2022年生产系统建模与仿真

1、 生产系统建模与仿真仿真的知识体系输入分析输出分析模型的检验与验证随机数的产生随机变量的产生统计模型排队模型仿真实例基本原理仿真软件仿真数据分析随机数数学与统计模型入门基本 应用参考书班克斯等著,范文慧,肖田元译,离散事件系统仿真(原书第4版),机械工业出版社,2007.7. ￥52Jerry Banks, John Carson, Barry Nelson, David Nicol, “Discrete-Event System Simulation” 4th Edition, Prentice-Hall,2005.蔡建峰,管理系统模拟,机械工业出版社,2007.1. ￥20王维平,离散事件

2、系统建模与仿真（第二版）,科学出版社,2007.8. ￥36CH1 概论生产系统建模与仿真第一章概论什么是仿真？ 引言仿真能干什么？仿真的应用仿真的对象是什么？系统、模型与仿真仿真有前途吗？仿真的发展历史与趋势如何仿真？仿真研究的步骤什么是仿真？一、引言发动机CASE例1：只有一个理发师的理发店的工作过程理发师空闲？顾客到达排队等候接受服务顾客离开YCASE例1：只有一个理发师的理发店的工作过程假设：每位顾客到达间隔时间为A1，A2，A3，每个顾客的服务时间为S1，S2，S3， 目标：顾客平均排队长度？顾客平均等待时间？CASE例1：只有一个理发师的理发店的工作过程Q3211234567A1A

3、2A3 S1S2S3A4 8A5 A6 A7 S4S512第二个顾客的等待时间第三个顾客的等待时间理发师空闲TA1， A2， A3是顾客到达时间间隔S1， S2， S3是顾客服务时间CASE例1：只有一个理发师的理发店的工作过程Q3211234567A1A2A3 S1S2S3A4 8A5 A6 A7 S4S512第二个顾客的等待时间第三个顾客的等待时间理发师空闲T平均等待时间=顾客等待时间之和顾客数平均排队长度=上方阴影面积之和时间CASE例1：只有一个理发师的理发店的工作过程Q3211234567A1A2A3 S1S2S3A4 8A5 A6 A7 S4S512T服务台空闲？顾客到达排队等候接

4、受服务顾客离开Y平均等待时间=顾客等待时间之和顾客数平均排队长度=上方阴影面积之和时间模型求解数据分析CASE仿真能干什么？二、仿真的应用仿真的应用1. 军事领域2. 工业领域3. 教育培训4. 其他领域军事领域武器装备研制军事训练SIMNET先进概念与军事需求分析工业领域波音777计算机上完成：整机设计部件测试整机装配各种环境下的试飞开发周期过去的8年缩短到5年工业领域设计与实施生产线Perot System Team利用QUEST及IGRIP在所有设备订贷之前，对生产线的运动学、动力学、加工能力等各方面进行了分析与比较生产线的实施周期从24个月缩短到9.5个月Quest 仿真实例工业领域新

5、车研制Chrysler公司与IBM合作开发的虚拟制造环境在样车生产之前，发现其定位系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了研制周期。工业领域产品设计教育培训载体操纵类训练驾驶员的操纵技术教育培训过程控制类训练各种工厂(如电厂、化工厂、核电站、电力网等)的运行操作博弈决策类企业管理人员(厂长、经理)交通管制人员(火车调度、航空管制、港口管制、城市交通指挥等)军事指挥人员(空战、海战、电子战等)其他领域医学：中国虚拟人中国虚拟人2号-首例女性中国虚拟人1号其他领域游戏模拟飞行器仿真的对象是什么？三、系统、模型与仿真三、系统、模型与仿真系统是按某种规律结合起来，相互作用、相互依存的所有实体的集合，是研究

6、的对象模型是系统的抽象仿真通过对模型的实验以达到研究系统的目的计算机仿真三要素及三个基本活动系统模型计算机仿真建模实验系统建模1、系统例1：杭州市公共交通系统要素：道路公交车线路公交站乘客1、系统例2：一个简单的生产线要素：三台机器三个传送带零件存储箱1、系统例3：一个小超市要素：货架商品篮子顾客收银台1、系统系统的内涵所有元素的集合相互作用、相互依存按某种规律结合起来与研究目的相关的、有界的1、系统系统三要素元素元素组成系统的具体对象属性实体所具有的每一项有效特性活动指随着时间的椎移，在系统内部由于各种原因而发生的变化过程2、系统模型对实际系统进行简化和抽象、能够揭示系统元素之间关系和系统特

