物流系統建模與仿真研究綜述

摘要：在大量物流文獻的基礎上，分別歸納總結了宏觀物流系統和微觀物流系統建模與仿真的研究內容、研究范圍和技術方法；在此基礎上對兩者進行比較分析，指出在物流系統建模與仿真領域宏觀物流系統和微觀物流系統研究的異同。

關鍵詞：物流系統；建模；仿真；研究綜述

中圖分類號：TP315 文獻標識碼：A

文章編號：1002-3100(2007)11-0037-03

Abstract: Based on the study of extensive logistics literature， the research subjects， areas， techniques and methodology on the field of modeling and simulation of macroscopical logistics system and microcosmic logistics system are presented， besides， the similarities and differences of the research between macroscopical logistics system and microcosmic logistics system in this realm are pointed out.

Key words: logistics system; modeling; simulation; research overview

隨著物流系統變得越來越復雜并且內部關聯性越來越強，建模與仿真已經成為檢驗物流系統及決策是否高效的主要技術之一。在設計一個新的物流系統或對原有系統添加新設備或重新優化時，建模仿真是非常必要的，同時仿真還可以提供直覺的和經驗的決策支持。因此，20世紀80年代特別是近十年，越來越多的建模與仿真成功地被應用于對各種類型的物流系統的規劃設計和營運管理提供決策信息。

物流模型按照物流系統涉及的領域可分為宏觀物流系統模型和微觀物流系統模型。在研究過程中，要根據不同的研究對象以及不同的側重點來選擇合適的建模仿真方法來對其進行研究。

1宏觀物流系統建模與仿真

1.1宏觀物流系統建模與仿真的研究內容

基于建模與仿真的方法對宏觀物流系統進行研究主要集中在供應鏈物流和區域物流這兩大方面。

供應鏈管理是一種為適應市場全球化和客戶需求多樣化而產生的一種管理技術，它能夠有效地協調和控制供應鏈上物料流、信息流、價值流，保持靈活和穩定的供需關系，使整個供應鏈上企業效益最大化。為了更好地實施供應鏈管理技術，研究供應鏈建模技術，建立相應的供應鏈運作參考模型以實現供應鏈的優化是十分必要的。

在有關供應鏈的研究中，供應鏈的選擇與優化已成為研究重點之一，文獻[2]仿真的供應鏈強調上游及下游企業間的信息共享與相互協作，并根據供應鏈中不同的信息做出相應的決策。它將整個供應鏈分為三層結構，即供應商、制造商和銷售商，此外還有運輸商負責不同層面之間的聯系，并通過建模仿真對系統進行優化，提高系統的整體適應能力。

隨著電子商務的逐步普及，面向制造企業的傳統供應鏈的結構發生了變化，文獻[3]運用優化方法理論從供應鏈的系統性和整體性視角出發，對此種供應鏈的結構進行詳細的建模和仿真研究，尋找具體的決策優化方法，并探討了其中的目標函數、約束條件等關鍵性問題。

文獻[4]在分析供應鏈管理的基礎上，提出“一流二網三關系”的供應鏈建模思想：“一流”指訂單信息流；“二網”指物流網和資源網：“三關系”指客戶關系、動態關系和集成關系。同時對供應鏈建模的混合整數規劃和統一優化方法論作了闡述，為供應鏈的建模提供了較為實用的方法。

在二級供應鏈研究方面，文獻[5]研究了服務銷售系統的二級供應鏈模型，是關于設施選址和市場顧客配置的混合整數規劃問題。在實例應用中，對奶制品零售分銷的供應鏈問題進行了計算機仿真計算。

區域物流系統是一個復雜的社會子系統，是屬于宏觀物流系統的，它所涉及的問題是相互聯系的，相互融合的。文獻[6]分析了區域經濟與區域物流的關系，將區域物流系統劃分為5個模塊：經濟增長子構造、人口子構造、消費水平子構造、物流需求子構造、物流能力子構造，并在分析區域物流系統基本因果關系的基礎上，建立了區域物流系統動力學模型。

1.2宏觀物流系統建模與仿真的技術方法

對宏觀物流系統的建模仿真，根據分析系統的側重點不同研究者所使用的方法主要有Agent法、Petri網法等。

基于Agent的建模方法是一種先進的、有效的力法。用基于Agent的建模方法及其相關技術來研究復雜的供應鏈系統，可以為研究供應鏈系統的協調、集成和仿真等難點問題提供一些解決方案。

