1 物流系统仿真应用研究的进展

物流系统是指在一定的时间和空间里，由物资、包装设备、装卸搬运机械、运输工具、仓储设施、人员和通信联系等若干相互制约的动态要素所构成的具有特定功能的有机整体。早期的物流系统仿真主要是针对生产物流过程中的控制与优化问题来进行的，随着供应链的兴起与发展，更多的研究关注于集采购、生产和销售一体化的供应链仿真。随着物流网络规模的扩大和物流量的巨大增长，配送物流的瓶颈作用越来越突出，一些学者开始用仿真的手段来解决物流配送系统中存在的问题。下面从生产物流系统仿真、供应链仿真及物流配送系统仿真三方面介绍物流系统仿真的应用进展。

1.1 生产物流系统仿真

生产物流是指从企业的原材料采购，车间生产，半成品与成品的周转直至成品发送的全过程中的物流活动。生产物流系统是一个复杂的综合性系统，如何提高其效率和效益是至关重要的，系统仿真作为一项用于系统分析和研究的十分有效的技术，已经被广泛用来对生产物流系统进行规划设计，运输调度和物料控制等[3]。国内外学者对生产物流系统进行仿真时，大多采用建立基于 Petri 网的网络模型的方式，其基本思想是用库所集 P 代表系统中实体和活动的状态，用变迁集 T 代表系统中的事件。

A.Sawhney (1999)[4]将 Petri 网技术用于邮件处理中心，对整个处理中心的工作流程进行了分析与优化，提高了邮件处理的效率。詹跃东[5]基于 Petri网建模理论，对烟草行业的卷接包车间的 AGVS 进行了分析，并对该系统构造了 Petri 网模型。嵇振平等[6]使用分层有色 Petri 网(HCPN) 和事件操作表( EOL) 的方法来减少复杂制造系统建模的复杂性，为物流仿真软件体系结构的模块化及层次化设计建立了良好的基础，并将 HCPN 应用于宝钢炼钢连铸生产物流仿真系统的建模中。虽然 Petri 网适合于建立系统动态模型，并且能对系统的动态特性进行分析，它的图形表示也为其应用带来很好的直观性，但是，当系统比较复杂时，利用 Petri 网进行建模与分析存在很大的难度，因为此时 Petri 网模型将变得十分复杂并产生组合爆炸，从而给仿真带来极大困难。因此，直接应用普通 Petri 网对复杂物流系统进行建模和分析是不合适的，必须扩展 Petri 网的定义，或直接采用实体流程图等比较简单的建模方法。近年来很多的学者将人工智能技术引入到 Petri 网建模中，Antonio Reyes 等

[7]将 Petri 网和人工智能技术相结合用于解决柔性加工生产系统的规划问题，加强了 Petri 网对实际系统行为的推理能力。还有一些学者在生产物流系统仿真中引入了面向对象的建模和仿真方法。面向对象的思想将系统分解成若干类对象，把具有相似功能和行为的实体归并为一类对象，每个对象类之间按照消息的传递关系连接起来。现代物流系统是一个复杂的离散事件动态系统，具有复杂性、递阶性、并发性、随机性等特点，而面向对象的技术具有分解、抽象、递阶等特性，非常适用于复杂问题的求解。Kelleret[8]提出了建立柔性制造系统面向对象仿真模型一般框架，给面向对象的方法赋予一般化、标准化的特征。Anglani [9]基于 UML 建模语言和 ARENA 过程仿真语言，利用面向对象的技术建立了柔性制造系统的仿真模型开发环境―UMSIS，从而将概念模型转化为实际模型。Wolfgang Kreutzer[10]将面向对象的概念引入到离散事件系统的建模与仿真，并给出了一个系统实现框架BetaSIM。

