交通仿真课件第三章离散仿真ppt课件.ppt

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1、交通仿真课件第三章离散仿真ppt课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望概述概述l离离散散系系统统的的状状态态只只是是在在离离散散时时间间点点上上发发生生变变化化，而且这些离散时间点一般是而且这些离散时间点一般是随机随机的。的。l离离散散系系统统的的数数学学模模型型通通常常用用流流程程图图或或网网络络图图来来描述。描述。l离离散散仿仿真真的的目目的的是是实实体体的的活活动动以以找找出出(分分析析)系系统的统的(潜在潜在)行为。行为。离散仿真离散仿真l事

2、件事件(event)时间因变量随时间因变量随(事件事件)时间离散变时间离散变化。化。因变量因变量时间时间基本概念基本概念l实体实体 构成系统的各种构成系统的各种成分成分称为实体，系统的研究对象。称为实体，系统的研究对象。临时实体、永久实体。临时实体、永久实体。l属性属性 反映实体的某些反映实体的某些性质性质。l状态状态 在某一确定时间点，系统的状态是系统中所有实体属在某一确定时间点，系统的状态是系统中所有实体属性的性的集合集合。基本概念基本概念l事件事件 引起系统状态发生引起系统状态发生变化变化的行为，它是在某一时间点上的的行为，它是在某一时间点上的瞬瞬间行为间行为。l活动活动 实体在某一状态

3、的实体在某一状态的持续过程持续过程。l进程进程 进程由和实体相关的进程由和实体相关的事件事件及若干及若干活动活动组成，一个进程描述组成，一个进程描述了它所包括的事件及活动间的相互了它所包括的事件及活动间的相互逻辑逻辑关系和关系和时序时序关系。关系。车辆到达事件车辆到达事件服务开始事件服务开始事件服务结束事件服务结束事件服务活动服务活动进程进程排队活动排队活动事件、活动、进程三者之间的关系事件、活动、进程三者之间的关系基本概念基本概念l仿真时钟仿真时钟 仿仿真真时时钟钟用用于于表表示示仿仿真真时时间间的的变变化化，仿仿真真时时钟钟推推进进的的时时间间隔称为时间步长。间间隔称为时间步长。时间步长法

4、、事件步长法时间步长法、事件步长法l统计计数器统计计数器 离离散散系系统统的的状状态态随随事事件件的的不不断断发发生生呈呈现现动动态态变变化化过过程程，这种动态变化过程在统计意义下才有参考价值。这种动态变化过程在统计意义下才有参考价值。统计计数器用于记录仿真规程中系统性能的统计信息。统计计数器用于记录仿真规程中系统性能的统计信息。离散仿真模型建立步骤离散仿真模型建立步骤l定义系统的参变量集合，构造定义系统的参变量集合，构造系统映象系统映象；l定义事件类型及其发生时点；定义事件类型及其发生时点；l定义每一定义每一事件事件时间发生状态变化的点；时间发生状态变化的点；l描述系统中实体的描述系统中实体

5、的活动活动；l构造状态转移函数或算法；构造状态转移函数或算法；l通过系统流图描述整个通过系统流图描述整个过程过程。构造初始映象构造初始映象l找一个尽可能简单的系统状态作为初始状态；找一个尽可能简单的系统状态作为初始状态；l从一个远离平衡状态但容易构造的状态开始进从一个远离平衡状态但容易构造的状态开始进行模拟，当运行一段时间之后，系统的状态会行模拟，当运行一段时间之后，系统的状态会接近或处于稳定状态（平衡状态）。接近或处于稳定状态（平衡状态）。离散仿真中的关键问题离散仿真中的关键问题l事件取舍事件取舍：确定改变系统状态的事件集，并将它们用逻辑关系联系起来。确定改变系统状态的事件集，并将它们用逻辑

6、关系联系起来。系统仿真就是靠系统仿真就是靠按顺序执行按顺序执行联系这些事件的逻辑来实现的。联系这些事件的逻辑来实现的。l活动扫描活动扫描：要要描描述述系系统统中中实实体体的的活活动动，设设定定引引起起活活动动开开始始及及结结束束的的条条件件。启启动动或或结结束束活活动动的的事事件件不不由由建建模模者者设设定定，而而随随仿仿真真推推进进而而自自动动进进行行。为保证活动得到记录，每一次推进均需要扫描活动中的实体集。为保证活动得到记录，每一次推进均需要扫描活动中的实体集。由于需要在每一次推进中扫描每一活动，这种方法的效率不太高。由于需要在每一次推进中扫描每一活动，这种方法的效率不太高。l过程定位过程

