Czhang-第五章 系统仿真课件

1张冲南京邮电大学管理学院Email：zcbling@163.com第五章系统仿真2第五章系统仿真

第一节系统仿真概述第二节离散事件系统仿真第三节系统动力学3第一节系统仿真概述1系统仿真的概念2系统仿真类型介绍3计算机仿真技术（ComputerSimulation）4仿真技术的本质41系统仿真的概念“仿真”一有时也译作“模拟”，是“模仿真实世界”的意思。基本概念

所谓系统仿真，就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。

5系统仿真就是在建立数学逻辑模型的基础上，通过计算机实验，对一个按照一定的决策原则或作业规则由一个状态变换为另一个状态的动态描叙和分析。对于现实世界的一些问题，我们可以通过仿真创立模型，以使我们对问题有更深的理解.6实际系统计算机模型建模仿真72、系统仿真的实质(1)它是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处理。

(2)仿真是一种人为的试验手段。它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。这是仿真的主要功能。

(3)仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。83、系统仿真的作用

(1)仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。尤其是对一些复杂的随机问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。

(2)对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。

94计算机仿真技术

（ComputerSimulation）是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合技术。10计算机仿真语言计算机仿真语言是具有适应系统仿真需要特点的，以问题为基础的计算机程序语言。到目前为止，主要的仿真语言有:CSSL,CSMP,DYAMO,GPASS,SLAM等等。它们主要用在管理学方面。11仿真类型模型类型计算机类型经济性物理仿真(模拟仿真）物理模型模拟计算机费用很高半物理仿真(混合仿真)

物理－数学模型混合计算机费用中等计算机仿真(数字仿真)数学模型数字计算机费用不高5系统仿真类型介绍127系统仿真发展史和现状仿真方法的应用最早可追溯到1773年，法国自然学家用仿真方法做物理实验估计π值。

1876年，美国统计学家第一次用仿真方法做随机数实验。

1908年，W．S．Gosset用仿真方法证明"t分布法"。

1940年代初，美国开始了飞行模拟器的设计。

1966年，美国MIT的林肯实验室开始了头盔式显示器的研制。

1983年，美国的DARPA（注：先进防御研究项目机构）开始开发实用的虚拟战场，设计出了SIMNET系统，到1989年，形成了约260个地面装甲仿真器及通迅网络、指挥所和数据处理设备等互联的网络，结点分布在美国和德国的11个城市。

1989年，北欧制定“欧几里德计划”，把仿真技术作为11项优先合作发展的项目之一。

1992年，美国提出22项国家关键技术，仿真技术列第16项；提出21项国防关键技术，仿真技术列第6项。

20世纪90年代，美国进行了“扩展的防空仿真系统”（EADSIM）计划，该系统是用于攻防体系对抗研究的作战仿真系统。近年来美国更加重视仿真，将发展“合成仿真环境”作为国际科技发展的7个科技推动领域之一。

13国内发展史和现状我国自20世纪50年代开始，在自动控制领域首先采用仿真技术，面向工程建模和彩模拟计算机的数据仿真获得较普遍的应用。60年代，在开展连续系统仿真的同时，已开始对离散事件系统（如交通管理、企业管理）的仿真进行研究。

70年代，训练仿真器获得迅速发展，自行设计的飞行模拟器、舰艇模拟器、火电机组培训培训仿真系统、化工过程培训仿真系统、机车培训仿真器、坦克模拟器、汽车模拟器等相继研制成功，并形成一定市场，在操作人员培训中起到了很大作用。

80年代，我们建设了一批水平高、规模大的半实物仿真系统，如射频制导导弹半实物仿真系统、歼击机工程飞行模拟器等，在武器型号发挥了重大作用。

90年代，我国开始对分布交互仿真、虚拟现实等先进仿真技术及其应用进行研究，开展了较大规模的复杂系统仿真。

在仿真软件方面，我国科研人员于1990年研制成功了并行程度自动生成系统，技术性能达到了国际先进水平。1993年研制成功了“通用计算机大型仿真建模软件系统”，标志着我国在通用计算机仿真建模软件的研制技术已处于国际领先水平。

14第二节离散系统的仿真1排队系统2随机存储系统（略）15排队系统的组成

排队系统的基本结构由四个部分构成：输入过程、服务时间、服务机构和排队规则.输入过程是指不同类型的顾客按照各种规律来到系统.服务时间是指顾客接收服务的时间规律.服务机构则表明可开放多少服务设备来接纳顾客.排队规则确定到达的顾客按照某种一定的次序接受服务.16⑴输入过程常见的输入过程有定长输入、泊松(Poisson)输入、埃尔朗(A.K.Erlang)输入等,其中泊松输入在排队系统中的应用最为广泛.

所谓泊松输入即满足以下4个条件的输入：①平稳性：在某一时间区间内到达的顾客数的概率只与这段时间的长度和顾客数有关；②无后效性：不相交的时间区间内到达的顾客数是相互独立的；③普通性：在同时间点上最多到达1个顾客,不存在同时到达2个以上顾客的情况；④有限性：在有限的时间区间内只能到达有限个顾客,不可能有无限个顾客到达.17⑵服务时间顾客接受服务的时间规律往往也是通过概率分布描述的.常见的服务时间分布有定长分布、负指数分布和埃尔朗分布.一般来说,简单的排队系统的服务时间往往服从负指数分布,即每位顾客接受服务的时间是独立同分布的,其分布函数为

