第一章SHIYAN

1、 系统仿真系统仿真System Simulation 童新长童新长 手机：手机QQ：120870429 邮箱：邮箱：参考书参考书n系统仿真导论系统仿真导论，肖田元等，清华大学出版社，肖田元等，清华大学出版社，2000n建模与仿真建模与仿真，王红卫，科学出版社，王红卫，科学出版社，2002n仿真工程仿真工程，(美美)Jim Ledin，机械工业出版社，机械工业出版社，2003n系统仿真软件系统仿真软件Flexsim 3.0实用教程实用教程，张晓萍，刘玉，张晓萍，刘玉坤，清华大学出版社坤，清华大学出版社 , 2006 第一章第一章 系统及系统仿真概述系统及系统仿真概述4系

2、统概述系统概述123离散系统仿真离散系统仿真物流仿真及相关软件简介物流仿真及相关软件简介系统仿真系统仿真1.1 系统概述系统概述n定义定义：系统是由多个相互联系且相互作用的要素按某种规律组合起来的、实现特定功能的有机组合。n系统特性系统特性n整体性：由两个及以上要素（子系统）构成，各部分有一定的独立性，但又互相关联构成一个有机整体。 n关联性：各组成要素间相互关联、作用，使系统能够实现其功能。n目的性：系统具有其特定的目的，具有明确的目标。n动态性：系统处于不断变化和运动之中。n环境适应性： 系统处于一定环境之中，受环境的约束和限制。1.1.1 系统定义和特性系统定义和特性1.1.2 系统分类

3、系统分类n按物理特征分类按物理特征分类n工程系统：电气、机械、化工、水利等n非工程系统：经济、交通、管理、生态等n按状态变化方式分类按状态变化方式分类n连续系统连续系统n系统状态量随时间连续变化n离散事件系统离散事件系统n系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而发生变化n按复杂程度分类按复杂程度分类n单变量系统n多变量系统n 连续系统：连续系统：系统状态随时间连续变化的系统，系统系统状态随时间连续变化的系统，系统“事件事件”所引起所引起的效应大小和的效应大小和“事件时刻事件时刻”之间的区别，在数学上都是无穷小量。之间的区别，在数学上都是无穷小量。 连续系统中发生的变化主要是平滑的变化，

4、如：导弹飞行过程中连续系统中发生的变化主要是平滑的变化，如：导弹飞行过程中的的舵面舵面变化、飞行位置的的变化；变化、飞行位置的的变化；n 离散事件系统：离散事件系统：系统状态（或参数）只在一些特定时刻被观测并产系统状态（或参数）只在一些特定时刻被观测并产生相应离散数据，即系统操作和状态只在离散时刻发生，且这些时刻生相应离散数据，即系统操作和状态只在离散时刻发生，且这些时刻常常是随机的（不确定的）。常常是随机的（不确定的）。 离散事件系统中发生的变化主要是断续的变化，如：工厂系统中离散事件系统中发生的变化主要是断续的变化，如：工厂系统中的产品数量、服务系统中的队列长度；的产品数量、服务系统中的队

5、列长度；n混合系统：混合系统：一部分具有连续系统特性，另一部分具有离散事件系统特一部分具有连续系统特性，另一部分具有离散事件系统特性，连续性，连续- -离散混合系统。离散混合系统。 实际系统往往是混合系统，例如：导弹的一、二级分离（质量变实际系统往往是混合系统，例如：导弹的一、二级分离（质量变化），工厂中的机器运行等。化），工厂中的机器运行等。n 模型：模型：一个系统（实体、现象、过程）的物理的、数学的或其他逻辑的表现形式。n 系统模型：系统模型：对实际系统的一种抽象，是系统本质的表述，是人们对客观世界反复认识、分析，经过多级转换、整合等相似过程而形成的最终结果，它具有与系统相似的数学描述或物

6、理属性，以各种可用的形式，给出研究系统的信息。n 数学模型：数学模型：描述实际系统内、外部各变量间相互关系的数学表达式。1.1.3 系统模型系统模型 系统模型可以用系统模型可以用各种可用的形式各种可用的形式（数学的或实体的（物理的）（数学的或实体的（物理的）给出给出被研究系统的信息被研究系统的信息，它具有与系统相似的数学描述或物理属性，通常用，它具有与系统相似的数学描述或物理属性，通常用系统模型来指导对系统的研究；系统模型来指导对系统的研究； 系统模型系统模型不应该比研究目的所要求的更复杂不应该比研究目的所要求的更复杂，模型的详细程度和精度，模型的详细程度和精度必须与研究目的相匹配；必须与研究

7、目的相匹配； 用来表示一个系统的模型用来表示一个系统的模型并不是唯一的并不是唯一的，对于同一个系统当研究目的，对于同一个系统当研究目的不同，所要求收集的与系统有关的信息也是不同的；由于关心的方面不不同，所要求收集的与系统有关的信息也是不同的；由于关心的方面不同，对于同一个系统就可能建立不同的模型；同，对于同一个系统就可能建立不同的模型； 对于多数研究目的，建立系统模型对于多数研究目的，建立系统模型并不需要考虑系统的全部细节并不需要考虑系统的全部细节，一，一个好的模型不仅是用来代替系统，而且是这个系统的个好的模型不仅是用来代替系统，而且是这个系统的合理简化合理简化，与此相，与此相联系的是要正确地

8、确定模型的详细参数和精度联系的是要正确地确定模型的详细参数和精度u 注意：注意：模型是当今重要科学术语之一，相对于现实世界或实际系统而言模型是当今重要科学术语之一，相对于现实世界或实际系统而言, ,n 等效性（普遍性）：等效性（普遍性）：指同一个模型可以从各个角度反映不同的系指同一个模型可以从各个角度反映不同的系统。（或者说一种模型与多个系统可能具有相似性。）统。（或者说一种模型与多个系统可能具有相似性。）n 相对精确性：相对精确性：近似度和精确性不可超出应有限度和许可条件；过于近似度和精确性不可超出应有限度和许可条件；过于粗糙的模型将失去过多系统特性而变得无用，太精确的模型往往会非常粗糙的模

