系统仿真01-系统建模与仿真学习资料

北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心第一章绪论教材及参考材料张晓萍石伟刘玉坤等物流系统仿真清华大学出版社2008.7；肖田元

范文慧离散事件系统建模与仿真电子工业出版色2011.8；董绍华

周晓光

赵宁

刘玉坤物流系统仿真北京邮电大学出版社2008.5；齐欢王小平系统建模与仿真清华大学出版社2006.1成绩评定平时成绩（20％）作业＋课堂回答问题期中考试（30％）期末考试（50％）主要内容仿真的感性认识系统仿真的基本原理离散系统仿真基本概念与模型构造仿真研究的步骤系统建模与仿真的理论框架仿真的特点4北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤September13,2010September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤51.1仿真的感性认识SimulationImitateMimicSimulateEmulateApproximateNumericalEstimateEvaluationAnalyticRunEvolutionSeptember13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤6仿真印象配送/物流中心(distribution/logisticscenter)北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤7配送中心内部作业仿真September13,2010September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤8仿真印象生产制造(production/manufacturing)September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤9仿真印象港口作业(Portoperations)September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤10仿真印象机场、海关(airportandcustom-house)September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤11具体设备（equipment）1.2系统仿真的基本原理系统仿真的方法论本质----waystostudyasystem12北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤September13,2010September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤13从方法论角度，系统仿真如同运筹学、统计学、数理分析等方法一样，是一种基础的数学方法与工具。仿真被认为是继理论分析和科学实验之后的第三种认识世界和改造世界的重要方法。系统仿真方法一般被归类为运筹学方法，被称为运筹学领域应用最为广泛的第二位方法。系统仿真方法是基于复杂（适应性）系统论、控制论、信息技术、计算机技术和网络技术的综合性理论方法。September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤14系统仿真方法是一种实验统计方法，在非真实系统但近似等价于真实系统的模型——尤其是计算机（数字化）模型——上进行推演、执行后，考察记录评价该系统性能的指标参数，并进行定量的统计分析，给出统计学意义上的分析结果，从而对系统的性能进行评价——而不是解析求解。决策者在看到对各种不同决策参数作用下系统的多种性能的统计评价结果后，根据自己的综合判断，选择满意的决策方案。September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤15系统建模与仿真的基本原理与基本活动仿真试验系统建模仿真建模系统模型仿真模型对象系统数学定量关系事件逻辑关系时间、空间逻辑网络、交互作用September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤161.3系统仿真基本概念与模型构造1.3.1基本概念1.3.1.1系统及其分类（1）系统为了某个目的，按照某些规律结合起来、相互作用、相互依存的所有实体的有机组合。系统的定义例如，企业、商店、学校、研究所都是系统，在企业中的一个车间，一条生产线，甚至一台设备也是一个系统。它们都是由人和其他事（如资金、物资、设备等）为了一个共同的目标按照一定的组织结构而有机结合起来的整体。系统与其说是一种具体对象，还不如说是一种研究事物的方法。只有我们把注意力集中到它们各部分元素及其相互关系时，才明确指出系统性。可谓“事事是系统，处处是系统”。系统的定义系统可以是抽象的或物理的，可以是巨大的或渺小的。例如，宗教系统是一套有关神和神与人类之间关系的思想体系，它是一个抽象的系统。一辆汽车是由发动机、车轮、方向盘、车体等部件构成的一个物理系统。系统科学系统科学是一门综合学科。系统科学可分为三个层次。第一层是基础科学，即系统学。它主要研究系统的普遍属性、运动规律，系统结构和功能的关系，以及系统仿真的基本原理等。第二层是技术科学。主要研究系统共性问题的技术理论，如最优化理论。目前系统的技术科学主要是运筹学。第三层是工程技术。系统的工程技术叫系统工程。它研究系统的组织和管理技术。September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤20系统的类型静态与动态确定与随机连续与离散……September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤21

模型（1）模型的概念对应的真实对象、真实关系中那些有用的、令人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本质方面的描述，以各种可用形式提供被研究系统的描述信息。（2）模型的类型物理模型——实物模型，如沙盘数学模型——数学表达式，如线性模型模型的非形式描述——模型的本质与轮廓September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤22

仿真仿真(Simulation)是对实际过程或系统随时间变化的运作的模仿(imitation,mimic)。仿真通过建立系统模型(Systemmodel)和仿真模型（simulationmodel）来描述对象系统的行为。系统仿真多数是在计算机上进行的。系统仿真可定义为：建立研究对象的计算机模型，在模型上进行数字试验，把数字试验得出的结论应用于对象系统的设计、评价和优化等。September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤231.3.2离散事件系统

