第七章物流系统仿真系统仿真（systemsimulation）就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。系统仿真作为研究、分析和设计系统的一种有效技术被广泛应用。人们把所有利用计算机在模型上而不是在真实的系统上进行实验、运行的研究方法都叫做仿真。由于物流系统的复杂性，利用计算机进行各种复杂物流过程的模拟和控制越来越普遍，系统仿真已成为物流系统研究的一种日益重要的方法和技术。7.1系统仿真的要素与类型7.1.1仿真的要素系统仿真（尤其是数学仿真）实质上应该包括三个基本要素：系统、系统模型、计算机。而联系这三项要素的基本活动则是：系统模型建立、仿真模型建立和仿真试验。系统仿真三要素及其关系如图7-1所示。（见课本）（1）系统系统是某些要素按照一定的规律结合起来，互相作用、互相依存的有机体。对一个具体的系统，通常可以从系统的构成要素、属性特征、要素之间的相互作用三方面进行描述。（2）模型理论上来说，实际系统是可以用来做实验的。但是出于经济、安全及可能性方面的考虑，尤其是对一个尚未建立的系统而言，要用真实系统做试验，可能存在很大的浪费、困难，甚至根本不可行，因此需要引入系统的模型。模型并不是系统的简单“复现”。它是对系统某种特定性能的一种抽象。系统的本质属性和内在关系可以通过模型来描述。（3）仿真仿真是指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或其活动本质的实现。系统、模型、仿真三者之间有看密切的关系。系统是研究的对象，模型是系统的抽象仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的目的。现代仿真技术是在计算机支持下进行的，因此，系统仿真也称为计算机仿真。系统建模、仿真建模和仿真实验是系统仿真的三个基本活动。1
1 第七章 物流系统仿真 系统仿真（system simulation）就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相 互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿 真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。系统仿真作为研究、 分析和设计系统的一种有效技术被广泛应用。人们把所有利用计算机在模型上而不是在真实 的系统上进行实验、运行的研究方法都叫做仿真。由于物流系统的复杂性，利用计算机进行 各种复杂物流过程的模拟和控制越来越普遍，系统仿真已成为物流系统研究的一种日益重要 的方法和技术。 7.1 系统仿真的要素与类型 7.1.1 仿真的要素 系统仿真（尤其是数学仿真）实质上应该包括三个基本要素：系统、系统模型、计算机。 而联系这三项要素的基本活动则是：系统模型建立、仿真模型建立和仿真试验。 系统仿真三要素及其关系如图 71 所示。 （见课本） （1）系统 系统是某些要素按照一定的规律结合起来，互相作用、互相依存的有机体。对一个具体 的系统，通常可以从系统的构成要素、属性特征、要素之间的相互作用三方面进行描述。 （2）模型 理论上来说，实际系统是可以用来做实验的。但是出于经济、安全及可能性方面的考虑， 尤其是对一个尚未建立的系统而言，要用真实系统做试验，可能存在很大的浪费、困难，甚 至根本不可行，因此需要引入系统的模型。 模型并不是系统的简单“复现” 。它是对系统某种特定性能的一种抽象。系统的本质属性 和内在关系可以通过模型来描述。 （3）仿真 仿真是指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或其活动本质的实现。 系统、模型、仿真三者之间有着密切的关系。系统是研究的对象，模型是系统的抽象， 仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的目的。 现代仿真技术是在计算机支持下进行的，因此，系统仿真也称为计算机仿真。系统建模、 仿真建模和仿真实验是系统仿真的三个基本活动
