物流系统工程 ——
西南交通大学电子讲义
1
第 9章 物流系统仿真
?系统仿真概述
?蒙特卡洛法
?计算机仿真
?物流系统仿真
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2
9.1 系统仿真概述
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
3
一, 系统仿真
?什么是系统仿真
?系统仿真是利用系统模型在仿真的环境和条件下, 对系
统进行研究, 分析和试验的方法 。
?其它关于仿真的定义：
?系统仿真是在数字计算机上进行实验的数字化技术, 她包括数
字与逻辑模型的某些模式, 这些模型描述某一事件或经济系统
在若干时间周期内的特征 （ 雷诺 （ T.H.Naylor） 于 1966年提出
的仿真定义 ） 。
?仿真就是模拟真实系统 。
?仿真就是用模型来做实验 。
?系统仿真的目的
?系统仿真的目的在于利用人为控制的环境条件, 改变某
些特定的参数, 观察模型的反应, 研究真实系统的现象
或过程 。
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第 9章 物流系统仿真
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二, 系统仿真的基本要素
?系统仿真包括三个基本要素
系统、系统模型、计算机
?联系系统仿真三要素的基本活动是
系统模型建立、仿真模型建立、仿真实验
系统
系统模型 计算机
建模 仿真实验
二次建模
系统仿真三要素
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
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三, 系统仿真的三个发展阶段
1 直观模仿
?在这个阶段, 人们只是对自然物进行直观模仿 。 它的特点是：模仿
自然物的外部几何形状和由几何形状产生的某种功能 。
?仿真的目的公于研究自然物的某种优点, 以便将它移植列人工工具
上, 即目的在于发展模型本身 。
?直观仿真只能为发展科学提供一些条件, 不会产生根本性变革 。
2,仿真实验
?在这个阶段, 人们将仿真方法用于科学实验, 通过仿真原型来认识,
研究和改造原型 。
?仿真实验阶段常采用的方法, 有以几何相似或物理相似为基础的物
理仿真和以数学关系为基础的数学仿真 。
?仿真实验的结果必须在实践中得到检验 。
3,功能仿真
?功能仿真是以不同对象的功能和行为相似为基础的仿真方法 。
?功能仿真可以利用不同的结构实现相同的功能 。
?计算机可以仿真入脑思维功能, 是系统仿真的主要工具 。
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第 9章 物流系统仿真
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四, 系统仿真的特点（作用）
? 利用仿真模型可将复杂事物抽象化, 通过仿真模型了解系
统的可行性和可靠性, 检验理论的正确性, 寻求解决问题
的途径 。
? 利用仿真可避免在实际系统上试验周期过长的弊病, 节省
人力, 物力, 财力 。
? 某些复杂系统既不能用实际试验方法, 又不能用解析方法
时, 计算机仿真方法是惟一有效的方法 。
? 可以避免对实际系统进行破坏性实验或危险性实验 。 在这
种情况下, 仿真方法的优点更为突出 。
? 仿真可以研究单个变量或参数变化时对系统整体的影响,
并且可以多次重复试验, 这在真实系统中是非常困难或不
可能的 。
? 仿真方法可用来检验理论分析所得的结果的正确性和有效
性, 其基本方法较易掌握, 仿真的结果直观, 便于理解 。
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第 9章 物流系统仿真
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五, 系统仿真的类型
? 按应用分类
?生产管理仿真, 工程技术仿真, 军事仿真, 科学试验等 。
?从运运筹学的角度, 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 。
? 按结构形式分类
?简单式, 串联式, 扩展式, 分析式 。
?简单式仿真所用模型的结构也比较简单, 如车间生产作业的仿真；
?串联式仿真所用模型的结构为相继串联的若干个简单式模型；
?扩展式仿真所用模型表现为苦干子模型的串并联形式, 例如仿真一个
企业的整体；
?分析式仿真主要是针对一些大而复杂的系统, 在仿真这类系统时, 先
对总系统设计仿真模型, 通过粗略仿真, 从中分析出解弱环节或关键
子系统 。 然后再针对这些薄弱环节或关键子系统构造详细的仿真模型,
进一步仿真, 以便进行更深入详细的分析 。
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第 9章 物流系统仿真
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五, 系统仿真的类型
? 按仿真实验的方法分类
?物理仿真法和数学仿真法 。
?物理仿真也称实体仿真, 一般仿真的过程是以物理性质和几何形状相
似为基础, 而其他性质不变的仿真 。
?数学仿真是以数学方程式相似为基础的仿真方法, 它是用数学式来表
示被仿真的对象 。
? 按系统中事件出现的特性分类
?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
为随机性仿真,
?反之, 如果事件的出现是确定的, 那么对这种系统所进行的仿真为确
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 。 蒙持卡洛法 (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 。
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第 9章 物流系统仿真
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五, 系统仿真的类型
?按照系统中实体成活动的动态形式分类
