系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真

第七章系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真概論連續(xù)系統(tǒng)仿真離散事件系統(tǒng)仿真系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!1系統(tǒng)仿真概論系統(tǒng)仿真概念系統(tǒng)仿真分類蒙特卡羅仿真系統(tǒng)仿真的基本步驟系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!①系統(tǒng)仿真概念－應(yīng)用領(lǐng)域系統(tǒng)仿真是近30年來發(fā)展起來的一門新興技術(shù)學(xué)科。仿真(Simulation)就是利用模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過程。當(dāng)由于安全上、經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上或者是時(shí)間上的原因，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)很困難，有時(shí)甚至是不可能時(shí)，系統(tǒng)仿真技術(shù)就成了十分重要、甚至是必不可少的工具。特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)日益受到人們的重視，其應(yīng)用領(lǐng)域也愈來愈廣泛。在我國，仿真技術(shù)最初是用于航空、航天、核反應(yīng)堆等少數(shù)領(lǐng)域，后來，逐步發(fā)展到電力、冶金、機(jī)械、電子、通信網(wǎng)絡(luò)等十些主要工業(yè)部門?，F(xiàn)在，系統(tǒng)仿真已逐步擴(kuò)大應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通運(yùn)輸、生態(tài)環(huán)境、武器裝備研制、軍事作戰(zhàn)、企業(yè)管理等眾多領(lǐng)域，開始成為分析、設(shè)計(jì)和研究各種系統(tǒng)的重要手段和輔助決策工具。系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!①系統(tǒng)仿真概念系統(tǒng)仿真是一種有效的“實(shí)驗(yàn)”手段，它為一些復(fù)雜系統(tǒng)創(chuàng)造了一種“柔性”的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使人們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)從計(jì)算機(jī)上獲得對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及未來特性的認(rèn)識(shí)。需要較好的仿真軟件來支持系統(tǒng)的建模仿真過程。系統(tǒng)仿真的輸出結(jié)果由仿真軟件給出一次仿真結(jié)果，只是對(duì)系統(tǒng)行為的一次抽樣，因此一項(xiàng)仿真研究往往由多次獨(dú)立的重復(fù)仿真所組成，所得到的仿真結(jié)果也只是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行具有一定樣本量的仿真實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)樣本。因此，系統(tǒng)仿真往往要進(jìn)行多次試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)推斷，以及對(duì)系統(tǒng)的性能和變化規(guī)律作多因素的綜合評(píng)估。系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!系統(tǒng)仿真的缺點(diǎn)開發(fā)仿真軟件，建立運(yùn)行仿真模型需要大量的編程和重復(fù)運(yùn)行試驗(yàn)，耗時(shí)、耗力和消耗資金。系統(tǒng)仿真只能得到問題的一個(gè)特解或可行解，不可能獲得問題的通解或者是最優(yōu)解。仿真參數(shù)的調(diào)整往往具有極大的盲目性，尋找優(yōu)化方案將消耗大量的人力物力。仿真建模直接面向?qū)嶋H問題，由于建模者的認(rèn)識(shí)和看法有差異，往往會(huì)得到迥然不同的模型。因此，仿真建模常被稱為非精確建模，或認(rèn)為仿真建模是一種“藝術(shù)”而不是純粹的技術(shù)。系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!②系統(tǒng)仿真分類系統(tǒng)仿真可以分成物理仿真、數(shù)學(xué)仿真和物理－數(shù)學(xué)仿真；物理仿真是指按相似原理建立具有真實(shí)系統(tǒng)物理性質(zhì)的物理模型，并在物理模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程。如專用仿真器、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?。物理仿真的?yōu)點(diǎn)是真實(shí)感強(qiáng)，直觀、形象，但缺點(diǎn)是仿真建模周期長；花費(fèi)大；靈活性不夠好。