[精选]生产计划与控制02第二章系统建模与仿真的基本原理27559.pptx

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1、第第2 2章章 系系统建模与仿真的基本原理建模与仿真的基本原理 2.1 2.1 离散事件系统及其模型分类离散事件系统及其模型分类2.2 2.2 离散事件系统建模的基本元素离散事件系统建模的基本元素2.3 2.3 离散事件系统仿真程序的基本结构离散事件系统仿真程序的基本结构2.4 2.4 建立系统模型的常用方法建立系统模型的常用方法 2.4.1 2.4.1 分析与综合分析与综合 2.4.2 2.4.2 抽象与概括抽象与概括 2.4.3 2.4.3 归纳与总结归纳与总结 2.4.4 2.4.4 演绎与推理演绎与推理 2.4.5 2.4.5 比较与类比比较与类比 2.4.6 2.4.6 概率统计法概

2、率统计法2.1 2.1 离散事件系离散事件系统及其模型分及其模型分类 系统分类系统分类连续系统（continuos system）离散事件动态系统（DEDS）确定性系统（deterministic system）随机系统（stochastic system）静态系统（static system）动态系统（dynamic system）按系统状态的变化与时间的关系按有无随机过程按系统状态是否变化2.1 2.1 离散事件系离散事件系统及其模型分及其模型分类离散事件系统（1）离散事件系统内部的状态变化是随机的，同一内部状态可以向多种状态转变，很难用函数来描述系统内部状态的变化，只能靠统计分析来掌握系

3、统内部状态变化的规律。（2）离散事件系统的内部状态只在离散的随机时间点上发生变化，且状态在一段时间内保持不变。（3）离散事件系统是指系统的状态仅在离散的时间点上发生变化的系统，而且这些离散时间点一般是不确定的。第第2 2章章 系系统建模与仿真的基本原理建模与仿真的基本原理 2.1 2.1 离散事件系统及其模型分类离散事件系统及其模型分类2.2 2.2 离散事件系统建模的基本元素离散事件系统建模的基本元素2.3 2.3 离散事件系统仿真程序的基本结构离散事件系统仿真程序的基本结构2.4 2.4 建立系统模型的常用方法建立系统模型的常用方法 2.4.1 2.4.1 分析与综合分析与综合 2.4.2

4、 2.4.2 抽象与概括抽象与概括 2.4.3 2.4.3 归纳与总结归纳与总结 2.4.4 2.4.4 演绎与推理演绎与推理 2.4.5 2.4.5 比较与类比比较与类比 2.4.6 2.4.6 概率统计法概率统计法2.2 2.2 离散事件系离散事件系统建模的基本元素建模的基本元素 离散事件系统建模与仿真中的基本元素包括：离散事件系统建模与仿真中的基本元素包括：1实体（实体（entityentity）（1）定义 系统内的对象,构成系统模型的基本要素。（2）分类 临时实体临时实体 先进入系统并经过相应的环节后再离开系统，且在系统中的数量经常变化的实体，又称为主动实体、活动实体。永久实体永久实体

5、 经常处于系统之内，其数量保持稳定的实体，又称为被动实体。2.2 2.2 离散事件系离散事件系统建模的基本元素建模的基本元素1实体（实体（entityentity）系统的工作过程实质上就是临时实体流动和接受加工、处理的过程。如：排队的顾客，待加工的工件等永久实体只要系统处于活动状态，它就一定存在。如：商店的营业员，加工设备等临时实体按一定规律不断到达，在永久实体作用下通过系统，最后离开系统。系统状态的变化主要是由实体的状态变化而产生的。2.2 2.2 离散事件系离散事件系统建模的基本元素建模的基本元素2属性（属性（attributeattribute）属性属性(Attribute)是实体特征的

6、描述，是实体所拥有的全部特征的一个子集，用特征参数变量表示。在仿真建模中，只需要使用与研究目的相关的一部分就可以了。2.2 2.2 离散事件系离散事件系统建模的基本元素建模的基本元素3状态（状态（statestate）状态状态(State)是指在某时间点上对系统的所有实体属性和活动的描述。当一个系统的所有实体处于状态协调并定义状态的属性时，则认为系统处于特定状态。如：在随机服务系统模型中，“顾客”有“等待服务”和“接受服务”等状态，“服务员”有“忙”和“闲”等状态。活动总是与一个或几个实体的状态相对应，状态可作为动态属性进行描述。2.2 2.2 离散事件系离散事件系统建模的基本元素建模的基本元