文獻[7]重點討論了基于Agent的建模理論、技術及其在供應鏈研究中的應用，并采用該研究成果對某大型水利工程的物資供應鏈系統進行了建模與仿真的實例研究。

除此之外，文獻[2]將Agent技術與仿真技術相結合，提出了用多代理模型仿真供應鏈的方法，采用多代理系統開發工具JADE設計并實現了一個基于Agent的仿真模型，并成功地對一個供應鏈進行了仿真。同時，該文還提出了一種以限制控制量變化為目標，用神經網絡在線優化控制矩陣R的DMC控制算法。該算法可有效地增大控制系統的魯棒性，從而提高系統的適應能力。

Petri網模型方法作為一種數學和圖形的描述分析工具，能夠較好地描述復雜系統中常見的同步、并發、分布、沖突、資源共享等現象，已被廣泛用于分布式系統、離散事件系統、柔性制造系統等領域，是進行離散事件動態系統建模、規范分析和設計的有效途徑。在供應鏈物流系統中其應用也非常廣泛。

文獻[8]應用一般Petri網對供應鏈系統進行建模；文獻[9]應用廣義隨機Petri網對整個供應鏈系統進行了建模分析，此Petri網模型可以描述各個供應商、運輸商、核心企業、銷售商之間的物質、資金、信息的流動關系，并利用Danamics軟件對系統進行仿真，根據仿真結果對系統的整體性能進行了分析評估。

文獻[10]考察了基于廣義隨機Petri網的供應鏈建模與分析技術，將廣義隨機Petri網（GSPN）的基本理論應用于供應鏈系統的建模和性能分析，利用GSPN與馬爾可夫鏈的同構關系，采用Petri網與馬爾可夫鏈理論相結合的供應鏈性能分析方法為供應鏈性能的有效評估提供了理論依據。

虛擬供應鏈仿真的基本思想和設計原則在文獻[11]中被提出，這種基于有色廣義隨機Petri網的虛擬供應鏈仿真方法，可以定義庫所、托肯、顏色相應的含義，規定Petri網的初始值設定方法和引發條件。

此外，有學者采用混合整數規劃法對服務銷售系統的二級供應鏈模型進行了研究[5]，并設計了適用于這種混合整數規劃供應鏈管理決策的遺傳算法。

2微觀物流系統建模與仿真

2.1微觀物流系統建模與仿真的研究內容

微觀物流與宏觀物流相對而言，側重于對局部性的描述。例如，企業物流或者企業的生產物流、供應物流、銷售物流、回收物流、廢棄物物流等。采用建模與仿真的方法對微觀物流系統的研究主要集中在企業物流、配送中心物流、港口物流等幾大方面。

對企業物流的研究可以反映企業的整體生產狀況，發現和預測生產中的瓶頸和關鍵路徑，優化企業生產運行方案，以達到充分挖掘設備潛力、提高通過能力、降低庫存水平、降低能耗、加快資金周轉的目的。目前，對企業物流的研究主要集中在對企業生產線物流系統的研究。

文獻[12]對某微型汽車廠總裝車間的生產物流系統進行分析研究，在此基礎上對其建模和仿真，在仿真過程中可以看到主要部件在裝配線中所處的位置，能夠判斷裝配各種零件所需要的時間，方便車間管理人員根據生產需求對生產線進行及時的調整。

文獻[13]則以某煉鋼廠全連鑄改造后的生產調度問題為應用背景，研究了此煉鋼生產物流系統的仿真建模與仿真運行問題。在此系統現有流程生產物流的輸入條件下，分別對設備在正常生產以及正常檢修兩種不同條件下進行了仿真試驗，得出系統正常運行所需的臨界條件。

在現代物流系統中，配送中心是集物流、信息流和資金流為一體的流通型節點，是現代物流系統中的重要組成部分。對物流配送中心，特別是配送中心各個子系統的研究也越來越多。

在配送中心的多個子系統中，分揀系統是較為復雜的，同時又是其核心部分。文獻[14]對物流分揀系統進行建模，主要對系統中的設備的選擇進行研究討論，著重描述了分揀設備的動態運行過程，以及速度的選擇對分揀效率的影響。

文獻[15]則是以配送中心的倉儲系統為研究對象，建立了其數學模型并研制了計算機仿真軟件。在軟件平臺上，只要給出庫存初始參數和出庫隨機分布就可以清楚地看到庫存量的動態變化過程，并預測達到庫滿或庫空所需的時間。

在輸送系統研究方面，文獻[16]對物流輸送系統進行三維動畫仿真，在仿真程序中通過對設備參數設定，可以模擬出在這組參數下整個運輸系統的繁忙狀況及各設備的工作效率，從而對系統的輸送能力做出評估。

