1、 系統仿真系統仿真System Simulation 童新長童新長 手機：手機QQ：120870429 郵箱：郵箱：參考書參考書n系統仿真導論系統仿真導論，肖田元等，清華大學出版社，肖田元等，清華大學出版社，2000n建模與仿真建模與仿真，王紅衛，科學出版社，王紅衛，科學出版社，2002n仿真工程仿真工程，(美美)Jim Ledin，機械工業出版社，機械工業出版社，2003n系統仿真軟件系統仿真軟件Flexsim 3.0實用教程實用教程，張曉萍，劉玉，張曉萍，劉玉坤，清華大學出版社坤，清華大學出版社 , 2006 第一章第一章 系統及系統仿真概述系統及系統仿真概述4系

2、統概述系統概述123離散系統仿真離散系統仿真物流仿真及相關軟件簡介物流仿真及相關軟件簡介系統仿真系統仿真1.1 系統概述系統概述n定義定義：系統是由多個相互聯系且相互作用的要素按某種規律組合起來的、實現特定功能的有機組合。n系統特性系統特性n整體性：由兩個及以上要素（子系統）構成，各部分有一定的獨立性，但又互相關聯構成一個有機整體。 n關聯性：各組成要素間相互關聯、作用，使系統能夠實現其功能。n目的性：系統具有其特定的目的，具有明確的目標。n動態性：系統處于不斷變化和運動之中。n環境適應性： 系統處于一定環境之中，受環境的約束和限制。1.1.1 系統定義和特性系統定義和特性1.1.2 系統分類

3、系統分類n按物理特征分類按物理特征分類n工程系統：電氣、機械、化工、水利等n非工程系統：經濟、交通、管理、生態等n按狀態變化方式分類按狀態變化方式分類n連續系統連續系統n系統狀態量隨時間連續變化n離散事件系統離散事件系統n系統狀態只在一些時間點上由于某種隨機事件的驅動而發生變化n按復雜程度分類按復雜程度分類n單變量系統n多變量系統n 連續系統：連續系統：系統狀態隨時間連續變化的系統，系統系統狀態隨時間連續變化的系統，系統“事件事件”所引起所引起的效應大小和的效應大小和“事件時刻事件時刻”之間的區別，在數學上都是無窮小量。之間的區別，在數學上都是無窮小量。 連續系統中發生的變化主要是平滑的變化，

4、如：導彈飛行過程中連續系統中發生的變化主要是平滑的變化，如：導彈飛行過程中的的舵面舵面變化、飛行位置的的變化；變化、飛行位置的的變化；n 離散事件系統：離散事件系統：系統狀態（或參數）只在一些特定時刻被觀測并產系統狀態（或參數）只在一些特定時刻被觀測并產生相應離散數據，即系統操作和狀態只在離散時刻發生，且這些時刻生相應離散數據，即系統操作和狀態只在離散時刻發生，且這些時刻常常是隨機的（不確定的）。常常是隨機的（不確定的）。 離散事件系統中發生的變化主要是斷續的變化，如：工廠系統中離散事件系統中發生的變化主要是斷續的變化，如：工廠系統中的產品數量、服務系統中的隊列長度；的產品數量、服務系統中的隊

5、列長度；n混合系統：混合系統：一部分具有連續系統特性，另一部分具有離散事件系統特一部分具有連續系統特性，另一部分具有離散事件系統特性，連續性，連續- -離散混合系統。離散混合系統。 實際系統往往是混合系統，例如：導彈的一、二級分離（質量變實際系統往往是混合系統，例如：導彈的一、二級分離（質量變化），工廠中的機器運行等。化），工廠中的機器運行等。n 模型：模型：一個系統（實體、現象、過程）的物理的、數學的或其他邏輯的表現形式。n 系統模型：系統模型：對實際系統的一種抽象，是系統本質的表述，是人們對客觀世界反復認識、分析，經過多級轉換、整合等相似過程而形成的最終結果，它具有與系統相似的數學描述或物

6、理屬性，以各種可用的形式，給出研究系統的信息。n 數學模型：數學模型：描述實際系統內、外部各變量間相互關系的數學表達式。1.1.3 系統模型系統模型 系統模型可以用系統模型可以用各種可用的形式各種可用的形式（數學的或實體的（物理的）（數學的或實體的（物理的）給出給出被研究系統的信息被研究系統的信息，它具有與系統相似的數學描述或物理屬性，通常用，它具有與系統相似的數學描述或物理屬性，通常用系統模型來指導對系統的研究；系統模型來指導對系統的研究； 系統模型系統模型不應該比研究目的所要求的更復雜不應該比研究目的所要求的更復雜，模型的詳細程度和精度，模型的詳細程度和精度必須與研究目的相匹配；必須與研究

7、目的相匹配； 用來表示一個系統的模型用來表示一個系統的模型并不是唯一的并不是唯一的，對于同一個系統當研究目的，對于同一個系統當研究目的不同，所要求收集的與系統有關的信息也是不同的；由于關心的方面不不同，所要求收集的與系統有關的信息也是不同的；由于關心的方面不同，對于同一個系統就可能建立不同的模型；同，對于同一個系統就可能建立不同的模型； 對于多數研究目的，建立系統模型對于多數研究目的，建立系統模型并不需要考慮系統的全部細節并不需要考慮系統的全部細節，一，一個好的模型不僅是用來代替系統，而且是這個系統的個好的模型不僅是用來代替系統，而且是這個系統的合理簡化合理簡化，與此相，與此相聯系的是要正確地

8、確定模型的詳細參數和精度聯系的是要正確地確定模型的詳細參數和精度u 注意：注意：模型是當今重要科學術語之一，相對于現實世界或實際系統而言模型是當今重要科學術語之一，相對于現實世界或實際系統而言, ,n 等效性（普遍性）：等效性（普遍性）：指同一個模型可以從各個角度反映不同的系指同一個模型可以從各個角度反映不同的系統。（或者說一種模型與多個系統可能具有相似性。）統。（或者說一種模型與多個系統可能具有相似性。）n 相對精確性：相對精確性：近似度和精確性不可超出應有限度和許可條件；過于近似度和精確性不可超出應有限度和許可條件；過于粗糙的模型將失去過多系統特性而變得無用，太精確的模型往往會非常粗糙的模

