摘要：在大量物流文献的基础上，分别归纳总结了宏观物流系统和微观物流系统建模与仿真的研究内容、研究范围和技术方法；在此基础上对两者进行比较分析，指出在物流系统建模与仿真领域宏观物流系统和微观物流系统研究的异同。
关键词：物流系统；建模；仿真；研究综述
中图分类号：TP315 文献标识码：A
文章编号：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
随着物流系统变得越来越复杂并且内部关联性越来越强，建模与仿真已经成为检验物流系统及决策是否高效的主要技术之一。在设计一个新的物流系统或对原有系统添加新设备或重新优化时，建模仿真是非常必要的，同时仿真还可以提供直觉的和经验的决策支持。因此，20世纪80年代特别是近十年，越来越多的建模与仿真成功地被应用于对各种类型的物流系统的规划设计和营运管理提供决策信息。
物流模型按照物流系统涉及的领域可分为宏观物流系统模型和微观物流系统模型。在研究过程中，要根据不同的研究对象以及不同的侧重点来选择合适的建模仿真方法来对其进行研究。
1宏观物流系统建模与仿真
1.1宏观物流系统建模与仿真的研究内容
基于建模与仿真的方法对宏观物流系统进行研究主要集中在供应链物流和区域物流这两大方面。
供应链管理是一种为适应市场全球化和客户需求多样化而产生的一种管理技术，它能够有效地协调和控制供应链上物料流、信息流、价值流，保持灵活和稳定的供需关系，使整个供应链上企业效益最大化。为了更好地实施供应链管理技术，研究供应链建模技术，建立相应的供应链运作参考模型以实现供应链的优化是十分必要的。
在有关供应链的研究中，供应链的选择与优化已成为研究重点之一，文献[2]仿真的供应链强调上游及下游企业间的信息共享与相互协作，并根据供应链中不同的信息做出相应的决策。它将整个供应链分为三层结构，即供应商、制造商和销售商，此外还有运输商负责不同层面之间的联系，并通过建模仿真对系统进行优化，提高系统的整体适应能力。
随着电子商务的逐步普及，面向制造企业的传统供应链的结构发生了变化，文献[3]运用优化方法理论从供应链的系统性和整体性视角出发，对此种供应链的结构进行详细的建模和仿真研究，寻找具体的决策优化方法，并探讨了其中的目标函数、约束条件等关键性问题。
文献[4]在分析供应链管理的基础上，提出“一流二网三关系”的供应链建模思想：“一流”指订单信息流；“二网”指物流网和资源网：“三关系”指客户关系、动态关系和集成关系。同时对供应链建模的混合整数规划和统一优化方法论作了阐述，为供应链的建模提供了较为实用的方法。
在二级供应链研究方面，文献[5]研究了服务销售系统的二级供应链模型，是关于设施选址和市场顾客配置的混合整数规划问题。在实例应用中，对奶制品零售分销的供应链问题进行了计算机仿真计算。
区域物流系统是一个复杂的社会子系统，是属于宏观物流系统的，它所涉及的问题是相互联系的，相互融合的。文献[6]分析了区域经济与区域物流的关系，将区域物流系统划分为5个模块：经济增长子构造、人口子构造、消费水平子构造、物流需求子构造、物流能力子构造，并在分析区域物流系统基本因果关系的基础上，建立了区域物流系统动力学模型。
1.2宏观物流系统建模与仿真的技术方法
对宏观物流系统的建模仿真，根据分析系统的侧重点不同研究者所使用的方法主要有Agent法、Petri网法等。
基于Agent的建模方法是一种先进的、有效的力法。用基于Agent的建模方法及其相关技术来研究复杂的供应链系统，可以为研究供应链系统的协调、集成和仿真等难点问题提供一些解决方案。
文献[7]重点讨论了基于Agent的建模理论、技术及其在供应链研究中的应用，并采用该研究成果对某大型水利工程的物资供应链系统进行了建模与仿真的实例研究。
除此之外，文献[2]将Agent技术与仿真技术相结合，提出了用多代理模型仿真供应链的方法，采用多代理系统开发工具JADE设计并实现了一个基于Agent的仿真模型，并成功地对一个供应链进行了仿真。同时，该文还提出了一种以限制控制量变化为目标，用神经网络在线优化控制矩阵R的DMC控制算法。该算法可有效地增大控制系统的鲁棒性，从而提高系统的适应能力。