在物流活動中，科學合理的貨物配送路徑選擇是物流中心在最佳時間選擇最佳路徑為客戶提供最佳服務的有效保證。文獻[17]對貨物配送最佳路徑進行研究，為其建立了一個基于遺傳算法的數學模型，并對該模型進行了較為深入的數學處理，給出了智能化配送的路徑量化方法。

文獻[18]對配送中心的自動化立體倉庫可視化問題進行了探討，采用基于虛擬現實的仿真輔助設計方法，建立了輔助自動化立體倉庫設計的可視化仿真的模型，重點論述了輔助自動化立體倉庫設計的可視化仿真的設計過程，并以某公司自動化立體倉庫設計方案為例，使用該仿真輔助設計軟件對方案進行優化調整。

港口作為全球綜合運輸網絡的節點在發展現代物流中扮演著越來越重要的角色，港口逐漸以復合優勢實現其現代物流中心的功能。對港口物流系統的研究，特別是集裝箱物流港口已經成為物流領域的重要研究內容之一。

集裝箱碼頭的物流系統仿真模型主要是用來評價規劃建設中的或正在使用中的集裝箱碼頭在一定設備資源條件下的生產能力、交通狀況，同時可以識別系統瓶頸，提出改進策略。文獻[19]基于離散事件動態系統理論，建立了集裝箱碼頭物流系統的裝卸流程模型和道路交通模型。

文獻[20]對集裝箱港口生產過程的三維可視化仿真建模及軟件實現方法進行了研究，探討了仿真軟件中各個模塊的實現方法等問題。通過這種方法可以反映出系統運行的狀態，為碼頭工藝規劃、生產過程設備配置等決策性問題提供依據。

文獻[21]則對港口鐵路運輸系統進行研究，根據集裝箱碼頭的生產作業特點，結合排隊網絡方法對國內某集裝箱碼頭的港口鐵路運輸系統進行了仿真建模。在仿真模型的基礎上，設計了幾種不同工況下的模擬方案，通過對各個方案的模擬結果進行分析，得出各種不同的設備配置對港口鐵路運輸能力的影響情況。

2.2微觀物流系統建模與仿真的技術方法

針對微觀物流系統的研究對象的特性，學者普遍采用的建模仿真方法有Petri網法、Agent法、馬爾可夫鏈法、遺傳算法等。

在Petri網的應用方面，文獻[22]針對較為復雜的企業內部物流系統，采用分層有色Petri網進行建模，此方法使得系統的模型清晰并且易于實現模塊化，解決了復雜系統的綜合和模型可重用性差的問題。有學者[14]則是基于著色Petri網和面向對象相結合的方法對系統進行研究，運用此種方法可以直觀地找到系統中的缺陷，通過對系統的修改、調整達到優化的目的。

有學者應用Agent法，提出了一種基于多Agent的制造企業物流系統建模方法[23]，為制造企業實現物流管理提供了一種控制模式。用這種方法對制造企業物流進行建模，較好地解決模擬人對多樣性、復雜性問題智能活動的適應能力，此種建模方法適用于對制造企業物流系統等的復雜系統進行研究。

文獻[15]將馬爾可夫鏈用于倉儲系統的建模，根據系統的馬爾可夫性質建立了系統的數學模型，并對其進行仿真，在仿真界面下，根據需求輸入不同的參數，運行模型可以直觀地得到每個時段的庫存狀態，經過分析可得到整個仿真期間內庫存量的變化規律。

文獻[17]則是在對傳統算法討論的基礎上提出了一種基于遺傳算法的物流路徑選擇的建模方法，由于遺傳算法實行全局并行搜索，搜索空間大，從而易于找到最優解。在實例應用中可以看出，遺傳算法應用于物流的建模仿真較好地滿足了不同類型的約束要求，能較早地找到滿足條件的群體。

在港口物流系統建模仿真方面，文獻[19]根據集裝箱碼頭的作業流程，采用Petri網建立了集裝箱碼頭物流系統的動態流程模型，并在離散事件動態系統仿真軟件WITNESS的平臺上建立了仿真模型。該模型以彩色動畫顯示，既可觀察整個碼頭的生產動態，又可分析局部位置的作業流程。

