第5章Arena概述与仿真建模基本操作16

1、#第5章Arena建模基本操作MM»Bi mm5.1 Arena建模概述#5.1.1 Arena功能与特点Arena是一种支持用于离散事件仿真可视化交互式 仿真软件(VIS)。应用Arena,用户可以交互地建立 模型，创建系统的动画，运行仿真器，收集仿真输 出的数据，创建查看需要的统计报告。Arena还包括 输入分析器，它是一个输入数据分析的工具。用流程图将系统表示成实体相关活动的逻辑网络。Arena通过完整层次化结构(hierarchical) 保持了建模的灵活性。Arena支持分层建模，即一些模型元 素可以代表一个下层模型；下层模型可以包含更深 一层的模型。分层建模可以将复杂的模

2、型分解成更 小更容易理解的模型单元。5.1 Arena建模概述5.1.1 Arena功能与特点提供了 13个(ArenalO.O)建模模板(Template)，每个模板中提 供了许多用于图形仿真建模与分析的模块(Module)，将这些模 块组合起来就能构建出各种不同的仿真模型(Model)。为了便于组织和显示，各模块按类型组合在一个面板(Pa nel)中构成模板。通过面板间的切换，可以很方便地找到所有的仿 真建模构件集。不同模板的面板中的模块可以在同一个模型中 混合使用。Arena是与微软Ofice兼容的产品，它的工具栏和菜单栏与 Office是类似的。同时Arena使用网络化多媒体动画技术(

3、OLE 动画)和VB视窗技术与桌面应用程序的整合。嵌入在流程导 航工具Visio里的接口使得用Visio画的流程图可以自动导入 Arena中。上5K2上丰HMM IWIOM5.1 Arena建模概述5.1.1 Arena功能与特点Arena应用领域物流领域，Arena的应用涉及从供应商到客户的整个供应链，包括供应 商管理、库存管理、制造过程、分销物流、配送中心选址规划 /商务过 程以及客户服务等。制造过程仿真：生产过程中的工艺过程计划、设备布置等； 生产管理中的生产计划、库存管理； 制造过程的经济性、风险性分析，辅助企业投资决策； 各种先进制造模式如虚拟组织及敏捷供应链管理的可视化仿真等。服务

4、系统应用，Arena常用来进行医疗系统的医院临床设备、医生、护 士的配备方案选择和医疗改善等；交通运输中的高速公路的交通控制， 出租车的管理和路线控制，港口运输计划模型，车辆调度；公共服务的 紧急救援系统等。#5.1 Arena建模概述5.1.2 Arena仿真环境与基本建模要素Arena的窗口构成UOll-rdrH(Mi-lbW 空 a etQk亠 * O T：-C A J.-J1Model window Flowchart viewProject BarLdl_l l«w<Model window spreadsheetviewArena的模块类型在Arena中，模块是流程

5、图的组成部分以及数据的载体, 仿真所需要的信息都储存在模块中。FF,八,.丄丄“ 亠步亠5.1 Arena建模概述邑炷5.1.2 Arena仿真环境与建模基本要素” 1.流程图模块（Flowchart module）表5-3 Arena基本操作面板的模块类型和功能模块名称与图示模块功能Create,：mb、y流程的开始，产生主动实体，主动实体从该模块 进入仿真过程。ProcessJf I¥ 处理一项活动，通常需要一个或多个的资源，并 且需要消耗一些时间来完成。是程序的分支部分，实体只可以选择一个分支。Decide控制实体的逻辑流程。Assig nfl *Hl|h 1 I改变参数和变量

6、的值（在仿真过程中），例如实体 的类型、属性或全局变量等。Record1统计功能模块，统计实体的数量和时间周期。.7|在继续运行流程之前 收集 （匹配）一些 实体。Separate:在并行的程序中复制主动实体，或是将先前所建 立的一组实体分散成其他组。Dispose1流程的结尾，消除主动实体，主动实体从该模块 退出仿真过程。H爲驚5.1 Arena建模概述5.1.2 Arena仿真环境与基本建模要素2. 数据模块(Data Module)数据模块用于定义各种操作元素的属性，如实体，资源和 队长。它们也可以创建整个模型所用的各种数值变量和数 学表达式。基本操作(Basic Process)面板里