在目前对物流系统研究中，仿真方法大多只是被用来在算例中检验解析方法得到的结果，不能称为真正地对物流系统的仿真研究。用仿真方法研究物流系统，就应该用仿真语言或者商用的仿真软件建立物流系统的仿真模型，这样的仿真模型比起解析方法来能更加全面地反映实际物流系统的特征，在此模型之上对不同的系统参数和策略进行仿真实验，仿真过程所做的就是得到该策略下系统的性能，从而对不同的策略进行评价；还可以通过仿真实验改变系统的一些参数来方便地进行物流系统各参数的灵敏性分析，并且以此为基础进行系统的优化[11]。

1.2 供应链仿真

供应链是一个由核心企业连同它的供应商、分销商、零售商直到最终用户共同组成的功能网络结构模式。由于供应链这类复杂系统中存在着很多不确定性和随机性因素，而数学方法由于求解条件的限制，建立的数学模型有时存在着求解困难甚至不可解的结果。在此情况下，以数学模型为基础、以求数值解或特解为特征的仿真建模方法显示出了极强的技术优势。近年来，伴随着许多成熟的仿真软件的引入和使用，各种仿真建模方法解决供应链问题的适用性也得到了大幅度提高[12]。

供应链仿真是仿真技术一个新的应用领域。但是由于实际供应链的复杂性，目前的供应链仿真只停留在理论研究阶段，未能有效地应用于实际的供应链管理中。供应链仿真未来发展方向主要是在分布式仿真的支持下，增强供应链全过程的协作能力，从而提高供应链的整体效能。

1.3 物流配送系统仿真

物流配送系统是一个复杂的离散事件系统，随着物流网络规模的扩大和物流量的巨大增长，要求服务的客户数量增多，覆盖面越来越广，对配送时间要求比较高，除了成本的因素之外，还要考虑配送时间和环境等方面的因素，使其复杂性进一步增加。同时，道路交通状况，新的配送任务等随机因素对物流配送系统的影响越来越大。如果沿用传统的物流方法来组织配送，会带来诸如因反应速度较慢而导致服务质量下降、难以有效地控制物流成本、增加城市交通负担并加重城市污染等方面的问题。

国内外有一些学者在物流配送系统仿真方面做了初步的研究，取得了一些研究成果。Taniguchi 等[18]提出了一个有时间窗的车辆路径规划问题和动态交通仿真的集成模型，这一模型包括两个子模型：一是货物承运商的有时间窗的车辆路径问题的模型；二是在城市道路网络中，集货/送货车辆和客车的动态交通仿真模型。唐孝飞[19]指出第三方物流配送系统需要考虑交通堵塞、路径选择、环境噪音，能源危机、成本控制等各种复杂的因素，用数学方法表达则因存在多个NP-Hard 问题难以得出精确的解析解，传统的数值计算不能满足物流管理的需要，提出面向对象的第三方物流配送仿真模 型O2 LDSM(the Object-Oriented Logistics delivery Simulation Model )，通过描述配送系统各组成对象之间的关系，研究仿真中各种配送控制功能，从而获得配送系统平稳运行的有效参数。余峰等[20]以HLA( High Level Architecture )为计算机仿真标准，对物流配送系统进行了建模仿真；在分析物流配送仿真系统的体系结构基础上，开发了仿真系统中的对象类、交互类以及联邦成员，设计了联邦运行的整个流程。整个物流配送仿真系统是一个联邦，由客户、配送中心、运输中心、仓库和供应商五个联邦成员组成，各联邦成员之间通过公布/订购对象属性和发送交互仿真了整个物流配送活动,得到了满意的配送方案。物流配送系统中由于其存在多个 NP-hard 问题使得其求解起来十分困难，目前各种求解大多停留在理论层面上，较少考虑实际的因素。这些算法与实际应用还有一段距离。通过仿真建模和仿真分析可以将现实配送系统中的各种随机因素和不确定因素考虑进来，通过仿真运行，对运输、人员成本、系统资源利用率等系统状况进行分析，寻求系统改进途径和最佳运行参数，为实际的物流配送系统的决策提供参考。

