物流系统建模

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1、CH4 物流系统建模 第四章 物流系统建模 第四章 物流系统建模 1. 系统模型概述2 1.1 系统模型的定义与特征.2 1.2 系统模型的分类.2 2. 物流系统建模方法4 2.1 建立物流系统模型的必要性.4 2.2 物流系统模型的建立原则.5 2.3 物流系统建模方法.6 2.3.1 推理分析法6 2.3.2 统计分析法7 2.3.3 人工模拟法7 2.4 物流系统建模的步骤.7 2.5 四类建模变量.8 3. 常见的物流系统模型9 3.1 最优化模型.9 3.2 仿真模型.10 3.3 启发式模型.11 4. 系统建模实例12 1 CH4 物流系统建模 系统模型是系统工程解决问题的必要

2、工具。 在第三章中我们所介绍的系统分 析，它的每一阶段都需要建立模型。当然，系统工程的模型常常是推测式的，模 型的精度不能与具有严密理论基础的数学模型相提并论，模型也难以试验。要对 物流系统进行有效的分析、规划或决策，就必须建立物流系统的模型，再借助模 型对系统进行定量的或者定性与定量相结合的分析。 物流系统的建模是物流系统 决策与物流系统管理人员必须掌握的重要手段。 1. 系统模型概述 1.1 系统模型的定义与特征 系统模型是对一个系统某一方面本质属性的描述，它以某种确定的形式（例 如文字、符号、图表、实物、数学公式等）提供关于该系统的某一方面的知识。 系统模型一般不是系统对象本身，而是对现

3、实系统的描述、模仿或抽象。系 统是复杂的，系统的属性也是多方面的。对于某一特定的研究目的而言，没有必 要考虑系统的全部属性，因此，系统模型只是对系统某一方面或某几方面的本质 属性的描述，本质属性的选取完全取决系统工程研究的目的。所以，对同一个系 统，根据不同的研究目的，可以建立不同的系统模型。 系统模型来源于实际系统，反映的是实际系统的主要特征，但它又高于实际 系统，能反映同类问题的共性，是对所要研究问题的抽象。一个恰当、适用的系 统模型应该具有如下三个特征： （1）它是对现实系统的抽象或模仿； （2）它是由反映系统本质或特征的主要要素构成的； （3）它集中体现了这些主要要素之间的关系。 1.

4、2 系统模型的分类 系统的种类繁多，作为系统的描述系统模型的种类同样也是多种多样。 从不同的角度观察，可以得出多种不同的分类方法。例如，按建模材料的不同， 可分为抽象模型和实物模型；按与实体系统的关系，可分为形象模型、相似模型 和数学模型；按与时间的依赖关系，又可分为动态模型和静态模型；按模型的用 途，又可分为结构模型、评价模型、优化模型等等。图 4-1 是按照模型的表达形 式给出的一种分类方法，各种模型可归结为物理模型、文字模型和数学模型三大 2 CH4 物流系统建模 类。图中还对各种模型的特征进行了对比。 下面对各模型的含义进行解释。 现 实 系 统 实 体 模 型 相 似 模 型 网 络

5、 模 型 文 字 模 型 图 表 模 型 比 例 模 型 逻 辑 模 型 解 析 模 型 物理模型 数学模型 特征对比： 研究的速度、灵活性、抽象性：依此增加 现实性、建模时间、建模费用：依此减少 图 4-1 系统模型的分类与特征对比 （1）实体模型：即现实系统本身，当系统的大小刚好适合研究而且又不存 在危险时，可以将系统本身作为研究模型。如产品质量检验中采取的抽样模型就 属于实体模型。 （2）比例模型：是对现实系统的放大或缩小，使之适合于研究。 （3）相似模型：根据相似原理，利用一种系统去代替另一种系统。例如用 电路系统代替机械系统、热力学系统进行研究，则电路系统就是后二者的相似模 型。 （

6、4）文字模型：在物理模型和数学模型都很难建立时，有时不得不用文字 符号来描述系统研究的结果，如技术报告、说明书等就属于文字模型。 （5）网络模型：用网络图来描述系统的组成要素以及要素之间的相互关系 （包括逻辑关系与数学关系） 。 （6）图表模型：指用图像和表格形式描述的模型，图像与表格形式二者可 以互相转化，这里说的图像是指坐标系中的曲线、曲面或点等几何图形。 （7）逻辑模型：指用方框图、程序单、模拟机排题图等形式表示系统要素 逻辑关系的模型。 （8）解析模型：指用数学方程式表示系统某些特性的模型。 系统工程中经常使用数学模型来分析问题。无论是在自然科学、工程技术、 还是社会科学领域，没有定量

