汽車服務系統(tǒng)仿真c1

武漢理工大學

汽車工程學院王宇寧汽車服務系統(tǒng)模擬/仿真SimulationofAutomobileServiceSystem課程內容介紹汽車服務系統(tǒng)建模與仿真的基本概念、原理及主要方法；學習Flexsim仿真軟件的基本功能及使用；通過作業(yè)和綜合實踐，掌握汽車服務及物流等系統(tǒng)建模與仿真分析的基本方法，以及系統(tǒng)動力學模擬方法與多AGENT系統(tǒng)模擬方法。教材及參考書目教材胡斌等管理系統(tǒng)模擬，清華大學出版社參考書目齊歡，王小平.系統(tǒng)建模與仿真.清華大學出版社，2004（加）唐納德·沃特斯著。張志強等譯.管理科學實務教程。北京：華夏出版社，20004內容一、汽車服務系統(tǒng)仿真基礎二、輸入概率分布的選用三、隨機數(shù)和隨機變量的生成四、離散事件型模擬五、連續(xù)型事件模擬及系統(tǒng)動力學在汽車服務系統(tǒng)中仿真的作用六、一個典型汽車服務系統(tǒng)的復合型模擬七、系統(tǒng)模擬輸出結果的分析八仿真軟件Flexsim九、物流系統(tǒng)仿真案例一、汽車服務系統(tǒng)仿真基礎一、基本概念系統(tǒng)具有某些特定功能，相互聯(lián)系、相互作用的元素的集合。這里的系統(tǒng)是指廣義上的系統(tǒng)，泛指自然界的一切現(xiàn)象與過程。1、系統(tǒng)具有兩個基本特征：整體性和相關性。整體性是指系統(tǒng)作為一個整體存在而表現(xiàn)出某項特定的功能，它是不可分割的。對于任何系統(tǒng)的研究都必須從如下三個方面考慮：(1)實體：組成系統(tǒng)的元素、對象。(2)屬性：實體的特征。(3)活動：系統(tǒng)由一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的變化過程。組成系統(tǒng)的實體之間相互作用而引起的實體屬性的變化，通常用狀態(tài)變量來描述。

研究系統(tǒng)主要研究系統(tǒng)的動態(tài)變化。

除了研究系統(tǒng)的實體屬性活動外，還需要研究影響系統(tǒng)活動的外部條件，這些外部條件稱之為環(huán)境。系統(tǒng)模型是對實際系統(tǒng)的一種抽象，是對系統(tǒng)本質(或是系統(tǒng)的某種特性)的一種描述。模型可視為對真實世界中物體或過程的信息進行形式化的結果。模型具有與系統(tǒng)相似的特性，可以以各種形式給出我們所感興趣的信息。模型可以分為實體模型和數(shù)學模型。數(shù)學模型包括原始系統(tǒng)數(shù)學模型和仿真系統(tǒng)數(shù)學模型。原始系統(tǒng)數(shù)學模型是對系統(tǒng)的原始數(shù)學描述。仿真系統(tǒng)數(shù)學模型是一種適合在計算機上演算的模型，主要是指根據(jù)計算機的運算特點、仿真方式、計算方法、精度要求將原始系統(tǒng)數(shù)學模型轉換為計算機程序。數(shù)學模型可以分為許多類型。按照狀態(tài)變化可分為動態(tài)模型和靜態(tài)模型。用以描述系統(tǒng)狀態(tài)變化過程的數(shù)學模型稱為動態(tài)模型。而靜態(tài)模型僅僅反映系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下系統(tǒng)特征值間的關系，這種關系常用代數(shù)方程來描述。按照輸入和輸出的關系可分為確定性模型和隨機性模型。若一個系統(tǒng)的輸出完全可以用它的輸入來表示，則稱之為確定性系統(tǒng)。若系統(tǒng)的輸出是隨機的，即對于給定的輸入存在多種可能的輸出，則該系統(tǒng)是隨機系統(tǒng)。離散系統(tǒng)指系統(tǒng)的操作和狀態(tài)變化僅在離散時刻產生的系統(tǒng)，如交通系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、通信網絡系統(tǒng)等等，常常用各種概率模型來描述連續(xù)系統(tǒng)模型可分為集中參數(shù)的和分布參數(shù)的，線性的和非線性的，時變的和時不變的，時域的和頻域的，連續(xù)時間的和離散時間的等等模型類型靜態(tài)系統(tǒng)模型動態(tài)系統(tǒng)模型連續(xù)系統(tǒng)模型離散系統(tǒng)模型集中參數(shù)分布參數(shù)離散時間數(shù)學描述代數(shù)方程微分方程狀態(tài)方程傳遞函數(shù)偏微分方程差分方程離散狀態(tài)方程概率分布排隊論仿真是以相似性原理、控制論、信息技術及相關領域的有關知識為基礎，以計算機和各種專用物理設備為工具，借助系統(tǒng)模型對真實系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性技術。它利用物理或數(shù)學方法來建立模型，類比模擬現(xiàn)實過程或者建立假想系統(tǒng)，以尋求過程的規(guī)律，研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，從而達到認識和改造實際系統(tǒng)的目的。系統(tǒng)仿真就是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各要素性質及其相互關系的基礎上，建立能描述系統(tǒng)結構或行為過程的、且具有一定邏輯關系或數(shù)量關系的仿真模型，據(jù)此進行試驗或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。1、系統(tǒng)仿真的實質:(1)它是一種對系統(tǒng)問題求數(shù)值解的計算技術。尤其當系統(tǒng)無法通過建立數(shù)學模型求解時，仿真技術能有效地來處理。(2)仿真是一種人為的試驗手段。它和現(xiàn)實系統(tǒng)實驗的差別在于，仿真實驗不是依據(jù)實際環(huán)境，而是作為實際系統(tǒng)映象的系統(tǒng)模型以及相應的“人造”環(huán)境下進行的。這是仿真的主要功能。(3)仿真可以比較真實地描述系統(tǒng)的運行、演變及其發(fā)展過程。2、系統(tǒng)仿真的作用

