witness仿真基础培训教材.pdf

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1、 WITNESS 工业物流仿真平台基础教程工业物流仿真平台基础教程LANNER 北京代表处北京威特尼斯科技中心北京代表处北京威特尼斯科技中心北京威特尼斯科技中心2 目目 录录第一章第一章 离散事件系统仿真简介离散事件系统仿真简介21.1 仿真技术的产生与发展.91.1.1 仿真软件的发展.101.1.2 仿真建模方法学的发展.121.2 系统、模型与仿真.131.2.1 系统.131.2.2 模型.141.2.3 仿真.141.3 离散事件系统仿真.161.3.1 基本概念.161.3.2 离散事件系统仿真方法.181.3.3 仿真策略.191.4 系统仿真的一般步骤.191.4.1 问题的定

2、义.201.4.2 制定目标和定义系统效能测度.211.4.3 描述系统和列出假设.211.4.4 列举可能的替代方案.221.4.5 收集数据和信息.221.4.6 构造计算机模型.221.4.7 验证和确认模型.221.4.8 运行可替代实验.241.4.9 输出分析.24第二章第二章 随机分布随机分布 252.1 概率统计基本概念.252.1.1 确定事件和随机事件.252.1.2 随机变量与概率.252.2 离散事件系统仿真中常见的概率分布.262.2.1 排队系统.262.2.2 库存系统.272.2.3 可靠性与维修性.272.3 随机数和随机变量的产生.282.3.1 伪随机数.

3、29北京威特尼斯科技中心32.3.2 伪随机数产生方法.302.4 WITNESS 系统标准随机分布函数.34241 伪随机数流（PRNS：pseudo-random number stream）.34242 随机分布函数详解.35第三章第三章 WITNESS 仿真系统软件综述仿真系统软件综述 4631 WITNESS的安装与启动.463.1.1 安装环境.463.1.2 安装步骤.463.1.3 启动 WITNESS 2003.483.1.4 退出系统.错误！未定义书签。错误！未定义书签。32 WITNESS 2003 用户界面.493.2.1 标题栏.493.2.2 菜单栏.503.2.3

4、 工具栏.503.2.4 元素选择窗口.513.2.5 状态栏.513.2.6 用户元素窗口（Designer Elements）.513.2.7 系统布局区.5133 WITNESS建模元素.523.3.1 离散型元素.523.3.2 连续型元素.533.3.3 运输逻辑型元素.533.3.4 逻辑元素.533.3.5 图形元素.5334 WITNESS建模与仿真过程.5335 WITNESS建模与仿真过程应用举例.54第四章第四章 元素模型的组成部分元素模型的组成部分574.1 离散型元素.574.1.1 零部件（Part）.574.1.2 机器（Machine）.574.1.3 输送链（

5、Conveyor）.584.1.4 缓冲区（Buffer）.584.1.5 车辆（Vehicle）.594.1.6 轨道（Track）.59北京威特尼斯科技中心44.1.7 劳动者（Labor）.594.1.8 路径（Path）.604.1.9 模块（Module）.604.2 连续型元素.604.3 运输逻辑型元素.614.3.1 运输网络（Network）.614.3.2 单件运输小车（Carriers）.614.3.3 路线集（Section）.624.3.4 工作站（Station）.624.4 逻辑元素.624.4.1 属性（Attribute）.634.4.2 变量（Variabl

6、e）.634.4.3 分布（Distribution）.644.4.4 函数（Function）.644.4.5 文件（File）.654.4.6 零部件文件（Part file）.654.4.7 班次（Shift）.654.5 图形元素.664.5.1 时间序列图（Timeseries）.664.5.2 饼状图（Pie chart）.664.5.3 直方图（Histogram）.66第五章第五章 规规 则则685.1 输入规则（INPUT RULE）.685.2 输出规则（OUTPUT RULES）.695.3 劳动者规则（LABOR RULES）.705.3.1 劳动者规则概述.705.3

