08專(zhuān)題04系統(tǒng)仿真技術(shù)209

1、管理信息系統(tǒng)專(zhuān)題 4：系統(tǒng)仿真技術(shù) （2）系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)排隊(duì)系統(tǒng)的特征擬到達(dá)總體潛在顧客的總體稱(chēng)為擬到達(dá)總體，也稱(chēng)為顧客源?？梢允怯邢薜?，也可能是無(wú)限或近似無(wú)限的。在擁有大量潛在顧客的系統(tǒng)中，通常假設(shè)擬到達(dá)總體是無(wú)限的。排隊(duì)系統(tǒng)的特征系統(tǒng)容量指系統(tǒng)隊(duì)列可以容納的最大顧客數(shù)量，可以是有限的，也可能是無(wú)限或近似無(wú)限的。對(duì)于一個(gè)加油站，可能系統(tǒng)只能容納10輛車(chē)，當(dāng)車(chē)輛到達(dá)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)已飽和時(shí)，不會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)。對(duì)一個(gè)不限制排隊(duì)人數(shù)的音樂(lè)會(huì)門(mén)票銷(xiāo)售系統(tǒng)，可以認(rèn)為系統(tǒng)容量是無(wú)限的。排隊(duì)系統(tǒng)的特征顧客到達(dá)過(guò)程一般用到達(dá)時(shí)間間隔來(lái)表征，可分為確定性到達(dá)及隨機(jī)性到達(dá)。顧客可能獨(dú)自到達(dá)，也可能成批到達(dá)，每批到

2、達(dá)的數(shù)目可能固定，也可能隨機(jī)。泊松到達(dá)過(guò)程平穩(wěn)泊松到達(dá)過(guò)程顧客到達(dá)速率（單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)的顧客數(shù)，如10個(gè)/分鐘）是恒定的，顧客到達(dá)時(shí)間間隔服從均值為1/（如0.1分鐘）的指數(shù)分布。在長(zhǎng)度為t的時(shí)間段中到達(dá)的顧客數(shù)目N（t）服從均值為t的泊松分布。非平穩(wěn)泊松到達(dá)過(guò)程顧客到達(dá)速率隨時(shí)間的不同而不同，即顧客到達(dá)時(shí)間間隔的均值誰(shuí)時(shí)間波動(dòng)。排隊(duì)系統(tǒng)的特征服務(wù)時(shí)間與服務(wù)機(jī)制服務(wù)時(shí)間指服務(wù)臺(tái)為顧客服務(wù)的時(shí)間，可以是確定的，也可能是隨機(jī)的。服務(wù)機(jī)制指服務(wù)臺(tái)的數(shù)量及其連接形式（串聯(lián)還是并聯(lián)），顧客是單個(gè)還是成批接受服務(wù)。排隊(duì)系統(tǒng)的特征排隊(duì)行為與排隊(duì)規(guī)則排隊(duì)行為拒絕進(jìn)入：顧客到達(dá)系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)隊(duì)列過(guò)長(zhǎng)立即離開(kāi)（不進(jìn)入

3、隊(duì)列）。中途離隊(duì)：顧客排隊(duì)一段時(shí)間后未接受服務(wù)中途離開(kāi)系統(tǒng)。換隊(duì)：顧客排隊(duì)一段時(shí)間后換隊(duì)（換到較短的隊(duì)列）。排隊(duì)規(guī)則FIFO：先到先服務(wù)。LIFO：后到先服務(wù)。按優(yōu)先級(jí)別服務(wù)：根據(jù)隊(duì)列中實(shí)體的重要程度選擇最優(yōu)先服務(wù)者。排隊(duì)系統(tǒng)的符號(hào)表示A/B/C/D/E/FA顧客相繼到達(dá)間隔時(shí)間分布M：指數(shù)分布，D：常數(shù)，Ek：k階愛(ài)爾朗分布，G：一般相互獨(dú)立的隨機(jī)分布B服務(wù)時(shí)間分布M：指數(shù)分布，D：常數(shù)，Ek：k階愛(ài)爾朗分布，G：一般相互獨(dú)立的隨機(jī)分布C服務(wù)臺(tái)個(gè)數(shù)“1”則表示單個(gè)服務(wù)臺(tái)，“s”(s1)表示多個(gè)服務(wù)臺(tái)。D系統(tǒng)容量表示系統(tǒng)容量無(wú)限，此時(shí)一般也可省略不寫(xiě)。E顧客源數(shù)目表示顧客源無(wú)限，此時(shí)一般也可省

