型是系统的实验装置，利用模型分析可以不需要实际组装现实系统，或无需停止正在利用中的系统，或无需冒风险就能进行实验。
建立模型的目的就是再现系统的运行过程，以便获取系统性能参数等信息。
所谓仿真就是操作模型，解析模型动态行为和性能的一种分析·解决问题的技术。
系统仿真是现代企业科学管理技术之一,是将对象系统模型化,把模型作为实验装置,用来分析已存在的或计划中系统的一种技术。
系统仿真是工程师、经理和决策人对提出的关于操作、流程、或是动态系统的方案进行试验、评估、以及视觉化的工具。
2.3为什么要用系统仿真技术解决物流问题
物流就是以最小的总费用，按用户的要求，将物质资料（包括原材料、半成品、产成品、商品等）从供给地向需要地转移的过程。
主要包括运输，储存，包装，装卸，配送，流通加工，信息管理等活动。
物流系统是复杂的离散事件系统，其特点如下:
（1）不确定性（随机性）
不确定性存在于物流系统中的每一节点，客户需求的不确定性，原材料供应供需关系的不确定性，采购准备时间的不确定性，运输时间的不确定性，交付时间的不确定性，产品价格的不确定性等。
它总是处在一个不确定的环境中，受很多随机因素的影响，具有多目标，多因素，多层次的特点。
（2）非线性
非线性是指个体以及它们的属性在发生变化时，并非遵从简单的线性关系。
组成物流系统的各个实体间的相互影响不是简单的，被动的，单向的因果关系，每个实体的行为和决策又依赖它自身的状态和一些有限的，相关的其它实体的行为，且它们易受内部和外部环境的影响。
物流系统的各个实体主动改变自己的内部或外部结构，以适应环境的变化，从而呈现出物流系统的非线性。
（3）复杂性
物流系统是由若干个供应商，制造商，配送中心，销售商和终端客户组成的系统。
它包含供应商，制造商的选择，配送中心的选址，运输方式（如空运，陆运，铁运，水运或混合运输方式的选择）和运输路线（选择由哪个配送中心送货）的确定。
其复杂性主要体现在贯穿于物流系统中的不确定及各实体要素间的非线性关系。
（4）适应性
物流系统各个实体为了适应市场环境的变化，与周围环境和其他实体间不断进行交互作用。
在这种持续不断交互作用的过程中，实体不断学习，积累经验，并根据学到的经验改变自身的结构和行为方式，寻找合适的实体组成物流系统以适应环境的变化，从而促成供需过程不断重新组合改造。
（5）多样性
由于物流系统各实体要素间处于不断相互作用和不断适应的过程，造成了实体向不同的方面发展变化，从而形成了物流系统实体类型的多样性。
（6）离散性
物流系统之所以是一个离散系统，是因为其物流活动大部分发生在分散的时间点上。
物流活动在分散的时间点上，从而主要是解决物质在时间和空间上的差异问题。
（7）动态性
现代物流系统比传统物流系统更为复杂，要求物流系统提供更加完备，迅速和灵活的服务，并随时保持物流信息的畅通，这就使得现代物流系统必须具有一定的柔性，随时根据环境和需求变化进行动态调整。
系统仿真就是对实际观测所获得的数据建立起来的一种动态模型，既反映了系统的物理特征和逻辑特征，也表达了系统的静态性质和动态性质，有利于对系统进行分析。
由于物流系统受很多不确定，随机因素的影响，用仿真的方法更能体现出此类复杂的离散事件系统的性能。
此外，实际系统的实施成本太高，且一旦系统建好，在一个较长的时期内是难于改变的。
因此，在建立系统之前，可先用仿真法对不合理的设计和投资进行修正，避免资金，人力和时间的浪费，且可在模型或程序中作一些不同的设置来反映物流系统在不同参数之下的反应，决策者可根据仿真的结果，选择一个更实际，更现实可行，物流总成本更低的方案来实现物流系统。
仿真方法较为广泛地应用于物流系统的规划设计中，如可在仿真模型中反映出可供利用的运输方式，交通费用，供货厂商地点，仓库场所，顾客服务要求，工厂地址等因素。
所以，系统仿真以其描述和求解问题的能力优势成为解决物流问题的主要方法。
2.4离散事件系统仿真步骤
（l）明确仿真目的。
（2）系统的分析与描述。
要求给出系统的详细定义，明确系统的构成、环境、边界和约束，其次根据问题确定系统的目标及其衡量标准，同时对解决问题的途径进行分析。