數(shù)學(xué)仿真指建立可計(jì)算的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并在計(jì)算機(jī)上對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的過程。與物理仿真相比，數(shù)學(xué)仿真更加經(jīng)濟(jì)、靈活、方便。數(shù)學(xué)仿真也稱為計(jì)算機(jī)仿真。如果在仿真中同時(shí)使用物理模型和數(shù)學(xué)模型，并將它們通過計(jì)算機(jī)軟硬件接口聯(lián)接起來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就稱為物理－數(shù)學(xué)仿真，或半實(shí)物仿真。系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!②系統(tǒng)仿真分類根據(jù)研究的系統(tǒng)對(duì)象性質(zhì)，系統(tǒng)仿真又可分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散系統(tǒng)仿真。連續(xù)系統(tǒng)指系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間連續(xù)變化的系統(tǒng)，通常用一組方程式描述。如微分方程、差分方程等。注意差分方程形式上是時(shí)間離散的，但狀態(tài)變量的變化過程本質(zhì)上是時(shí)間連續(xù)的，如人口的變化、導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)、化工過程等。在離散事件系統(tǒng)中，表征系統(tǒng)性能的狀態(tài)只在隨機(jī)的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生躍變，且這種變化是由隨機(jī)事件驅(qū)動(dòng)的，在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間，系統(tǒng)狀態(tài)不發(fā)生任何變化。離散事件仿真就是通過建立過程模型，并在計(jì)算機(jī)上人為構(gòu)造隨機(jī)事件環(huán)境，以模擬隨機(jī)事件的發(fā)生、終止、變化的過程，最終獲得系統(tǒng)狀態(tài)隨之變化的規(guī)律和行為。系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!④系統(tǒng)仿真的基本步驟問題描述與定義仿真模型建立數(shù)據(jù)采集模型確認(rèn)？仿真程序編制與驗(yàn)證模型確認(rèn)？仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)正式仿真運(yùn)行形成報(bào)告提供決策仿真輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析是是否否系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!3離散事件系統(tǒng)仿真隨機(jī)離散事件離散事件系統(tǒng)仿真原理系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!①隨機(jī)離散事件例：某加工系統(tǒng)由兩個(gè)工作站構(gòu)成，各種不同的零件按一定的概率分布(如泊松分布)到達(dá)，順序在兩個(gè)站上加工，在加工站1和加工站2上的加工時(shí)間也都是按一定概率分布的隨機(jī)變量(如分別為正態(tài)分布和β分布)。這類系統(tǒng)實(shí)際上是一種串聯(lián)的隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!②離散事件系統(tǒng)仿真原理離散事件系統(tǒng)有兩個(gè)重要特征，即狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化以反映這種變化規(guī)律的離散性或隨機(jī)件。因此，離散事件系統(tǒng)仿真原理也表現(xiàn)在兩個(gè)方面，即仿真時(shí)鐘及其推進(jìn)方式和表達(dá)隨機(jī)變化的未來事件表系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!面向事件的仿真時(shí)鐘在這種方式下，仿真時(shí)鐘并不是連續(xù)地推進(jìn)的，而是按照下一個(gè)事件預(yù)計(jì)將要發(fā)生的時(shí)刻，以不等距的時(shí)間間隔向前推進(jìn)的，即仿真時(shí)鐘每次都跳躍性地推進(jìn)到下一事件發(fā)生的時(shí)刻上去。為此，必須將各種事件按發(fā)生時(shí)間的先后次序進(jìn)行排列，時(shí)鐘時(shí)間則按事件順序發(fā)生的時(shí)刻推進(jìn)。每當(dāng)某一事件發(fā)生時(shí)，需要立即計(jì)算出下一事件發(fā)生的時(shí)刻，以便推進(jìn)仿真時(shí)鐘。這個(gè)過程不斷地重復(fù)，直到仿真運(yùn)行滿足規(guī)定的終止條件時(shí)為止，如某一特定事件發(fā)生或達(dá)到規(guī)定的仿真時(shí)間等。通過這種時(shí)鐘推進(jìn)方式，可對(duì)有關(guān)事件的發(fā)生時(shí)間進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!