9、型將失去過多系統特性而變得無用，太精確的模型往往會非常復雜，甚至給模型研究帶來困難。滿意的模型應該具有考慮諸種條件折復雜，甚至給模型研究帶來困難。滿意的模型應該具有考慮諸種條件折衷下的是和精確性。衷下的是和精確性。n 可信性：可信性：必須經過檢驗和確認，成為代表實際系統的有效模型，即必須經過檢驗和確認，成為代表實際系統的有效模型，即具有良好的置信度具有良好的置信度。n 異構性：異構性：同一系統的模型可以具有不同的結構和形式，研究中將選同一系統的模型可以具有不同的結構和形式，研究中將選擇最方便、合理的。擇最方便、合理的。n 通過性：通過性：可以視為可以視為“黑箱黑箱”，通過向其輸入信息并獲取信息

10、建立起，通過向其輸入信息并獲取信息建立起模型的輸入模型的輸入- -輸出概念。輸出概念。u系統模型系統模型性質性質為了研究、分析、設計和實現一個系統，需要進行試驗，可以分為兩為了研究、分析、設計和實現一個系統，需要進行試驗，可以分為兩大類：在真實系統上進行；構造模型并用模型試驗來代替在系統上的大類：在真實系統上進行；構造模型并用模型試驗來代替在系統上的實驗。后者必不可少，原因有四：實驗。后者必不可少，原因有四：n 系統還系統還處于設計階段處于設計階段，真實系統尚未建立需要了解未，真實系統尚未建立需要了解未來系統的性能，只能通過對模型的試驗來了解；來系統的性能，只能通過對模型的試驗來了解；n 在真

11、實系統上進行試驗可能會在真實系統上進行試驗可能會引起破壞或發生故障引起破壞或發生故障，如處于運行狀態的化工系統、電力系統、火箭系統等；如處于運行狀態的化工系統、電力系統、火箭系統等；n 系統系統無法恢復無法恢復，如經濟系統，新政策出臺，經過一段，如經濟系統，新政策出臺，經過一段時間才能看出效果，若造成損失已經無法挽回了；時間才能看出效果，若造成損失已經無法挽回了；n 試驗條件試驗條件無法保證無法保證，如多次試驗，難以保證每次試驗，如多次試驗，難以保證每次試驗條件相同，或試驗時間太長、或費用昂貴。條件相同，或試驗時間太長、或費用昂貴。u系統模型系統模型why?n模型形式分類模型形式分類n描述性模

12、型：描述性模型：用文字形式簡明敘述系統構成、邊界和主要功能、系統分析和設計的目的與任務等。n物理模型物理模型：實體模型。實際系統尺寸上縮小或放大后的相似體。描述的逼真感強，但建模費用大，不易試驗，修改參數或結構困難。n數學模型數學模型：用數學形式描述實際系統的結構和性能，可以描述系統的靜態或動態特性。建模費用低，可反復試驗。n流程圖及圖解式模型：流程圖及圖解式模型：運用表格或圖解形式比較直觀、明確的說明系統各組成部分及其間的基本邏輯關系。n復雜系統仿真時往往多種形式模型相互結合復雜系統仿真時往往多種形式模型相互結合u系統模型系統模型分類分類n 優化系統設計優化系統設計：在復雜的系統建立以前，能

13、夠通過改變仿真模型在復雜的系統建立以前，能夠通過改變仿真模型結構和調整參數來優化系統設計；結構和調整參數來優化系統設計；n 對系統或系統的某一部分進行對系統或系統的某一部分進行性能評價性能評價；n 節省經費：節省經費：仿真試驗只需要在可重復使用的模型上進行，所花費的仿真試驗只需要在可重復使用的模型上進行，所花費的成本遠比在實際產品上做試驗低；成本遠比在實際產品上做試驗低；n 系統故障診斷：系統故障診斷：系統發生故障后，設法使之重演，以便判斷故障系統發生故障后，設法使之重演，以便判斷故障產生的原因；產生的原因； n 避免試驗的危險性：避免試驗的危險性：某些試驗有危險，不允許進行，而仿真試驗某些試

14、驗有危險，不允許進行，而仿真試驗可以避免危險性；可以避免危險性；n 進行假設檢驗：進行假設檢驗：仿真可以預測系統的特性，也可以預測外部作用仿真可以預測系統的特性，也可以預測外部作用對系統的影響；訓練系統操作人員；對系統的影響；訓練系統操作人員；n 為管理決策和技術決策提供依據為管理決策和技術決策提供依據。u系統仿真的必要性系統仿真的必要性1.2 系統仿真系統仿真n仿真仿真又稱作蒙特卡羅方法，它是一種通過用隨機數做實驗來求解隨機問題的技術。n仿真的定義變遷仿真的定義變遷n1961年，G.W. Morgenthater首次定義仿真：在實際系統尚不存在的情況下對于系統或活動本質的實現n1978年，K

15、orn的著作連續系統仿真定義：用能代表所研究的系統的模型作實驗n1982年，Spriet擴充定義：所有支持模型建立與模型分析的活動即為仿真活動n1984年，Oren提出：仿真是一種基于模型的活動1.2.1 系統仿真定義系統仿真定義u系統仿真的定義系統仿真的定義n19611961年年G.W.MorgenthlerG.W.Morgenthlern指在實際系統尚不存在的情況下，對于系統或活動本質的復現。n現在現在n系統仿真是通過對系統模型的實驗，研究一個存在存在的或設計的或設計中的系統n系統仿真是對系統動態模型的實驗n 權威定義權威定義 n系統仿真是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術和計算技術等

