系統(tǒng)仿真01-系統(tǒng)建模與仿真學(xué)習(xí)資料

北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心第一章緒論教材及參考材料張曉萍石偉劉玉坤等物流系統(tǒng)仿真清華大學(xué)出版社2008.7；肖田元

范文慧離散事件系統(tǒng)建模與仿真電子工業(yè)出版色2011.8；董紹華

周曉光

趙寧

劉玉坤物流系統(tǒng)仿真北京郵電大學(xué)出版社2008.5；齊歡王小平系統(tǒng)建模與仿真清華大學(xué)出版社2006.1成績評定平時成績（20％）作業(yè)＋課堂回答問題期中考試（30％）期末考試（50％）主要內(nèi)容仿真的感性認(rèn)識系統(tǒng)仿真的基本原理離散系統(tǒng)仿真基本概念與模型構(gòu)造仿真研究的步驟系統(tǒng)建模與仿真的理論框架仿真的特點4北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤September13,2010September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤51.1仿真的感性認(rèn)識SimulationImitateMimicSimulateEmulateApproximateNumericalEstimateEvaluationAnalyticRunEvolutionSeptember13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤6仿真印象配送/物流中心(distribution/logisticscenter)北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤7配送中心內(nèi)部作業(yè)仿真September13,2010September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤8仿真印象生產(chǎn)制造(production/manufacturing)September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤9仿真印象港口作業(yè)(Portoperations)September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤10仿真印象機(jī)場、海關(guān)(airportandcustom-house)September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤11具體設(shè)備（equipment）1.2系統(tǒng)仿真的基本原理系統(tǒng)仿真的方法論本質(zhì)----waystostudyasystem12北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤September13,2010September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤13從方法論角度，系統(tǒng)仿真如同運(yùn)籌學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、數(shù)理分析等方法一樣，是一種基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)方法與工具。仿真被認(rèn)為是繼理論分析和科學(xué)實驗之后的第三種認(rèn)識世界和改造世界的重要方法。系統(tǒng)仿真方法一般被歸類為運(yùn)籌學(xué)方法，被稱為運(yùn)籌學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的第二位方法。系統(tǒng)仿真方法是基于復(fù)雜（適應(yīng)性）系統(tǒng)論、控制論、信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的綜合性理論方法。September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤14系統(tǒng)仿真方法是一種實驗統(tǒng)計方法，在非真實系統(tǒng)但近似等價于真實系統(tǒng)的模型——尤其是計算機(jī)（數(shù)字化）模型——上進(jìn)行推演、執(zhí)行后，考察記錄評價該系統(tǒng)性能的指標(biāo)參數(shù)，并進(jìn)行定量的統(tǒng)計分析，給出統(tǒng)計學(xué)意義上的分析結(jié)果，從而對系統(tǒng)的性能進(jìn)行評價——而不是解析求解。決策者在看到對各種不同決策參數(shù)作用下系統(tǒng)的多種性能的統(tǒng)計評價結(jié)果后，根據(jù)自己的綜合判斷，選擇滿意的決策方案。September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤15系統(tǒng)建模與仿真的基本原理與基本活動仿真試驗系統(tǒng)建模仿真建模系統(tǒng)模型仿真模型對象系統(tǒng)數(shù)學(xué)定量關(guān)系事件邏輯關(guān)系時間、空間邏輯網(wǎng)絡(luò)、交互作用September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤161.3系統(tǒng)仿真基本概念與模型構(gòu)造1.3.1基本概念1.3.1.1系統(tǒng)及其分類（1）系統(tǒng)為了某個目的，按照某些規(guī)律結(jié)合起來、相互作用、相互依存的所有實體的有機(jī)組合。系統(tǒng)的定義例如，企業(yè)、商店、學(xué)校、研究所都是系統(tǒng)，在企業(yè)中的一個車間，一條生產(chǎn)線，甚至一臺設(shè)備也是一個系統(tǒng)。它們都是由人和其他事（如資金、物資、設(shè)備等）為了一個共同的目標(biāo)按照一定的組織結(jié)構(gòu)而有機(jī)結(jié)合起來的整體。系統(tǒng)與其說是一種具體對象，還不如說是一種研究事物的方法。只有我們把注意力集中到它們各部分元素及其相互關(guān)系時，才明確指出系統(tǒng)性。可謂“事事是系統(tǒng)，處處是系統(tǒng)”。系統(tǒng)的定義系統(tǒng)可以是抽象的或物理的，可以是巨大的或渺小的。例如，宗教系統(tǒng)是一套有關(guān)神和神與人類之間關(guān)系的思想體系，它是一個抽象的系統(tǒng)。一輛汽車是由發(fā)動機(jī)、車輪、方向盤、車體等部件構(gòu)成的一個物理系統(tǒng)。系統(tǒng)科學(xué)系統(tǒng)科學(xué)是一門綜合學(xué)科。系統(tǒng)科學(xué)可分為三個層次。第一層是基礎(chǔ)科學(xué)，即系統(tǒng)學(xué)。它主要研究系統(tǒng)的普遍屬性、運(yùn)動規(guī)律，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，以及系統(tǒng)仿真的基本原理等。第二層是技術(shù)科學(xué)。主要研究系統(tǒng)共性問題的技術(shù)理論，如最優(yōu)化理論。目前系統(tǒng)的技術(shù)科學(xué)主要是運(yùn)籌學(xué)。第三層是工程技術(shù)。系統(tǒng)的工程技術(shù)叫系統(tǒng)工程。它研究系統(tǒng)的組織和管理技術(shù)。September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤20系統(tǒng)的類型靜態(tài)與動態(tài)確定與隨機(jī)連續(xù)與離散……September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤21