兩種仿真時(shí)鐘推進(jìn)方式示例設(shè)某單服務(wù)臺(tái)排隊(duì)系統(tǒng)，顧客按泊松流到達(dá)，其到達(dá)間隔時(shí)間分為別A1，A2，A3…，每個(gè)顧客的服務(wù)時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布，相應(yīng)的服務(wù)時(shí)間分別為S1，S2，S3…。Ai和Si都是在仿真過程中按照它們的概率分布而隨機(jī)地產(chǎn)生出來的。在這種排隊(duì)系統(tǒng)中只有兩類隨機(jī)離散事件，即顧客到達(dá)事件(EA)和顧客服務(wù)結(jié)束離開系統(tǒng)事件(ED)，這些事件的發(fā)生過程如圖所示.系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!仿真步驟建立一個(gè)仿真模型。確定定該隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)規(guī)則。這里采用“先來先服務(wù)”的規(guī)則來進(jìn)行仿真。要確定仿真時(shí)間按何種方式累計(jì)的問題。可分為單位累計(jì)仿真時(shí)間和單位時(shí)間來累計(jì)仿真時(shí)間。確定仿真試驗(yàn)的最大延續(xù)時(shí)間Tmax。系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!顧客排隊(duì)等待情況系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!1個(gè)窗口仿真結(jié)果系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!①系統(tǒng)仿真概念系統(tǒng)仿真是對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的一種模仿活動(dòng)，也就是利用一個(gè)模型來模仿實(shí)際的事物發(fā)展變化的規(guī)律。系統(tǒng)仿真的確切概念可以表述如下：系統(tǒng)仿真是指通過建立和運(yùn)行系統(tǒng)的仿真模型，來模仿實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的規(guī)律。在此過程中，通過對(duì)仿真運(yùn)行過程的觀察和統(tǒng)計(jì)，得到被仿真系統(tǒng)的仿真輸出參數(shù)和基本特性，以此來估計(jì)和推斷實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)參數(shù)和真實(shí)性能。系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!系統(tǒng)仿真的優(yōu)點(diǎn)系統(tǒng)仿真面向?qū)嶋H過程和系統(tǒng)問題，將不確定性作為隨機(jī)變量納入系統(tǒng)變量來處理，建立系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，從而對(duì)復(fù)雜的、帶有多種隨機(jī)因素的系統(tǒng)，可以方便地通過計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)求解，避免了求解復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型的困難。這也是目前系統(tǒng)仿真得到廣泛應(yīng)用的最根本的原因。系統(tǒng)仿真采用問題導(dǎo)向來建模分析，使建模直接面向分析人員，他們可以集中精力研究問題的內(nèi)部因素及其相互關(guān)系，而不是計(jì)算機(jī)編程、調(diào)試及實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)仿真提供了一種有效的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，設(shè)想和方案可以通過直接調(diào)整模型的參數(shù)或結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，并通過模型的仿真運(yùn)行得到其“實(shí)施”結(jié)果，從而可以從中選擇滿意的方案。系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!發(fā)展趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)軟硬件性能的提高，出現(xiàn)了所謂的圖形建模、可視建模方法和工具，從而使仿真建模工作變得輕松、方便；由于智能化技術(shù)的引入，也產(chǎn)生了所謂的自動(dòng)建模環(huán)境，使仿真建模的科學(xué)性進(jìn)一步得到提高。此外，仿真理論的發(fā)展，也使模型的驗(yàn)證、確認(rèn)、優(yōu)化工作進(jìn)一步自動(dòng)化，仿真的精確性得以提高。計(jì)算機(jī)技術(shù)中的多媒體技術(shù)、靈境技術(shù)、分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入更使系統(tǒng)仿真技術(shù)如虎添翼，它們與仿真技術(shù)相結(jié)合而成為嶄新的研究方向。系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!