7、.2 三种劳动者规则.715.3.3 劳动者规则的例子.74第六章第六章 WITNESS 程序设计基础程序设计基础 7661 变量类型.766.1.1 整型（integer）.766.1.2 实型（real）.766.1.3 名型（name）.766.1.4 字符型（string）.76北京威特尼斯科技中心562 运算符及表达式.77621 算术运算符.77622 关系运算符.77623 逻辑运算符.77624 转换运算符.7863 程序三种基本结构.78631 顺序结构.78632 分支结构.78633 循环结构.79第七章第七章 可视化仿真项目的设计及运行示例可视化仿真项目的设计及运行示例

8、827.1 流水线仿真系统.827.1.1 引言（Introduction）.827.1.2 模型概述.827.1.3 构建第一阶段（Stage1.mod）模型.837.1.4 构建第二阶段（Stage2）模型.897.1.5 构建第三阶段（Stage3）模型.927.1.6 构建第四阶段（Stage4）模型.947.1.7 构建第五阶段（Stage5）模型.977.1.8 构建第六阶段（Stage6）模型.997.2 装配模型.1007.2.1 模型流程概述.1007.2.2 定义元素.1007.2.3 可视化元素.1017.2.4 详细定义元素.1037.2.5 仿真运行.1057.2.6

9、 小结.1057.3 属性模型.1057.3.1 模型概述.1057.3.2 元素定义.1067.3.3 可视化元素.1067.3.4 详细定义.1077.3.5 运行模型.1087.3.6 小结.1087.4 输送链模型.1097.4.1 模型概述.1097.4.2 元素定义.109北京威特尼斯科技中心67.4.3 可视化元素.1097.4.4 Conveyor详细对话框介绍.1107.4.5 详细定义.1117.4.6 运行模型及分析.1127.4.7 输送链类型不同的差异.1127.4.8 小结.1137.5 函数模型.1137.5.1 模型概述.1137.5.2 定义元素.1147.5

10、.3 可视化元素.1147.5.4 详细定义.1157.5.5 运行模型.1157.5.6 小结.1167.6 随机分布模型.1167.6.1 模型概述.1167.6.2 修改并添加元素 process_time 分布的步骤.1167.6.3 详细定义.1177.6.4 运行模型.1187.7 路径模型.1197.7.1 模型概述.1197.7.2 定义元素.1207.7.3 可视化元素.1217.7.4 详细定义.1237.7.5 运行模型.1277.8 EXCEL数据交互模型.1287.8.1 模型概述.1287.8.2 预备知识.1297.8.3 定义元素.1307.8.4 可视化元素.

11、1307.8.5 详细定义.1317.8.6 仿真运行及结果分析.135第八章第八章 归档器及其应用归档器及其应用 1368.1 归档器对话框介绍.1368.2 选择形成报告的数据.1378.2.1 添加仿真对象数据.1378.2.2 删除所选定的对象.137北京威特尼斯科技中心78.2.3 重排 report 列表中对象的次序.1378.3 生成报告.137第九章第九章 优化器简介和应用优化器简介和应用1399.1 示例模型流程介绍.1399.2 优化变量.1409.3 相关时间值.1409.4 员工选择规则.1419.4.1 订单记录处理.1419.4.2 订单确认处理.1419.4.3

12、电脑组装处理.1419.4.4 检测处理.1419.5 目标函数.1429.5.1 函数体程序及其解释.1429.5.2 系统函数介绍.1429.6 优 化.1439.6.1 优化步骤.1439.6.2 Model Optimization 4.0设置窗口介绍.1439.6.3 进行优化设置.1459.6.4 运行优化与结果分析.145第十章第十章 多产品多阶段加工仿真系统设计多产品多阶段加工仿真系统设计 14710.1 加工系统描述.14710.2 加工系统数据.14710.3 仿真模型的建立.14810.3.1 元素定义 define.14810.3.2 元素显示 display的设置.1

13、4810.3.3 各个元素细节（detail）设计.14910.3.4 工艺流程图的显示.15110.4 模型运行和数据分析.15110.5 改 善.152第十一章第十一章 垃圾回收物流仿真系统设计垃圾回收物流仿真系统设计 15311.1 垃圾回收物流系统介绍.15311.2 数据信息.15411.2.1 地理及需求信息.154北京威特尼斯科技中心811.2.2 与收集车辆有关的信息.15411.2.3 与垃圾相关的信息.15511.3 收集垃圾的成本函数.15511.4 系统逻辑结构.15511.5 仿真模型的建立.15611.5.1 元素定义 Difine.15611.5.2 元素显示 d

