系統(tǒng)仿真 第 1 章 離散系統(tǒng)建模與仿真

1、離散系統(tǒng)建模與仿真Discrete System Modeling and Simulation孫小明 （上海交通大學(xué)現(xiàn)代物流研究中心）Addr. 上海市東川路1954號(hào) 閔行校區(qū) 機(jī)械樓 616 室Tel.Fax.mail: 工 業(yè) 工 程 與 管 理 系Industrial Engineering & Management生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真Production System Modeling and Simulation物流系統(tǒng)建模與仿真Logistics System Modeling and Simulation授 課 時(shí) 數(shù) ：

2、 3 6 小時(shí)課程指定教材： 離散事件系統(tǒng)建模與仿真 顧啟泰編著，1999年8月，清華大學(xué)出版社課程介紹課 程 名 稱 ： 離散系統(tǒng)建模與仿真生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真物流系統(tǒng)建模與仿真 面向工程實(shí)際的應(yīng)用型課程，是工業(yè)工程和物流工程專業(yè)的主導(dǎo)課程。課程介紹從課程的題目中可以看出： 離散系統(tǒng)建模與仿真其對(duì)象是：離散系統(tǒng)生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)典型的離散系統(tǒng)。物流系統(tǒng)也是一個(gè)離散系統(tǒng)。其中：機(jī)械加工系統(tǒng)應(yīng)該說(shuō)是現(xiàn)實(shí)離散系統(tǒng)中最為復(fù)雜的一種。目的是：仿真。即用一種抽象的、能夠反映系統(tǒng)研究本質(zhì)的“虛假”系統(tǒng)，來(lái)模擬實(shí)際系統(tǒng)。而這虛假系統(tǒng)就是系統(tǒng)模型。課程性質(zhì)：離散事件系統(tǒng)建模與仿真的基本原理離散事件系統(tǒng)建模與仿真的方

3、法Petri網(wǎng)建模與仿真課程的先修課程：生產(chǎn)運(yùn)作與管理運(yùn)籌學(xué)計(jì)算機(jī)編程與應(yīng)用技術(shù)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程的考核方法： 完成相關(guān)作業(yè)及期末考核。課程介紹課程主要內(nèi)容：課程介紹考核成績(jī)計(jì)算方法每一學(xué)員有兩個(gè)成績(jī)：“平時(shí)作業(yè)成績(jī)”完成相應(yīng)的作業(yè)，不做作業(yè)者或未按時(shí)交納者，視作零分?！白罱K考核成績(jī)”課程結(jié)束后，會(huì)安排一次課程考核，參加學(xué)員獲得最終考核成績(jī)。 課程成績(jī)的計(jì)算：課程介紹1)Simulation Modeling and Analysis, Law Averill M., Kelton W. David, 1982, McGraw Hill Inc.2)計(jì)算機(jī)仿真，邱百光，1987年，上海交通大

4、學(xué)出版社3)現(xiàn)代生產(chǎn)物流及仿真，張曉萍等編著，1998年，清華大學(xué)出版社4) Simulation With Arena, W.David Kelton ,1998 McGraw Hill Inc.課程參考書(shū)目：課程介紹什么是仿真？什么是離散系統(tǒng)的仿真？為什么需要做仿真？何時(shí)做仿真仿真能解決什么問(wèn)題？如何進(jìn)行仿真？仿真要做那些準(zhǔn)備工作？仿真的可信度如何評(píng)價(jià)？那些系統(tǒng)能夠進(jìn)行仿真？課程試圖解決的問(wèn)題：課程介紹Witness 2003 離散系統(tǒng)仿真軟件Arena 3.0離散系統(tǒng)仿真軟件Slam 3.0 離散系統(tǒng)仿真軟件Matlab 8.0 數(shù)學(xué)計(jì)算庫(kù)針對(duì)離散系統(tǒng)仿真我們有那些仿真工具：第一章 緒

5、論 1.1 引言 1.2 離散事件系統(tǒng)仿真的基本概念1.3 離散事件系統(tǒng)仿真模型的建立 1.4 仿真研究的步驟 系 統(tǒng) system 系統(tǒng)是研究的一個(gè)具體對(duì)象。是實(shí)體的一個(gè)集合。如：人群、機(jī)器等。 1970年，著名管理學(xué)家泰勒（Taylor）對(duì)“系統(tǒng)”作了如下定義：實(shí)體之間是相互作用的，或是通過(guò)邏輯關(guān)系組合在一起的。 系統(tǒng)是按照某些規(guī)律結(jié)合起來(lái)的，相互作用、相互依存的所有元素的集合。 “按照某些規(guī)律結(jié)合起來(lái)”是為了把仿真的研究對(duì)象最大限度地加以擴(kuò)展。系統(tǒng)內(nèi)部各元素的相互作用規(guī)律可以是已知的、略知的或者是模糊的，甚至是未知的。 一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的元素往往非常多，元素之間是相互關(guān)聯(lián)的，這樣的系統(tǒng)可以通