(1)仿真的過程也是實驗的過程，而且還是系統(tǒng)地收集和積累信息的過程。尤其是對一些復雜的隨機問題，應用仿真技術是提供所需信息的唯一令人滿意的方法。

(2)對一些難以建立物理模型和數(shù)學模型的對象系統(tǒng)，可通過仿真模型來順利地解決預測、分析和評價等系統(tǒng)問題。

(3)通過系統(tǒng)仿真，可以把一個復雜系統(tǒng)降階成若干子系統(tǒng)以便于分析。

(4)通過系統(tǒng)仿真，能啟發(fā)新的思想或產生新的策略，還能暴露出原系統(tǒng)中隱藏著的一些問題，以便及時解決。

11123、系統(tǒng)仿真的分類

按照實現(xiàn)方式的不同可以將系統(tǒng)仿真分為如下幾類：(1)實物仿真：又稱物理仿真。它是指研制某些實體模型，使之能夠重現(xiàn)原系統(tǒng)的各種狀態(tài)。早期的仿真大多屬于這一類。它的優(yōu)點是直觀形象，至今仍然廣泛應用。但是為系統(tǒng)構造一套物理模型，將是一件非常復雜的事情，投資巨大，周期長，且很難改變參數(shù)，靈活性差。(2)數(shù)學仿真：數(shù)學仿真就是用數(shù)學語言去表述一個系統(tǒng)，并編制程序在計算機上對實際系統(tǒng)進行研究的過程。這種數(shù)學表述就是數(shù)學模型。數(shù)學仿真把研究對象的結構特征或者輸入輸出關系抽象為一種數(shù)學描述(微分方程、狀態(tài)方程，可分為解析模型、統(tǒng)計模型)來研究，具有很大的靈活性，它可以方便地改變系統(tǒng)結構、參數(shù)；而且速度快，可以在很短的時間內完成實際系統(tǒng)很長時間的動態(tài)演變過程；精確度高，可以根據(jù)需要改變仿真的精度；重復性好，可以很容易地再現(xiàn)仿真過程。13(3)半實物仿真：又稱數(shù)學物理仿真或者混合仿真。為了提高仿真的可信度或者針對一些難以建模的實體，在系統(tǒng)研究中往往把數(shù)學模型、物理模型和實體結合起來組成一個復雜的仿真系統(tǒng)，這種在仿真環(huán)節(jié)中存在實體的仿真稱為半實物仿真或者半物理仿真。這樣的仿真系統(tǒng)有飛機半實物仿真、射頻制導導彈半實物仿真等，并且許多模擬器也屬于半實物仿真。14

