离散系统仿真

1、离散系统仿真离散事件仿真的特点 - 瞬时的事件 - 事件之间可变的时间间隔 - 多种行为法则描述行为法则的几种典型的仿真策略 - 因果型子系统的仿真策略 - 基于事件时间调度的仿真策略(Event Scheduling) - 基于活动扫描的仿真策略(Activity Scanning) - 基于过程交互作用的仿真策略(Process Interaction) 1离散系统仿真建模特点系统描述 模型难以采用某种规范的形式，而一般采用流程图或网络图的形式才能准确地定义实体在系统中的活动。仿真策略 采用何种方法推进仿真时钟，以便在统一的时间基础上建立起各类实体之间的逻辑联系，是离散事件系统仿真建模的重

2、要内容之一。2概念模型实现仿真模型的两个阶段 - 概念性描述： (1)确定模型需满足的“研究目的”。 (2)通过逐次求精的过程，将一个初始的、一般 性的目标转变成一些更为特定的子目标。 - 形式化描述： (1)用系统的输入/输出/状态以及时间的数学变 量来描述系统的研究目的。用自然语言描述的概念模型 - 系统(状态，实体，属性，事件，活动等) - 目标(响应，因素，准确度和精度等) - 实验框架(输入/响应，运行次数，初始化等)3形式化模型形式表示 - 将概念模型中的输入/输出/状态用数学变量来 表示。 - 将概念模型中对应于功能子系统活动的抽象功 能，即相应子功能的变量间的相互关联用数学函

3、数来表示。算法模型：计算机上可实现的形式化模型 (数学表达式、谓词演算、图形表示) X(t+)=X(t)+U(t)X(t):=X(t)+U(t)04因果型子系统的仿真策略(1)以修理店为例： - 喷漆和抛光两个子活动可以同时进行(对不同对象)。 - 决策活动D决定对某个到达的对象是作喷漆还是抛光。 - 如果D又取决于某个 D 的输出，则 D 必须先于D， 即这是因果关系。 但在时间上，D可看作是 一个瞬时事件，而喷漆 和抛光是两个耗时的活 动。所以在一个子系统 中，既有耗时的活动， 又有瞬时的事件，就必须有一个仿真策略。D抛光喷漆D5因果型子系统的仿真策略(2)因果型子系统的仿真策略(1)由一

4、个主控模块来管理时间前进进程、子模型执行 次序和子模型的集成。(2)在层次结构的某一层上，一组功能子模型(FSM)对 应于一组同时并进、交互作用的功能子系统(FSS)， 与功能子系统的因果关系有一对一的对应关系。(3)功能子模型本身不必考虑其他功能子模型的作用， 由主控模块用输入/输出来管理各功能子模型间的 通信。 6事件的时间调度(Event Scheduling)基本思想：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所引起系统状态的变化，按时间顺序确定并执行每个事件发生时有关的逻辑关系。未来事件表(FEL: Future Event list) - 事件Ei - 事件发生时间ti

5、 - FEL的表示形式: “事件/时间”对的列表， 内部按时间排序。 (Ei, ti) = (Ei=D/离开，A/到达，E/结束,ti)7基于FEL的仿真过程基于FEL的仿真方式 - 每运行一步，从FEL取出当前时间ti将要发生的 事件Ei，然后计算新的状态和在此状态下的持续 时间，安排新的事件并插入FEL。 - 反复抽取这个FEL中最早的项就可以按时间产生 整个模型的行为。基于FEL的排队系统仿真例子8基于FEL的排队系统仿真例子到达事件：1)如服务忙，等待线增加1人；如空，产生服务时间ts，在ti+ts安排新的离开事件。2)产生新的到达间隔，安排下个到达事件。离开事件：1)如等线有排队，等

6、待线减少1人，产生服务时间ts,在ti+ts安排新的离开事件。如无，则回到时间进程。时钟系统状态LQ(t) LS(t)FEL离开 到达累加状态 B MQ0 0 1(D,4), (A,8), (E,60) 0 14 0 0(A,8), (E,60) 4 18 0 1(D,9), (A,14), (E,60) 4 19 0 0(A,14), (E,60) 5 1到达间隔 0 8 6 1 8 服务时间 4 1 4 6 3 9面向事件的仿真程序结构图调度第1次到达事件从事件表中选出最先要执行的事件作为当前事件，使时间TIME拨至当前事件的发生时刻按当前事件分叉转移处理到达事件处理离开事件处理启动TIM

7、E仿真时间输出统计结果结束NY10活动扫描(Activity Scanning)基本思想：描述系统的实体所进行的活动以及预定导致活动开始或结束的条件。活动开始或结束的事件并非由模型事先安排，而是由活动规定的条件所初始化。随仿真时间的推移，对每项活动的开始或结束的条件进行扫描。条件/行动算法 - 条件算法：根据当前状态与 规定的条件作比较，然后决定是否应作某项活动。 - 行动算法：用以计算进行活动后所处的新状态。到达活动服务活动到达事件服务开始事件服务结束事件11基于活动扫描的仿真过程基于活动扫描的仿真方式 - 在仿真时间的每一瞬间，仿真模型扫视各条件算法，并执行相应的行动算法。即：如果预定条件

