汽车服务系统仿真c1

武汉理工大学

汽车工程学院王宇宁汽车服务系统模拟/仿真SimulationofAutomobileServiceSystem课程内容介绍汽车服务系统建模与仿真的基本概念、原理及主要方法；学习Flexsim仿真软件的基本功能及使用；通过作业和综合实践，掌握汽车服务及物流等系统建模与仿真分析的基本方法，以及系统动力学模拟方法与多AGENT系统模拟方法。教材及参考书目教材胡斌等管理系统模拟，清华大学出版社参考书目齐欢，王小平.系统建模与仿真.清华大学出版社，2004（加）唐纳德·沃特斯著。张志强等译.管理科学实务教程。北京：华夏出版社，20004内容一、汽车服务系统仿真基础二、输入概率分布的选用三、随机数和随机变量的生成四、离散事件型模拟五、连续型事件模拟及系统动力学在汽车服务系统中仿真的作用六、一个典型汽车服务系统的复合型模拟七、系统模拟输出结果的分析八仿真软件Flexsim九、物流系统仿真案例一、汽车服务系统仿真基础一、基本概念系统具有某些特定功能，相互联系、相互作用的元素的集合。这里的系统是指广义上的系统，泛指自然界的一切现象与过程。1、系统具有两个基本特征：整体性和相关性。整体性是指系统作为一个整体存在而表现出某项特定的功能，它是不可分割的。对于任何系统的研究都必须从如下三个方面考虑：(1)实体：组成系统的元素、对象。(2)属性：实体的特征。(3)活动：系统由一个状态到另一个状态的变化过程。组成系统的实体之间相互作用而引起的实体属性的变化，通常用状态变量来描述。

研究系统主要研究系统的动态变化。

除了研究系统的实体属性活动外，还需要研究影响系统活动的外部条件，这些外部条件称之为环境。系统模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本质(或是系统的某种特性)的一种描述。模型可视为对真实世界中物体或过程的信息进行形式化的结果。模型具有与系统相似的特性，可以以各种形式给出我们所感兴趣的信息。模型可以分为实体模型和数学模型。数学模型包括原始系统数学模型和仿真系统数学模型。原始系统数学模型是对系统的原始数学描述。仿真系统数学模型是一种适合在计算机上演算的模型，主要是指根据计算机的运算特点、仿真方式、计算方法、精度要求将原始系统数学模型转换为计算机程序。数学模型可以分为许多类型。按照状态变化可分为动态模型和静态模型。用以描述系统状态变化过程的数学模型称为动态模型。而静态模型仅仅反映系统在平衡状态下系统特征值间的关系，这种关系常用代数方程来描述。按照输入和输出的关系可分为确定性模型和随机性模型。若一个系统的输出完全可以用它的输入来表示，则称之为确定性系统。若系统的输出是随机的，即对于给定的输入存在多种可能的输出，则该系统是随机系统。离散系统指系统的操作和状态变化仅在离散时刻产生的系统，如交通系统、电话系统、通信网络系统等等，常常用各种概率模型来描述连续系统模型可分为集中参数的和分布参数的，线性的和非线性的，时变的和时不变的，时域的和频域的，连续时间的和离散时间的等等模型类型静态系统模型动态系统模型连续系统模型离散系统模型集中参数分布参数离散时间数学描述代数方程微分方程状态方程传递函数偏微分方程差分方程离散状态方程概率分布排队论仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合性技术。它利用物理或数学方法来建立模型，类比模拟现实过程或者建立假想系统，以寻求过程的规律，研究系统的动态特性，从而达到认识和改造实际系统的目的。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。1、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。2、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。

(3)通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。

(4)通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。

11123、系统仿真的分类

按照实现方式的不同可以将系统仿真分为如下几类：(1)实物仿真：又称物理仿真。它是指研制某些实体模型，使之能够重现原系统的各种状态。早期的仿真大多属于这一类。它的优点是直观形象，至今仍然广泛应用。但是为系统构造一套物理模型，将是一件非常复杂的事情，投资巨大，周期长，且很难改变参数，灵活性差。(2)数学仿真：数学仿真就是用数学语言去表述一个系统，并编制程序在计算机上对实际系统进行研究的过程。这种数学表述就是数学模型。数学仿真把研究对象的结构特征或者输入输出关系抽象为一种数学描述(微分方程、状态方程，可分为解析模型、统计模型)来研究，具有很大的灵活性，它可以方便地改变系统结构、参数；而且速度快，可以在很短的时间内完成实际系统很长时间的动态演变过程；精确度高，可以根据需要改变仿真的精度；重复性好，可以很容易地再现仿真过程。13(3)半实物仿真：又称数学物理仿真或者混合仿真。为了提高仿真的可信度或者针对一些难以建模的实体，在系统研究中往往把数学模型、物理模型和实体结合起来组成一个复杂的仿真系统，这种在仿真环节中存在实体的仿真称为半实物仿真或者半物理仿真。这样的仿真系统有飞机半实物仿真、射频制导导弹半实物仿真等，并且许多模拟器也属于半实物仿真。14