7、素4事件（事件（eventevent）：（1）定义 引起系统状态变化的行为和起因，是系统状态变化的驱动力。离散事件系统可以看做是由事件驱动事件驱动的，它是在某一时间点的瞬间行为，如：待加工工件、顾客等的“到达”或“离开”等。事件不仅用来协调两个实体之间的同步活动，还用于各实体之间的信息传递。2.2 2.2 离散事件系离散事件系统建模的基本元素建模的基本元素4事件（事件（eventevent）：（2）分类时间事件和状态事件时间事件和状态事件时间事件：依照系统的作业规则在预订时间发生的事件。状态事件：当系统状态符合某种条件下发生的事件。基本事件和二次事件基本事件和二次事件基本事件：其发生可以事先加

8、以预测的事件。二次事件：发生与否则取决于其他事件。如：顾客到达和接受服务2.2 2.2 离散事件系离散事件系统建模的基本元素建模的基本元素5活动（活动（activityactivity）活动活动(Active)是实体在两个事件之间保持某一状态的持续过程。如如：顾客接受服务的过程，工件被加工的过程 活动因某一事件的发生而开始，因下一事件的发生而结束，因此它标志着实体状态迁移的一个片段。如如：在“顾客到达”与“服务开始”两个事件之间存在一个“排队等候”活动；“服务开始”与“服务结束”之间存在“顾客接受服务”活动。2.2 2.2 离散事件系离散事件系统建模的基本元素建模的基本元素6进程（进程（pro

9、cessprocess）进程进程(Process)是由与某类实体相关的事件和若干活动组成的，它描述了这些事件和活动间的相互逻辑关系和时序关系。如：“顾客到达系统排队开始接受服务服务结束”的过程就构成了一个进程。进程是事件与活动的组合，它可以更加完整地描述实体状态的迁移过程。理发店例子中进程的含义2.2 2.2 离散事件系离散事件系统建模的基本元素建模的基本元素7仿真时钟（仿真时钟（simulation clocksimulation clock）：用于显示仿真时间的变 化，是仿真模型运行时序的控制机构 ！仿真时钟是指所模拟的实际系统运行所需的时间，仿真时钟是指所模拟的实际系统运行所需的时间，而

10、不是指计算机执行仿真程序所需的时间。而不是指计算机执行仿真程序所需的时间。常用的仿真时钟的推进机制常用的仿真时钟的推进机制：仿真时钟可以按固定的长度向前推进，也可以按变化的节拍 向前推进，将仿真时钟变化的机制称为 仿真时钟的推进机制（仿真时钟的推进机制（time advance mechanismtime advance mechanism）固定步长时间推进机制固定步长时间推进机制 （fixed-increment time advance mechanism）下次事件时间推进机制下次事件时间推进机制 （next event time advance mechanism）混合时间推进机制混合时

11、间推进机制 （mixed time advance mechanism）2023/5/21142.2 2.2 离散事件系离散事件系统建模的基本元素建模的基本元素8.8.规则（规则（rulerule）：用于描述实体之间的逻辑关系和系统运行 策略的逻辑语句和约定 常用的规则常用的规则：先进先出（First In First Out，FIFO）后进先出（Last In First Out，LIFO）加工或服务时间最短（shortest time）按优先级（highest priority）随机（random）选择 2023/5/21152.2 2.2 离散事件系离散事件系统建模的基本元素建模的基本元

12、素系统系统实体实体属性属性活动活动系统状态系统状态事件事件工业生产机器、零件 生产能力、故障加工要求加工时间、故障时间机器忙、机器闲加工开始、加工结束通信信号、信道 信号长度、传输终端传输信道发送忙、信道发送闲信号开始传输、信号传输结束仓储仓库、物品库房容量进货库存水平、欠付需求需求交通道路、交叉口车辆信号机车道数、车型、车速周期运动时间、信号时间系统总车数、红绿灯车辆到达、绿灯开始离散系统实例离散系统实例2023/5/2116第第2 2章章 系系统建模与仿真的基本原理建模与仿真的基本原理 2.1 2.1 离散事件系统及其模型分类离散事件系统及其模型分类2.2 2.2 离散事件系统建模的基本元

