物流系統(tǒng)仿真培訓課件

3-6物流系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真概述蒙特卡洛法計算機仿真物流系統(tǒng)仿真11系統(tǒng)仿真概述2一.系統(tǒng)仿真什么是系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真是利用系統(tǒng)模型在仿真的環(huán)境和條件下，對系統(tǒng)進行研究、分析和試驗的方法。其它關于仿真的定義：系統(tǒng)仿真是在數字計算機上進行實驗的數字化技術，包括數字與邏輯模型的某些模式，這些模型描述某一事件或經濟系統(tǒng)在若干時間周期內的特征（雷諾（T.H.Naylor）于1966年提出的仿真定義）。仿真就是模擬真實系統(tǒng)。仿真就是用模型來做實驗。系統(tǒng)仿真的目的系統(tǒng)仿真的目的在于利用人為控制的環(huán)境條件，改變某些特定的參數，觀察模型的反應，研究真實系統(tǒng)的現象或過程。3二.系統(tǒng)仿真的基本要素系統(tǒng)仿真包括三個基本要素系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、計算機聯系系統(tǒng)仿真三要素的基本活動是系統(tǒng)模型建立、仿真模型建立、仿真實驗系統(tǒng)系統(tǒng)模型計算機建模仿真實驗二次建模系統(tǒng)仿真三要素4三.系統(tǒng)仿真的三個發(fā)展階段1直觀模仿在這個階段，人們只是對自然物進行直觀模仿。它的特點是：模仿自然物的外部幾何形狀和由幾何形狀產生的某種功能。仿真的目的在于研究自然物的某種優(yōu)點，以便將它移植列人工工具上，即目的在于發(fā)展模型本身。直觀仿真只能為發(fā)展科學提供一些條件，不會產生根本性變革。2．仿真實驗在這個階段，人們將仿真方法用于科學實驗．通過仿真原型來認識、研究和改造原型。仿真實驗階段常采用的方法，有以幾何相似或物理相似為基礎的物理仿真和以數學關系為基礎的數學仿真。仿真實驗的結果必須在實踐中得到檢驗。3．功能仿真功能仿真是以不同對象的功能和行為相似為基礎的仿真方法。功能仿真可以利用不同的結構實現相同的功能。計算機可以仿真入腦思維功能、是系統(tǒng)仿真的主要工具。5四.系統(tǒng)仿真的特點（作用）利用仿真模型可將復雜事物抽象化，通過仿真模型了解系統(tǒng)的可行性和可靠性，檢驗理論的正確性，尋求解決問題的途徑。利用仿真可避免在實際系統(tǒng)上試驗周期過長的弊病，節(jié)省人力、物力、財力。某些復雜系統(tǒng)既不能用實際試驗方法．又不能用解析方法時，計算機仿真方法是惟一有效的方法。可以避免對實際系統(tǒng)進行破壞性實驗或危險性實驗。在這種情況下，仿真方法的優(yōu)點更為突出。仿真可以研究單個變量或參數變化時對系統(tǒng)整體的影響，并且可以多次重復試驗，這在真實系統(tǒng)中是非常困難或不可能的。仿真方法可用來檢驗理論分析所得的結果的正確性和有效性，其基本方法較易掌握，仿真的結果直觀，便于理解。6五.系統(tǒng)仿真的類型按應用分類生產管理仿真、工程技術仿真、軍事仿真、科學試驗等。從運籌學的角度，系統(tǒng)仿真又可分為存儲仿真、排隊仿真、預測仿真、更新仿真、訓練仿真等。按結構形式分類簡單式、串聯式、擴展式、分析式。簡單式仿真所用模型的結構也比較簡單．如車間生產作業(yè)的仿真；串聯式仿真所用模型的結構為相繼串聯的若干個簡單式模型；擴展式仿真所用模型表現為苦干子模型的串并聯形式，例如仿真一個企業(yè)的整體；分析式仿真主要是針對一些大而復雜的系統(tǒng)，在仿真這類系統(tǒng)時，先對總系統(tǒng)設計仿真模型，通過粗略仿真，從中分析出解弱環(huán)節(jié)或關鍵子系統(tǒng)。