模型（1）模型的概念對應(yīng)的真實對象、真實關(guān)系中那些有用的、令人感興趣的特性的抽象，是對系統(tǒng)某些本質(zhì)方面的描述，以各種可用形式提供被研究系統(tǒng)的描述信息。（2）模型的類型物理模型——實物模型，如沙盤數(shù)學(xué)模型——數(shù)學(xué)表達(dá)式，如線性模型模型的非形式描述——模型的本質(zhì)與輪廓September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤22

仿真仿真(Simulation)是對實際過程或系統(tǒng)隨時間變化的運(yùn)作的模仿(imitation,mimic)。仿真通過建立系統(tǒng)模型(Systemmodel)和仿真模型（simulationmodel）來描述對象系統(tǒng)的行為。系統(tǒng)仿真多數(shù)是在計算機(jī)上進(jìn)行的。系統(tǒng)仿真可定義為：建立研究對象的計算機(jī)模型，在模型上進(jìn)行數(shù)字試驗，把數(shù)字試驗得出的結(jié)論應(yīng)用于對象系統(tǒng)的設(shè)計、評價和優(yōu)化等。September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤231.3.2離散事件系統(tǒng)

基本要素

引例：北郵西門北側(cè)的郵政金融營業(yè)廳早晨8:30開門開始營業(yè)顧客陸續(xù)到達(dá)分別選擇窗口排隊顧客接受服務(wù)顧客離開到下午4:30,不再接收新的顧客服務(wù)完已經(jīng)進(jìn)入的所有顧客關(guān)門結(jié)束當(dāng)天營業(yè)北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤24這是一個典型離散事件系統(tǒng)discreteeventsystem（DES）涉及到的“實體”顧客營業(yè)員（出納）開放的服務(wù)窗口（及相應(yīng)的隊列空間）如何描述清楚這個系統(tǒng)的活動前一頁的描述足夠清楚了嗎？September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤25一、離散事件系統(tǒng)建模基本知識1、描述一個DES需要的五個基本要素實體（entity）屬性（attribute）事件（event）活動（activity）進(jìn)程（process）窗口服務(wù)人員顧客顧客到達(dá)顧客離開業(yè)務(wù)服務(wù)到達(dá)時間間隔到達(dá)批量永久實體臨時實體窗口數(shù)量，隊長、服務(wù)時長等排隊方式服務(wù)規(guī)則September13,2010二、離散事件系統(tǒng)基本要素實體：構(gòu)成系統(tǒng)的基本元素。是系統(tǒng)中有意義的一個物體。有些實體在整個仿真過程中始終存在－永久實體。有些實體在一部分仿真過程中存在，有進(jìn)入、退出系統(tǒng)的情況－臨時實體。屬性：是指某一實體的特性。例如，在銀行中，顧客是實體，其屬性是帳戶。事件：使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的、實體的瞬間行為。注：事件還可能觸發(fā)新的事件。DES中的事件具有三個特征：離散事件是導(dǎo)致DES狀態(tài)發(fā)生躍變和觸發(fā)新的離散事件的唯一因素。事件交互影響系統(tǒng)狀態(tài)的變化。事件的發(fā)生時刻是異步的和不確定的。二、離散事件系統(tǒng)基本要素北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤28進(jìn)程的概念以及