（3）建立系统的数学模型。
离散事件的数学模型难以采用某种规范的形式，而一般采用流程图或网络图的形式才能准确地定义实体在系统中的活动。
因此离散事件仿真中的数学模型是一张实体的流程图，它包括三个部分:
临时实体的到达模型（如加工系统中的工件到达模式、概率分布），排队规则（先进先出或后进先出等），永久实体的服务模型（服务时间的概率分布等）;
（4）数据收集。
数据收集包括收集与系统的输入输出有关的数据以及反映系统各部分之间关系的数据。
（5）建立系统的仿真模型。
建立系统的仿真模型过程包括根据系统的数学模型及实际特点，确定模型和数据的存储形式。
（6）模型验证。
模型的验证即系统模型（包括对系统的组成成分、系统结构以及参数值的假设、抽象和简化）是否能准确地由仿真模型和计算机程序表示出来。
若输入参数以及模型的逻辑结构在程序中是正确表达的，则模型验证通过。
（7）模型确认。
模型确认是确定模型是否精确地代表实际系统，是把模型及其特性与现实系统及其特性进行比较的全过程。
对模型的确认工作往往是通过对模型的矫正来完成比较模型和实际系统的特性是一个迭代过程，同时应用两者之间的差异，对系统和模型获得更透彻的理解，从而达到改进模型的目的。
重复进行这个过程直到认为模型准确为止。
（8）仿真运行研究。
仿真运行就是将系统的仿真模型放在计算机上执行计算。
在运行过程中了解模型对各种不同的输入数据及各种不同的仿真机制的输出响应情况。
通过观察获得所需的试验数据，从而预测系统的实际运行规律。
（9）仿真结果分析。
对仿真结果进行分析的目的是确定仿真实验中所得到的信息是否合理和充分，是否满足系统的目标要求，同时将仿真结果分析整理成报告，确定比较系统不同方案的准则、实验结果和数据的评价标准及问题可能的解，为系统方案的最终决策提供辅助支持。
3Flexsim系统仿真软件
3.1Flexsim系统仿真软件简介
Flexsim是一款通用离散仿真软件，被用来对若干不同行业不同系统进行建模和仿真。
据粗略估计，世界500强企业中的一半为Flexsim的客户，包括通用磨坊食品公司、戴姆勒克莱斯勒、可口可乐、波音公司、通用汽车、佳能、IBM、三星、富士康等一些著名企业。
物流行业包括FedEx、DHL、LSI物流、德马泰克、AE等一些著名物流或物流设备企业。
Flexsim是一套集计算机三维图像处理技术、仿真技术、人工智能技术、数据处理技术为一体，为制造、物流等领域服务。
运用Flexsim系列仿真软件，可在计算机内建立研究对象的系统三维模型，然后对模型进行各种系统分析和工程验证，最终获得优化设计和改造方案。
用此软件，可以快速确定物流设备导入方案或3D竟标演示方案，提高中标率；验证物流项目的可行性；提供改善和管理的基本数据，降低运营成本。
Flexsim是新一代离散事件系统仿真的有效工具。
面向对象的建模方式使得建模过程更为快捷，只需通过图形的拖动和必要的附加程序就可以快速地建立起系统的模型。
软件提供了丰富的物理单元，如处理器、操作员、堆垛机、货架等，大大方便了用户的建模。
所建立的物理仿真模型可以用三维动画方式表现出来。
三维动画模型形象、生动、逼真地表现出整个物流系统，为物流中心的规划设计或改造提供了有效的可视化手段。
目前，Flexsim软件已经在物流领域里成功地进行了多种系统的建模与仿真分析，如配送中心的拣选仿真、仓储出入库仿真、产品仓库分拣仿真、生产物流系统仿真、集装箱码头仿真、机场物流仿真等。
Flexsim研究的对象多是复杂的多目标系统。
Flexsim将众多目标的不同参数组合的运行结果输出后供分析者比较，选取较优的参数组合。
由于Flexsim提供了逼真图形动画显示、完整的运作绩效报告，并通过模型运行给分析者提供了各种方案相关的大量反馈信息，因此分析者可以在较短的时间内对各种方案的优劣进行比较，对各种预选方案做出评估。
使用Flexsim可以达到以下效果：
（1）提高资源（设备资源、人力资源、资金资源）的利用率；
（2）减小等待时间和排队长度；
（3）有效分配资源；
（4）消除缺货问题；