?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, 那么对此所进行的仿真为
连续系统的仿真 。
?如果系统变化的主要方面是离散的, 那么对此所进行的仿真为
离散系统的仿真 。
?连续系统的仿真方法主要通过常微分方程的求解, 利用改变系
统的边界条件与初始值以研究系统的变化 。
?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, 这种仿真又叫事件仿真法 。
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六, 系统仿真的优缺点
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9.2 蒙特卡洛法
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一, 蒙特卡洛法
?蒙特卡洛法 (Monte-Carlo Method)
?亦称统计试验法, 随机模拟法 。 是由匈牙利数学家 Von
Neumann建立的, 因其方法与某些赌博工具在原理上基
本一致, 因此人们用著名赌城蒙特卡洛的名字来命名该
方法 。
?蒙特卡洛法是一种随机模拟法, 它通过构造一个与原来
问题没有直接关系的概率过程, 并利用它来产生统计现
象的一种仿真方法 。
?目前, 蒙特卡洛法己成为仿真的有力工具, 在物流系统
工程中, 它被用来解决设备交货, 订货, 风险型决策,
排队等很多问题 。
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二,蒙特卡洛法的基本原理
?基本原理
?在所研究的系统中, 采用某种特定方法产生随机数和随
机变量, 仿真随机事件, 对输出结果进行统计处理, 从
而得到问题的解的一种数值计算方法 。
?蒙特卡洛法的理论基础是概率论中的大数定律。即在相
同的条件下对事件 A进行 n次独立实验，当 n无限增大时，
事件 A的 n个观测值的平均值依概率收敛于其数学期望。
?从原则上讲，蒙特卡洛法可以求解任何形式的系统问题
的数学模型，特别是对随机因素多，用解析法无法求解
的复杂数学模型。
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第 9章 物流系统仿真
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三, 蒙特卡洛法仿真的步骤
1,对资料进行分析处理, 分析实际问题中随机变量的统计
特性, 构造描述现实系统的仿真概率模型；
2,根据数学概率模型的特点, 设计和应用降低方差的各种
方法, 以加快仿真结果的收敛 。
3,给出概率模型中各种不同分布的随机变量的抽样方法,
对模型进行随机取样, 确定随机变量值 。
4,按照数量关系进行仿真计算 。
5,处理仿真的结果, 得到问题的解, 分析系统变化的规律,
并估计解的精度 。
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第 9章 物流系统仿真
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四, 蒙特卡洛法举例
? 某企业为改善经营管理降低成本, 拟建立主要原材料的经济批量和安
全备用储备量制度 。 根据过去材料消耗情况得知, 耗用量, 到货期均
不固定 。 试用蒙特卡洛仿真其运行过程 。 分析以往资料得知主要原材
料在 100周内每周的消耗数量 (见表 9-3)及 100次到货时间统计表 (见表
9-4)。 随机数可查两位数字的随机数表 (见表 9— 6)。
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第 9章 物流系统仿真
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四, 蒙特卡洛法举例
? 成本部门核算该种原料每周占用成本为 10元／件, 每批订
购费 25元 。 缺货损失为 100元／件 。 初步确定库存量不足
15件时就要订货, 订货批量每次 20件 。 用随机数仿真 14周
的使用, 到货, 存储量及成本 (计算结果见表 9-5),随机
数由表 9-6左对齐纵向选用 。
仿真过程：
? 按时间顺序进行仿真, 从初期存货 20件开始仿真 （ 假定 ） 。
? 第一周：
? 查随机数表, 第一个随机数为 33(从表 9-6得到 ),1周需求量为 3件 （ 由表 9-2
得到随机数 33对应的需求量为 3件 ）, 至第一周末存储数量减至 17件, 占用成
本 17xl0＝ 170元 。
? 总成本 =存储成本 =170元 。
? 第二周：
? 查随机数表, 第 2个随机数为 50（ 从表 9-6得到 ）, 1周需求量为 3件 (从表 9-2
得到随机数 50对应的需求量为 3件 ),第二周末存量减至 14件 。 存储成本
14*10=140元 。
? 原设定 15件为再订货点, 现已低于 15件故应订货补充 。 查随机数表, 第 3个随
机数为 13,到货时间为 1周 （ 由表 9-3查得, 随机数为 13对应的到货时间为 1
周 ）, 因定货而产生的定货成本为 25元 。
? 第 2周的总成本为 165元 。
? 第 3~14周, 依次类推, 最后得到表 9-5的仿真计算结果 。
? 表 9-5仿真的是订货点为 15件, 订货批量为 20件, 初始存货为 20件的情况 。
如果取不同的订货点, 订货量, 初始存货点就可以得到另外的仿真计算
结果表 。 可以对各种仿真计算结果进行比较, 选择总成本最小的方案作
为存储控制依据 。
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五, 随机数的产生方法
?合理确定随机数是蒙特卡洛法的关键 。
?常用的产生随机数的方法：
?直接法 。 如抛硬币, 袋中摸球, 转动轮盘等 。
?物理法 。 如脉冲发生器, 数字位移寄位器等作为随机数
发生器, 产生随机数序列 。
?数学法 （ 伪随机数法 ） 。 利用数学方法, 通过计算产生
具有某种分布特征的随机数 。 （ 可利用计算机生成 ）
?查随机数表 。
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第 9章 物流系统仿真