7、定位：提供整个仿真过程中实体流的一种用仿真语言描述的方法。提供整个仿真过程中实体流的一种用仿真语言描述的方法。系统仿真的推进系统仿真的推进l时间步长法时间步长法 以固定的时间间隔进行驱动；以固定的时间间隔进行驱动；l事件步长法事件步长法 按下一类最早发生事件的发生时间推进。按下一类最早发生事件的发生时间推进。t时间步长法时间步长法l在进行系统仿真的同时，把整个仿真过程分为许多在进行系统仿真的同时，把整个仿真过程分为许多相相等等的的时间间隔时间间隔，程序按此步长前进的时钟就是仿真时，程序按此步长前进的时钟就是仿真时钟。钟。l在每个时间间隔做如下处理：在每个时间间隔做如下处理：l该步内若无事件发生

8、，则仿真时钟再推进一个单该步内若无事件发生，则仿真时钟再推进一个单位时间；位时间；u若在该步内有若干个事件发生，则认为这些事件均发生若在该步内有若干个事件发生，则认为这些事件均发生在这一步的结束时刻，同时必须规定当出现这种情况时在这一步的结束时刻，同时必须规定当出现这种情况时各类事件处理的优先顺序。各类事件处理的优先顺序。扫描与处理方法扫描与处理方法l对每一类事件或每一个主导实体设置一个模拟时钟，对每一类事件或每一个主导实体设置一个模拟时钟，以此记录和控制实体活动的延续时间。以此记录和控制实体活动的延续时间。l对系统实体进行扫描；对系统实体进行扫描；l对系统事件进行扫描；对系统事件进行扫描；l

9、对事件和实体结合起来进行扫描。对事件和实体结合起来进行扫描。l改变状态，预测下一事件改变状态，预测下一事件。时间步长时间步长法流程图法流程图事件步长法事件步长法l仿仿真真时时钟钟不不断断地地从从一一个个事事件件发发生生时时间间推推进进到到下下一一个个最早发生事件的发生时间。最早发生事件的发生时间。l以以事事件件发发生生的的时时间间点点相相互互间间隔隔作作为为步步长长，按按照照时时间间的的进进展展，一一步步一一步步地地对对系系统统的的行行为为进进行行仿仿真真，直直到到预定的仿真时间为止。预定的仿真时间为止。l事事件件表表按按照照事事件件发发生生时时间间先先后后顺顺序序安安排排事事件件，将将仿仿真

10、过程看作一个事件点序列。真过程看作一个事件点序列。l事事件件控控制制部部件件始始终终从从事事件件表表中中选选择择最最早早发发生生时时间间的的事件记录，然后将仿真时钟该事件发生的时刻。事件记录，然后将仿真时钟该事件发生的时刻。时钟推进举例时钟推进举例l模模拟拟运运行行150个个时时间间单单位位，顾顾客客到到达达事事件件、顾顾客客服服务务完完毕毕离离去去事事件件，Ti到到达达时时间间间间隔隔，Si第第i个个顾顾客客服服务务时时间间，Di第第i个个顾顾客客等等待待时时间间，Ci=Ti+Si+Di第第i个个顾顾客客离离开开系系统统的的时时间间,qi第第i个个顾顾客客排排队队的的对对长长，bi模模拟拟时

11、时钟钟推推进进到到第第i次的时间，次的时间，Zi第第i个事件发生时服务员的状态。个事件发生时服务员的状态。Ti=15,32,24,40,22,；Si=43,36,34,28,l 初始状态：初始状态：q0=0,Z0=0l求：求：bi 、Ci、离散系统仿真程序的结构离散系统仿真程序的结构l状态变量状态变量；l时钟变量时钟变量；l事件表事件表（按时间顺序记录仿真过程中将要发生的事件）（按时间顺序记录仿真过程中将要发生的事件）l统计计数器统计计数器l初始化子程序初始化子程序l时钟推进子程序时钟推进子程序 （由事件表确定下一事件，然后将将仿真时钟推进到该事件（由事件表确定下一事件，然后将将仿真时钟推进到