按照仿真系統(tǒng)與實際系統(tǒng)時間尺度上的關系，又可將其分為如下幾類：

(1)實時仿真：仿真時鐘與系統(tǒng)實際時鐘完全一致。許多仿真應用需要滿足實時性，這時往往需要實時操作系統(tǒng)或者專用實時仿真硬件的支持。

(2)欠實時仿真：仿真時鐘比實際時鐘慢。當對仿真的實時性沒有嚴格的要求時，仿真時鐘比實際時鐘慢，不影響仿真的目的，采取欠實時仿真則可節(jié)約很多資金。

(3)超實時仿真：仿真時鐘比實際時鐘快。當實際系統(tǒng)周期太長時，若采用實際時鐘就變得毫無意義，這時就要進行超實時仿真。系統(tǒng)仿真的基本方法是建立系統(tǒng)的結構模型和量化分析模型，并將其轉換為適合在計算機上編程的仿真模型，然后對模型進行仿真實驗。

由于連續(xù)系統(tǒng)和離散(事件)系統(tǒng)的數(shù)學模型有很大差別，所以系統(tǒng)仿真方法基本上分為兩大類，即連續(xù)系統(tǒng)仿真方法和離散系統(tǒng)仿真方法。

在以上兩類基本方法的基礎上，還有一些用于系統(tǒng)(特別是社會經濟和管理系統(tǒng))仿真的特殊而有效的方法，如系統(tǒng)動力學方法、蒙特卡洛法等。

系統(tǒng)動力學方法通過建立系統(tǒng)動力學模型(流圖等)、利用Vensim、DYNAMO仿真語言在計算機上實現(xiàn)對真實系統(tǒng)的仿真實驗，從而研究系統(tǒng)結構、功能和行為之間的動態(tài)關系。

15二、系統(tǒng)仿真方法16計算機仿真的一般過程可以表述如下：

(1)描述仿真問題，明確仿真目的。

(2)項目計劃、方案設計與系統(tǒng)定義。根據(jù)仿真目的確定相應的仿真結構(實時仿真還是非實時仿真，純數(shù)學仿真還是半物理仿真等)，規(guī)定相應仿真系統(tǒng)的邊界條件與約束條件。(3)數(shù)學建模：根據(jù)系統(tǒng)的先驗知識、實驗數(shù)據(jù)及其機理研究，按照物理原理或者采取系統(tǒng)辨識的方法，確定模型的類型、結構及參數(shù)。注意要確保模型的有效性和經濟性。

(4)仿真建模：根據(jù)數(shù)學模型的形式、計算機類型、采用的高級語言或其它仿真工具，將數(shù)學模型轉換成能在計算機上運行的程序或其他模型，也即獲得系統(tǒng)的仿真模型。

(5)試驗：設定實驗環(huán)境/條件和記錄數(shù)據(jù)，進行實驗，并記錄數(shù)據(jù)。

(6)仿真結果分析：根據(jù)實驗要求和仿真目的對實驗結果進行分析處理(整理及文檔化)。

17一、課程教材及參考資料肖人彬等，管理系統(tǒng)模擬，電子工業(yè)出版社，2007教材參考衛(wèi)強等，管理系統(tǒng)模擬，高等教育出版社，20083王其藩，系統(tǒng)動力學，清華大學出版社梅欣，基于Flexsim和虛擬現(xiàn)實的汽車混裝生產線系統(tǒng)及模擬研究，武漢科技大學碩士學位論文，2010張衛(wèi)德，基于Flexsim的虛擬生產線的研究和實現(xiàn)，東南大學碩士學位論文，20066二、主要教授內容及課程安排概論及模擬的基本原理（4）12離散系統(tǒng)模擬-Flexsim（8）3連續(xù)系統(tǒng)模擬-系統(tǒng)動力學-Vensim（8、討論4）4應用案例（4）5管理系統(tǒng)模擬的新發(fā)展（自學2）6多智能體模擬-AnyLogic（自學6）三、上課時間6-14周周五下午5、6、7、8節(jié)地點：汽運系會議室四、課程簡介管理系統(tǒng)模擬技術涉及到建模理論、計算機軟件、人工智能等方面的知識，是學科交叉發(fā)展的結果。通過本課程的學習，學生可以掌握針對管理系統(tǒng)的模擬相關內容，了解系統(tǒng)模擬的概念、原理、方法和步驟，掌握相關建模技術、模擬算法與模擬結果分析方法等。本課程還將介紹最新的模擬軟件及其應用。五、本課程有何用處？管理系統(tǒng)模擬技術幾乎應用于所有的社會經濟系統(tǒng)、企業(yè)決策系統(tǒng)、企業(yè)生產系統(tǒng)，它可以縮短研發(fā)周期、改進生產過程、降低成本以及輔助決策。第1章概論及模擬的基本原理本章主要是對管理系統(tǒng)模擬進行概要性論述。重點是基于問題求解的觀點，闡明系統(tǒng)、模型與模擬等基本概念之間的關系。定義要素1、系統(tǒng)的概念多個相互依賴、相互作用、共同配合實現(xiàn)預定功能的要素的有機集合體。系統(tǒng)特征整體性和相關性均由一些相關的實體組合而成：組成系統(tǒng)的元素、對象。實體具有自身的特征：屬性系統(tǒng)通常是動態(tài)的，其變化過程稱為活動組成系統(tǒng)的實體之間相互作用而引起的實體屬性的變化，通常用狀態(tài)變量來描述。研究系統(tǒng)主要研究系統(tǒng)的動態(tài)變化。除了研究系統(tǒng)的實體屬性活動外，還需要研究影響系統(tǒng)活動的外部條件，這些外部條件稱之為環(huán)境。系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸出“加工”轉化過程資源行為衡量系統(tǒng)表現(xiàn)的尺度實體模型符號模型系統(tǒng)模型定量模型-描述性模型、流程圖和圖解式模型定性模型確定性模型隨機性模型離散型模型連續(xù)型模型離散-連續(xù)混合型系統(tǒng)模型是對實際系統(tǒng)的一種抽象，是對系統(tǒng)本質(或是系統(tǒng)的某種特性)的一種描述。模型可視為對真實世界中物體或過程的信息進行形式化的結果。模型具有與系統(tǒng)相似的特性，可以以各種形式給出我們所感興趣的信息。