7、分析，就没有科学的预测与决策，就会造成决策失 误；另外，数学模型具有良好的可变性和适应性，便于使用计算机，便于快速分 3 CH4 物流系统建模 析。因此，数学模型是定量分析的基础。我们通常所说的系统建模，大多数情况 下都是指建立系统的数学模型。 2. 物流系统建模方法 物流系统模型是对物流系统的特征要素及其相互关系和变化趋势的一种抽 象描述。物流系统模型反映物流系统的一些本质特征，用于描述物流系统要素之 间的相互关系、系统与外部环境的相互作用等。由于物流系统时域和地域上的广 泛性，使得系统要素和特性也多种多样，因此，有必要借助物流系统抽象模型进 行系统特性的研究。本节将分析物流系统模型建立的必

8、要性，并介绍物流系统模 型建立的原则和方法。 2.1 建立物流系统模型的必要性 人类认识和改造客观世界的研究方法，主要可分为三种，即实验法、抽象法、 模型法。 实验法是通过对客观事物本身直接进行科学实验来进行研究的。物流系统范 围广、环节多、构成要素复杂，因此不可能采用实验法研究物流系统。抽象法是 把现实系统抽象为一般的理论概念， 然后进行推理和判断。 这种方法缺乏实体感， 过于概念化，同样不适合研究物流系统。模型法是在对现实系统进行抽象的基础 上，把它们再现为某种实物的、图画的或数学的模型，再通过模型来对系统进行 分析、 比较和研究， 最终导出结论。 由此可见， 模型法既避免了实验法的局限性

9、， 又避免了抽象法的过于概念化，适合于研究对物流系统的研究和分析。 使用物流系统模型的必要性在于： （1）物流系统建设的需要。新建一个物流系统时，由于物流系统尚未建立， 无法直接进行测试或实验， 只能通过建造相应的系统模型来对系统的效果进行预 测，以实现对系统的分析、优化、评价和决策。 （2）经济上的节约。对复杂的物流系统或其子系统直接进行实验，其成本 将十分昂贵，但是，如果使用相应的系统模型就非常经济。 （3）时间上的考虑。物流系统与社会系统、生态系统相似，具有惯性大、 反应周期长的特点，对这样的系统直接进行实验，则要等若干年以后才能看到结 果，这当然是系统分析和评价所不允许的。使用物流系统

10、模型进行分析和评价， 4 CH4 物流系统建模 将很快就可得到分析结果。 （4）系统分析的灵活性要求。现实系统中包含的因素太多而且复杂，实验 结果往往难以直接与其中的某一因素挂钩，因此，直接实验的结果不易理解；另 外，试验过程中要改变系统某些参数也相当困难。但是，系统模型突出的是研究 所需的主要特征，模型（尤其是数学模型）的修改和参数变动非常容易，便于在 各种不同的条件下对系统进行分析和评价。 2.2 物流系统模型的建立原则 物流系统的复杂性决定了物流系统模型建立的复杂性。建立一个简明、适用 的物流系统模型，将为物流系统的分析、评价和决策提供可靠的依据。但是，建 造系统模型，尤其是抽象程度很高

11、的系统数学模型，是一种创造性劳动，既是一 种技术，也是一门“艺术” 。 一般来说，建立系统模型要满足现实性、简明性、标准化三条最基本的要求。 现实性也就是说系统模型要在一定程度上较好地反映系统的客观实际，反映 系统本质特征及其关系，去掉非本质的东西。 简明性是指在满足现实性要求的基础上，应尽量使系统模型简单明了，以节 约建模的费用和时间。如果一个简单的模型能解决问题，就不要去建一个复杂的 模型，因为建造一个复杂的模型并求解是要付出很高代价的。 模型的标准化是指，如果已有某种标准化模型可供借鉴，则应尽量采用标准 化模型，或者对标准化模型加以某些修改，使之适合对象系统。 上述三条要求经常会相互抵触