16、理論基礎之上的，以計算機和其它專用物理效應設備為工具，利用系統模型對真實或假想的系統進行試驗，并借助于專家經驗知識、統計數據和信息資料對試驗結果進行分析研究，進而做出決策的一門綜合性的和試驗性的學科u系統仿真與計算機仿真系統仿真與計算機仿真n計算機仿真是一種非實物仿真方法，是用計算機對一個系統的結構和行為進行動態演示, 以評價或預測一個系統的行為效果,為決策提供信息的一種方法.它是解決較復雜的實際問題的一條有效途徑。n現在一般認為系統仿真等同于計算機仿真1.2.2 1.2.2 系統仿真建模及工作過程系統仿真建模及工作過程n三個基本要素三個基本要素：n系統、系統模型、計算機。n三項要素的基本活動

17、三項要素的基本活動n模型建立、仿真模型建立和仿真試驗。系統系統模型模型計算機計算機模型建立模型建立仿真試驗仿真試驗仿真模型建立仿真模型建立工作過程工作過程n系統建模系統建模： 由于忽略了一些次要因素和不可觀察的由于忽略了一些次要因素和不可觀察的因素，因而得到的是一個簡化了的模型因素，因而得到的是一個簡化了的模型。（。（一直是研究的重點，技術成熟，需要結合相關專業知識）n仿真建模：仿真建模：主要任務是設計算法，并轉換為計算機程主要任務是設計算法，并轉換為計算機程序，使系統的模型能為計算機接受并能在計算機上運行序，使系統的模型能為計算機接受并能在計算機上運行。（難點之一）n仿真試驗及結果分析仿真試

18、驗及結果分析： 是對模型的運轉，為了進行是對模型的運轉，為了進行仿真試驗必須設計合理的試驗工作程序、擁有便于系統仿真試驗必須設計合理的試驗工作程序、擁有便于系統研究的試驗軟件。根據試驗結果情況，進一步修正系統研究的試驗軟件。根據試驗結果情況，進一步修正系統模型和系統仿真模型模型和系統仿真模型。（最有實際意義，但常常被忽略，技術難點多） 1.2.3 1.2.3 系統仿真的分類系統仿真的分類n根據模型的種類分類根據模型的種類分類n物理仿真物理仿真：基于計算機的仿真，本課程的內容；各種基于計算機的仿真，本課程的內容；各種學科、工程領域學科、工程領域n數字仿真數字仿真：計算機仿真，包括模擬機仿真、混合

19、機仿計算機仿真，包括模擬機仿真、混合機仿真、數字機仿真真、數字機仿真n半實物仿真半實物仿真：在某些系統研究中，常把數學模型、實在某些系統研究中，常把數學模型、實體模型（物理效應模型）和系統的實際設備（實物）體模型（物理效應模型）和系統的實際設備（實物）聯系在一起運轉，組成仿真系統，這種仿真系統稱為聯系在一起運轉，組成仿真系統，這種仿真系統稱為半實物仿真軍事領域、水利工程等重要、大型應用半實物仿真軍事領域、水利工程等重要、大型應用 n 根據仿真時鐘與實際時鐘的比例關系分類根據仿真時鐘與實際時鐘的比例關系分類n實時仿真實時仿真：仿真時鐘仿真時鐘(仿真時模型采用的時鐘仿真時模型采用的時鐘)與實際時與

20、實際時鐘鐘(實際動態系統的時間基實際動態系統的時間基)完全一致；仿真系統中存在完全一致；仿真系統中存在物理模型或實物時，必須進行實時仿真，常用于訓練仿物理模型或實物時，必須進行實時仿真，常用于訓練仿真器，稱為在線仿真真器，稱為在線仿真n亞實時仿真亞實時仿真：仿真時鐘慢于實際時鐘，即模型仿真的速仿真時鐘慢于實際時鐘，即模型仿真的速度慢于時間系統運行的速度；對仿真速度要求不苛刻的度慢于時間系統運行的速度；對仿真速度要求不苛刻的情況下均是亞實時仿真，常用于離線分析，稱為離線仿情況下均是亞實時仿真，常用于離線分析，稱為離線仿真真n超實時仿真超實時仿真：仿真時鐘快于實際時鐘，即模型仿真的速仿真時鐘快于實

21、際時鐘，即模型仿真的速度快于實際系統運行的速度；如大氣環流仿真、交通系度快于實際系統運行的速度；如大氣環流仿真、交通系統仿真等統仿真等n連續系統仿真連續系統仿真n系統狀態量隨時間連續變化（包括由于數據采集是在離系統狀態量隨時間連續變化（包括由于數據采集是在離散時間點上進行時所產生的非連續數據）散時間點上進行時所產生的非連續數據） n數學模型數學模型n連續模型（微分方程描述）連續模型（微分方程描述） n離散時間模型（差分方程描述）離散時間模型（差分方程描述） n基本特點基本特點：能用一組方程式描述能用一組方程式描述n一般的物理系統、工程系統均屬此類（連續流程工業、一般的物理系統、工程系統均屬此類

22、（連續流程工業、石油、化工、醫藥等）石油、化工、醫藥等） n 根據系統模型的特性分類根據系統模型的特性分類n離散事件系統仿真離散事件系統仿真n系統狀態只在一些時間點上由于某種隨機事件的驅動系統狀態只在一些時間點上由于某種隨機事件的驅動而發生變化（狀態是在兩個事件之間保持不變即離散而發生變化（狀態是在兩個事件之間保持不變即離散變化）變化） n數學模型：數學模型：一般不是數學方程，而用流程圖或者網絡一般不是數學方程，而用流程圖或者網絡圖描述。圖描述。 n當前的研究熱點當前的研究熱點，如城市交通系統、計算機網絡、生，如城市交通系統、計算機網絡、生態系統，管理系統、柔性制造系統、計算機集成制造態系統，

23、管理系統、柔性制造系統、計算機集成制造系統等。系統等。 例：例：某個理發館，設上午某個理發館，設上午9.009.00開門，下午開門，下午7.007.00關門。顯然，關門。顯然，在這個理發館系統中，存在理發師和顧客兩個實體。也存在顧在這個理發館系統中，存在理發師和顧客兩個實體。也存在顧客到達理發館的事件和理發師為顧客服務事件。因此描述該系客到達理發館的事件和理發師為顧客服務事件。因此描述該系統的狀態是理發師統的狀態是理發師( (服務臺服務臺) )的狀態的狀態( (忙或閑忙或閑) )、顧客排隊等待的、顧客排隊等待的隊長、理發師的服務方式隊長、理發師的服務方式( (如對某些特殊顧客的優先服務如對某些