12、该事件发生的时间）发生的时间）l调度子程序调度子程序（将仿真过程中产生的未来事件插入事件表）（将仿真过程中产生的未来事件插入事件表）离散系统仿真程序的结构离散系统仿真程序的结构l事件子程序事件子程序 每一类事件对应一个事件子程序，相应的事件发生时就每一类事件对应一个事件子程序，相应的事件发生时就转入该事件子程序进行处理，更新系统状态，产生新的转入该事件子程序进行处理，更新系统状态，产生新的事件。事件。l统计报告子程序统计报告子程序l随机数发生器随机数发生器l主程序主程序 调用时钟推进子程序，控制转移到相应的事件子程序，调用时钟推进子程序，控制转移到相应的事件子程序，完成仿真程序的总体控制。完成

13、仿真程序的总体控制。离散系统仿真离散系统仿真程序流程图程序流程图离散系统仿真策略离散系统仿真策略l建立描述系统行为的仿真模型建立描述系统行为的仿真模型 由于系统采用伪随机数，可以得到确定的状态转移函由于系统采用伪随机数，可以得到确定的状态转移函数，模型采用流程图或网络图的形式。数，模型采用流程图或网络图的形式。l仿真策略仿真策略 仿真策略决定仿真模型的结构仿真策略决定仿真模型的结构模型描述中采用的主要术语模型描述中采用的主要术语l成分成分 相当于系统中的实体，用于构造模型中的各个部分。相当于系统中的实体，用于构造模型中的各个部分。u主动成分主动成分（可以主动产生活动的成分）（可以主动产生活动的

14、成分）u被动成分被动成分（本身不激发活动，只有在主动成分作用下才能产（本身不激发活动，只有在主动成分作用下才能产生状态变化）生状态变化）l描述变量描述变量 成分状态、属性的描述。成分状态、属性的描述。l成分间的相互关系成分间的相互关系 描述成分之间相互影响的规律。描述成分之间相互影响的规律。模型描述中采用的符号模型描述中采用的符号lC=a1,a2,an为成分集合；为成分集合；lCA=a1,a2,am为主动成分子集合；为主动成分子集合；lCP=a1,a2,ah为被动成分子集合；为被动成分子集合；lSa为成分为成分a的状态变量；的状态变量；lP=p1,p2,pr为参数（属性）集合；为参数（属性）集

15、合；lta为成分为成分a的状态下一发生变化的时刻的状态下一发生变化的时刻;lDa(S)为成分为成分a在状态变量值在状态变量值S时的条件变量时的条件变量;lTIME为模拟时钟的值。为模拟时钟的值。典型仿真策略典型仿真策略l事件调度法事件调度法l活动描述法活动描述法l进程交互法进程交互法事件调度法事件调度法l通通过过定定义义事事件件及及每每个个事事件件发发生生对对系系统统状状态态的的变变化化，按按时间顺序时间顺序确定并执行每个事件发生时有关的逻辑关系。确定并执行每个事件发生时有关的逻辑关系。l所所有有事事件件均均放放在在事事件件表表中中，模模型型中中设设有有一一个个时时间间控控制制机构机构，该机构

16、从事件表中选取最早发生时刻的事件。，该机构从事件表中选取最早发生时刻的事件。l以以事事件件种种类类为为控控制制依依据据，不不同同种种类类事事件件的的处处理理进进入入相相应应的的事事件件处处理理模模块块，并并在在时时间间处处理理完完毕毕返返回回时时间间控控制制机构。机构。事件调度法模型的基本结构事件调度法模型的基本结构事件调度算法事件调度算法l初始时间初始时间t=t0、事件表初始化、置系统初始事件、事件表初始化、置系统初始事件;l成分表初始化成分表初始化S=(Sa1,ta1),(Sam,tam),Sam+1,San);l操作事件表，取出操作事件表，取出t=min ta|aCA，修改事件表，修改事

