2022.7朱占峰教授、博士后、博士生導(dǎo)師高級(jí)物流師、高級(jí)咨詢(xún)師

《物流工程導(dǎo)論》第11章物流工程仿真

2015年4月，首個(gè)由國(guó)內(nèi)港口自主研發(fā)的鐵路生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)——寧波港鐵路生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)正式投入運(yùn)行，這將大大加快寧波港集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)融入以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為代表的“互聯(lián)網(wǎng)＋”時(shí)代的步伐。今后業(yè)務(wù)人員只需輕點(diǎn)鼠標(biāo)，寧波港海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱的在途情況便盡收眼底?！樱?1.1現(xiàn)代系統(tǒng)仿真技術(shù)11.1.1系統(tǒng)仿真原理11.1.2系統(tǒng)仿真過(guò)程 11.1.3系統(tǒng)仿真類(lèi)型系統(tǒng)仿真是利用一個(gè)模型來(lái)模仿實(shí)際系統(tǒng)發(fā)生的運(yùn)動(dòng)過(guò)程并進(jìn)行試驗(yàn)的技術(shù)。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，仿真技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展，在軍事和民用領(lǐng)域中的應(yīng)用更是不斷向廣度和深度拓展，同時(shí)又促進(jìn)了仿真技術(shù)本身的進(jìn)步?！F(xiàn)代系統(tǒng)仿真技術(shù)6系統(tǒng)仿真所謂系統(tǒng)仿真（Systemsimulation），就是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各要素性質(zhì)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立能描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或行為過(guò)程的、且具有一定邏輯關(guān)系或數(shù)量關(guān)系的仿真模型。據(jù)此進(jìn)行試驗(yàn)或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。系統(tǒng)仿真原理根據(jù)定義可以看出，系統(tǒng)仿真實(shí)質(zhì)上包括了三個(gè)基本要素：系統(tǒng)、模型、計(jì)算機(jī)。而聯(lián)系這三個(gè)要素的基本活動(dòng)是：模型建立、模型實(shí)現(xiàn)和仿真實(shí)驗(yàn)?！到y(tǒng)仿真原理物流系統(tǒng)模型仿真則是建立在對(duì)物流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及流程分析完成的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，也就是建立系統(tǒng)模型，然后通過(guò)合適的仿真方法，使該物流系統(tǒng)模擬實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。其目的是通過(guò)仿真了解物料運(yùn)輸、存儲(chǔ)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的各種統(tǒng)計(jì)性能，如運(yùn)輸設(shè)備的利用率是否合理，運(yùn)輸路線(xiàn)是否通暢，物料搬運(yùn)系統(tǒng)的流動(dòng)周期是否過(guò)長(zhǎng)等。——系統(tǒng)仿真原理8建模階段基本環(huán)節(jié)在這一階段，通常是先分塊建立子系統(tǒng)的模型。模型實(shí)驗(yàn)階段在這一階段，首先要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹朴唽?shí)驗(yàn)計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)大綱。結(jié)果分析階段在這一階段中需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行去粗取精、去偽存真的科學(xué)分析，并根據(jù)分析的結(jié)果做出正確的判斷和決策?！到y(tǒng)仿真過(guò)程一般步驟（1）針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)建立系統(tǒng)模型，確定模型的邊界。（2）仿真建模，是指根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和仿真要求選擇合適的算法。（3）程序設(shè)計(jì)，是指將仿真模型用計(jì)算機(jī)程序描述。利用專(zhuān)用的仿真語(yǔ)言，能大大減輕程序編制工作量。（4）程序檢驗(yàn)，是指對(duì)程序調(diào)試檢驗(yàn)和仿真算法的合理性檢驗(yàn)。（5）仿真運(yùn)行，是指仿真實(shí)驗(yàn)的運(yùn)作過(guò)程。（6）仿真結(jié)果分析，是指對(duì)仿真結(jié)果的分析、判斷。在實(shí)際仿真過(guò)程中，上述步驟往往需要多次反復(fù)和迭代?！到y(tǒng)仿真過(guò)程10以研究系統(tǒng)的特征為劃分標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)根據(jù)被研究系統(tǒng)的特征可分為兩大類(lèi)，連續(xù)系統(tǒng)仿真及離散事件系統(tǒng)仿真。以仿真時(shí)鐘與實(shí)時(shí)時(shí)鐘的比例為劃分標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)仿真時(shí)鐘與實(shí)時(shí)時(shí)鐘的比例分類(lèi)，可以分為實(shí)時(shí)仿真、亞實(shí)時(shí)仿真和超實(shí)時(shí)仿真。以參與仿真的模型種類(lèi)為劃分標(biāo)準(zhǔn)按照參與仿真的模型的種類(lèi)不同，將系統(tǒng)仿真分為物理仿真、數(shù)學(xué)仿真及物理——數(shù)學(xué)仿真（又稱(chēng)半物理仿真或半實(shí)物仿真）。——系統(tǒng)仿真類(lèi)型11.2物流工程動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真建模11.2.1物流工程動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真建模概述11.2.2連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真建模 11.2.3離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真建模1.動(dòng)態(tài)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的演進(jìn)根據(jù)仿真過(guò)程中所采取計(jì)算機(jī)的類(lèi)型不同，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真可分為：20世紀(jì)50年代，模擬機(jī)仿真；20世紀(jì)60年代以后，數(shù)字機(jī)仿真；20世紀(jì)70年代，模擬——數(shù)字混合機(jī)仿真。曾一度出現(xiàn)在飛行仿真、衛(wèi)星仿真和核反應(yīng)堆仿真等眾多搞技術(shù)研究領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代之后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是并行處理機(jī)和并行處理技術(shù)的研究和發(fā)展，數(shù)字仿真依然稱(chēng)為計(jì)算機(jī)仿真的主流。——物流工程動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真建模概述——物流工程動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真建模概述2.動(dòng)態(tài)計(jì)算機(jī)仿真的基本過(guò)程