9、型将失去过多系统特性而变得无用，太精确的模型往往会非常复杂，甚至给模型研究带来困难。满意的模型应该具有考虑诸种条件折复杂，甚至给模型研究带来困难。满意的模型应该具有考虑诸种条件折衷下的是和精确性。衷下的是和精确性。n 可信性：可信性：必须经过检验和确认，成为代表实际系统的有效模型，即必须经过检验和确认，成为代表实际系统的有效模型，即具有良好的置信度具有良好的置信度。n 异构性：异构性：同一系统的模型可以具有不同的结构和形式，研究中将选同一系统的模型可以具有不同的结构和形式，研究中将选择最方便、合理的。择最方便、合理的。n 通过性：通过性：可以视为可以视为“黑箱黑箱”，通过向其输入信息并获取信息

10、建立起，通过向其输入信息并获取信息建立起模型的输入模型的输入- -输出概念。输出概念。u系统模型系统模型性质性质为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进行试验，可以分为两为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进行试验，可以分为两大类：在真实系统上进行；构造模型并用模型试验来代替在系统上的大类：在真实系统上进行；构造模型并用模型试验来代替在系统上的实验。后者必不可少，原因有四：实验。后者必不可少，原因有四：n 系统还系统还处于设计阶段处于设计阶段，真实系统尚未建立需要了解未，真实系统尚未建立需要了解未来系统的性能，只能通过对模型的试验来了解；来系统的性能，只能通过对模型的试验来了解；n 在真

11、实系统上进行试验可能会在真实系统上进行试验可能会引起破坏或发生故障引起破坏或发生故障，如处于运行状态的化工系统、电力系统、火箭系统等；如处于运行状态的化工系统、电力系统、火箭系统等；n 系统系统无法恢复无法恢复，如经济系统，新政策出台，经过一段，如经济系统，新政策出台，经过一段时间才能看出效果，若造成损失已经无法挽回了；时间才能看出效果，若造成损失已经无法挽回了；n 试验条件试验条件无法保证无法保证，如多次试验，难以保证每次试验，如多次试验，难以保证每次试验条件相同，或试验时间太长、或费用昂贵。条件相同，或试验时间太长、或费用昂贵。u系统模型系统模型why?n模型形式分类模型形式分类n描述性模

12、型：描述性模型：用文字形式简明叙述系统构成、边界和主要功能、系统分析和设计的目的与任务等。n物理模型物理模型：实体模型。实际系统尺寸上缩小或放大后的相似体。描述的逼真感强，但建模费用大，不易试验，修改参数或结构困难。n数学模型数学模型：用数学形式描述实际系统的结构和性能，可以描述系统的静态或动态特性。建模费用低，可反复试验。n流程图及图解式模型：流程图及图解式模型：运用表格或图解形式比较直观、明确的说明系统各组成部分及其间的基本逻辑关系。n复杂系统仿真时往往多种形式模型相互结合复杂系统仿真时往往多种形式模型相互结合u系统模型系统模型分类分类n 优化系统设计优化系统设计：在复杂的系统建立以前，能

13、够通过改变仿真模型在复杂的系统建立以前，能够通过改变仿真模型结构和调整参数来优化系统设计；结构和调整参数来优化系统设计；n 对系统或系统的某一部分进行对系统或系统的某一部分进行性能评价性能评价；n 节省经费：节省经费：仿真试验只需要在可重复使用的模型上进行，所花费的仿真试验只需要在可重复使用的模型上进行，所花费的成本远比在实际产品上做试验低；成本远比在实际产品上做试验低；n 系统故障诊断：系统故障诊断：系统发生故障后，设法使之重演，以便判断故障系统发生故障后，设法使之重演，以便判断故障产生的原因；产生的原因； n 避免试验的危险性：避免试验的危险性：某些试验有危险，不允许进行，而仿真试验某些试

14、验有危险，不允许进行，而仿真试验可以避免危险性；可以避免危险性；n 进行假设检验：进行假设检验：仿真可以预测系统的特性，也可以预测外部作用仿真可以预测系统的特性，也可以预测外部作用对系统的影响；训练系统操作人员；对系统的影响；训练系统操作人员；n 为管理决策和技术决策提供依据为管理决策和技术决策提供依据。u系统仿真的必要性系统仿真的必要性1.2 系统仿真系统仿真n仿真仿真又称作蒙特卡罗方法，它是一种通过用随机数做实验来求解随机问题的技术。n仿真的定义变迁仿真的定义变迁n1961年，G.W. Morgenthater首次定义仿真：在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现n1978年，K

15、orn的著作连续系统仿真定义：用能代表所研究的系统的模型作实验n1982年，Spriet扩充定义：所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动n1984年，Oren提出：仿真是一种基于模型的活动1.2.1 系统仿真定义系统仿真定义u系统仿真的定义系统仿真的定义n19611961年年G.W.MorgenthlerG.W.Morgenthlern指在实际系统尚不存在的情况下，对于系统或活动本质的复现。n现在现在n系统仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存在存在的或设计的或设计中的系统n系统仿真是对系统动态模型的实验n 权威定义权威定义 n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技术等