7、的数据模块?实体(En tity)?资源(Resource)?队列(Queue)?变量(Variable)?调度(计划时间表，Schedule)?集合(Set)®莒蹩髪 5.1 Arena建模概述5.1.3应用Arena建模单服务台单队列系统的 Arena模型单服务员单队列系统的顾客的到达时间间隔服从均 值为5分钟的指数分布，服务时间服从均值为TRIA (1, 3，6)三角分布。仿真进行20分钟，估计系统的平均 队长、顾客平均逗留时间、服务台利用率。3#Arriv eServeLeave#图5.3 M/M/1系统流程图#Model 3-1A Simple Processing Sys

8、tem5.1 Arena建模概述Part Arriv esSy s temDrilling Center Queue: Nunber Waiting000Drill Press: Number Busy0Time (Minutes)205The Create Flowchart ModuleThe Entity Data ModuleThe Process Flowchart ModuleThe Resource and Queue Data Modules Resource AnimationThe Dispose Flowchart ModuleDynamic Plots#5.1 Aren

9、a建模概述双击Idle或Busy按钮勾选 Seize Area box资源动画：双击资源动画图标，打开资源 动画绘图窗口在识别选项栏选择正确的资源名字CwranALA«afy ft£hw#5.1 Arena建模概述动态图绘图操作步骤:点击动态图绘图按钮打开对话框1血田应“蚣Tw Aim Lm5.1 Arena建模概述动态图绘图操作步骤：7Lkita Series kibAdd buttonSeries 1 Prupcni« > Sowrte Dam > NairitfQiutuc 1 .eiiylla Prnperliieh：Source Diiki

10、> ExpressionLine > DrawMiideviirkQueue Length(chane Series I Propenies abet e to Queue Length Propert i&a)NQ (Drilling Center(or uw Expression Buikkrl Sta irs (Mlecl froni pull-iJm'iri)Axes TabAms > fiine (Xl Axisdkk (on text to hi-ghUgliL lem-c the box hocke<l)Time (X) Axis Prop

11、rdcs:Scale > Mnxiimuim20Scic » Maiorlntremcru5Title 、TcxiTime (Minutes)Tirle > VisibleTrue iselccl fromA>cs Left Vjluc (Y) A:iisdick (on lexE to highli*h c;n c die box chcckcdjl.chauc (Yl Axi< Properties：Scale > Msijarlncremenl1Title a TextQuelie Leng thTitle > VisibleTrue isd

12、eci troin pul!-(lo«iu#5.1 Arena建模概述仿真结果界面A Simple PtocrssJing System Entity 吕 Time+ VA limeEl NIVA fiiTlij Wit TimeU Transler Time+ Other Time T ffi-Total Timex Otheru Queue Time B Waiting Time 玉 Otherffi RewurceQueu HtflArwrwnUbbtii-8-'riUICni-ng GffTEi Cteu*DMII诙HalMr5Mvuirva口 "闻3取Qj

13、MowJ曲Time1ResourcfiLi*缈UVid<kpnMmun Utaann.AwnagaHMtiLullrilpimhUDC1*： OIK<jMUM MilOM WflWr5.1 Arena建模概述9#仿真结果中的几个测度指标顾客逗留时间（包括服务和等待时间）顾客增值成本顾客等待资源的时间进程中实体个数（ WIP， Work in Process）Arena模型中的成本计算进程中的增值时间和非增值时间:实体（顾客）花费在接受服务上的时间是要支付费用的，是增值时间；花 费在等待服务的时间为非增值时间。5.1 Arena建模概述仿真建模步骤(1) 绘制Arena流程图(2)

14、输入模型参数(3) 修改模型参数(4) 定义仿真参数(5) 仿真模型交互运行(6) 查看输出报告上5K2上丰HMM IWIOM5.1.3应用Arena建模5.1 Arena建模概述建模元素实体是沿着流程图运行的临时主体，像顾客、文件、制造业中的零部 件。实体可以有不同的属性和不同的动画演示图标。资源是系统的资产，用于服务或者加工实体。例如设施、设备、职员、 操作员和机械工。在Arena中，实体顺着流程图完成自己的进程，在 队列中等待着资源可用。资源的能力是指可供实体使用的资源数量。 一个资源可以用固定的能力或者随着计划表变化的能力图表示。许多 成本都可以与实体和资源关联，像资源等待成本或者每小

15、时的资源忙 碌或空闲成本。资源集合是同一类型多个资源聚集在一起，例如接待员或者机械师这 类执行不同操作的群体。资源集合可以让一个实体使用集合中任意一 个资源而不是特定的资源。队列是实体的等待队长，当资源被占用时Arena会自动在相应位置创建队列。队列可以设置不同的等待规则一一先进先出、最高优先级准 变量可以用资源、队列、实体的属性、仿真统计量等来定义。变量的 值可以被初始化，仿真过程中可以被改变和引用。5.2案例般专业化行处行处理一个经典的运营管理问题：当加工（服务）过程包括多项 任务时，是用专业化的工人分工完成整个加工过程？还是 用一般化的工人并行完成整个加工过程？过程时间的可变性如何影响决