17、件表;l推进时钟推进时钟 TIME=t(s);lWhile(TIMETIMElFRESENT(S)=a|ta=TIMElPAST(S)=a|taTIMElTIME=min(ta|a FUTURE(S)活动扫描法的算法活动扫描法的算法l初始时间初始时间t=t0、设置主动成分的模拟时钟、设置主动成分的模拟时钟ta(i);l成分状态初始化成分状态初始化S=(Sa1,ta1),(Sam,tam),Sam+1,San);l设置系统时钟设置系统时钟 TIME=t0;lWhile(TIME=t)，执行扫描，执行扫描 for j=最高优先数到最低优先数最高优先数到最低优先数 将优先数为将优先数为j的成分置成的

18、成分置成i if（tai(i)=TIME 且且 Dai(S)=true）执行活动子例程执行活动子例程 endif endfor TIME=min(ta|aFUTURE(S)l endwhile按活动扫描法建立的排对系统模型按活动扫描法建立的排对系统模型进程交互法进程交互法l进程由事件的时间序列及若干活动组成进程由事件的时间序列及若干活动组成l具具有有上上述述两两种种方方法法的的特特点点，接接近近实实际际系系统统，编编程实现非常程实现非常复杂复杂l采采用用进进程程描描述述系系统统，将将模模型型的的主主动动成成分分所所发发生生的的事事件件及及活活动动按按照照时时间间顺顺序序进进行行组组合合形形成成

19、进进程程表表，一一个个成成分分一一旦旦进进入入进进程程，它它将将完完成成进进程程的的全部活动。全部活动。进程交互法进程交互法l采用两张事件表，采用两张事件表，当前事件表当前事件表、将来事件表将来事件表；l当当仿仿真真时时钟钟推推进进，满满足足条条件件的的所所有有事事件件记记录录从从将将来来事事件件表表移移到到当当前前事事件件表表，取取出出每每个个事事件件记记录录，判判断断所所属属进进程程与与位位置置，当当发发生生条条件件真真，发发生生包包含含该该事事件件的的活活动动，并并让让该该进进程程尽尽可可能能地地推推进进，直直至至结束。结束。l时时间间控控制制以以主主导导实实体体进进入入该该进进程程的的

20、的的时时间间序序列列及及其其经经历历该该进进程程的的各各项项活活动动的的时时间间顺顺序序，走走向向控控制制主要以主要以断点断点为依据。为依据。以进程为基础的排队系统模型以进程为基础的排队系统模型几种仿真策略的比较几种仿真策略的比较l系统描述系统描述u事件调度法中，只有主动成分才能施加作用；事件调度法中，只有主动成分才能施加作用；u事事件件调调度度法法中中，系系统统的的动动态态特特性性表表现现为为主主动动成成分不断产生事件；分不断产生事件；u活动扫描法中表现为主动成分产生活动；活动扫描法中表现为主动成分产生活动；u进进程程交交互互法法中中则则是是通通过过成成分分在在其其进进程程中中一一步步一一步

21、地推进描述。步地推进描述。几种仿真策略的比较几种仿真策略的比较l建模要点建模要点u事事件件调调度度法法中中，用用户户要要对对所所定定义义的的全全部部事事件件进进行行建建 模，条件测试只能在事件处理子程序中进行；模，条件测试只能在事件处理子程序中进行；u 活活动动扫扫描描法法设设置置了了一一个个条条件件子子例例程程用用于于条条件件测测试试，还还设设置置了了一一个个活活动动扫扫描描模模块块，该该模模块块对对所所定定义义的的活活动进行建模；动进行建模；u 进进程程交交互互法法将将一一个个进进程程分分成成若若干干步步，每每一一步步包包括括条件测试及执行活动两部分。条件测试及执行活动两部分。几种仿真策略

22、的比较几种仿真策略的比较l时钟推进时钟推进u事事件件调调度度法法中中，控控制制机机构构从从事事件件表表中中取取出出最最早早发发生生时时间间的的事事件件记录，将时钟推进到该时刻，执行该事件处理子程序；记录，将时钟推进到该时刻，执行该事件处理子程序；u 活活动动扫扫描描法法除除系系统统时时钟钟外外，每每一一个个主主动动成成分分还还有有成成分分模模拟拟子子时时钟钟，控控制制机机构构选选取取那那些些大大于于当当前前系系统统时时钟钟且且所所有有成成分分模模拟拟时时钟钟最小最小的那个成分模拟时钟，将系统时钟推进到该时钟；的那个成分模拟时钟，将系统时钟推进到该时钟；u 进进程程交交互互法法中中，一一旦旦某某