16、理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合性的和试验性的学科u系统仿真与计算机仿真系统仿真与计算机仿真n计算机仿真是一种非实物仿真方法，是用计算机对一个系统的结构和行为进行动态演示, 以评价或预测一个系统的行为效果,为决策提供信息的一种方法.它是解决较复杂的实际问题的一条有效途径。n现在一般认为系统仿真等同于计算机仿真1.2.2 1.2.2 系统仿真建模及工作过程系统仿真建模及工作过程n三个基本要素三个基本要素：n系统、系统模型、计算机。n三项要素的基本活动

17、三项要素的基本活动n模型建立、仿真模型建立和仿真试验。系统系统模型模型计算机计算机模型建立模型建立仿真试验仿真试验仿真模型建立仿真模型建立工作过程工作过程n系统建模系统建模： 由于忽略了一些次要因素和不可观察的由于忽略了一些次要因素和不可观察的因素，因而得到的是一个简化了的模型因素，因而得到的是一个简化了的模型。（。（一直是研究的重点，技术成熟，需要结合相关专业知识）n仿真建模：仿真建模：主要任务是设计算法，并转换为计算机程主要任务是设计算法，并转换为计算机程序，使系统的模型能为计算机接受并能在计算机上运行序，使系统的模型能为计算机接受并能在计算机上运行。（难点之一）n仿真试验及结果分析仿真试

18、验及结果分析： 是对模型的运转，为了进行是对模型的运转，为了进行仿真试验必须设计合理的试验工作程序、拥有便于系统仿真试验必须设计合理的试验工作程序、拥有便于系统研究的试验软件。根据试验结果情况，进一步修正系统研究的试验软件。根据试验结果情况，进一步修正系统模型和系统仿真模型模型和系统仿真模型。（最有实际意义，但常常被忽略，技术难点多） 1.2.3 1.2.3 系统仿真的分类系统仿真的分类n根据模型的种类分类根据模型的种类分类n物理仿真物理仿真：基于计算机的仿真，本课程的内容；各种基于计算机的仿真，本课程的内容；各种学科、工程领域学科、工程领域n数字仿真数字仿真：计算机仿真，包括模拟机仿真、混合

19、机仿计算机仿真，包括模拟机仿真、混合机仿真、数字机仿真真、数字机仿真n半实物仿真半实物仿真：在某些系统研究中，常把数学模型、实在某些系统研究中，常把数学模型、实体模型（物理效应模型）和系统的实际设备（实物）体模型（物理效应模型）和系统的实际设备（实物）联系在一起运转，组成仿真系统，这种仿真系统称为联系在一起运转，组成仿真系统，这种仿真系统称为半实物仿真军事领域、水利工程等重要、大型应用半实物仿真军事领域、水利工程等重要、大型应用 n 根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类n实时仿真实时仿真：仿真时钟仿真时钟(仿真时模型采用的时钟仿真时模型采用的时钟)与实际时与

20、实际时钟钟(实际动态系统的时间基实际动态系统的时间基)完全一致；仿真系统中存在完全一致；仿真系统中存在物理模型或实物时，必须进行实时仿真，常用于训练仿物理模型或实物时，必须进行实时仿真，常用于训练仿真器，称为在线仿真真器，称为在线仿真n亚实时仿真亚实时仿真：仿真时钟慢于实际时钟，即模型仿真的速仿真时钟慢于实际时钟，即模型仿真的速度慢于时间系统运行的速度；对仿真速度要求不苛刻的度慢于时间系统运行的速度；对仿真速度要求不苛刻的情况下均是亚实时仿真，常用于离线分析，称为离线仿情况下均是亚实时仿真，常用于离线分析，称为离线仿真真n超实时仿真超实时仿真：仿真时钟快于实际时钟，即模型仿真的速仿真时钟快于实

21、际时钟，即模型仿真的速度快于实际系统运行的速度；如大气环流仿真、交通系度快于实际系统运行的速度；如大气环流仿真、交通系统仿真等统仿真等n连续系统仿真连续系统仿真n系统状态量随时间连续变化（包括由于数据采集是在离系统状态量随时间连续变化（包括由于数据采集是在离散时间点上进行时所产生的非连续数据）散时间点上进行时所产生的非连续数据） n数学模型数学模型n连续模型（微分方程描述）连续模型（微分方程描述） n离散时间模型（差分方程描述）离散时间模型（差分方程描述） n基本特点基本特点：能用一组方程式描述能用一组方程式描述n一般的物理系统、工程系统均属此类（连续流程工业、一般的物理系统、工程系统均属此类

22、（连续流程工业、石油、化工、医药等）石油、化工、医药等） n 根据系统模型的特性分类根据系统模型的特性分类n离散事件系统仿真离散事件系统仿真n系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的驱动系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而发生变化（状态是在两个事件之间保持不变即离散而发生变化（状态是在两个事件之间保持不变即离散变化）变化） n数学模型：数学模型：一般不是数学方程，而用流程图或者网络一般不是数学方程，而用流程图或者网络图描述。图描述。 n当前的研究热点当前的研究热点，如城市交通系统、计算机网络、生，如城市交通系统、计算机网络、生态系统，管理系统、柔性制造系统、计算机集成制造态系统，

23、管理系统、柔性制造系统、计算机集成制造系统等。系统等。 例：例：某个理发馆，设上午某个理发馆，设上午9.009.00开门，下午开门，下午7.007.00关门。显然，关门。显然，在这个理发馆系统中，存在理发师和顾客两个实体。也存在顾在这个理发馆系统中，存在理发师和顾客两个实体。也存在顾客到达理发馆的事件和理发师为顾客服务事件。因此描述该系客到达理发馆的事件和理发师为顾客服务事件。因此描述该系统的状态是理发师统的状态是理发师( (服务台服务台) )的状态的状态( (忙或闲忙或闲) )、顾客排队等待的、顾客排队等待的队长、理发师的服务方式队长、理发师的服务方式( (如对某些特殊顾客的优先服务如对某些

