第6章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)ppt課件.ppt

1、生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真Modeling and Simulation of Production System,第6章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),第5章 輸入數(shù)據(jù)的分析,6. 1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià) 6.2 方差縮減技術(shù) 6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),基本要求,了解多系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的性能比較方法;方差縮減的公共隨機(jī)數(shù)法；仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。 理解兩種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的性能比較方法；方差縮減的對(duì)偶變化法 。,如何對(duì)不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較和分析 如何采取措施來保障獲得更為精確的性能測(cè)度估計(jì)值系統(tǒng)特征參數(shù)的評(píng)價(jià) 怎樣通過合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來獲得盡可能多的系統(tǒng)輸出信息,引言,生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,系統(tǒng)的設(shè)備形式、數(shù)

2、量、參數(shù)； 系統(tǒng)作業(yè)的工藝流程； 系統(tǒng)的控制方法（手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)） 系統(tǒng)的布置形式；（包括生產(chǎn)物料的流動(dòng)方式） 系統(tǒng)的運(yùn)行策略（庫存保證、訂單生產(chǎn)、供應(yīng)鏈生產(chǎn)）； 生產(chǎn)調(diào)度策略； 生產(chǎn)系統(tǒng)的人力規(guī)劃；,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,基本思想是: 對(duì)每一系統(tǒng)分別獨(dú)立地重復(fù)仿真運(yùn)行n次，各自得到同一性能的n個(gè)樣本值，然后根據(jù)這些樣本數(shù)據(jù)來建立對(duì)應(yīng)樣本差值的置信區(qū)間。,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),系統(tǒng)的比較,系統(tǒng)的比較是基于系統(tǒng)的同一參數(shù)（設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行規(guī)則等同一定義下的系統(tǒng)特征）。這一（或這些）參數(shù)在系統(tǒng)的重復(fù)運(yùn)行中可以得到的輸出數(shù)據(jù)（可觀測(cè)的）。 對(duì)于兩個(gè)系統(tǒng)

3、的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，可用Xi(i =1，2)來表示系統(tǒng)i的性能（系統(tǒng)均值性能 ）。如果是穩(wěn)態(tài)仿真，保證Xi的估計(jì)是近似無偏的。,仿真實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是要獲得均值性能之間的差別，即X1X2的點(diǎn)估計(jì)及其區(qū)間估計(jì)。,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),系統(tǒng)性能的比較,計(jì)算兩個(gè)性能測(cè)度之間的差別x1x2的置信區(qū)間，可用來回答以下兩個(gè)問題： 均值差別有多大，以及均值差別的估計(jì)有多準(zhǔn)確? 兩個(gè)系統(tǒng)之間有顯著的差別嗎?,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),系統(tǒng)性能比較的三種可能,如果x1x2的置信區(qū)間絕大部分在零的左側(cè)，那么x1x20或等價(jià)地x1x2的假設(shè)便有強(qiáng)的證據(jù)。 如果x1x2的置信區(qū)間包含零點(diǎn)，那么，根據(jù)現(xiàn)有

4、的數(shù)據(jù)還沒有強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)證據(jù)表明一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案優(yōu)于另一個(gè)。,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵參數(shù),設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)1和2的n個(gè)樣本分別為X11，X12，X1n和X21，X22，X2n，記i=E(xij) (j=1, 2,，n;i=1, 2)為系統(tǒng)的性能期望值，則=i-2的置信區(qū)間可由如下的方法得到:,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵參數(shù),6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),練習(xí) 某機(jī)床設(shè)備有兩種不同的故障維修策略。分別對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立的重復(fù)仿真運(yùn)行10次，每次仿真運(yùn)行長度為一個(gè)季度，得到兩種策略下對(duì)應(yīng)的平均運(yùn)行費(fèi)用，如表所示。試比較兩種方案。,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià)

5、,解： 記Zj為兩種不同故障維修策略下的機(jī)床設(shè)備平均每個(gè)季度運(yùn)行費(fèi)用的差值，Zj=X1j-X2j(j=1, 2,，n)，則有,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),多系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),多系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),多系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),多系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),多系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),多系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),多系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),多系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較

6、與評(píng)價(jià),多系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),多系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較,6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與評(píng)價(jià),對(duì)仿真的輸出結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的主要目的，就是獲得系統(tǒng)狀態(tài)變量的高精度的統(tǒng)計(jì)特性，以便能夠?qū)Ψ抡孢\(yùn)行的結(jié)果加以正確的利用。 由于系統(tǒng)本身所固有的隨機(jī)性特點(diǎn)，無論是對(duì)單個(gè)系統(tǒng)輸出結(jié)果的性能測(cè)度，還是對(duì)多個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較，所得到的結(jié)果都必然會(huì)存在一定的誤差。,6.2 方差縮減技術(shù),誤差以區(qū)間半長來表示 式中，a為置信水平;S為樣本標(biāo)準(zhǔn)差;n為重復(fù)仿真運(yùn)行的次數(shù)。 通常來說，縮小方差的一般方法也就是增加重復(fù)仿真運(yùn)行的次數(shù)。因此，增加重復(fù)仿真運(yùn)行的次數(shù)就成為了控制仿真精度的關(guān)鍵所在

