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1、系统建模与仿真System Modeling & Simulation王建华王建华 副教授副教授江苏大学管理学院工业工程系江苏大学管理学院工业工程系生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社课程说明课程说明教材：教材：生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真-电子工业出版社电子工业出版社-王建华等编著王建华等编著参考书：参考书：生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真-WITNESS系统及应用系统及应用-科学出版社科学出版社王亚超王亚超编著编著离散事件系统仿真离散事件系统仿真-机工出版社机工出版社肖田元译肖田元译离散事件系统建模与仿真离散事件系统建模
2、与仿真-清华大学出版社清华大学出版社顾启泰编著顾启泰编著网络资料：网络资料：课程网站：课程网站：冬季仿真会议网站：冬季仿真会议网站：www.wintersim.org witness网站：网站：www.witness-学时安排：学时安排：上课上课30学时，上机学时，上机15学时学时生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社课程目的课程目的1.了解离散事件系统建模与仿真的基本理论了解离散事件系统建模与仿真的基本理论2.掌握随机数及随机变量的产生和检验方法掌握随机数及随机变量的产生和检验方法3.能够使用事件调度法编制简单的系统仿真模型能够使用事件调度法编制简单的
3、系统仿真模型4.通过案例理解车辆生产物流系统运作的典型过程通过案例理解车辆生产物流系统运作的典型过程5.掌握使用系统建模与仿真工具掌握使用系统建模与仿真工具WITNESS对车辆生产物流对车辆生产物流系统中典型过程的建模与仿真系统中典型过程的建模与仿真n采购过程建模与仿真采购过程建模与仿真n下料过程建模与仿真下料过程建模与仿真n机加过程建模与仿真机加过程建模与仿真n总装过程建模与仿真总装过程建模与仿真n物流过程系统建模与仿真物流过程系统建模与仿真n销售过程建模与仿真销售过程建模与仿真n系统集成建模与仿真系统集成建模与仿真6.能够对仿真结果进行统计分析和优化方案的设计和评估能够对仿真结果进行统计分
4、析和优化方案的设计和评估生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社第第01讲讲 系统建模与仿真概述系统建模与仿真概述一、系统模型一、系统模型1.1 系统系统1.2 模型及其分类模型及其分类1.3 建立模型时应遵循建立模型时应遵循的基本原则的基本原则二、系统仿真二、系统仿真2.1 系统仿真系统仿真2.2 实施仿真的方法实施仿真的方法2.3 仿真的适用性仿真的适用性2.4 仿真的应用领域仿真的应用领域2.5 仿真的发展阶段仿真的发展阶段2.6 系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤提纲提纲三、离散事件系统三、离散事件系统3.1离散事件系统的定义离散事件系统的定义3
5、.2离散与连续系统示例离散与连续系统示例四、离散事件系统基本术语四、离散事件系统基本术语五、系统绩效指标五、系统绩效指标 六、系统变量六、系统变量6.1决策变量决策变量6.2反应变量反应变量6.3状态变量状态变量生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社1.1系统的定义系统仿真的研究对象是具有独立行为规律的系统。系统仿真的研究对象是具有独立行为规律的系统。系统是指相互联系又相互作用的对象的有机组合。系统是指相互联系又相互作用的对象的有机组合。从广义上讲，系统的概念是非常广阔的，大到无穷的宇宙世界，小到分从广义上讲，系统的概念是非常广阔的，大到无穷的宇宙世界，
6、小到分子原子，都称之为系统。子原子，都称之为系统。从仿真角度来说：使用仿真软件构件的实际运作对象。从仿真角度来说：使用仿真软件构件的实际运作对象。系统的划分：系统的划分：非工程系统是指自然和社会在发展过程中形成的，被人们在长期的生产非工程系统是指自然和社会在发展过程中形成的，被人们在长期的生产劳动和社会实践中逐渐认识的系统。劳动和社会实践中逐渐认识的系统。工程系统是指人们为满足某种需要或实现某个预定的功能，利用某种子工程系统是指人们为满足某种需要或实现某个预定的功能，利用某种子段构造而成的系统。段构造而成的系统。社会、经济、环境、交通、生物圈、血液循环系统社会、经济、环境、交通、生物圈、血液循
7、环系统机械、电气、动力、机械、电气、动力、生产、物流、服务、供应链、生产、物流、服务、供应链、汽汽车、自行车、铅笔车、自行车、铅笔研究对象与其他研究对象与其他系统的区别？系统的区别？生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社1.2 模型模型 及其分类及其分类定义：定义：模型是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽模型是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本质方面的描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的象，是对系统某些本质方面的描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的信息。信息。建模需要完成两方面
