系统仿真建模复习资料中国矿业大学.docx
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系统仿真建模复习资料中国矿业大学
系统：
指相互联系又相互作用的对象的有机组合。
离散事件（动态）系统：
是由在离散时刻点发生的事件引起状态变化的动态系统。
（毛坯到达、加工开始、加工完成、设备故障等；服务系统中的顾客到达、接受服务等）
连续系统是指系统状态随时间发生连续性变化的系统（电力生产、供电网络、石油炼制、自来水生产、电路系统等）。
描述系统三要素：
（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。
系统仿真：
是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算机初等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假设的系统进行试验，并借助于专家的经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合的实验性学科。
1）包含了系统建模、仿真建模和仿真实验三个基本活动。
联系这三个活动的是系统仿真的三要素：
系统、模型、计算机（硬件和软件）。
2）系统、模型与仿真三者之间有着密切联系。
其中，系统是要研究的对象，模型是系统在某种程度和层次上的抽象，而仿真是通过对模型的试验以便分析、评价和优化系统。
系统变量：
1、决策变量2、反应变量3、状态变量
事件调度法：
将事件例程作为仿真模型的基本模型单元，按照事件发生的先后顺序不断执行相应的事件例程。
生产系统建模方法：
1、实体流图法（EFC）2、活动循环（周期）图（ACD）
模型定义、类型
定义：
模型是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本质方面的描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的信息。
建模需要完成两方面内容
一是建立模型结构；在建立模型结构时，要确定系统的边界、鉴别系统的实体、属性和活动。
二是提供数据。
提供数据要求能够使包含在活动中的各个属性之间的关系得以确定。
模型演示
国外汽车设计流程图:
图示模型、计算机模型、实物模型
MotorAssemblyRunningProcess.Flv：
生产过程VR仿真过程
MotorAss.avi：
发动机组装仿真模型
模型分类：
实物模型、图示模型、计算机（模拟）模型、数学模型
系统模型优缺点
系统绩效指标（知道）
（1）通过时间（FlowTime）：
部件或顾客通过整个系统的平均时间，包括加工（服务）时间、等待时间、移动时间。
（2）利用率（Utilization）：
系统中人员、机器、车辆等永久实体工作时间与总的时间之比。
（3）增值时间（Value-Added-Time）：
物料、顾客等实体在系统中接受的、增加其价值的时间。
（4）通过率（FlowRate）：
单位时间系统加工的部件数量或服务的顾客数量，还可叫做生产速率、处理速率和产出速率等。
（5）库存水平（InventoryorQueueLevels）：
在存储区或队列区的物料或顾客的数量。
（6）产出率（Yield）：
系统产出的合格产品与投入系统中原材料可以生产的产品量之比；例如100件产品中有95件为合格产品，则产出率为95%；
（7）客户响应水平（CustomerResponsiveness）：
系统快速响应客户需求，降低客户等待时间的能力。
建立模型时应遵循的基本原则（了解）
①清晰性：