16、策？案例问题描述：考虑一个贷款机构，申请以间隔时间均值 为1.25小时的指数分布到达系统，第一个实体0时刻到达； 每个申请处理过程必须按顺序完成如下4个步骤：信用核查、准备贷款合同、贷款定价、资金支付，每项工作时间都是相互独立的均值为1小时的指数分布；开始时刻系统 空闲，运行系统160小时（20个工作日）；输出性能测度指 标包括实体在系统中平均和最大数、平均和最大周期时间， 平均和最大等待时间；贷款机构有4个雇员（Alfie, Betty, Chuck, and Doris）均能胜任每个环节的工作？决 策问题是怎样安排他们的工作任务？串行还是并行？5.2案例：专业化的串行处理和一般化的并行处理

17、115.2.1专业化分工的串行处理模型#(Serial Process ing Specialized Separated Work)Specialized Serial Processing#5.2案例般专业化行处行处理5.2.1专业化分工的串行处理模型mnmi nhom umm5.2案例：专业化的串行处理和一般化的并行处理5.2.1专业化分工的串行处理模型仿真结果Loan Applitiion H Entity:3-Time(B VA Time,'i NVA Timeill TrarKfer Time m Other Time Totali Ume -Cidherp Number

18、ki由 Number Out T二 W1PApplication 由 Processtti QjgL>e RiKDurceWart TimeAverageHMfVMOiMiniiriLjm ValueMaxrrwmVaJuieAppilCS thDfl11 941(InsuHiOHanl)00022273J-Tran sfer TimeAvesraueHatfWdlliMininum 归LKMaxrmini VaJL«Ap(34iDai>aiiOJDO(InsuffioBtfil)ODD0.00OlherTmneA'/erafleHatfVdmMininriurn

19、ValueiUaxrnunii心Jicab帥0.00(Insuffidnl)0.WO.WTotal TimeHnifMhhMinimum 佃ueMax mum 曲底邛(WcabUfi16.DB31(Inaffidnl)1422127.20(89OtherNumber InVai'ueAp0licabiD<i12900Numbar 0u1ValueAp0ticabD(i117.00Awrag®Hatf WWlliMinimum ValueLximiirniWIP12.3931 (InsuflioBnl)000 21000013WMMi Mffli5.2案例般专业化行处行处

20、理5.2.2一般化完整工作的并行处理模型(ParallelProcess ing Ge neralizedIn tegratedWork)AmvingAJfki.(all 4 Blops"*/估 11 4 El 即*Chuck怛 11 4 SJDpsfV1Gm.(all 4 BIejbEResources畸5.2案例般化业5.2.2 一般化完整工作的并行处Model 3-31Gen eralized Parallel Loa n Applicati on|InppApplication Arrives0 POne of thePeople rocesses All Four Step

21、s 厂ApplicationDepartsApplications in Process1 Lx>qic00u1 IRqiLowrv*-Time (Hous)16g 时 TyptiffruT 4i»*11k化的串行处理 勺并行处理:理模型0BMurceRasciuieb Namn:Cuanhy0janObicDr*1OK| |GWil'布若十个扌曰数分布相加疋爱尔朗分CK.CmeaIFWp155.2案例般专业化行处行处理#5.2.2 一般化完整工作的并行处理模型仿真结果Loan AppliclionR EntityTime 申 VA Time & MVA Tim

22、eWa-it Time& Transfer Time B Other Time 血Total Time3 Other* Number In1 NumbeOutW1P Application ffl Process j Queue田 Rewire?Wait Tiitwhd WtduiMvmiuin 中iueMum mumVabeAppiicilJB期fInxiXfeptfnl)QW勺肿T伽 Eftsc 丽 rrwBWWflhMvimuin 胁十Mum mum YWApqMiCdJi 崗000IlnsAjSfflinl)0.000.00Osh*f Tim*hkril WmMiMmiTiii

23、in MueMaAnmim VdueAppiicdrtion000IlnsuScMifTl)ooo0.00Total TimaMrirwuinMum mumhkrf wkHm池IXVaJueApiHinlivi扛妙PInvuftcwil)。剜013OtherHumber InAppJiCMbQtflNuntMxOuiApplieaUan135.00An-tVMtfWanMAnrrNkrt尿iM也lUfiin nnwApfXmvIinfiTnTiB |lnm|AnArrjym»h Mm uwwn*5.2案例：专业化的串行处理和一般化的并行处理#5.2.3 任务时间变动的效果(The E