14、isplay.15711.5.3 元素详细设计.15811.5.5 数据处理子模块.16311.5.6 目标函数 objfun()中的程序.16411.6 仿真运行与结果分析.165北京威特尼斯科技中心9第一章第一章 离散事件系统仿真简介离散事件系统仿真简介在现实世界中，事物并不是孤立存在。它们之间存在着内在的和有机的联系。作为一个研究对象，我们将这种由相互联系、相互作用的事物或元素构成的统一整体称为系统。随着人们认识自然和改造自然的能力和手段的不断增强，作为实践经验总结的科学和技术水平也有了迅猛的发展。从开普勒的行星运动三大定律，到牛顿的万有引力定律，再到爱因斯坦的相对论，利用数学手段对事物

15、描述的理论越来越完善，而且研究的范围也越来越广，从身边发生的自然现象到广袤无垠的宇宙奇观。长期以来，人们已经充分认识到利用数学模型去描述所研究系统的优越性、并且逐渐地发展了系统研究和系统分析理论。但是，由于数学手段的限制，人们对复杂事物和复杂系统建立数学模型并进行求解的能力是非常有限的。电子计算机的出现，对科学技术的发展产生了无可估量的和深远的影响。许多复杂的数学模型可以通过计算机来进行计算求解。由此，利用数学模型描述系统的特征并进行求解的手段逐步发展成为现代的计算机仿真技术，计算机仿真技术有着巨大的优越性，利用它可以求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题，利用它可以预演或再现系统的运动规

16、律或运动过程，利用它可以对无法直接进行实验的系统进行仿真试验研究，从而节省大量的能源和费用。由于计算机仿真技术的优越性。它的应用领域已经非常广泛，而且也越来越受到普遍的重视。诚然，计算仿真技术中仍然存在着许多需要解决的问题，需要不断进行努力探索。1.1 仿真技术的产生与发展1.1 仿真技术的产生与发展从一般意义上讲，系统仿真可以被理解为在对一个已经存在或尚不存在但正在开发的系统进行研究的过程中，为了了解系统的内在特性，必须进行一定的实验；而由于系统不存在或其它一些原因，无法在原系统上直接进行实验，只能设法构造既能反映系统特征又能符合系统实验要求的系统模型，并在该系统模型上进行实验，以达到了解或

17、设计系统的目的，由此可以看出，系统仿真本质上是由三个要素构成的，即系统，系统模型和实验。系统是问题的本源，是系统分析的目的，实验是解决问题达到目的的手段，而系统模型则是连接系统和实验(目的和手段)之间的桥梁。显然，系统仿真是一项社会实践活动。凡是包含系统、系统模型和系统实验三个要素的活动都可以广义地理解为系统仿真活动。系统仿真方法的研究和应用已经有了很长的历史。在古代，人们已经从长期的生产劳动实践活动中总结出了朴素的仿真思想。例如，古代的房屋屋顶多数为桁梁式建筑，在建房过程中需要使用大量的木料。为了使屋顶稳定牢靠，除了要选择材质较好粗细适当的木料外，整个屋顶的桁架结构也必须满足一定的几何形状要

18、求；也就是说，桁梁上的每一根木料都有确定的长度尺寸要求，不论木料长了还是短了北京威特尼斯科技中心10都可能影响整个屋顶结构的稳定性。那么如何来确定屋顶上每一根木料的具体长度呢，显然不能拿实际的木料到屋顶上去试。这样既花费工时又可能造成木料不必要的浪费。这个问题对现代人来说是非常简单的，利用几何和三角学的原理立刻可以解决。但在古代科学尚不发达的情况下、解决的办法只有一个，即在地面上按实际尺寸的一定比例模拟制作一个屋顶。经过若干次实验确定了稳定的结构之后，量出模拟屋顶上每一根相应木料的长度，再按比例放大，即可得到实际木料所需的长度。这是一个很典型的通过构造模型并进行实验从而获得系统特性的系统仿真实