8、内容建模需要完成两方面内容一是建立模型结构；在建立模型结构时，要确定系统的边界、鉴别系统的实一是建立模型结构；在建立模型结构时，要确定系统的边界、鉴别系统的实体、属性和活动。体、属性和活动。二是提供数据。提供数据要求能够使包含在活动中的各个属性之间的关系得二是提供数据。提供数据要求能够使包含在活动中的各个属性之间的关系得以确定。以确定。模型演示模型演示 国外汽车设计流程图国外汽车设计流程图: 图示模型、计算机模型、实物模型图示模型、计算机模型、实物模型MotorAssemblyRunningProcess.Flv：生产过程生产过程 VR 仿真过程仿真过程MotorAss.avi：发动机组装仿真
9、模型发动机组装仿真模型模型分类：实物模型、图示模型、计算机（模拟）模型、数学模型模型分类：实物模型、图示模型、计算机（模拟）模型、数学模型生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社1.2 模型及其分类模型及其分类模型分类及其特性模型分类及其特性图式模型图式模型模拟模型模拟模型数学模型数学模型实物模型实物模型分析的速度分析的速度 抽象性抽象性 改变和调整的方便程度改变和调整的方便程度+现实性现实性 费用费用 调整难度调整难度+图图1.1 各种模型特性比较各种模型特性比较Why do we need build these models?：了解系统的优点、缺点、
10、内部规律性；：了解系统的优点、缺点、内部规律性；例如产品的可制造性、是否达到特定的质量要求、实现特例如产品的可制造性、是否达到特定的质量要求、实现特定的能量输出等；定的能量输出等；物流设备在特定运输方式下是否能完成计划的运输任务？物流设备在特定运输方式下是否能完成计划的运输任务？生产系统能否完成生产任务？生产系统能否完成生产任务？生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社1.3 建立模型时应遵循的基本原则建立模型时应遵循的基本原则建立模型时应遵循的基本原则清晰性：一个复杂的系统是由许多子系统组成的，对应的系统模型也是清晰性：一个复杂的系统是由许多子系统组成的
11、，对应的系统模型也是由许多子模型构成的。在子模型之间除了研究目的所必需的信息联系外，由许多子模型构成的。在子模型之间除了研究目的所必需的信息联系外，相互辐合要尽可能少，结构要尽可能清晰。相互辐合要尽可能少，结构要尽可能清晰。 相关性：模型中应该只包括系统中与研究目的有关的那些信息。相关性：模型中应该只包括系统中与研究目的有关的那些信息。 准确性：建立系统模型时，应该考虑所收集的、用以建立模型的信息的准确性：建立系统模型时，应该考虑所收集的、用以建立模型的信息的准确性准确性 可辨识性：模型结构必须具有可辨识的形式。所谓可辨识性是指系统的可辨识性：模型结构必须具有可辨识的形式。所谓可辨识性是指系统
12、的模型必须有确定的描述或表示方式，而在这种描述方式下与系统性质相关模型必须有确定的描述或表示方式，而在这种描述方式下与系统性质相关的参数必须有唯一确定的解。的参数必须有唯一确定的解。 集合性：是能够把一些个别的实体组成更大实体的程度，即模型的集合集合性：是能够把一些个别的实体组成更大实体的程度，即模型的集合性。性。 生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社第第01讲讲 系统建模与仿真概述系统建模与仿真概述一、系统模型一、系统模型1.1 系统系统1.2 模型及其分类模型及其分类1.3 建立模型时应遵循的建立模型时应遵循的基本原则基本原则二、系统仿真二、系统仿
13、真2.1 系统仿真系统仿真2.2 实施仿真的方法实施仿真的方法2.3 仿真的适用性仿真的适用性2.4 仿真的应用领域仿真的应用领域2.5 仿真的发展阶段仿真的发展阶段2.6 系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤提纲提纲三、离散事件系统三、离散事件系统3.1离散事件系统的定义离散事件系统的定义3.2离散与连续系统示例离散与连续系统示例四、离散事件系统基本术语四、离散事件系统基本术语五、系统绩效指标五、系统绩效指标 六、系统变量六、系统变量6.1决策变量决策变量6.2反应变量反应变量6.3状态变量状态变量生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社二、二、 系统仿
14、真系统仿真2.1 系统仿真的定义系统仿真的定义系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算机初等理系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算机初等理论基础之上的，以论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用为工具，利用系统模系统模型型对真实或假设的系统进行试验，并借助于专家的经验知识、统计数据对真实或假设的系统进行试验，并借助于专家的经验知识、统计数据和信息资料和信息资料对实验结果进行分析对实验结果进行分析研究，进而研究，进而做出决策做出决策的一门综合的实验的一门综合的实验性学科。性学科。The dynamic represent
15、ation of a real system by a model which behaves in the same manner as the system itself. 生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社2.1 系统仿真分类系统仿真分类（1）静态和动态：静态模型与时间没有关系，而在动态模型中时间）静态和动态：静态模型与时间没有关系，而在动态模型中时间却扮演着不可或缺的角色。却扮演着不可或缺的角色。在第在第2 节介绍的浦丰投针问题就属于静态仿真，其中没有时间要素。节介绍的浦丰投针问题就属于静态仿真，其中没有时间要素。而实际系统仿真所模拟的对象多