13、素离散事件系统建模的基本元素2.3 2.3 离散事件系统仿真程序的基本结构离散事件系统仿真程序的基本结构2.4 2.4 建立系统模型的常用方法建立系统模型的常用方法 2.4.1 2.4.1 分析与综合分析与综合 2.4.2 2.4.2 抽象与概括抽象与概括 2.4.3 2.4.3 归纳与总结归纳与总结 2.4.4 2.4.4 演绎与推理演绎与推理 2.4.5 2.4.5 比较与类比比较与类比 2.4.6 2.4.6 概率统计法概率统计法2023/5/21172.3 2.3 离散事件系离散事件系统仿真程序的基本仿真程序的基本结构构2023/5/21182.3 2.3 离散事件系离散事件系统仿真程

14、序的基本仿真程序的基本结构构 离散事件仿真程序中的子程序：1变量、实体属性和系统状态：变量、实体属性和系统状态：用来记录系统在不同时刻所 处的工作状况。2初始化子程序：初始化子程序：在仿真模型开始运行前完成模型的初始化 工作，产生必要的初试参数。3仿真时钟：仿真时钟：用于记录仿真模型的运行时间，可作为评价系 统性能的依据，也可作为仿真调度和仿真程序 是否结束的依据。4 4事件列表：事件列表：按事件按发生的先后顺序建立的数据列表，是 仿真模型运行和仿真时钟推进的依据。2023/5/21192.3 2.3 离散事件系离散事件系统仿真程序的基本仿真程序的基本结构构5定时子程序定时子程序：根据事件表确

15、定下一个将发生的事件，并将 仿真时钟推进到下次事件发生的时刻。6事件子程序：事件子程序：根据实际系统抽象出的事件程序。7仿真数据处理与分析子程序：仿真数据处理与分析子程序：用于计算、显示、分析和打 印仿真结果，并为系统的优化和改进提供依 据。2023/5/2120第第2 2章章 系系统建模与仿真的基本原理建模与仿真的基本原理 2.1 2.1 离散事件系统及其模型分类离散事件系统及其模型分类2.2 2.2 离散事件系统建模的基本元素离散事件系统建模的基本元素2.3 2.3 离散事件系统仿真程序的基本结构离散事件系统仿真程序的基本结构2.4 2.4 建立系统模型的常用方法建立系统模型的常用方法 2

16、.4.1 2.4.1 分析与综合分析与综合 2.4.2 2.4.2 抽象与概括抽象与概括 2.4.3 2.4.3 归纳与总结归纳与总结 2.4.4 2.4.4 演绎与推理演绎与推理 2.4.5 2.4.5 比较与类比比较与类比 2.4.6 2.4.6 概率统计法概率统计法2023/5/21212.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法 系统建模要求建模者具备以下能力系统建模要求建模者具备以下能力：建立系统模型是复杂的思维过程，它要求建模者具备扎实的 专业知识，了解研究对象的结构、参数、运行和性能特征，还要求建模者掌握系统建模的基本方法，熟练应用相关的数 学工具和方法。对研究对象

17、的分析和综合能力；抽象和概括能力；洞察和想象能力；运用数学工具分析问题的能力；设计试验验证数学模型的能力。2023/5/21222.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法2.4.1 分析与综合分析与综合（analysis and synthesis）分析是研究系统的基础，也是认识事物的必经阶段。分分析析（a an na al ly ys si is s）是指将被研究对象的整体分解为不同部部 分分、方方 面面、要要 素素、层层 次次 和功功能能模模块块，并且分别加以考察研究的思维 方法，即“化整为零化整为零”的思维过程。分析的任务包括：分析构成系统的要素、结构及其属性；分析构成系

18、统的要素、结构及其属性；通过对系统运行过程的分析，确定系统要素之间的关系。通过对系统运行过程的分析，确定系统要素之间的关系。2023/5/21232.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法 综综合合（s sy yn nt th he es si is s）是将已有的关于研究对象的各个部分、方 面、要素、层次和功能模块的认识联结起来，以便构成一个 整体的思维方法，即“积零为整积零为整”的思维过程。综合不是系统要素、结构的简单累加，而要在分析的基础上 区分主次、去粗取精，以便从整体上把握系统的本质特征和 运行规律，以便正确地认识系统。分析与综合是揭示系统规律的基本方法之一。分析是综