24、ffect of Task-Time Variability)串行处理等待时间和周期时间大于并行处理的主要原因是 任务时间有很大变动性。例如本例中，一项申请处理时间 低于10分钟(1/6小时)的概率为F(1/6)=1 - e-1/6?0.15, 申请处理时间大于2小时的概率是1 - F(2) = e2 ? 0.14,两 部分顾客的人数几乎相等，较长处理时间的实体使得系统 拥挤排队，较短时间使得资源空闲。Model 3-4将串行模型的每项任务服务时间改为常数1小时Model 3-5将串行模型的每项任务服务时间改为常数1小时上彩"譜 5.2案例：专业化的串行处理 和一般化的并行处理5.2

25、.3任务时间变动的效果四种方案的效果对比Summary R凸*加 from All Four Scenarios of the LMn-Processjhp Mode/Tofil TlnieWilumtwr2MndelWIPin Nisi mi“Hilin 韭 TIitifPriHTirtWlI lilizalininfa'g-Mjx.Avg. Max.tApK 腳门 lev3-2 （細讪）12肿 2116J0&27JIIl.9« 22211170.7S3-3 (parallel i161 105.JSIJ.731.3 J 6J21350.87C ontDanr se

26、nice3-J (scinnlji艸 125J2IMSIJ2 7J8102J-5 cpralkl117 114.»lMM0加 3IU20.66豎肚5.3银行服务系统Arena模型5.3.1银行服务系统问题描述银行营业大厅有4个出纳员一一Alice, Mary, Jeff和Doris有着相似的工作属性。顾客的到达率随着时间不断变化。从银行开门到关门的8小时时间段中，每个小时的 平均到达数量为10, 20, 40, 36, 27, 32，18, 4。每个时 间段中，顾客到达服从泊松分布。另外，顾客可能成群结队 到达。每次顾客到达，有75%的概率是单个顾客，20%的概 率是2个顾客结伴到达

27、，5%的概率是3个顾客结伴。每个顾客的银行事务数量服从如下的分布事务数123456概率0.200.300.220.150.080.05175.3银行服务系统Arena模型5.3.1银行服务系统问题描述4个出纳员服务一个队列，当顾客进入大厅时，如果大厅 里正在接受服务的顾客加上等待的顾客小于10个时，顾客将 进入大厅。否则，会选择离开。服务时间取决于每个顾客需要处理的事务数量。每个事务 的处理时间服从二阶Erlang分布ERLA（ 1.08，2）银行的8小时营业时间是从早上 9点到下午5点。WNMMIOM UWttMTr5.3银行服务系统Arena模型19#5.3.2 建立模型选择流程图模块构建

28、模型产生到达的顾客Create定义到达顾客的事务数量属性Assig n决定顾客进入银行营业大厅还是离开Decide一顾客接受服务Process完成服务离开系统 Record和Disposeif闻細IPf a -零辽出瓷5.3银行服务系统Arena模型5.3.2 建立模型定义模型中的资源（Resource模块）在Basic Process面板中点击 Rerource，在资源电子表格中 双击“ Double-click here to add a new row”。创建4行 数据如图所示：Bihc/ Ba-di ile / Bdue|fez- Vsef1a.tcSEt kBelrKilureiKe

29、pirt SiKlislSics1FLlei CiHiGlitTtD. 00.0i. a0 cavsFzJkryJL1 Id CLXriLCLtj皿 TllejrE ResourceID. DQ. d4. QQ rowsF0JeffFiitd. CipicLtrIl0.00.0o.atdUSF4-TlSli IrW-CUTL0- 0Q Ql'-00 cawsF创建一个资源集合（Set数据模块）JettLie ASet *#Doubla-cliekto add « new raw.Douli e-clicl here &ddl a. new low.21#5.3.2建立

30、模型银行服务系统Arena模型定义每次到达的顾客数（Create模块的参数定义）#每次到的人数 1，2，3概率0.75, 0.20, 0.05DISCRETE( .75, 1, .95,2, 1.0,3)#MNM MIOM5.3银行服务系统Arena模型#建立模型#定义每个顾客在银行拟完成的事务数量（Assign模块的参数定义）0E | CaiiCElHelp23比出5.3银行服务系统Arena模型5.3.2 建立模型顾客决定是否进入银行（Decide模块参数输入）#Do Transations.WIP是等待服务和接受服务的顾客总数Arena变量5.3银行服务系统Arena模型5.3.2 建立