16、数是动态系统，例如对银行营业厅顾客服务效率而实际系统仿真所模拟的对象多数是动态系统，例如对银行营业厅顾客服务效率的仿真，顾客的到达是同时间相关的，在不同时刻，顾客到达速率可能不同，队的仿真，顾客的到达是同时间相关的，在不同时刻，顾客到达速率可能不同，队列队长可能不同，柜台开放数量可能不同等。列队长可能不同，柜台开放数量可能不同等。生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社2.1 系统仿真分类系统仿真分类（2）连续和离散：）连续和离散：在连续模型中，系统状态虽时间连续变化，例如水库蓄水量、放水量以及出现降在连续模型中，系统状态虽时间连续变化，例如水库蓄水量、放
17、水量以及出现降水和蒸发时水位的变化即属此类。水和蒸发时水位的变化即属此类。而在离散模型中，系统状态仅在离散的时刻点发生变化，例如在制造系统中，零而在离散模型中，系统状态仅在离散的时刻点发生变化，例如在制造系统中，零件会在特定的时间到达和离开，机器会在特定的时刻出现故障和被修复，工人会件会在特定的时间到达和离开，机器会在特定的时刻出现故障和被修复，工人会在特定的时间开始休息和复工。在特定的时间开始休息和复工。在有的模型中，既有连续变化的成分，也有离散变化的因素，这种模型被称为混在有的模型中，既有连续变化的成分，也有离散变化的因素，这种模型被称为混合模型（合模型（Mixed continuous-
18、discrete model），例如在炼油厂，储油罐中），例如在炼油厂，储油罐中的压力是连续变化的，但会在离散时间点上发生间歇。的压力是连续变化的，但会在离散时间点上发生间歇。生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社2.1 系统仿真分类系统仿真分类（3）确定和随机：）确定和随机：没有随机输入的模型为确定性模型，严格预约时间与固定服务时间的运作过程即没有随机输入的模型为确定性模型，严格预约时间与固定服务时间的运作过程即属此类。属此类。在随机模型中，至少存在一部分随机输入，例如在银行中，顾客的到达时间与服在随机模型中，至少存在一部分随机输入，例如在银行中，顾客
19、的到达时间与服务时间都是随机变化的。务时间都是随机变化的。一个模型中也可以同时包括确定的和随机的输入成分，哪些属于确定因素、哪些一个模型中也可以同时包括确定的和随机的输入成分，哪些属于确定因素、哪些属于随机因素是建模时要考虑的重要问题。属于随机因素是建模时要考虑的重要问题。生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社2.2 如何实施仿真如何实施仿真 手工进行仿真手工进行仿真蒲丰实验蒲丰实验用通用语言编程进行仿真用通用语言编程进行仿真利用通用程序语言（利用通用程序语言（Fortran，C）来编写计算机程序用以对复杂的系统进行仿真。还开发出）来编写计算机程序用以对
20、复杂的系统进行仿真。还开发出了各种支撑软件包用于帮助完成各种例行程序，例如表处理、模拟时间的跟踪以及统计记录等。了各种支撑软件包用于帮助完成各种例行程序，例如表处理、模拟时间的跟踪以及统计记录等。优点：具有很高的灵活性，易于定制功能，不论是模型结构还是仿真运行操作方面。优点：具有很高的灵活性，易于定制功能，不论是模型结构还是仿真运行操作方面。缺点：由于每次建模时都要编写大量代码，因此极为枯燥和痛苦，而且容易出错；而且即使需缺点：由于每次建模时都要编写大量代码，因此极为枯燥和痛苦，而且容易出错；而且即使需要对模型进行一点变动，也会花费相当多的时间重新建模。要对模型进行一点变动，也会花费相当多的时
21、间重新建模。仿真语言仿真语言专用的仿真语言，如专用的仿真语言，如GPSS、Simscript、SLAM以及以及SIMAN，它们为大多数人使用的各，它们为大多数人使用的各类仿真提供了一个更好的框架。然而，人们还需要花费相当多的时间来学习这些仿真语言的特类仿真提供了一个更好的框架。然而，人们还需要花费相当多的时间来学习这些仿真语言的特征及如何有效的使用它们，而且，使用者还必须面对其苛刻、严格的语法要求。征及如何有效的使用它们，而且，使用者还必须面对其苛刻、严格的语法要求。 高级仿真器高级仿真器很多针对各种系统的高级仿真器，例如很多针对各种系统的高级仿真器，例如Witness、Arena等。这些软件
22、在图形界面更易于理等。这些软件在图形界面更易于理解，语法结构简单易于理解，使得仿真不再需要很高深的计算机编程技术。解，语法结构简单易于理解，使得仿真不再需要很高深的计算机编程技术。 生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社从从Buffon 投针问题谈起投针问题谈起 生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社Buffon 投针问题投针问题生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社2.2 如何实施仿真如何实施仿真 手工进行仿真手工进行仿真蒲丰实验蒲丰实验试验者者时间(年年)针长投投针次数次
23、数相交次数相交次数的估计值的估计值Wolf18500.80500025323.15956Smith18550.60320412183.15665Fox18840.7510304893.15951Lazzarini19250.83340818083.14159292实验动画生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社2.2 如何实施仿真？如何实施仿真？-高级仿真器高级仿真器离散事件系统建模与仿真离散事件系统建模与仿真-面向对象仿真面向对象仿真-工业系统工业系统（WITNESS,ARENA,FLEXSIM)系统动力学仿真系统动力学仿真-经济系统经济系统(VENSI