②相关性：
④可辨识性：
⑤集合性：
系统仿真的一般步骤（掌握）
1、问题定义
2、制定目标
3、描述系统并对所有假设列表
4、罗列出所有可能替代方案
5、收集数据和信息
6、建立计算机模型
7、校验和确认模型
8、运行和输出分析
9、文档和报告的生成
10、实施
离散与连续系仿真优缺点（了解）
不干扰实际系统
不具备获得必要资源
假设可以测试
压缩或扩展时间来加速或减缓被研究的现象
有关变量的相互作用
可以获得变量对系统性能的重要性的深人了解
瓶颈分析
缺点
建模需要特殊的培训
仿真结果可能难于解释
耗时，而且成本高
统的区别（概念、实体事件、活动进程）
概念
离散事件（动态）系统：
是由在离散时刻点发生的事件引起状态变化的动态系统。
连续系统
示例：
车辆的运动速度、自由落体的速度、饮料生产中饮料的管道运输、导弹拦截飞机
特征：
状态（速度、温度、位置）的变化是连续的；
状态变量的变化是时间的函数；
例如：
管道运输量=输送速率*t；
车辆速度=v0+a*t；
自由落体速度=gt；
离散事件系统的术语
（1）实体是指组成系统的物理单元。
如物流系统的堆垛机、进/出货台、仓库、货物及工件等。
实体可分为临时实体和永久实体两类。
在仿真全过程中，始终驻留在系统中的是永久实体，如服务台、搬运设备或生产设备。
在系统中只存在一段时间的实体叫作临时实体，如到达系统、经装卸搬运离去的工件就是临时实体。
（2）事件是指引起系统状态变化的行为，
事件一般分为两类：
必然事件和条件事件。
只与时间有关的事件称为必然事件。
如果事件发生不仅与时间因素有关，而且还与其它条件有关，则称为条件事件。
（3）活动两个相邻发生的事件之间的过程称为活动。
标志着系统的状态。
物流系统中，工件到达与入库之间，是排队活动。
实体加工活动---治疗、检测、加工、切割等
实体的移动---叉车移动、输送链的移动、升降机的升降；
实体的调整、维护和修理---设备换模、机器维修等。
（4）进程若干事件与若干活动组成的过程称为进程。
它描述了各事件活动发生的相互逻辑关系及时序关系
例如，工件由车辆装入进货台，经装卸搬运进入仓库，经保管、加工到配送至客户的过程。
（5）控制逻辑控制逻辑设定事件在怎样的条件、怎样的方式和怎样的时间状况下激活。
工艺顺序
生产计划
工作排程
任务优先级
（6）仿真钟控制仿真模型向前迈进的全局变量，表示系统当前运行时间。
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间，系统状态不发生变化，因而仿真钟可以跨越这些“不活动”区域。
仿真钟的推进成跳跃性，推进速度具有随机性。
（7）随机变量复杂的现实系统常常包含有随机的因素。
如：
在物流系统中工件的到达、运输车辆的到达和运输时间
对于有随机因素影响的系统进行仿真时，首先要建立随机变量模型，即确定系统的随机变量并确定这些随机变量的分布类型和参数。
对于分布类型是已知或者是可以根据经验确定的随机变量，只要确定它们的参数就可以了。
仿真数据的收集与处理（掌握）
收集数据
在进行运作系统仿真时，可能的输入数据可以划分为如下两类。
（1）时间量：
加工时间、故障时间间隔、维修时间、准备及换模时间、运输时间。
（2）结构量：
产品——种类、数量、成本、重量或颜色属性。
设备——种类、数量、作业方式（Single、Assembly）、成本。
人员——类别、数量、作业能力、成本。
仓库——类别、数量、容量、存储方式、成本。
方法——作业流程、生产调度方式、应急处理方式。
数据收集注意事项
（1）编制数据收集计划，设计数据收集表格并安排足够的时间。
（2）在数据收集的同时，试着分析数据。
（3）试着合并相似的数据集。