24、特殊顾客的优先服务) )。显。显然，这些状态变量的变化只能在离散的随机时间点上发生。然，这些状态变量的变化只能在离散的随机时间点上发生。 类似的例子很多，如定票系统、库存系统、加工制造系统、类似的例子很多，如定票系统、库存系统、加工制造系统、交通控制系统、计算机系统等等。交通控制系统、计算机系统等等。1.2.4 1.2.4 系统仿真的基本过程系统仿真的基本过程u系统仿真的过程系统仿真的过程 系统仿真过程即建立模型并通过模型在计算机上的运行系统仿真过程即建立模型并通过模型在计算机上的运行对模型进行检验、修正和分析的过程。与软件开发类似，可对模型进行检验、修正和分析的过程。与软件开发类似，可以分为

25、若干阶段以分为若干阶段。n系统定义系统定义：求解问题前，先要提出明确的准则来描述系统目标及是求解问题前，先要提出明确的准则来描述系统目标及是否达到的衡量标准，其次必须描述系统的约束条件，再确定研究范围，否达到的衡量标准，其次必须描述系统的约束条件，再确定研究范围，即哪些实体属于要研究的系统，哪些属于系统的环境。即哪些实体属于要研究的系统，哪些属于系统的环境。n构造模型构造模型：抽象真实系统，并规范化，确定模型要素、变量、参数抽象真实系统，并规范化，确定模型要素、变量、参数及其关系，表达约束条件；要求以研究目标为出发点，模型性质尽量接及其关系，表达约束条件；要求以研究目标为出发点，模型性质尽量接

26、近原系统，尽可能简化，易于理解、操作和控制近原系统，尽可能简化，易于理解、操作和控制 n数据准备数据准备：收集数据，决定使用方式，数据完整性、有效性检验，收集数据，决定使用方式，数据完整性、有效性检验，用来确定模型参数用来确定模型参数 n模型转换模型转换：用计算机语言（高级语言或者专用仿真语言）描述数学模用计算机语言（高级语言或者专用仿真语言）描述数学模型。型。 n模型运行模型运行：获取被研究系统的信息，预测系统运行情况，一般是动态获取被研究系统的信息，预测系统运行情况，一般是动态过程，常反复运行以获得足够的实验数据过程，常反复运行以获得足够的实验数据。n分析并评论仿真结果分析并评论仿真结果：

27、仿真技术包括了某些主观的方法，如抽象化、仿真技术包括了某些主观的方法，如抽象化、直观感觉和设想等，在提交仿真报告前，应全面分析和论证仿真结果。直观感觉和设想等，在提交仿真报告前，应全面分析和论证仿真结果。 分析的基本目标分析的基本目标n确定仿真试验中获得的信息是否充分、有效确定仿真试验中获得的信息是否充分、有效n精简和归纳仿真数据以辅助决策精简和归纳仿真数据以辅助决策 1.2.5 1.2.5 系统仿真的应用系统仿真的应用n系统仿真技术是分析系统仿真技术是分析综合各类系统的一种有力的工综合各类系统的一种有力的工具和手段。它目前已广泛地应用于几乎所有的科学技具和手段。它目前已广泛地应用于几乎所有的

28、科学技术领域。术领域。n应用的领域主要包括：应用的领域主要包括：n系统设计：系统设计：计算机辅助设计与仿真计算机辅助设计与仿真n系统分析：系统分析：分析与优化分析与优化n教育与训练：教育与训练：载体操纵型、过程控制型、博载体操纵型、过程控制型、博弈决策型弈决策型n产品开发及制造：产品开发及制造：虚拟产品开发，虚拟制造，虚拟产品开发，虚拟制造，CIMSu适合计算机仿真的问题适合计算机仿真的问题n难以难以用数学公式表示的系统，或者用数学公式表示的系统，或者没有没有建立和求解数建立和求解数学模型的有效方法学模型的有效方法n虽然可以用解析的方法解决问题，但数学的虽然可以用解析的方法解决问题，但数学的分

29、析与计分析与计算过于复杂算过于复杂，这时计算机仿真可能提供简单可行的求，这时计算机仿真可能提供简单可行的求解方法解方法n希望能在希望能在较短的时间较短的时间内内观察观察到系统发展的全过程，以到系统发展的全过程，以估计某些参数对系统行为的影响估计某些参数对系统行为的影响n难以难以在实际环境中进行在实际环境中进行实验和观察实验和观察时，计算机仿真是时，计算机仿真是唯一可行的方法，例如太空飞行的研究唯一可行的方法，例如太空飞行的研究n需要对系统或过程进行长期运行比较，从大量方案中需要对系统或过程进行长期运行比较，从大量方案中寻找最优方案寻找最优方案u具体应用场合具体应用场合n 航空管理航空管理, ,

30、 公交车的调度公交车的调度, ,n 飞机设计飞机设计, , 动画设计动画设计, ,n 三峡的安全、生态三峡的安全、生态, , 道路的修建道路的修建, ,n 医疗保险医疗保险, , 国债的发行国债的发行, , n 家居装修家居装修, , 炼钢的温度估计炼钢的温度估计, ,n 发电厂的操作训练发电厂的操作训练, ,飞行员训练，飞行员训练，n 流行疾病的检测和预报。流行疾病的检测和预报。 三峡水库总库容三峡水库总库容393 393 亿立方米，总装机容量亿立方米，总装机容量18201820万千瓦，万千瓦，将是世界上最大的水电站。将是世界上最大的水电站。 但是三峡的安全问题是一个很重要的问题，我们不可能

