物流仿真PPT课件

1、学习引导 没有可信度的模型和仿真系统毫无意义，甚至会导致错误的决策； 我们如何向别人证明我们的建模与仿真工作是值得信赖的，是有价值的呢？ 至少要在二个层面上说明我们的工作值得信赖，才可以得到认可和信任，仿真工作才可以“验收”。实际 系统 系统 模型 仿真 模型 认可？信赖？认可？信赖？ 等价？可信？等价？可信？ 正确？可信？正确？可信？12validationverificationaccreditation第1页/共46页仿真数据分析 终态（terminating）仿真 在模型中明确地规定了仿真开始和结束条件的仿真。这些条件是目标系统实际运行模式的反映，即仿真模型可在某个定义好的规则或是条件

2、下终止。 稳态（steady-state）仿真 对于数量的估计是建立在长期运行的基础上的，理论上运行时间是趋于无穷的。通常很多物流系统都是由初始状态慢慢到达一个稳定的状态，而稳态仿真所关注的就是这个稳定的状态。 第2页/共46页仿真数据分析 对于终态仿真，常常采用所谓的中断式系统（Terminating System），即将系统仿真特定的时间，当E事件发生时，系统就停止仿真。此类仿真系统从时间为0且在一特定的起始状态下开始仿真，并在时间为时停止。下面要说明中断式系统进行终态仿真时对仿真输出分析的统计方法和步骤。 在进行终态仿真时，如果需要通过仿真来估计参数的值，此时一般采用独立重复法，通过仿真

3、模型做次独立重复实验。 第3页/共46页终态仿真数据分析 RRiiR11RiRiS1221)(RiiRRRS1222)() 1(1)(样本均值：样本偏差：样本偏差估计值：第4页/共46页终态仿真数据分析 )() 1()() 1(2/2/RtRt在100（1 ）的信赖度下，的信赖区间为： 第5页/共46页终态仿真数据分析 假设需要求得ATM取款机的利用率和顾客取款的时间周期，仿真5次，得到仿真结果如下,求拥有95信心的ATM利用率和顾客平均取款周期的置信区间。 仿真次数ATM利用率平均取款周期（分钟）10.94253.620.96433.830.89764.540.90563.450.88764

4、.4第6页/共46页终态仿真数据分析 经过仿真后ATM利用率的估计值为： 9195. 058876. 09056. 08976. 09643. 09425. 0p经过仿真后ATM利用率的变异量估计值为： 2222)0145. 0(54)9195. 08876. 0()9195. 09425. 0()()4(025. 0t查表可知 2.78 拥有95信心的ATM利用率的置信区间为： 0145. 078. 29195. 00.01452.78-0.9195p第7页/共46页终态仿真数据分析 经过仿真后顾客平均等待时间的估计值为： 经过仿真后顾客平均等待时间的变异量估计值为： )4(025. 0t查

5、表可知 2.78 拥有95信心的顾客平均等待时间的置信区间为： 94. 354 . 44 . 35 . 48 . 36 . 3p2222)976. 0(54)94. 34 . 4()94. 36 . 3()(976. 078. 294. 30.9762.78-3.94p第8页/共46页稳态仿真数据分析 1x2x对非中断系统来说，为了观察系统长期的特性，考虑将仿真时间设定为0至无限长。仿真一次，产生、无限多个观察值，其期望值为： niinYn11lim0T0TET稳态仿真可以分为两个阶段，第一阶段为仿真过渡期，时间由0到这一时期为系统由初始状态到稳定状态的过渡时期。这一时间段不需收集仿真数据；第

6、二阶段为系统的稳态阶段，该阶段时间在，）之间。这一阶段为仿真数据的收集阶段(第9页/共46页稳态仿真数据分析),(_dnrndjrjdn11假设预热期得到d个观察值，则单次仿真点估计可定义为：RrrdnR1_,1RrrRR122)1(1) 1() 1(22RtRt仿真统计值的变异量为： 在100（1）的置信度下，的置信区间为：第10页/共46页 观察值次数123456789101113.113.774.123.833.864.034.153.724.014.033.7523.243.893.854.013.924.143.954.244.033.853.7634.143.873.944.173

7、.923.773.713.874.023.753.8643.443.843.874.023.943.753.913.824.053.763.9353.263.823.853.843.943.873.984.014.033.793.8863.353.813.874.094.053.844.054.143.783.753.8673.264.023.883.924.013.763.843.873.934.043.8583.573.793.933.753.943.873.923.753.944.123.9093.764.053.923.773.893.983.843.904.073.853.75103