19、例。仿真作为一门技术科学是在 19 世纪末 20 世纪初工业技术有了长足的发展之后而确定下来的。而且伴随着工业技术的进步，仿真技术也在不断地发展。例如，随着电子技术的发展，人们发现可以利用模拟电路去研究工业控制过程中的实际问题，由此而产生了现代控制理论。而这个模拟电路就是工业控制系统的一个模型，通过在这个模型上进行实验，就可以解决实际控制过程中产生的问题。又例如在飞机设计过程中，对飞机的外形要求是非常严格的，因为气动外形将最终影响整个飞机的飞行特性。由于飞机造价的昂贵。用真实的飞机去进行实验是不现实的。为了获得飞机外形的气动数据，尤其是飞机机翼的气动数据，必须制作各种不同形状的机翼模型放到风洞

20、中进行实验。风洞实验的结果改进了飞机的设计理论，而利用这个理论又可以去设计新型的飞机。在这个时期，人们在利用仿真方法研究或求解问题时，都是利用实物去构造与实际系统成比例的物理模型，再在这个模型上进行实验。如果这种实验是破坏性的，那么每次实验都要重新构造实物模型，带来很大的麻烦和浪费。1946 年，世界上第一台电子计算机在美国诞生。在随后的 50 年中，计算机技术的发展速度惊人，当今计算机的计算能力和信息处理能力已经比最初的那台笨重的以电子管为主体的机器提高了成千上万倍。如果说早期的仿真主要是利用实际物理模型的比例仿真，那么，现代仿真技术则是与计算机的发展密切相关的。目前通常所讲的仿真技术一般就

21、是指计算机仿真技术。随着计算机硬件和软件水平的提高，计算机仿真技术也得到了很大的发展。1.1.1 仿真软件的发展1.1.1 仿真软件的发展 数字仿真软件泛指一类面向仿真用途的应用软件。它的特点是面向问题和面向用户。它的功能包括模型描述的规范及处理、仿真实验的执行与控制、仿真结果的分析与演示、模型和数据的存储与检索。根据功能仿真软件可以分为仿真程序包、仿真语言及仿真环境三大类。仿真软件的发展是离不开计算机软件尤其是计算机程序设计语言的发展的。随着计算机从电子管到晶体管再到大规模集成电路不断地发展和进步，计算机的运算速度和存储能力都有显著的提高，因此也就有了计算机程序设计语言从机器语言到汇编语言再

22、到高级程序设计语言的发展历程。而这一切又为仿真软件的产生与发展提供了必要的条件。历史上第一个仿真软件是由塞尔弗里奇(R.G.Selfridge)在 1955 年开发的。他完北京威特尼斯科技中心11成了利用辛普森方法进行数值积分的仿真程序设计工作。从那之后，仿真软件的发展经历了四个阶段：第一阶段是从 50 年代到 60 年代初期，以 Fortran 语言为代表的通用程序设计语言阶段，Fortran 语言是达到成熟的第一个高级程序设计语言。当时几乎所有用于求解数学表达式的程序都是用 Fortran 语言编写成的，即使在目前，也有许多大型的通用仿真语言是基于 Fortran 语言编制的。第二阶段是

23、60 年代到 70 年代，出现了多种仿真程序包及初级仿真语言。这个时期仿真软件主要解决的问题是利用数字仿真方法求解常微分方程组。例如 1961 年由贝尔实验室开发的用于实现数据采集系统仿真的面向框图的程序 BLODI(BlockDiagram compiler)，1962 年为了工业动力学系统仿真专门开发的语言 DYNAMO(DYNAmic Models)。1983 发表的用于求解常微分方程组的仿真程序 MIDAS(Modified Integration Digital Analog Simulator)等等，直到 1967 年，为了促进已有的几十种数字仿真语言的标准化，美国计算机仿真学会

24、SCS 提出了 CSSL(ContinuousSystem Simulation Language)标准，后来开发的仿真语言大都遵循这个标准。在此阶段的仿真语言中，比较典型的还有 1964 年由 IBM 公司的 G.戈登(Gordon)开发的高度结构化的利用进程交互法进行排队问题仿真的专用仿真语言 GPSS(General PurposeSimulation System)。第三阶段在 70 年代到 80 年代初期，出现了高级完善的商品化仿真语言。这个阶段仿真语言的特点是在以下几个方面比早期的仿真语言更加成熟和全面。模型的表达能力 数值性能和算法 语言的结构特征 模型验证 程序执行方式 数据管

