系統(tǒng)建模與仿真第三章

3.1基本概念：3.1.1事件

事件是描述系統(tǒng)的另一基本要素。事件是指引起系統(tǒng)狀態(tài)變化的行為，系統(tǒng)的動態(tài)過程是靠事件來驅(qū)動的。例如，在物流系統(tǒng)中，工件到達可以定義為一類事件。因為工件到達倉庫，進行入庫時，倉庫貨位的狀態(tài)會從空變?yōu)闈M，或者引起原來等待入庫的隊列長度的變化。

事件一般分為兩類：必然事件和條件事件。只與時間有關的事件稱為必然事件。如果事件發(fā)生不僅與時間因素有關，而且還與其它條件有關，則稱為條件事件。系統(tǒng)仿真過程，最主要的工作就是分析這些必然事件和條件事件。

第三章離散事件系統(tǒng)仿真簡介1系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!

3.1.2成分描述系統(tǒng)的另一個基本要素是成分。成分與實體是同一概念，只是根據(jù)習慣，在描述系統(tǒng)時用實體而在模型描述中用成分。成分分為主動成分和被動成分?？梢灾鲃赢a(chǎn)生活動的成分稱為主動成分，如物流系統(tǒng)中的工件，它的到達將產(chǎn)生入庫活動或排隊活動。本身不產(chǎn)生活動，只在主動成分作用下才產(chǎn)生狀態(tài)變化的那些成分稱為被動成分。2系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!3.1.3進程

若干事件與若干活動組成的過程稱為進程。它描述了各事件活動發(fā)生的相互邏輯關系及時序關系，例如，工件由車輛裝入進貨臺，經(jīng)裝卸搬運進入倉庫，經(jīng)保管、加工到配送至客戶的過程。進程活動3活動2活動1活動n-1“t”事件1事件n事件4事件2事件33系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!3.1.4仿真鐘

仿真鐘用于表示仿真事件的變化。在離散事件系統(tǒng)仿真中，由于系統(tǒng)狀態(tài)變化是不連續(xù)的，在相鄰兩個事件發(fā)生之間，系統(tǒng)狀態(tài)不發(fā)生變化，因而仿真鐘可以跨越這些“不活動”區(qū)域。從一個事件發(fā)生時刻，推進到下一個事件發(fā)生時刻。仿真鐘的推進成跳躍性，推進速度具有隨機性。由于仿真實質(zhì)上是對系統(tǒng)狀態(tài)在一定時間序列的動態(tài)描述，因此，仿真鐘一般是仿真的主要自變量，仿真鐘的推進是系統(tǒng)仿真程序的核心部分。應當指出，仿真鐘所顯示的是仿真系統(tǒng)對應實際系統(tǒng)的運行時間，而不是計算機運行仿真模型的時間。仿真時間與真實時間將設定成一定比例關系，使得像物流系統(tǒng)這樣復雜的系統(tǒng)，真實系統(tǒng)運行若干天，若干月，計算機仿真只需要幾分鐘就可以完成。4系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!3.2離散事件系統(tǒng)仿真方法