24、M,POWERSIM,DYNAMO)MULTI-AGENT多智能体仿真多智能体仿真(SWARM,NETLOGO,STARLOGO)FLEXSIM羊数量和绿地羊数量和绿地的动态关系的动态关系系统动力学系统动力学生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社羊数量和绿地羊数量和绿地的动态关系的动态关系生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社2.3 仿真的适用性仿真的适用性适应情况适应情况对复杂系统内部的相互作用和复杂系统的子系统内部的相互作用的研究和实验。对复杂系统内部的相互作用和复杂系统的子系统内部的相互作用的研究和实验。可以
25、仿真信息、组织及环境的变更，以观察这些改变对模型行为的影响。可以仿真信息、组织及环境的变更，以观察这些改变对模型行为的影响。在仿真模型设计过程中获取的知识可能具有很大的价值，可对被研究系统的改进提出在仿真模型设计过程中获取的知识可能具有很大的价值，可对被研究系统的改进提出建议。建议。改变仿真的输入并观察产生的输出，可以使我们深入了解哪些变量是最重要的，以及改变仿真的输入并观察产生的输出，可以使我们深入了解哪些变量是最重要的，以及了解变量间是如何相互作用的。了解变量间是如何相互作用的。仿真可以作为教学设备来增强解析求解方法学的能力。仿真可以作为教学设备来增强解析求解方法学的能力。仿真可以用于在新
26、设计或策略实施前进行实验，以便为可能发生的事情做好准备。仿真可以用于在新设计或策略实施前进行实验，以便为可能发生的事情做好准备。仿真可以用于验证解析解。仿真可以用于验证解析解。对机器的不同能力进行仿真有助于确定其需求。对机器的不同能力进行仿真有助于确定其需求。 设计用于训练的仿真模型使得学习成为可能，无需费用及现场指导。设计用于训练的仿真模型使得学习成为可能，无需费用及现场指导。动画显示仿真运行中的系统，从而使计划具有可视性。动画显示仿真运行中的系统，从而使计划具有可视性。现代系统现代系统(工厂、晶圆生产厂、服务组织等工厂、晶圆生产厂、服务组织等)非常复杂，只能通过仿真来处理其内部的非常复杂，
27、只能通过仿真来处理其内部的相互作用。相互作用。 生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社2.3 仿真的适用性仿真的适用性不适应情况不适应情况第一：当问题可通过第一：当问题可通过普通方法解决时普通方法解决时，就不应使用仿真。举个例子，一个自动打，就不应使用仿真。举个例子，一个自动打标签设备为以标签设备为以100人人/小时的速率随机抵达的客户服务，该设备的服务速度是平均小时的速率随机抵达的客户服务，该设备的服务速度是平均12人人/小时。为决定最少所需的服务器数份，并不需要用仿真。只需计算小时。为决定最少所需的服务器数份，并不需要用仿真。只需计算100/12 =
28、8.33,就表明需要就表明需要9台或更多的服务器。台或更多的服务器。第二：当问题可以通过第二：当问题可以通过解析解决解析解决时，就不应使用仿真。时，就不应使用仿真。第三：如果第三：如果直接进行实验直接进行实验更为简便，则不应使用仿真。例如，对一个可以免下车更为简便，则不应使用仿真。例如，对一个可以免下车的路边快餐店，接收订单的人员配备手持终端及语音通信设备，为确定再增加一的路边快餐店，接收订单的人员配备手持终端及语音通信设备，为确定再增加一个订单接收站对客户等待时间的影响，实验的开销更低一些。个订单接收站对客户等待时间的影响，实验的开销更低一些。第四：如果第四：如果成本超过仿真节省的开销成本超
29、过仿真节省的开销，则不使用仿真。完成一个仿真需要很多步，则不使用仿真。完成一个仿真需要很多步骤骤.正如将在正如将在2.8节所讨论的那样，这些步骤必须深入地完成。如果仿真成本估计节所讨论的那样，这些步骤必须深入地完成。如果仿真成本估计为为20000美元，而仿真只节省美元，而仿真只节省10 000美元，则建议不要将资金投入到仿真系统美元，则建议不要将资金投入到仿真系统中。中。 生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社2.3 仿真的适用性仿真的适用性不适应情况不适应情况第五条和第六条：进行仿真研究的决定性资源是第五条和第六条：进行仿真研究的决定性资源是人员和时间
30、人员和时间。如果没有足够的资。如果没有足够的资源或时间，就不应使用仿真。有经验的分析师是非常重要的资源，因为他具有判源或时间，就不应使用仿真。有经验的分析师是非常重要的资源，因为他具有判断模型应该达到的详细程度和怎样去验证和确认模型的能力和经验。如果缺少了断模型应该达到的详细程度和怎样去验证和确认模型的能力和经验。如果缺少了训练有素的模型开发人员，将可能导致开发出错误的模型，以及该错误模型产生训练有素的模型开发人员，将可能导致开发出错误的模型，以及该错误模型产生的不可靠结果。另外，时间的分配不能够太少，以至开发人员被迫在设计时，对的不可靠结果。另外，时间的分配不能够太少，以至开发人员被迫在设计
31、时，对模型进行压缩处理。要想获得有意义的结果，时间进度表的安排应该有足够的时模型进行压缩处理。要想获得有意义的结果，时间进度表的安排应该有足够的时间允许必要改动以及验证和确认活动间允许必要改动以及验证和确认活动第七条：仿真需要数据，有时需要大量的数据。如果第七条：仿真需要数据，有时需要大量的数据。如果无数据可用无数据可用，甚至数据都无，甚至数据都无法估计，则不建议使用仿真。法估计，则不建议使用仿真。第八条：如果负责人有第八条：如果负责人有不合理的预期不合理的预期，如果他要求过多过快，或者如果仿真的能，如果他要求过多过快，或者如果仿真的能力被过高估计，则仿真也是不适合的。力被过高估计，则仿真也是