25、理和处理能力输入输出特性例如在年代中期推出的算法全面，功能强大的求解常微分方程和差分方程问题的仿真语言 CSSL-IV和 ACSL(Advanced Continuous Simulation Language)，以及1971 年推出的用于离散事件仿真的可以用类似自然语言自由格式描述系统模型的仿真语言 Simscript I.5 和应用广泛的随机网络建模的 SLAM 仿真语言。第四阶段是 80 年代中期开始的一体化建模与仿真环境研究。其背景是：随着建模与仿真工作要求的提高，已开发的各种仿真软件经常不能协调地工作；对仿真语言的要求越来越复杂；存在大量的数据处理及文档化工作；不同的用户(建模者，仿

26、真实验人员，决策者)对仿真工具有不同的要求；计算机网络技术和数据库技术有较大的发展；一体化建模与仿真环境的主要性能表现在：支持建模与仿真的全寿命周期活动；北京威特尼斯科技中心12集成化程度高；方便友好的用户接口；初步的知识处理能力；模型与仿真的质量保证措施；开放性；在当今市面上，仿真可用使用专用软件来实现。下面列举了一些仿真软件：20-sim、arena、Automod、Awesim、Easy5、Idef、Intrax、Manufacturing Engineering、Matlab、Modsim、Promodel、Prosolvia、Quest、SDI supply chain 以及 Wit

27、ness。Witness(SDX)：该软件提供离散事件仿真。该软件具备的多种工具使得对自动化制造系统进行仿真非常容易。周转时间、损坏模式和定时，调整模式和定时，缓冲设备容量和保存时间，机器类型等连同路径信息都为仿真提供了方便性。该软件还包括物料流动优化，虚拟现实功能，有效地物流流动可以最小化设备间物料和产品流动的费用。更多资料可以参看公司的网站：。1.1.2 仿真建模方法学的发展仿真建模方法学的发展仿真是在系统模型上进行实验的过程。利用计算机进行仿真就必须建立能够被计算机识别并在计算机上运行的系统模型，也就是说，通过对系统进行分析，首先建立描述系统行为规律的系统模型，再将其转换为计算机仿真程序

28、。仿真运算过程就是对系统模型求解的过程。为了通过仿真分析能够准确地掌握系统的内在运动规律，在仿真中以下两个方面是非常重要的。一是建立准确的系统模型，二是获得正确的仿真结果。早期计算机仿真的对象是对工程技术领域中的实际物理过程进行仿真。该领域中的问题(例如系统的控制和优化)涉及机械、电子、制造、航空等诸多背景，这些问题的特点是可以建立起以时间为基准的数学模型，即连续时间模型和离散时间模型，包括常微分方程、偏微分方程和差分方程等。利用实际工程背景中的原理和定理可以推导出所研究问题的时间微分或差分方程模型，而根据系统自身的特征和试验数据可以确定模型中的参数。在 50 年代至 60 年代，人们在差分方

29、程和微分方程模型的结构特征化和参数辨识方面花费了相当的精力并取得了很大的成果，与此同时，对求解这些方程的算法的研究也在不断发展。产生了能够满足快速和实时等多种不同要求的仿真算法和仿真软件。进人 70 年代，仿真逐步向政治、经济、军事等社会科学领域渗透，出现了许多用于求解这些领域中问题的数学模型。而随着对这些问题的深入分析和了解，数学模型从早期的微分方程和差分方程模型逐渐向能够反映问题离散和随机特点的离散事件逻辑流图和网络图模型过渡。同时，从求解静态模型的蒙特卜罗(Monte Carlo)法到研究系统动态模型的以事件调度法、活动扫描法和进程交互法为代表的仿真策略，离散事件模型的仿真算法研究也取得