（5）把故障的负面影响减至最低；
（6）把废弃物的负面影响减至最低；
（7）研究可替换的投资概念；
（8）决定零件经过的时间；
（9）研究降低成本的计划；
（10）建立最优批量和工序排序；
（11）解决物料发送问题；
（12）研究设备预置时间和改换工具的影响；
（13）优化货物和服务的优先次序与分派逻辑；
（14）在系统全部行为和相关作业中训练操作人员；
（15）展示新的工具设计和性能；
（16）管理日常运作决策；
（17）从历史运行中得到经验和教训。
3.2Flexsim系统仿真软件功能特征
一、建模功能
1）Flexsim建模是直接从三维开始的，无须转换。
目前市场上的大多数仿真软件产品要求用户在二维环境中建模，待模型完成后，转换成三维，转换操作繁琐而且三维效果差。
图1-1AutoCAD的平面布置图上直接建立3D模型
2）Flexsim用拖放图形方法建立模型，Flexsim提供有固定类实体库，执行类实体库，流体类实体库，以及用户实体库。
建模时将相应的实体拖放到模型窗口的指定位置，操作简单。
3）Flexsim提供的实体具有相当的柔韧性，实体的参数设定可适应于不同层次的使用者，对于初中级使用者，Flexsim提供了物流业常见策略，用户只需要选择和修改数据，就可以实现先进先出、先进后出、随机出入、百分比出入、统计概率出入、最长队列出入、最短队列出入、按品种出入、按标签出入等出入库策略，无需编程。
而对于高级使用者，可以直接用VC++编程，实现更复杂的有特殊需求的出入库策略，每个实体都有VC++编程接口。
4）Flexsim应用深层开发实体，这些实体代表着一定的活动和排序过程。
每一个实体都有一个坐标（x，y，z）、速度（x，y，z），旋转（x，y，z）以及一个动态行为（时间）。
实体可以创建、删除，而且可以彼此嵌套移动，它们都有自己的功能或继承来自其他实体的功能。
这些实体的参数可以快速、轻易、高效地把任何制造业、物流业、甚至一般商务流程的主要特征描述出来。
Flexsim中的实体参数可以表示几乎所有存在的实物对象。
像机器、操作员、传送带、叉车、仓库、交通灯、储罐、箱子、货盘、集装箱等等都可以用Flexsim中的实体表示，同时数据信息也可以轻松地用Flexsim丰富的实体库表示出来。
用户通过实体编辑器能轻易地建立新的实体或修改现有的实体、允许用户添加个性化功能和接口。
5）由于Flexsim具有树状结构且功能齐全的实体库、Flexsim可以让用户使模型构造更具有层次结构。
在组建客户实体的时候，每一组件都使用了继承的方法，节省了开发时间。
另外Flexsim中的实体都是开放的，因此这些实体可以在不同的用户、库和模型之间进行交换。
图1一2树状结构的实体库
二、仿真分析功能
1）Flexsim可以用试验的形式来仿真假定的情节，而且它可以自动运行并把结果存在报告、图表中。
可以利用预定义和自定义的行为指示器，像生产量、研制周期、费用等来分析每一个情节。
而且也可以将结果导入到别的应用程序像Exeel等，利用ODBC（开放式数据库连接）和DDEC（动态数据交换连接）可以直接输入仿真数据。
图1-3Flexsim仿真实例
2）Flexsim在模型运行过程中记录了所有设备的所有状态（工作、等待、阻塞、故障等）的时间数值，以及设备加工产品的个数，用户可以自由组合和输出由这些数据组成的报表。
当然提供包括设备利用率、单条模型生产线的加工总能力、单个设备的加工能力、设备状态的时长及时间比例、模型瓶颈分析等统计分析功能。
图1-4Flexsim提供的设备状态饼图
3）Flexsim提供平面和立体饼图、柱状图、折线图、海图、以及甘特图等多种图形图表，支持数据与图表混合的统计报表。
4）优化模块Optquest完全集成于Flexsim中，Optquest用于仿真优化，即找寻一组最佳的参数值（或决策变量值），以使得目标函数最优，在仿真模型中执行优化功能。
5）统计分析功能自带随机变量发生器，能容易地建立近似于现实系统的数学模型。
提供了20种以上的统计分布函数。
集成了ExpertFit，具有拟合统计分布函数的功能。