（4）做散布图来解释两个变量之间是否有关系。
（5）一系列看似无关的观察实际上却是自相关的，要考虑到这种可能性。
（6）记住输入数据与输出数据或性能数据之间的区别，并确保收集的是输入数据。
仿真输入模型的构建
1收集数据
2利用直方图识别数据分布
3参数估计
4拟合优度检验
5选择无数据的输入模型
掌握产生随机数的几种方法（名字）
1、平方取中法
平方取中法是冯·纽曼（JohnvanNeumann）在40年代中期提出的。
这个方法首先从某个初始的种子数开始，求出这个数的平方。
取这个平方数的中间几位作为随机数序列中的第2个数；再求出第2个数的平方，又取这个平方数的中间几位作为随机数序列中的第3个数；不断按这个方式继续此算法，即可得到相应的伪随机序列。
方法的缺点。
首先，利用这个方法产生的伪随机数序列的重复周期通常较短。
第二，对于较长的伪随机数序列，利用这种方法可能无法通过随机性的统计检验。
第三，当在任何时候生成之后，其后产生的数都将为0。
如果这种现象在一个较复杂的仿真研究过程中出现，它将会使仿真分析人员误入歧途。
第四、利用平方取中法的另一个问题是这个方法可能产生退化，即总是得到相同的xi值。
2、线性同余法
线性同余法在1951年由菜默尔（Lehmer）首先提出。
目前大多数随机数发生器都采用这种方法。
在这个算法中,随机数序列中的数由如下的递推关系产生
n≥0
（1）
3、反变换法
反变换法的一般步骤：
step1通过随机变量的概率密度函数f（x）计算其分布函数F（x）;
step2令F（x）=R，x在其取值范围内；
step3解方程F（x）=R，获得x=F-1（R）
step4产生（0，1）范围内的均匀随机数序列R1，R2，R3，R4，......，Rn，将这些随机数序列带入函数x=F-1（R），获得随机变量x的随机序列：
x1，x2，x3，x4，......，xn。
常见排队系统的一般结构（掌握）
排队系统主要绩效指标（了解知道）
主要因素（知道掌握）
软件建模的步骤
1、元素定义、2、元素可视化.3、详细参数.4、仿真实验.5、结果分析.6、校验验证
掌握仿真工具Witness的基本用法
掌握建模元素的用法属性特点
离散型元素是为了表示所要研究的现实系统中可以看得见的、可以计量个数的物体，一般用来构建制造系统和服务系统等。
主要包括：
零部件（Part）机器（Machine）缓冲区（Buffer）输送链（Conveyor）车辆（Vehicle）
轨道（Track）劳动者（Labor）路径（Path）模组（Module）
离散型元素：
零部件（Part）
零部件是一种最基本的离散型元素，可以模拟在其他离散型元素间移动、储存和被处理的任何事物-临时实体。
Witness中的零部件表述的是一个广义的概念，既可以模拟生产系统中进行机械加工、装配、制造的零部件和微型电子元件等，也可以模拟销售过程中的产品、大公司全程处理的项目、电话交流中一个的呼叫请求、超市中川流不息的顾客、医院中的病人、机场上的行李等。
机器（Machine）
用于模拟实际系统中获取、处理零部件对象并将其送往特定地点的对象或过程的离散型元素。
Witness中的机器也是一个广义的概念，可以模拟实际生产制造系统中的特定机器设备，也可以模拟提供相关服务的柜台。
例如，机器可以代表有装载、旋转、卸载、空闲和保养这五个状态的一台车床，也可以代表有空闲、工作、关闭三个状态的一个机场登记服务台（将旅客与他们的行李分开，并发放登机卡），还可以代表有焊接、空闲和保养三个状态的一个机器人焊接工，等等
实际系统对零部件对象进行处理的过程和方式多种多样，Witness提供了7种类型的机器来建立不同类型处理过程的仿真对象.