Petri网模型方法作为一种数学和图形的描述分析工具，能够较好地描述复杂系统中常见的同步、并发、分布、冲突、资源共享等现象，已被广泛用于分布式系统、离散事件系统、柔性制造系统等领域，是进行离散事件动态系统建模、规范分析和设计的有效途径。在供应链物流系统中其应用也非常广泛。
文献[8]应用一般Petri网对供应链系统进行建模；文献[9]应用广义随机Petri网对整个供应链系统进行了建模分析，此Petri网模型可以描述各个供应商、运输商、核心企业、销售商之间的物质、资金、信息的流动关系，并利用Danamics软件对系统进行仿真，根据仿真结果对系统的整体性能进行了分析评估。
文献[10]考察了基于广义随机Petri网的供应链建模与分析技术，将广义随机Petri网（GSPN）的基本理论应用于供应链系统的建模和性能分析，利用GSPN与马尔可夫链的同构关系，采用Petri网与马尔可夫链理论相结合的供应链性能分析方法为供应链性能的有效评估提供了理论依据。
虚拟供应链仿真的基本思想和设计原则在文献[11]中被提出，这种基于有色广义随机Petri网的虚拟供应链仿真方法，可以定义库所、托肯、颜色相应的含义，规定Petri网的初始值设定方法和引发条件。
此外，有学者采用混合整数规划法对服务销售系统的二级供应链模型进行了研究[5]，并设计了适用于这种混合整数规划供应链管理决策的遗传算法。
2微观物流系统建模与仿真
2.1微观物流系统建模与仿真的研究内容
微观物流与宏观物流相对而言，侧重于对局部性的描述。例如，企业物流或者企业的生产物流、供应物流、销售物流、回收物流、废弃物物流等。采用建模与仿真的方法对微观物流系统的研究主要集中在企业物流、配送中心物流、港口物流等几大方面。
对企业物流的研究可以反映企业的整体生产状况，发现和预测生产中的瓶颈和关键路径，优化企业生产运行方案，以达到充分挖掘设备潜力、提高通过能力、降低库存水平、降低能耗、加快资金周转的目的。目前，对企业物流的研究主要集中在对企业生产线物流系统的研究。
文献[12]对某微型汽车厂总装车间的生产物流系统进行分析研究，在此基础上对其建模和仿真，在仿真过程中可以看到主要部件在装配线中所处的位置，能够判断装配各种零件所需要的时间，方便车间管理人员根据生产需求对生产线进行及时的调整。
文献[13]则以某炼钢厂全连铸改造后的生产调度问题为应用背景，研究了此炼钢生产物流系统的仿真建模与仿真运行问题。在此系统现有流程生产物流的输入条件下，分别对设备在正常生产以及正常检修两种不同条件下进行了仿真试验，得出系统正常运行所需的临界条件。
在现代物流系统中，配送中心是集物流、信息流和资金流为一体的流通型节点，是现代物流系统中的重要组成部分。对物流配送中心，特别是配送中心各个子系统的研究也越来越多。
在配送中心的多个子系统中，分拣系统是较为复杂的，同时又是其核心部分。文献[14]对物流分拣系统进行建模，主要对系统中的设备的选择进行研究讨论，着重描述了分拣设备的动态运行过程，以及速度的选择对分拣效率的影响。
文献[15]则是以配送中心的仓储系统为研究对象，建立了其数学模型并研制了计算机仿真软件。在软件平台上，只要给出库存初始参数和出库随机分布就可以清楚地看到库存量的动态变化过程，并预测达到库满或库空所需的时间。
在输送系统研究方面，文献[16]对物流输送系统进行三维动画仿真，在仿真程序中通过对设备参数设定，可以模拟出在这组参数下整个运输系统的繁忙状况及各设备的工作效率，从而对系统的输送能力做出评估。
在物流活动中，科学合理的货物配送路径选择是物流中心在最佳时间选择最佳路径为客户提供最佳服务的有效保证。文献[17]对货物配送最佳路径进行研究，为其建立了一个基于遗传算法的数学模型，并对该模型进行了较为深入的数学处理，给出了智能化配送的路径量化方法。
文献[18]对配送中心的自动化立体仓库可视化问题进行了探讨，采用基于虚拟现实的仿真辅助设计方法，建立了辅助自动化立体仓库设计的可视化仿真的模型，重点论述了辅助自动化立体仓库设计的可视化仿真的设计过程，并以某公司自动化立体仓库设计方案为例，使用该仿真辅助设计软件对方案进行优化调整。