離散事件系統(tǒng)仿真與連續(xù)系統(tǒng)仿真的方法很不相同。①離散事件系統(tǒng)模型只是一種穩(wěn)態(tài)模型，無須研究狀態(tài)變量從一種狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)的過程。而對于連續(xù)系統(tǒng)，主要是研究其動態(tài)過程，連續(xù)系統(tǒng)模型一般要用微分方程描述。②離散事件系統(tǒng)中的變量大多數(shù)是隨機的，例如實體的“到達”和“服務”時間都是隨機變量。仿真實驗的目的是力圖用大量抽樣的統(tǒng)計結(jié)果來逼近總體分布的統(tǒng)計特征值，因而需要進行多次仿真和較長時間仿真。③連續(xù)系統(tǒng)仿真中采用均勻步長推進仿真鐘的原則，則離散事件系統(tǒng)仿真中時間的推進是不確定的，它決定于系統(tǒng)的狀態(tài)條件和事件發(fā)生的可能性。5系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!3.3仿真方法3.3.1事件調(diào)度法按這種策略建立模型時，所有事件均放在事件表中，模型中設有一個時間控制成分，該成分從事件表中選擇具有最早發(fā)生時間的事件，并將仿真鐘修改到該事件發(fā)生的時間，再調(diào)用與該事件相應的事件處理模塊，該事件處理完后返回時間控制成分。這樣，事件的選擇與處理不斷地進行，直到仿真終止的條件或程序事件產(chǎn)生為止。6系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!3.3.3進程交互法這種方法的特點是系統(tǒng)仿真鐘的控制程序采用兩張事件表，其一是當前事件表(CEL：CurrentEventsList)，它包含了從當前時間點開始有資格執(zhí)行的事件記錄，但是該事件是否發(fā)生的條件尚未判斷。其二是將來事件表(FEL：FutureEventsList)，它包含在將來某個仿真時刻發(fā)生的事件記錄。每一個事件記錄中包含該事件的若干屬性，其中必有一個屬性，說明該事件在過程中所處位置的指針。進程交互法首先按一定分布產(chǎn)生到達實體并置于FEL中，實體進人排隊等待。然后對當前事件表進行掃描，判斷各種條件是否滿足，再對滿足條件的活動進行處理。仿真鐘推進到服務結(jié)束并將該實體從系統(tǒng)中清除，最后將FEL中為當前事件的實體移到當前事件表中。7系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!3.4.2制定目標和定義系統(tǒng)效能測度沒有目標的仿真研究是毫無用途的。目標是仿真工程所有步驟的導向。系統(tǒng)的定義是基于系統(tǒng)目標的；目標決定了該作出怎樣的假設；目標決定了應該收集那些信息和數(shù)據(jù)；模型的建立和確認專門是考慮是否滿足目標的需求。目標需要清楚、明確和切實可行。目標經(jīng)常被描述成像這樣的問題“通過添加機器或延長工時，能夠獲得更多的利潤嗎？”在定義目標時，詳細說明那些將要被用來決定目標是否實現(xiàn)的性能測度是非常必要的。每小時的產(chǎn)出率、工人利用率、平均排隊時間、以及最大隊列長度是最常見的系統(tǒng)性能測度。最后，列出仿真結(jié)果的先決條件。如：必須通過利用現(xiàn)有設備來實現(xiàn)目標，或最高投資額要在限度內(nèi)，或產(chǎn)品訂貨提前期不能延長等。

8系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!3.4.4列舉可能的替代方案在仿真研究中，確定模型早期運行的可置換場景是很重要的。它將影響著模型的建立。在初期階段考慮替代方案，模型可能被設計成可以非常容易的轉(zhuǎn)換到替換系統(tǒng)的形式。9系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!3.4.6構(gòu)造計算機模型構(gòu)造計算機模型的過程中，仿真研究目標要記在心中。首先構(gòu)建小的測試模型來證明復雜部件建模是合適的。一般建模過程是呈現(xiàn)階段性的，在進行下一階段建模之前，驗證本階段的模型工作正常。而從不會將整個系統(tǒng)模型構(gòu)建起來，然后點擊“運行”按鈕來進行系統(tǒng)的仿真。在建模過程中運行和調(diào)試每一階段的模型。我們可能想對同一現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)建多個計算機模型，每個模型的抽象程度都不相同。抽象模型有助于定義系統(tǒng)的重要部分，并可以引導為后續(xù)模型的詳細化而進行的數(shù)據(jù)收集活動。10系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!3.4.8運行可替代實驗當系統(tǒng)具有隨機性時，就需要對實驗做多次運行。因為，隨機輸入導致隨機輸出。如果可能，在第二步中應當計算出已經(jīng)定義的每一性能測度的置信區(qū)間?？商娲h(huán)境能夠單獨構(gòu)建，并可以通過手工使用WITNESS軟件中的SDX模塊來進行模擬，或通過使用“OPTIMIZER”模塊自動運行模擬。在選擇仿真運行長度時，考慮啟動時間，資源失效可能間隔時間，處理時間或到達事件的時間或季節(jié)性差異，或其他需要系統(tǒng)運行足夠長時間才能出現(xiàn)效果的系統(tǒng)特征變量，是非常重要的。

11系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!3.1.5隨機變量復雜的現(xiàn)實系統(tǒng)常常包含有隨機的因素。在物流系統(tǒng)中工件的到達、運輸車輛的到達和運輸事件等一般都是隨機的。這些復雜的隨機系統(tǒng)很難找到響應的解析式來描述和求解。系統(tǒng)仿真技術(shù)成了解決這類問題的有效方法。對于有隨機因素影響的系統(tǒng)進行仿真時，首先要建立隨機變量模型，即確定系統(tǒng)的隨機變量并確定這些隨機變量的分布類型和參數(shù)。對于分布類型是已知或者是可以根據(jù)經(jīng)驗確定的隨機變量，只要確定它們的參數(shù)就可以了。無論是確定隨機變量的分布類型還是確定其參數(shù)，都要以調(diào)研觀測的數(shù)據(jù)為依據(jù)。

12系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!