7.1.2系统仿真的类型系统仿真的种类很多，可以从不同的角度加以分类。1.按应用分类按其应用的领域及作用，系统仿真可分为：生产管理仿真、工程技术仿真、军事仿真、科学试验等。从运筹学的角度，系统仿真又可分为存储仿真、排队仿真、预测仿真、更新仿真、训练仿真等。2.按结构形式分类按结构形式的不同，可将仿真分为简单式、串联式、扩展式和分析式。3.按仿真实验的方法分类按照仿真实验的方法，可分为物理仿真法和数学仿真法。4.按系统中事件出现的特性分类根据系统中事件出现的特性，可将仿真分为随机性仿真和确定性仿真。如果在系统中，事件的出现是随机的，那么对这种系统所进行的仿真就称为随机性仿真。反之，如果事件的出现是确定的，对这种系统所进行的仿真即为确定性仿真。在管理仿真中，由手搜集数据方面的困难，通常所进行的是确定性仿真。蒙特卡洛法（MonteCarloMethod）是应用较多的一种随机仿真方法，它用统计试验法求解一些数学问题，尽管这些问题基本上是确定性的，但由手此方法使用了随机数的缘故，因此通常把它作为随机仿真的一个类别。5.按照系统活动的动态形式分类按照系统中实体活动的动态形式，可将系统的仿真分成连续系统仿真和离散系统仿真。如果系统变化的主要方面是连续的，对此所进行的仿真即为连续系统的仿真。如果系统变化的主要方面是离散的，对其进行的仿真就为离散系统的仿真。离散系统的仿真义分为两类：一类是离散时间系统的仿真，一类是离散事件系统的仿真。离散时间系统的仿真是每隔规定的时间间隔取一个分析系统的数据点，这种仿真又叫定时仿真法：离散事件系统的仿真是根据发生的事件的瞬间作为分析事件的数据点，这种仿真也叫事件仿真法。6.根据仿真时钟与实际时钟的关系分类仿真时钟是表示仿真时间变化的时钟，根据仿真时钟与实际时钟的关系，可分为实时仿真、亚实时仿真和超实时仿真。仿真时钟与实际时钟完全一致的是实时仿真，对物理模型或实物模型必须进行实时仿真。2
2 7.1.2 系统仿真的类型 系统仿真的种类很多，可以从不同的角度加以分类。 1．按应用分类 按其应用的领域及作用，系统仿真可分为：生产管理仿真、工程技术仿真、军事仿真、 科学试验等。 从运筹学的角度，系统仿真又可分为存储仿真、排队仿真、预测仿真、更新仿真、训练 仿真等。 2．按结构形式分类 按结构形式的不同，可将仿真分为简单式、串联式、扩展式和分析式。 3．按仿真实验的方法分类 按照仿真实验的方法，可分为物理仿真法和数学仿真法。 4．按系统中事件出现的特性分类 根据系统中事件出现的特性，可将仿真分为随机性仿真和确定性仿真。 如果在系统中，事件的出现是随机的，那么对这种系统所进行的仿真就称为随机性仿真。 反之，如果事件的出现是确定的，对这种系统所进行的仿真即为确定性仿真。 在管理仿真中，由于搜集数据方面的困难，通常所进行的是确定性仿真。蒙特卡洛法 （Monte Carlo Method）是应用较多的一种随机仿真方法，它用统计试验法求解一些数学问题， 尽管这些问题基本上是确定性的，但由于此方法使用了随机数的缘故，因此通常把它作为随 机仿真的一个类别。 5．按照系统活动的动态形式分类 按照系统中实体活动的动态形式，可将系统的仿真分成连续系统仿真和离散系统仿真。 如果系统变化的主要方面是连续的，对此所进行的仿真即为连续系统的仿真。 如果系统变化的主要方面是离散的，对其进行的仿真就为离散系统的仿真。 离散系统的仿真又分为两类：一类是离散时间系统的仿真，一类是离散事件系统的仿真。 离散时间系统的仿真是每隔规定的时间间隔取一个分析系统的数据点，这种仿真又叫定时仿 真法；离散事件系统的仿真是根据发生的事件的瞬间作为分析事件的数据点，这种仿真也叫 事件仿真法。 6．根据仿真时钟与实际时钟的关系分类 仿真时钟是表示仿真时间变化的时钟，根据仿真时钟与实际时钟的关系，可分为实时仿 真、亚实时仿真和超实时仿真。 仿真时钟与实际时钟完全一致的是实时仿真， 对物理模型或实物模型必须进行实时仿真
仿真时钟慢于实际时钟的称为亚实时仿真，即模型的速度慢于实际系统运行的速度。模型仿真的速度快于实际系统运行速度的称为超实时仿真，例如大气环流的仿真、交通系统、物流系统的仿真等。7.1.3系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤如图7-2所示。开始通过验证否结束系统能够香结束和确认？问题定义1是是确定系统实验分析参数结合查结束折建立模型是归档实施Y收益>香结束+成本数据可香结束结束获得？是Y是规划数据收集与分析香结束？建立计算机仿真模型是图7-2系统仿真的一般步骤（1）定义问题，确定其适合仿真，且收益大于成本，则可进行规划仿真（2）判断系统是否拥有所需的资源且能够定义，若是，则确定系统的参数，建立模型：（3）收集相关的数据并进行分析，在此基础上建立计算机仿真模型：（4）对仿真及其结果加以验证，进行实验分析；（5）分析仿真输出结果。（6）归档并实施。在实际的仿真中，上述步骤往往需要多次反复和迭代。7.2计算机仿真7.2.1计算机仿真的概念计算机仿真是用计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态、逼真的模仿。计算机仿真是一种描述性技术，是一种定量分析方法。通过建立某一过程或某一系统的模式，来描述该过程或该系统，用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特3