24、特殊顧客的優先服務) )。顯。顯然，這些狀態變量的變化只能在離散的隨機時間點上發生。然，這些狀態變量的變化只能在離散的隨機時間點上發生。 類似的例子很多，如定票系統、庫存系統、加工制造系統、類似的例子很多，如定票系統、庫存系統、加工制造系統、交通控制系統、計算機系統等等。交通控制系統、計算機系統等等。1.2.4 1.2.4 系統仿真的基本過程系統仿真的基本過程u系統仿真的過程系統仿真的過程 系統仿真過程即建立模型并通過模型在計算機上的運行系統仿真過程即建立模型并通過模型在計算機上的運行對模型進行檢驗、修正和分析的過程。與軟件開發類似，可對模型進行檢驗、修正和分析的過程。與軟件開發類似，可以分為

25、若干階段以分為若干階段。n系統定義系統定義：求解問題前，先要提出明確的準則來描述系統目標及是求解問題前，先要提出明確的準則來描述系統目標及是否達到的衡量標準，其次必須描述系統的約束條件，再確定研究范圍，否達到的衡量標準，其次必須描述系統的約束條件，再確定研究范圍，即哪些實體屬于要研究的系統，哪些屬于系統的環境。即哪些實體屬于要研究的系統，哪些屬于系統的環境。n構造模型構造模型：抽象真實系統，并規范化，確定模型要素、變量、參數抽象真實系統，并規范化，確定模型要素、變量、參數及其關系，表達約束條件；要求以研究目標為出發點，模型性質盡量接及其關系，表達約束條件；要求以研究目標為出發點，模型性質盡量接

26、近原系統，盡可能簡化，易于理解、操作和控制近原系統，盡可能簡化，易于理解、操作和控制 n數據準備數據準備：收集數據，決定使用方式，數據完整性、有效性檢驗，收集數據，決定使用方式，數據完整性、有效性檢驗，用來確定模型參數用來確定模型參數 n模型轉換模型轉換：用計算機語言（高級語言或者專用仿真語言）描述數學模用計算機語言（高級語言或者專用仿真語言）描述數學模型。型。 n模型運行模型運行：獲取被研究系統的信息，預測系統運行情況，一般是動態獲取被研究系統的信息，預測系統運行情況，一般是動態過程，常反復運行以獲得足夠的實驗數據過程，常反復運行以獲得足夠的實驗數據。n分析并評論仿真結果分析并評論仿真結果：

27、仿真技術包括了某些主觀的方法，如抽象化、仿真技術包括了某些主觀的方法，如抽象化、直觀感覺和設想等，在提交仿真報告前，應全面分析和論證仿真結果。直觀感覺和設想等，在提交仿真報告前，應全面分析和論證仿真結果。 分析的基本目標分析的基本目標n確定仿真試驗中獲得的信息是否充分、有效確定仿真試驗中獲得的信息是否充分、有效n精簡和歸納仿真數據以輔助決策精簡和歸納仿真數據以輔助決策 1.2.5 1.2.5 系統仿真的應用系統仿真的應用n系統仿真技術是分析系統仿真技術是分析綜合各類系統的一種有力的工綜合各類系統的一種有力的工具和手段。它目前已廣泛地應用于幾乎所有的科學技具和手段。它目前已廣泛地應用于幾乎所有的

28、科學技術領域。術領域。n應用的領域主要包括：應用的領域主要包括：n系統設計：系統設計：計算機輔助設計與仿真計算機輔助設計與仿真n系統分析：系統分析：分析與優化分析與優化n教育與訓練：教育與訓練：載體操縱型、過程控制型、博載體操縱型、過程控制型、博弈決策型弈決策型n產品開發及制造：產品開發及制造：虛擬產品開發，虛擬制造，虛擬產品開發，虛擬制造，CIMSu適合計算機仿真的問題適合計算機仿真的問題n難以難以用數學公式表示的系統，或者用數學公式表示的系統，或者沒有沒有建立和求解數建立和求解數學模型的有效方法學模型的有效方法n雖然可以用解析的方法解決問題，但數學的雖然可以用解析的方法解決問題，但數學的分

29、析與計分析與計算過于復雜算過于復雜，這時計算機仿真可能提供簡單可行的求，這時計算機仿真可能提供簡單可行的求解方法解方法n希望能在希望能在較短的時間較短的時間內內觀察觀察到系統發展的全過程，以到系統發展的全過程，以估計某些參數對系統行為的影響估計某些參數對系統行為的影響n難以難以在實際環境中進行在實際環境中進行實驗和觀察實驗和觀察時，計算機仿真是時，計算機仿真是唯一可行的方法，例如太空飛行的研究唯一可行的方法，例如太空飛行的研究n需要對系統或過程進行長期運行比較，從大量方案中需要對系統或過程進行長期運行比較，從大量方案中尋找最優方案尋找最優方案u具體應用場合具體應用場合n 航空管理航空管理, ,

30、 公交車的調度公交車的調度, ,n 飛機設計飛機設計, , 動畫設計動畫設計, ,n 三峽的安全、生態三峽的安全、生態, , 道路的修建道路的修建, ,n 醫療保險醫療保險, , 國債的發行國債的發行, , n 家居裝修家居裝修, , 煉鋼的溫度估計煉鋼的溫度估計, ,n 發電廠的操作訓練發電廠的操作訓練, ,飛行員訓練，飛行員訓練，n 流行疾病的檢測和預報。流行疾病的檢測和預報。 三峽水庫總庫容三峽水庫總庫容393 393 億立方米，總裝機容量億立方米，總裝機容量18201820萬千瓦，萬千瓦，將是世界上最大的水電站。將是世界上最大的水電站。 但是三峽的安全問題是一個很重要的問題，我們不可能