23、个个进进程程被被执执行行，要要求求尽尽可可能能走走下下去去，但但并并不不改改变变系系统统时时钟钟。如如果果该该进进程程未未完完成成，记记录录中中断断时时间间及及事事件件类型放入将来事件表。类型放入将来事件表。几种仿真策略的比较几种仿真策略的比较l执行控制执行控制u事件调度法按下一最早发生时间选择事件记录；事件调度法按下一最早发生时间选择事件记录；u 活活动动扫扫描描法法对对全全部部活活动动扫扫描描，只只有有Dai(S)=true且且taiTIME的活动才能被执行；的活动才能被执行；u 进进程程交交互互法法对对当当前前事事件件表表中中所所有有的的记记录录扫扫描描，根根据据该该事事件件在在其其进进

24、程程中中的的指指针针进进行行条条件件判判断断。当当Dai(S)=true 执执行行该该进进程程，并并一一直直执执行行下下去去，否否则则记下断点。记下断点。几种仿真策略的比较几种仿真策略的比较l事件调度法建模灵活，建模工作量大；事件调度法建模灵活，建模工作量大；l活活动动扫扫描描法法对对于于各各成成分分相相关关性性很很强强的的系系统统来来说说模型效率较高，但执行程序结构复杂；模型效率较高，但执行程序结构复杂；l进进程程交交互互法法建建模模最最直直观观，模模型型表表示示接接近近实实际际系系统统特特别别适适用用于于可可以以预预测测、顺顺序序比比较较确确定定的的系系统统，但流程控制复杂，建模灵活性不好

25、。但流程控制复杂，建模灵活性不好。适用性适用性l系统中的各个成分相关性较少，宜采用事件调系统中的各个成分相关性较少，宜采用事件调度法，反之宜采用活动扫描法；度法，反之宜采用活动扫描法；l系统成分的活动比较规则，宜采用进程交互法。系统成分的活动比较规则，宜采用进程交互法。排队系统仿真排队系统仿真l某个时刻要求服务的的数量超过服务机构的容量。某个时刻要求服务的的数量超过服务机构的容量。l到达模式：顾客按怎样的规律到达；到达模式：顾客按怎样的规律到达；l服务机构：同一时刻有多少服务台可接纳顾客；服务机构：同一时刻有多少服务台可接纳顾客；l排队规则：服务台完成当前的服务后，从对列选择下排队规则：服务台

26、完成当前的服务后，从对列选择下一个实体服务的原则。一个实体服务的原则。到达模式到达模式l平均到达间隔时间平均到达间隔时间Ta=T/n；l平均到达率平均到达率 =1/Ta；l到达间隔时间分布函数；到达间隔时间分布函数；1-F(t)l到达时间变化系数到达时间变化系数Sa/Ta；服务机构服务机构l一个或多个服务员，没有服务员；一个或多个服务员，没有服务员；l多个服务台，并列、串列、混合；多个服务台，并列、串列、混合；l单独服务，成批服务；单独服务，成批服务；l服务时间，确定、随机；服务时间，确定、随机；排队规则排队规则l先到先服务先到先服务FIFO；l后到先服务后到先服务LIFO；l随机服务随机服务

27、SIRO；l优先权服务优先权服务PR；l最短处理时间先服务最短处理时间先服务SPT。系统容量系统容量l有限；有限；l无限无限。排队模型分类排队模型分类lA/B/C/D/E A:到达模式；到达模式；B:服务模式；服务模式；C:并行服务员的数目；并行服务员的数目；D:系统容量；系统容量；E:排队规则。排队规则。l常见的到达和服务间隔时间分布：常见的到达和服务间隔时间分布：M(指数分指数分布布)、G(确定型分布确定型分布)、M(一般随机分布一般随机分布)；lM/M/1/FIFO排队系统的特征量排队系统的特征量l服务员利用率服务员利用率P=平均服务时间平均服务时间/平均到达间隔时间；平均到达间隔时间；