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六, 仿真结果的处理
?任何仿真问题的个别具体解本身并不表征这个系
统 。
?只有得到了很多的个别具体解之后, 通过对它们
进行处理, 才能获得我们所要知道的决策变量和
目标函数之间存在的关系 。
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9.3 计算机仿真
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一, 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, 然后用一系列有目的, 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, 有大量随机因素存在而
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适用人们需要的一切系统 。 在物流
系统中, 计算机仿真技术同样得到了广泛的应用 。
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第 9章 物流系统仿真
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二, 计算机仿真的局限性
? 计算机仿真技术不是最优化技术, 只是一种数值方法, 它
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, 反复实验相比较 。 得出
一个较好的结论, 提供一个较好的方案供决策者参考 。
? 用计算机仿真方法解决较大系统问题的成本高, 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, 才能够使
得模型建成, 完善 。
? 计算机仿真是一种评价性技术, 是评价决策的工具, 不能
自己产生决策, 产生方案 。
?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, 参数, 然后才能运用仿真技术, 做出评价结
论 。
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第 9章 物流系统仿真
25
三, 计算机仿真语言
? 计算机仿真语言的特点：
?仿真时刻的控制是自动进行的；
?具有随机数生成程序；
?可以进行种种逻辑运算和数学运算；
?对于构成要素的记录可以自动地进行记忆场所的分配；
?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
其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
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）
?偏微分方程系统仿真语言 （ PDE）
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
26
三, 计算机仿真语言
? 物流系统中常用的仿真语言
1,DYNAM0(dynamic model)语言
用线性微分方程式来表示作为对象的系统, 并根据差分近似进行仿真 。
2,CSMP(continuous system modeling program)语言
当系统可联立为一阶微分方程式, 可用方块图表达, 并且避免在求解
时进行积分, 可以用该语言进行仿真 。
3,GPSS(general purpose simulation system)语言
这是一种适用于排队问题的仿真语言 。
该语言通过表示到达顾客的基本要素, 表示事务处理, 顾客或服务窗
口动作的基本要素, 以及程序块这三者构成中心 。
除这些语言外, 还开发使用了 SIMSCRIFT,GASP,S0L等仿真语言 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
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四, 计算机仿真举例
P185~187
假设某企业生产易变质产品, 只能当日销售 。 单位产品成
本 0.5元, 单位产品售价 2.0元 。 为了减少损失, 增加赢利,
拟确定一个较优的备货方案 。 备货数量可按照前一天的数
量的准备, 也可按照前两天的平均需要量考虑, 或者用其
他方法计算当天备货量 。
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28
9.4 物流系统仿真
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第 9章 物流系统仿真
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一, 仿真在物流系统中的应用
? 采用计算机仿真的方法构造模型, 求解部分复杂物流系统, 解决部分
难以用数学方法求解的物流问题 。
? 对于新设计的物流系统, 可应用计算机仿真对新系统的可行性和效率
做出正确的评价判断 。
? 计算机仿真具有通过试验达到优化的目的 。 可应用这一手段, 对控制
与决策中的多方案进行多次远行, 按既定的目标函数, 对不同的决策
方案进行分析比较, 从中选择最优方案, 进行辅助决策 。
? 对物流系统运行机制进行分析 。 在仿真模型运行过程中, 人们可根据
需要, 记录有关数据和信息, 从而为分析物流系统提供依据 。
? 对物流系统的发展战略进行研究 。 应用计算机模型可以对从过去到未
来的国家, 地区或者企业的物流系统的发展规律进行仿真运算, 研究
系统的因果关系, 得出结论, 以促进系统的改进和发展 。
通过建立物流系统的仿真模型, 扩展了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, 从而能够更深刻地理解和分
析物流系统 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
30
二, 物流系统仿真的特点
? 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 。