8、.273.843.873.963.753.763.793.794.064.013.93以ATM取款机为例，假设做了10次仿真试验，每次仿真针对顾客平均等待周期收集了15个观察值，如下表所示。 第11页/共46页稳态仿真数据分析927. 31075. 377. 3) 1 ,11(_1964. 31076. 389. 3) 1 ,11(_2888. 31086. 387. 3) 1 ,11(_3889. 31093. 384. 3) 1 ,11(_4901. 31088. 382. 3) 1 ,11(_5924. 31086. 381. 3) 1 ,11(_6912. 31085. 302. 4)

9、 1 ,11(_7891. 31090. 379. 3) 1 ,11(_8902. 31075. 305. 4) 1 ,11(_9876. 31093. 384. 3) 1 ,11(_10第12页/共46页稳态仿真数据分析0.003)110(101)9(025.0t顾客平均等待时间的稳态仿真结果为：3.9070.00582.263.907+2.260.0058。 3.907-2.260.005895的信赖区间为： 顾客平均等待时间的变异量为：查表得： 第13页/共46页两系统比较分析 ii121212以表示不同系统的平均等待时间，其中经过仿真后，方案一的取款人平均等待时间为，方案二的平均等待时

10、间为。假设需要对这两个方案进行比较，常用的方法是对的差异进行分析，也就是求得的点估计与信赖区间。 表示不同的系统设计方案。第14页/共46页iYiRrriiYR11 2SiRriririRYY1211 12在100（1）的置信度下，的置信区间为：21YY2221212121222121)()(22RSRSvtYYRSRSvt 第15页/共46页。1212121若的信赖区间完全落在零点左方，则有充分证据说明0,即有充分信心说明0,即有充分信心说明123若的信赖区间包括零点，则则没有充分证据表示两系统之间有明显差异。第16页/共46页仿真模型的验证与分析 1、VV&A的基本概念 2、 VV

11、&A的一般原则 英文关键词 Verification - 验证（校验） Validation - 确认 Accreditation - 认定（验收） Certification - 鉴定第17页/共46页1、VV&A的基本概念 (1) 模型X的Validation是指： “对模型X的行为准确度(Accuracy)的评估, 即模型X的行为足够准确地表达了对象系统(即源系统)的行为吗?” 所回答的问题是：“是否生成了能够被认可的等价的模型X?” 模型X确认的参照物是源对象系统（实际系统或设计的系统）的行为。 第18页/共46页 (2) 模型X的Verification是指： “对模

12、型X的变换准确度(Accuracy)的评估, 即由模型X变换成模型X时, 这种变换准确吗?” 回答的问题是：“是否正确地由X生成了X?” 模型X验证的参照物是X的前驱X。 第19页/共46页 Validation和verification是在二个基本层面上的可信性证明工作： 1）建立的模型和仿真系统是符合实际的：即，模型在研究目的允许的范围内等价地代表了已存在的实际系统或规划设计的未来系统模型与要研究的系统逻辑等价； 2）建立的仿真模型是正确的：即建立的仿真模型、所写的计算机程序是正确的，在一定程度上实现了本来想要建立的模型的目的计算机建模本身正确；第20页/共46页 (3) Accredit

13、ation 美国防部(DoD)的M&S小组定义为“官方鉴定，一个模型、仿真或二者共同对用户的特定用途是可接受的”。 (4) Certification 推荐阅读文献： 【1】Robert G. Sargent. Verification, Validation, and Accreditation of Simulation Models. Proceedings of the 2000 Winter Simulation Conference. J. A. Joines, R. R. Barton, K. Kang, and P. A. Fishwick, eds. 50:59 【2

14、】王仁春,李昊,戴金海. 系统建模与仿真应用的校验、确认与验收. 计算机仿真. 2007,24(5):58-61第21页/共46页 （5）与VV&A相关的几个概念： 模型测试 model testing 通过给定某些数据或案例，来判断模型中是否存在错误，或者不精确、不准确的性质或状况。 在保证测试方法和手段正确的前提下，测试失败模型错误； 仿真精度 simulation accuracy 系统仿真精度（往往以误差的形式描述）体现为仿真系统达到的静态、动态指标与实际系统、规定的或期望的静态、动态指标之间的误差或允许误差。 仿真逼真度（置信度） simulation fidelity 在特