2 物流系统仿真优化的研究进展

计算机仿真技术是研究复杂系统的有效方法。用仿真语言或者商用的仿真软件能够很容易的建立物流系统的仿真模型，与解析方法相比仿真模型能更加全面地反映实际物流系统的特征。然而仿真模型仅是对问题的直观描述，仿真运行只能提供一定条件下的可行方案，它并不能给出问题的最优解或满意解，所以需要将仿真与优化技术结合起来，以便在仿真环境下使输出响应不断地改进，从而可以形成各种仿真的优化结构，进而实现系统性能的优化

[21]。仿真优化是研究基于仿真的目标优化问题，即基于模型仿真给出的输入输出关系(性能)通过优化算法得到最佳的输入量[22]。物流系统仿真优化是一个相对较新的研究领域，国内外学者对物流系统的仿真优化问题进行了一定的研究，带有优化工具的仿真包的开发起始于

上世纪 90 年代中期，并且已经成为目前的发展方向[23]。仿真优化方法分为精确算法和启 发式算法，由于物流系统问题的复杂性，所以大多采用启发式算法来解决。启发式算法又包括传统的启发式算法和现代的启发式算法，传统启发式算法主要有节约算法、圈算法、两阶段法以及它们之间的结合形成的混合算法等；现代启发式算法主要有禁忌搜索(（Tabu Search，简称 TS ）算法、遗传算法（Genetic Algorithm，简称 GA ）、模拟退火(（Simulated Annealing，简称 SA ）算法、蚁群算法（ Ant Colony System，简称ACS ）以及它们之间或它们与传统启发式算法之间的结合形成的混合算法等，这些方法为解决物流系统的仿真优化问题奠定了良好的数学基础。Peter K?chel[24](2002)详细阐述了仿真优化方法的工作机理，并用这种方法解决了一个多运输梯队的仓库问题。Bruzzone et.al.[25](2002)设计了一个使用 优化模块的决策支持系统，在这个系统中包含启发式规则，动态数据库和动态过程仿真模块；Fu M.C [26]提出了一个简单的库存随机优化模型(一个仓库、线性成本函数、只有一

种产品)；常发亮等[27]分析了自动化立体仓库输送系统的若干调度问题，给出了启发式调度规则和优化算法，建立了离散系统的仿真 Petri 网模型，对系统进行了动态优化仿真。郭宇等[28]构建了一个优化与仿真分离的仿真优化框架，该框架的核心是混合优化算法模块和物流仿真模块，根据物流仿真的特点提出了一种改进区域收缩遗传算法和增强连续型禁忌搜索算法混合的优化算法，并基于该框架开发了一个仿真优化软件系统。

利用仿真优化的方法解决物流调度问题是物流研究的一个新的热点，但是仿真优化在物流领域的应用研究进展缓慢，到目前为止，基本上还没有大规模的实际问题用仿真优化的方法加以解决，并且仿真优化方法在解决物流系统控制与调度问题时还存在着以下不足：仿真优化方法解决物流调度这一问题时，计算时间长，算法效率不高；没有从系统的角度对仿真优化进行研究和规划，当前仿真优化的大量工作集中在算法研究上，很少从系统的角度考虑算法与系统建模方法的关系，使得仿真优化缺乏进一步研究和应用的基础；仿真优化系统缺乏与专家系统或智能决策系统的集成，智能化程度不高；大多数研究都还停留在理论层面上，应用方面缺乏，仿真优化方法几乎没有解决有一定规模的实际问题。大部分文章只关注仿真优化的某一个方面，而没有将问题作为一个整体加以研究[29]。

3 物流系统综合仿真环境的研究进展

系统仿真技术作为系统分析，优化的有效工具，已广泛应用于各类复杂系统的规划设计、系统优化、方案比较、流程运作控制等领域。在现代物流行业，国内外许多的物流中心设计、自动化仓储系统和物料搬运系统等工程设计中也都开始应用仿真技术作为有效实用的辅助设计手段。为了使系统人员、模型开发人员、软件人员、仿真研究人员更好地利用仿真技术，仿真建模方法和相应的仿真软件由传统的运用通用编程语言和仿真语言向着一体化、智能化、虚拟现实环境和面向对象的趋势发展，出现了不少具有相似功能的一体化的建模/仿真开发环境仿真软件产品[30]。综合仿真环境具有通用性强、交互性好、标准化程度高，可重构重用性强等特点，面向对象编程、建立联邦对象模型和仿真对象模型、创建软件构件、研发智能体等方法，促使仿真建模趋向模块化、层次化、规范化和智能化，能明显地提高计算机仿真效率[31]。