7、。 應(yīng)用較為廣泛的方差縮減技術(shù)，即對(duì)偶變量法和公共隨機(jī)數(shù)法。,6.2 方差縮減技術(shù),對(duì)偶變量法 采用對(duì)偶變量法的目的就是盡可能地消除由于隨機(jī)數(shù)的選取對(duì)仿真運(yùn)行結(jié)果造成的影響。 基本思想是:對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行成對(duì)的仿真運(yùn)行。在兩次仿真運(yùn)行的過程中，設(shè)法使第一次仿真運(yùn)行中的小觀測(cè)值能夠被第二次仿真運(yùn)行中的大觀測(cè)值所抵消，或者反之。,6.2 方差縮減技術(shù),對(duì)偶變量法 簡單地講，就是采用互補(bǔ)的隨機(jī)數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行成對(duì)的仿真運(yùn)行。也就是說，如果第一次仿真運(yùn)行中，某個(gè)輸人隨機(jī)變量是通過均勻隨機(jī)數(shù)uk產(chǎn)生的，則在第二次仿真運(yùn)行中，該隨機(jī)變量將通過隨機(jī)數(shù)1-uk來產(chǎn)生。這相當(dāng)于采用兩次仿真運(yùn)行所得觀測(cè)值的平均值來作為

8、分析的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，而這個(gè)平均值與所估計(jì)的觀測(cè)值的期望更為接近。,6.2 方差縮減技術(shù),對(duì)偶變量法,6.2 方差縮減技術(shù),對(duì)偶變量法 方差 要實(shí)現(xiàn)方差的縮減,當(dāng),6.2 方差縮減技術(shù),公共隨機(jī)數(shù)法 公共隨機(jī)數(shù)法主要應(yīng)用于對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較的情況。 基本思想是:在不同系統(tǒng)方案的仿真運(yùn)行過程中，采用相同的單位均勻分布種子隨機(jī)數(shù)，以盡可能地消除由于選取隨機(jī)數(shù)而造成的仿真運(yùn)行結(jié)果的差異，從而使所觀測(cè)到的差異主要表現(xiàn)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本身的差異。,6.2 方差縮減技術(shù),公共隨機(jī)數(shù)法,6.2 方差縮減技術(shù),是的無偏估計(jì),公共隨機(jī)數(shù)法 方差:,6.2 方差縮減技術(shù),若能使X1j和X2j正相關(guān)

9、，,則就能夠使方差Var( Zn)減小。,公共隨機(jī)數(shù)法 在公共隨機(jī)數(shù)法中，方差縮減的效果主要取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案自身的特征。并且，采用公共隨機(jī)數(shù)法還要求在不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的仿真運(yùn)行中，采用同步的隨機(jī)數(shù)。即不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中具有相同特征的隨機(jī)輸人變量要采用同一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和同一個(gè)種子值來生成。,6.2 方差縮減技術(shù),在生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真分析的過程中，往往需要通過仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的辦法來對(duì)仿真運(yùn)行的條件進(jìn)行合理的選擇，以盡可能少的仿真實(shí)驗(yàn)次數(shù)獲得盡可能多的輸出信息，得到系統(tǒng)方案在各種不同條件下的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，達(dá)到對(duì)仿真運(yùn)行結(jié)果和實(shí)際系統(tǒng)/參考系統(tǒng)相比較的目的 。,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),仿真

10、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在仿真實(shí)驗(yàn)中的主要作用: 通過科學(xué)、合理的安排仿真實(shí)驗(yàn)，可以減少仿真實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，縮短實(shí)驗(yàn)周期，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益。 通過仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，有助于在眾多的因素中分清主次，找出對(duì)系統(tǒng)方案的仿真運(yùn)行結(jié)果有影響的一些主要因素。 通過仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以有助于了解系統(tǒng)中各因素之間的交互作用。,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),通過對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的回歸分析和方差分析，可以對(duì)一些系統(tǒng)性能測(cè)度指標(biāo)值的變化規(guī)律及其誤差范圍等作出分析。 通過仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，能夠有助于盡快地找到最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。 通過對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理和分析，有助于為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)找出所要求的下一步仿真實(shí)驗(yàn)的方向。,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),6.3 仿

11、真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法 1.全面實(shí)驗(yàn)法 2.多次單因素實(shí)驗(yàn)法 3.正交實(shí)驗(yàn)法 4.均勻?qū)嶒?yàn)法,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),全面實(shí)驗(yàn)法 又稱為窮舉法。該方法將所有因素的不同水平進(jìn)行組合，并對(duì)每一組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 設(shè)一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中共有m個(gè)因素，它們分別有n1, n2,nm個(gè)不同的水平，則全面實(shí)驗(yàn)法需要至少做n1 n2nm次實(shí)驗(yàn)。,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),例如: 在某一生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)中，共有3個(gè)不同的參數(shù)Kp、Tl、TD，它們各自均可取3個(gè)不同的水平,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),全面實(shí)驗(yàn)法 1 優(yōu)點(diǎn):全面實(shí)驗(yàn)法能夠?qū)Ω饕蛩嘏c響應(yīng)指標(biāo)之間的關(guān)系給出一個(gè)比較全面而清楚的分析。當(dāng)涉及因素的個(gè)數(shù)及其水平不多的時(shí)候，