?由于, 流, 的流动, 应采用动态仿真方法描述, 流, 的产生, 流动,
消失, 积累和转换等 。
? 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, 船由锚地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 。
? 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, 不同的人,
组织, 物流服务质量和运行效率仍有较大差异 。 通过计算机仿真描
述人的思维过程, 从而给出较优的物流组织方案 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
31
三, 物流系统仿真常用方法
1.连续型仿真方法 。
?连续系统是指系统的状态在时间上平滑地变化 。
?为了反映连续系统的特征, 仿真模型建立了一组由状态变量组成的
状态方程 。 如代数方程, 微分方程, 函数方程, 差分方程等 。 这些
方程描述了各项状态变量与主要自变量一一仿真时间的关系 。 在此
基础上, 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 。
通过连续系统的仿真模型, 对系统状态在整个时间序列中的连续性
变化进行动态描写 。
?这种方法主要用于物流系统的发展战略研究, 运量预测等与时间密
切相关的连续系统 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
32
三, 物流系统仿真常用方法
2 离散型仿真方法 。
?离散系统的状态变量仅在离散时间点上有跳跃变化 。
?离散型仿真方法包括以事件为基础, 以活动为基础, 以过程为基础
的仿真方法 。
?以事件为基础的仿真：通过定义系统在事件发生时间的变化来实现 。
?以活动为基础的仿真：通过描述系统实体所进行的活动, 以及预先设
置导致活动开始或结束的条件来进行仿真
?以过程为基础的仿真：综合了以事件为基础的仿真和以活动描述为基
础的仿真两者的特点, 描述了作为仿真对象的实体在仿真时间内经历
的过程 。
? 离散事件仿真的要素
?事件 使系统状态发生瞬时变化的现象 (如排队系统中的顾客到达 )；
?活动 确定长度的延迟时间 (如服务时间或到达间隔时间 )：
?过程 由事件的时间序列及若干活动组成 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
33
四, 物流系统仿真的步骤
? 左图是 — 个典型的, 完整的物流系统仿真
步骤以及各步骤间的关系 。
? 并非所有所有的仿真都必须包括图中所有
的步骤, 有些研究可包含图中所没有描述
的步骤 。
? 仿真方法不一定是严格的有顺序的过程 。
任一步骤中, 根据仿真实际情况而可转向
任一其他步骤 。
下面结合某地, 地区物流网络运营计算机仿真与动
态显示, 这样一个实例来说明仿真的步骤。
该仿真是对地区物流网络的车辆运营组织进行仿
真．并同步显示货运结点运输车辆的营运状态。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
34
四, 物流系统仿真的步骤
1,问题描述
这一阶段对货运车辆运营系统作深入细致
的了解, 并与车队, 车场调度人员反复交
换认识, 通过反馈使研究者对系统的认识
不断深化, 描述的系统与实际相符合 。
2,设定目标与总体方案
明确仿真应回答的问题 。
仿真目标是：从物流网络整体考虑, 确定运营的改进方向
及改进方案, 进行多方案比选, 寻求物流网络上各
指标间较合理的匹配关系, 使物流网络能以较少的
车辆和人员配置, 完成预定的物流量任务 。 根据这
一目标, 构造总体研究方案 。 它包括了研究人员的
数目, 分阶段参加人员的工作天数, 投人的研究费
用等 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
35
3,建立仿真模型
（ 1） 做系统的实体及属性分析, 活动分析, 模型变量分析,
系统特征分析, 模型指标分析, 模型的输入, 输出分析
以及仿真模型方法选定分析, 通过如上分析确定各组成
要素以及表征这些要素的状态变量和参数之间的数学逻
辑关系, 在此基础上构造仿真模型 。
（ 2） 系统的实体有货物, 车站, 车辆 。
（ 3） 系统的活动有始发站活动, 中途站活动, 终点站活动 。
（ 4） 模型变量包括各路径车辆行驶里程, 各路径正点率,
各路径运量, 各路径满载率, 各路径无车等待时间, 各
路径等待发车总时间, 各路径分类型发车数等 7个指标 。
（ 5） 根据系统现状, 把系统中的车站看作服务台, 车辆看
作顾客, 把该系统作为一个顾客不消失的, 服务台为串
联形式的多级排队服务系统 。 因此, 采用离散的, 动态
的, 随机的仿真方法建立本系统的仿真模型 。
四, 物流系统仿真的步骤
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
36
4,收集和处理信息
信息的正确性直接影响仿真结果的正确性, 正确地
收集和整理信息成为系统仿真的重要组成部分 。 它
包括估计输入参数和获得模型中采用随机变量的概
率分布 。
四, 物流系统仿真的步骤
5,确认
对仿真模型及输入参数的准确程度进行认可, 它应
贯穿于整个仿真研究过程, 但第 5步和第 8步的确认
特别重要, 在这步进一步与货运车辆, 车场调度人
员交换信息, 增强模型的有效性, 并根据决策者的
要求, 对模型作相应修改, 使之更符合实际 。
6,仿真模型的程序设计
通过这一步将仿真分析的思路转化成计算机语言编
制的程序 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
37
7,仿真模型的试运行
通过试运行仿真程序来验证程序的正确性 。 可以构
造一些易于为人知道结果的数据, 进行模型的试运行,
以确认仿真模型的正确性 。
四, 物流系统仿真的步骤
8,确认
根据仿真模型试运行的结果, 确认模型的正确性, 通
过对实际系统的行为和仿真过程两者间差异的比较,
以加深对系统的理解, 从而改进模型 。
9．设计试验
当不止一个方案适用于系统时．需要以较少的运行次
数获得较优的仿真结果。因此对仿真方案要经过选择，