B(t)=1-e-t(t≥0).其中＞0为一常数,代表单位时间的平均服务率.而1/则是平均服务时间.18⑶服务机构服务机构的主要属性是服务台的个数.其类型有：单服务台、多服务台.多服务台又分并联、串联和混合型三种.最基本的类型为多服务台并联.19⑷排队规则分为三类：损失制、等待制、混合制.损失制：顾客到达时,如果所有服务台都没有空闲,该顾客就随即从系统消失.等待制：顾客到达时,如果所有服务台都没有空闲,他们就排队等待.等待服务的次序又有各种不同的规则：①先到先服务,如排队购物、排队理发等；②后到先服务,如分发堆积的物品,后进仓的先发；③随机服务,当服务台空闲时,随机地挑选等待的顾客进行服务,如电话交换台；④优先权服务,如医院处理急症病人.混合制：既有等待又有损失的情况,如顾客等待时考虑排队的队长、等待时间的长短等因素而决定去留.20排队系统的分类排队系统模型主要可以由输入过程(顾客到达时间间隔分布)、服务时间分布、服务台个数特征来描述.根据这些特征,可用符号进行分类,用以表示不同的模型.例如,利用一定的符号规则将上述特征按顺序用符号列出,并用竖线隔开,即输入过程|服务分布|服务台个数例如,M|M|S表示输入过程为泊松输入、服务时间服从负指数分布、S个服务台的排队系统模型;M|G|1则表示泊松输入、一般独立服务分布、单个服务台的排队系统.21排队系统的主要数量指标评价和优化排队系统,需要通过一定的数量指标来反映.

建立排队系统模型的主要数量指标有三个：等待时间、忙期与队长.⑴等待时间指顾客从到达系统时起到开始接受服务时止这一段时间.显然顾客希望等待时间越短越好.

22⑵忙期指服务台连续繁忙的时间长度.

该指标反映服务台的工作强度和利用程度.

与忙期相应的是闲期,闲期是指服务台一直空闲的时间长度.⑶队长指系统中的顾客数(包括排队等候的和正在接受服务的所有顾客).23排队系统的仿真建模（基本概念）事件：引起系统状态发生变化的行为。

活动：用于表示两个可以区分的事件之间的过程,它标志着系统状态的转移。进程：进程由若干个事件及若干活动组成。仿真钟：仿真的时间控制部件。统计计数器：统计系统中的有关变量。

24进程排队活动服务活动顾客到达事件服务开始事件服务结束事件

事件、活动、进程三者关系示意图25

仿真钟用于表示仿真时间的变化。在离散事件系统仿真中，由于系统状态变化是不连续的，在相邻两个事件发生之前，系统状态不发生变化，因而仿真钟可以跨越这些“不活动”周期。从一个事件发生时刻，推进到下一个事件发生时刻。由于仿真实质上是对系统状态在一定时间序列的动态描述。因此，仿真钟一般是仿真的主要自变量。仿真钟推进方法有二大类：事件调度法、固定增量推进法

仿真钟的推进26

事件调度法按下一最早发生时间的发生时间来推进仿真时钟的方法。固定增量时间推进选择适当的时间单位T做为仿真钟推进时的增量,每推进一步进行如下处理:(1)该步内若无事件发生,则仿真钟再推进一个单位时间T;(2)若在该步内有若干个事件发生,则认为这些事件均发生在该步的结束时刻。

27缺点仿真钟每推进一步,均要检查事件表以确定是否有事件发生,增加了执行时间;每一步里，任何事件的发生均认为发生在这一步的结束时刻,如果T选择过大,则会引入较大的误差;要求事先确定各类事件的处理顺序,增加了建模的复杂性。主要用于系统事件发生时间具有较强周期性的模型

28

离散事件系统仿真研究的一般步骤

1.系统建模2.确定仿真算法3.建立仿真模型4.设计仿真程序5.仿真结果分析：如何由观测数据确定随机变量的分布和参数。如何由观测数据确定随机变量的分布和参数。仿真钟在各种算法中的推进方法每次仿真运行结果仅仅是随机变量的一次取样,如何提高仿真结果的置信度.29第四节系统动力学系统动力学的定义系统动力学发展历史系统动力学的特点系统动力学建模仿真步骤DYNAMO语言30系统动力学的定义系统动力学是研究信息反馈系统动态行为的计算机仿真方法。它有效地把信息反馈的控制原理与因果关系的逻辑分析结合起来，面对复杂的实际问题，从研究系统的内部结构入手，建立系统的仿真模型，并对模型实施各种不同的政策方案，通过计算机仿真展示系统的宏观行为，寻求解决问题的正确途径。

31系统动力学发展历史系统动力学是由美国MIT的福雷斯特（J.W.Forrester）于50年代提出的，并最早应用在工业管理中，称为工业动力学（IndustrialDynamics）。最有影响的还是在70年代将系统动力学方法应用于全球人口、资源、粮食、环境等方面的未来和发展研究，通过在全世界发行的《TheClubofRome》研究报告（即《增长的极限》一书），提出了著名的世界动力学模型（WorldDynamics）。70至80年代是系统动力学发展的鼎盛时期，应用遍及社会、经济、环境、军事、国防以及工程领域的许多方面。故将该研究方法统称为系统动力学（SystemDynamics，有时简称SD）。32系统动力学的特点系统动力学是一种研究复杂系统的方法.系统动力学遵循系统工程“凡系统必有结构，系统结构决定系统功能”的思想。系统动力学是面向问题的，而不是面向整个系统的。系统动力学是一种连续系统的计算机仿真方法。33系统动力学建模仿真步骤用系统动力学方法进行建模仿真的全过程可大致分为七个阶段。

（1）问题辨识与定义

（2）系统概念开发与结构开发

（3）系统动力学仿真模型构造

（4）模型行为分析

（5）模型评价

（6）政策分析

（7）模型使用执行系统动力学研究问题的过程是一个迭代进行的过程，每一步都有可能反复，但每一次反复都将加深对系统和问题的理解34DY