生产系统建模仿真概论

1、生产系统建模仿真概论仿真的知识体系输入分析输出分析模型的检验与验证随机数的产生随机变量的产生统计模型排队模型仿真实例基本原理仿真软件仿真数据分析随机数数学与统计模型入门基本 参考书v 班克斯等著,范文慧,肖田元译,离散事件系统仿真(原书第4版),机械工业出版社,2007.7. ￥52v Jerry Banks, John Carson, Barry Nelson, David Nicol, “Discrete-Event System Simulation” 4th Edition, Prentice-Hall,2005.v 蔡建峰,管理系统模拟,机械工业出版社,2007.1. ￥20v 王维

2、平,离散事件系统建模与仿真（第二版）,科学出版社,2007.8. ￥36CH1 概论生产系统建模与仿真第一章概论一什么是仿真？ 引言二仿真能干什么？仿真的应用三仿真的对象是什么？系统、模型与仿真四仿真有前途吗？仿真的发展历史与趋势五如何仿真？仿真研究的步骤什么是仿真？一、引言发动机CASEv 例1：只有一个理发师的理发店的工作过程理发师空闲？顾客到达排队等候接受服务顾客离开YCASEv 例1：只有一个理发师的理发店的工作过程 假设： 每位顾客到达间隔时间为A1，A2，A3， 每个顾客的服务时间为S1，S2，S3， 目标： 顾客平均排队长度？ 顾客平均等待时间？CASEv 例1：只有一个理发师的

3、理发店的工作过程Q321123456 7A1A2A3 S1S2S3A4 8A5 A6 A7 S4S512第二个顾客的等待时间第三个顾客的等待时间理发师空闲TA1， A2， A3是顾客到达时间间隔S1， S2， S3是顾客服务时间CASEv 例1：只有一个理发师的理发店的工作过程Q321123456 7A1A2A3 S1S2S3A4 8A5 A6 A7 S4S512第二个顾客的等待时间第三个顾客的等待时间理发师空闲T平均等待时间=顾客等待时间之和顾客数平均排队长度=上方阴影面积之和时间CASEv 例1：只有一个理发师的理发店的工作过程Q321123456 7A1A2A3 S1S2S3A4 8A5

4、 A6 A7 S4S512T服务台空闲？顾客到达排队等候接受服务顾客离开Y平均等待时间=顾客等待时间之和顾客数平均排队长度=上方阴影面积之和时间模型求解数据分析CASE仿真能干什么？二、仿真的应用仿真的应用1. 军事领域2. 工业领域3. 教育培训4. 其他领域军事领域v 武器装备研制v 军事训练 SIMNETv 先进概念与军事需求分析工业领域v 波音777 计算机上完成： 整机设计 部件测试 整机装配 各种环境下的试飞 开发周期 过去的8年缩短到5年工业领域v 设计与实施生产线 Perot System Team利用QUEST及IGRIP 在所有设备订贷之前，对生产线的运动学、动力学、加工能

5、力等各方面进行了分析与比较 生产线的实施周期从24个月缩短到9.5个月Quest 仿真实例工业领域v 新车研制 Chrysler公司与IBM合作开发的虚拟制造环境 在样车生产之前，发现其定位系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了研制周期。工业领域v 产品设计教育培训v 载体操纵类 训练驾驶员的操纵技术教育培训v 过程控制类 训练各种工厂(如电厂、化工厂、核电站、电力网等)的运行操作v 博弈决策类 企业管理人员(厂长、经理) 交通管制人员(火车调度、航空管制、港口管制、城市交通指挥等) 军事指挥人员(空战、海战、电子战等)其他领域v 医学：中国虚拟人中国虚拟人2号-首例女性中国虚拟人1号其他领域v

6、 游戏 模拟飞行器仿真的对象是什么？三、系统、模型与仿真三、系统、模型与仿真v 系统是按某种规律结合起来，相互作用、相互依存的所有实体的集合，是研究的对象v 模型是系统的抽象v 仿真通过对模型的实验以达到研究系统的目的计算机仿真三要素及三个基本活动系统模型计算机仿真建模实验系统建模1、系统v 例1：杭州市公共交通系统 要素： 道路 公交车 线路 公交站 乘客 1、系统v 例2：一个简单的生产线 要素： 三台机器 三个传送带 零件 存储箱 1、系统v 例3：一个小超市 要素： 货架 商品 篮子 顾客 收银台 1、系统v 系统的内涵 所有元素的集合 相互作用、相互依存 按某种规律结合起来 与研究目