28、l系统中平均顾客数系统中平均顾客数P/1-P；l系统内排队等待的顾客数系统内排队等待的顾客数P2/1-P；l顾客在系统内的停留时间；顾客在系统内的停留时间；l平均等待时间；平均等待时间；l系统出现大于系统出现大于n个顾客的概率。个顾客的概率。研讨研讨l多队多服务台排队系统模拟多队多服务台排队系统模拟 以多出纳台银行系统为例（换对原则）以多出纳台银行系统为例（换对原则）l系统中的成分系统中的成分l成分状态变量成分状态变量l系统中的初始状态系统中的初始状态l顾客到达间隔时间服从的分布顾客到达间隔时间服从的分布 l服务时间服从的分布服务时间服从的分布 事件事件l顾客到达银行顾客到达银行l顾客完成服务

29、后离开顾客完成服务后离开l顾客换对顾客换对l银行关闭银行关闭系统指标系统指标l平均等待时间平均等待时间l平均对长平均对长l最大等待时间最大等待时间l最大对长最大对长多级串联封闭式排队系统模拟多级串联封闭式排队系统模拟l基于主导实体活动扫描法的模拟模型基于主导实体活动扫描法的模拟模型l从从一一种种称称为为主主导导实实体体的的模模拟拟子子时时钟钟中中，找找出出具具有有最最小小时钟值的主导实体，处理该主导实体的活动。时钟值的主导实体，处理该主导实体的活动。l主主导导实实体体的的活活动动或或状状态态改改变变时时，子子时时钟钟便便更更新新一一次次时时钟值。钟值。港口装运模拟系统港口装运模拟系统l某海港共

30、有某海港共有N个仓库，个仓库，1个码头，个码头，m辆起重车从辆起重车从仓库运向码头装船。仓库运向码头装船。lN=2,m=12,14,16,18,20;lN=3,m=15,20,25,30;lN=4,m=25,30,35;确定起重车和仓库的合理数量关系。确定起重车和仓库的合理数量关系。系统分析系统分析l实体实体 起重车起重车、仓库、码头、道路、货物等。、仓库、码头、道路、货物等。l四级活动四级活动 仓库装车、重载运行、仓库装车、重载运行、码头卸车装船、空载返回码头卸车装船、空载返回l可控变量可控变量 仓库数目、起重车数目仓库数目、起重车数目系统模型系统模型lC(I)=0 重载运行；重载运行；C(

31、I)=1 卸车装船；卸车装船；lC(I)=2 空载返回；空载返回；C(I)=3 装车。装车。lA(I)每辆起重车的模拟子时钟每辆起重车的模拟子时钟 I=1,2,m；lL(J)每个仓库的模拟子时钟每个仓库的模拟子时钟 J=1,2,n；初始状态初始状态l开开始始时时，每每辆辆起起重重车车都都在在仓仓库库排排队队等等待待装装车车，并并假假设设所所有有起起重重车车都都进进行行装装车车，它它们们的的重重车车时间赋给时间赋给A(I)l起起重重车车均均位位于于处处于于装装完完车车准准备备出出发发状状态态，此此时时C(I)=0，重载运行。，重载运行。l从从所所有有重重车车的的子子时时钟钟钟钟找找出出最最小小子

32、子时时钟钟值值，并并取取出出对对应的车号应的车号J2。l若若C(J2)=0，重重载载运运行行，产产生生重重载载运运行行时时间间，赋赋值值A(J2)，C(J2)=1；l若若C(J2)=1，卸卸货货，若若码码头头空空闲闲，将将它它改改为为工工作作状状态态，累累计计空空闲闲时时间间，产产生生起起重重车车卸卸车车时时间间；否否则则不不改改变变码码头状态，让起重车排队，计算排队时间；头状态，让起重车排队，计算排队时间；C(J2)=2；l若若C(J2)=2，空空载载返返回回，产产生生空空载载返返回回时时间间，赋赋值值A(J2)，C(J2)=3；l若若C(J2)=3，装装车车，找找出出模模拟拟子子时时钟钟最最小小的的仓仓库库，若若仓仓库库不不空空闲闲，让让起起重重车车排排队队，计计算算等等待待时时间间；否否则则，累累计计空空闲闲时时间间，产产生生装装车车时时间间，仓仓库库装装车车，装装车车完完毕毕后后，C(J2)=0。