港口作为全球综合运输网络的节点在发展现代物流中扮演着越来越重要的角色，港口逐渐以复合优势实现其现代物流中心的功能。对港口物流系统的研究，特别是集装箱物流港口已经成为物流领域的重要研究内容之一。
集装箱码头的物流系统仿真模型主要是用来评价规划建设中的或正在使用中的集装箱码头在一定设备资源条件下的生产能力、交通状况，同时可以识别系统瓶颈，提出改进策略。文献[19]基于离散事件动态系统理论，建立了集装箱码头物流系统的装卸流程模型和道路交通模型。
文献[20]对集装箱港口生产过程的三维可视化仿真建模及软件实现方法进行了研究，探讨了仿真软件中各个模块的实现方法等问题。通过这种方法可以反映出系统运行的状态，为码头工艺规划、生产过程设备配置等决策性问题提供依据。
文献[21]则对港口铁路运输系统进行研究，根据集装箱码头的生产作业特点，结合排队网络方法对国内某集装箱码头的港口铁路运输系统进行了仿真建模。在仿真模型的基础上，设计了几种不同工况下的模拟方案，通过对各个方案的模拟结果进行分析，得出各种不同的设备配置对港口铁路运输能力的影响情况。
2.2微观物流系统建模与仿真的技术方法
针对微观物流系统的研究对象的特性，学者普遍采用的建模仿真方法有Petri网法、Agent法、马尔可夫链法、遗传算法等。
在Petri网的应用方面，文献[22]针对较为复杂的企业内部物流系统，采用分层有色Petri网进行建模，此方法使得系统的模型清晰并且易于实现模块化，解决了复杂系统的综合和模型可重用性差的问题。有学者[14]则是基于着色Petri网和面向对象相结合的方法对系统进行研究，运用此种方法可以直观地找到系统中的缺陷，通过对系统的修改、调整达到优化的目的。
有学者应用Agent法，提出了一种基于多Agent的制造企业物流系统建模方法[23]，为制造企业实现物流管理提供了一种控制模式。用这种方法对制造企业物流进行建模，较好地解决模拟人对多样性、复杂性问题智能活动的适应能力，此种建模方法适用于对制造企业物流系统等的复杂系统进行研究。
文献[15]将马尔可夫链用于仓储系统的建模，根据系统的马尔可夫性质建立了系统的数学模型，并对其进行仿真，在仿真界面下，根据需求输入不同的参数，运行模型可以直观地得到每个时段的库存状态，经过分析可得到整个仿真期间内库存量的变化规律。
文献[17]则是在对传统算法讨论的基础上提出了一种基于遗传算法的物流路径选择的建模方法，由于遗传算法实行全局并行搜索，搜索空间大，从而易于找到最优解。在实例应用中可以看出，遗传算法应用于物流的建模仿真较好地满足了不同类型的约束要求，能较早地找到满足条件的群体。
在港口物流系统建模仿真方面，文献[19]根据集装箱码头的作业流程，采用Petri网建立了集装箱码头物流系统的动态流程模型，并在离散事件动态系统仿真软件WITNESS的平台上建立了仿真模型。该模型以彩色动画显示，既可观察整个码头的生产动态，又可分析局部位置的作业流程。
文献[24]在港口物流系统仿真领域中，引入了自动建模技术，运用C语言进行软件研制，实现了交互式系统描述与自动建模的基本构造及功能。
针对港口物流系统离散性、随机性的特点以及系统仿真模型场景复杂的问题，文献[20]对基于虚拟环境的集装箱码头三维仿真建模及软件开发进行了研究。在虚拟现实软件基础上进行了二次开发，所研制出的仿真软件CTDSS实现了港口生产过程中实时动画生成及参数控制的功能。
3宏观物流系统与微观物流系统的研究比较
由上文的综述可知，在建模仿真的研究内容层面上来看，宏观物流与微观物流有着各自不同的侧重点，宏观物流以整体性、全局性为着重点，微观物流则侧重考虑系统内部的元素，以局部性的，个别性的物流为研究对象。在建模仿真的研究方法层面上来看，不论是对宏观物流系统还是对微观物流系统，学者们大多数使用的还是普遍的系统建模仿真的研究方法，如排队网络法、Petri网法、Agent法、马尔可夫链法、遗传算法、混合整数规划法等。
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