12、，容易顾此失彼。例如，如果模型复杂一些， 则现实性很强，但建模和求解都相当困难，也很难满足标准化的要求。一般的处 理原则是，在现实性的基础上，达到简明性，再尽可能满足标准化要求。 根据系统建模的这三条基本要求，建立物流系统模型时，必须遵循以下几条 基本原则： (1) 准确性 模型必须反映现实系统的本质规律。 模型中包含各种变量和数据公式、 图表， 一旦模型确定，就要根据这些数据和公式、图表求解模型、研究模型，因此数据 必须可靠，公式和图表必须正确，有科学依据，合乎科学规律和经济规律。 (2) 可靠性 5 CH4 物流系统建模 模型既然是实际系统的替代物，它必须能反映事物的本质，且有一定的精确

13、度。如果一个模型不能在本质上反映实际，或者在某些关键部分缺乏一定的精确 度，那就存在着潜在的危险。 (3) 简明性 模型的表达方式应明确、 简单、 抓住本质。 一个实际系统可能是相当复杂的， 如果模型也很复杂，则构造和求解模型的费用太大，甚至由于因素太多，模型难 以控制和操纵，这就失去了建模的意义。 (4) 实用性 模型必须能方便用户，因此要努力使模型标准化、规范化，要尽量采用已有 的模型。在建立一个实际系统的模型时，如果已经有人建立过类似的模型，甚至 已经有了标准模型，那么不妨将现有的模型来试试，如果合适，尽量利用现成的 模型，这样既可以节省时间和精力，又可以节约建模费用。 (5)反馈性 人

14、对系统的认识有一个由浅入深的过程，因此建模不是一蹴而就的事。开始 建模时可以设计的粗一些，参数和变量不宜太多，但要注意灵敏问题，即留心哪 些参数或变量的改变对模型影响特别敏感，以后逐步加进有关细节，参数和变量 也逐渐增多，最后达到一定的精度。 上面几个方面的要求，概略地讲，就是需要、切题、清晰、精度要求适当、 尽量使用标准模型，等等。 2.3 物流系统建模方法 建立一个合适的系统模型既需要综合运用各种科学知识，还需要充分发挥人 的创造性，针对不同系统对象，或建造新模型、或巧妙利用已有的模型、或改造 已有的模型。有人认为，系统模型的建造是一种艺术，因而不可能有现成的、通 用的方法。这里提供几种物

15、流系统模型建立的思考方法或思路。 2.3.1 推理分析法 对于问题明确、内部结构和特性十分清楚的系统，可以利用已知的定律和定 理，经过一定的分析和推理，建立系统模型。例如，流通加工中的下料问题，就 可以根据裁剪后的余料最少建立数学模型。 6 CH4 物流系统建模 2.3.2 统计分析法 对于那些内部结构和特性不很清楚，且又不能直接进行实验观察的系统（大 多数的物流系统及其他非工程系统就属于此类） ，可以采用数据收集和统计分析 的方法，建立系统模型。 2.3.3 人工模拟法 当系统结构复杂，性质不太明确，缺乏足够的数据、且无法进行实验观察时， 可借助一些人工方法，如模拟仿真法或启发式方法，逐步建

16、立物流系统模型。 2.4 物流系统建模的步骤 不同条件下的建模方法虽然不同， 但是建模的全过程始终离不开了解实际系 统、掌握真实情况、抓住主要因素、弄清变量关系、构造模型、反馈使用效果、 不断修改改进以逐步向真实逼近。因此，建立模型的步骤可以归纳为以下几步。 （1）弄清问题，掌握真实情况 要清晰准确地了解系统的规模、目的和范围以及判定准则，确定输出输入变 量及其表达形式。对于经济模型而言，要根据有关经济理论，假定结构方程，确 （2）搜集资料 搜集真实可靠的资料，全貌掌握资料，对资料进行分类，概括出本质内涵， 分清主次变量，把已研究过或成熟的经验知识或实例，进行挑选作为基本资料， 供新模型选择和借鉴。将本质因素的数量关系，尽可能用数学语言来表达。 （3） 确定因素之间的关系 确定本质因素之间的相互关系，列出必要的表格，绘制图形和曲线等。 （4） 构造模型 在充分掌握了资料的基础上，根据系统的特征和服务对象，构造一个能代表 所研究系统的数量变换数学模型。这个模型可能是初步的、简单的，如初等函数 模型。 （5） 求解模型 用解析法或数值法求解模型最优解。对于较复杂的模型，有时