三、可视化功能
1）Flexsim把所有最新的虚拟现实图形整合在个人计算机上。
如果是扩展名为3DS、VRML、DXF和STL的三维图形的话，可以直接导入Flexsim模型中。
Flexsim也是世界上为数不多的支持Google3D仓库图形的仿真软件之一。
2）Flexsim所有模型均建立和运行于耀眼的彩色三维中，采用了与先进的视频游戏相同的虚拟现实技术。
--通过简单的点击和拖动，可从任何角度观看模型。
--通过“飞行漫游模块”，用户可随镜头漫游整个模型运行状况。
可以任意使用全景、局部放大、侧面、反面等漫游技巧。
--多个窗口可以设置不同的视角，仿真运行时，以便同时观察系统的各部分。
实现模型的规模化展现。
图1-5Flexsim的自动仓库模型之一
四、外围接口的功能
1）Flexsim完全与VC++相结合，能够链接到任何ODBC数据库（像Oracle、SQLServer或Access）和大众数据结构文件（如text,Excel,或Word）。
2）使用COM组件可远程控制Flexsim，你可以用大众化语言，如VB、C++、JavaScript、C＃等等来创建对象（Objects）。
COM允许在两个应用程序之间更好的交换信息，从而使客户端应用程序可以直接检索仿真运行的信息等等，即从ERP、WMS等物流软件直接操控Flexsim仿真模型。
3）Flexsim可获取PLC数据，支持用PLC直接控制虚拟模型，验证控制逻辑。
这个技术被广泛应用于自动立体仓库的控制逻辑验证。
五、运动学的功能
运动学功能允许一个对象同时实现多个移动操作，在每个运动方向都有加速度、减速度、起始速度、结束速度以及最大速度等属性。
Flexsim的运动学功能能实现设备的动作，平移（水平运动，或垂直运动），或是旋转运动，从而使模拟过程更接近真实。
4实验一：
物流中心分析与规划实验
本节将帮助第一次使用Flexsim仿真软件的用户，学习建立一个仿真模型。
基本的入门学习将带给初学者熟悉一个设备布局、流程设定、输入数据及参数设定、观看动画和分析输出等物流仿真建模及仿真分析的全过程。
本节学习后，初学者将了解物流规划模型可以在鼠标的点放之间完成。
本节的模型可用免费下载的FlexsimDemo版本完成，建议没有正式版本的学习者到Flexsim官网上下载免费的试用版本，进行本节的建模操作练习。
FlexsimDemo下载地址：
4.1几个常用的Flexsim术语
在建模前,先了解几个常用的Flexsim术语将对理解Flexsim建模很有帮助。
1）实体和实体库
一般来说，系统是由处理者和接受处理者两大类个体构成。
例如，仓库系统中暂存区、货架、叉车、台车、输送机、操作员等属于仓库系统中不会随时间变化而从系统中退出的个体，它们是用于处理货物的，属于处理者个体；而仓库系统中的货物是属于仓库系统中随时间变化将会从系统中退出（出货后将不再属于仓库系统）的个体，它们是接受仓库系统处理的，属于接受处理者个体。
在Flexsim中将前者（处理者）叫实体，而把后者（接受处理者）叫临时实体。
Flexsim实体可以在实体库面板中找到。
实体又可分类如下：
（1）固定类实体：
如生成器、吸收器、处理器、输送机、合成器、分离器、暂存区、网络节点、货架、基本固定实体；
（2）任务执行类实体：
如操作员、搬运设备、堆垛机、机器人、基本任务执行器；
（3）其他实体：
如任务分配器、记录器。
图1-6实体库面板
2）临时实体与临时实体箱
临时实体是指在模型系统中移动通过的实体。
他可代表零件、托盘、组装部件、纸张、集装箱、人、电话呼叫、订单，或任何移动通过你正在仿真的过程的对象。
临时实体可以被加工，也可以被物料运输资源携带通过系统。
临时实体产生于一个生成器实体。
一旦临时实体从模型系统中通过，他们就被送至吸收器实体而退出系统。
临时实体箱是用来选择、新建、删除临时实体类型和修改临时实体属性的工具。
图1-7临时实体箱
3）实体类型
实体类型是置于实体上的一个标签，可以代表一个条形码、产品类型或工件号。
可通过参考实体类型进行实体行程安排。