然后再針對這些薄弱環(huán)節(jié)或關鍵子系統(tǒng)構造詳細的仿真模型，進一步仿真，以便進行更深入詳細的分析。7五.系統(tǒng)仿真的類型按仿真實驗的方法分類物理仿真法和數學仿真法。物理仿真也稱實體仿真．一般仿真的過程是以物理性質和幾何形狀相似為基礎，而其他性質不變的仿真。數學仿真是以數學方程式相似為基礎的仿真方法，它是用數學式來表示被仿真的對象。按系統(tǒng)中事件出現的特性分類隨機性仿真和確定性仿真。如果在系統(tǒng)中．事件的出現是隨機的，那么對這種系統(tǒng)所進行的仿真為隨機性仿真．反之，如果事件的出現是確定的，那么對這種系統(tǒng)所進行的仿真為確定性仿真。在管理仿真中，由于搜集數據方面的困難，通常所進行的是確定性仿真。蒙持卡洛法(MonteCarloMethod)是應用較多的一種隨機仿真方法，它用統(tǒng)計試驗法求解一些數學問題，盡管這些問題基本上是確定性的，但由于此方法使用了隨機數的緣故，因此通常把它作為隨機仿真的一個類別。8五.系統(tǒng)仿真的類型按照系統(tǒng)中實體成活動的動態(tài)形式分類連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散系統(tǒng)仿真。如果系統(tǒng)變化的主要方面是連續(xù)的，那么對此所進行的仿真為連續(xù)系統(tǒng)的仿真。如果系統(tǒng)變化的主要方面是離散的，那么對此所進行的仿真為離散系統(tǒng)的仿真。連續(xù)系統(tǒng)的仿真方法主要通過常微分方程的求解，利用改變系統(tǒng)的邊界條件與初始值以研究系統(tǒng)的變化。離散系統(tǒng)的仿真又分為兩類：一類是離散時間系統(tǒng)的仿真，一類是離散事件系統(tǒng)的仿真。離散時間系統(tǒng)的仿真是每隔規(guī)定的時間間隔取一個分析系統(tǒng)的數據點，這種仿真又叫定時仿真法；離散事件系統(tǒng)的仿真是根據發(fā)生的事件的瞬間作為分析事件的數據點，這種仿真又叫事件仿真法。92蒙特卡洛法10一.蒙特卡洛法蒙特卡洛法(Monte-CarloMethod)亦稱統(tǒng)計試驗驗法、隨機模模擬法。是由由匈牙利數學學家VonNeumann建立的的，因其方法法與某些賭博博工具在原理理上基本一致致，因此人們們用著名賭城城蒙特卡洛的的名字來命名名該方法。蒙特卡洛法是是一種隨機模模擬法，它通通過構造一個個與原來問題題沒有直接關關系的概率過過程，并利用用它來產生統(tǒng)統(tǒng)計現象的一一種仿真方法法。目前，蒙特卡卡洛法己成為為仿真的有力力工具，在物物流系統(tǒng)工程程中，它被用用來解決設備備交貨、訂貨貨、風險型決決策、排隊等等很多問題。。11二.蒙特卡洛法的的基本原理基本原理在所研究的系系統(tǒng)中，采用用某種特定方方法產生隨機機數和隨機變變量、仿真隨隨機事件，對對輸出結果進進行統(tǒng)計處理理，從而得到到問題的解的的一種數值計計算方法。蒙特卡洛法的的理論基礎是是概率論中的的大數定律。。即在相同的的條件下對事事件A進行n次獨立實驗驗，當n無限限增大時，事事件A的n個個觀測值的平平均值依概率率收斂于其數數學期望。從原則上講，，蒙特卡洛法法可以求解任任何形式的系系統(tǒng)問題的數數學模型，特特別是對隨機機因素多，用用解析法無法法求解的復雜雜數學模型。。12三.蒙特卡洛法仿仿真的步驟對資料進行分分析處理，分分析實際問題題中隨機變量量的統(tǒng)計特性性，構造描述述現實系統(tǒng)的的仿真概率模模型；根據數學概率率模型的特點點，設計和應應用降低方差差的各種方法法，以加快仿仿真結果的收收斂。