2022年生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真

1、 生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真仿真的知識體系輸入分析輸出分析模型的檢驗與驗證隨機數(shù)的產(chǎn)生隨機變量的產(chǎn)生統(tǒng)計模型排隊模型仿真實例基本原理仿真軟件仿真數(shù)據(jù)分析隨機數(shù)數(shù)學與統(tǒng)計模型入門基本 應用參考書班克斯等著,范文慧,肖田元譯,離散事件系統(tǒng)仿真(原書第4版),機械工業(yè)出版社,2007.7. ￥52Jerry Banks, John Carson, Barry Nelson, David Nicol, “Discrete-Event System Simulation” 4th Edition, Prentice-Hall,2005.蔡建峰,管理系統(tǒng)模擬,機械工業(yè)出版社,2007.1. ￥20王維平,離散事件

2、系統(tǒng)建模與仿真（第二版）,科學出版社,2007.8. ￥36CH1 概論生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真第一章概論什么是仿真？ 引言仿真能干什么？仿真的應用仿真的對象是什么？系統(tǒng)、模型與仿真仿真有前途嗎？仿真的發(fā)展歷史與趨勢如何仿真？仿真研究的步驟什么是仿真？一、引言發(fā)動機CASE例1：只有一個理發(fā)師的理發(fā)店的工作過程理發(fā)師空閑？顧客到達排隊等候接受服務顧客離開YCASE例1：只有一個理發(fā)師的理發(fā)店的工作過程假設：每位顧客到達間隔時間為A1，A2，A3，每個顧客的服務時間為S1，S2，S3， 目標：顧客平均排隊長度？顧客平均等待時間？CASE例1：只有一個理發(fā)師的理發(fā)店的工作過程Q3211234567A1A

3、2A3 S1S2S3A4 8A5 A6 A7 S4S512第二個顧客的等待時間第三個顧客的等待時間理發(fā)師空閑TA1， A2， A3是顧客到達時間間隔S1， S2， S3是顧客服務時間CASE例1：只有一個理發(fā)師的理發(fā)店的工作過程Q3211234567A1A2A3 S1S2S3A4 8A5 A6 A7 S4S512第二個顧客的等待時間第三個顧客的等待時間理發(fā)師空閑T平均等待時間=顧客等待時間之和顧客數(shù)平均排隊長度=上方陰影面積之和時間CASE例1：只有一個理發(fā)師的理發(fā)店的工作過程Q3211234567A1A2A3 S1S2S3A4 8A5 A6 A7 S4S512T服務臺空閑？顧客到達排隊等候接

4、受服務顧客離開Y平均等待時間=顧客等待時間之和顧客數(shù)平均排隊長度=上方陰影面積之和時間模型求解數(shù)據(jù)分析CASE仿真能干什么？二、仿真的應用仿真的應用1. 軍事領域2. 工業(yè)領域3. 教育培訓4. 其他領域軍事領域武器裝備研制軍事訓練SIMNET先進概念與軍事需求分析工業(yè)領域波音777計算機上完成：整機設計部件測試整機裝配各種環(huán)境下的試飛開發(fā)周期過去的8年縮短到5年工業(yè)領域設計與實施生產(chǎn)線Perot System Team利用QUEST及IGRIP在所有設備訂貸之前，對生產(chǎn)線的運動學、動力學、加工能力等各方面進行了分析與比較生產(chǎn)線的實施周期從24個月縮短到9.5個月Quest 仿真實例工業(yè)領域新

5、車研制Chrysler公司與IBM合作開發(fā)的虛擬制造環(huán)境在樣車生產(chǎn)之前，發(fā)現(xiàn)其定位系統(tǒng)的控制及其他許多設計缺陷，縮短了研制周期。工業(yè)領域產(chǎn)品設計教育培訓載體操縱類訓練駕駛員的操縱技術教育培訓過程控制類訓練各種工廠(如電廠、化工廠、核電站、電力網(wǎng)等)的運行操作博弈決策類企業(yè)管理人員(廠長、經(jīng)理)交通管制人員(火車調(diào)度、航空管制、港口管制、城市交通指揮等)軍事指揮人員(空戰(zhàn)、海戰(zhàn)、電子戰(zhàn)等)其他領域醫(yī)學：中國虛擬人中國虛擬人2號-首例女性中國虛擬人1號其他領域游戲模擬飛行器仿真的對象是什么？三、系統(tǒng)、模型與仿真三、系統(tǒng)、模型與仿真系統(tǒng)是按某種規(guī)律結合起來，相互作用、相互依存的所有實體的集合，是研究

6、的對象模型是系統(tǒng)的抽象仿真通過對模型的實驗以達到研究系統(tǒng)的目的計算機仿真三要素及三個基本活動系統(tǒng)模型計算機仿真建模實驗系統(tǒng)建模1、系統(tǒng)例1：杭州市公共交通系統(tǒng)要素：道路公交車線路公交站乘客1、系統(tǒng)例2：一個簡單的生產(chǎn)線要素：三臺機器三個傳送帶零件存儲箱1、系統(tǒng)例3：一個小超市要素：貨架商品籃子顧客收銀臺1、系統(tǒng)系統(tǒng)的內(nèi)涵所有元素的集合相互作用、相互依存按某種規(guī)律結合起來與研究目的相關的、有界的1、系統(tǒng)系統(tǒng)三要素元素元素組成系統(tǒng)的具體對象屬性實體所具有的每一項有效特性活動指隨著時間的椎移，在系統(tǒng)內(nèi)部由于各種原因而發(fā)生的變化過程2、系統(tǒng)模型對實際系統(tǒng)進行簡化和抽象、能夠揭示系統(tǒng)元素之間關系和系統(tǒng)特