4、略不寫(xiě)F服務(wù)規(guī)則FCFS：先到先服務(wù)，LCFS：后到先服務(wù)，PR：優(yōu)先權(quán)服務(wù)舉例：M/M/1，M/G/s/ /FCFS離散事件系統(tǒng)仿真模型組成實(shí)體及其屬性 屬性是對(duì)實(shí)體特性的描述。如產(chǎn)品實(shí)體可以具有屬性：類(lèi)型、重量等?？梢愿鶕?jù)具體情況決定需要哪些屬性，并為其命名、賦值、及時(shí)變更、以及適時(shí)使用（貫穿建模全過(guò)程）。 實(shí)體是被加工、處理或服務(wù)的對(duì)象，它們?cè)谙到y(tǒng)中移動(dòng)、改變形態(tài)、影響其它實(shí)體及系統(tǒng)狀態(tài)，并影響著系統(tǒng)性能。在 ExtendSim中，實(shí)體被稱(chēng)為Item 離散事件系統(tǒng)仿真模型組成資源在 ExtendSim 中，有時(shí)我們可以用 Activity 模塊隱性表示資源，此時(shí)資源和活動(dòng)合為一體，此外，

5、還可以用 Resource Pool、Resource Item 等模塊顯性建模資源。 資源是對(duì)實(shí)體進(jìn)行加工處理時(shí)需要的任何事物，如人員、設(shè)備或有限存儲(chǔ)區(qū)域中的空間。當(dāng)有可用資源時(shí)，實(shí)體會(huì)占用該項(xiàng)資源（可能同時(shí)占用多個(gè)），并在完成服務(wù)后將其釋放。最好想象成把資源分配給實(shí)體，而不要想象成把實(shí)體分派到資源上，因?yàn)橛袝r(shí)一個(gè)實(shí)體（例如零件）同時(shí)需要多個(gè)資源（如人員和機(jī)器）為其服務(wù)。 離散事件系統(tǒng)仿真模型組成隊(duì)列在 ExtendSim 中，提供隊(duì)列模塊 ，而且可以定義一定的容量來(lái)表示有限的存放空間等。 當(dāng)實(shí)體需要資源提供服務(wù)，而該資源已被占用時(shí)，它需要在隊(duì)列（Queue）中等候。離散事件系統(tǒng)仿真模型組成

6、活動(dòng)從仿真的角度看，我們并不在意活動(dòng)的具體內(nèi)容和具體的操作方式，而是關(guān)心活動(dòng)的延時(shí)，以及活動(dòng)需要哪些資源這些共性的東西，然后就可以利用延時(shí)模塊（如 ExtendSim 中的 Activity 模塊）對(duì)活動(dòng)進(jìn)行建模。活動(dòng)是對(duì)實(shí)體執(zhí)行的某種操作，它要消耗一定的時(shí)間，多數(shù)情況下，完成一項(xiàng)活動(dòng)還需要資源的參與。離散事件系統(tǒng)仿真模型組成控制在 ExtendSim 中，控制構(gòu)造主要通過(guò)各種 Get、Set、Select、Equation 等模塊完成，必要時(shí)，還需要編寫(xiě)一定的程序來(lái)完成復(fù)雜的控制邏輯。控制是指仿真模型運(yùn)行要遵循各項(xiàng)邏輯規(guī)則或者控制規(guī)則，如實(shí)體應(yīng)該沿哪條路徑移動(dòng)，隊(duì)列規(guī)則是什么，工作計(jì)劃是什么