15、定建模目的意义下，模型与原型的相似程度。第22页/共46页2、 VV&A的一般原则美国国防部发美国国防部发表了表了12条基本条基本原则原则Osman Balci等总等总结了结了15条原则条原则相对正确原则全生命周期原则有限目标原则必要不充分原则全局性原则局部性原则程度性原则创造性原则良好计划和记录原则分析性原则相对独立性原则数据正确性原则第23页/共46页VV&A方法的性价比问题 模型可信性与建模费用之间的矛盾与均衡； 这体现在前述部分原则上：相对正确原则有限目标原则必要不充分原则程度性原则 也体现在对具体方法的选择上第24页/共46页 VV&A作用于M&S生命

16、周期 1. V&V在M&S中的逻辑关系和时间关系 2. VV&A作用于M&S全生命周期第25页/共46页引导系统仿真步骤：1、确定仿真目标 2、系统调研 3、建立系统模型 4、确定仿真算法 5、建立仿真模型 6、模型验证与模型确认 7、运行仿真模型 8、仿真结果分析9、仿真结果输出 但实际上VV&A不是M&S中的一个阶段，而是个贯穿于M&S生命周期始末的持续过程。M&S生命周期中的各种错误应当尽早地被发现并加以修正。第26页/共46页experimenting系统理论概念模型仿真模型描述仿真模型仿真模型数据结果系统数据结果系统(问

17、题实体)abstractinghypothesizingTheoryvalidationOperational (results) validationConceptional model validationhypothesizingmodelingexperimentingspecifingimplementingspecificationverificationimplementationverification系统实验目标系统实验目标所需额外的实验所需额外的实验（测试）（测试）仿真实验目标仿真实验目标真实世界真实世界仿真世界仿真世界从真实世界到仿真世界的校验与确认第27页/共46页时间

18、上是并行进行的；既有阶段性偏重，又都贯穿于M&S全生命周期交互迭代反复修改校验的过程实际系统概念模型1. 关于系统成分的假设；2. 结构假设，定义系统成分之间的相互作用；3. 输入参数和数据假设。建立计算机模型和运行模型概念确认模型验证1. V&V在M&S中的逻辑关系和时间关系工人休息的权力实体打包工序的实体关系确认验证确认验证确认确认第28页/共46页VVA作用于M&S生命周期第29页/共46页三、建模与仿真的确认与验证技术及方法分类 应用于贯穿整个建模与仿真过程的V&V技术可粗略分为四大类： 非正式方法 正式方法 静态方法 动态方法 推荐参考文献 【

19、4】贾仁耀,刘湘伟. 建模与仿真的校核与验证技术综述. 计算机仿真. 2007,24(4):49-52 第30页/共46页 1 非正式方法 “非正式方法”在VV&A中最常用, 是正规的指导下的非常有效的方法, 但它的缺点是严重依赖于人的推理与主观判断。如： 审核法：如领域专家审核过程 检查法：如程序员自查 表面验证法：直观上认为合理 图灵测试：判断仿真与实际系统的差别以检验仿真第31页/共46页 2 正式方法 “正式方法”是基于正确性的正式的数学证明。 但由于当前的正式证明技术的局限性, 在略为复杂的实际建模与仿真中还无法应用。如： 归纳 推理 逻辑演绎 正确性证明 谓词运算 谓词变换

20、第32页/共46页 3 静态方法 “静态方法”评估静态模型设计和源代码，不需要模型的机器执行，需要手工执行。应用广泛。 静态技术可以校核验证大量信息，如模型结构、建模技术、模型中的数据、控制流和语法精度等。如： 结构分析 因果图 数据流分析 语法分析 语义分析 控制分析第33页/共46页 4 动态方法 “动态方法”需要模型执行, 大多数动态方法需要加入模型探测器, 即在执行模型中加入附加的代码, 以收集模型执行中行为的信息。探测位置是在模型静态结构分析的基础上, 手工或自动获得的。 这种方法是实际中较为有效的方法。如： 白盒法：测试人员了解程序内部结构和处理过程； 黑盒法：测试人员完全不考虑程

21、序的内部结构和处理过程，只在软件接口处进行测试，是否满足功能要求；第34页/共46页四、常用的verification和validation方法动态关联动态关联分析法分析法数理统计方法数理统计方法时时频频分析法分析法其它方法其它方法参数估计法 参数假设检验 非参数检验TIC不等式系统不等式系统灰色关联分析灰色关联分析回归分析回归分析点估计点估计区间估计区间估计最小二乘法最小二乘法极大似然法极大似然法贝叶斯估计贝叶斯估计t检验检验F检验检验 2检验检验贝叶斯方法贝叶斯方法符号检验符号检验秩和检验秩和检验游程检验游程检验序贯检验序贯检验时间序列时间序列古典谱分析古典谱分析现代谱分析现代谱分析小波分