給出概率模型型中各種不同同分布的隨機機變量的抽樣樣方法，對模模型進行隨機機取樣，確定定隨機變量值值。按照數量關系系進行仿真計計算。處理仿真的結結果，得到問問題的解，分分析系統(tǒng)變化化的規(guī)律，并并估計解的精精度。13四.蒙特卡洛法舉舉例某企業(yè)為改善善經營管理降降低成本，擬擬建立主要原原材料的經濟濟批量和安全全備用儲備量量制度。根據據過去材料消消耗情況得知知，耗用量、、到貨期均不不固定。試用用蒙特卡洛仿仿真其運行過過程。分析以以往資料得知知主要原材料料在100周周內每周的消消耗數量(見見表9-3)及100次次到貨時間統(tǒng)統(tǒng)計表(見表表9-4)。。隨機數可查查兩位數字的的隨機數表(見表9—6)。14四.蒙特卡洛法舉舉例成本部門核算算該種原料每每周占用成本本為10元／／件，每批訂訂購費25元元。缺貨損失失為100元元／件。初步步確定庫存量量不足15件件時就要訂貨貨，訂貨批量量每次20件件。用隨機數數仿真14周周的使用、到到貨、存儲量量及成本(計計算結果見表表9-5)，，隨機數由表表9-6左對對齊縱向選用用。151617仿真過程：按時間順序進進行仿真，從從初期存貨20件開始仿仿真（假定））。第一周：查隨機數表，，第一個隨機機數為33(從表9-6得得到)，1周需求求量為3件（（由表9-2得得到隨機數33對應的需需求量為3件件），至第一周周末存儲數量量減至17件件，占用成本本17xl0＝170元元?？偝杀?存儲儲成本=170元。第二周：查隨機數表，，第2個隨機機數為50（（從表9-6得得到），1周需求求量為3件(從表9-2得得到隨機數50對應的需需求量為3件件)，第二周末末存量減至14件。存儲儲成本14*10=140元。原設定15件件為再訂貨點點，現已低于于15件故應應訂貨補充。。查隨機數表表，第3個隨隨機數為13，到貨時間間為1周（由表9-3查查得，隨機數數為13對應應的到貨時間間為1周），因定貨而而產生的定貨貨成本為25元。第2周的總成成本為165元。第3~14周周，依次類推推，最后得到到表9-5的的仿真計算結結果。表9-5仿真真的是訂貨點點為15件．．訂貨批量為為20件，初初始存貨為20件的情況況。如果取不不同的訂貨點點、訂貨量、、初始存貨點點就可以得到到另外的仿真真計算結果表表?？梢詫Ω鞲鞣N仿真計算算結果進行比比較，選擇總總成本最小的的方案作為存存儲控制依據據。18五.隨機數數的產生方法法合理確定隨機機數是蒙特卡卡洛法的關鍵鍵。常用的產生隨隨機數的方法法：直接法。如拋拋硬幣、袋中中摸球、轉動動輪盤等。物理法。如脈脈沖發(fā)生器、、數字位移寄寄位器等作為為隨機數發(fā)生生器，產生隨隨機數序列。。數學法（偽隨隨機數法）。。利用數學方方法，通過計計算產生具有有某種分布特特征的隨機數數。（可利用用計算機生成成）查隨機數表。。19六.仿真結結果的處理任何仿真問題題的個別具體體解本身并不不表征這個系系統(tǒng)。只有得到了很很多的個別具具體解之后．．通過對它們們進行處理，，才能獲得我我們所要知道道的決策變量量和目標函數數之間存在的的關系。203計算機仿仿真21一.計算機機仿真的概念念計算機仿真是是用計算機對對系統(tǒng)的結構構、功能和行行為以及參與與系統(tǒng)控制的的人的思維過過程和行為進進行動態(tài)、逼逼真的模仿。。計算機仿真是是一種描述性性技術，是一一種定量分析析方法。通過過建立某一過過程或某一系系統(tǒng)的模式，，來描述該過過程或該系統(tǒng)統(tǒng)，然后用一一系列有目的的、有條件的的計算機仿真真實驗來刻畫畫系統(tǒng)的特征征，從而得出出數量指標，，為決策者提提供有關這一一過程或系統(tǒng)統(tǒng)的定量分析析結果，作為為決策的理論論依據。