物流系统建模与仿真.docx

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物流系统建模与仿真

1、系统模型定义

模型是把对象实体通过适当的过滤，用适当的表现规则描绘出的简洁的模仿品。

2、模型的特点

（1）它们都是被研究对象的模仿和抽象；

（2）它们都是由与研究目的有关的、反映被研究对象某些特征的主要因素构成的；

（3）反映被研究对象各部分之间的关联，体现系统的整体特征。

3、按照模型的形式分，模型有抽象模型和形象模型

（1）抽象模型

用概念、原理、方法等非物质形态对系统进行描述所得到的模型，包括数学模型、图形模型、计算机程序、概念模型

（2）形象模型

模拟模型和实物模型

v4、建立模型的步骤

（1）根据系统的目的，提出建立模型的目的－为什么建模型

（2）根据建立模型的目的，提出要解决的具体问题－解决哪些问题

（3）根据所提出的问题，构思要建立的模型类型、各类模型之间的关系等，即构思所要建立的模型系统。

－建一些什么样的模型？

它们的关系？

（4）根据所构思的模型体系，收集有关资料－模型需要哪些资料？

（5）设置变量和参数－需要哪些变量和参数？

（6）模型具体化－－模型的形式是什么？

（7）检验模型的正确性－－模型正确吗？

（8）将模型标准化－－该模型通用性如何？

（9）根据标准化的模型编制计算机程序，使模型运行－－计算时间短吗？

占用内存少吗？

5、建立模型的注意事项

（1）明确目的，确定构成要素

（2）模型的简单化和高精度模型

（3）没有固定不变的建模方法

（4）模型的验证

（5）没有人类介入的系统模型

6、系统仿真技术是应用数学模型、相应的实用模型的装置、计算机系统、部分实物的仿真系统，对某一给定系统进行数学模拟、半实物模拟、实物模拟，以便分析、设计、研究这种给定系统；或者利用这种仿真训练给定系统的专业人员。