3 仿真时钟慢于实际时钟的称为亚实时仿真，即模型的速度慢于实际系统运行的速度。模型仿 真的速度快于实际系统运行速度的称为超实时仿真，例如大气环流的仿真、交通系统、物流 系统的仿真等。 7.1.3 系统仿真的一般步骤 系统仿真的一般步骤如图72所示。 图 72 系统仿真的一般步骤 （1）定义问题，确定其适合仿真，且收益大于成本，则可进行规划仿真； （2）判断系统是否拥有所需的资源且能够定义，若是，则确定系统的参数，建立模型； （3）收集相关的数据并进行分析，在此基础上建立计算机仿真模型； （4）对仿真及其结果加以验证，进行实验分析； （5）分析仿真输出结果。 （6）归档并实施。 在实际的仿真中，上述步骤往往需要多次反复和迭代。 7.2 计算机仿真 7.2.1 计算机仿真的概念 计算机仿真是用计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和 行为进行动态、逼真的模仿。 计算机仿真是一种描述性技术，是一种定量分析方法。通过建立某一过程或某一系统的 模式，来描述该过程或该系统，用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特
征，从而得出数量指标，为决策者提供有关这一过程或系统的定量分析结果，作为决策的理论依据。计算机仿真技术适用于系统复杂、存在大量随机因素而又难以用其他定量技术解决的情况。计算机仿真的对象可以是人们需要研究的一切系统。在物流系统中，计算机仿真技术后样得到了广泛的应用。由于物流系统比较复杂，如果用一般的高级语言进行仿真，存在着程序量大、界面差、不易维护等缺点，因此需要以专用的仿真语言作为支撑工具，使模型的描述更加方便和直观仿真过程更为灵活，仿真结果更易于理解。7.2.2计算机仿真的局限性计算机仿真技术不是最优化技术，它只是一种数值方法，只能给出系统特定条件、特定参数下的特解而不是通解。在诸多方案中，它是通过改变条件和参数，反复实验，互相比较提供一个较好的方案供决策者参考。用计算机仿真方法去解决较大系统的问题成本高、时间长，对于仿真模型必须反复检验，有时还必须重新建立模型，才能使其不断完善。计算机仿真是一种评价性技术，是评价决策的工具，自身并不能产生决策和方案。因此，在采用计算机仿真技术之前，要借助于其他技术和手段提出一系列的方案、决策，以及具体的参数，然后才能运用仿真技术，作出评价结论。7.2.3计算机仿真语言及特点计算机仿真语言的特点主要有：（1）仿真时刻的控制是自动进行的：（2）具有随机数生成程序；（3）可以进行多种逻辑运算和数学运算：（4）对于构成要素的记录可自动进行记忆场所的分配：（5）仿真结果可以很容易地表示出来。根据建模过程和运行系统特性的普适性，仿真语言可分为通用仿真语言和专用仿真语言。通用仿真语言的建模过程与被仿真的系统类型无关。如ACSL、CSSL、TUTSIM、CSMP。专用仿真语言仅仅对特定的系统进行有效的建模和仿真。如SPICE，ECAP等。另外还可根据微分方程的类型，把仿真语言分为常微分方程系统仿真语言（ODE）和偏微分方程系统仿真语言（PDE）。GPSS、CSMP、SLAM、SIMSCRIFT、GASP、SOL、WITNESS、eM-Plant、Automod、Flexsim，以及乐龙等语言或软件系统在系统仿真中都有很广泛的应用。4
4 征，从而得出数量指标，为决策者提供有关这一过程或系统的定量分析结果，作为决策的理 论依据。 计算机仿真技术适用于系统复杂、存在大量随机因素而又难以用其他定量技术解决的情 况。 计算机仿真的对象可以是人们需要研究的一切系统。在物流系统中，计算机仿真技术同 样得到了广泛的应用。 由于物流系统比较复杂，如果用一般的高级语言进行仿真，存在着程序量大、界面差、 不易维护等缺点，因此需要以专用的仿真语言作为支撑工具，使模型的描述更加方便和直观， 仿真过程更为灵活，仿真结果更易于理解。 7.2.2 计算机仿真的局限性 计算机仿真技术不是最优化技术，它只是一种数值方法，只能给出系统特定条件、特定 参数下的特解而不是通解。在诸多方案中，它是通过改变条件和参数，反复实验，互相比较， 提供一个较好的方案供决策者参考。 用计算机仿真方法去解决较大系统的问题成本高、时间长，对于仿真模型必须反复检验， 有时还必须重新建立模型，才能使其不断完善。 计算机仿真是一种评价性技术，是评价决策的工具，自身并不能产生决策和方案。 