考虑合适的初始运行条件、运行时间及重复次数等。
10．仿真运行
通过仿真运行，输出仿真指标，获得方案比选的信息。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
38
四, 物流系统仿真的步骤
11,分析仿真结果
在经过多方案仿真后, 把输出的指标按某种数学方
法处理后进行方案的排序 。 推荐较优运营组织方案,
供决策者参考 。
12,向决策者提出建议
在分析模型结果的基础上, 提出对决策者有价值的
参考建议, 并以文字形式向决策者策者提出建议 。
13,建立文件的数据库, 知识库
这是物流系统仿真过程中的重要阶段, 也是为进一
步智能化仿真积累知识的重要手段 。 在物流网络计
算机仿真的基础上, 使本系统更加完善, 能处理更
加复杂的问题 。
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第 9章 物流系统仿真
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?蒙特卡洛法
?计算机仿真
?物流系统仿真
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9.1 系统仿真概述
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一, 系统仿真
?什么是系统仿真
?系统仿真是利用系统模型在仿真的环境和条件下, 对系
统进行研究, 分析和试验的方法 。
?其它关于仿真的定义：
?系统仿真是在数字计算机上进行实验的数字化技术, 她包括数
字与逻辑模型的某些模式, 这些模型描述某一事件或经济系统
在若干时间周期内的特征 （ 雷诺 （ T.H.Naylor） 于 1966年提出
的仿真定义 ） 。
?仿真就是模拟真实系统 。
?仿真就是用模型来做实验 。
?系统仿真的目的
?系统仿真的目的在于利用人为控制的环境条件, 改变某
些特定的参数, 观察模型的反应, 研究真实系统的现象
或过程 。
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二, 系统仿真的基本要素
?系统仿真包括三个基本要素
系统、系统模型、计算机
?联系系统仿真三要素的基本活动是
系统模型建立、仿真模型建立、仿真实验
系统
系统模型 计算机
建模 仿真实验
二次建模
系统仿真三要素
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三, 系统仿真的三个发展阶段
1 直观模仿
?在这个阶段, 人们只是对自然物进行直观模仿 。 它的特点是：模仿
自然物的外部几何形状和由几何形状产生的某种功能 。
?仿真的目的公于研究自然物的某种优点, 以便将它移植列人工工具
上, 即目的在于发展模型本身 。
?直观仿真只能为发展科学提供一些条件, 不会产生根本性变革 。
2,仿真实验
?在这个阶段, 人们将仿真方法用于科学实验, 通过仿真原型来认识,
研究和改造原型 。
?仿真实验阶段常采用的方法, 有以几何相似或物理相似为基础的物
理仿真和以数学关系为基础的数学仿真 。
?仿真实验的结果必须在实践中得到检验 。
3,功能仿真
?功能仿真是以不同对象的功能和行为相似为基础的仿真方法 。
?功能仿真可以利用不同的结构实现相同的功能 。
?计算机可以仿真入脑思维功能, 是系统仿真的主要工具 。
物流系统工程 ——
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6
四, 系统仿真的特点（作用）
? 利用仿真模型可将复杂事物抽象化, 通过仿真模型了解系
统的可行性和可靠性, 检验理论的正确性, 寻求解决问题
的途径 。
? 利用仿真可避免在实际系统上试验周期过长的弊病, 节省
人力, 物力, 财力 。
? 某些复杂系统既不能用实际试验方法, 又不能用解析方法
时, 计算机仿真方法是惟一有效的方法 。
? 可以避免对实际系统进行破坏性实验或危险性实验 。 在这
种情况下, 仿真方法的优点更为突出 。
? 仿真可以研究单个变量或参数变化时对系统整体的影响,
并且可以多次重复试验, 这在真实系统中是非常困难或不
可能的 。
? 仿真方法可用来检验理论分析所得的结果的正确性和有效
性, 其基本方法较易掌握, 仿真的结果直观, 便于理解 。
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五, 系统仿真的类型
? 按应用分类
?生产管理仿真, 工程技术仿真, 军事仿真, 科学试验等 。
?从运运筹学的角度, 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 。
? 按结构形式分类
?简单式, 串联式, 扩展式, 分析式 。
?简单式仿真所用模型的结构也比较简单, 如车间生产作业的仿真；
?串联式仿真所用模型的结构为相继串联的若干个简单式模型；
?扩展式仿真所用模型表现为苦干子模型的串并联形式, 例如仿真一个
企业的整体；
?分析式仿真主要是针对一些大而复杂的系统, 在仿真这类系统时, 先
对总系统设计仿真模型, 通过粗略仿真, 从中分析出解弱环节或关键
子系统 。 然后再针对这些薄弱环节或关键子系统构造详细的仿真模型,
进一步仿真, 以便进行更深入详细的分析 。
物流系统工程 ——
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8
五, 系统仿真的类型
? 按仿真实验的方法分类
?物理仿真法和数学仿真法 。
?物理仿真也称实体仿真, 一般仿真的过程是以物理性质和几何形状相
似为基础, 而其他性质不变的仿真 。
?数学仿真是以数学方程式相似为基础的仿真方法, 它是用数学式来表
示被仿真的对象 。
? 按系统中事件出现的特性分类
?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
为随机性仿真,
?反之, 如果事件的出现是确定的, 那么对这种系统所进行的仿真为确
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 。 蒙持卡洛法 (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 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