7、系统仿真的组成要素

（1）实际系统：

行为输入输出行为

（2）实验框架：

有效性某种假设、限制条件

（3）基本模型：

假想的完全解释

能解释实际系统的所有输入－输出行为的模型

（4）集总模型：

简化从基本模型或根据实验者对实际系统的设想，按照把各个实体集总在一起并简化它们的相互关系而构造的模型。

（5）计算机：

复杂性

8、系统、模型及仿真的关系

系统是研究对象，模型是系统抽象，仿真则是通过对模型的实验以达到研究系统的目的。

v9、物流系统常用模型

（1）资源分配型－－线性规划、动态规划和目标规划

（2）存储型－－库存模型和动态规划模型

（3）输送型－－图论、网络理论和规划理论

（4）等待服务型－－排队模型

（5）指派型－－整数规划和动态规划模型

（6）决策型－－决策论

（7）其他模型－－解释预测型、投入产出型、布局选址型

10、物流系统的常用建模技术（两类）

（1）形式化建模技术

是指采用大量的数学工具通过状态方程对系统进行描述和分析。

1）排队网络法

2）极大代数法

3）扰动分析法

（2）非形式化建模技术

指采用图形符号或语言描述等较贴近人们思维习惯的方式对系统进行描述和分析

1）活动循环图2）流程图法

（3）Petri网络物流系统模型

（4）系统动力学建模技术

（5）Agent与多Agent系统

11、排队系统的组成：

到达模式、服务模式、排队规则

12、排队系统的特征

顾客总体、系统容量、顾客到达模式、排队特性及规则、服务机构

13、排队系统参数计算

下列例题和课后习题4

14、库存系统特征

补给模式、需求模式和成本代价

15、课后习题3

16、库存问题需要考虑的方面

（1）费用存储费、订货费、生产费、缺货费

（2）需求

（3）补充订货或再生产

（4）存储策略

17、离散事件系统（DiscreteEventDynamicSystem，DEDS/DES）指系统的状态在一些离散时间点上由于某种事件的驱动而发生变化。

其数学模型很难用数学方程来表示。

v18、基本术语

（1）实体

▪永久实体：

永久驻留在系统中，是系统处于活动的必要条件，如服务员

▪临时实体：

仅在系统中存在一段时间，按一定规律到达，如顾客

▪关系：

临时实体按一定规律不断产生，在永久实体作用下通过系统，最后离开系统

（2）事件

▪引起系统状态发生变化的行为

▪离散事件系统本质是由事件驱动的

▪例：

顾客到达事件使服务员状态由闲到忙，或使队列长度加1

▪事件的发生一般与某一类实体相联系，放在事件表中管理，事件表通常记录事件类型、发生条件、时间及相关实体的有关属性

（3）活动

▪导致系统状态变化的一个过程为活动

▪活动表示两个可区分事件之间的过程，标志着系统状态的转移

▪如顾客到达事件与顾客开始接受服务事件之间为一活动，使服务员忙及队列长度减1

（4）进程

▪相当于系统的子集或子系统，包含若干个事件及活动，并且描述了其所包含事件及活动间的逻辑关系和时序关系

▪如某一顾客在系统中的全部活动为一进程

v事件、活动、进程的关系图

（5）仿真钟用于表示仿真时间的变化。

▪仿真钟的推进呈现跳跃性，推进速度具有随机性。

▪仿真钟的推进有两种经典的方法：

固定步长推进法和变步长推进法（或称为下一事件推进法）。

变步长推进法应用较多，目前市面的大多数仿真软件都采用变步长推进法。

（6）统计计数器

▪在仿真模型中,需要有一个统计计数部件，以便统计系统中的有关变量，如排队系统中的顾客等待时间、队列长度等

19、一个模型的形式化描述为

20、比较离散事件系统与连续系统，可以看出两者存在如下几方面的区别：

（1）时间基。

连续系统的时间基是一个确定的值。

例如研究一个液压系统，一般是在一个确定的间隔时间内对其液体压力、流量等进行实验研究。

这个间隔时间的起始点是系统初始启动的时刻，而中止时刻可以选择系统达到稳态后的任何时刻。

离散事件系统的时间基则是可变的，而且随着时间基的变化，仿真结果也各不相同。

例如仿真一个仓库时，时间基可以定为仓库开门的时刻至下班的时刻；也可以定为开门后一小时至下班的时刻。

显然，这两种仿真，系统的初始状态不同，仿真的结果也不相同。

这是因为离散事件系统仿真的结果是一个统计的结果。

它与统计的区段大小有关。

（2）输入变量和输出变量。

连续系统的输入变量通常是一个确定性变量；而离散事件系统的变量往往带有随机性，因此离散事件系统的模型也被称为随机模型。

输出变量与输入变量情况相同。

（3）状态变量。

连续系统的状态变量一般也是一个连续变量；而离散事件系统的状态变量则可能是非连续的，例如仓库货位的状态是空或非空。

（4）状态转移函数。

在连续系统中，存在一个状态转移函数，可通过其推算出状态变量的变化过程；而离散事件系统则不存在状态转移函数，人们无法找到一个函数来表达状态变量变化的规律。

（5）状态空间。

状态空间是状态变量的集合所表述的空间。

对于一个被研究的连续系统，引进不同组合的状态变量，可以构造不同的状态空间模型。

这一点离散事件系统是相同的。

从上述分析可知，离散事件系统与连续系统最主要的区别在于离散事件系统输入输出变量的随机性以及状态变化的不确定性。

由此，连续系统与离散事件系统仿真方法有很大的差别。

连续系统仿真借助数字积分算法和离散相似算法等来求解表征系统变量之间关系的方程；离散事件系统仿真则是建立系统的概率模型，采用数值方法“执行”仿真模型，系统的变量是反映系统各部分相互作用的一些确定或者随机事件，系统模型则反映这些事件和状态的值集，仿真结果，也就是“执行”的结果，是产生处理这些事件的时间历程。

21、物流系统模型的主要参数

（1）周期数

（2）库存量（3）初始库存

（4）库存价格（5）库存成本

（6）进（出）货量（7）延迟时间

（8）运输价格（9）运输成本

（10）总成本

v22、离散事件系统仿真的一般步骤

v系统建模：

▪一般用流程图描述，反映临时实体在系统内部历经的过程、永久实体对临时实体的作用及相互间逻辑关系

▪关键：

确定随机变量的模型

v确定仿真算法

▪产生随机变量

▪确定仿真建模策略

•事件调度法：

面向事件建立仿真模型

•活动扫描法：

面向活动建模

•进程交互法：

面向进程建模

•三阶段法：

结合活动扫描与事件调度

•图形仿真方法：

Petri网

v建立仿真模型

▪定义状态变量、定义系统事件及有关属性、活动及进程、设计仿真钟的推进方法等

v仿真程序设计及运行

▪仿真语言或高级语言

▪长期运行或多次运行

v仿真结果分析

▪统计结果、可信度分析等

v23、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。

目前最常用的仿真算法有事件调度法（eventscheduling，ES）、活动扫描法（activityscanning，AS）和进程交互法（processinteraction，P1）。