19、合的 基础，但是分析着眼于系统局部，分析得到的结果是关于系 统各部分的信息，而不是关于系统整体的认识。若只分析而 忽视综合，就会导致片面性。2023/5/21242.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法 分析的目的是为了综合，分析的目的是为了综合，分析结果是综合的出发点分析结果是综合的出发点。实际上，认认识识系系统统的的过过程程就就是是沿沿着着“分分 析析-综综 合合-再再分分析析-再再 综合综合”不断深化的过程。系统建模时，应先分析后综合应先分析后综合，将者有机地结合起来。2023/5/21252.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法 分析与综合案例分析与

20、综合案例元素周期表元素周期表2023/5/21262.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法2023/5/21272.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法2.4.2 抽象与概括抽象与概括（abstraction and generalization）抽象（抽象（abstractionabstraction）是指从某种角度抽取要研究系统的本从某种角度抽取要研究系统的本 质属性的思维方法质属性的思维方法。在数学中，抽象是指从研究对象或问题中抽取出数量关系或从研究对象或问题中抽取出数量关系或 空间形式而舍弃其他属性对其进行考察的方法空间形式而舍弃其他属性对其进行考察

21、的方法。数学中的概念、关系、定理、方法、符号概念、关系、定理、方法、符号等都是数学抽象的 结果。采用系统建模与仿真技术研究系统时，需要建立系统的数学 模型。因此，抽象思维是数学建模的基础之一。2023/5/21282.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法 概括（概括（generalizationgeneralization）是把抽象出来的若干事物的共同属 性归结出来进行考察的思维方法。概括以抽象为基础，它是抽象的发展。抽象度越高，则概括 性越强。高度的概括使得对事物的理解更具有一般性，所获得的理论 或方法也就更具有普遍的指导性。抽象思维侧重于分析、提炼，概括思维则侧重于归纳、

22、综合。2023/5/21292.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法 抽象与概括案例抽象与概括案例哥尼斯堡七桥问题哥尼斯堡七桥问题2023/5/21302.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法2.4.3 归纳与总结归纳与总结（induction and summingup）归纳归纳是指从个别的事物、现象出发，通过感官观察、经验推 理或数学推导等，得出关于此类事物或现象的具有普遍性结 论的过程。归纳的前提归纳的前提是单个事实或特殊的情况，它建立在观察、经验 或实验的基础上。归纳的意义在于：在一定条件下，将得出的结论应用于不同 的应用对象，或避免犯类似的错误。2

23、023/5/21312.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法 归纳与总结归纳与总结案例案例哥德巴赫猜想哥德巴赫猜想 1742年，德国数学家哥德巴赫（Christian Goldbach，1690-1764）研究发现：奇奇数数都都可可以以由由三三个个素素数数相相加加，如7753177，461449752571995等。于是，他归纳出一个规律：所有大于所有大于5 5的奇数都可以分解为三个素数之和的奇数都可以分解为三个素数之和。他写信给数学家欧拉，提出上述猜想。欧拉肯定了他的想法，并补充提出：4 4以以后后每每个个偶偶数数都都可可以以分分解解为为两两个个素素数数之之和和。后来，人们

24、将这两个命题合称为哥德巴赫猜想。2023/5/21322.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法 归纳与总结归纳与总结案例案例开普勒定律开普勒定律 自1601年起，德国天文学家开普勒（Johannes Kepler，1571-1630）采用数学方法研究行行星星运运动动，于1609年归纳出开普勒第一定律和开普勒第二定律。开普勒第一定律可表述为“各各行行星星分分别别在在大大小小不不同同的的椭椭圆轨道上绕太阳运行，太阳位于这些椭圆的一个焦点上圆轨道上绕太阳运行，太阳位于这些椭圆的一个焦点上”；开普勒第二定律可表述为“对对同同一一颗颗行行星星而而言言，太太阳阳和和行星之间的连线在相等的

25、时间内扫过相等的面积行星之间的连线在相等的时间内扫过相等的面积”。2023/5/21332.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法 归纳与总结归纳与总结案例案例开普勒定律开普勒定律 为进一步寻求行星运动周期与椭圆轨道尺寸之间的关系，开普勒又经过九九年年的反复计算和假设，于1618年发现了隐藏在大量观测数据后面的规律，归纳出“行行星星绕绕太太阳阳运运行行周周期期（T T）的的平平方方与与它它们们到到它它们们到到太太阳阳的的平平均均距距离离（椭椭圆圆轨轨道道长长轴轴半半径径a a）的立方成正比的立方成正比”的结论，此即开普勒第三定律开普勒第三定律。2023/5/21342.4 2.