其它分類特征確定系統(tǒng)隨機系統(tǒng)系統(tǒng)輸入和輸出變量間有完全確定的函數(shù)關系系統(tǒng)內部或環(huán)境存在不確定因素并影響輸出變量自治系統(tǒng)(autonomous)非自治系統(tǒng)系統(tǒng)無輸入變量系統(tǒng)有輸入變量閉系統(tǒng)開系統(tǒng)系統(tǒng)無輸入、輸出變量系統(tǒng)有輸入、輸出變量無記憶系統(tǒng)有記憶系統(tǒng)系統(tǒng)無狀態(tài)變量系統(tǒng)有狀態(tài)變量線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)系統(tǒng)的輸入輸出滿足齊次性和疊加性系統(tǒng)的輸入輸出不滿足齊次性和疊加性離散系統(tǒng)：隨著時間的推移，系統(tǒng)狀態(tài)只在某些具體的時間點呈離散性變化，在時間點之間則沒有變化。如交通系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、通信網絡系統(tǒng)等等，常常用各種概率模型來描述。系統(tǒng)類型連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)狀態(tài)隨時間呈連續(xù)性變化。連續(xù)系統(tǒng)模型還可分為集中參數(shù)的和分布參數(shù)的，線性的和非線性的，時變的和時不變的，時域的和頻域的，連續(xù)時間的和離散時間的等等。離散-連續(xù)混合型系統(tǒng)：系統(tǒng)狀態(tài)隨時間可以作連續(xù)性及離散性的變化，或者作連續(xù)性變化并具有離散性突變。各種模型數(shù)學表示

模型類型靜態(tài)系統(tǒng)模型動態(tài)系統(tǒng)模型連續(xù)系統(tǒng)模型離散系統(tǒng)模型集中參數(shù)分布參數(shù)離散時間數(shù)學描述代數(shù)方程微分方程狀態(tài)方程傳遞函數(shù)偏微分方程差分方程離散狀態(tài)方程概率分布排隊論模型建立現(xiàn)實世界（問題）解決問題邏輯世界（模型）模擬是利用某種手段對現(xiàn)實世界真實系統(tǒng)的模仿，以計算機和各種專用物理設備為工具，借助系統(tǒng)模型對真實系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性技術。它利用物理或數(shù)學方法來建立模型，類比模擬現(xiàn)實過程或者建立假想系統(tǒng)，以尋求過程的規(guī)律，研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，從而達到認識和改造實際系統(tǒng)的目的。問題求解的二種途徑：認識世界改造世界問題求解的第一種途徑問題求解的第二種途徑模型建立現(xiàn)實世界（問題）解決問題邏輯世界（模型）認識世界改造世界模型建立現(xiàn)實世界（問題）解決問題邏輯世界（模型）認識世界改造世界計算機世界（模型）模型映射2、問題、知識、模型與模擬知識處理環(huán)節(jié)：模型建立現(xiàn)實世界（問題）邏輯世界（模型）知識處理過程邏輯世界（模型）模型映射知識獲取知識組織知識表達知識集成知識利用知識、模型、模擬的對應關系知識模型模擬顯性知識數(shù)學模型符號模型定量模擬定性模擬隱性知識人工神經網絡多智能體智能模擬3、管理系統(tǒng)模擬模擬的定義變遷1961年，G.W.Morgenthater首次定義模擬：在實際系統(tǒng)尚不存在的情況下對于系統(tǒng)或活動本質的實現(xiàn)1978年，Korn的著作《連續(xù)系統(tǒng)仿真》定義：用能代表所研究的系統(tǒng)的模型作實驗1982年，Spriet擴充定義：所有支持模型建立與模型分析的活動即為模擬活動1984年，Oren提出：模擬是一種基于模型的活動

