系统建模与仿真第三章.ppt

系统建模与仿真 3.1 3.1 基本概念：基本概念：基本概念：基本概念：3.1.1 事件事件 事件是描述系统的另一基本要素事件是描述系统的另一基本要素。事件是指引起系统状态变化的行。事件是指引起系统状态变化的行为，系统的动态过程是靠事件来驱动的。例如，在物流系统中，工件到达为，系统的动态过程是靠事件来驱动的。例如，在物流系统中，工件到达可以定义为一类事件。因为工件到达仓库，进行入库时，仓库货位的状态可以定义为一类事件。因为工件到达仓库，进行入库时，仓库货位的状态会从空变为满，或者引起原来等待入库的队列长度的变化。会从空变为满，或者引起原来等待入库的队列长度的变化。事件一般分为两类：必然事件和条件事件事件一般分为两类：必然事件和条件事件。只与时间有关的事件称为。只与时间有关的事件称为必然事件必然事件。如果事件发生不仅与时间因素有关，而且还与其它条件有关，。如果事件发生不仅与时间因素有关，而且还与其它条件有关，则称为则称为条件事件条件事件。系统仿真过程，最主要的工作就是分析这些必然事件。系统仿真过程，最主要的工作就是分析这些必然事件和条件事件。和条件事件。第三章第三章第三章第三章 离散事件系统仿真简介离散事件系统仿真简介离散事件系统仿真简介离散事件系统仿真简介1 1系统建模与仿真 3.1.2 成分成分 描述系统描述系统的另一个的另一个基本要素是成分。成分与实体是同一概念，只基本要素是成分。成分与实体是同一概念，只是根据习惯，是根据习惯，在描述系统时用在描述系统时用实体实体而在模型描述中用而在模型描述中用成分成分。成分分为。成分分为主动成分和被动成分。可以主动产生活动的成分称为主动成分，如物主动成分和被动成分。可以主动产生活动的成分称为主动成分，如物流系统中的工件，它的到达将产生入库活动或排队活动。本身不产生流系统中的工件，它的到达将产生入库活动或排队活动。本身不产生活动，只在主动成分作用下才产生状态变化的那些成分称为被动成分活动，只在主动成分作用下才产生状态变化的那些成分称为被动成分。2 2系统建模与仿真 3.1.3 进程进程 若干事件与若干活动组成的过程称为若干事件与若干活动组成的过程称为进程进程。它描述了各事件活动发生的。它描述了各事件活动发生的相互逻辑关系及时序关系，例如，工件由车辆装入进货台，经装卸搬运进入相互逻辑关系及时序关系，例如，工件由车辆装入进货台，经装卸搬运进入仓库，经保管、加工到配送至客户的过程。仓库，经保管、加工到配送至客户的过程。进程活动3活动2活动1活动n-1“t”事件1事件n事件4事件2事件33 3系统建模与仿真 3.1.4 仿真钟仿真钟 仿真钟仿真钟用于表示仿真事件的变化。在离散事件系统仿真中，由于系统状用于表示仿真事件的变化。在离散事件系统仿真中，由于系统状态变化是态变化是不连续的，不连续的，在相邻两个事件发生之间，系统状态不发生变化，因而在相邻两个事件发生之间，系统状态不发生变化，因而仿真钟可以跨越这些仿真钟可以跨越这些“不活动不活动”区域。从一个事件发生时刻，推进到下一个区域。从一个事件发生时刻，推进到下一个事事件发生时刻。仿真钟的推进成跳跃性，推进速度具有随机性。由于件发生时刻。仿真钟的推进成跳跃性，推进速度具有随机性。由于仿真实质仿真实质上是对系统状态在一定时间序列的动态描述上是对系统状态在一定时间序列的动态描述，因此，因此，仿真钟一般是仿真的主仿真钟一般是仿真的主要自变量，仿真钟的推进是系统仿真程序的核心部分要自变量，仿真钟的推进是系统仿真程序的核心部分。应当指出，应当指出，仿真钟所显示的是仿真系统对应实际系统的运行时间仿真钟所显示的是仿真系统对应实际系统的运行时间，而不，而不是计算机运行仿真模型的时间。仿真时间与真实时间将设定成一定比例关是计算机运行仿真模型的时间。仿真时间与真实时间将设定成一定比例关系，使得像物流系统这样复杂的系统，真实系统运行若干天，若干月，计算系，使得像物流系统这样复杂的系统，真实系统运行若干天，若干月，计算机仿真只需要几分钟就可以完成机仿真只需要几分钟就可以完成。4 4系统建模与仿真 3.1.5 随机变量随机变量 复杂的现实系统常常包含有随机的因素。