31、但是三峽的安全問題是一個很重要的問題，我們不可能等到建好后再看它的安全性，用計算機仿真就可以很好的解等到建好后再看它的安全性，用計算機仿真就可以很好的解決這一問題。決這一問題。 長江三峽工程長江三峽工程 飛機設計中有一個重要環節：風洞試驗。實際的風洞試飛機設計中有一個重要環節：風洞試驗。實際的風洞試驗費用巨大。使用計算機仿真進行模擬風洞試驗，使費用大驗費用巨大。使用計算機仿真進行模擬風洞試驗，使費用大大降低。大降低。飛機設計飛機設計 各技術領域控制系統的分析各技術領域控制系統的分析設計以及系統測試設計以及系統測試改造都應用系統改造都應用系統仿真技術。仿真技術。n在工程系統方面在工程系統方面 設

32、計階段設計階段，系統仿真技術可幫助設計人員優選系統合理結構，優化，系統仿真技術可幫助設計人員優選系統合理結構，優化系統參數，以期獲得系統最優品質和性能；系統參數，以期獲得系統最優品質和性能； 調試階段調試階段，利用仿真技術分析系統響應與參數關系，指導調試工作，利用仿真技術分析系統響應與參數關系，指導調試工作，可以迅速完成調試任務；可以迅速完成調試任務； 已經運行的系統已經運行的系統，利用仿真技術可以在不影響生產的條件下分析系，利用仿真技術可以在不影響生產的條件下分析系統的工作狀態，預防事故發生，尋求改進薄弱環節，以提高系統的性統的工作狀態，預防事故發生，尋求改進薄弱環節，以提高系統的性能和運行

33、效率。能和運行效率。 對設計任務重對設計任務重工作量大的系統，可建立系統設計仿真器或系統輔工作量大的系統，可建立系統設計仿真器或系統輔助設計程序包，使設計人員節省大量的設計時間，提高工作效率。助設計程序包，使設計人員節省大量的設計時間，提高工作效率。n 系統分析系統分析綜合方面綜合方面 對企業管理對企業管理經濟分析市場預測經濟分析市場預測商品銷售等也都應用仿真技術。例商品銷售等也都應用仿真技術。例如，用仿真技術可以建立商品生產和公司經營與市場預測模型。如，用仿真技術可以建立商品生產和公司經營與市場預測模型。 從圖可見，根據市場信息，公司做出決策，工廠生產的產品投放市場，從圖可見，根據市場信息，

34、公司做出決策，工廠生產的產品投放市場，再對市場信息進行分析，如此組成經濟預測再對市場信息進行分析，如此組成經濟預測生產模型。其它如交通生產模型。其它如交通能能源源生態生態環境等方面的大系統分析都應用仿真技術。環境等方面的大系統分析都應用仿真技術。圖圖 經濟模型粗框圖經濟模型粗框圖n 在非工程系統方面在非工程系統方面n系統仿真器系統仿真器（system simulatorsystem simulator）是模仿真實系統的實驗研究裝置，）是模仿真實系統的實驗研究裝置，它包括計算機硬件它包括計算機硬件軟件以及模仿對象的某些類似實物所組成的一個軟件以及模仿對象的某些類似實物所組成的一個仿真系統。仿真系

35、統。 仿真器分為培訓仿真器和設計仿真器仿真器分為培訓仿真器和設計仿真器。n培訓仿真器培訓仿真器，一般由運動系統一般由運動系統顯示系統顯示系統儀表儀表操作系統以及計操作系統以及計算機硬件算機硬件軟件組成類似實物的模擬裝置。軟件組成類似實物的模擬裝置。例如，培訓飛機駕駛員航例如，培訓飛機駕駛員航線起落飛行仿真器就包括：座艙與其運動系統線起落飛行仿真器就包括：座艙與其運動系統視景系統視景系統音響系統音響系統計算機系統以及指揮臺等，此外還有電源計算機系統以及指揮臺等，此外還有電源液壓源，以保證實驗條液壓源，以保證實驗條件。推廣應用培訓仿真器，無論在培訓技術和經濟效益方面都會帶來件。推廣應用培訓仿真器，

36、無論在培訓技術和經濟效益方面都會帶來明顯效果。明顯效果。n設計仿真器設計仿真器，一般包括計算機硬件一般包括計算機硬件軟件和由研究系統的應用軟件軟件和由研究系統的應用軟件以及大量設計公式和參數等所構成的設計程序包。例如，軋鋼機多級以及大量設計公式和參數等所構成的設計程序包。例如，軋鋼機多級計算機控制系統的設計，從方案選擇到參數規定，甚至繪圖等工作都計算機控制系統的設計，從方案選擇到參數規定，甚至繪圖等工作都可以在設計仿真器上由計算機完成，提高效率。可以在設計仿真器上由計算機完成，提高效率。n 仿真器方面仿真器方面n 技術咨詢和預測方面技術咨詢和預測方面 根據系統的數學模型，利用仿真技術輸入相應數

37、據，經過運算后即根據系統的數學模型，利用仿真技術輸入相應數據，經過運算后即可輸出結果，這種技術目前用在很多方面。例如，可輸出結果，這種技術目前用在很多方面。例如，專家系統技術咨詢和預測預報方面。 專家系統專家系統是一種計算機軟件系統，事先將有關專家的知識是一種計算機軟件系統，事先將有關專家的知識經驗總經驗總結出來，形成規律后填入表格或框架，然后存入計算機，建立知識庫，結出來，形成規律后填入表格或框架，然后存入計算機，建立知識庫，設計管理軟件，根據輸入的原始數據，按照規定的專家知識推理設計管理軟件，根據輸入的原始數據，按照規定的專家知識推理判斷，判斷，給用戶提供咨詢。由于這種軟件是模擬專家思考給