7、征的相关元素实体原型系统结论模型映射实现认识实验2、系统模型2、系统模型例1：杭州市公共交通系统2、系统模型例2：一个简单的生产线2、系统模型例3：一个小超市有三个通道和一个收银台，顾客以7510秒的均匀分布概率到达商场。顾客到达后先取篮子，然后进入一个或者多个通道购物。进入任一通道1、2、3的概率，所需时间和选购商品数量情况如表所示选好商品后，顾客以先进先出的顺序到收银台，在收银台顾客会附加购买21件商品。顾客在收银台停留的时间取决于购买的商品数量，收银时间为每件商品3秒钟。收银完毕后顾客留下篮子并离开商场。通道通过的概率所需时间选购商品数量10.75120603120.5515030413

8、0.8212045513、系统仿真系统仿真将系统的行为（状态）历程用数学或者图示的方法演示出来。系统仿真的本质对系统模型的实验研究一个系统3、系统仿真仿真（模拟） Simulation意指在实际系统尚不存在的情况下，对于系统或活动本质的复现。G.W.Morgenthler, 1961系统仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或者设计中的系统。简言之，系统仿真是对系统动态模型的实验。目前流行于工程技术界的定义计算机仿真三要素及三个基本活动系统模型计算机仿真建模实验系统建模4、系统与模型的类型SystemExperiment with actual systemExperiment with

9、a model of actual systemPhysical modelMathematical modelAnalytical solutionSimulation4、系统与模型的类型仿真模型的分类Deterministic or StochasticDoes the model contain stochastic components?Randomness is easy to add to a DESStatic or DynamicIs time a significant variable?Continuous or DiscreteDoes the system state

10、evolve continuously or only at discrete points in time?Continuous: classical mechanicsDiscrete: queuing, inventory, machine shop models连续系统A continues system is one in which the state variables change continuously over timeHead of water behind the dam离散系统A discrete system is one in which the state v

11、ariables change only at a discrete set of points in timeBank example离散系统模型Discrete-Event Simulation ModelStochastic: some state variables are randomDynamic: time evolution is importantDiscrete-Event: significant changes occur at discrete time instances四、仿真的发展历史与趋势仿真有前途吗？四、仿真的发展历史与趋势发展历史16001940s物理科学

12、基础上的建模1940s电子计算机的出现1950s仿真应用于航空领域1960s工业操作过程仿真1970s包括经济、社会和环境因素的大系统仿真四、仿真的发展历史与趋势发展历史1970s中期系统与仿真的结合，如用于随机网络建模的SLAM仿真系统1970s中期系统仿真与更高级的决策结合，如DDS1980s中期集成化建模与仿真环境，如Prisker公司的TESS建模仿真系统1990s可视化建模与仿真，虚拟现实仿真、分布交互仿真四、仿真的发展历史与趋势面向对象仿真定性仿真智能仿真分布交互仿真可视化仿真多媒体仿真虚拟现实仿真Internet网上仿真发展趋势面向对象仿真OOS使用面向对象设计和程序设计工具进行

13、建模和执行的系统。SimulaSmalltalk定性仿真(Qualitative Simulation)以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结果输出等仿真环节，通过定性模型推导系统的定性行为描述。定性仿真能处理多种形式的信息，有推理能力和学习能力，能初步模仿人类思维方式，人机界面更符合人的思维习惯，所得结果更容易理解。智能仿真将智能技术引入整个建模与仿真过程人工智能技术仿真技术专家系统知识工程模式识别神经网络仿真模型仿真算法仿真语言仿真软件分布交互仿真通过计算机网络将分散在各地的仿真设备互联，构成时间和空间相互耦合的虚拟仿真环境分布交互仿真1983年美国国防部的国防高级研究计划局（DARPA）启动了SIMNET（Simulator Networking）计划可视化仿真为数值仿真过程及其结果增加文本提升、图形、图像、动画等。动画仿真Quest 仿真实例乐龙仿真实例多媒体仿真使人的感官和思维进入仿真回路采用不同媒体形态描述不同性质的模型信息建立反映系统内在运动规律和外在表现形式的多媒体仿真模型在多媒体计算机上运行产生定性、定量相结合的系统动态演变过程虚拟现实仿真采用计算机技术和其他专用软硬件生成一个使人在视觉、听觉、触觉和嗅觉等感官上都有逼真感的模拟系统