事件调度法是面向事件的，它记录事件发生的过程，处理每个事件发生时系统状态变化的结果。

例如，当有工件到达生产系统时，会发生机床状态由闲变忙，或者排队长度增加等状态变化。

活动扫描法是面向活动的，它记录每个活动开始与终止的时间，从而记录实体从一种状态变为另一种状态的过程。

例如，当加工工件进入生产系统时，由于机床忙，工件暂时排在队列中等待。

当机床上的工件加工完毕并离开后，等待加工的工件结束排队进入机床被加工。

从开始排队到结束排队，这一过程是排队活动。

进程交互法是面向进程的，它记录每个进程推进的过程。

由于各进程是并行进行的，为了便于计算机处理，进程交互法采用交叉推进的方法，推进每个进程，最终完成全部进程的推进，即完成系统的全部运行过程。

24、事件调度法、活动扫描法和进程交互法比较

（1）系统描述

所有策略均提供主动成分及被动成分，每种成分均能接受其他成分的作用。

在事件调度法中，只有主动型成分才能施加作用，而在其他两种策略中，主动型成分与被动型成分均可施加作用。

在事件调度法中，系统的动态特性表现为主动成分不断产生事件；在活动扫描法中则表现为主动成分产生活动；在进程交互法中则是通过成分在其进程中一步一步地推进来描述。

（2）建模要点

在事件调度法中，用户要对所定义的全部事件进行建模，条件的测试只能在事件处理子例程中进行。

活动扫描法设置了一个条件子例程专用于条件测试，还设置一个活动扫描模块，该模块对所有定义的活动进行建模。

进程交互则将一个进程分成若干步，每一步包括条件测试及执行活动两部分。

（3）仿真钟的推进

在事件调度法中，主动成分的下一事件发生时间保存在事件表中，定时模块不断地从事件表中取出具有最早发生时间的事件记录，将仿真钟推进到该事件发生时间，并转向该事件处理子程序执行。