文獻[24]在港口物流系統仿真領域中，引入了自動建模技術，運用C語言進行軟件研制，實現了交互式系統描述與自動建模的基本構造及功能。

針對港口物流系統離散性、隨機性的特點以及系統仿真模型場景復雜的問題，文獻[20]對基于虛擬環境的集裝箱碼頭三維仿真建模及軟件開發進行了研究。在虛擬現實軟件基礎上進行了二次開發，所研制出的仿真軟件CTDSS實現了港口生產過程中實時動畫生成及參數控制的功能。

3宏觀物流系統與微觀物流系統的研究比較

由上文的綜述可知，在建模仿真的研究內容層面上來看，宏觀物流與微觀物流有著各自不同的側重點，宏觀物流以整體性、全局性為著重點，微觀物流則側重考慮系統內部的元素，以局部性的，個別性的物流為研究對象。在建模仿真的研究方法層面上來看，不論是對宏觀物流系統還是對微觀物流系統，學者們大多數使用的還是普遍的系統建模仿真的研究方法，如排隊網絡法、Petri網法、Agent法、馬爾可夫鏈法、遺傳算法、混合整數規劃法等。

參考文獻：

[1] 蔣長兵. 現代物流學導論[M]. 北京：中國物資出版社，2006.

[2] 高翔，林杰，張煒，等. 基于Agent的供應鏈仿真模型設計與實現[J]. 計算機工程與應用，2005，32:183-192.

[3] 程曙，張浩，陸劍峰. 制造企業雙渠道市場的供應鏈建模和仿真[J]. 計算機集成制造系統，2004，10(5):519-522.

[4] 彭建剛. 供應鏈建模分析[J]. 現代管理科學，2004，10:75

-76.

[5] 郭士正，盧震. 二級供應鏈建模及仿真研究[J]. 集美大學學報：自然科學版，2004，9(4):346-349.

[6] 朱強，桂壽平. 基于系統動力學的區域物流建模方法的研究[J]. 武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2003，

27(4):528-531.

[7] 王紅衛，郭敏. 基于Agent的大型水利工程物資供應鏈建模與仿真[J]. 系統仿真學報，2002，14(5):656-660.

[8] VISWANADHAM N. Performance analysis and design of supply chains: a Petri net approach[J]. Journal of the OR Society，2000，51:158.

[9] 馬東彥，張莉娟. 基于Petri網的供應鏈系統建模[J]. 寧夏工程技術，2005，4(3):232-235.

[10] 崔政東，劉晉. 基于廣義隨機Petri網的供應鏈建模與分析[J]. 系統工程理論與實踐，2005，25(12):18-24.

[11] 張濤，譚躍進，武小悅. 基于有色廣義隨機Petri網的虛擬供應鏈仿真方法[J]. 計算機仿真，2003，20(11):100-102.[12] 張穎利，邵明習. 企業生產物流系統的建模與仿真[J]. 物流技術，2005(12):62-65.

[13] 何臘梅，鄭忠，高小強，等. 攀鋼煉鋼生產物流仿真分析[J]. 重慶大學學報，2004，27(5):57-61.

[14] 邵明習，王春峰，張沂泉. 基于AutoMod的物流分揀系統的建模與仿真[J]. 物流科技，2006，29(2):50-53.

[15] 沙洪洲，郭果敢. 馬爾可夫鏈用于倉儲建模與仿真[J]. 計算機仿真，2005，22(4):61-63.

[16] 孫娟，尹軍琪，寧建國. 動畫技術在物流仿真系統中的應用[J]. 起重運輸機械，2003(9):48-50.

[17] 王英凱，安曉東. 基于遺傳算法的物流建模與仿真分析[J]. 中北大學學報，2005，26(6):421-423.

[18] 張漢江，肖偉，羅端紅，等. 輔助自動化立體倉庫設計的可視化物流仿真[J]. 系統工程，2006，24(3):15-19.

[19] 周強，吳繼紅. 集裝箱碼頭物流系統的仿真建模技術[J]. 港口裝卸，2005(5):57-60.

[20] 王少梅，張煜. 港口物流系統仿真建模及三維可視化研究[J]. 港口裝卸，2002(6):1-4.

[21] 劉新. 港口鐵路物流系統的建模與仿真[D]. 上海：上海海事大學，2006.

[22] 李霄峰，徐立云，邵惠鶴. 基于COM技術的物流系統的建模與仿真方法[J]. 計算機工程，2000，26(11):71-72.

[23] 陳勇，林飛龍. 制造企業物流多智能體建模及其應用[J]. 浙江工業大學學報，2006，34(3):310-313.

[24] 周忠志，蔣瓊珠. 基于GPSS-F仿真語言的港口物流仿真自動建模系統[J]. 交通與計算機，1994，5:11-15.