32、不适合的。第九条：如果系统行为第九条：如果系统行为太复杂或不可定义太复杂或不可定义，则不适合使用仿真。对，则不适合使用仿真。对人类行为人类行为建模建模有时是极为复杂的。有时是极为复杂的。 生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社2.4 仿真的优缺点仿真的优缺点优点优点新的策略、操作程序、决策规则、信息流、组织程序等的研究可以新的策略、操作程序、决策规则、信息流、组织程序等的研究可以不干扰实际系统不干扰实际系统正在进行的操作。正在进行的操作。新的硬件设计、物理布局、运输系统等测试可在新的硬件设计、物理布局、运输系统等测试可在不具备获得必要资源不具备获得必要资
33、源的前提下进行。的前提下进行。关于某些现象怎样发生或为什么发生的关于某些现象怎样发生或为什么发生的假设可以测试假设可以测试其可能性。其可能性。可以可以压缩或扩展时间压缩或扩展时间来加速或减缓被研究的现象。来加速或减缓被研究的现象。可以获得有关可以获得有关变量的相互作用变量的相互作用的深入了解。的深入了解。可以获得可以获得变量对系统性能的重要性变量对系统性能的重要性的深人了解。的深人了解。可以进行可以进行瓶颈分析瓶颈分析，进而发现在过程、信息、物料等工作中的哪个地方被过分延迟。，进而发现在过程、信息、物料等工作中的哪个地方被过分延迟。仿真研究可以仿真研究可以帮助理解系统帮助理解系统是如何运行的，
34、而不是一个人去思考系统如何运行。是如何运行的，而不是一个人去思考系统如何运行。可以回答可以回答“如果如果就会就会”这样的问题。这在新系统设计中特别有用。这样的问题。这在新系统设计中特别有用。生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社2.4 仿真的优缺点仿真的优缺点缺点缺点建模需要特殊的培训建模需要特殊的培训。这是一门需要花费时间、需要累积经验。这是一门需要花费时间、需要累积经验来学习的艺术。而且，如果两个模型是由不同的竞争对手建立来学习的艺术。而且，如果两个模型是由不同的竞争对手建立的，则它们也许有相似之处，但它们很有可能是不一致的。的，则它们也许有相似之处
35、，但它们很有可能是不一致的。仿真结果可能难于解释仿真结果可能难于解释。大多数仿真输出基本上都是随机变量。大多数仿真输出基本上都是随机变量(它们通常基于随机的输入它们通常基于随机的输入)，因此很难区分观察结果是与系，因此很难区分观察结果是与系统相关的还是随机的。统相关的还是随机的。仿真建模和分析非常仿真建模和分析非常耗时，而且成本高耗时，而且成本高。对一个任务来说，建。对一个任务来说，建模和分析资源的紧张会导致仿真模型或分析不充分。模和分析资源的紧张会导致仿真模型或分析不充分。生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社2.5 应用领域应用领域制造应用制造应用采
36、用模拟电气系统的方法，对连续制造系统进行动态建模采用模拟电气系统的方法，对连续制造系统进行动态建模在仿真测试平台上对随机生产计划模型进行检验在仿真测试平台上对随机生产计划模型进行检验在汽车装配中减少喷涂线的颜色变化。在汽车装配中减少喷涂线的颜色变化。对钢缆制造中的质量及生产能力建模。对钢缆制造中的质量及生产能力建模。在生物工艺制造中的共享资源能力分析。在生物工艺制造中的共享资源能力分析。用于加工车间操作仿真的神经信息模型。用于加工车间操作仿真的神经信息模型。半导体制造半导体制造恒定时间间隔生产计划及其在制品控制的应用。恒定时间间隔生产计划及其在制品控制的应用。在面向交货期的调度规则下加速生产。
37、在面向交货期的调度规则下加速生产。300mm晶圆生产工厂自动物料储运系统的设计框架。晶圆生产工厂自动物料储运系统的设计框架。下一代剂量工具的最优设计决策。下一代剂量工具的最优设计决策。在在300mm晶圆生产工厂中群工具建模的应用。晶圆生产工厂中群工具建模的应用。在在300mm半导体制造中批密室工具基于常驻实体的仿真半导体制造中批密室工具基于常驻实体的仿真 生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社2.5 应用领域应用领域建筑工程及项目管理建筑工程及项目管理多任务化与合并偏差对复杂设备采购的影响。多任务化与合并偏差对复杂设备采购的影响。排灌工程运行维护人员的无
38、冗余概念及仿真的应用。排灌工程运行维护人员的无冗余概念及仿真的应用。为钢铁制造建立虚拟车间模型。为钢铁制造建立虚拟车间模型。家用旧货供应链仿真。家用旧货供应链仿真。军事应用军事应用终止型仿真基于频率的设计终止型仿真基于频率的设计:一个维和的例子。一个维和的例子。支持支持3维环境中军事交互式仿真的多库框架。维环境中军事交互式仿真的多库框架。规范计算机生成兵力的行为而无需编程。规范计算机生成兵力的行为而无需编程。逼真度和有效性逼真度和有效性:人类行为描述问题。人类行为描述问题。通过贸易区域开发和评估，评价技术对人的表现的影响通过贸易区域开发和评估，评价技术对人的表现的影响自动后勤系统对突发产生过程
39、的影响。自动后勤系统对突发产生过程的影响。城区军队行动的建模和仿真的研究计划开发。城区军队行动的建模和仿真的研究计划开发。 生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社2.5 应用领域应用领域物流、供应链及分布式应用物流、供应链及分布式应用一个服务器一计算机制造环境中的库存分析。一个服务器一计算机制造环境中的库存分析。AGV系统的各种瓶颈检测方法的对比。系统的各种瓶颈检测方法的对比。半导体供应网络仿真。半导体供应网络仿真。一个机场候机区的国际出发旅客流的分析。一个机场候机区的国际出发旅客流的分析。离散仿真技术在液化天然气供应链上的应用。离散仿真技术在液化天然气