在物流系统中工件的到达、运输复杂的现实系统常常包含有随机的因素。在物流系统中工件的到达、运输车辆的到达和运输事件等一般都是随机的。这些复杂的随机系统很难找到响车辆的到达和运输事件等一般都是随机的。这些复杂的随机系统很难找到响应的解析式来描述和求解。系统仿真技术成了解决这类问题的有效方法。对应的解析式来描述和求解。系统仿真技术成了解决这类问题的有效方法。对于有随机因素影响的系统进行仿真时，于有随机因素影响的系统进行仿真时，首先要建立随机变量模型，即确定系首先要建立随机变量模型，即确定系 统的随机变量并确定这些随机变量的分布类型和参数统的随机变量并确定这些随机变量的分布类型和参数。对于分布类型是已知。对于分布类型是已知或者是可以根据经验确定的随机变量，只要确定它们的参数就可以了。无论或者是可以根据经验确定的随机变量，只要确定它们的参数就可以了。无论是确定随机变量的分布类型还是确定其参数，都要以调研观测的数据为依是确定随机变量的分布类型还是确定其参数，都要以调研观测的数据为依据。据。5 5系统建模与仿真 3.2 离散事件系统仿真方法离散事件系统仿真方法 离散事件系统仿真与连续系统仿真的方法很不相同离散事件系统仿真与连续系统仿真的方法很不相同。离散事件系统模型只是一种稳态模型，无须研究状态变量从一种状态离散事件系统模型只是一种稳态模型，无须研究状态变量从一种状态变化到另一种状态的过程。变化到另一种状态的过程。而对于连续系统，主要是研究其动态过程，连续而对于连续系统，主要是研究其动态过程，连续系统模型一般要用微分方程描述系统模型一般要用微分方程描述。离散事件系统中的变量大多数是随机的，例如实体的离散事件系统中的变量大多数是随机的，例如实体的“到达到达”和和“服务服务”时时间都是随机变量。间都是随机变量。仿真实验的目的是力图用大量抽样的统计结果来逼近总体仿真实验的目的是力图用大量抽样的统计结果来逼近总体分布的统计特征值，因而需要进行多次仿真和较长时间仿真分布的统计特征值，因而需要进行多次仿真和较长时间仿真。连续系统仿真中采用均匀步长推进仿真钟的原则，则连续系统仿真中采用均匀步长推进仿真钟的原则，则离散事件系统仿离散事件系统仿真中时间的推进是不确定的，它决定于系统的状态条件和事件发生的可能真中时间的推进是不确定的，它决定于系统的状态条件和事件发生的可能性。性。6 6系统建模与仿真 离散事件系统仿真离散事件系统仿真实质上是对那些由随机系统定义的，用数值方式或实质上是对那些由随机系统定义的，用数值方式或逻辑方式描述的动态模型的处理过程逻辑方式描述的动态模型的处理过程。从处理手段上看，离散事件系统仿。从处理手段上看，离散事件系统仿真方法可分为两类。真方法可分为两类。面向过程的离散事件系统仿真面向过程的离散事件系统仿真 面向过程的仿真方法面向过程的仿真方法主要研究仿真过程中发生的事件以及模型中实体的活主要研究仿真过程中发生的事件以及模型中实体的活动；这些事件或活动的发生是顺序的。动；这些事件或活动的发生是顺序的。面向对象的离散事件系统仿真面向对象的离散事件系统仿真 在面向对象仿真中，组成系统的实体以对象来描述。对象有三个基本的在面向对象仿真中，组成系统的实体以对象来描述。对象有三个基本的描述部分，即属性、活动和消息。每个对象都是一个封装了对象的属性及对描述部分，即属性、活动和消息。每个对象都是一个封装了对象的属性及对象状态变化操作的自主的模块，对象之间靠消息传递来建立联系以协调活象状态变化操作的自主的模块，对象之间靠消息传递来建立联系以协调活动。对象内部不仅封装了对象的属性还封装了描述对象运动及变化规律的内动。对象内部不仅封装了对象的属性还封装了描述对象运动及变化规律的内部和外部转换函数。这些函数以消息或时间来激活，在满足一定条件时产生部和外部转换函数。这些函数以消息或时间来激活，在满足一定条件时产生相应的活动。相应的活动。7 7系统建模与仿真 3.3 3.3 仿真方法仿真方法仿真方法仿真方法3.3.1 事件调度法事件调度法 按这种策略建立模型时，所有事件均放在事件表中，模型中设有一个按这种策略建立模型时，所有事件均放在事件表中，模型中设有一个时间控制成分，该成分从事件表中选择具有最早发生时间的事件，并将时间控制成分，该成分从事件表中选择具有最早发生时间的事件，并将仿真钟修改到该事件发生的时间，再调用与该事件相应的事件处理模仿真钟修改到该事件发生的时间，再调用与该事件相应的事件处理模块，该事件处理完后返回时间控制成分。