4）端口
每个实体都可以有多个端口，端口数量没有限制。
实体通过端口与其它实体进行通信。
端口有3种类型：
输入端口、输出端口和中间端口。
输入端口和输出端口用于设定临时实体在模型中的流动路线。
一般来说，输入端口和输出端口多用于固定类实体，很少用于任务执行类实体。
例如一个邮件分拣器，根据包裹的目的地不同，把包裹放置在几个输送机中的一个上。
模拟这个过程时，需将一个处理器实体的多个输出端口连接到几个输送机实体的输入端口，这表示一旦处理器（或邮件分拣器）完成对临时实体（或包裹）的处理，就把它发送到输送机。
中间端口用来建立一个实体与另一个实体的相关性。
中间端口通常的应用是建立固定实体与执行实体之间的相关关系，这些固定实体如机器、暂存区、输送机，可执行实体如操作员、叉车、起重机等。
5）标签
标签是建模人员用来存放临时数据的一种机制。
标签可以建立在一个实体上，也可以建立在一个临时实体上，标签也可以看成是实体或临时实体的属性。
一个标签有两部分：
名称和标签值。
名称可以任意命名，标签值可以是数字或字符串。
标签可以在模型运行中动态地被更新、创建或删除。
标签值对建模人员测试逻辑、调试模型很有帮助。
6）实体属性和参数
每个实体的属性和参数根据所选实体的不同将稍有区别。
由于每个实体在模型中都有特定的功能，因此必须使参数个性化以允许建模人员能够尽可能灵活地应用这些实体。
所有实体的有些分页是相似的，而另一些分页对该实体则是非常特殊的。
双击一个实体可访问该实体的属性和参数。
7）随机变量的概率分布
随机变量的概率分布是一个统计学概念。
事件的概率表示了一次实验某一个结果发生的可能性大小。
若要全面了解实验，则必须知道实验的全部可能结果及各种可能结果发生的概率，即必须知道随机实验的概率分布。
Flexsim提供了多种常用的离散型随机变量的概率分布，如均匀分布、正态分布、指数分布、泊松分布、伯努利分布、二项式分布、爱尔朗分布、伽马分布等。
这些分布常用来描述随机变量，如时间、数量、产品类型等。
在各种表示时间的下拉菜单，如预置时间、加工时间、MTBF/MTTR（平均故障间隔时间/平均修复时间）、到达时间间隔等下拉菜单中，可以看到多种随机分布的选项。
在其他一些下拉菜单的代码模块中也可以看到一些随机分布函数表达式，如一些触发器下拉菜单的选项中，会包含一些随机分布函数。
除了采用标准的概率分布外，常常需要用到经验分布。
例如，可以通过定义全局表来实现按经验分布的百分比分配时间或者数量的概率，其方法是在全局表中，第一列定义为百分比，第二列定义为时间（或者数量），在使用时，根据该全局表来确定符合这种经验分布的时间（或数量）的随机取值。
4.2虚拟物流设施模型的描述
有一生产线产品生产之后，用机器人按一定排列将产品码放在托盘上，然后80%的产品由输送带运送到自动仓库入库，20%的产品由输送带直接运送到出口暂存区，然后由叉车运出装车。
自动仓库的库存出库后也经由同一输送带运送到出口暂存区，然后由叉车运出装车。
为了学习方便，将整个模型拆分为两部分，第一部分为机器人码放托盘的模型，第二部分为自动仓库模型。
4.3码盘模型的建立
确定Flexsim仿真软件已经安装正确之后，可双击卓面的Flexsim5图标进入该软件，一旦打开软件使用者将会看到Flexsim主菜单、功能键、实体库和模型视景窗口。
图1-8Flexsim仿真软件界面
STEP1：
用鼠标从实体库拖放一个生成器实体到模型视景窗口
如图1-9所示用鼠标左键按住实体库的“Source”实体，拖放到模型视景窗口。
图1-9拖放一个Source实体
STEP2：
从实体库拖放码盘所需设备到模型视景窗口
图1-10实体布局
用鼠标从实体库分别拖放两个输送带“Conveyor”、一个空托盘的发生器“Source”、一个放置空托盘的“Queue”、一个码盘机“Conbiner”、一个机器人“Robot”、一个实体吸收器“Sink”到模型视景窗口，如
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