31、但是三峡的安全问题是一个很重要的问题，我们不可能等到建好后再看它的安全性，用计算机仿真就可以很好的解等到建好后再看它的安全性，用计算机仿真就可以很好的解决这一问题。决这一问题。 长江三峡工程长江三峡工程 飞机设计中有一个重要环节：风洞试验。实际的风洞试飞机设计中有一个重要环节：风洞试验。实际的风洞试验费用巨大。使用计算机仿真进行模拟风洞试验，使费用大验费用巨大。使用计算机仿真进行模拟风洞试验，使费用大大降低。大降低。飞机设计飞机设计 各技术领域控制系统的分析各技术领域控制系统的分析设计以及系统测试设计以及系统测试改造都应用系统改造都应用系统仿真技术。仿真技术。n在工程系统方面在工程系统方面 设

32、计阶段设计阶段，系统仿真技术可帮助设计人员优选系统合理结构，优化，系统仿真技术可帮助设计人员优选系统合理结构，优化系统参数，以期获得系统最优品质和性能；系统参数，以期获得系统最优品质和性能； 调试阶段调试阶段，利用仿真技术分析系统响应与参数关系，指导调试工作，利用仿真技术分析系统响应与参数关系，指导调试工作，可以迅速完成调试任务；可以迅速完成调试任务； 已经运行的系统已经运行的系统，利用仿真技术可以在不影响生产的条件下分析系，利用仿真技术可以在不影响生产的条件下分析系统的工作状态，预防事故发生，寻求改进薄弱环节，以提高系统的性统的工作状态，预防事故发生，寻求改进薄弱环节，以提高系统的性能和运行

33、效率。能和运行效率。 对设计任务重对设计任务重工作量大的系统，可建立系统设计仿真器或系统辅工作量大的系统，可建立系统设计仿真器或系统辅助设计程序包，使设计人员节省大量的设计时间，提高工作效率。助设计程序包，使设计人员节省大量的设计时间，提高工作效率。n 系统分析系统分析综合方面综合方面 对企业管理对企业管理经济分析市场预测经济分析市场预测商品销售等也都应用仿真技术。例商品销售等也都应用仿真技术。例如，用仿真技术可以建立商品生产和公司经营与市场预测模型。如，用仿真技术可以建立商品生产和公司经营与市场预测模型。 从图可见，根据市场信息，公司做出决策，工厂生产的产品投放市场，从图可见，根据市场信息，

34、公司做出决策，工厂生产的产品投放市场，再对市场信息进行分析，如此组成经济预测再对市场信息进行分析，如此组成经济预测生产模型。其它如交通生产模型。其它如交通能能源源生态生态环境等方面的大系统分析都应用仿真技术。环境等方面的大系统分析都应用仿真技术。图图 经济模型粗框图经济模型粗框图n 在非工程系统方面在非工程系统方面n系统仿真器系统仿真器（system simulatorsystem simulator）是模仿真实系统的实验研究装置，）是模仿真实系统的实验研究装置，它包括计算机硬件它包括计算机硬件软件以及模仿对象的某些类似实物所组成的一个软件以及模仿对象的某些类似实物所组成的一个仿真系统。仿真系

35、统。 仿真器分为培训仿真器和设计仿真器仿真器分为培训仿真器和设计仿真器。n培训仿真器培训仿真器，一般由运动系统一般由运动系统显示系统显示系统仪表仪表操作系统以及计操作系统以及计算机硬件算机硬件软件组成类似实物的模拟装置。软件组成类似实物的模拟装置。例如，培训飞机驾驶员航例如，培训飞机驾驶员航线起落飞行仿真器就包括：座舱与其运动系统线起落飞行仿真器就包括：座舱与其运动系统视景系统视景系统音响系统音响系统计算机系统以及指挥台等，此外还有电源计算机系统以及指挥台等，此外还有电源液压源，以保证实验条液压源，以保证实验条件。推广应用培训仿真器，无论在培训技术和经济效益方面都会带来件。推广应用培训仿真器，

36、无论在培训技术和经济效益方面都会带来明显效果。明显效果。n设计仿真器设计仿真器，一般包括计算机硬件一般包括计算机硬件软件和由研究系统的应用软件软件和由研究系统的应用软件以及大量设计公式和参数等所构成的设计程序包。例如，轧钢机多级以及大量设计公式和参数等所构成的设计程序包。例如，轧钢机多级计算机控制系统的设计，从方案选择到参数规定，甚至绘图等工作都计算机控制系统的设计，从方案选择到参数规定，甚至绘图等工作都可以在设计仿真器上由计算机完成，提高效率。可以在设计仿真器上由计算机完成，提高效率。n 仿真器方面仿真器方面n 技术咨询和预测方面技术咨询和预测方面 根据系统的数学模型，利用仿真技术输入相应数

37、据，经过运算后即根据系统的数学模型，利用仿真技术输入相应数据，经过运算后即可输出结果，这种技术目前用在很多方面。例如，可输出结果，这种技术目前用在很多方面。例如，专家系统技术咨询和预测预报方面。 专家系统专家系统是一种计算机软件系统，事先将有关专家的知识是一种计算机软件系统，事先将有关专家的知识经验总经验总结出来，形成规律后填入表格或框架，然后存入计算机，建立知识库，结出来，形成规律后填入表格或框架，然后存入计算机，建立知识库，设计管理软件，根据输入的原始数据，按照规定的专家知识推理设计管理软件，根据输入的原始数据，按照规定的专家知识推理判断，判断，给用户提供咨询。由于这种软件是模拟专家思考给

38、用户提供咨询。由于这种软件是模拟专家思考分析分析判断的，实际判断的，实际上起到专家的作用，所以被称为专家系统。我国目前研究比较多的是上起到专家的作用，所以被称为专家系统。我国目前研究比较多的是中医诊断系统，它是将医疗经验丰富，它是将医疗经验丰富诊脉医术准确的医生的一套知识和诊脉医术准确的医生的一套知识和经验加以规律化后编出程序，存入计算机，在临床诊断时起到专家的作经验加以规律化后编出程序，存入计算机，在临床诊断时起到专家的作用。用。 预测技术预测技术在很多领域应用，例如，利用在很多领域应用，例如，利用地震监测模型模拟根据监测数模拟根据监测数据预报地震情报；据预报地震情报；森林火警模型根据当地气