这样，事件的选择与处理不断块，该事件处理完后返回时间控制成分。这样，事件的选择与处理不断地进行，直到仿真终止的条件或程序事件产生为止。地进行，直到仿真终止的条件或程序事件产生为止。8 8系统建模与仿真 3.3 3.3 仿真方法仿真方法仿真方法仿真方法3.3.2 活动活动扫描法扫描法 在此方法中，系统由部件组成，而部件包含着运动，这些活动的发生应在此方法中，系统由部件组成，而部件包含着运动，这些活动的发生应当满足规定事件发生的条件。每一个成分均有一个激活条件，若条件满足当满足规定事件发生的条件。每一个成分均有一个激活条件，若条件满足，则激活该成分的活动例程。仿真过程中，活动的发生时间也作为条件之一则激活该成分的活动例程。仿真过程中，活动的发生时间也作为条件之一，而且较之其它条件具有更高的优先权。即在判断激活条件时首先判断该活动而且较之其它条件具有更高的优先权。即在判断激活条件时首先判断该活动发生的时间是否满足，然后再判断其它条件。对活动的扫描循环进行，直到发生的时间是否满足，然后再判断其它条件。对活动的扫描循环进行，直到仿真终止为止仿真终止为止。9 9系统建模与仿真 3.3.3 进程进程交互法交互法 这种方法的特点是系统仿真钟的控制程序采用两张事件表，其一是当前这种方法的特点是系统仿真钟的控制程序采用两张事件表，其一是当前事件表事件表(CEL：Current Events List)，它包含了从当前时间点开始有资格，它包含了从当前时间点开始有资格执行的事件记录，但是该事件是否发生的条件尚未判断。其二是将来事件表执行的事件记录，但是该事件是否发生的条件尚未判断。其二是将来事件表(FEL：Future Events List)，它包含在将来某个仿真时刻发生的事件记，它包含在将来某个仿真时刻发生的事件记录。每一个事件记录中包含该事件的若干属性，其中必有一个属性，说明该录。每一个事件记录中包含该事件的若干属性，其中必有一个属性，说明该事件在过程中所处位置的指针事件在过程中所处位置的指针。进程交互法首先进程交互法首先按一定分布产生到达实体并置于按一定分布产生到达实体并置于FEL中，实体进人排队中，实体进人排队等待。然后对当前事件表进行扫描，判断各种条件是否满足，再对满足条件等待。然后对当前事件表进行扫描，判断各种条件是否满足，再对满足条件的活动进行处理。仿真钟推进到服务结束并将该实体从系统中清除，最后将的活动进行处理。仿真钟推进到服务结束并将该实体从系统中清除，最后将FEL中为当前事件的实体移到当前事件表中中为当前事件的实体移到当前事件表中。1010系统建模与仿真 3.4 3.4 系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤 3.4.1 问题的定义问题的定义 一个模型不可能呈现被模拟的现实系统的所有方面，有时是因为太一个模型不可能呈现被模拟的现实系统的所有方面，有时是因为太费时。另外，假如一个表现真实系统所有细节的模型也常常是非常差的费时。另外，假如一个表现真实系统所有细节的模型也常常是非常差的模型，因为它将过于复杂和难以理解。模型，因为它将过于复杂和难以理解。因此，明智的做法是：先定义问题，再制定目标，然后构建一个因此，明智的做法是：先定义问题，再制定目标，然后构建一个能安全解决的模型。能安全解决的模型。1111系统建模与仿真 3.4.2 制定目标和定义系统效能测度制定目标和定义系统效能测度 没有目标的仿真研究是毫无用途的。目标是仿真工程所有步骤的导没有目标的仿真研究是毫无用途的。目标是仿真工程所有步骤的导向。系统的定义是基于系统目标的；向。系统的定义是基于系统目标的；目标决定了该作出怎样的假设；目标目标决定了该作出怎样的假设；目标决定了应该收集那些信息和数据；模型的建立和确认专门是考虑是否满足决定了应该收集那些信息和数据；模型的建立和确认专门是考虑是否满足目标的需求。