40、供应链上的应用。公共建筑物内行人流的在线仿真。公共建筑物内行人流的在线仿真。运输模式及交通运输模式及交通航班延迟合并仿真。航班延迟合并仿真。通过仿真优化确定飞机跑道调度。通过仿真优化确定飞机跑道调度。高速公路交汇及分叉性能的仿真。高速公路交汇及分叉性能的仿真。澳大利亚红十字会急救服务建模。澳大利亚红十字会急救服务建模。诺福克紧急救火支持的仿真建模。诺福克紧急救火支持的仿真建模。船舶到港建模。船舶到港建模。运送汽油的游艇运输系统优化。运送汽油的游艇运输系统优化。一个内陆水路游艇交通系统的迭代优化及仿真一个内陆水路游艇交通系统的迭代优化及仿真 生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子
41、工业出版社电子工业出版社2.5 应用领域应用领域经营过程仿真经营过程仿真个性化定价的商店性能基于代理的建模及仿真。个性化定价的商店性能基于代理的建模及仿真。随机经营模型的可视化。随机经营模型的可视化。电话呼叫中心的建模及仿真电话呼叫中心的建模及仿真使用仿真近似求解服务系统的凸性性能指标的子梯度。使用仿真近似求解服务系统的凸性性能指标的子梯度。机场行李扫描中仿真的作用。机场行李扫描中仿真的作用。连续操作中人的疲劳危险仿真。连续操作中人的疲劳危险仿真。电信记帐系统的优化。电信记帐系统的优化。对客户库进行分段以获得最大回报。对客户库进行分段以获得最大回报。健康护理健康护理流动健康护理训练的前台与病人
42、护理建模流动健康护理训练的前台与病人护理建模急诊部门与医疗遥侧单位间的医院操作的评估。急诊部门与医疗遥侧单位间的医院操作的评估。预估急诊室的最大容量。预估急诊室的最大容量。减少急诊部门的等待长度。减少急诊部门的等待长度。医院急诊部门的医院急诊部门的6希格玛改进思想的仿真。希格玛改进思想的仿真。用于急诊室工作人员调度的基于整数线性编程规划的仿真工具。用于急诊室工作人员调度的基于整数线性编程规划的仿真工具。生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社2.6 系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业
43、出版社2.6 系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤1.问题定义问题定义2.制定目标制定目标3.描述系统并对所有假设列表描述系统并对所有假设列表4.罗列出所有可能替代方案罗列出所有可能替代方案5.收集数据和信息收集数据和信息6.建立计算机模型建立计算机模型7.校验和确认模型校验和确认模型8.运行和输出分析运行和输出分析9.文档和报告的生成文档和报告的生成10.实施实施 生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社第第01讲讲 系统建模与仿真概述系统建模与仿真概述一、系统模型一、系统模型1.1 系统系统1.2 模型及其分类模型及其分类1.3 建立模型时应遵循的建立
44、模型时应遵循的基本原则基本原则二、系统仿真二、系统仿真2.1 系统仿真系统仿真2.2 实施仿真的方法实施仿真的方法2.3 仿真的适用性仿真的适用性2.4 仿真的应用领域仿真的应用领域2.5 仿真的发展阶段仿真的发展阶段2.6 系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤提纲提纲三、离散事件系统三、离散事件系统3.1离散事件系统的定义离散事件系统的定义3.2离散与连续系统示例离散与连续系统示例四、离散事件系统基本术语四、离散事件系统基本术语五、系统绩效指标五、系统绩效指标 六、系统变量六、系统变量6.1决策变量决策变量6.2反应变量反应变量6.3状态变量状态变量生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿
45、真- -电子工业出版社电子工业出版社三、离散事件系统三、离散事件系统理发店示例理发店示例定义：定义：离散事件（动态）系统：是由在离散时刻点发生的事件引起状态变化的离散事件（动态）系统：是由在离散时刻点发生的事件引起状态变化的动态系统。动态系统。制造系统典型的离散事件制造系统典型的离散事件顾客到达服务台顾客到达服务台机器故障机器故障活动结束活动结束班次结束班次结束 生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社离散系统：离散系统：示例：示例：银行、医院、车站售票厅、理发店银行、医院、车站售票厅、理发店特征：特征： 顾客到达方式为间断、离散的方式；顾客到达方式为间断
46、、离散的方式；顾客排队等待的时间长短各不相同；顾客排队等待的时间长短各不相同；服务员处理顾客请求的时间长短各不相同；服务员处理顾客请求的时间长短各不相同；服务员相邻忙闲间隔各不相同；服务员相邻忙闲间隔各不相同；队列长度是离散变化的，（整数）；队列长度是离散变化的，（整数）；3.2 离散与连续系统示例离散与连续系统示例生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社连续系统：连续系统：示例：示例：车辆的运动速度、自由落体的速度、饮料生产中饮料车辆的运动速度、自由落体的速度、饮料生产中饮料的管道运输、导弹拦截飞机的管道运输、导弹拦截飞机特征：特征：状态（速度、温度、位