基本要素

引例：北邮西门北侧的邮政金融营业厅早晨8:30开门开始营业顾客陆续到达分别选择窗口排队顾客接受服务顾客离开到下午4:30,不再接收新的顾客服务完已经进入的所有顾客关门结束当天营业北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤24这是一个典型离散事件系统discreteeventsystem（DES）涉及到的“实体”顾客营业员（出纳）开放的服务窗口（及相应的队列空间）如何描述清楚这个系统的活动前一页的描述足够清楚了吗？September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤25一、离散事件系统建模基本知识1、描述一个DES需要的五个基本要素实体（entity）属性（attribute）事件（event）活动（activity）进程（process）窗口服务人员顾客顾客到达顾客离开业务服务到达时间间隔到达批量永久实体临时实体窗口数量，队长、服务时长等排队方式服务规则September13,2010二、离散事件系统基本要素实体：构成系统的基本元素。是系统中有意义的一个物体。有些实体在整个仿真过程中始终存在－永久实体。有些实体在一部分仿真过程中存在，有进入、退出系统的情况－临时实体。属性：是指某一实体的特性。例如，在银行中，顾客是实体，其属性是帐户。事件：使系统状态发生变化的、实体的瞬间行为。注：事件还可能触发新的事件。DES中的事件具有三个特征：离散事件是导致DES状态发生跃变和触发新的离散事件的唯一因素。事件交互影响系统状态的变化。事件的发生时刻是异步的和不确定的。二、离散事件系统基本要素北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤28进程的概念以及

进程、事件、活动的关系有序的事件与活动组成进程进程描述了事件、活动的逻辑关系和时序关系顾客1到达开始服务1服务1结束服务n开始顾客1离开排队金融服务1金融服务kSeptember13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤291.3.3仿真模型基本构造大多数采用变步长时钟推进机制的离散事件系统仿真模型中，通常都包含如下几个组成部分：①系统状态：某特定时刻系统的一组状态变量；②仿真钟：提供当前仿真时刻的变量；③事件列表：当前或下一时刻将发生的各类事件；④统计计数器：一组用来记录统计信息的变量；September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤30⑤初始化程序：在系统时间为0时，用来初始化仿真模型的子程序；⑥时间推进程序：用来推进时间的子程序，它根据事件列表（变步长）或固定长度推进仿真钟；⑦事件发生程序：特定事件发生，相应更新系统状态的子程序⑧随机观测生成程序库：根据概率分布产生随机观测值的一组子程序；September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤31⑨报告生成器：按某种方法计算系统绩效，并在仿真结束时生成仿真报告；⑩主程序：唤醒时间推进子程序来确定下一发生事件然后将控制转向相应的事件程序对系统状态进行相应的更新还可能检查仿真的终止并在仿真结束时激活报告生成器September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤32变步长时间推进法仿真模型组成及仿真控制流程September13,2010September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤33几个重要概念（1）系统状态用来描述系统变化特征的变量集合称为系统状态（变量）状态变量的定义（选取）取决于系统仿真目标和系统模型详细程度。例如：银行中的顾客：排队等待、接受服务出纳员：忙、闲、暂停服务等状态如果考察银行的服务效率，可以把顾客在银行内停留的时间作为状态变量如果考察银行系统资金流状况，则要把银行当日的资金额作为系统状态变量September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤34（2）仿真钟为了实现对系统的动态仿真，必须跟踪仿真过程中时间的推进，同时也必须给模型一个从某一时刻推进到下一时刻的时间推进机制。首先需要记录模型中的系统时间，我们把一个仿真模型中用来记录仿真当前时刻的变量叫做仿真钟。仿真钟的推进，就是时间的演进，有两种基本模式，等步长推进，和变步长推进。北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤35（3）时间推进机制两种经典的方法固定步长推进法变步长推进法（或称为下一事件推进法）几乎所有的仿真软件都采用下一事件推进法September13,2010September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤36（4）统计计数器某一次仿真运行得到的状态变化过程只不过是随机过程的一次取样,它们只有在统计意义下才有参考价值。在仿真模型中,需要有一个统计计数的部件,以便统计系统中的有关变量。September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤371.4仿真研究的步骤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、仿真结果备案10、仿真结果实施北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤381、系统调研2、建立系统模型3、建立仿真模型4、运行与分析5、实施模型验证与模型确认September13,2010September13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤391.6仿真的特点1.6.1仿真适用于——作用DesigningandanalyzingmanufacturingsystemsEvaluatingmilitaryweaponssystemsortheirlogisticsrequirementsDetermininghardwarerequirementsorprotocolsforcommunicationsnetworksDetermininghardwareandsoftwarerequirementsforacomputersystemDesigningandoperatingtransportationsystemssuchasairports,freeways,ports,andsubwaysSeptember13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中心刘玉坤40Evaluatingdesignsforserviceorganizationssuchascallcenters,fast-foodrestaurants,hospitals,andpostofficesReengineeringofbusinessprocessesDeterminingorderingpoliciesforaninventorysystemAnalyzingfinancialoreconomysystemsBeingusedasatoolofcommunicationBeingusedasameanoftrainingCarryingout“whatif”analysisVerifytheresultfromothermethodsSeptember13,2010北京邮电大学自动化学院物流工程教研中