30、了很大的发展。由于离散事件模型的构造比微分方程和差分方程复杂，而且建立的模型多种多北京威特尼斯科技中心13样，即使对同一个系统也可以建立许多不同的模型，因此人们一直在探索用统一的建模方法来指导和简化离散事件模型的建模过程。70 年代中期 B.P.齐格勒 CB.P.Zeigler)提出了模型的规范化和形式化描述理论，使得建模方法学前进了一大步。从那时起，结合计算机软件方法学的发展，系统建模理论中引入了层次化模块化方法和面向对象的思想，为建立集成化交互式建模环境提供了良好的基础。1.2 系统、模型与仿真1.2.1 系统系统系统仿真的研究对象是具有独立行为规律的系统。所谓系统是指相互联系又相互作用着

31、的对象的有机组合。从广义上讲，系统的概念是非常广阔的。大到无垠的宇宙世界，小到分子原子，我们都可以称之为系统。根据系统的物理特征可以将系统划分为两大类，即工程系统和非工程系统。所谓非工程系统是指自然和社会在发展过程中形成的，被人们在长期的生产劳动和社会实践中逐渐认识的系统。例如社会、经济、管理、交通、生物系统等属于非工程系统，所谓工程系统是指人们为满足某种需要或实现某个预定的功能，利用某种手段构造而成的系统。工程系统的例子非常多，如机械、电气，动力、化工、武器系统等。对于一个系统来说，不论它是大是小，都必然存在三个要素，即实体、属性和活动。所谓实体是指组成系统的具体对象。例如，在商品销售系统中

32、的实体有经理、部门、商品货币、仓库等。系统中的各个实体既具有一定的相对独立性，又相互联系构成一个整体。所谓属性是指实体所具有的每一项有效特性。例如，商品的属性有生产日期、进货价格、销售日期、售价等。所谓活动是指随着时间的推移、在系统内部由于各种原因而发生的变化过程。例如零售商品价格的增长等。系统是在不断地运动、发展、变化的。由于组成系统的实体之间相互作用而引起实体属性的变化，使得在不同的时刻，系统中的实体和实体属性都可能会有所不同，这种变化通常用状态的概念来描述。在任意给定时刻，系统中实体、属性以及活动的信息总和称为系统在该时刻的状态；用于表示系统状态的变量称为状态变量。系统不是孤立存在的。自

33、然界中的一切事物都存在着相互联系和相互影响。任何一个系统都将经常由于系统之外出现的变化而受到影响。这种对系统的活动结果产生影响的外界因素称为系统的环境。在对一个系统进行分析时，必须考虑系统所处的环境，而首要的便是划分系统与其所处环境之间的边界。系统边界包围系统中的所有实体。北京威特尼斯科技中心14系统边界的划分在很大程度上取决于系统研究的目的。例如在商品销售系统中，如果仅考虑商品仓库库存量的变化情况，那么系统只需包括采购部门、仓库以及销售部门即可。但若要研究商品进货与销售的关系时，系统中还要包括市场调查部门，因为商品销售状况及对进货的影响这部分职能是由该部门完成的。另一方面，系统在某些条件下是

34、可以分解的。也就是说，构成系统的某个实体本身也可以看成为一个单独的系统来进行分析研究，这个系统称为原系统的一个子系统或分系统。系统研究包括系统分析、系统综合和系统预测等方面。研究系统首先需要描述清楚所研究系统的实体、属性、活动及环境。因为系统的概念不仅与实体有关。而且与研究者的目的有关，只有在对实体、属性、活动、环境作了明确的描述之后，系统才是确定的。1.2.2 模型模型 系统模型可以定义为：为了达到系统研究的目的，用于收集和描述系统有关信息的实体。模型是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本质方面的描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的信息。模型描述

35、可视为是对真实世界中的物体或过程相关信息进行形式化的结果。模型在所研究系统的某一侧面具有与系统相似的数学描述或物理描述。从某种意义上说，模型是系统的代表，同时也是对系统的简化。另一方面，模型应足够详细，以便从模型的实验中取得关于实际系统的有效结论。一般来说，系统模型的结构具有相似性、简单性、多面性等性质。1.2.3 仿真仿真 给出一个系统的数学模型之后，有时用分析手段就可以求解系统有关的信息，但是当不能应用分析法的时候，就需要应用仿真方法求解。与应用数学分析方法求解问题相比较，仿真方法求解问题的主要缺点是很明显的，即它只能给出问题的特解而不能给出问题的通解。然而，能用数学分析法求解的问题的范围

