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计算机仿真技术发展及其在物流行业中的应用展望

计算机仿真是人类认识世界和改造世界的重要手段，其在物流行业的

应用，有助于有效地提高作业效率，降低作业成本，加强供应链管理能力

以及运营管理的灵活性。随着物流行业生产自动化与智能化水平的不断提

高，系统越来越复杂，节奏越来越快，不仅对物流系统仿真的需求进一步

加大，更需要新的计算机仿真技术支撑。对此，本刊特邀计算机仿真领域

专家——清华大学自动化系范文慧教授撰文，希望能给业内提供参考借鉴。

计算机仿真内涵及其相关概念

1.什么是计算机仿真

计算机仿真是以实际系统为对象，以模型理论为基础，以计算机为工

具，根据研究目标，建立并运行模型，对研究对象进行认识与改造的过程。

实际系统是研究的对象，模型是实际系统的本质抽象和简化，仿真是计算

机模型的实验。计算机仿真有三个基本要素：系统（实际）、模型（数学）

与工具（计算机）；计算机仿真有三个基本活动：系统建模（一次建模）、

仿真建模（二次建模）与仿真实验；计算机仿真模型的校验与验证是仿真

不可或缺的组成部分，也是仿真能否解决实际问题的关键。计算机仿真具

有其他学科难以替代的求解高度复杂问题的能力。

仿真的基本要素与基本活动

（1）系统

系统是具有特定的功能，按照某些规律结合起来，互相作用、互相依

存的所有实体的集合或总和。系统可以被划分为连续时间系统、离散事件

系统和复杂系统三类。“连续系统”是指状态变量随时间连续改变的系统，

如控制系统、力学系统等；“离散系统”是指其状态变量只在某个离散时

间点集合上发生变化的系统，如排队系统和库存系统等；“复杂系统”是

由大量单元互相作用组成的系统，其活动呈现非线性，往往形成具备无数

层级的复杂组织，例如生态系统、城市系统等等。

（2）模型

模型是实际系统本质的抽象与简化。模型可以划分为连续系统模型、

离散事件系统和复杂系统模型。连续系统模型包括常微分方程模型和偏微

分仿真模型等；离散事件系统模型包括实体流图、活动扫描图、进程交互

图等；复杂系统模型包括元胞自动机模型、基于智能体（Agent）的模型

和系统动力学模型等。开发模型的目的是用模型作为替代来帮助人们对原

物进行假设、定义、探究、理解、预测、设计，或者与原物某一部分进行

通讯。通过模型试验可以很好地解决这些问题，与通过实物系统试验相比，

模型通常更易于理解，模型结构的变化更容易实现，模型的行为特性更易

于掌握。因此，在模型上进行试验已经成为人们科学研究与工程实践中不

可缺少的手段。

（3）工具

工具是仿真的三个要素之一，可以分为高级语言工具、专用语言工具

和平台工具三类；常用的仿真平台软件如下：连续系统有ACSL、Matlab、

SimApp、Simgua、SLAM、VisSim、AMESim、Modelica、Simulink、Ansys、

Fluent等；离散事件系统软件平台有AutoMod、eM-Plant、Arena、GASP、

Witness、Flexsim、SIMSCRIPTII.5等；复杂系统软件平台有NetLogo、

Swarm、Repast、AnyLogic、Vensim、iThink、DYNAMO等。计算机工具包

括PC机，专用仿真机、高性能计算机等。

2.计算机仿真的分类

（1）根据时间特性，计算机仿真分为实时仿真、亚实时仿真和超实

时仿真。

实时仿真，即仿真时钟与实际时钟完全一致，也就是模型仿真的速度

与实际系统运行的速度相同。当被仿真的系统中存在物理模型或实物时，

必须进行实时仿真，例如各种训练仿真器就是这样，也称为硬件在回路中

（Hardwareintheloop）仿真。

亚实时仿真，即仿真时钟慢于实际时钟，也就是模型仿真的速度慢于

实际系统运行的速度。当对仿真速度要求不苛刻的情况下均是亚实时仿真，

例如大多数系统离线研究与分析，有时也称为离线仿真。

超实时仿真，即仿真时钟快于实际时钟，也就是模型仿真的速度快于

实际系统运行的速度。例如大气环流的仿真，交通系统的仿真等等。

（2）根据系统特性，计算机仿真分为连续系统仿真、离散事件系统

仿真和复杂系统仿真。

连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统。连续系统的模型按其

数学描述可