計算機仿真技技術適用于系系統(tǒng)復雜、有有大量隨機因因素存在而又又難以用其他他定量技術解解決的情況。。計算機仿真的的對象可以適適用人們需要要的一切系統(tǒng)統(tǒng)。在物流系系統(tǒng)中，計算算機仿真技術術同樣得到了了廣泛的應用用。22二.計算機機仿真的局限限性計算機仿真技技術不是最優(yōu)優(yōu)化技術，只只是一種數值值方法，它只只能給出系統(tǒng)統(tǒng)特定條件、、特定參數下下的特解而不不是通解。在諸多方案中中，它是通過過改變條件和和參數．反復復實驗相比較較。得出一個個較好的結論論，提供一個個較好的方案案供決策者參參考。用計算機仿真真方法解決較較大系統(tǒng)問題題的成本高、、時間長。對于仿真模型型必須反復檢檢驗，有時還還必須重新建建立模型，才才能夠使得模模型建成、完完善。計算機仿真是是一種評價性性技術，是評評價決策的工工具，不能自自己產生決策策，產生方案案。因此．在采用用計算機仿真真技術之前，，要借助于其其他技術和手手段提出一系系列的方案、、決策、參數數，然后才能能運用仿真技技術，做出評評價結論。23三.計算機機仿真語言計算機仿真語語言的特點：：仿真時刻的控控制是自動進進行的；具有隨機數生生成程序；可以進行種種種邏輯運算和和數學運算；；對于構成要素素的記錄可以以自動地進行行記憶場所的的分配；仿真結果可以以很容易地表表示出來。根據建模過程程和運行系統(tǒng)統(tǒng)特性的普適適性，仿真語語言可分為：：通用仿真語言言其建模過程與與被仿真的系系統(tǒng)類型無關關。如ACSL,CSSL,TUTSIM,CSMP。專用仿真語言言專用仿真語言言僅僅對特定定的系統(tǒng)進行行有效的建模模和仿真。如如SPICE,ECAP等。另外還可根據據微分方程的的類型，把仿仿真語言分為為：常微分方程系系統(tǒng)仿真語言言（ODE））偏微分方程系系統(tǒng)仿真語言言（PDE））24三.計算機機仿真語言物流系統(tǒng)中常常用的仿真語語言1．DYNAM0(dynamicmodel)語言用線性微分方方程式來表示示作為對象的的系統(tǒng)，并根根據差分近似似進行仿真。。2．CSMP(continuoussystemmodelingprogram)語言當系統(tǒng)可聯立立為一階微分分方程式，可可用方塊圖表表達，并且避避免在求解時時進行積分，，可以用該語語言進行仿真真。3．GPSS(generalpurposesimulationsystem)語言這是一種適用用于排隊問題題的仿真語言言。該語言通過表表示到達顧客客的基本要素素，表示事務務處理、顧客客或服務窗口口動作的基本本要素，以及及程序塊這三三者構成中心心。除這些語言言外，還開開發(fā)使用了了SIMSCRIFT，GASP，S0L等仿仿真語言。。254物流系系統(tǒng)仿真26一.仿真真在物流系系統(tǒng)中的應應用采用計算機機仿真的方方法構造模模型，求解解部分復雜雜物流系統(tǒng)統(tǒng)，解決部部分難以用用數學方法法求解的物物流問題。。對于新設計計的物流系系統(tǒng)，可應應用計算機機仿真對新新系統(tǒng)的可可行性和效效率做出正正確的評價價判斷。計算機仿真真具有通過過試驗達到到優(yōu)化的目目的?？蓱獞眠@一手手段，對控控制與決策策中的多方方案進行多多次運行，，按既定的的目標函數數，對不同同的決策方方案進行分分析比較，，從中選擇擇最優(yōu)方案案，進行輔輔助決策。。對物流系統(tǒng)統(tǒng)運行機制制進行分析析。在仿真真模型運行行過程中，，人們可根根據需要，，記錄有關關數據和信信息、從而而為分析物物流系統(tǒng)提提供依據。。