目标需要清楚、明确和切实可行目标的需求。目标需要清楚、明确和切实可行。目标经常被描述成像这样。目标经常被描述成像这样的问题的问题“通过添加机器或延长工时，能够获得更多的利润吗？通过添加机器或延长工时，能够获得更多的利润吗？”在定义目在定义目标标时，详细说明那些将要被用来决定目标是否实现的性能测度是非常必要时，详细说明那些将要被用来决定目标是否实现的性能测度是非常必要的。每小时的产出率、工人利用率、平均排队时间、以及最大队列长度是的。每小时的产出率、工人利用率、平均排队时间、以及最大队列长度是最常见的系统性能测度最常见的系统性能测度。最后，列出仿真结果的先决条件最后，列出仿真结果的先决条件。如：必须。如：必须通过利用现有设备来实现通过利用现有设备来实现目标，或最高投资额要在限度内，或产品订货提前期不能延长等目标，或最高投资额要在限度内，或产品订货提前期不能延长等。1212系统建模与仿真 3.4.3 描述系统和列出假设描述系统和列出假设 仿真将现实系统资源分成四类：处理器、队列、运输和共享资源。仿真将现实系统资源分成四类：处理器、队列、运输和共享资源。流动项目的到达和预载的必要条件必须定义，如：到达时间、到达流动项目的到达和预载的必要条件必须定义，如：到达时间、到达模式和该项目的类型等属性。在定义流动路径时，合并和转移需要详细的模式和该项目的类型等属性。在定义流动路径时，合并和转移需要详细的描述。项目的转变包括属性变化、装配操作（项目和并）、拆卸操作（项描述。项目的转变包括属性变化、装配操作（项目和并）、拆卸操作（项目分离）。在系统中，常常有必要控制项目的流动。如：一个项目只有在目分离）。在系统中，常常有必要控制项目的流动。如：一个项目只有在某种条件或某一时刻到来时才能移动，以及一些特定的规则。所有的处理某种条件或某一时刻到来时才能移动，以及一些特定的规则。所有的处理时间都要被定义，并且要清楚表明哪些操作是机器自动完成，哪些操作是时间都要被定义，并且要清楚表明哪些操作是机器自动完成，哪些操作是人工独立完成，哪些操作需要人机协同完成。资源可能有计划故障时间和人工独立完成，哪些操作需要人机协同完成。资源可能有计划故障时间和意外故障时间。计划故障时间通常指午餐时间，中场休息，和预防性维护意外故障时间。计划故障时间通常指午餐时间，中场休息，和预防性维护等。意外故障时间是随机发生的故障所需的时间，包括失效平均间隔时间等。意外故障时间是随机发生的故障所需的时间，包括失效平均间隔时间和维修平均间隔时间。和维修平均间隔时间。1313系统建模与仿真 3.4.4 列举可能的替代方案列举可能的替代方案 在仿真研究中，确定模型早期运行的可置换场景是很重要的。它将在仿真研究中，确定模型早期运行的可置换场景是很重要的。它将影响着模型影响着模型 的建立。在初期阶段考虑替代方案，模型可能被设计成可以的建立。在初期阶段考虑替代方案，模型可能被设计成可以非常容易的转换到替换系统的形式非常容易的转换到替换系统的形式。1414系统建模与仿真 3.4.5 收集数据和信息收集数据和信息 收集数据和信息，除了为模型参数输入数据外，在验证模型阶段，还收集数据和信息，除了为模型参数输入数据外，在验证模型阶段，还可以提供可以提供 实际数据与模型的性能测度数据进行比较。实际数据与模型的性能测度数据进行比较。数据可以通过历史纪录、经验、和计算得到。这些粗糙的数据将为模数据可以通过历史纪录、经验、和计算得到。这些粗糙的数据将为模型输入参数提供基础，同时将有助于一些需要较精确输入参数数据的收型输入参数提供基础，同时将有助于一些需要较精确输入参数数据的收集。现存数据并不是总是有用的，通过测量收集数据可能要费时、费钱。集。现存数据并不是总是有用的，通过测量收集数据可能要费时、费钱。采用估计方法来产生输入数据更为高效。估计值可以通过少数快速测量或采用估计方法来产生输入数据更为高效。估计值可以通过少数快速测量或者通过咨询熟悉系统的系统专家来得到。即使是使用较为粗糙的数据，根者通过咨询熟悉系统的系统专家来得到。即使是使用较为粗糙的数据，根据最小值、最大值和最可能取值定义一个三角分布，不仅仅采用平均值仿据最小值、最大值和最可能取值定义一个三角分布，不仅仅采用平均值仿真效果都要好得多。