9
五, 系统仿真的类型
?按照系统中实体成活动的动态形式分类
?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, 那么对此所进行的仿真为
连续系统的仿真 。
?如果系统变化的主要方面是离散的, 那么对此所进行的仿真为
离散系统的仿真 。
?连续系统的仿真方法主要通过常微分方程的求解, 利用改变系
统的边界条件与初始值以研究系统的变化 。
?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, 这种仿真又叫事件仿真法 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
10
六, 系统仿真的优缺点
物流系统工程 ——
西南交通大学电子讲义
11
9.2 蒙特卡洛法
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
12
一, 蒙特卡洛法
?蒙特卡洛法 (Monte-Carlo Method)
?亦称统计试验法, 随机模拟法 。 是由匈牙利数学家 Von
Neumann建立的, 因其方法与某些赌博工具在原理上基
本一致, 因此人们用著名赌城蒙特卡洛的名字来命名该
方法 。
?蒙特卡洛法是一种随机模拟法, 它通过构造一个与原来
问题没有直接关系的概率过程, 并利用它来产生统计现
象的一种仿真方法 。
?目前, 蒙特卡洛法己成为仿真的有力工具, 在物流系统
工程中, 它被用来解决设备交货, 订货, 风险型决策,
排队等很多问题 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
13
二,蒙特卡洛法的基本原理
?基本原理
?在所研究的系统中, 采用某种特定方法产生随机数和随
机变量, 仿真随机事件, 对输出结果进行统计处理, 从
而得到问题的解的一种数值计算方法 。
?蒙特卡洛法的理论基础是概率论中的大数定律。即在相
同的条件下对事件 A进行 n次独立实验，当 n无限增大时，
事件 A的 n个观测值的平均值依概率收敛于其数学期望。
?从原则上讲，蒙特卡洛法可以求解任何形式的系统问题
的数学模型，特别是对随机因素多，用解析法无法求解
的复杂数学模型。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
14
三, 蒙特卡洛法仿真的步骤
1,对资料进行分析处理, 分析实际问题中随机变量的统计
特性, 构造描述现实系统的仿真概率模型；
2,根据数学概率模型的特点, 设计和应用降低方差的各种
方法, 以加快仿真结果的收敛 。
3,给出概率模型中各种不同分布的随机变量的抽样方法,
对模型进行随机取样, 确定随机变量值 。
4,按照数量关系进行仿真计算 。
5,处理仿真的结果, 得到问题的解, 分析系统变化的规律,
并估计解的精度 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
15
四, 蒙特卡洛法举例
? 某企业为改善经营管理降低成本, 拟建立主要原材料的经济批量和安
全备用储备量制度 。 根据过去材料消耗情况得知, 耗用量, 到货期均
不固定 。 试用蒙特卡洛仿真其运行过程 。 分析以往资料得知主要原材
料在 100周内每周的消耗数量 (见表 9-3)及 100次到货时间统计表 (见表
9-4)。 随机数可查两位数字的随机数表 (见表 9— 6)。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
16
四, 蒙特卡洛法举例
? 成本部门核算该种原料每周占用成本为 10元／件, 每批订
购费 25元 。 缺货损失为 100元／件 。 初步确定库存量不足
15件时就要订货, 订货批量每次 20件 。 用随机数仿真 14周
的使用, 到货, 存储量及成本 (计算结果见表 9-5),随机
数由表 9-6左对齐纵向选用 。
仿真过程：
? 按时间顺序进行仿真, 从初期存货 20件开始仿真 （ 假定 ） 。
? 第一周：
? 查随机数表, 第一个随机数为 33(从表 9-6得到 ),1周需求量为 3件 （ 由表 9-2
得到随机数 33对应的需求量为 3件 ）, 至第一周末存储数量减至 17件, 占用成
本 17xl0＝ 170元 。
? 总成本 =存储成本 =170元 。
? 第二周：
? 查随机数表, 第 2个随机数为 50（ 从表 9-6得到 ）, 1周需求量为 3件 (从表 9-2
得到随机数 50对应的需求量为 3件 ),第二周末存量减至 14件 。 存储成本
14*10=140元 。
? 原设定 15件为再订货点, 现已低于 15件故应订货补充 。 查随机数表, 第 3个随
机数为 13,到货时间为 1周 （ 由表 9-3查得, 随机数为 13对应的到货时间为 1
周 ）, 因定货而产生的定货成本为 25元 。
? 第 2周的总成本为 165元 。
? 第 3~14周, 依次类推, 最后得到表 9-5的仿真计算结果 。
? 表 9-5仿真的是订货点为 15件, 订货批量为 20件, 初始存货为 20件的情况 。
如果取不同的订货点, 订货量, 初始存货点就可以得到另外的仿真计算
结果表 。 可以对各种仿真计算结果进行比较, 选择总成本最小的方案作
为存储控制依据 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
20
五, 随机数的产生方法
?合理确定随机数是蒙特卡洛法的关键 。
?常用的产生随机数的方法：
?直接法 。 如抛硬币, 袋中摸球, 转动轮盘等 。
?物理法 。 如脉冲发生器, 数字位移寄位器等作为随机数
发生器, 产生随机数序列 。
?数学法 （ 伪随机数法 ） 。 利用数学方法, 通过计算产生
具有某种分布特征的随机数 。 （ 可利用计算机生成 ）
?查随机数表 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
21
六, 仿真结果的处理
?任何仿真问题的个别具体解本身并不表征这个系
统 。
?只有得到了很多的个别具体解之后, 通过对它们
进行处理, 才能获得我们所要知道的决策变量和
目标函数之间存在的关系 。
物流系统工程 ——