缓冲区（Buffer）
缓冲区是用于模拟存放零部件元素的离散型元素，缓冲区是存放部件的离散元素。
缓冲区可以表示仓库、线边库存、柜台前的队列等，例如，汽车生产企业原材料仓库、成品仓库，装配线旁的零件暂存区，手机组装线边的零件储备箱，超市的货架，影剧院售票处的队列等。
缓冲区是一种被动型元素，既不能像机器元素一样主动获取部件，也不能主动将自身存放的部件运送给其他元素；其部件存取依靠系统中其他元素主动的推或拉。
我们可利用输入/输出规则，使用另一个元素把部件送进缓冲区或从缓冲区中取出来。
部件在缓冲区内还按一定的顺序整齐排列（如先进先出、后进先出）。
输送链（Conveyor）
可以模拟系统两点间零部件运输的传送装置的离散性元素。
输送链可以模拟皮带输送链和滚轴输送链，如发动机曲轴生产线上的滚轴输送链、机场运送行李的传送带、汽车装配系统中的地链、手机装配线上的皮带输送链等。
Witness提供了4种类型的输送链：
移位固定式（IndexedFixed）
移位队列式（IndexedQueuing）
连续固定式（ContinuousFixed）
连续队列式（ContinuousQueuing）
车辆车辆（Vehicle）
是用于模拟实际系统运载工具的一种离散型元素。
使用车辆可以将一个或多个零部件从一个地点运载到另一个地点，车辆元素可以表示卡车、客车、铲车、AGV等。
车辆必须沿轨道运动。
建立了车辆模型之后，必须建立该车辆所处的运输轨道环境，然后车辆才可以实现相关的装载、卸载和运输作业。
轨道（Track）
轨道是用于模拟实际系统中的道路或AGV运输轨道的离散型元素。
车辆所走的路径是由一系列轨道组成的。
每条轨道都是单向的。
假如需要一条双向的轨道，只需定义两条沿相同线路但方向相反的轨道就可以了。
车辆在“尾部”（Rear）进入轨道并向“前部”（Front）运动。
一旦到达前部，该车辆可以进行装载、卸载或其他的操作。
然后它将移动到下一条路线的尾部并开始向那条路线的前部运动。
劳动者（Labor）
劳动者为模拟系统中的共享资源的离散型元素。
劳动者可以模拟实际系统中的工人，也可模拟实际系统中的维修工具等。
不论是工人还是工具，他们都具有为其他元素共享的属性。
例如，如果模拟的是工人，该工人可能需要同时看护多台半自动机床，为机床进行上、下料操作，当有两台以上的机床同时需要上或下料时，就会出现共享冲突，一名工人不能同时对两台机床进行操作，必然会有一台机床需要等待，进而影响整个系统的绩效。
如果模拟的是工具，该工具可能在多台设备或多项操作中都需要使用，也存在共享冲突的可能。
路径（Path）
路径是设定部件和劳动者（或者其他资源）从一个地点到达另一个地点的移动路程的离散型元素。
路径元素同输送链元素既有相同点，也有不同点。
相同之处是：
两类都可以将零部件从一个地点运送到另一个地点，而且这个运送过程需要一定的时间。
不同之处是：
路径可以实现控制作业人员从一个地点走到另一个地点所需要的时间；同时还可以实现由劳动者搬运零部件从一个地点移动到另一个地点。
输送链元素只能够运送零部件元素，而不能运送劳动者元素；输送链上的零部件可以实现零部件是移位式的运送，还是队列式的运输；输送链上的零部件还可以在其任意的放置位离开。
总之，只有在必要时才使用路径。
假如模型中的元素有很长的作业周期时间而它们之间的行程距离很短，那就没有必要添加路径元素而增加模型的复杂性了。
路径的选用应基于建模对象的特征或需要实现的功能，合理选用建模元素
模组（Module）
模组是表示其他一些元素集合的离散型元素。
通过模组元素，可以很容易地在简单模型的基础上构建出较大的模型。
同离散型元素相对应，Witness连续型元素用来表示加工或服务对象是流体（连续体）的系统，如化工生产流程、饮料生产系统等。
Witness连续型元素主要有四种：
流体（Fluid）
管道（Pipe）
处理器（Processor）
容器（Tank）
三类建模元素：
实物元素:
代表实际系统中看得见的实体，如:
原材料part/fluid、加工设备machine/processor
作业员labor、运输工具conveyer/track/vehicle/pipe
仓库buffer/tank
逻辑元素：
用来处理数据，实现复杂流程和逻辑的建模要素，如:
属性attribute、变量variable、经验分布distribution
函数function、班次shift、文件file、模组module;
图形元素:
形象化表示实体的运行特征。
如：
时间序列图形timeseries,饼状图piechart,直方图histogram
witness提供了四种类型的变量，用来进行数据处理：
整型、实型、名型、字符型。
Witness提供了两类规则用于控制仿真系统中的物料流：
输入规则和输出规则
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