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的全過(guò)程可分為四大部分：第一模塊為系統(tǒng)分析；第二模塊為模型設(shè)計(jì)預(yù)確認(rèn)；第三模塊為模型實(shí)現(xiàn)；第四模塊為仿真實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的分析評(píng)估。

如右圖所示?！锪鞴こ虅?dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真建模概述3.動(dòng)態(tài)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的建模對(duì)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)而言，基本的建模過(guò)程可以劃分為:提出系統(tǒng)概念;建立結(jié)構(gòu)關(guān)系模型;模型的性能分析、評(píng)估與綜合三個(gè)階段（如圖11.6所示）。——連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真建模1.連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的基本模型連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（ContinuousVariableDynamicSystem,CVDS）是指由事件驅(qū)動(dòng)、狀態(tài)連續(xù)變化的一類(lèi)物理系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)中時(shí)間取值域和取值方式的不同，CVDS常分為連續(xù)時(shí)間動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、離散時(shí)間動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和連續(xù)-離散時(shí)間混合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)等多種類(lèi)型。2.連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的基本模型轉(zhuǎn)化為仿真模型的方法基本模型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可執(zhí)行模型（稱(chēng)為仿真模型）的幾種常用方法有以下幾種：1）模型轉(zhuǎn)換法；2）離散相似法；3）變換操作域方法——離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真建模