對物流系統(tǒng)統(tǒng)的發(fā)展戰(zhàn)戰(zhàn)略進行研研究。應用用計算機模模型可以對對從過去到到未來的國國家、地區(qū)區(qū)或者企業(yè)業(yè)的物流系系統(tǒng)的發(fā)展展規(guī)律進行行仿真運算算，研究系系統(tǒng)的因果果關系，得得出結論，，以促進系系統(tǒng)的改進進和發(fā)展。。通過建立物物流系統(tǒng)的的仿真模型型，擴展了了物流系統(tǒng)統(tǒng)研究的邊邊界，有助助于描述物物流系統(tǒng)的的各種現象象、加強直直觀感，從從而能夠更更深刻地理理解和分析析物流系統(tǒng)統(tǒng)。27二.物流流系統(tǒng)仿真真的特點物流系統(tǒng)中中“流”的的仿真。物流系統(tǒng)中中有多種流流：貨流、、車流、船船流、商流流、信息流流等。由于“流””的流動，，應采用動動態(tài)仿真方方法描述““流”的產產生、流動動、消失、、積累和轉轉換等。物流系統(tǒng)中中的“排隊隊”仿真。。由一個或多多個服務臺臺和一些等等待服務的的顧客組成成的離散系系統(tǒng)稱為排排隊系統(tǒng)。。在物流系統(tǒng)統(tǒng)中，船由由錨地靠泊泊碼頭泊位位及車輛運運營的仿真真等都屬于于這類仿真真。這種仿仿真大多采采用離散型型仿真方法法來進行。。物流組織中中“人”的的因素仿真真。物流組織是是通過人的的參與實現現的，即使使在同樣規(guī)規(guī)劃下，不不同的人、、組織，物物流服務質質量和運行行效率仍有有較大差異異。通過計計算機仿真真描述人的的思維過程程，從而給給出較優(yōu)的的物流組織織方案。28三.物流流系統(tǒng)仿真真常用方法法1.連續(xù)型型仿真方法法。連續(xù)系統(tǒng)是是指系統(tǒng)的的狀態(tài)在時時間上平滑滑地變化。。為了反映連連續(xù)系統(tǒng)的的特征，仿仿真模型建建立了一組組由狀態(tài)變變量組成的的狀態(tài)方程程。如代數數方程、微微分方程、、函數方程程、差分方方程等。這這些方程描描述了各項項狀態(tài)變量量與主要自自變量一一一仿真時間間的關系。。在此基礎礎上．按一一定的規(guī)則則將仿真時時間—步一一步向前推推移，對方方程組進行行求解與評評價，計算算和記錄各各個狀態(tài)變變量在各個個時間點的的具體數值值。通過連連續(xù)系統(tǒng)的的仿真模型型，對系統(tǒng)統(tǒng)狀態(tài)在整整個時間序序列中的連連續(xù)性變化化進行動態(tài)態(tài)描寫。這種方法主主要用于物物流系統(tǒng)的的發(fā)展戰(zhàn)略略研究、運運量預測等等與時間密密切相關的的連續(xù)系統(tǒng)統(tǒng)。29三.物流流系統(tǒng)仿真真常用方法法2離散型型仿真方法法。離散系統(tǒng)的的狀態(tài)變量量僅在離散散時間點上上有跳躍變變化。離散型仿真真方法包括括以事件為為基礎、以以活動為基基礎、以過過程為基礎礎的仿真方方法。以事件為基基礎的仿真真：通過定定義系統(tǒng)在在事件發(fā)生生時間的變變化來實現現。以活動為基基礎的仿真真：通過描描述系統(tǒng)實實體所進行行的活動，，以及預先先設置導致致活動開始始或結束的的條件來進進行仿真以過程為基基礎的仿真真：綜合了了以事件為為基礎的仿仿真和以活活動描述為為基礎的仿仿真兩者的的特點，描描述了作為為仿真對象象的實體在在仿真時間間內經歷的的過程。離散事件仿仿真的要素素事件使使系統(tǒng)狀態(tài)態(tài)發(fā)生瞬時時變化的現現象(如排排隊系統(tǒng)中中的顧客到到達)；活動確確定長度的的延遲時間間(如服務務時間或到到達間隔時時間)：過程由由事件的時時間序列及及若干活動動組成。