6、過(guò)圖論中的連通圖對(duì)應(yīng)起來(lái)：系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的是一個(gè)圖，元素對(duì)應(yīng)的是圖上的點(diǎn)，而元素之間的規(guī)律作用、關(guān)系和點(diǎn)與點(diǎn)之間的關(guān)系對(duì)應(yīng)的是圖上的邊?！霸亍保簭?qiáng)調(diào)的系統(tǒng)不僅是有形的物理系統(tǒng)，也可以是抽象的、概念的系統(tǒng)，例如，計(jì)算機(jī)，仿真的對(duì)象即可以是它的硬件系統(tǒng)，也可以是它的軟件系統(tǒng)。系 統(tǒng)系 統(tǒng) 的 種 類連續(xù)系統(tǒng) & 離散系統(tǒng) 變量狀態(tài)靜態(tài)系統(tǒng) & 動(dòng)態(tài)系統(tǒng) 時(shí)域狀態(tài)確定系統(tǒng) & 隨機(jī)系統(tǒng)單變量系統(tǒng) & 多變量系統(tǒng) 自由度數(shù)量什么是系統(tǒng)仿真?(Systematic Simulation)仿真：對(duì)現(xiàn)實(shí)中的現(xiàn)象通過(guò)某種抽象，建立表達(dá)現(xiàn)實(shí)變化規(guī)律或特征的模型，運(yùn)用一定的手段加以描述，這就是仿真。系統(tǒng)仿真：首先針對(duì)

7、真實(shí)系統(tǒng)建立模型，然后在模型上進(jìn)行試驗(yàn)，用模型代替真實(shí)系統(tǒng),從而研究系統(tǒng)性能的方法。 系統(tǒng)仿真將能一一仿效實(shí)際系統(tǒng)的各種動(dòng)態(tài)活動(dòng)，并把系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的瞬間狀態(tài)記錄下來(lái)。最終得到用戶所關(guān)心的系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)性能。系統(tǒng)仿真的方法適用于任何的領(lǐng)域。電子、機(jī)械、航空、交通等 為什么要采用系統(tǒng)仿真?系統(tǒng)所涉及到的專業(yè)知識(shí)較為廣泛，如：機(jī)械、生產(chǎn)管理、人事管理、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的規(guī)律是復(fù)雜的，一般很難用一確定的數(shù)學(xué)方程或數(shù)學(xué)函數(shù)顯性地或隱性地表達(dá)?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展難以適應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)研究的需要 仿真是系統(tǒng)特征無(wú)法用數(shù)學(xué)方程、數(shù)學(xué)函數(shù)描述時(shí)，為了研究系統(tǒng)特征所采用的一種研究方法。我們可以這樣說(shuō)：仿真是一種“不得

8、已而為之”的方法1.1 引 言數(shù)學(xué)優(yōu)化建模與仿真建模數(shù)學(xué)優(yōu)化建模原理：建立系統(tǒng)元素與優(yōu)化目標(biāo)間的量化數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系，通過(guò)邏輯關(guān)系的數(shù)學(xué)遞歸關(guān)系求解，尋找符合目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的元素狀態(tài)。模型：min(max)C=f(x)s.t.g(x)1小時(shí)，則置為零，同時(shí)標(biāo)識(shí)一次休息；仿真時(shí)間推進(jìn)5分鐘。文件處理系統(tǒng)的模型文件號(hào)i開(kāi)始時(shí)刻tb工作時(shí)間tw完成時(shí)刻tf累計(jì)時(shí)間tc休息標(biāo)記F作業(yè)號(hào)N1045454505724516616115636657150554712910034054510033133671536138251632505271632118446051在上述表中，我們可以分析得到：表述系統(tǒng)的獨(dú)立變量

9、為完成文件處理的工作時(shí)間用以描述系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)，稱為狀態(tài)描述字。一些狀態(tài)描述字具有物理上的意義，如文件數(shù)i和時(shí)間t；另一些則只表明條件，如標(biāo)記F。當(dāng)狀態(tài)描述字的值發(fā)生變化時(shí)，則稱為產(chǎn)生了一個(gè)離散事件。在復(fù)雜的系統(tǒng)中,可能同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的事件，只是與該事件相關(guān)的那些狀態(tài)描述字才發(fā)生改變。 實(shí)例簡(jiǎn)單的銀行服務(wù)系統(tǒng)銀行系統(tǒng)（出納員）客戶到達(dá)客戶離去仿真實(shí)體為：顧客、出納員、排隊(duì)線等。決定仿真實(shí)體的屬性為：顧客事務(wù)的數(shù)目及到達(dá)率； 出納員的人數(shù)，處理事務(wù)的原則和速率；排隊(duì)線平均長(zhǎng)度，每個(gè)顧客的平均等待時(shí)間。 簡(jiǎn)單的銀行服務(wù)系統(tǒng)仿真處理方法之一面向時(shí)間的仿真程序結(jié)構(gòu)圖 簡(jiǎn)單的銀行服務(wù)系統(tǒng)面向事件