有时候采用估计值也能够很好的满足仿真研究的目真效果都要好得多。有时候采用估计值也能够很好的满足仿真研究的目的。的。1515系统建模与仿真 3.4.6 构造计算机模型构造计算机模型 构造计算机模型的过程中，仿真研究目标要记在心中。首先构建小的构造计算机模型的过程中，仿真研究目标要记在心中。首先构建小的测试模型来证明复杂部件建模是合适的。一般建模过程是呈现阶段性的，测试模型来证明复杂部件建模是合适的。一般建模过程是呈现阶段性的，在进行下一阶段建模之前，验证本阶段的模型工作正常。而从不会将整个在进行下一阶段建模之前，验证本阶段的模型工作正常。而从不会将整个系统模型构建起来，然后点击系统模型构建起来，然后点击“运行运行”按钮来进行系统的仿真。在建模过按钮来进行系统的仿真。在建模过程程中运行和调试每一阶段的模型。我们可能想对同一现实系统构建多个计算中运行和调试每一阶段的模型。我们可能想对同一现实系统构建多个计算机模型，每个模型的抽象程度都不相同。抽象模型有助于定义系统的重要机模型，每个模型的抽象程度都不相同。抽象模型有助于定义系统的重要部分，并可以引导为后续模型的详细化而进行的数据部分，并可以引导为后续模型的详细化而进行的数据 收集活动收集活动。1616系统建模与仿真 3.4.7 验证和确认模型验证和确认模型 验证是确认模型的功能是否同设想的系统功能相符合。模型是否同我们验证是确认模型的功能是否同设想的系统功能相符合。模型是否同我们想构建的模型相吻合？产品的处理时间、流向是否正确？确认范围更广想构建的模型相吻合？产品的处理时间、流向是否正确？确认范围更广泛。它包括：确认模型是否能够正确反映现实？评估模型仿真结果的可信泛。它包括：确认模型是否能够正确反映现实？评估模型仿真结果的可信度有多大？度有多大？假如一个模型在得到我们提供的相关正确数据之后，其输出满足我们假如一个模型在得到我们提供的相关正确数据之后，其输出满足我们的目标，那么它就是好的。模型只要在必要范围内有效就可以了，而不需的目标，那么它就是好的。模型只要在必要范围内有效就可以了，而不需要尽可能的有效。在模型结果的正确性同获得这些结果所需要的费用之间要尽可能的有效。在模型结果的正确性同获得这些结果所需要的费用之间总存在着权衡。总存在着权衡。1717系统建模与仿真 3.4.8 运行可替代实验运行可替代实验 当系统具有随机性时，就需要对实验做多次运行。因为，随机输入导致当系统具有随机性时，就需要对实验做多次运行。因为，随机输入导致随机输出。如果可能，在第二步中应当计算出已经定义的每一性能测度的随机输出。如果可能，在第二步中应当计算出已经定义的每一性能测度的置信区间。可替代环境能够单独构建，并可以通过手工使用置信区间。可替代环境能够单独构建，并可以通过手工使用WITNESS 软软件中的件中的SDX 模块来进行模拟，或通过使用模块来进行模拟，或通过使用“OPTIMIZER”模块自动运行模模块自动运行模拟。拟。在选择仿真运行长度时，考虑启动时间，资源失效可能间隔时间，处理在选择仿真运行长度时，考虑启动时间，资源失效可能间隔时间，处理时间或时间或到达事件的到达事件的时间或季节性差异，或其他需要系统运行足够长时间才时间或季节性差异，或其他需要系统运行足够长时间才能出现效果的系统特征变量，是非常重要的能出现效果的系统特征变量，是非常重要的。1818系统建模与仿真 3.4.9 输出输出分析分析 报表报表、图形、表格和置信区间点图将被用于输出结果分析。置信区间、图形、表格和置信区间点图将被用于输出结果分析。置信区间指出性能测度依赖的范围。这个使用上、下限来表示。上限和下限之差称指出性能测度依赖的范围。这个使用上、下限来表示。上限和下限之差称为精度。精度的可靠性用百分比来表示。统计技术用来分析不同场景的模为精度。精度的可靠性用百分比来表示。统计技术用来分析不同场景的模拟结果。一旦分析结果并得出结论，我们要能够根据模拟的目标来解释这拟结果。一旦分析结果并得出结论，我们要能够根据模拟的目标来解释这些结果。通常，使用结果和方案的矩阵非常有帮助些结果。通常，使用结果和方案的矩阵非常有帮助。1919