第3章物流系统建模及模型化技术

河北农业大学商学院1第三章物流系统建模及模型化技术系统模型的概念及分类物流系统模型的建立结构模型化技术——解释结构模型河北农业大学商学院23.1系统模型概念及分类一、对模型的认识二、物流系统模型的定义三、模型的分类3一、对模型的认识456)(...,,2,10)(,,2,10)(..)(min***2*1*XFxxxXpvxhmuXgtsRDXXFTnvun最优值，，，最优解求优化设计模型一般的优化设计模型可以表示如下：7从以上实例中，可以看出模型有以下特点：模型反映了真实系统的特征及其变化规律模型是实体的抽象或模仿模型反映同类事物的共性模型忽略了与分析无关的因素8现实世界的系统原型模型（数学模型）结论现实世界的分析、预测、决策、控制现实世界与模型的关系抽象、翻译分析求解解释现实问题比较检验模型9模型：模型是对真实系统的特征及其变化规律的一种表示或抽象，而且往往是对系统中那些所要研究的特征的抽象。二、模型的定义10物流系统模型：物流系统模型是对物流系统的特征要素、相关信息和变化规律的一种抽象表述，反映物流系统某些本质属性。11物流系统模型的特征：（1）是物流系统中现实实体的抽象或模仿；（2）由一些与物流系统分析有关的因素所组成；（3）用来表明物流系统中各因素间的关系。建立模型的目的就在于通过模型将复杂的事物简单化，通过模型认识和掌握系统规律和特征。12三按模型形式进行的详细分类河北农业大学商学院133.2物流系统模型的建立一、物流系统建模原则二、物流系统建模思路三、物流系统建模步骤四、建立数学模型的注意事项141．准确性（本质规律）2．可靠性（精确度）3．简明性4．实用性（标准化、规范化，要尽量采用已有的模型）5．反馈性（由浅入深、循序渐进）一、物流系统建模原则15教师（S1）提供资源(S4)学习任务(S3)评价指标(S5)学生(S2)学生作品(S6)意义建构(S7)任务驱动的教学过程模型16二、物流系统建模思路模型变量，通常都包括有可控变量和不可控变量。模型表示如下：U=f(xi,yi)式中：U——描述系统功能的效用或准则值，也叫作目标函数；xi——可控变量；yi——不可控变量，对U有影响；f——目标函数U与变量xi,yi之间的关系函数。上面的关系式加上约束条件就形成一个完整的系统模型171．直接分析法当系统比较简单，问题很明确时，可按问题的性质直接建立模型。例1：面积为一定值的矩形中，周长最小时矩形各边的长度。解：因为是矩形，其对边两两相等。设其—边长为x．邻边长为y，则周长L=2（x+y）。设矩形面积为A。则有A＝xy或y＝A／x（约束条件）把上式代人周长L的关系式，可得L＝2(x十y)＝2(x十A／x)（目标函数）上式中A是定值，即A是不可控变量。欲求L最小时的x值，可用x的一阶导数为零来求解。最后可解得x=y。结果：要保持面积A不变而周长L最小时，x与y应相等，即正方形。18例2最佳库址选择问题。某矿拟建一新供应仓库供应Pi(i＝1，2，…，n)个井口、厂用料。从新库到各用料点的运输费用与运输量和运输距离的乘积成正比。已知各用料点的物资需用量为Wi(i＝1，2，…，n)。应如何选择新库的位置，才能使总运输费用最低。解:如图3-2所示，图中P1，P2，…，Pn分别表示各用料点的位置；P（x，y）为新选库址。19根据本题的要求，用直接分析法可以得出：从仓库P（x,y）到用料点Pi(xi,yi)运输距离为：（两点间的距离公式）从仓库P（x,y）到用料点Pi(xi,yi)运输费用为：（根据题目，运输费用与运输量和运输距离的乘积成正比）前面是一个点的运输费用，当有n个用料点时，总的运输费用为：（将每个点的费用求和）上式中S表示总运输费用，即是我们需要的目标函数，按题意是求它的最小值，即min(s)。22)()(yyxxLiii22)()(yyxxWLWMiiiiiiniiiiniyyxxWMS1221i)()(202．