在物流系统仿真过程中常用的综合仿真环境有：美国AutoSimulation 公司的 AUTOMOD 仿真软件，美国 System Modeling 公司开发的 Arena，英国推出的面向对象的仿真环境 WITNESS，以色列 Tecnomatix Technologies 公司开发的关于生产、物流和工程的仿真软件 eM-plant 和 IBM 公司开发的通用仿真系统 SIMPROCESS 等。美国 AutoSimulation 公司的 AutoMod 仿真软件是目前比较成熟的三维物流仿真软件。AutoMod 系统仿真软件能够对现实世界中的自动化物流系统，如生产过程物流系统、配送物流系统等进行仿真运行，提供系统运行的基本数据；AutoMod 能够产生高质量的 AVI 格式的动画，提供三维图形化界面，并可以对仿真结果进行自动分析[32-33]。AutoMod作为商用软件包被广泛应用于物流

制造和物流分派中，如美国邮政服务系统(USPS)。K. PRESTON 等[34]致力于利用AutoMod仿真语言开发分派中心软件库的可行性研究，并试图为洛克希德马丁公司提供邮政分拣仿真系统开发提供帮助。金桂根[35]利用 AutoMod 软件对自动化物流总体设计进行计算机仿真，建立了物流系统模型并利用 AutoMod 编程语言，根据工艺流程编制物料流程控制程序，并以某卷烟厂烟叶配方自动化物流系统为例进行了实例分析。