進(jìn)程、事件、活動的關(guān)系有序的事件與活動組成進(jìn)程進(jìn)程描述了事件、活動的邏輯關(guān)系和時序關(guān)系顧客1到達(dá)開始服務(wù)1服務(wù)1結(jié)束服務(wù)n開始顧客1離開排隊金融服務(wù)1金融服務(wù)kSeptember13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤291.3.3仿真模型基本構(gòu)造大多數(shù)采用變步長時鐘推進(jìn)機(jī)制的離散事件系統(tǒng)仿真模型中，通常都包含如下幾個組成部分：①系統(tǒng)狀態(tài)：某特定時刻系統(tǒng)的一組狀態(tài)變量；②仿真鐘：提供當(dāng)前仿真時刻的變量；③事件列表：當(dāng)前或下一時刻將發(fā)生的各類事件；④統(tǒng)計計數(shù)器：一組用來記錄統(tǒng)計信息的變量；September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤30⑤初始化程序：在系統(tǒng)時間為0時，用來初始化仿真模型的子程序；⑥時間推進(jìn)程序：用來推進(jìn)時間的子程序，它根據(jù)事件列表（變步長）或固定長度推進(jìn)仿真鐘；⑦事件發(fā)生程序：特定事件發(fā)生，相應(yīng)更新系統(tǒng)狀態(tài)的子程序⑧隨機(jī)觀測生成程序庫：根據(jù)概率分布產(chǎn)生隨機(jī)觀測值的一組子程序；September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤31⑨報告生成器：按某種方法計算系統(tǒng)績效，并在仿真結(jié)束時生成仿真報告；⑩主程序：喚醒時間推進(jìn)子程序來確定下一發(fā)生事件然后將控制轉(zhuǎn)向相應(yīng)的事件程序?qū)ο到y(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的更新還可能檢查仿真的終止并在仿真結(jié)束時激活報告生成器September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤32變步長時間推進(jìn)法仿真模型組成及仿真控制流程September13,2010September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤33幾個重要概念（1）系統(tǒng)狀態(tài)用來描述系統(tǒng)變化特征的變量集合稱為系統(tǒng)狀態(tài)（變量）狀態(tài)變量的定義（選?。┤Q于系統(tǒng)仿真目標(biāo)和系統(tǒng)模型詳細(xì)程度。例如：銀行中的顧客：排隊等待、接受服務(wù)出納員：忙、閑、暫停服務(wù)等狀態(tài)如果考察銀行的服務(wù)效率，可以把顧客在銀行內(nèi)停留的時間作為狀態(tài)變量如果考察銀行系統(tǒng)資金流狀況，則要把銀行當(dāng)日的資金額作為系統(tǒng)狀態(tài)變量September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤34（2）仿真鐘為了實現(xiàn)對系統(tǒng)的動態(tài)仿真，必須跟蹤仿真過程中時間的推進(jìn)，同時也必須給模型一個從某一時刻推進(jìn)到下一時刻的時間推進(jìn)機(jī)制。首先需要記錄模型中的系統(tǒng)時間，我們把一個仿真模型中用來記錄仿真當(dāng)前時刻的變量叫做仿真鐘。仿真鐘的推進(jìn)，就是時間的演進(jìn)，有兩種基本模式，等步長推進(jìn)，和變步長推進(jìn)。北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤35（3）時間推進(jìn)機(jī)制兩種經(jīng)典的方法固定步長推進(jìn)法變步長推進(jìn)法（或稱為下一事件推進(jìn)法）幾乎所有的仿真軟件都采用下一事件推進(jìn)法September13,2010September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤36（4）統(tǒng)計計數(shù)器某一次仿真運(yùn)行得到的狀態(tài)變化過程只不過是隨機(jī)過程的一次取樣,它們只有在統(tǒng)計意義下才有參考價值。在仿真模型中,需要有一個統(tǒng)計計數(shù)的部件,以便統(tǒng)計系統(tǒng)中的有關(guān)變量。September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤371.4仿真研究的步驟1、確定仿真目標(biāo)2、系統(tǒng)調(diào)研3、建立系統(tǒng)模型4、確定仿真算法5、建立仿真模型6、模型驗證與模型確認(rèn)

7、運(yùn)行仿真模型8、仿真結(jié)果分析9、仿真結(jié)果備案10、仿真結(jié)果實施北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤381、系統(tǒng)調(diào)研2、建立系統(tǒng)模型3、建立仿真模型4、運(yùn)行與分析5、實施模型驗證與模型確認(rèn)September13,2010September13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤391.6仿真的特點1.6.1仿真適用于——作用DesigningandanalyzingmanufacturingsystemsEvaluatingmilitaryweaponssystemsortheirlogisticsrequirementsDetermininghardwarerequirementsorprotocolsforcommunicationsnetworksDetermininghardwareandsoftwarerequirementsforacomputersystemDesigningandoperatingtransportationsystemssuchasairports,freeways,ports,andsubwaysSeptember13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中心劉玉坤40Evaluatingdesignsforserviceorganizationssuchascallcenters,fast-foodrestaurants,hospitals,andpostofficesReengineeringofbusinessprocessesDeterminingorderingpoliciesforaninventorysystemAnalyzingfinancialoreconomysystemsBeingusedasatoolofcommunicationBeingusedasameanoftrainingCarryingout“whatif”analysisVerifytheresultfromothermethodsSeptember13,2010北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院物流工程教研中