数据分析法当系统结构的性质尚不够清楚，可以通过分析已有的数据或试验数据建立系统的模型，这种建立模型的思路就是数据分析法。回归分析是一种常用的数据分析建模法例如:213.实验分析法例：分析某种产品广告费用与销售量的关系（局部实验推广到整体）现有的数据分析不能确定个别变量对整个系统的影响，又不可能做大量试验时，可以在系统上作局部试验，确定关键变量，弄清楚其本质特性及其影响。224.主观想象法（经验法）当系统结构性质不明确，又无足够的数据，系统上又无法做实验，对这类问题，可以利用“主观想象”来人为地实现一个模型。23三、物流系统建模步骤（1）弄清问题，掌握原型的真实特征（2）搜集资料（3）确定因素之间的关系（4）构造模型（5）求解模型（6）检验模型的正确性24四、建立数学模型的注意事项1．从尽可能简单的模型出发2．理解系统所具有的物理法则3．利用己知的数学模型河北农业大学商学院253.3结构模型化技术一、概述二、解释结构模型（ISM）（InterpretativeStructuralModelling）三、ISM的应用26一、概述（一)结构模型概念及性质结构模型：应用有向连接图来描述系统各要素间的关系，以表示一个作为要素集合体的系统的模型。基本性质：1.结构模型是一种几何模型；2.结构模型是一种以定性分析为主的模型；3.结构模型即可用有向连接图描述，又可用矩阵形式来表示；4.结构模型处于数学模型形式和文章表现的逻辑分析形式之间。27(二)结构模型化技术（教材P35图）结构决定技术问题发掘技术脚本法专家调查法发想法集团启发法关联树法解释结构模型（ISM）决策实验与评价实验室系统开发计划程序静态结构化技术交叉影响分析凯恩仿真模型快速仿真模型系统动力学（SD）工作设计动态结构化技术河北农业大学商学院283.3结构模型化技术一、概述二、解释结构模型（ISM）（InterpretativeStructuralModelling）三、ISM的应用29二、解释结构模型（ISM）（一）图的基本概念（二）图的矩阵表示法（三）ISM的建模步骤适用范围：变量众多、关系复杂、结构不清晰的系统30•（一）图的基本概念1.有向图形——由节点和若干有向边联结而成的图形。节点——利用一个圆圈代表系统中的一个要素，圆圈标有该要素的符号；有向边——用带有箭头的线段表示要素之间的影响。箭头代表影响的方向。2.回路——有向连接图的两个节点之间的边多于一条时，就构成了回路。3.环4.树5.关联树31例：在教育技术应用中的计算机辅助教学（CAI）其过程可以简单表示为：教师设计CAI课件提供给学生自主学习，CAI课件通过计算机向学生显示教学内容，并对学生提问，学生根据计算机的提问作出反应回答。这样一类CAI活动过程，我们可以用图1表示。TMS教师计算机多媒体学生图1CAI系统结构模型32（二）图的矩阵表示法1.邻接矩阵对于一个有向图，我们可以用一个m×m方形矩阵来表示。m为系统要素的个数。矩阵的每一行和每一列对应图中一个节点（系统要素）。规定：要素Si对Sj有影响时，矩阵元素aij为1，要素Si对Sj无影响时，矩阵元素aij为0。即（1）对于图1中，m=3即可构成一个3×3的方形矩阵，表示为：,0,1无影响时对当有影响时对当jijiijSSSSa333231232221131211aaaaaaaaaA33根据式（1）则用矩阵表示为：上述这种与有向图形对应的，并用1和0表现元素的矩阵称为邻接矩阵010100010SMTASMT34S1S4S2S3S5000000001000010100001110054321sssssAS1S2S3S4S5图2有向连接图35邻接矩阵描述了系统各要素之间直接关系，它具有如下性质：⒈邻接矩阵和有向图是同一系统结构的两种不同表达形式。矩阵与图一一对应，有向图形确定，邻接矩阵也就唯一确定。