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22
9.3 计算机仿真
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
23
一, 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, 然后用一系列有目的, 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, 有大量随机因素存在而
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适用人们需要的一切系统 。 在物流
系统中, 计算机仿真技术同样得到了广泛的应用 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
24
二, 计算机仿真的局限性
? 计算机仿真技术不是最优化技术, 只是一种数值方法, 它
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, 反复实验相比较 。 得出
一个较好的结论, 提供一个较好的方案供决策者参考 。
? 用计算机仿真方法解决较大系统问题的成本高, 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, 才能够使
得模型建成, 完善 。
? 计算机仿真是一种评价性技术, 是评价决策的工具, 不能
自己产生决策, 产生方案 。
?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, 参数, 然后才能运用仿真技术, 做出评价结
论 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
25
三, 计算机仿真语言
? 计算机仿真语言的特点：
?仿真时刻的控制是自动进行的；
?具有随机数生成程序；
?可以进行种种逻辑运算和数学运算；
?对于构成要素的记录可以自动地进行记忆场所的分配；
?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
其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
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）
?偏微分方程系统仿真语言 （ PDE）
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
26
三, 计算机仿真语言
? 物流系统中常用的仿真语言
1,DYNAM0(dynamic model)语言
用线性微分方程式来表示作为对象的系统, 并根据差分近似进行仿真 。
2,CSMP(continuous system modeling program)语言
当系统可联立为一阶微分方程式, 可用方块图表达, 并且避免在求解
时进行积分, 可以用该语言进行仿真 。
3,GPSS(general purpose simulation system)语言
这是一种适用于排队问题的仿真语言 。
该语言通过表示到达顾客的基本要素, 表示事务处理, 顾客或服务窗
口动作的基本要素, 以及程序块这三者构成中心 。
除这些语言外, 还开发使用了 SIMSCRIFT,GASP,S0L等仿真语言 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
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四, 计算机仿真举例
P185~187
假设某企业生产易变质产品, 只能当日销售 。 单位产品成
本 0.5元, 单位产品售价 2.0元 。 为了减少损失, 增加赢利,
拟确定一个较优的备货方案 。 备货数量可按照前一天的数
量的准备, 也可按照前两天的平均需要量考虑, 或者用其
他方法计算当天备货量 。
物流系统工程 ——
西南交通大学电子讲义
28
9.4 物流系统仿真
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
29
一, 仿真在物流系统中的应用
? 采用计算机仿真的方法构造模型, 求解部分复杂物流系统, 解决部分
难以用数学方法求解的物流问题 。
? 对于新设计的物流系统, 可应用计算机仿真对新系统的可行性和效率
做出正确的评价判断 。
? 计算机仿真具有通过试验达到优化的目的 。 可应用这一手段, 对控制
与决策中的多方案进行多次远行, 按既定的目标函数, 对不同的决策
方案进行分析比较, 从中选择最优方案, 进行辅助决策 。
? 对物流系统运行机制进行分析 。 在仿真模型运行过程中, 人们可根据
需要, 记录有关数据和信息, 从而为分析物流系统提供依据 。
? 对物流系统的发展战略进行研究 。 应用计算机模型可以对从过去到未
来的国家, 地区或者企业的物流系统的发展规律进行仿真运算, 研究
系统的因果关系, 得出结论, 以促进系统的改进和发展 。
通过建立物流系统的仿真模型, 扩展了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, 从而能够更深刻地理解和分
析物流系统 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
30
二, 物流系统仿真的特点
? 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 。
?由于, 流, 的流动, 应采用动态仿真方法描述, 流, 的产生, 流动,
消失, 积累和转换等 。
? 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, 船由锚地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 。
? 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, 不同的人,
组织, 物流服务质量和运行效率仍有较大差异 。 通过计算机仿真描
述人的思维过程, 从而给出较优的物流组织方案 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