12、采用全面實(shí)驗(yàn)法可以獲得較為豐富的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)論也比較精確可靠。 2 缺點(diǎn):所需要的實(shí)驗(yàn)次數(shù)太多。尤其是當(dāng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)因素比較多而且每個(gè)因素的水平也比較多時(shí)，實(shí)驗(yàn)量將會(huì)非常龐大。,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),多次單因素實(shí)驗(yàn)法 1在安排實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以使每一次實(shí)驗(yàn)只改變其中的一個(gè)因素，而假定其他因素都不變。這就是多次單因素實(shí)驗(yàn)法，也稱為坐標(biāo)輪換法。 2 優(yōu)點(diǎn):當(dāng)各個(gè)因素之間相對(duì)獨(dú)立時(shí)，這樣做可以減少實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，取得較好的效果。 3 缺點(diǎn):當(dāng)因素之間存在較為明顯的交互作用(即某一因素的改變會(huì)引起另外一個(gè)或多個(gè)因素的同時(shí)改變)時(shí)，采用多次單因素實(shí)驗(yàn)法常常會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)論，而無法達(dá)到預(yù)期的目的。,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)

13、設(shè)計(jì),正交實(shí)驗(yàn)法 1 原理:根據(jù)正交性原則來挑選代表點(diǎn)，使得這些點(diǎn)能夠反映實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)各因素和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系。 2正交實(shí)驗(yàn)法是目前較為流行、應(yīng)用效果也比較好的一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是通過一系列的表格來實(shí)現(xiàn)的，稱之為正交表。例如，3因素3次水平的正交表如下表所示。,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),正交實(shí)驗(yàn)法 將表中根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)法所給出的9個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)繪制成圖，如圖所示。,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),正交實(shí)驗(yàn)法 在上表和圖中，可以看出3因素3次水平的正交實(shí)驗(yàn)法具有如下的兩個(gè)特點(diǎn): 每個(gè)因素的水平都重復(fù)了3次實(shí)驗(yàn)。 每兩個(gè)因素的水平組成一個(gè)全面實(shí)驗(yàn)方案。,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),正交實(shí)驗(yàn)法的步驟: 根據(jù)實(shí)驗(yàn)

14、的目的，確定系統(tǒng)方案的性能指標(biāo)。 確定系統(tǒng)方案中需要考察的所有影響因素。 根據(jù)考察范圍和精確度的要求，確定各因素的水平以及各個(gè)水平的最值。 選擇合適的正交表。 根據(jù)正交表安排實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，找出最優(yōu)化條件。 在最優(yōu)化條件下，對(duì)系統(tǒng)方案的性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),正交實(shí)驗(yàn)法 優(yōu)點(diǎn):從本質(zhì)上講，就是來自其“均勻分散，整齊可比”的特征。“均勻分散”保證了每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)都具有一定的代表性，而“整齊可比”則便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理。 缺點(diǎn):當(dāng)實(shí)驗(yàn)中各因素涉及的水平數(shù)較大時(shí)，實(shí)驗(yàn)的次數(shù)將可能大得難以讓人接受。特別是對(duì)于一些昂貴的工業(yè)實(shí)驗(yàn)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)來說，正交實(shí)驗(yàn)法的實(shí)驗(yàn)次數(shù)相對(duì)來說比

15、較多，難于安排。,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),均勻?qū)嶒?yàn)法 均勻?qū)嶒?yàn)法是僅考慮在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)均勻散布的一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。與正交實(shí)驗(yàn)法相類似，均勻?qū)嶒?yàn)法也有自己的一套表格，稱為均勻設(shè)計(jì)表。 例如，3因素7次水平的均勻設(shè)計(jì)表,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),均勻?qū)嶒?yàn)法 均勻設(shè)計(jì)表具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn): 對(duì)某一因素的任一水平，僅需要做1次實(shí)驗(yàn)。 在均勻設(shè)計(jì)表中，由任意兩列組成的實(shí)驗(yàn)方案一般來說是并不等價(jià)的。為此，每個(gè)均勻設(shè)計(jì)表還必須要有一個(gè)附加的使用表，來明確如何使用均勻設(shè)計(jì)表。例如，均勻設(shè)計(jì)表認(rèn)U9(96)的使用表如下表所示。,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),均勻?qū)嶒?yàn)法 當(dāng)各因素的水平數(shù)目增加時(shí)，實(shí)驗(yàn)的次數(shù)將按各因素水平數(shù)目的增加量增加。,6.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),均勻?qū)嶒?yàn)法步驟 根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究的目的，選擇合適的因素和各因素的相應(yīng)水平。 選擇適當(dāng)?shù)木鶆蛟O(shè)計(jì)表，根據(jù)其相對(duì)應(yīng)的使用表從該均勻設(shè)計(jì)表中選出合適的列號(hào)，將相關(guān)的因素分別安排到這些列號(hào)上，并將這些因素的相應(yīng)水平按各