26、4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法 归纳与总结归纳与总结案例案例开普勒定律开普勒定律 1619年，开普勒在宇宙的和谐宇宙的和谐一书中介绍了第三定律。他在书中写道：“认识到这一真理，超出了我最美好的期望认识到这一真理，超出了我最美好的期望”。开普勒的三大定律是天文学的又一次革命，它彻底摧毁了托勒密复杂的本轮宇宙体系托勒密复杂的本轮宇宙体系，完善并简化了哥白尼的日心宇宙哥白尼的日心宇宙体系体系，对后人确认太阳系结构提供了理论依据，并为牛顿发现牛顿发现万有引力定律万有引力定律奠定了基础。2023/5/21352.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法2.4.4 演绎与推理

27、演绎与推理（deduction and reasoning）演绎（演绎（deductiondeduction）是由普遍性前提推导出特殊性结论的思由普遍性前提推导出特殊性结论的思 维方法，是由一般到特殊的推理过程维方法，是由一般到特殊的推理过程。演绎推理是严格的逻辑推理，一般表现为大前提大前提、小前提小前提、结论结论的三段论模式，即从两个反映客观世界对象联系和关 系的判断中得出新的判断的推理形式。演绎推理（演绎推理（deductive reasoningdeductive reasoning）的基本要求是：大、小前提的判断必须真实大、小前提的判断必须真实；推理过程必须符合正确的逻辑形式和规则推理

28、过程必须符合正确的逻辑形式和规则。2023/5/21362.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法 当推理形式和推理逻辑正确时，在真实的前提下由演绎方法 一定能得出正确的结论，不会出现前提真而结论假的情况。英国科学家牛顿牛顿（Isaac Newton，1642-1727）以微积分方 法为工具，应用演绎推理方法，在开普勒三定律和牛顿第 二定律的基础上，推导出万有引力定律万有引力定律，从而定量地解释 了许多自然现象。由于该演绎推理的前提正确、推理逻辑 无误，万有引力被大量的实验数据所证实。爱因斯坦爱因斯坦曾说过：“理论研究者的工作可分成两步，首先是理论研究者的工作可分成两步，首先是

29、 发现公理，其次是从公理推出结论发现公理，其次是从公理推出结论”。爱因斯坦爱因斯坦还曾指出：“科学发展早期所采用的方法以归纳为科学发展早期所采用的方法以归纳为 主，随着科学的发展而让逐步位于探索性的演绎法主，随着科学的发展而让逐步位于探索性的演绎法。”2023/5/21372.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法 恩恩格格斯斯曾经指出：“正如分析和综合一样，归纳和演绎是必然相互联系着的”。诺贝尔奖得主杨杨振振宁宁教授也曾说：“中华文化有归纳法，可没有推演法（演绎法），而近代科学是把归纳法和推演法结合 起来而发展的，推演法对于近代科学产生的影响无法估量。”2023/5/2138

30、2.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法2.4.5 比较与类比比较与类比（comparison and analogy）要判定一个系统性能的优劣，可以采用以下两种方法：采用实验手段直接测量，得到系统性能的绝对值；采用实验手段直接测量，得到系统性能的绝对值；将待研究对象与类似的已知系统作比较，得到系统性能的将待研究对象与类似的已知系统作比较，得到系统性能的 相对值。相对值。比较与类比（比较与类比（comparison and analogycomparison and analogy）是指由两个对象的 某些相同或相似的性质，推断它们在其他性质上也有可能相 同或相似的一种推理形式

31、。2023/5/21392.4 2.4 建立系建立系统模型的常用方法模型的常用方法2.4.6 概率统计法概率统计法（probabilistic method）系统建模和仿真时，模型的输入参数（如待加工零件的比 例和到达时间、零件在不同工序的加工时间、设备故障停 机时间等）都服从一定分布，系统的性能指标（如机床利 用率、零件平均等待时间、车间生产率等）也具有随机性。要准确地描述模型的输入/输出参数，必须利用概率统计法。概率统计法（probability statistics method）是以概率 论为基础，通过观察、采集、处理和分析待研究系统的样本 数据，从而推断出系统总体性能指标。演讲完毕，谢谢观看！