38、用戶提供咨詢。由于這種軟件是模擬專家思考分析分析判斷的，實際判斷的，實際上起到專家的作用，所以被稱為專家系統。我國目前研究比較多的是上起到專家的作用，所以被稱為專家系統。我國目前研究比較多的是中醫診斷系統，它是將醫療經驗豐富，它是將醫療經驗豐富診脈醫術準確的醫生的一套知識和診脈醫術準確的醫生的一套知識和經驗加以規律化后編出程序，存入計算機，在臨床診斷時起到專家的作經驗加以規律化后編出程序，存入計算機，在臨床診斷時起到專家的作用。用。 預測技術預測技術在很多領域應用，例如，利用在很多領域應用，例如，利用地震監測模型模擬根據監測數模擬根據監測數據預報地震情報；據預報地震情報；森林火警模型根據當地氣

39、溫根據當地氣溫風向風向濕度等條件預報濕度等條件預報火警；火警；人口模型預測今后人口結構。預測今后人口結構。 用系統仿真技術對反應周期長，而且難以觀察用系統仿真技術對反應周期長，而且難以觀察實驗實驗或消耗巨額資金的自然環境或消耗巨額資金的自然環境生態系統生態系統人口結構人口結構生理生理育種育種導彈導彈軍事軍事國防等系統，可以在短期容易實現國防等系統，可以在短期容易實現的模型上進行分析的模型上進行分析實驗后預報結果。這是仿真技術所具實驗后預報結果。這是仿真技術所具有的獨特功能，所以在這方面的應用逐漸擴大，極有發展有的獨特功能，所以在這方面的應用逐漸擴大，極有發展前途。此外，對于有些在實際物理世界不

40、可能存在或難以前途。此外，對于有些在實際物理世界不可能存在或難以實現的，但有必要研究的系統，仿真技術也扮演著極其重實現的，但有必要研究的系統，仿真技術也扮演著極其重要的角色。要的角色。1.3.1 基本概念基本概念n實體實體：活動的，系統的工作過程實質上就是這種活動的，系統的工作過程實質上就是這種“實實體體”流動和接受加工、處理和服務的過程。流動和接受加工、處理和服務的過程。例如，生產自動線上待加工的零件，計算機系統待處理例如，生產自動線上待加工的零件，計算機系統待處理的信息，以及商店或醫院中排隊等待的顧客等等的信息，以及商店或醫院中排隊等待的顧客等等n設備設備：固定的，此處固定的，此處“設備設

41、備”的含義是廣泛的，這些的含義是廣泛的，這些設備用于對實體進行加工、處理或服務，它們相當于連設備用于對實體進行加工、處理或服務，它們相當于連續系統中的各類對信息進行交換處理的元件。續系統中的各類對信息進行交換處理的元件。例如，機床、電話交換系統、營業員或者醫生等。例如，機床、電話交換系統、營業員或者醫生等。注：注：實體按一定規律不斷地到達(產生)，在設備作用下通過系統，接受服務，最后離開系統。1.3 離散事件系統仿真技術離散事件系統仿真技術n事件事件： 是是引起引起系統狀態發生系統狀態發生變化變化的行為。的行為。例如，可以定義例如，可以定義“顧客到達顧客到達”為一類事件，而這個事件為一類事件，

42、而這個事件引起系統的狀態理發師的狀態從引起系統的狀態理發師的狀態從“閑閑”變成變成“忙忙”，或者引起系統的另外一個狀態顧客的排隊人數發生變或者引起系統的另外一個狀態顧客的排隊人數發生變化。同樣，一個顧客接受服務完畢后離開系統也可以定化。同樣，一個顧客接受服務完畢后離開系統也可以定義為一類事件。義為一類事件。n活動活動：離散事件系統中的：離散事件系統中的活動，通常用于，通常用于表示表示兩個可以兩個可以區分的區分的事件之間的過程事件之間的過程，它標志著系統狀態的，它標志著系統狀態的轉移。轉移。例，顧客的到達事件與該顧客開始接受服務事件之間可例，顧客的到達事件與該顧客開始接受服務事件之間可稱為一個活

43、動，該活動使系統的狀態稱為一個活動，該活動使系統的狀態( (隊長隊長) )發生變化，發生變化，顧客開始接受服務到該顧客服務完畢后離開也可以視為顧客開始接受服務到該顧客服務完畢后離開也可以視為一個活動，它使隊長減一個活動，它使隊長減1 1。n 基本概念基本概念n進程進程：進程由若干個有序事件及若干有序活動組成，一進程由若干個有序事件及若干有序活動組成，一個進程描述了它所包括的事件及活動間的相互邏輯關系個進程描述了它所包括的事件及活動間的相互邏輯關系及時序關系。例，一個顧客到達系統、經過排隊、接受及時序關系。例，一個顧客到達系統、經過排隊、接受服務、到服務完畢后離去可以稱為一個進程。服務、到服務完

44、畢后離去可以稱為一個進程。 事件事件活動活動進程三者之間的關系可用下圖來描述。進程三者之間的關系可用下圖來描述。n 基本概念基本概念n仿真鐘仿真鐘 用于表示仿真時間的變化。在離散事件仿真中，由于用于表示仿真時間的變化。在離散事件仿真中，由于事件發生的時間是隨機的。而且，兩個相鄰發生的事件之事件發生的時間是隨機的。而且，兩個相鄰發生的事件之間系統狀態不會發生任何變化，而仿真鐘可以跨過這些間系統狀態不會發生任何變化，而仿真鐘可以跨過這些“不活動不活動”周期，從一個事件發生時刻推進到下一事件發周期，從一個事件發生時刻推進到下一事件發生時刻。生時刻。n統計計數器統計計數器 離散事件系統的狀態隨事件的不

45、斷發生也呈現出動態離散事件系統的狀態隨事件的不斷發生也呈現出動態變化過程，但仿真的目的是要得到單個狀態是如何變化的。變化過程，但仿真的目的是要得到單個狀態是如何變化的。例，由于顧客到達具有隨機性，理發師為每個顧客服務的時間長度也例，由于顧客到達具有隨機性，理發師為每個顧客服務的時間長度也是隨機的，因而在某一時刻，顧客排隊的隊長或理發師的忙閑情況完是隨機的，因而在某一時刻，顧客排隊的隊長或理發師的忙閑情況完全是不確定的。在分析該系統時，需要是系統的平均隊長、顧客的平全是不確定的。在分析該系統時，需要是系統的平均隊長、顧客的平均等待時間或者是理發師的利用率等。均等待時間或者是理發師的利用率等。n