7、等等。離散事件系統(tǒng)仿真模型組成全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)ExtendSim 沒(méi)有可視化的全局變量模塊，但是可以使用 ExtendSim 提供的全局?jǐn)?shù)組模塊（Data Source Create）存放全局?jǐn)?shù)據(jù)，并用 Read 和 Write 模塊來(lái)讀寫(xiě)它。有時(shí)，模型需要存取一些全局?jǐn)?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以被模型中所有模塊在不同的位置同時(shí)訪問(wèn)（讀取或?qū)懭耄?，這時(shí)必須有一種存儲(chǔ)全局?jǐn)?shù)據(jù)的機(jī)制。離散事件系統(tǒng)仿真模型組成系統(tǒng)變量仿真涉及三種變量：輸入變量響應(yīng)變量狀態(tài)變量離散事件系統(tǒng)仿真模型組成系統(tǒng)變量輸入變量輸入變量是系統(tǒng)中不依賴(lài)于其它變量的變量，所以又稱(chēng)獨(dú)立變量。顧客到達(dá)時(shí)間間隔的均值、某種資源的數(shù)量、隊(duì)列的最大容量等都

8、是輸入變量的例子，改變輸入變量的取值會(huì)影響系統(tǒng)行為和性能。有些輸入變量是不可控制的，如外部顧客的到達(dá)時(shí)間間隔均值。有些輸入變量是可以控制的，如為某種操作分配的操作員數(shù)量，這種可控制的輸入變量又稱(chēng)為決策變量，因?yàn)橐唤M決策變量的取值對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定的決策方案，決策人員希望尋找到最優(yōu)的決策變量的取值以使得系統(tǒng)性能最優(yōu)。在 ExtendSim中，輸入變量或決策變量可以是模塊對(duì)話框中的參數(shù)，如隊(duì)列模塊的最大長(zhǎng)度，活動(dòng)模塊的處理時(shí)間、資源模塊的資源數(shù)量等，也可以是對(duì)應(yīng)著全局?jǐn)?shù)組中的某個(gè)值。離散事件系統(tǒng)仿真模型組成系統(tǒng)變量狀態(tài)變量狀態(tài)變量反映某一特定時(shí)點(diǎn)的系統(tǒng)狀態(tài)如當(dāng)前隊(duì)長(zhǎng)，機(jī)器的當(dāng)前狀態(tài)（忙還是閑），系統(tǒng)中

9、當(dāng)前實(shí)體總數(shù)等。離散事件仿真的一個(gè)重要特點(diǎn)就是其研究的系統(tǒng)的狀態(tài)變量是隨時(shí)間離散變化的。所有與研究目的相關(guān)的狀態(tài)變量的集合就構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)。狀態(tài)變量的取值也依賴(lài)于輸入變量，即輸入變量的不同取值會(huì)導(dǎo)致不同的狀態(tài)變量取值。在 ExtendSim 中，許多模塊在自己的對(duì)話框或數(shù)值連接點(diǎn)處都能夠?qū)崟r(shí)反映自己的狀態(tài)變量取值，如在對(duì)列模塊對(duì)話框可以看到當(dāng)前隊(duì)列長(zhǎng)度的變化。離散事件系統(tǒng)仿真模型組成事件事件就是在某個(gè)（仿真）時(shí)刻發(fā)生的事情，它可以改變屬性、變量或統(tǒng)計(jì)累加器的值。在 ExtendSim 中，事件處理主要由 Executive 模塊完成。離散事件系統(tǒng)仿真模型組成仿真時(shí)鐘仿真過(guò)程中的當(dāng)前時(shí)間值

10、記在一個(gè)特殊變量中，稱(chēng)為仿真時(shí)鐘（simulation clock，仿真時(shí)鐘不過(guò)就是一個(gè)記錄當(dāng)前時(shí)間的變量）。與實(shí)際時(shí)間不同，仿真時(shí)鐘并不是連續(xù)推進(jìn)、均勻取值的，而是從當(dāng)前事件的發(fā)生時(shí)間跳躍到下一個(gè)事件的發(fā)生時(shí)間。因?yàn)橄嗬^兩個(gè)事件之間系統(tǒng)狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生變化，所有也就沒(méi)有必要讓仿真時(shí)鐘遍歷這兩個(gè)事件間的時(shí)間。在 ExtendSim中，仿真時(shí)鐘由Executive模塊管理。用戶不必手工處理，這就大大簡(jiǎn)化了用戶的建模工作。ExtendSim基本操作 仿真全局參數(shù)設(shè)置全局時(shí)間單位(Globle time units)無(wú)量綱的Generic時(shí)間單位各個(gè)模塊無(wú)法使用局部時(shí)間單位有量綱的時(shí)間單位，各個(gè)模塊可以