31
三, 物流系统仿真常用方法
1.连续型仿真方法 。
?连续系统是指系统的状态在时间上平滑地变化 。
?为了反映连续系统的特征, 仿真模型建立了一组由状态变量组成的
状态方程 。 如代数方程, 微分方程, 函数方程, 差分方程等 。 这些
方程描述了各项状态变量与主要自变量一一仿真时间的关系 。 在此
基础上, 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 。
通过连续系统的仿真模型, 对系统状态在整个时间序列中的连续性
变化进行动态描写 。
?这种方法主要用于物流系统的发展战略研究, 运量预测等与时间密
切相关的连续系统 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
32
三, 物流系统仿真常用方法
2 离散型仿真方法 。
?离散系统的状态变量仅在离散时间点上有跳跃变化 。
?离散型仿真方法包括以事件为基础, 以活动为基础, 以过程为基础
的仿真方法 。
?以事件为基础的仿真：通过定义系统在事件发生时间的变化来实现 。
?以活动为基础的仿真：通过描述系统实体所进行的活动, 以及预先设
置导致活动开始或结束的条件来进行仿真
?以过程为基础的仿真：综合了以事件为基础的仿真和以活动描述为基
础的仿真两者的特点, 描述了作为仿真对象的实体在仿真时间内经历
的过程 。
? 离散事件仿真的要素
?事件 使系统状态发生瞬时变化的现象 (如排队系统中的顾客到达 )；
?活动 确定长度的延迟时间 (如服务时间或到达间隔时间 )：
?过程 由事件的时间序列及若干活动组成 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
33
四, 物流系统仿真的步骤
? 左图是 — 个典型的, 完整的物流系统仿真
步骤以及各步骤间的关系 。
? 并非所有所有的仿真都必须包括图中所有
的步骤, 有些研究可包含图中所没有描述
的步骤 。
? 仿真方法不一定是严格的有顺序的过程 。
任一步骤中, 根据仿真实际情况而可转向
任一其他步骤 。
下面结合某地, 地区物流网络运营计算机仿真与动
态显示, 这样一个实例来说明仿真的步骤。
该仿真是对地区物流网络的车辆运营组织进行仿
真．并同步显示货运结点运输车辆的营运状态。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
34
四, 物流系统仿真的步骤
1,问题描述
这一阶段对货运车辆运营系统作深入细致
的了解, 并与车队, 车场调度人员反复交
换认识, 通过反馈使研究者对系统的认识
不断深化, 描述的系统与实际相符合 。
2,设定目标与总体方案
明确仿真应回答的问题 。
仿真目标是：从物流网络整体考虑, 确定运营的改进方向
及改进方案, 进行多方案比选, 寻求物流网络上各
指标间较合理的匹配关系, 使物流网络能以较少的
车辆和人员配置, 完成预定的物流量任务 。 根据这
一目标, 构造总体研究方案 。 它包括了研究人员的
数目, 分阶段参加人员的工作天数, 投人的研究费
用等 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
35
3,建立仿真模型
（ 1） 做系统的实体及属性分析, 活动分析, 模型变量分析,
系统特征分析, 模型指标分析, 模型的输入, 输出分析
以及仿真模型方法选定分析, 通过如上分析确定各组成
要素以及表征这些要素的状态变量和参数之间的数学逻
辑关系, 在此基础上构造仿真模型 。
（ 2） 系统的实体有货物, 车站, 车辆 。
（ 3） 系统的活动有始发站活动, 中途站活动, 终点站活动 。
（ 4） 模型变量包括各路径车辆行驶里程, 各路径正点率,
各路径运量, 各路径满载率, 各路径无车等待时间, 各
路径等待发车总时间, 各路径分类型发车数等 7个指标 。
（ 5） 根据系统现状, 把系统中的车站看作服务台, 车辆看
作顾客, 把该系统作为一个顾客不消失的, 服务台为串
联形式的多级排队服务系统 。 因此, 采用离散的, 动态
的, 随机的仿真方法建立本系统的仿真模型 。
四, 物流系统仿真的步骤
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
36
4,收集和处理信息
信息的正确性直接影响仿真结果的正确性, 正确地
收集和整理信息成为系统仿真的重要组成部分 。 它
包括估计输入参数和获得模型中采用随机变量的概
率分布 。
四, 物流系统仿真的步骤
5,确认
对仿真模型及输入参数的准确程度进行认可, 它应
贯穿于整个仿真研究过程, 但第 5步和第 8步的确认
特别重要, 在这步进一步与货运车辆, 车场调度人
员交换信息, 增强模型的有效性, 并根据决策者的
要求, 对模型作相应修改, 使之更符合实际 。
6,仿真模型的程序设计
通过这一步将仿真分析的思路转化成计算机语言编
制的程序 。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
37
7,仿真模型的试运行
通过试运行仿真程序来验证程序的正确性 。 可以构
造一些易于为人知道结果的数据, 进行模型的试运行,
以确认仿真模型的正确性 。
四, 物流系统仿真的步骤
8,确认
根据仿真模型试运行的结果, 确认模型的正确性, 通
过对实际系统的行为和仿真过程两者间差异的比较,
以加深对系统的理解, 从而改进模型 。
9．设计试验
当不止一个方案适用于系统时．需要以较少的运行次
数获得较优的仿真结果。因此对仿真方案要经过选择，
考虑合适的初始运行条件、运行时间及重复次数等。
10．仿真运行
通过仿真运行，输出仿真指标，获得方案比选的信息。
物流系统工程 ——
第 9章 物流系统仿真
38
四, 物流系统仿真的步骤
11,分析仿真结果
在经过多方案仿真后, 把输出的指标按某种数学方
法处理后进行方案的排序 。 推荐较优运营组织方案,
供决策者参考 。
12,向决策者提出建议
在分析模型结果的基础上, 提出对决策者有价值的
参考建议, 并以文字形式向决策者策者提出建议 。
13,建立文件的数据库, 知识库
这是物流系统仿真过程中的重要阶段, 也是为进一
步智能化仿真积累知识的重要手段 。 在物流网络计
算机仿真的基础上, 使本系统更加完善, 能处理更
加复杂的问题 。