39、温根据当地气温风向风向湿度等条件预报湿度等条件预报火警；火警；人口模型预测今后人口结构。预测今后人口结构。 用系统仿真技术对反应周期长，而且难以观察用系统仿真技术对反应周期长，而且难以观察实验实验或消耗巨额资金的自然环境或消耗巨额资金的自然环境生态系统生态系统人口结构人口结构生理生理育种育种导弹导弹军事军事国防等系统，可以在短期容易实现国防等系统，可以在短期容易实现的模型上进行分析的模型上进行分析实验后预报结果。这是仿真技术所具实验后预报结果。这是仿真技术所具有的独特功能，所以在这方面的应用逐渐扩大，极有发展有的独特功能，所以在这方面的应用逐渐扩大，极有发展前途。此外，对于有些在实际物理世界不

40、可能存在或难以前途。此外，对于有些在实际物理世界不可能存在或难以实现的，但有必要研究的系统，仿真技术也扮演着极其重实现的，但有必要研究的系统，仿真技术也扮演着极其重要的角色。要的角色。1.3.1 基本概念基本概念n实体实体：活动的，系统的工作过程实质上就是这种活动的，系统的工作过程实质上就是这种“实实体体”流动和接受加工、处理和服务的过程。流动和接受加工、处理和服务的过程。例如，生产自动线上待加工的零件，计算机系统待处理例如，生产自动线上待加工的零件，计算机系统待处理的信息，以及商店或医院中排队等待的顾客等等的信息，以及商店或医院中排队等待的顾客等等n设备设备：固定的，此处固定的，此处“设备设

41、备”的含义是广泛的，这些的含义是广泛的，这些设备用于对实体进行加工、处理或服务，它们相当于连设备用于对实体进行加工、处理或服务，它们相当于连续系统中的各类对信息进行交换处理的元件。续系统中的各类对信息进行交换处理的元件。例如，机床、电话交换系统、营业员或者医生等。例如，机床、电话交换系统、营业员或者医生等。注：注：实体按一定规律不断地到达(产生)，在设备作用下通过系统，接受服务，最后离开系统。1.3 离散事件系统仿真技术离散事件系统仿真技术n事件事件： 是是引起引起系统状态发生系统状态发生变化变化的行为。的行为。例如，可以定义例如，可以定义“顾客到达顾客到达”为一类事件，而这个事件为一类事件，

42、而这个事件引起系统的状态理发师的状态从引起系统的状态理发师的状态从“闲闲”变成变成“忙忙”，或者引起系统的另外一个状态顾客的排队人数发生变或者引起系统的另外一个状态顾客的排队人数发生变化。同样，一个顾客接受服务完毕后离开系统也可以定化。同样，一个顾客接受服务完毕后离开系统也可以定义为一类事件。义为一类事件。n活动活动：离散事件系统中的：离散事件系统中的活动，通常用于，通常用于表示表示两个可以两个可以区分的区分的事件之间的过程事件之间的过程，它标志着系统状态的，它标志着系统状态的转移。转移。例，顾客的到达事件与该顾客开始接受服务事件之间可例，顾客的到达事件与该顾客开始接受服务事件之间可称为一个活

43、动，该活动使系统的状态称为一个活动，该活动使系统的状态( (队长队长) )发生变化，发生变化，顾客开始接受服务到该顾客服务完毕后离开也可以视为顾客开始接受服务到该顾客服务完毕后离开也可以视为一个活动，它使队长减一个活动，它使队长减1 1。n 基本概念基本概念n进程进程：进程由若干个有序事件及若干有序活动组成，一进程由若干个有序事件及若干有序活动组成，一个进程描述了它所包括的事件及活动间的相互逻辑关系个进程描述了它所包括的事件及活动间的相互逻辑关系及时序关系。例，一个顾客到达系统、经过排队、接受及时序关系。例，一个顾客到达系统、经过排队、接受服务、到服务完毕后离去可以称为一个进程。服务、到服务完

44、毕后离去可以称为一个进程。 事件事件活动活动进程三者之间的关系可用下图来描述。进程三者之间的关系可用下图来描述。n 基本概念基本概念n仿真钟仿真钟 用于表示仿真时间的变化。在离散事件仿真中，由于用于表示仿真时间的变化。在离散事件仿真中，由于事件发生的时间是随机的。而且，两个相邻发生的事件之事件发生的时间是随机的。而且，两个相邻发生的事件之间系统状态不会发生任何变化，而仿真钟可以跨过这些间系统状态不会发生任何变化，而仿真钟可以跨过这些“不活动不活动”周期，从一个事件发生时刻推进到下一事件发周期，从一个事件发生时刻推进到下一事件发生时刻。生时刻。n统计计数器统计计数器 离散事件系统的状态随事件的不

45、断发生也呈现出动态离散事件系统的状态随事件的不断发生也呈现出动态变化过程，但仿真的目的是要得到单个状态是如何变化的。变化过程，但仿真的目的是要得到单个状态是如何变化的。例，由于顾客到达具有随机性，理发师为每个顾客服务的时间长度也例，由于顾客到达具有随机性，理发师为每个顾客服务的时间长度也是随机的，因而在某一时刻，顾客排队的队长或理发师的忙闲情况完是随机的，因而在某一时刻，顾客排队的队长或理发师的忙闲情况完全是不确定的。在分析该系统时，需要是系统的平均队长、顾客的平全是不确定的。在分析该系统时，需要是系统的平均队长、顾客的平均等待时间或者是理发师的利用率等。均等待时间或者是理发师的利用率等。n