8、满足的话，则相应的活动就得以进行。为保证顾及每项活动，必须在每个时间点对整个活动集合进行扫描。面向活动(时间)的仿真结构框图 12面向活动(时间)的仿真结构框图TIME=1到达行动处理离开行动处理启动顾客到达输出统计结果结束NYTIME仿真时间在这一时间内有服务完成否TIME:=TIME+1NYNY13过程交互作用(Process Interaction)基本思想：为每个实体建立一个过程，该过程反映某一动态实体从建立开始到结束为止的全部活动。过程(也称进程) - 过程由事件的时间序列以及若干活动所组成。过程运行时间图14顾客进程运行时间图XX进程号时间432115离散系统仿真的主动性对象系统主

9、动性对象系统简单排队系统生产线仿真16主动性对象系统(AOS)AOS对象具有标准化结构接口变量 - 用以建立对象间要求的连接。在实例化时接口变量被 连接相应的对象上。AOS对象具有的主动性行为规则 - 主动性行为规则(转移规则)是一个“条件/行动”对。AOS程序 - 主程序和对象类描述接口变量实例变量行为规则17AOS是一个面向对象的产生式系统。 - 产生式系统(规则库、推理机、当前数据库)适合于各 种需要灵活的同步的并发系统。 - OO方法使我们可以达到更高水平的模块化和代码共享。目的：让软件对象像硬件对象一样地构成和模块化。 - 硬件对象 连接 组成更高一级的硬件对象。 - 软件对象 “p

10、ick-and-place” 构成某种并发系统。特点：AOS中有一系列交互作用的对象，每个对象的行为 由提供给对象类的转移规则来决定* 。18简单的排队系统系统构成 - 工件发生器(g)：产生工件流。 - 处理器(p1,p2)：加工处理工件。 - 队列(q1,q2,q3)：放置待加工处理工件。按C+句法和语义的AOS描述(伪码) - 主程序与对象类描述*q1q2q3gp1p219生产线仿真为生产线建模的两种建模途径 - 工件流模型(Job-Flow Model):着眼于系统中的工件流，即在各物理关口观察工件的流动状况。在工件流模型中，物理组件均可直接被映射成为主动性对象。而工件则是在主动性对象

11、间流通的被动性对象*。- 过程模型(Process Model)：着眼于每个工件在系统中经 历的过程。在过程模型中，每个工件所经历的状态和转移 被表示为主动性对象*。 cmr1r2S20AOS特点AOS对象具有标准化结构接口变量 - 用以建立对象间要求的连接。在实例化时接口变量被 连接相应的对象上。AOS对象具有的主动性行为规则 - 主动性行为规则(转移规则)是一个“条件/行动”对。接口变量实例变量行为规则实例变量行为描述AOSPOS21AOS描述(伪码) 主程序QueuingSystem Private Generator g with output = q1; Queue q1; Proc

12、essor p1 with input = q1; output = q2; Queue q2; Processor p2 with input = q2; output = q3; Queue q2; Public boolean systemRunning = true;22AOS描述(伪码) Timer类Class Timer Instance Variables enum reset, running, complete status;Behavior Description method startTimer (delay)int delay;/* sets status to ru

13、nning.*/* When the delay time passes, */* status automatically changes */* to complete. */23AOS描述(伪码)Generator类Class Generator InterfaceQueue output;Instance Variables Timer tm with status = reset;Behavior Description Transition rule Start condition: systemRunning and (tm.status = reset); action : t

14、m.stratTimer( random() );Transition rule Stop condition: tm.status = complete; action : output.njobs+; tm.status = reset; 24AOS描述(伪码)Queue类Class Queue Interface/* none */Instance Variables int njobs;Behavior Description /* none */25AOS描述(伪码)Processor类Class Processor Interface Queue input, output;Ins

15、tance Variables Timer tm with status = reset; boolean avail = true; Behavior Description Transition rule Startcondition: (input.njobs 0) and (avail = true); action: input.njobs-; avail = false; tm.startTimer(random(); Transition rule Stop condition: tm.status = complete; action: tm.status = reset; a

16、vail = true; output.njobs+;26AOS程序描述法小结主程序对象类- Interface- Instance Variables- Behavior DescriptionAOS程序27工件流模型(1) 工作原理 machining传送设备机器人1机器人2存储设备加工机器in-conveyorunloading1in-storageloading1out-conveyorloading2out-storageunloading228工件流模型(2) - 主程序描述System Private Generator generator with c = conveyor;

17、Conveyor conveyor; Robot1 robot1 with c = conveyor and s = storage; Storage storage with MAXPLACES = 2;Robot2 robot2 with s = storage and m = machine; Machine machine;Public boolean systemRunning = true;29Petri网位、库所(places) - 阶段位：阶段位中的一个“标识”代表与该阶段位相关联的生产阶段中的一个工件。 - 资源位：资源位中的一个“标识”代表与该资源位相关联的自由资源的一个单

18、位，资源位的输入表示释放资源，输出表示占用。转移(transition) - 对每个转移标出输入至它的资源位数 m和由它输出的资源位数 n。30基于Petri网的过程模型outConveyorinConveyormachiningloading1unloading1inStorageunloading2outStorageloading2t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10r1r2mbc31过程模型的主程序描述(1)System Private Resource c with ID = 1 maxResource = 1; b with ID = 2 maxResource = 2; m with ID = 3 maxResource = 1; r1 with ID = 4 maxResource = 1; r2 with ID = 5 maxResource = 1; Generator g; Stage inConveyor, unloading1, inStorage, loading1, ma