基于SIMAN/CINEMA发展而来的Arena是美国System

Modeling 公司 1993 年开始研制开发的可视化交互集成仿真

环境，很好地解决了计算机仿真与可视化技术的有机集成，

具有建模和调试分析功能强大、支持二次开发、界面友好、

对系统要求低等几个突出的特点，并在供需链仿真方面已有

许多成功应用的案例[36-37]，是开发物流仿真系统较好的选

择。Guilherme [38]提出借助 Arena 建立供应链高层仿真模型

(即包含各个物流层、启发式物流分配、总量管理、成本控

制和长鞭效应)的思想，并证实了其可行性，显示出 Arena

强大的功能。

八十年代末，英国将面向对象的仿真、基于知识的仿真、

系统仿真环境和计算机图形学集成在一起推出了面向对象

的仿真环境 WITNESS，并以每套 4-5 万美元的价格向欧美

推销，成为当前欧美最流行的仿真系统之一。Witness 仿真

软件是一个关于生产、运输、规划等的仿真软件，它可以显

示生产系统仿真的整个过程，从而可以让使用者清楚地了解

到生产过程中发生的问题，及时地对物流系统仿真模型的参

数进行调整, 实现对生产物流系统的优化。A.Shabayek[39]等

采用 WITNESS 软件为香港 Kwai Chung 集装箱港口建立仿

真模型并对其作业进行模拟和改进。

eMPower 软件模块 eM-Plant ( SiMPLE++ )是用 C++实

现的关于生产、物流和工程的仿真软件，eM-Plant 采用进程

交互法，是面向对象的、图形化的、集成的建模和仿真工具，

其系统结构和实施都满足面向对象的要求。王红军[40]采用

ACD 和 eM-Plant 软件相结合的方法，针对某汽车变速箱柔

性生产线，建立了 FMS 仿真模型，并对不同的调度策略进

行了仿真，为生产的实际运行参数提供了理论依据。邵举平

第二篇：系统仿真示例

Flexsim应用案例示例

示例一 港口集装箱物流系统仿真

（根据：肖锋，基于Flexsim集装箱码头仿真平台关键技术研究，武汉：武汉理工大学硕士学位论文，2006改编）

1、港口集装箱物流系统概述与仿真目的

1.1港口集装箱物流系统概述

1.2港口集装箱物流系统仿真的目的

2、港口集装箱物流系统的作业流程

2.1港口集装箱物流系统描述

2.2港口集装箱物流系统作业流程

2.3港口集装箱物流系统离散模型分析

3、港口集装箱物流系统仿真模型

3.1港口集装箱物流系统布局模型设计

3.2港口集装箱物流系统设备建模

3.3港口集装箱物流系统仿真

4、仿真运行及数据分析

4.1仿真运行及数据处理

4.2仿真数据的结果分析

小结与讨论

示例二 物流配送中心仿真

（根据：XXX改编）

1、物流配送中心概述与仿真目的

1.1物流配送中心简介

1.2仿真目的

2、配送中心的作业流程描述

2.1配送中心的功能

2.2配送中心的系统流程

3、配送中心的仿真模型

3.1配送中心的仿真布局模型设计

3.2配送中心的设备建模

3.3配送中心的仿真

4、仿真运行及数据分析

4.1仿真运行及数据处理

4.2仿真数据结果分析

4.3系统优化

小结与讨论

“我也来编书”示例

示例一 第X章 排队系统建模与仿真

学习要点

1、

2、

3、

4、

5、

小结

思考题与习题（3-5题）

参考文献

1、 李文锋，袁兵，张煜.2010.物流系统建模与仿真（第6章）

北京：科学出版社

2、 王红卫，谢勇，王小平，祁超.2009.物流系统仿真（第6章）

北京：清华大学出版社

3、 马向国，刘同娟.2012.现代物流系统建模、仿真及应用案例（第5章） 排队系统概述 排队系统问题描述 排队系统建模 排队系统仿真 模型运行与结果分析

北京：科学出版社

示例二 第一章 系统仿真的基本概念

学习要点

1.1系统模型仿真

1.1.1系统

1.1.2模型

1.1.3系统仿真及其作用

1.2系统仿真的分类

1.2.1根据计算机分类

1.2.2根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类

1.2.3根据系统的结构和现实手段不同分类

1.3系统仿真的优缺点

1.3.1系统仿真方法的优势

1.3.2仿真方法的局限性

1.4系统仿真的工作流程和基本框架

1.4.1仿真的工作流程

1.4.2系统仿真的基本框架

小结

思考题与习题（3-5题）

参考文献

1、董绍华，周晓光，赵宇，刘玉坤.2008.物流系统仿真（第1章） 北京：北京邮电大学出版社

2、康凤举，杨惠珍，高立娥.2006.现代仿真技术与应用（第1章） 北京：国防工业出版社

示例三 第X章 仿真数据分析

学习要点

1、仿真输入数据的采集

2、仿真输入数据分析

3、仿真输出分析

3.1系统性能测度及其分析

3.2终态仿真的输出分析

3.3稳态仿真的输出分析

小结

思考题与习题（3-5题）

参考文献

1、周泓，邓修权，高德华.2012.生产系统仿真建模与仿真（第5章） 北京：机械工业出版社

2、李文锋，袁兵，张煜.2010.物流系统建模与仿真（第4章） 北京：科学出版社

3、周明，胡斌.2005.计算机仿真原理及其应用（第4、6章） 武汉：华中科技大学出版社

示例四 第X章 离散事件系统仿真

学习要点

1、基本概念

2、离散事件系统仿真的基本原理

2.1随机离散事件

2.2仿真时钟的推进机制

2.3未来事件表

2.4仿真运行的终止

3、离散事件系统方针策略

3.1事件调度法

3.2活动扫描法

3.3三段扫描法

3.4进程交互法

小结

思考题与习题（3-5题）

参考文献

1、周泓，邓修权，高德华.2012.生产系统仿真建模与仿真（第2章）

北京：机械工业出版社

2、王红卫，谢勇，王小平，祁超.2009.物流系统仿真（第5章） 北京：清华大学出版社

3、隽志才.2010.管理系统仿真建模及应用（第5章）

北京：清华大学出版社