31、模型顾客办理银行事务过程的建模（Process模块）DOTran sacati ons0 |活动过程包括等待资源，占用资源，活动延迟时间，释 放资源Seize Delay Release选项定义ResourceSet选项，资源集合Teller 的Cyclical的循环资源选择规则使得系统运行时每个资源都 尽可能地平等利用忙期（延迟）类型是 Expression，表达式为：No. of transcations* ERLANG（1.08,2）#鹽爲兌5.3银行服务系统Arena模型5.3.2 建立模型Record豢辽汽辽5.3银行服务系统Arena模型5.3.2 建立模型顾客离开系统Dispos

32、e 模块255.3银行服务系统Arena模型275.3.2建立模型仿真结果右 饰tcs*ry by Rspl irmiflnf? IB 1STMe ejiKl Ein riFrloa 無4p5a V| r 电 丫尊也Rl* h昌芒|lmbw |i -i彳犬算 p- HMtI«-Rw»H-iliwi 1Thrw 卩. EiilifyFfctjaV* Tfflf Pw Eni«YHtfVMhWifflimL-i iiTi M飙dL斗扫 + Che mt BiM T#m*母2«.1»0ihfuffl;l*nl iQ呻科4+ Ac：ix*jLate&g

33、t;Wai TlmePtf EnltrAvtfHaTVMhWwnjmfa+ Qthtf I?-ETM"晌 134WT01* RnjmiT?* SrtWT pIbJ Twtv* P« Erriftjkvwiwnjj+ Us*r SbeciflM + 2 + Rtf'Lk-eikcm 3,1757iWH!iffiel*rti«0.51424+ R«y>L1wiw 4 + RqU酣订简EAeeumulated TinwAicgym 皆 T|n»fVriLH£h» Ir-fensAdlMia脱口iiF*nVflL*M&

34、gt;7rMS*dk«974I.-MT Miri Adilih Tm¥BU$vj：E-c35 / OOM5.3银行服务系统Arena模型#仿真结果TotalAverageAverage12345En tity cycle time7.507.837.547.287.457.61Qr*CC/">GQ A/l P4.064.303.353.914.454.28process vvipQueue: nu mber wait ing1.441.520.911.291.711.75Resource: utilizatio n of Alice0.640.650.600

35、.660.650.635.4复印中心的Arena模型111Batch 10Batch （打包）模块用于将实体组合在 一起形成一个整体（或一批），便于对 实体进行加工处理和传输的仿真。实体分解成独立的部分来进行单独加工_0处理或进行并行加工处理。Separate 1卜Original制造业和服务业系统仿真中，当需要0DuplicateSeparate （分解）模块能够将打包的对成组零件进行集成加工和对实体进行 并行操作时可应用这两个模块建模。阅读“用户指南”可了解这两个模块的具体使用规则MMMMIOM wmint5.4复印中心的Arena模型5.4.1复印中心问题定义复印中心有一台快速机器和一台

36、慢速机器，快速机器的每 页复印时间服从均值为1.6秒标准差为0.3秒的正态分布。慢 速机器的每页复印时间服从均值为2.8秒标准差为0.6秒的正 态分布。到达流服从泊松分布，即顾客到达时间间隔服从指 数分布，均值为3.0分钟。每个顾客的复印的页数是U （10, 50）的均匀分布。选择复印机的规则如下：如果复印页数小于等于30页将使用慢速机器。如果复印页数大于30页，将使用快速机器。如 果当慢速机器没有工作而快速机器上至少有2个顾客等待和 正在复印时，顾客将选择慢速机器。当顾客拿到复印原件时，将到收银台付款。结帐的时间服 从均值为2.1分钟标准差为0.6分钟的正态分布。当结帐和复 印活动完成后，顾客带上复印件离开复印中心。复印中心一天工作10小时。5.4复印中心的Arena模型5.4.2 Arena 模型定义资源和实体：定义的资源包括一台慢速机器、一台快速机 器、一个收钱款的职员。定义一类顾客临时实体一一代表进入系统有复印需求的人。这些要素可以通过在Basic Process面板中点击Entity和Resource电子表格数据模块实现。复印中心顾客流程的基本结构是：1. 创建一个新顾客；2. 对顾客的复印数量进行抽样；3. 决定使用慢速复印机还是快速复印机；4. 如果慢速复印机被选择后：4A.同时