②系統(tǒng)仿真分類根據(jù)仿真中使用的計(jì)算機(jī)類型，系統(tǒng)仿真又可分為模擬仿真、數(shù)字仿真和混合仿真。模擬仿真是基于同構(gòu)和相似原理，通過專用的模擬計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。模型直觀、運(yùn)算速度快，但精度較差，且通用性和靈活性不好。數(shù)字仿真利用數(shù)字計(jì)算機(jī)和仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)的建模仿真實(shí)驗(yàn)的過程。具有自動(dòng)化程度高，復(fù)雜的推理判斷能力強(qiáng)以及快速、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)、較高精度等特點(diǎn)，?；旌戏抡媸菍⒛M仿真和數(shù)字仿真相結(jié)合的一種仿真方法。其主要工具是混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要包括模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)以及它們之間信息轉(zhuǎn)換(通常是A／D、D／A轉(zhuǎn)換)界面。它在某些大系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真中具有很大優(yōu)勢(shì)，混合仿真廣泛用于參數(shù)優(yōu)化、最優(yōu)控制以及統(tǒng)計(jì)尋優(yōu)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算等方面。系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!③蒙特卡羅仿真系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!2連續(xù)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!①隨機(jī)離散事件隨機(jī)離散事件是一系列按時(shí)序、隨機(jī)發(fā)生的具體事實(shí)，它們只能在離散的可數(shù)時(shí)刻上發(fā)生，這些事實(shí)一旦出現(xiàn)，將使系統(tǒng)中一個(gè)或若干個(gè)狀態(tài)變量發(fā)生瞬間變化。由于這些事實(shí)的發(fā)生具有離散性和隨機(jī)性，因此稱為隨機(jī)離散事件系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!①隨機(jī)離散事件系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!仿真時(shí)鐘及其推進(jìn)方式離散系統(tǒng)仿真是動(dòng)態(tài)仿真，需要不斷地計(jì)量和記錄各種事件的發(fā)生時(shí)間，并進(jìn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)。仿真時(shí)鐘是離散事件系統(tǒng)仿真中不可缺少的組成都分，它是隨著仿真的進(jìn)程而不斷更新的時(shí)間機(jī)構(gòu)。通常在仿真開始時(shí)將仿真時(shí)鐘置零，隨后仿真時(shí)鐘不斷地給出仿真時(shí)間的當(dāng)前值。仿真時(shí)間是仿真模型中的時(shí)間指示，它代表仿真模型運(yùn)行的真實(shí)時(shí)間，但是它并不是仿真運(yùn)行過程所占用的CPU時(shí)間。在作排隊(duì)系統(tǒng)仿真時(shí)，其時(shí)間單位可能是分鐘，而對(duì)于宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的仿真，則隨機(jī)離散事件的發(fā)生時(shí)間可能以月或年來表示。系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!面向時(shí)間間隔的仿真時(shí)鐘在這種時(shí)鐘推進(jìn)方式中，首先要根據(jù)模型的特點(diǎn)確定時(shí)間單位，仿真時(shí)鐘按很小的時(shí)間區(qū)間等距推進(jìn)，每次推進(jìn)需要掃描所有的活動(dòng)，以檢查在此時(shí)間區(qū)間內(nèi)是否有一個(gè)事件發(fā)生，若有事件發(fā)生，則記錄此時(shí)間區(qū)間，從而可以得到有關(guān)事件的時(shí)間參數(shù)。這種推進(jìn)方式要求每次推進(jìn)都要掃描所有正在執(zhí)行的活動(dòng)。面向事件的仿真時(shí)鐘多用于離散事件系統(tǒng)仿真，而面向時(shí)間間隔的仿真時(shí)鐘既可用于連續(xù)系統(tǒng)仿真，也可用于離散系統(tǒng)仿真。它們的主要差別在于仿真效率有所不同。系統(tǒng)分析-系統(tǒng)仿真共30頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!示例某一隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)設(shè)有一個(gè)服務(wù)臺(tái)，根據(jù)以往統(tǒng)計(jì)資料表明，顧客是按泊松分布來到系統(tǒng)的，平均每小時(shí)有15個(gè)顧客來到，即λ=15/60=1/4，也就是說，平均每隔4分鐘有一顧客來到系統(tǒng)。又