7、征的相關元素實體原型系統(tǒng)結論模型映射實現(xiàn)認識實驗2、系統(tǒng)模型2、系統(tǒng)模型例1：杭州市公共交通系統(tǒng)2、系統(tǒng)模型例2：一個簡單的生產(chǎn)線2、系統(tǒng)模型例3：一個小超市有三個通道和一個收銀臺，顧客以7510秒的均勻分布概率到達商場。顧客到達后先取籃子，然后進入一個或者多個通道購物。進入任一通道1、2、3的概率，所需時間和選購商品數(shù)量情況如表所示選好商品后，顧客以先進先出的順序到收銀臺，在收銀臺顧客會附加購買21件商品。顧客在收銀臺停留的時間取決于購買的商品數(shù)量，收銀時間為每件商品3秒鐘。收銀完畢后顧客留下籃子并離開商場。通道通過的概率所需時間選購商品數(shù)量10.75120603120.5515030413

8、0.8212045513、系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真將系統(tǒng)的行為（狀態(tài)）歷程用數(shù)學或者圖示的方法演示出來。系統(tǒng)仿真的本質(zhì)對系統(tǒng)模型的實驗研究一個系統(tǒng)3、系統(tǒng)仿真仿真（模擬） Simulation意指在實際系統(tǒng)尚不存在的情況下，對于系統(tǒng)或活動本質(zhì)的復現(xiàn)。G.W.Morgenthler, 1961系統(tǒng)仿真是通過對系統(tǒng)模型的實驗，研究一個存在的或者設計中的系統(tǒng)。簡言之，系統(tǒng)仿真是對系統(tǒng)動態(tài)模型的實驗。目前流行于工程技術界的定義計算機仿真三要素及三個基本活動系統(tǒng)模型計算機仿真建模實驗系統(tǒng)建模4、系統(tǒng)與模型的類型SystemExperiment with actual systemExperiment with

9、a model of actual systemPhysical modelMathematical modelAnalytical solutionSimulation4、系統(tǒng)與模型的類型仿真模型的分類Deterministic or StochasticDoes the model contain stochastic components?Randomness is easy to add to a DESStatic or DynamicIs time a significant variable?Continuous or DiscreteDoes the system state

10、evolve continuously or only at discrete points in time?Continuous: classical mechanicsDiscrete: queuing, inventory, machine shop models連續(xù)系統(tǒng)A continues system is one in which the state variables change continuously over timeHead of water behind the dam離散系統(tǒng)A discrete system is one in which the state v

11、ariables change only at a discrete set of points in timeBank example離散系統(tǒng)模型Discrete-Event Simulation ModelStochastic: some state variables are randomDynamic: time evolution is importantDiscrete-Event: significant changes occur at discrete time instances四、仿真的發(fā)展歷史與趨勢仿真有前途嗎？四、仿真的發(fā)展歷史與趨勢發(fā)展歷史16001940s物理科學

12、基礎上的建模1940s電子計算機的出現(xiàn)1950s仿真應用于航空領域1960s工業(yè)操作過程仿真1970s包括經(jīng)濟、社會和環(huán)境因素的大系統(tǒng)仿真四、仿真的發(fā)展歷史與趨勢發(fā)展歷史1970s中期系統(tǒng)與仿真的結合，如用于隨機網(wǎng)絡建模的SLAM仿真系統(tǒng)1970s中期系統(tǒng)仿真與更高級的決策結合，如DDS1980s中期集成化建模與仿真環(huán)境，如Prisker公司的TESS建模仿真系統(tǒng)1990s可視化建模與仿真，虛擬現(xiàn)實仿真、分布交互仿真四、仿真的發(fā)展歷史與趨勢面向?qū)ο蠓抡娑ㄐ苑抡嬷悄芊抡娣植冀换シ抡婵梢暬抡娑嗝襟w仿真虛擬現(xiàn)實仿真Internet網(wǎng)上仿真發(fā)展趨勢面向?qū)ο蠓抡鍻OS使用面向?qū)ο笤O計和程序設計工具進行

13、建模和執(zhí)行的系統(tǒng)。SimulaSmalltalk定性仿真(Qualitative Simulation)以非數(shù)字手段處理信息輸入、建模、行為分析和結果輸出等仿真環(huán)節(jié)，通過定性模型推導系統(tǒng)的定性行為描述。定性仿真能處理多種形式的信息，有推理能力和學習能力，能初步模仿人類思維方式，人機界面更符合人的思維習慣，所得結果更容易理解。智能仿真將智能技術引入整個建模與仿真過程人工智能技術仿真技術專家系統(tǒng)知識工程模式識別神經(jīng)網(wǎng)絡仿真模型仿真算法仿真語言仿真軟件分布交互仿真通過計算機網(wǎng)絡將分散在各地的仿真設備互聯(lián)，構成時間和空間相互耦合的虛擬仿真環(huán)境分布交互仿真1983年美國國防部的國防高級研究計劃局（DARPA）啟動了SIMNET（Simulator Networking）計劃可視化仿真為數(shù)值仿真過程及其結果增加文本提升、圖形、圖像、動畫等。動畫仿真Quest 仿真實例樂龍仿真實例多媒體仿真使人的感官和思維進入仿真回路采用不同媒體形態(tài)描述不同性質(zhì)的模型信息建立反映系統(tǒng)內(nèi)在運動規(guī)律和外在表現(xiàn)形式的多媒體仿真模型在多媒體計算機上運行產(chǎn)生定性、定量相結合的系統(tǒng)動態(tài)演變過程虛擬現(xiàn)實仿真采用計算機技術和其他專用軟硬件生成一個使人在視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等感官上都有逼真感的模擬系統(tǒng)