46、基本概念基本概念 描述这类系统的数学模型可以分为以下三个部分描述这类系统的数学模型可以分为以下三个部分n到达模型到达模型：在离散事件系统中，用概率函数来定义，称为在离散事件系统中，用概率函数来定义，称为到达分布函数。一般到达时间服从泊松分布模式。例如电到达分布函数。一般到达时间服从泊松分布模式。例如电话交换系统中的呼叫次数、计算机信息处理系统中信息的话交换系统中的呼叫次数、计算机信息处理系统中信息的到达、商店和医院等服务机构中人的到达次数等等。到达、商店和医院等服务机构中人的到达次数等等。n服务模型服务模型：它是用来描述设备为实体服务的时间模型。一：它是用来描述设备为实体服务的时间模型。一般服

47、务时间服从负指数分布。般服务时间服从负指数分布。n排队模型排队模型：它是用来描述在服务过程中当出现排队现象时，：它是用来描述在服务过程中当出现排队现象时，系统对排队的处理规则。一般有如下规则：先到先服务，系统对排队的处理规则。一般有如下规则：先到先服务， 后到先服务，后到先服务， 随机服务，优先服务。随机服务，优先服务。1.3.2 模型模型 离散事件系统中诸多实体之间相互联系，相互影响，并发离散事件系统中诸多实体之间相互联系，相互影响，并发生在同一时间基上。建立起各类实体之间的逻辑关系，这生在同一时间基上。建立起各类实体之间的逻辑关系，这是离散事件系统仿真的重要内容之一。是离散事件系统仿真的重

48、要内容之一。 下面介绍目前比较成熟的三种仿真方法：下面介绍目前比较成熟的三种仿真方法：n事件调度法事件调度法 离散事件系统中最基本的概念是事件，事件的发生引离散事件系统中最基本的概念是事件，事件的发生引起系统状态的变化。起系统状态的变化。 用事件的观点来分析真实系统，通过定义事件及每个用事件的观点来分析真实系统，通过定义事件及每个事件发生对系统状态的变化按时间顺序确定，并执行事件发生对系统状态的变化按时间顺序确定，并执行每个每个事件发生时有关的逻辑关系，这就是事件调度法的事件发生时有关的逻辑关系，这就是事件调度法的基本思基本思想想。1.3.3 仿真方法仿真方法n活动扫描法活动扫描法 如果事件的

49、发生不仅与时间有关，而且与其它条件也有如果事件的发生不仅与时间有关，而且与其它条件也有关，即只有满足某些条件时事件才会发生，在这种情况下，关，即只有满足某些条件时事件才会发生，在这种情况下，可以采用活动扫描法。可以采用活动扫描法。n 活动扫描法的基本思想是：系统由成分组成，而成分包是：系统由成分组成，而成分包含着活动，这些活动的发生必须满足某些条件；每一个主含着活动，这些活动的发生必须满足某些条件；每一个主动成分有一个相应的活动子例程；在仿真过程中，活动的动成分有一个相应的活动子例程；在仿真过程中，活动的发生时间也作为条件之一，而且是较之其它条件具有更高发生时间也作为条件之一，而且是较之其它条

50、件具有更高的优先权。的优先权。n进程交互法进程交互法 进程交互法采用进程描述系统，它将模型中的主动成分进程交互法采用进程描述系统，它将模型中的主动成分历经系统时所发生的事件及活动按时间顺序进行组合，从历经系统时所发生的事件及活动按时间顺序进行组合，从而形成进程表。一个成分一旦进入进程，它将完成全部活而形成进程表。一个成分一旦进入进程，它将完成全部活动。动。n 仿真方法仿真方法 以上讨论的三种仿真方法在离散事件系统仿真中均得以上讨论的三种仿真方法在离散事件系统仿真中均得到广泛的应用。有些仿真语言采用某一种方法，有的则允到广泛的应用。有些仿真语言采用某一种方法，有的则允许用户在同一个仿真语言中用多

51、种方法，以适应不同用户许用户在同一个仿真语言中用多种方法，以适应不同用户的需要。的需要。 显然，选择何种方法依赖于被研究的系统的特点。一显然，选择何种方法依赖于被研究的系统的特点。一般说来，如果系统中的各个成分相关性较少，宜采用事件般说来，如果系统中的各个成分相关性较少，宜采用事件调度法；相反宜采用活动扫描法；如果系统成分的活动比调度法；相反宜采用活动扫描法；如果系统成分的活动比较规则，则宜采用进程交互法。较规则，则宜采用进程交互法。 下图是以出纳员队列模型为例列出这三种方法的流程下图是以出纳员队列模型为例列出这三种方法的流程图，由图可清楚地看到它们之间的关系。图，由图可清楚地看到它们之间的关

52、系。 下图图 出纳员队列模型出纳员队列模型 （a）到达事件流程图）到达事件流程图（b）离开事件流程图）离开事件流程图1.3.31.3.3图图 出纳员服务活动流程图出纳员服务活动流程图 图图1.3.4 1.3.4 出纳员服务进程流程图出纳员服务进程流程图 1.4 物流仿真及相关软件简介物流仿真及相关软件简介n随着中国经济市场化进程的进一步加快，物流业也迅速地随着中国经济市场化进程的进一步加快，物流业也迅速地成长，全国各地的物流工程建设也在逐步展开但是成长，全国各地的物流工程建设也在逐步展开但是随之随之产生一系列物流工程项目投资建设的合理性分析决策问产生一系列物流工程项目投资建设的合理性分析决策问