47、置）的变化是连续的；状态（速度、温度、位置）的变化是连续的；状态变量的变化是时间的函数；状态变量的变化是时间的函数；例如：例如：管道运输量管道运输量=输送速率输送速率*t；车辆速度车辆速度=v0+a*t；自由露体速度自由露体速度=gt； 3.2 离散与连续系统示例离散与连续系统示例生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社四、离散事件系统的术语四、离散事件系统的术语（1）实体）实体 是指组成系统的物理单元。是指组成系统的物理单元。如物流系统的堆垛机、进如物流系统的堆垛机、进/出货台、仓库、货物及工件等。出货台、仓库、货物及工件等。实体可分为临时实体和永久实体
48、两类。实体可分为临时实体和永久实体两类。在仿真全过程中，始终驻留在系统中的是永久实体，如服务台、搬运设在仿真全过程中，始终驻留在系统中的是永久实体，如服务台、搬运设备或生产设备。在系统中只存在一段时间的实体叫作临时实体，如到达备或生产设备。在系统中只存在一段时间的实体叫作临时实体，如到达系统、经装卸搬运离去的工件就是临时实体。系统、经装卸搬运离去的工件就是临时实体。（2）事件）事件 是指引起系统状态变化的行为，是指引起系统状态变化的行为，事件一般分为两类：必然事件和条件事件。事件一般分为两类：必然事件和条件事件。只与时间有关的事件称为必然事件。只与时间有关的事件称为必然事件。如果事件发生不仅与
49、时间因素有关，而且还与其它条件有关，则称为条如果事件发生不仅与时间因素有关，而且还与其它条件有关，则称为条件事件。件事件。（3）活动）活动 两个相邻发生的事件之间的过程称为活动。标志着系统的状两个相邻发生的事件之间的过程称为活动。标志着系统的状态。态。物流系统中，工件到达与入库之间，是排队活动。物流系统中，工件到达与入库之间，是排队活动。实体加工活动实体加工活动-治疗、检测、加工、切割等治疗、检测、加工、切割等实体的移动实体的移动-叉车移动、输送链的移动、升降机的升降；叉车移动、输送链的移动、升降机的升降；实体的调整、维护和修理实体的调整、维护和修理-设备换模、机器维修等。设备换模、机器维修等
50、。生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社（4）进程）进程 若干事件与若干活动组成的过程称为进程。它描述了各事件若干事件与若干活动组成的过程称为进程。它描述了各事件活动发生的相互逻辑关系及时序关系活动发生的相互逻辑关系及时序关系例如，工件由车辆装入进货台，经装卸搬运进入仓库，经保管、加工到配送例如，工件由车辆装入进货台，经装卸搬运进入仓库，经保管、加工到配送至客户的过程。至客户的过程。（5）控制逻辑）控制逻辑 控制逻辑设定事件在怎样的条件、怎样的方式和怎控制逻辑设定事件在怎样的条件、怎样的方式和怎样的时间状况下激活。样的时间状况下激活。工艺顺序工艺顺序生产
51、计划生产计划工作排程工作排程任务优先级任务优先级四、离散事件系统的术语四、离散事件系统的术语生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社（6）仿真钟）仿真钟 控制仿真模型向前迈进的全局变量，表示系统当前控制仿真模型向前迈进的全局变量，表示系统当前运行时间。运行时间。 在离散事件系统仿真中，由于系统状态变化是不连续的，在相邻两个事在离散事件系统仿真中，由于系统状态变化是不连续的，在相邻两个事件发生之间，系统状态不发生变化，因而仿真钟可以跨越这些件发生之间，系统状态不发生变化，因而仿真钟可以跨越这些“不活动不活动”区域。区域。仿真钟的推进成跳跃性，推进速度具有随机
52、性。仿真钟的推进成跳跃性，推进速度具有随机性。（7）随机变量）随机变量 复杂的现实系统常常包含有随机的因素。复杂的现实系统常常包含有随机的因素。如：在物流系统中工件的到达、运输车辆的到达和运输时间如：在物流系统中工件的到达、运输车辆的到达和运输时间对于有随机因素影响的系统进行仿真时，首先要建立随机变量模型，即对于有随机因素影响的系统进行仿真时，首先要建立随机变量模型，即确定系统的随机变量并确定这些随机变量的分布类型和参数。对于分布确定系统的随机变量并确定这些随机变量的分布类型和参数。对于分布类型是已知或者是可以根据经验确定的随机变量，只要确定它们的参数类型是已知或者是可以根据经验确定的随机变量
53、，只要确定它们的参数就可以了。就可以了。四、离散事件系统的术语四、离散事件系统的术语生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社五、系统绩效指标五、系统绩效指标（1）通过时间（）通过时间（Flow Time）：部件或顾客通过整个系统）：部件或顾客通过整个系统的平均时间，包括加工（服务）时间、等待时间、移动时间。的平均时间，包括加工（服务）时间、等待时间、移动时间。（2）利用率（）利用率（Utilization）：系统中人员、机器、车辆等）：系统中人员、机器、车辆等永久实体工作时间与总的时间之比。永久实体工作时间与总的时间之比。（3）增值时间（）增值时间（Val
54、ue-Added-Time）：物料、顾客等实）：物料、顾客等实体在系统中接受的、增加其价值的时间。体在系统中接受的、增加其价值的时间。价值是指顾客愿意为其支付费用的特性。价值是指顾客愿意为其支付费用的特性。从运作层来看，增值时间是那些对物料的物理、化学性质进行改变的作从运作层来看，增值时间是那些对物料的物理、化学性质进行改变的作业和过程，或者提供服务的过程所花费的时间，而检测和等待则属于非业和过程，或者提供服务的过程所花费的时间，而检测和等待则属于非增值时间。增值时间。生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社（4）通过率（）通过率（Flow Rate）：单