30四.物流流系統(tǒng)仿真真的步驟左圖是—個個典型的、、完整的物物流系統(tǒng)仿仿真步驟以以及各步驟驟間的關系系。并非所有所所有的仿真真都必須包包括圖中所所有的步驟驟，有些研研究可包含含圖中所沒沒有描述的的步驟。仿真方法不不一定是嚴嚴格的有順順序的過程程。任一步步驟中，根根據仿真實實際情況而而可轉向任任一其他步步驟。下面結合某某地“地區(qū)區(qū)物流網絡絡運營計算算機仿真與與動態(tài)顯示示”這樣一一個實例來來說明仿真真的步驟。。該仿真是對對地區(qū)物流流網絡的車車輛運營組組織進行仿仿真．并同同步顯示貨貨運結點運運輸車輛的的營運狀態(tài)態(tài)。31四.物流流系統(tǒng)仿真真的步驟1.問題題描述這一階段對對貨運車輛輛運營系統(tǒng)統(tǒng)作深入細細致的了解解，并與車車隊、車場場調度人員員反復交換換認識，通通過反饋使使研究者對對系統(tǒng)的認認識不斷深深化，描述述的系統(tǒng)與與實際相符符合。2.設定定目標與總總體方案明確仿真應應回答的問問題。仿真目標是是：從物流流網絡整體體考慮，確確定運營的的改進方向向及改進方方案，進行行多方案比比選，尋求求物流網絡絡上各指標標間較合理理的匹配關關系，使物物流網絡能能以較少的的車輛和人人員配置，，完成預定定的物流量量任務。根根據這一目目標，構造造總體研究究方案。它它包括了研研究人員的的數目、分分階段參加加人員的工工作天數，，投人的研研究費用等等。323.建立立仿真模型型（1）做系系統(tǒng)的實體體及屬性分分析、活動動分析、模模型變量分分析、系統(tǒng)統(tǒng)特征分析析、模型指指標分析、、模型的輸輸入、輸出出分析以及及仿真模型型方法選定定分析，通通過如上分分析確定各各組成要素素以及表征征這些要素素的狀態(tài)變變量和參數數之間的數數學邏輯關關系，在此此基礎上構構造仿真模模型。（2）系統(tǒng)統(tǒng)的實體有有貨物、車車站、車輛輛。（3）系統(tǒng)統(tǒng)的活動有有始發(fā)站活活動、中途途站活動、、終點站活活動。（4）模型型變量包括括各路徑車車輛行駛里里程、各路路徑正點率率、各路徑徑運量、各各路徑滿載載率、各路路徑無車等等待時間、、各路徑等等待發(fā)車總總時間、各各路徑分類類型發(fā)車數數等7個指指標。（5）根據據系統(tǒng)現狀狀，把系統(tǒng)統(tǒng)中的車站站看作服務務臺，車輛輛看作顧客客，把該系系統(tǒng)作為一一個顧客不不消失的、、服務臺為為串聯形式式的多級排排隊服務系系統(tǒng)。因此此，采用離離散的、動動態(tài)的、隨隨機的仿真真方法建立立本系統(tǒng)的的仿真模型型。四.物流流系統(tǒng)仿真真的步驟334.收集集和處理信信息信息的正確確性直接影影響仿真結結果的正確確性，正確確地收集和和整理信息息成為系統(tǒng)統(tǒng)仿真的重重要組成部部分。它包包括估計輸輸入參數和和獲得模型型中采用隨隨機變量的的概率分布布。四.物流流系統(tǒng)仿真真的步驟5．確認對仿真模型型及輸入參參數的準確確程度進行行認可，它它應貫穿于于整個仿真真研究過程程，但第5步和第8步的確認認特別重要要，在這步步進一步與與貨運車輛輛、車場調調度人員交交換信息，，增強模型型的有效性性，并根據據決策者的的要求，對對模型作相相應修改．．使之更符符合實際。。6．仿真模模型的程序序設計通過這一步步將仿真分分析的思路路轉化成計計算機語言言編制的程程序。347．仿真模模型的試運運行通過試運行行仿真程序序來驗證程程序的正確確性。可以以構造一些些易于為人人知道結果果的數據，，進行模型型的試運行行，以確認認仿真模型型的正確性