7、的相关的、有界的1、系统v 系统三要素 元素 元素组成系统的具体对象 属性 实体所具有的每一项有效特性 活动 指随着时间的椎移，在系统内部由于各种原因而发生的变化过程2、系统模型对实际系统进行简化和抽象、能够揭示系统元素之间关系和系统特征的相关元素实体原型系统结论模型映射实现认识实验2、系统模型2、系统模型v 例1：杭州市公共交通系统2、系统模型v 例2：一个简单的生产线2、系统模型v 例3：一个小超市有三个通道和一个收银台，顾客以7510秒的均匀分布概率到达商场。顾客到达后先取篮子，然后进入一个或者多个通道购物。进入任一通道1、2、3的概率，所需时间和选购商品数量情况如表所示选好商品后，顾客

8、以先进先出的顺序到收银台，在收银台顾客会附加购买21件商品。顾客在收银台停留的时间取决于购买的商品数量，收银时间为每件商品3秒钟。收银完毕后顾客留下篮子并离开商场。通道通过的概率所需时间选购商品数量10.75120603120.55150304130.8212045513、系统仿真v 系统仿真 将系统的行为（状态）历程用数学或者图示的方法演示出来。v 系统仿真的本质 对系统模型的实验 研究一个系统3、系统仿真v 仿真（模拟） Simulationv 意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。G.W.Morgenthler, 1961v 系统仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存

9、在的或者设计中的系统。简言之，系统仿真是对系统动态模型的实验。目前流行于工程技术界的定义计算机仿真三要素及三个基本活动系统模型计算机仿真建模实验系统建模4、系统与模型的类型SystemExperiment with actual systemExperiment with a model of actual systemPhysical modelMathematical modelAnalytical solutionSimulation4、系统与模型的类型v 仿真模型的分类 Deterministic or Stochastic Does the model contain stochas

10、tic components? Randomness is easy to add to a DES Static or Dynamic Is time a significant variable? Continuous or Discrete Does the system state evolve continuously or only at discrete points in time? Continuous: classical mechanics Discrete: queuing, inventory, machine shop models连续系统v A continues

11、 system is one in which the state variables change continuously over timeHead of water behind the dam离散系统v A discrete system is one in which the state variables change only at a discrete set of points in timeBank example离散系统模型v Discrete-Event Simulation Model Stochastic: some state variables are ran

12、dom Dynamic: time evolution is important Discrete-Event: significant changes occur at discrete time instances四、仿真的发展历史与趋势仿真有前途吗？四、仿真的发展历史与趋势v 发展历史16001940s 物理科学基础上的建模1940s 电子计算机的出现1950s 仿真应用于航空领域1960s 工业操作过程仿真1970s 包括经济、社会和环境因素的大系统仿真四、仿真的发展历史与趋势v 发展历史1970s中期 系统与仿真的结合，如用于随机网络建模的SLAM仿真系统1970s中期 系统仿真与更

13、高级的决策结合，如DDS1980s中期 集成化建模与仿真环境，如Prisker公司的TESS建模仿真系统1990s 可视化建模与仿真，虚拟现实仿真、分布交互仿真四、仿真的发展历史与趋势面向对象仿真定性仿真智能仿真分布交互仿真可视化仿真多媒体仿真虚拟现实仿真Internet网上仿真发展趋势面向对象仿真OOSv 使用面向对象设计和程序设计工具进行建模和执行的系统。 Simula Smalltalk定性仿真(Qualitative Simulation)v 以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结果输出等仿真环节，通过定性模型推导系统的定性行为描述。v 定性仿真能处理多种形式的信息，有推理能力和

14、学习能力，能初步模仿人类思维方式，人机界面更符合人的思维习惯，所得结果更容易理解。智能仿真v 将智能技术引入整个建模与仿真过程人工智能技术仿真技术专家系统知识工程模式识别神经网络仿真模型仿真算法仿真语言仿真软件分布交互仿真v 通过计算机网络将分散在各地的仿真设备互联，构成时间和空间相互耦合的虚拟仿真环境分布交互仿真v 1983年美国国防部的国防高级研究计划局（DARPA）启动了SIMNET（Simulator Networking）计划可视化仿真v 为数值仿真过程及其结果增加文本提升、图形、图像、动画等。v 动画仿真Quest 仿真实例乐龙仿真实例多媒体仿真v 使人的感官和思维进入仿真回路 采用不同媒体形态描述不同性质的模型信息 建立反映系统内在运动规律和外在表现形式的多媒体仿真模型 在多媒体计算机上运行 产生定性、定量相结合的系统动态演变过程虚拟现实仿真v 采用计算机技术和其他专用软硬件生成一个使人在视觉、听觉、触觉和嗅觉等感官上都有