55、位时间系统加工的部件数）：单位时间系统加工的部件数量或服务的顾客数量，还可叫做生产速率、处理速率和产出速量或服务的顾客数量，还可叫做生产速率、处理速率和产出速率等。率等。（5）库存水平（）库存水平（Inventory or Queue Levels）：在存）：在存储区或队列区的物料或顾客的数量。储区或队列区的物料或顾客的数量。（6）产出率（）产出率（Yield）：系统产出的合格产品与投入系统中）：系统产出的合格产品与投入系统中原材料可以生产的产品量之比；例如原材料可以生产的产品量之比；例如100件产品中有件产品中有95件为件为合格产品，则产出率为合格产品，则产出率为95%；（7）客户响应水平（
56、）客户响应水平（Customer Responsiveness）：）：系统快速响应客户需求，降低客户等待时间的能力。系统快速响应客户需求，降低客户等待时间的能力。例如可以使用订单满足率指标来衡量，满足率为客户订单能够及时由库例如可以使用订单满足率指标来衡量，满足率为客户订单能够及时由库存满足的数量存满足的数量/订单总量。订单总量。五、系统绩效指标五、系统绩效指标生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社第第01讲讲 系统建模与仿真概述系统建模与仿真概述一、系统模型一、系统模型1.1 系统系统1.2 模型及其分类模型及其分类1.3 建立模型时应遵循的建立模型时
57、应遵循的基本原则基本原则二、系统仿真二、系统仿真2.1 系统仿真系统仿真2.2 实施仿真的方法实施仿真的方法2.3 仿真的适用性仿真的适用性2.4 仿真的应用领域仿真的应用领域2.5 仿真的发展阶段仿真的发展阶段2.6 系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤提纲提纲三、离散事件系统三、离散事件系统3.1离散事件系统的定义离散事件系统的定义3.2离散与连续系统示例离散与连续系统示例四、离散事件系统基本术语四、离散事件系统基本术语五、系统绩效指标五、系统绩效指标 六、系统变量六、系统变量6.1决策变量决策变量6.2反应变量反应变量6.3状态变量状态变量生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真-
58、-电子工业出版社电子工业出版社六、系统变量六、系统变量1 决策变量决策变量独立变量：不受别的变量影响，而又对其他变量产生影响的变量；独立变量：不受别的变量影响，而又对其他变量产生影响的变量；根据实验者对其是否进行控制，可将独立变量是否可控变量和不可控变根据实验者对其是否进行控制，可将独立变量是否可控变量和不可控变量。量。可控变量我们称之为决策变量，因为实验者将控制这些变量的取值，而可控变量我们称之为决策变量，因为实验者将控制这些变量的取值，而且改变这些变量的数值将会影响系统行为的改变。且改变这些变量的数值将会影响系统行为的改变。2 反应变量反应变量反应变量也叫绩效指标或者输出变量，是系统在特定
59、的决策变量取值组反应变量也叫绩效指标或者输出变量，是系统在特定的决策变量取值组合下某些绩效指标的取值。例如在特定时间段系统加工的产品的数量，合下某些绩效指标的取值。例如在特定时间段系统加工的产品的数量，设备的平均利用率以及其他的系统绩效指标。设备的平均利用率以及其他的系统绩效指标。反应变量是因变量，它的取值是由系统结构和决策变量取值决定的。反应变量是因变量，它的取值是由系统结构和决策变量取值决定的。3 状态变量状态变量状态变量用于描述在特定时间点，系统及其组成元素所处的状态。状态变量用于描述在特定时间点，系统及其组成元素所处的状态。反应变量是状态变量的时间统计，例如：机器利用率或机器忙率是机器
60、反应变量是状态变量的时间统计，例如：机器利用率或机器忙率是机器处于处于“忙忙”状态的时间累计与总的仿真时间之比。状态的时间累计与总的仿真时间之比。生产物流系统建模与仿真生产物流系统建模与仿真- -电子工业出版社电子工业出版社思考练习题思考练习题思考题：思考题：1.思考为什么仿真应用最先出现在航空、汽车制造等大型企业？思考为什么仿真应用最先出现在航空、汽车制造等大型企业？2.思考图思考图1.2中的仿真流程，中的仿真流程，（a）通过将类似活动组合在一起至少减少两个步骤，并给出你的理由；）通过将类似活动组合在一起至少减少两个步骤，并给出你的理由；（b）通过将当前步骤拆分或者扩大现有步骤，至少增加两个
61、步骤，并给出你的理由；）通过将当前步骤拆分或者扩大现有步骤，至少增加两个步骤，并给出你的理由；3.请给出交通干道十字路口的仿真步骤，目标是改进当前的交通状况。请给出交通干道十字路口的仿真步骤，目标是改进当前的交通状况。4.请给出制造企业单种产品采购的仿真步骤，目标特定的成本约束下，改进缺货率。请给出制造企业单种产品采购的仿真步骤，目标特定的成本约束下，改进缺货率。作业题：作业题：1.访问访问Winter Simulation Conference的网页的网页www.wintersim.org，报告仿真在你感兴趣领域的应用情况。，报告仿真在你感兴趣领域的应用情况。2.访问访问Winter Sim
62、ulation Conference的网页的网页www.wintersim.org并说出：并说出：（a）当前仿真的应用领域有哪些？）当前仿真的应用领域有哪些？（b）本年度）本年度WSC将在什么时间？什么地点举行？将在什么时间？什么地点举行？3.使用搜索引擎，搜索使用搜索引擎，搜索（a）“汽车制造仿真汽车制造仿真Automotive manufacture simulation”的网页，并准备一份的网页，并准备一份讨论你找到内容的报告。讨论你找到内容的报告。（b）“供应链仿真供应链仿真Supply chain simulation”的网页，并准备一份讨论你找到内容的网页，并准备一份讨论你找到内容的报告。的报告。（c）“物流仿真物流仿真Logistic simulation”的网页，并准备一份讨论你找到内容的报告。的网页，并准备一份讨论你找到内容的报告。