離散事件系統(tǒng)仿真實質(zhì)上是對那些由隨機系統(tǒng)定義的，用數(shù)值方式或邏輯方式描述的動態(tài)模型的處理過程。從處理手段上看，離散事件系統(tǒng)仿真方法可分為兩類。①面向過程的離散事件系統(tǒng)仿真面向過程的仿真方法主要研究仿真過程中發(fā)生的事件以及模型中實體的活動；這些事件或活動的發(fā)生是順序的。②面向?qū)ο蟮碾x散事件系統(tǒng)仿真在面向?qū)ο蠓抡嬷校M成系統(tǒng)的實體以對象來描述。對象有三個基本的描述部分，即屬性、活動和消息。每個對象都是一個封裝了對象的屬性及對象狀態(tài)變化操作的自主的模塊，對象之間靠消息傳遞來建立聯(lián)系以協(xié)調(diào)活動。對象內(nèi)部不僅封裝了對象的屬性還封裝了描述對象運動及變化規(guī)律的內(nèi)部和外部轉(zhuǎn)換函數(shù)。這些函數(shù)以消息或時間來激活，在滿足一定條件時產(chǎn)生相應的活動。13系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!3.3仿真方法3.3.2活動掃描法在此方法中，系統(tǒng)由部件組成，而部件包含著運動，這些活動的發(fā)生應當滿足規(guī)定事件發(fā)生的條件。每一個成分均有一個激活條件，若條件滿足，則激活該成分的活動例程。仿真過程中，活動的發(fā)生時間也作為條件之一，而且較之其它條件具有更高的優(yōu)先權(quán)。即在判斷激活條件時首先判斷該活動發(fā)生的時間是否滿足，然后再判斷其它條件。對活動的掃描循環(huán)進行，直到仿真終止為止。

14系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!3.4系統(tǒng)仿真的一般步驟3.4.1問題的定義一個模型不可能呈現(xiàn)被模擬的現(xiàn)實系統(tǒng)的所有方面，有時是因為太費時。另外，假如一個表現(xiàn)真實系統(tǒng)所有細節(jié)的模型也常常是非常差的模型，因為它將過于復雜和難以理解。因此，明智的做法是：先定義問題，再制定目標，然后構(gòu)建一個能安全解決的模型。15系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!3.4.3描述系統(tǒng)和列出假設仿真將現(xiàn)實系統(tǒng)資源分成四類：處理器、隊列、運輸和共享資源。流動項目的到達和預載的必要條件必須定義，如：到達時間、到達模式和該項目的類型等屬性。在定義流動路徑時，合并和轉(zhuǎn)移需要詳細的描述。項目的轉(zhuǎn)變包括屬性變化、裝配操作（項目和并）、拆卸操作（項目分離）。在系統(tǒng)中，常常有必要控制項目的流動。如：一個項目只有在某種條件或某一時刻到來時才能移動，以及一些特定的規(guī)則。所有的處理時間都要被定義，并且要清楚表明哪些操作是機器自動完成，哪些操作是人工獨立完成，哪些操作需要人機協(xié)同完成。資源可能有計劃故障時間和意外故障時間。計劃故障時間通常指午餐時間，中場休息，和預防性維護等。意外故障時間是隨機發(fā)生的故障所需的時間，包括失效平均間隔時間和維修平均間隔時間。16系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!3.4.5收集數(shù)據(jù)和信息收集數(shù)據(jù)和信息，除了為模型參數(shù)輸入數(shù)據(jù)外，在驗證模型階段，還可以提供實際數(shù)據(jù)與模型的性能測度數(shù)據(jù)進行比較。數(shù)據(jù)可以通過歷史紀錄、經(jīng)驗、和計算得到。這些粗糙的數(shù)據(jù)將為模型輸入?yún)?shù)提供基礎，同時將有助于一些需要較精確輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)的收集。現(xiàn)存數(shù)據(jù)并不是總是有用的，通過測量收集數(shù)據(jù)可能要費時、費錢。采用估計方法來產(chǎn)生輸入數(shù)據(jù)更為高效。估計值可以通過少數(shù)快速測量或者通過咨詢熟悉系統(tǒng)的系統(tǒng)專家來得到。即使是使用較為粗糙的數(shù)據(jù)，根據(jù)最小值、最大值和最可能取值定義一個三角分布，不僅僅采用平均值仿真效果都要好得多。有時候采用估計值也能夠很好的滿足仿真研究的目的。17系統(tǒng)建模與仿真第三章共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!3.4.7驗證和確認模型驗證是確認模型的功能是否同設想的系統(tǒng)功能相符合。模型是否同我們想構(gòu)建的模型相吻合？產(chǎn)品的處理時間、流向是否正確？確認范圍更廣泛。它包括：確認模型是否能夠正確反映現(xiàn)實？評估模型仿真結(jié)果的可信度有多大？假如一個模型在得到我們提供的相關正確數(shù)據(jù)之后，其輸出滿足我們的目標，那么它就是好的。模型只要在必要范圍內(nèi)有效就可以了，而不需要盡可能的有效