離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（DiscreteEventDynamicSystem，DEDS）是指受事件驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)狀態(tài)跳躍式變化、系統(tǒng)狀態(tài)遷移發(fā)生在一串離散時(shí)間點(diǎn)上的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)大多是人造系統(tǒng)，具有比較復(fù)雜的變化關(guān)系，難以采用常規(guī)的微分方程、差分方程等方程模型來(lái)描述。離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真步驟流程如圖11.8所示。11.3現(xiàn)代物流仿真應(yīng)用11.3.1物流系統(tǒng)排隊(duì)模型11.3.2集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)仿真架構(gòu) 排隊(duì)論最早由愛(ài)爾蘭（A.K.ERlang）于1918年提出，在管理通信和各類(lèi)服務(wù)系統(tǒng)中有著廣泛地應(yīng)用，但采用排隊(duì)論方法來(lái)為DEDS建模服務(wù)卻是近20年來(lái)的事。在排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型中，三個(gè)基本的構(gòu)成要素是動(dòng)態(tài)實(shí)體的到達(dá)模式、排隊(duì)規(guī)則和服務(wù)器的服務(wù)機(jī)制。流程圖11.11、11.12和11.13是離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真常用的三種典型的計(jì)算機(jī)仿真模型，這三種類(lèi)型的仿真模型設(shè)計(jì)方法是排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)較為常用的處理方法?！锪飨到y(tǒng)排隊(duì)模型——集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)仿真架構(gòu)1.集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)系統(tǒng)，它是由船、港、貨、裝、卸、運(yùn)等多個(gè)環(huán)節(jié)組成的，各環(huán)節(jié)間的相關(guān)因素很多，再加上作業(yè)環(huán)境的氣象條件、管理調(diào)度等影響，使碼頭裝卸系統(tǒng)很難用單一的數(shù)學(xué)方程來(lái)描述，常規(guī)的規(guī)劃方法和預(yù)測(cè)方法也難以滿(mǎn)足精度要求。近年來(lái)，國(guó)外大的咨詢(xún)公司和設(shè)計(jì)部門(mén)都采用計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，計(jì)算機(jī)模擬也從只有模擬結(jié)果，看不到模擬過(guò)程的數(shù)字模擬，向動(dòng)畫(huà)、虛擬/現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)應(yīng)用方面發(fā)展。國(guó)外海港碼頭模擬主要研究的方面有風(fēng)險(xiǎn)分析、安全工藝過(guò)程分析、碼頭規(guī)劃、操作培訓(xùn)、動(dòng)畫(huà)/虛擬現(xiàn)實(shí)及實(shí)時(shí)應(yīng)用等。在集裝箱碼頭方面的研究主要集中在碼頭設(shè)備的研究，特別是岸邊集裝箱起重機(jī)配備臺(tái)數(shù)的研究，堆場(chǎng)內(nèi)交通流的研究及集裝箱在堆場(chǎng)堆放位置的研究等。本模擬采用面向?qū)ο蟮哪M語(yǔ)言開(kāi)發(fā)建立而成。——集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)仿真架構(gòu)2.模型總體設(shè)計(jì)分析現(xiàn)有的集裝箱碼頭裝卸工藝，大致有以下幾種：（1）底盤(pán)車(chē)系統(tǒng)。（2）跨運(yùn)車(chē)裝卸系統(tǒng)。（3）叉車(chē)裝卸系統(tǒng)。（4）龍門(mén)起重機(jī)裝卸系統(tǒng)。我國(guó)現(xiàn)有的幾個(gè)大的集裝箱專(zhuān)用碼頭，除廈門(mén)采用跨運(yùn)車(chē)系統(tǒng)外，上海、寧波、廣州、青島、天津等都采用輪胎式龍門(mén)起重機(jī)裝卸系統(tǒng)?！b箱碼頭裝卸系統(tǒng)仿真架構(gòu)3.模塊功能與子系統(tǒng)構(gòu)成1）集裝箱碼頭系統(tǒng)的模塊功能船舶生成子系統(tǒng)；船舶裝載子系統(tǒng)；火車(chē)生成子系統(tǒng)；集裝箱貨車(chē)裝卸子系統(tǒng)；卡車(chē)生成子系統(tǒng)；卡車(chē)操作子系統(tǒng)；堆場(chǎng)操作子系統(tǒng)；碼頭管理子系統(tǒng)；貨物管理子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)輸入子系統(tǒng)；統(tǒng)計(jì)結(jié)果輸出子系統(tǒng)；信息檢索系統(tǒng)?！b箱碼頭裝卸系統(tǒng)仿真架構(gòu)2）模塊子系統(tǒng)流程——集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)仿真架構(gòu)4.模型建立假設(shè)模擬港的集裝箱碼頭有泊位3個(gè)、岸邊有集裝箱起重機(jī)6臺(tái)、輪胎式龍門(mén)起重機(jī)13臺(tái)、堆場(chǎng)能力為2萬(wàn)TEU。開(kāi)通的航線(xiàn)有波斯灣、地中海、美國(guó)、歐洲、東南亞、日本、中國(guó)、中國(guó)香港地區(qū)等13條，有中集、外運(yùn)、長(zhǎng)榮、韓進(jìn)等七八家大的航運(yùn)公司的船舶在此掛靠，年掛靠船舶達(dá)700多艘。碼頭設(shè)計(jì)能力為30萬(wàn)TEU，2013年完成吞吐量37萬(wàn)TEU，已超過(guò)原設(shè)計(jì)能力。到2020年預(yù)計(jì)被模擬的集裝箱碼頭需要完成56萬(wàn)TEU的吞吐量?，F(xiàn)有碼頭的設(shè)備能力能否適應(yīng)新的吞吐量的增長(zhǎng)；需要增加哪些設(shè)施以滿(mǎn)足吞吐量的增加；碼頭營(yíng)運(yùn)情況將會(huì)怎樣；等等，通過(guò)本