按照仿真系统与实际系统时间尺度上的关系，又可将其分为如下几类：

(1)实时仿真：仿真时钟与系统实际时钟完全一致。许多仿真应用需要满足实时性，这时往往需要实时操作系统或者专用实时仿真硬件的支持。

(2)欠实时仿真：仿真时钟比实际时钟慢。当对仿真的实时性没有严格的要求时，仿真时钟比实际时钟慢，不影响仿真的目的，采取欠实时仿真则可节约很多资金。

(3)超实时仿真：仿真时钟比实际时钟快。当实际系统周期太长时，若采用实际时钟就变得毫无意义，这时就要进行超实时仿真。系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。

由于连续系统和离散(事件)系统的数学模型有很大差别，所以系统仿真方法基本上分为两大类，即连续系统仿真方法和离散系统仿真方法。

在以上两类基本方法的基础上，还有一些用于系统(特别是社会经济和管理系统)仿真的特殊而有效的方法，如系统动力学方法、蒙特卡洛法等。

系统动力学方法通过建立系统动力学模型(流图等)、利用Vensim、DYNAMO仿真语言在计算机上实现对真实系统的仿真实验，从而研究系统结构、功能和行为之间的动态关系。

15二、系统仿真方法16计算机仿真的一般过程可以表述如下：

(1)描述仿真问题，明确仿真目的。

(2)项目计划、方案设计与系统定义。根据仿真目的确定相应的仿真结构(实时仿真还是非实时仿真，纯数学仿真还是半物理仿真等)，规定相应仿真系统的边界条件与约束条件。(3)数学建模：根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究，按照物理原理或者采取系统辨识的方法，确定模型的类型、结构及参数。注意要确保模型的有效性和经济性。

(4)仿真建模：根据数学模型的形式、计算机类型、采用的高级语言或其它仿真工具，将数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型，也即获得系统的仿真模型。

(5)试验：设定实验环境/条件和记录数据，进行实验，并记录数据。

(6)仿真结果分析：根据实验要求和仿真目的对实验结果进行分析处理(整理及文档化)。

17一、课程教材及参考资料肖人彬等，管理系统模拟，电子工业出版社，2007教材参考卫强等，管理系统模拟，高等教育出版社，20083王其藩，系统动力学，清华大学出版社梅欣，基于Flexsim和虚拟现实的汽车混装生产线系统及模拟研究，武汉科技大学硕士学位论文，2010张卫德，基于Flexsim的虚拟生产线的研究和实现，东南大学硕士学位论文，20066二、主要教授内容及课程安排概论及模拟的基本原理（4）12离散系统模拟-Flexsim（8）3连续系统模拟-系统动力学-Vensim（8、讨论4）4应用案例（4）5管理系统模拟的新发展（自学2）6多智能体模拟-AnyLogic（自学6）三、上课时间6-14周周五下午5、6、7、8节地点：汽运系会议室四、课程简介管理系统模拟技术涉及到建模理论、计算机软件、人工智能等方面的知识，是学科交叉发展的结果。通过本课程的学习，学生可以掌握针对管理系统的模拟相关内容，了解系统模拟的概念、原理、方法和步骤，掌握相关建模技术、模拟算法与模拟结果分析方法等。本课程还将介绍最新的模拟软件及其应用。五、本课程有何用处？管理系统模拟技术几乎应用于所有的社会经济系统、企业决策系统、企业生产系统，它可以缩短研发周期、改进生产过程、降低成本以及辅助决策。第1章概论及模拟的基本原理本章主要是对管理系统模拟进行概要性论述。重点是基于问题求解的观点，阐明系统、模型与模拟等基本概念之间的关系。定义要素1、系统的概念多个相互依赖、相互作用、共同配合实现预定功能的要素的有机集合体。系统特征整体性和相关性均由一些相关的实体组合而成：组成系统的元素、对象。实体具有自身的特征：属性系统通常是动态的，其变化过程称为活动组成系统的实体之间相互作用而引起的实体属性的变化，通常用状态变量来描述。研究系统主要研究系统的动态变化。除了研究系统的实体属性活动外，还需要研究影响系统活动的外部条件，这些外部条件称之为环境。系统输入系统输出“加工”转化过程资源行为衡量系统表现的尺度实体模型符号模型系统模型定量模型-描述性模型、流程图和图解式模型定性模型确定性模型随机性模型离散型模型连续型模型离散-连续混合型系统模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本质(或是系统的某种特性)的一种描述。模型可视为对真实世界中物体或过程的信息进行形式化的结果。模型具有与系统相似的特性，可以以各种形式给出我们所感兴趣的信息。

其它分类特征确定系统随机系统系统输入和输出变量间有完全确定的函数关系系统内部或环境存在不确定因素并影响输出变量自治系统(autonomous)非自治系统系统无输入变量系统有输入变量闭系统开系统系统无输入、输出变量系统有输入、输出变量无记忆系统有记忆系统系统无状态变量系统有状态变量线性系统非线性系统系统的输入输出满足齐次性和叠加性系统的输入输出不满足齐次性和叠加性离散系统：随着时间的推移，系统状态只在某些具体的时间点呈离散性变化，在时间点之间则没有变化。如交通系统、电话系统、通信网络系统等等，常常用各种概率模型来描述。系统类型连续系统：系统状态随时间呈连续性变化。连续系统模型还可分为集中参数的和分布参数的，线性的和非线性的，时变的和时不变的，时域的和频域的，连续时间的和离散时间的等等。离散-连续混合型系统：系统状态随时间可以作连续性及离散性的变化，或者作连续性变化并具有离散性突变。各种模型数学表示