36、毕竟是有限的。用数学分析法求解问题时，要对系统加以抽象和近似处理。以使模型适于用数学分析方法求解，在许多方面，理想情况下是把仿真方法的应用作为已经得到的、因过于简化的数学分析解答的一种补充。系统、模型与仿真三者之间有着十分密切的关系，系统是研究对象，模型是系统特性的描述，仿真则包含建立模型及对模型进行试验两个过程。1.2.3.1 仿真的分类根据模型的类型，系统仿真可以分成物理仿真、数学仿真和物理-数学仿真。按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行实验，就北京威特尼斯科技中心15称为物理仿真。而按照真实系统的数学关系构造系统的数学模型，并在数学模型上进行实验，就称为数学仿真。

37、把系统的一部分写成数学模型，而另一部部分则构造其物理模型，然后将它们联接成系统模型进行实验，就称为物理-数学仿真，也称为半实物仿真。物理仿真的优点是直观且形象化，但建模周期长、花费大。数学仿真的特点是经济、方便。计算机为数学模型的建立与实验提供了较大的灵活性，目前数学仿真一般就是在计算机上建立系统的数学模型并进行实验。因此数学仿真通常也称为计算机仿真。根据仿真中所用计算机的类型，计算机仿真又可以分为模拟仿真，数字仿真和混合仿真。模拟仿真是基于数学模型相似原理上的一种方法，仿真的主要工具是模拟计算机，模拟仿真的特点是直观、运算速度快，但精度较差。数字仿真基于数值计算原理，仿真的主要工具是数字计算

38、机和仿真软件。数字仿真自动化程度高，具有复杂逻辑判断的能力，而且可以获得较高的精度。混合仿真是将模拟仿真和数字仿真相结合的一种方法，仿真的主要工具是混合计算机系统。混合仿真兼备模拟仿真和数字仿真的优点，可以快速地进行多次仿真研究，因此特别适用于参数寻优，统计分析等方面的应用，尤其是在复杂系统的实时仿真方面体现出极大的优越性。根据仿真的研究对象，系统仿真可以分成连续系统仿真和离散事件系统仿真，连续系统是指系统的状态随时间连续变化的系统。这里要注意有些连续系统如数据采集系统的状态数据是在离散时间点上获得的，是非连续的，但其状态本身则是连续变化的。连续系统的模型可以用一组连续的方程描述。离散事件系统

39、的特点是系统的状态变化只在离散的时间点上发生，且发生时刻往往是随机的，系统的状态变化是由随机事件驱动的。1.2.3.2 计算机仿真计算机仿真就是采用计算机对数学模型进行仿真实验。现代的仿真系统主体(包括硬件和软件)都离不开计算机，计算机仿真方法主要解决下述两个问题：?提供计算机能接受的仿真模型；?提供在计算机上运行计算和进行仿真研究的方法。计算机仿真摆脱了物理模型的传统概念，不同的数学模型可在同一台计算机上运行。仿真研究要求借助计算机实现便于进行实验的“活”的数学模型，即提供便于程序设计的方法，使仿真人员能集中精力对仿真结果进行分析和处理，由于可以对物理性质截然不同的各种系统进行准确、灵活、可

40、靠的研究，这就使现代科学实验技术提高到一个新的水平。现代仿真技术的发展是与计算机应用和发展紧密相联系的，在计算机尚未问世之前，由于只有物理仿真，因此系统仿真是附属在与所研究系统有关的学科中的。而只有在计算机出现以后，由于数学仿真的发展，提出了大量共同性的技术问题，北京威特尼斯科技中心16系统仿真才逐渐发展为一门以计算机仿真为代表的独立的学科。从 40 年代末的模拟计算机仿真开始，逐渐发展到采用混合计算机、数字计算机和全数字并行处理机的仿真，其应用领域越来越广泛。至今，数字计算机已成为系统仿真的主要工具。多数情况下系统仿真即指计算机仿真，尤其特指数字计算机仿真。计算机仿真包括三个要素，即系统、模