反之，邻接矩阵确定，有向图形也就唯一确定。⒉邻接矩阵的矩阵元素只能是1和0，它属于布尔矩阵。布尔矩阵的运算主要有逻辑和运算以及逻辑乘运算，即：0+0=00+1=11+1=11×0=00×1=01×1=1⒊在邻接矩阵中，如果第j列元素全部都为0，则这一列所对应的要素Sj可确定为该系统的输入端。例如，上述矩阵A中，对应S1列全部为0，要素S1可确定为系统的输入端（汇）。⒋在邻接矩阵中，如果第i行元素全部都为0，则这一行所对应的要素Si可确定为该系统的输出端。例如，上述矩阵A中，对应S5行全部为0，要素S5可确定为系统的输出端（源）。362.可达矩阵如果一个矩阵，仅其对角线元素为1，其他元素均为0，这样的矩阵称为单位矩阵，用I表示。根据布尔矩阵运算法则，37•（三）划分可达矩阵（区域、层级）381.建立邻接矩阵（上三角阵）2.计算可达矩阵3.可达矩阵的划分（1）区域的划分（Π1）（2）级间的划分（Π2）（3）强连通块的划分4.求缩减可达矩阵M`5.骨干阵S（最少边的可达矩阵）6.做出递阶有向图•（四）ISM的计算步骤39设定问题、形成意识模型找出影响要素要素关系分析（上三角阵）建立可达矩阵(R)和缩减矩阵（M/）矩阵层次化处理(ML/)绘制多级递阶有向图建立解释结构模型分析报告比较/F学习图3ISM的建模步骤•（五）ISM的建模步骤河北农业大学商学院403.3结构模型化技术一、概述二、解释结构模型（ISM）（InterpretativeStructuralModelling）三、ISM的应用41•（一）ISM的工作程序1.组建ISM实施小组2.设定关键问题，选择影响关键问题的导致因素3.列举各导致因素的相关性4.根据各要素的相关性，建立邻接矩阵和可达矩阵5.对可达矩阵分解后，建立结构模型6.根据结构模型建立解释结构模型42（二）ISM的应用（举例）4344经过对比研究,确定关键问题为市场需求约束物流产业的发展(S0),影响因素为12项,分别为:企业和社会对物流产业缺乏正确和充足的认识(S1);物流和配送方面的人才短缺(S2);物流业发展所需的制度环境和改革法规政策尚未完善(S3);缺少综合性物流服务(S4);分散的物流管理和流通体制的制约(S5);对物流产业的认识存在偏差(S6);物流产业的管理模式不合理(S7);物流业整体服务质量较低(S8);对物流产业的基础理论研究落后(S9);政府管理分散,政策、法规不够统一(S10);物流基础设施的建设与物流产业的发展不适应(S11);物流管理和技术人才欠缺(S12)。45经小组成员讨论得出各要素间关系（邻接矩阵）46计算得到可达矩阵4748495051525354555657以任务驱动式教学过程模式为例（一）系统要素分析任务驱动式教学过程：是指教师根据教学目标和学生实际向学生提出学习任务，同时提供完成任务所需要的学习资源和相关材料，要求学生利用资源完成一个作品，教师还提供对作品的评价指标体系并对学生作品作出评价，要求学生在完成作品和理解教师对作品的评价意见之后，形成有意义的知识，即完成知识的建构。我们可以把上述教学过程分解为：教师活动、学生活动、学习任务、学习资源、学生作品、评价指标、知识建构等7个活动要素。这些要素之间的存在着直接的因果关系。如教师提出学习任务、提供学习资源、建立作品评价指标等。我们把每一个因素（Si）分别与其他因素进行比较，如果存在直接因果关系的，如表1所示。•（二）ISM的应用（举例）58表1要素关系表教师学生学习任务学习资源评价指标学生作品知识建构教师S1○提出任务○提供资源○制定指标学生S2○完成任务○形成知识学习任务S3○驱动学习学习资源S4○学生利用评价指标S5○评价作品学生作品S6○学习结果意义建构S759（二）建立邻接矩阵根据要素关系表建立邻接矩阵A：7654321SSSSSSS00000001000000010000