46、基本概念基本概念 描述這類系統的數學模型可以分為以下三個部分描述這類系統的數學模型可以分為以下三個部分n到達模型到達模型：在離散事件系統中，用概率函數來定義，稱為在離散事件系統中，用概率函數來定義，稱為到達分布函數。一般到達時間服從泊松分布模式。例如電到達分布函數。一般到達時間服從泊松分布模式。例如電話交換系統中的呼叫次數、計算機信息處理系統中信息的話交換系統中的呼叫次數、計算機信息處理系統中信息的到達、商店和醫院等服務機構中人的到達次數等等。到達、商店和醫院等服務機構中人的到達次數等等。n服務模型服務模型：它是用來描述設備為實體服務的時間模型。一：它是用來描述設備為實體服務的時間模型。一般服

47、務時間服從負指數分布。般服務時間服從負指數分布。n排隊模型排隊模型：它是用來描述在服務過程中當出現排隊現象時，：它是用來描述在服務過程中當出現排隊現象時，系統對排隊的處理規則。一般有如下規則：先到先服務，系統對排隊的處理規則。一般有如下規則：先到先服務， 后到先服務，后到先服務， 隨機服務，優先服務。隨機服務，優先服務。1.3.2 模型模型 離散事件系統中諸多實體之間相互聯系，相互影響，并發離散事件系統中諸多實體之間相互聯系，相互影響，并發生在同一時間基上。建立起各類實體之間的邏輯關系，這生在同一時間基上。建立起各類實體之間的邏輯關系，這是離散事件系統仿真的重要內容之一。是離散事件系統仿真的重

48、要內容之一。 下面介紹目前比較成熟的三種仿真方法：下面介紹目前比較成熟的三種仿真方法：n事件調度法事件調度法 離散事件系統中最基本的概念是事件，事件的發生引離散事件系統中最基本的概念是事件，事件的發生引起系統狀態的變化。起系統狀態的變化。 用事件的觀點來分析真實系統，通過定義事件及每個用事件的觀點來分析真實系統，通過定義事件及每個事件發生對系統狀態的變化按時間順序確定，并執行事件發生對系統狀態的變化按時間順序確定，并執行每個每個事件發生時有關的邏輯關系，這就是事件調度法的事件發生時有關的邏輯關系，這就是事件調度法的基本思基本思想想。1.3.3 仿真方法仿真方法n活動掃描法活動掃描法 如果事件的

49、發生不僅與時間有關，而且與其它條件也有如果事件的發生不僅與時間有關，而且與其它條件也有關，即只有滿足某些條件時事件才會發生，在這種情況下，關，即只有滿足某些條件時事件才會發生，在這種情況下，可以采用活動掃描法?？梢圆捎没顒訏呙璺?。n 活動掃描法的基本思想是：系統由成分組成，而成分包是：系統由成分組成，而成分包含著活動，這些活動的發生必須滿足某些條件；每一個主含著活動，這些活動的發生必須滿足某些條件；每一個主動成分有一個相應的活動子例程；在仿真過程中，活動的動成分有一個相應的活動子例程；在仿真過程中，活動的發生時間也作為條件之一，而且是較之其它條件具有更高發生時間也作為條件之一，而且是較之其它條

50、件具有更高的優先權。的優先權。n進程交互法進程交互法 進程交互法采用進程描述系統，它將模型中的主動成分進程交互法采用進程描述系統，它將模型中的主動成分歷經系統時所發生的事件及活動按時間順序進行組合，從歷經系統時所發生的事件及活動按時間順序進行組合，從而形成進程表。一個成分一旦進入進程，它將完成全部活而形成進程表。一個成分一旦進入進程，它將完成全部活動。動。n 仿真方法仿真方法 以上討論的三種仿真方法在離散事件系統仿真中均得以上討論的三種仿真方法在離散事件系統仿真中均得到廣泛的應用。有些仿真語言采用某一種方法，有的則允到廣泛的應用。有些仿真語言采用某一種方法，有的則允許用戶在同一個仿真語言中用多

51、種方法，以適應不同用戶許用戶在同一個仿真語言中用多種方法，以適應不同用戶的需要。的需要。 顯然，選擇何種方法依賴于被研究的系統的特點。一顯然，選擇何種方法依賴于被研究的系統的特點。一般說來，如果系統中的各個成分相關性較少，宜采用事件般說來，如果系統中的各個成分相關性較少，宜采用事件調度法；相反宜采用活動掃描法；如果系統成分的活動比調度法；相反宜采用活動掃描法；如果系統成分的活動比較規則，則宜采用進程交互法。較規則，則宜采用進程交互法。 下圖是以出納員隊列模型為例列出這三種方法的流程下圖是以出納員隊列模型為例列出這三種方法的流程圖，由圖可清楚地看到它們之間的關系。圖，由圖可清楚地看到它們之間的關

52、系。 下圖圖 出納員隊列模型出納員隊列模型 （a）到達事件流程圖）到達事件流程圖（b）離開事件流程圖）離開事件流程圖1.3.31.3.3圖圖 出納員服務活動流程圖出納員服務活動流程圖 圖圖1.3.4 1.3.4 出納員服務進程流程圖出納員服務進程流程圖 1.4 物流仿真及相關軟件簡介物流仿真及相關軟件簡介n隨著中國經濟市場化進程的進一步加快，物流業也迅速地隨著中國經濟市場化進程的進一步加快，物流業也迅速地成長，全國各地的物流工程建設也在逐步展開但是成長，全國各地的物流工程建設也在逐步展開但是隨之隨之產生一系列物流工程項目投資建設的合理性分析決策問產生一系列物流工程項目投資建設的合理性分析決策問