11、修改自己的局部時(shí)間單位，使之不同于全局時(shí)間單位ExtendSim基本操作 仿真全局參數(shù)設(shè)置隨機(jī)數(shù)種子(Random Seed)設(shè)置為 0 或空，每次會(huì)隨產(chǎn)生一個(gè)種子，每次生成的隨機(jī)數(shù)據(jù)序列不同設(shè)置為不為0的數(shù)，每次會(huì)使用相同的種子，每次生成的隨機(jī)數(shù)據(jù)序列相同ExtendSim基本操作 克隆即復(fù)制對(duì)話框項(xiàng)目到模型工作表或記事本上，以方便觀察使用工具欄的克隆層（Clone layer）工具完成這個(gè)功能?？寺橛脩籼峁┝艘环N便捷的途徑來(lái)改變對(duì)話框參數(shù)設(shè)置或者監(jiān)控仿真結(jié)果ExtendSim基本操作 記事本典型的用途是將所有你想查看的數(shù)據(jù)集中放置到一起（通過(guò)Clone方法）以便于查看和控制。 文本輸入E

12、xtendSim基本操作 工具欄通過(guò)幾個(gè)圖層選擇工具可以選擇不同的層，從而操縱不同層的對(duì)象Block/Text Layer（模塊文本層，這是默認(rèn)層，該層可以操縱模塊和文本）Draw Layer（繪圖層，該層可以繪制和操縱圖形）Clone Layer（克隆層，該層操縱克隆對(duì)象）All Layer（點(diǎn)擊該工具后可以訪問(wèn)所有層的對(duì)象） 圖層（Layer）ExtendSim基本操作 層級(jí)功能可以將一些基本的建模結(jié)構(gòu)(例如一群連接的模塊) 封裝為一個(gè)單個(gè)的、高級(jí)的結(jié)構(gòu)，即層級(jí)模塊。模型層級(jí)（Hierarchy）如何創(chuàng)建層級(jí)模塊拖動(dòng)鼠標(biāo)選擇一群模塊選擇菜單Model Make Selection Hier

13、archical 命令。層級(jí)模塊的窗口子模型窗口（雙擊）結(jié)構(gòu)窗口（菜單Model Open Hierarchical Block Structure）ExtendSim基本操作 模型層級(jí)（Hierarchy）修改層級(jí)模塊的外觀顯示在結(jié)構(gòu)窗口中改層級(jí)模塊內(nèi)的模塊與外部模塊的連接方式用紅色文本框與外部連接，注意文本框名稱(chēng)可以修改，但后綴In、Out不能改，它表示輸入還是輸出。在層級(jí)模塊外部的連接點(diǎn)上停放鼠標(biāo)，會(huì)彈出跟內(nèi)部紅色文本框同名的小提示，表示出內(nèi)外連接對(duì)應(yīng)關(guān)系。ExtendSim基本操作 命名連接就是在模型中使用同名文本標(biāo)簽來(lái)代替連接線連接，其效果相對(duì)于將兩個(gè)（或多個(gè)）端口直接連接上了?？梢?/p>

14、使得界面清潔。命名連接只能用于連接模型中的同一層級(jí)，為了連接不同的層級(jí)，使用Throw和Catch模塊或者給層級(jí)模塊添加連接端口。ExtendSim基本操作 模型外觀通過(guò)菜單 Model 下的一些子菜單，可以改變模型外觀，如切換連線、端口、命名連接的顯示，可以更改連線的線形。案例：確定最佳批量案例描述某產(chǎn)品制造流程如圖所示，產(chǎn)品按指數(shù)分布到達(dá)生產(chǎn)線，平均間隔時(shí)間為1min。產(chǎn)品按一定數(shù)量進(jìn)行成批處理后放入烤箱，每一批在烤箱中的處理時(shí)間為20min。確定最佳指，使產(chǎn)品從達(dá)到至離開(kāi)生產(chǎn)線的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間最短。 Part ArrivalPart WaitingBatchingOvenUnbatchingCalculate Cycle Time & Exit案例：確定最佳批量案例建模Simulation VariableInformationMean & Variance案例：確定最佳批量案例建模：設(shè)置 Cycle Time 屬性案例：確定最佳批量案例建模：設(shè)置合批與分拆案例：確定最佳批量案例建模