因此，在采用计算机仿真技术之前，要借助于其他技术和手段提出一系列的方案、决策， 以及具体的参数，然后才能运用仿真技术，作出评价结论。 7.2.3 计算机仿真语言及特点 计算机仿真语言的特点主要有： （1）仿真时刻的控制是自动进行的； （2）具有随机数生成程序； （3）可以进行多种逻辑运算和数学运算； （4）对于构成要素的记录可自动进行记忆场所的分配； （5）仿真结果可以很容易地表示出来。 根据建模过程和运行系统特性的普适性， 仿真语言可分为通用仿真语言和专用仿真语言。 通用仿真语言的建模过程与被仿真的系统类型无关。如 ACSL、CSSL、TUTSIM、CSMP。专 用仿真语言仅仅对特定的系统进行有效的建模和仿真。如 SPICE，ECAP 等。 另外还可根据微分方程的类型，把仿真语言分为常微分方程系统仿真语言（ODE）和偏 微分方程系统仿真语言（PDE）。 GPSS、CSMP、SLAM、SIMSCRIFT、GASP、S0L、WITNESS、eMPlant、Automod、 Flexsim，以及乐龙等语言或软件系统在系统仿真中都有很广泛的应用
7.3物流系统仿真7.3.1仿真在物流系统中的应用物流系统是一种典型的离散事件系统，它的状态只是在离散时间点上发生变化，而且这些离散时间点一般是不确定的。采用计算机仿真的方法构造模型，可在复杂物流系统中解决部分难以用数学方法求解的物流问题。通过建立物流系统的仿真模型，扩展物流系统研究的边界，有助于描述物流系统的各种现象，加强直观感，从而更深刻地理解和分析物流系统。7.3.2物流系统仿真的特点物流系统仿真主要集中于“流”、“排队”和“人"3个方面。（1）物流系统中“流"的仿真。物流系统中有多种流：货流、车流、船流、商流、信息流等。可采用动态仿真的方法描述“流”的产生、流动、消失、积累和转换等。（2）物流系统中的排队”仿真。由一个或多个服务台和一些等待服务的顾客组成的离散系统称为排队系统。在物流系统中，船舶靠泊码头泊位及车辆运营的仿真等都属于这类仿真。这种仿真大多采用离散型仿真方法来进行。（3）物流组织中“人的因素仿真。物流组织是通过人的参与实现的，即使在同样规划下，由于人、组织的不同，物流服务质量和运行效率可能存在较大差异。通过计算机仿真描述人的思维和行为的过程，可给出较优的物流组织方案。7.3.3物流系统仿真常用的方法物流系统的仿真中需要用到连续性和离散型两种不同的仿真方法。（1）物流系统的连续型仿真连续系统是指系统的状态在时间上平滑地变化。一组由状态变量组成的状态方程可以用来反映系统的连续性特征。按一定的规则将仿真时间一步一步向前推移，对方程组进行求解与评价，计算和记录各个状态变量在各个时间点的具体数值。（2）物流系统的离散型仿真离散系统的状态变量仅在离散时间点上有跳跃变化，离散型仿真在物流系统仿真中有很多的应用，具体包括以事件为基础、以活动为基础、以过程为基础的仿真。5
5 7.3 物流系统仿真 7.3.1 仿真在物流系统中的应用 物流系统是一种典型的离散事件系统，它的状态只是在离散时间点上发生变化，而且这 些离散时间点一般是不确定的。采用计算机仿真的方法构造模型，可在复杂物流系统中解决 部分难以用数学方法求解的物流问题。 通过建立物流系统的仿真模型，扩展物流系统研究的边界，有助于描述物流系统的各种 现象，加强直观感，从而更深刻地理解和分析物流系统。 7.3.2 物流系统仿真的特点 物流系统仿真主要集中于“流”、“排队”和“人”3 个方面。 （1）物流系统中“流”的仿真。 物流系统中有多种流：货流、车流、船流、商流、信息流等。可采用动态仿真的方法描 述“流”的产生、流动、消失、积累和转换等。 （2）物流系统中的“排队”仿真。 由一个或多个服务台和一些等待服务的顾客组成的离散系统称为排队系统。在物流系统 中，船舶靠泊码头泊位及车辆运营的仿真等都属于这类仿真。这种仿真大多采用离散型仿真 方法来进行。 （3）物流组织中“人”的因素仿真。 物流组织是通过人的参与实现的，即使在同样规划下，由于人、组织的不同，物流服务 质量和运行效率可能存在较大差异。通过计算机仿真描述人的思维和行为的过程，可给出较 优的物流组织方案。 7.3.3 物流系统仿真常用的方法 物流系统的仿真中需要用到连续性和离散型两种不同的仿真方法。 （1）物流系统的连续型仿真 连续系统是指系统的状态在时间上平滑地变化。 一组由状态变量组成的状态方程可以用来反映系统的连续性特征。按一定的规则将仿真 时间—步一步向前推移，对方程组进行求解与评价，计算和记录各个状态变量在各个时间点 的具体数值。 （2）物流系统的离散型仿真 离散系统的状态变量仅在离散时间点上有跳跃变化。 离散型仿真在物流系统仿真中有很多的应用，具体包括以事件为基础、以活动为基础、 以过程为基础的仿真