41、型和计算机。联系这三个要素的有三个基本活动：系统模型建立、仿真模型建立和仿真实验。图 1 描述了计算机仿真三要素及三个基本活动的关系。建模活动是通过对实际系统的观测和检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型。仿真模型反映了系统模型同仿真器或计算机之间的关系，能为仿真器及计算机所接受并在其上运行。仿真实验就是将系统的仿真模型置于计算机上运行的过程。系统仿真是通过实验来研究实际系统的一种技术，通过仿真活动可以弄清系统内在结构变量和环境条件的影响。图 1.1 计算机仿真三要素及其关系1.3 离散事件系统仿真离散事件系统的仿真就是按照实际的

42、工作流程，在规定时间内顺序地改变实体或设备的状态。所谓工作流程是指实体在整个仿真过程中活动的顺序。每发生一个事件，系统的状态就发生一次变化，在实际活动中、事件的发生不是连续的，发生时间的间隔也不相等，而是具有某种随机性。1.3.1 基本概念基本概念为了了解系统仿真的基本方法，首先需要掌握与系统仿真有关的一些基本概念：1.3.1.1 事件事件是描述系统的另一基本要素。时间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。事件一般分为两类：必然事

43、件和条件事件。只与时间有关的事件称为必然事件。北京威特尼斯科技中心17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和条件事件。1.3.1.2 成分描述系统的第三个基本要素是成分。成分与实体是同一概念，只是根据习惯，在描述系统时用实体而在模型描述中用成分。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。1.3.1.3 进程若干事件与若干活动组成的过程称为进程。它描述了各事件活动发生的相

44、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（如图 1.2）。1.3.1.4 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，由于系统状态变化是不连续得，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“不活动”区域。从一个事件发生时刻，推进到下一个事件发生时刻。仿真钟的推进成跳跃性，推进速度具有随机性。由于仿真实质上是对系统状态在一定时间序列的动态描述，因此，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。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，而不是计算机运行仿真模型的

45、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，计算机仿真只需要几分钟就可以完成。1.3.1.5 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驶来描述和求解。系统仿真技术成了解决这类问题的有效方法。活动3活动2活动 1t事件1事件2事件4事件5事件3事件n活动n-1进程图 1.2 事件、活动与进程北京威特尼斯科技中心18对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

46、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。1.3.2 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。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。离散事件系统中的变量大多数是随机的，例如实体的“到达”和“服务”时间都是随机变量。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

47、中采用均匀步长推进仿真钟的原则，则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性。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动；这些事件或活动的发生是顺序的。而仿真时钟的推进正是依赖于这些事件和活动的发生顺序，在当前仿真时刻，仿真进程需要判断下一个事件发生的时刻或者判断触发实体活动开始和停止的条件是否满足，在处理完当前仿真时刻系统状态变化操作后，将仿真时钟推进到下一事件发生

48、时刻或下一个最早的活动开始或停止时刻。仿真进程就是不断按发生时间排列事件序列，并处理系统状态变化的过程。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相应的活动。消息和活动可以同时产生，即所谓的并发，但在单 CPU 计算机上，仍须按一定的仿真策略进行调度。在并行计算机和分布式仿真环境中，仿真策略

49、则可以更加灵活、方便。面向对象的仿真尤其适用于各实体相对独立、以信息建立相互联系的系统中，如航空管理系统、机械制造加工系统、以及武器攻防对抗系统等。北京威特尼斯科技中心191.3.3 仿真策略仿真策略离散事件系统仿真方法适用于状态变量是离散变化、时间连续变化的一类系统的仿真问题。随机时刻点上发生的事件引起系统中实体的状态变化。描述这类系统的模型一般不是一组数学表达式，而是一幅表示数量关系和逻辑关系的流程图。离散事件系统的算法体现在其建模框架和仿真策略之中。有三类基本仿真策略：1.3.3.1 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，模型中设有一个时间控制成分，该成分从事件表中选择

50、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。1.3.3.2 活动扫描法在此方法中，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，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，直到仿真终止为止。1.3.3.3 进程交互法这种方法的特