模型类型静态系统模型动态系统模型连续系统模型离散系统模型集中参数分布参数离散时间数学描述代数方程微分方程状态方程传递函数偏微分方程差分方程离散状态方程概率分布排队论模型建立现实世界（问题）解决问题逻辑世界（模型）模拟是利用某种手段对现实世界真实系统的模仿，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合性技术。它利用物理或数学方法来建立模型，类比模拟现实过程或者建立假想系统，以寻求过程的规律，研究系统的动态特性，从而达到认识和改造实际系统的目的。问题求解的二种途径：认识世界改造世界问题求解的第一种途径问题求解的第二种途径模型建立现实世界（问题）解决问题逻辑世界（模型）认识世界改造世界模型建立现实世界（问题）解决问题逻辑世界（模型）认识世界改造世界计算机世界（模型）模型映射2、问题、知识、模型与模拟知识处理环节：模型建立现实世界（问题）逻辑世界（模型）知识处理过程逻辑世界（模型）模型映射知识获取知识组织知识表达知识集成知识利用知识、模型、模拟的对应关系知识模型模拟显性知识数学模型符号模型定量模拟定性模拟隐性知识人工神经网络多智能体智能模拟3、管理系统模拟模拟的定义变迁1961年，G.W.Morgenthater首次定义模拟：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1978年，Korn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1982年，Spriet扩充定义：所有支持模型建立与模型分析的活动即为模拟活动1984年，Oren提出：模拟是一种基于模型的活动

公共管理的对象通常是社会、经济、军事等复杂系统，一般都不能通过真实的实验来进行分析、研究。因此，系统模拟技术就成为十分重要甚至必不可少的工具。目前管理系统模拟主要运用四种基本的模拟方法及模型，即蒙特卡洛模拟方法、排队模型、系统动力学模拟、多AGENT系统模拟。通过蒙特卡洛模拟可以具体了解管理系统模拟的基本原理及方法，排队模型与多AGENT系统体现了离散事件系统模拟的特点与规律，而系统动力学模拟则是一种可以广泛应用于公共管理决策及政策分析的连续系统模拟方法。模拟三要素：系统、模型、计算机蒙特卡洛模拟是一种特殊而应用广泛的计算机模拟方法，它是充分利用计算机计算能力的随机实验方法。蒙特卡罗模拟的关键是生成优良的随机数。4、系统模拟的基本步骤

问题描述与系统定义建立系统模拟模型收集和整理数据资料建立模拟模型，设计程序模型的编程实现与验证实验设计模型的模拟运行模拟结果的输出与分析建立文件档案实施模拟决策5、管理系统模拟的应用建立真实系统的计算机模型.

在系统建立之前就运行它.管理系统模拟目标管理系统模拟特征设计与测试新设计的系统和流程方案展示流程如何运行的评测可选的设计方案评估装备与流程设计的多种可能性提高工厂与资源的运行效率减少库存缩短产品上市时间提高生产线产量优化资本投资管理系统模拟的收益场地规划、布局问题引进新设备时的事先评价问题作业工程计划，生产效率的改善问题时序安排，资源分配和操作过程监视（实时模拟系统的应用）在生产制造业中应用管理系统模拟技术能解决的问题场地规划、布局问题

当工厂需要扩大或新建车间时，那么需要扩大多大面积？如何合理地配置新建车间的设备和人员？已经有两套以上的方案、但不知怎样才能比较这些方案？当工厂生产规模增加时，那么现有场地，设备，人员是否能应付？如果不能，那么怎样才能应付场地规划、布局问题场地规划、布局问题引进新设备时的事先评价问题

当工厂需要引进大型或高价设备时，那么引进何种设备？多大性能的设备?引进设备后的场地规划和人员怎样配置才能合理？引进设备后瓶颈口能否解消？其它地方是否全成为新的瓶颈口？引进新设备时的事先评价问题引进新设备时的事先评价问题作业工程计划，生产效率的改善问题作业流程不流畅，设备有闲余，作业计划不合理，空间利用率低等等，定性的认识己有了，那么如何才能进行定量分析？如何在定量分析的基础上进行改进、评估？特定的设备发生故障时，那么是等其修理完毕，还是分配到其它流水线？加急订单较多时，怎样制定生产计划？一个企业的实例作业工程计划，生产效率的改善问题作业工程计划，生产效率的改善问题

现在有很多企业已经导入了ERP系统，仓库管理系统，或实时数据管理系统，而模拟系统可以与这些外界系统相连接。在ERP系统，仓库管理系统，或实时数据管理系统中设置若干个数据采集点，这些数据实时地提供给我们的模拟系统。运用这个系统，可解决以下问题：