活动扫描法除了设置系统仿真钟之外，每一个主动成分还设有成分仿真钟。

定时模块选择那些大于当前系统仿真钟且是所有成分仿真钟最小的那个成分仿真钟，然后将系统仿真钟推进到该时刻，并开始对活动扫描。

进程交互法采用将来事件表及当前事件表。

从将来事件表中取出具有最早发生时间的事件记录置于当前事件表中，仿真钟推进到该事件发生时间。

（4）执行控制

事件调度法由定时模块按下一最早发生时间选择事件记录，并转向该事件处理子程序执行。

活动扫描法按递减优先数的顺序对全部活动扫描，只有满足测试条件为真，仿真事件小于等于系统仿真钟的活动才能被执行。

进程交互法按递减优先数的顺序对当前事件表的全部记录进行扫描，根据该事件在其进程中的指针进行条件判断。

事件调度法建模灵活，应用范围广，但是只适用于成分相关性小的系统仿真。

活动扫描法对于各成分相关性很强的系统来说模型执行效率高，但是用户建模时除了要对各成分的活动进行建模外，仿真执行程序结构比较复杂，流程控制要十分小心。

进程交互法建模直观，模型接近实际系统，特别适用于活动可以预测、顺序比较确定的系统，但是其流程控制复杂，建模灵活性不如事件调度法。

27、随机变量的产生方法

逆变换法、卷积法、合成法、取舍法

v28、建立输入数据模型的方法

v

（1）在仿真运行中直接使用收集到的数据

v

（2）把收集到的数据定义为经验分布

v（3）将数据拟合为某种理论分布。

v29、随机变量分布的辨识

31、拟合度检验方法测试和Kolmogorovsmirnov测试。

32、根据研究目的和系统特征不同，系统仿真分为两种类型：

终止型仿真和非终止型仿真。

非终止型仿真分为稳态仿真和稳态周期仿真。

终止型仿真具有以下特点：

①在零时刻系统的初始条件相同。

②必须定义结束事件或结束时刻

③在TE时刻系统被“清零”，或在该时刻以后的数据均没有意义。

33、终止型仿真的结果分析方法

固定样本数量法（复演法）和序贯法。

稳态仿真主要采用重复／删除法和批均值法

34、仿真方法在物流系统中的应用

（1）物流系统规划与设计

（2）仓储规模与库存管理

（3）物料运输调度

（4）物流成本估算

36、仿真软件可以分为仿真程序包、仿真语言及仿真环境。

37、一体化建模与仿真环境研究

1）支持建模与仿真的全寿命周期活动；

2）集成化程度高；3）方便友好的用户接口；4）初步的知识处理能力；5）模型与仿真的质量保证措施；6）开放性。

38、常用物流仿真软件

Arena、Automod、eM-Plant、Extend、Flexsim、RaLC、Witness

39、Flexsim特点

1）基于面向对象技术建模

2）突出的3D图形显示功能

3）建模和调试简单方便

4）建模的可扩展性强

5）开放性好

40、仿真软件的选择因素

（1）整体能力（包括建模的灵活性和简易性）

1）建模灵活性和可编程功能

2）使用简易

3）分层建模

4）调试功能

5）模型快速运行

6）友好的前台处理功能

7）Run－time版本。

8）数据导入导出功能

9）参数调节自运行功能

10）离散仿真和连续仿真混合

11）初始化到特定状态

12）状态保存和重调用

13）低价位

（2）硬件和软件的要求

平台兼容性

（3）动画和动态图形

1）具有直观形象的动画功能

2）标准图标库3）动画平滑可控

4）并行动画和事后播放5）三维动画

6）输入CAD图纸7）动实时参数和图形显示

（4）数理统计功能

1）好的随机数发生器

2）多种分布函数供选

3）可以方便进行独立多次的重复性随机试验

4）被理论证明的产生确信区间的方法

5）可以指定暂态周期和稳态周期

6）方便指定需收集数据

7）试验设计

8）有限优化功能

（5）客户支持和文档

1）销售商提供培训

2）好的技术支持

3）良好的文档

4）范例

5）免费演示软件

6）用户交流平台

（6）输出图表功能

1）标准报表

2）可定制报表

3）动态和静态图形

4）数据输出到第三方软件

v41、Flexsim仿真模型的基本组成

v对象/实体（Objects）

▪Flexsim建模的基本元素，比如库中的实体

v连接（Connections）

▪Flexsim中通过对象之间的连接定义模型的流程

v方法（Methods）

▪对象中的方法定义了模型中各对象所需要完成的作业

v42、Flexsim对象分类

v资源类（FixedResources）

▪Source,Queue,Processor,Sink,Combiner,Separator,MultiProcessor,Conveyor,MergeSort,FlowNode,Rack,andReservoir

v执行类（TaskExecuter）

▪Dispatcher,Operator,Transporter,Elevator,Robot,Crane,ASRSvehicle

v网络类（Node）

▪NetworkNode,TrafficControl

v图示类（VisualObject）

▪VisualTool,Recorder

v43、连接与端口

vFlexsim模型中的对象之间是通过端口来连接的

v三种类型的端口

▪输入端口（inputports）

•FixedResource之间的连接

▪输出端口（outputports）

•FixedResource之间的连接

▪中心端口（centerports）

•连接TaskExecuter和FixedResource

▪“a”连接

v按下“a”键的同时用鼠标从一个对象拖拉到另一个对象上以连接二者

v“a”连接用于除中心端口之外的所有其他的连接

v“a”连接用“q”取消

v“s”连接

v按下“s”键的同时用鼠标从一个对象拖拉到另一个对象上以连接二者

v“s”连接仅用于中心端口之间的连接（即连接TaskExecuter和FixedResource）

v“s”连接用“w”取消（按下“w”键的同时用鼠标从一个对象拖拉到另一个对象上以连接二者）

（1）构建模型布局

（2）定义物流流程

（3）编辑对象参数

（4）编译运行仿真

（5）分析仿真结果