公共管理的對象通常是社會、經濟、軍事等復雜系統(tǒng)，一般都不能通過真實的實驗來進行分析、研究。因此，系統(tǒng)模擬技術就成為十分重要甚至必不可少的工具。目前管理系統(tǒng)模擬主要運用四種基本的模擬方法及模型，即蒙特卡洛模擬方法、排隊模型、系統(tǒng)動力學模擬、多AGENT系統(tǒng)模擬。通過蒙特卡洛模擬可以具體了解管理系統(tǒng)模擬的基本原理及方法，排隊模型與多AGENT系統(tǒng)體現(xiàn)了離散事件系統(tǒng)模擬的特點與規(guī)律，而系統(tǒng)動力學模擬則是一種可以廣泛應用于公共管理決策及政策分析的連續(xù)系統(tǒng)模擬方法。模擬三要素：系統(tǒng)、模型、計算機蒙特卡洛模擬是一種特殊而應用廣泛的計算機模擬方法，它是充分利用計算機計算能力的隨機實驗方法。蒙特卡羅模擬的關鍵是生成優(yōu)良的隨機數(shù)。4、系統(tǒng)模擬的基本步驟

問題描述與系統(tǒng)定義建立系統(tǒng)模擬模型收集和整理數(shù)據(jù)資料建立模擬模型，設計程序模型的編程實現(xiàn)與驗證實驗設計模型的模擬運行模擬結果的輸出與分析建立文件檔案實施模擬決策5、管理系統(tǒng)模擬的應用建立真實系統(tǒng)的計算機模型.

在系統(tǒng)建立之前就運行它.管理系統(tǒng)模擬目標管理系統(tǒng)模擬特征設計與測試新設計的系統(tǒng)和流程方案展示流程如何運行的評測可選的設計方案評估裝備與流程設計的多種可能性提高工廠與資源的運行效率減少庫存縮短產品上市時間提高生產線產量優(yōu)化資本投資管理系統(tǒng)模擬的收益場地規(guī)劃、布局問題引進新設備時的事先評價問題作業(yè)工程計劃，生產效率的改善問題時序安排，資源分配和操作過程監(jiān)視（實時模擬系統(tǒng)的應用）在生產制造業(yè)中應用管理系統(tǒng)模擬技術能解決的問題場地規(guī)劃、布局問題

當工廠需要擴大或新建車間時，那么需要擴大多大面積？如何合理地配置新建車間的設備和人員？已經有兩套以上的方案、但不知怎樣才能比較這些方案？當工廠生產規(guī)模增加時，那么現(xiàn)有場地，設備，人員是否能應付？如果不能，那么怎樣才能應付場地規(guī)劃、布局問題場地規(guī)劃、布局問題引進新設備時的事先評價問題

當工廠需要引進大型或高價設備時，那么引進何種設備？多大性能的設備?引進設備后的場地規(guī)劃和人員怎樣配置才能合理？引進設備后瓶頸口能否解消？其它地方是否全成為新的瓶頸口？引進新設備時的事先評價問題引進新設備時的事先評價問題作業(yè)工程計劃，生產效率的改善問題作業(yè)流程不流暢，設備有閑余，作業(yè)計劃不合理，空間利用率低等等，定性的認識己有了，那么如何才能進行定量分析？如何在定量分析的基礎上進行改進、評估？特定的設備發(fā)生故障時，那么是等其修理完畢，還是分配到其它流水線？加急訂單較多時，怎樣制定生產計劃？一個企業(yè)的實例作業(yè)工程計劃，生產效率的改善問題作業(yè)工程計劃，生產效率的改善問題

現(xiàn)在有很多企業(yè)已經導入了ERP系統(tǒng)，倉庫管理系統(tǒng)，或實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，而模擬系統(tǒng)可以與這些外界系統(tǒng)相連接。在ERP系統(tǒng)，倉庫管理系統(tǒng)，或實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中設置若干個數(shù)據(jù)采集點，這些數(shù)據(jù)實時地提供給我們的模擬系統(tǒng)。運用這個系統(tǒng)，可解決以下問題：