22、析小波分析经验评估经验评估灵敏度分析灵敏度分析模糊方法模糊方法Validation 的正规方法第35页/共46页 Verification的一些建议方法（1）运行模型，由建模者以外的人员（软件方面的专家）校验；（2）画一个详细的流程图，详细到系统逻辑上的每一个事件与活动，以检验模型和实际系统的差别；（3）通过记录打印模型输入参数，确信这些参数在模型中使用时，没有被修改过；（4）输入-输出分析与检查（改变参数对比分析、历史数据输入输出分析）；第36页/共46页（5）手工追踪系统实体与参数（仿真结果与手工计算结果比较）；（6）使模型结构规范化，变量、子模块、函数、程序等结构清楚，描述注释清楚；（7

23、）如果有动画，可从动画过程检查模型，往往能发现问题；（8）使用交互式运行控制器或调试器，帮助找到和纠正错误；（9）建议使用图形化界面，以快速准确理解模型，从而检验确认；第37页/共46页讨论 讨论案例：打包(装配)工序的建模与仿真 任务：研究一个打包(装配)工序，以了解该工序的工作效率； 你根据自己的思路，写了一段仿真程序。 你的同学以一种与你完全不同的思路和方法，也写了一段仿真程序。 现在，由你来对你自己和你同学的建模仿真工作进行VV&A评价，你主要做哪些工作？第38页/共46页开放式讨论 validation和verification究竟什么意思？含义区别在哪里？ 根据本课程前一阶

24、段的学习，结合实验课程实践，你认为validation和verification的重要意义体现在哪里？ 你对目前被公认的validation和verification方法和原则有什么看法？有你认为不合理的吗？还有什么新思路？第39页/共46页讨论：关于VV&A研究中的错误 在仿真研究过程中主要存在以下三类错误： 型：仿真结果足够可信，却不接受它, 造成错误； 型：无效的仿真结果被认为有效而接受, 造成错误； 型：由于问题描述与表达不正确或不准确而使仿真研究工作围绕非本质问题而进行, 导致仿真试验结果不准确或与实际研究问题无关。 你觉得哪种错误更可悲？你将来成为决策者，将采取哪些措施防止

25、这些错误发生在你的决策中？第40页/共46页本单元小结 Verification、Validation 概念 VV&A基本原则 VV&A作用与M&S全生命周期 VV&A方法分类：正规、非正规、静态、动态； VV主要方法 Verification、Validation的关系、区别第41页/共46页附录1： 图灵测试 英国数学家阿伦图灵1950年提出了一个测试标准，来判断电脑能否被认为是“能思考” ，是不是具备人类智能的方法。这个测试被称为图灵测试，现在已被多数人承认。 被测试的有一个人，另一个是声称自己有人类智力的机器。 测试时，测试人与被测试人是分开的，测试人只

26、有通过一些装置（如键盘）向被测试人问一些问题，这些问题随便是什么问题都可以。 问过一些问题后，如果测试人能够正确地分出谁是人谁是机器，那机器就没有通过图灵测试，如果测试人没有分出谁是机器谁是人，那这个机器就是有人类智能的。第42页/共46页图灵测试用于仿真确认与验证 图灵测试通过比较被仿真的实际系统和仿真之间的差别,判定仿真的正确性。 其方法是：将两组在相同的输入条件下产生的输出数据提供给同行专家, 其中一组来自仿真系统,另一组来自实际系统, 请专家指出两者的差别。 如果专家无法区分两者的差别, 模型的可信度就增加了； 如果他们能够区分两者差别, 则要他们描述区别在哪里；专家的反应提供了关于仿真表示的正确性和适当性的信息。第43页/共46页附录2：关键词（牛津高阶英汉双解词典） Validate：v make (sth) legally valid; ratify 使（某事物）具有法律效力；批准；认可；举例：使合同生效、使婚姻具有合法性、签准护照； make (sth) logical or justifyable 证实，确证（某事物）举例：证实某理论、论据、命题等； Verify：v make sure that (sth) is true or accureate; check 证实，核对（某事物），检查；举例：