53、題題更進一步細化來說，物流配送中心的地理位置選擇是更進一步細化來說，物流配送中心的地理位置選擇是否恰當，物流配送中心的建設容量設計是否適當，物流裝否恰當，物流配送中心的建設容量設計是否適當，物流裝備的配置或者場地規劃是否合理，以及物流配送車輛分配備的配置或者場地規劃是否合理，以及物流配送車輛分配和線路優化等等，如果只是憑老經驗或者憑感覺來判斷，和線路優化等等，如果只是憑老經驗或者憑感覺來判斷，顯然會有這方面那方面的疏忽，而且一個物流工程項目，顯然會有這方面那方面的疏忽，而且一個物流工程項目，少則投資十幾萬，多則幾百萬、幾千萬，稍有失誤，后果少則投資十幾萬，多則幾百萬、幾千萬，稍有失誤，后果不堪

54、設想避免上述情況，較為有效的辦法就是采用物流不堪設想避免上述情況，較為有效的辦法就是采用物流仿真技術仿真技術1.4.1 概念概念n物流仿真技術物流仿真技術是借助計算機技術、網絡技術和數學手段，采是借助計算機技術、網絡技術和數學手段，采用虛擬現實方法，對物流系統進行實際模仿的一項應用技術，用虛擬現實方法，對物流系統進行實際模仿的一項應用技術，它需要借助計算機仿真技術對現實物流系統進行系統建模與它需要借助計算機仿真技術對現實物流系統進行系統建模與求解算法分析，通過仿真實驗得到各種動態活動及其過程的求解算法分析，通過仿真實驗得到各種動態活動及其過程的瞬間仿效記錄，進而研究物流系統的性能和輸出效果瞬間

55、仿效記錄，進而研究物流系統的性能和輸出效果n物流仿真物流仿真是指評估對象系統是指評估對象系統(配送中心、倉庫存儲系統、揀貨配送中心、倉庫存儲系統、揀貨系統、運輸系統等系統、運輸系統等)的整體能力的一種評價方法。的整體能力的一種評價方法。n 例子例子n美國美國UPS(United Parcel Service，聯邦包裹快遞，聯邦包裹快遞)公司想公司想在滿足客戶服務質量的前提下，在龐大的人員車輛配置和成在滿足客戶服務質量的前提下，在龐大的人員車輛配置和成本之間取得最佳平衡的時候，它求助的方法是物流仿真技術；本之間取得最佳平衡的時候，它求助的方法是物流仿真技術；n寶潔寶潔(P&G)總部提出要

56、設計一個覆蓋北美的高效的供應鏈網總部提出要設計一個覆蓋北美的高效的供應鏈網絡，該網絡不但要滿足客戶的日常訂單處理和配送要求，還絡，該網絡不但要滿足客戶的日常訂單處理和配送要求，還要具有極強的抗波動性，寶潔公司采用的解決辦法也是物流要具有極強的抗波動性，寶潔公司采用的解決辦法也是物流仿真技術物流仿真技術在復雜物流系統的分析和決策中的仿真技術物流仿真技術在復雜物流系統的分析和決策中的巨大價值在歐美已成為不爭的事實，每年創造著數以千億美巨大價值在歐美已成為不爭的事實，每年創造著數以千億美元的經濟效益元的經濟效益1.4.2 我國物流仿真技術現狀我國物流仿真技術現狀n在我國，物流仿真技術還是個比較新的概

57、念，大多數企業對在我國，物流仿真技術還是個比較新的概念，大多數企業對物流仿真技術的應用狀況及其意義了解并不多物流仿真技物流仿真技術的應用狀況及其意義了解并不多物流仿真技術最大的優點就是不需要實際設備的安裝，不需要實際實施術最大的優點就是不需要實際設備的安裝，不需要實際實施相應的方案，即可驗證如下目標：增加新設備后給公司或相應的方案，即可驗證如下目標：增加新設備后給公司或企業帶來的效應；設計新的生產線的好壞；比較各種設企業帶來的效應；設計新的生產線的好壞；比較各種設計方案的優劣等等物流仿真對降低整個物流投資成本，是計方案的優劣等等物流仿真對降低整個物流投資成本，是不可或缺的。不可或缺的。1.4.

58、3 物流仿真軟件簡介物流仿真軟件簡介nArenan美國美國System Modeling公司開發的可視化的通用交互集成的仿真軟件，公司開發的可視化的通用交互集成的仿真軟件，很好地解決了計算機仿真與可視化的有機集成，具備高級仿真器的易用性很好地解決了計算機仿真與可視化的有機集成，具備高級仿真器的易用性和專用仿真語言的柔性它是一種集成的仿真軟件，在物流中的主要運用和專用仿真語言的柔性它是一種集成的仿真軟件，在物流中的主要運用有：在生產過程中，進行設備布置；在生產管理中，進行生產計劃、有：在生產過程中，進行設備布置；在生產管理中，進行生產計劃、庫存管理、生產控制和產品市場的預測和分析等；在生產價值分

59、析方面，庫存管理、生產控制和產品市場的預測和分析等；在生產價值分析方面，可進行生產系統經濟性、風險性分析，從而改進生產、降低成本或輔助企可進行生產系統經濟性、風險性分析，從而改進生產、降低成本或輔助企業投資決策；可實現企業流程再造可視化仿真優化，實現敏捷供應鏈管業投資決策；可實現企業流程再造可視化仿真優化，實現敏捷供應鏈管理的可視化仿真決策等理的可視化仿真決策等nAutomodn美圉美圉Brook Automation公司開發的產品，它是目前市面上比較成熟的公司開發的產品，它是目前市面上比較成熟的三維離散性事件仿真軟件之一。三維離散性事件仿真軟件之一。Automod建立搬運機器設備等囹對象物建立搬運機器設備等囹對象物體對各個作業流程都要建立過程語言，通過編程序才能做出作業流程。體對各個作業流程都要建立過程語言，通過編程序才能做出作業流程。建模操作十分復雜：由于對全部機器設備等對象物都需要程序命令語言，建模操作十分復雜