53、题题更进一步细化来说，物流配送中心的地理位置选择是更进一步细化来说，物流配送中心的地理位置选择是否恰当，物流配送中心的建设容量设计是否适当，物流装否恰当，物流配送中心的建设容量设计是否适当，物流装备的配置或者场地规划是否合理，以及物流配送车辆分配备的配置或者场地规划是否合理，以及物流配送车辆分配和线路优化等等，如果只是凭老经验或者凭感觉来判断，和线路优化等等，如果只是凭老经验或者凭感觉来判断，显然会有这方面那方面的疏忽，而且一个物流工程项目，显然会有这方面那方面的疏忽，而且一个物流工程项目，少则投资十几万，多则几百万、几千万，稍有失误，后果少则投资十几万，多则几百万、几千万，稍有失误，后果不堪

54、设想避免上述情况，较为有效的办法就是采用物流不堪设想避免上述情况，较为有效的办法就是采用物流仿真技术仿真技术1.4.1 概念概念n物流仿真技术物流仿真技术是借助计算机技术、网络技术和数学手段，采是借助计算机技术、网络技术和数学手段，采用虚拟现实方法，对物流系统进行实际模仿的一项应用技术，用虚拟现实方法，对物流系统进行实际模仿的一项应用技术，它需要借助计算机仿真技术对现实物流系统进行系统建模与它需要借助计算机仿真技术对现实物流系统进行系统建模与求解算法分析，通过仿真实验得到各种动态活动及其过程的求解算法分析，通过仿真实验得到各种动态活动及其过程的瞬间仿效记录，进而研究物流系统的性能和输出效果瞬间

55、仿效记录，进而研究物流系统的性能和输出效果n物流仿真物流仿真是指评估对象系统是指评估对象系统(配送中心、仓库存储系统、拣货配送中心、仓库存储系统、拣货系统、运输系统等系统、运输系统等)的整体能力的一种评价方法。的整体能力的一种评价方法。n 例子例子n美国美国UPS(United Parcel Service，联邦包裹快递，联邦包裹快递)公司想公司想在满足客户服务质量的前提下，在庞大的人员车辆配置和成在满足客户服务质量的前提下，在庞大的人员车辆配置和成本之间取得最佳平衡的时候，它求助的方法是物流仿真技术；本之间取得最佳平衡的时候，它求助的方法是物流仿真技术；n宝洁宝洁(P&G)总部提出要

56、设计一个覆盖北美的高效的供应链网总部提出要设计一个覆盖北美的高效的供应链网络，该网络不但要满足客户的日常订单处理和配送要求，还络，该网络不但要满足客户的日常订单处理和配送要求，还要具有极强的抗波动性，宝洁公司采用的解决办法也是物流要具有极强的抗波动性，宝洁公司采用的解决办法也是物流仿真技术物流仿真技术在复杂物流系统的分析和决策中的仿真技术物流仿真技术在复杂物流系统的分析和决策中的巨大价值在欧美已成为不争的事实，每年创造着数以千亿美巨大价值在欧美已成为不争的事实，每年创造着数以千亿美元的经济效益元的经济效益1.4.2 我国物流仿真技术现状我国物流仿真技术现状n在我国，物流仿真技术还是个比较新的概

57、念，大多数企业对在我国，物流仿真技术还是个比较新的概念，大多数企业对物流仿真技术的应用状况及其意义了解并不多物流仿真技物流仿真技术的应用状况及其意义了解并不多物流仿真技术最大的优点就是不需要实际设备的安装，不需要实际实施术最大的优点就是不需要实际设备的安装，不需要实际实施相应的方案，即可验证如下目标：增加新设备后给公司或相应的方案，即可验证如下目标：增加新设备后给公司或企业带来的效应；设计新的生产线的好坏；比较各种设企业带来的效应；设计新的生产线的好坏；比较各种设计方案的优劣等等物流仿真对降低整个物流投资成本，是计方案的优劣等等物流仿真对降低整个物流投资成本，是不可或缺的。不可或缺的。1.4.

58、3 物流仿真软件简介物流仿真软件简介nArenan美国美国System Modeling公司开发的可视化的通用交互集成的仿真软件，公司开发的可视化的通用交互集成的仿真软件，很好地解决了计算机仿真与可视化的有机集成，具备高级仿真器的易用性很好地解决了计算机仿真与可视化的有机集成，具备高级仿真器的易用性和专用仿真语言的柔性它是一种集成的仿真软件，在物流中的主要运用和专用仿真语言的柔性它是一种集成的仿真软件，在物流中的主要运用有：在生产过程中，进行设备布置；在生产管理中，进行生产计划、有：在生产过程中，进行设备布置；在生产管理中，进行生产计划、库存管理、生产控制和产品市场的预测和分析等；在生产价值分

59、析方面，库存管理、生产控制和产品市场的预测和分析等；在生产价值分析方面，可进行生产系统经济性、风险性分析，从而改进生产、降低成本或辅助企可进行生产系统经济性、风险性分析，从而改进生产、降低成本或辅助企业投资决策；可实现企业流程再造可视化仿真优化，实现敏捷供应链管业投资决策；可实现企业流程再造可视化仿真优化，实现敏捷供应链管理的可视化仿真决策等理的可视化仿真决策等nAutomodn美圉美圉Brook Automation公司开发的产品，它是目前市面上比较成熟的公司开发的产品，它是目前市面上比较成熟的三维离散性事件仿真软件之一。三维离散性事件仿真软件之一。Automod建立搬运机器设备等囹对象物建立搬运机器设备等囹对象物体对各个作业流程都要建立过程语言，通过编程序才能做出作业流程。体对各个作业流程都要建立过程语言，通过编程序才能做出作业流程。建模操作十分复杂：由于对全部机器设备等对象物都需要程序命令语言，建模操作十分复杂