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1、1.2仿真的基本问题和内容 数据是怎么来的？仿真数据的采集与分析。 生成的数据是否正确？数据能真实反映我们的实际情况吗？随机数与随机变量的生成，系统输入分析。 模型能真实描述我们这里的实际运作吗？运行结果能说明实际问题吗？仿真模型的验证、认证和确认（VV&A）。Verification: 验证。确定仿真模型本身是否存在语法和逻辑错误；Validation: 认证。确定仿真模型是否精确代表理论模型；Accreditation: 确认。确定仿真模型是否真实反映实际系统，能否被实际需要和特定目的所接受。仿真模型的VV&A 如何根据输出数据分析实际系统的性能？仿真输出分析。 仿真的理论基础是什么？为什

2、么有效？仿真涉及的理论1.3仿真的基本步骤仿真基本流程图1.4仿真原理随机抽样（统计实验分析）方法的基本思想：当实验次数充分多时，某一事件出现的频率近似于该事件发生的概率。由于随机因素的存在，任意两次仿真的结果很可能是不一样的。因此，一次仿真的结果没有什么实际意义，是不能作为决策依据的。但可以用多次仿真实验的结果进行统计分析，来推断系统的性能。统计分析仿真术语：以一定的置信度推断系统的性能位于某个置信区间。置信度：可靠性程度；置信区间：可靠性区间；精度：精确性程度，如置信区间半长；样本量与精度的平方成反比，与置信度下有关分布的临界值的平方成正比。仿真术语输入分析过程仿真类型不同，所采用的输出统

3、计分析方法也不同。仿真类型一般有终态仿真和稳态仿真两种。终态仿真主要研究在规定时间内的系统行为，而稳态仿真主要研究系统长期运行的稳态行为。终态仿真：在有限时段内的仿真，仿真结果与系统初始状态有关。用相同的初始条件与终止事件做n次独立重复仿真运行，每次使用不同的随机数流。为消除自相关影响，可对每次运行的结果进行平均处理。稳态仿真：仿真时间趋于无穷的仿真，仿真结果在理论上与系统初始状态无关。与终态仿真相比，除需要消除自相关因素外，还有一个重要的方面就是要消除初始状态的影响（解决初始瞬态问题）。常用分布：均匀分布。连续分布。只知道最大值和最小值时使用；三角分布。只知道最大值、最小值和最可能值时使用；

4、泊松分布。离散分布。模拟固定间隔时间内的随机事件数量，如到达人数、批量大小等。正态分布。如用于表示加工时间等。指数分布。常用于表示间隔时间。离散概率分布。常用于表示工件类型等。均匀分布三角分布泊松分布正态分布指数分布离散分布仿真时钟的推进方式：面向事件的仿真时钟推进和面向时间间隔的仿真时钟推进。面向事件的仿真时钟推进面向时间间隔的仿真时钟推进2Arena概述Arena是美国Rockwell Software公司开发的通用仿真软件，具有功能强大、使用方便、界面直观、动画显示等优点。可以很容易地建立诸如生产系统、服务系统等仿真模型；并可以根据实际需要设定仿真参数进行动态系统模拟，从而对实际的复杂系

5、统进行有效分析和处理；内嵌的Microsoft VBA（Microsoft Visual Basic for Application）工具使Arena能够根据用户特定需求进行定制，还可以方便地与其它软件集成，如Microsoft Office产品、SQL Server数据库产品等，从而对其功能进行扩充；Arena采用面向对象编程（OOP, Object-Oriented Programming）的思想，将其核心模块都以类的形式封装在Arena类库中，以动态链接库（Dynamic-Link Library, DLL）的形式表现，在任何开发环境中都可以引用这些动态链接库，继而使用Arena的所有模

6、块来达到控制整个仿真模型和仿真运行过程的目的。2.1Arena的发展历史1983年，Systems Modeling Corporation，SIMAN，柔性建模语言。1984年，Systems Modeling Corporation，SIMAN/CINEMA，基于SIMAN的动画仿真环境。1993年，Systems Modeling Corporation，Arena。1998年，Rockwell Software Corporation，Arena的各个高级版本。2.2Arena的特点 学术性强全面深入地体现了系统仿真的有关理论；学术界应用较广。W. David Kelton: Cinc

7、innati大学定量分析和运作管理学院教授，Wisconsin大学的学士、硕士和博士，Ohio大学的硕士，工业工程和仿真领域专家，在Operations Research, Management Science, the INFORMS Journal on computing, IIE （Institute of Industrial Engineering） Transactions, Naval Research Logistics, the Journal of the American Statistical Association等发表过论文，多家国际期刊编辑，曾担任WSC （Wi

8、nter Simulation Conference）主席，多家国际知名企业咨询师、顾问，重要着作有Simulation Modeling and Analysis和Simulation with Arena。Averill M. Law: 教授，工业工程和仿真领域专家，ExpertFit的开发人员之一。David T. Sturrock: 2004年，Rockwell公司仿真开发部主任，参与开发SIMAN。Randall P. Sadowski: 2004年，Rockwell公司产品经理，工业工程领域专家、顾问，着作有Simulation with Arena和Introduction to

9、 Simulation Using SIMAN。和Arena相关的国内外部分发表刊物：1KELTON W D, SADOWSKI R P, SADOWSKI D A. Simulation with ARENAM, 2nd edition. McGraw-Hill, 20022Averill M. L., Kelton W. D. Simulation Modeling and Analysis M. Third Edition. America: McGraw Hill, 20003Kambiz Farahmand, Arun Balasubramanian. Solving logisti

10、cs and transportation problems in a job shop C. Proceedings of the Winter Simulation Conference, 2002, 1（1）: 1052-1059. Texas A&M University, Mechanical & Industrial Engineering, 4Richard J Linn, Chin-Sheng Chen, Jorge A Lozan. Development of distributed simulation model for the transporter entity i

11、n a supply chain process J. Proceedings of the 2002 Winter Simulation Conference, 2002, 1319-1326. Department of Industrial and Systems Engineering, Florida International University, Miami, FL 33199, 5Giannoccaro Ilaria, Pontrandolfo Pierpaolo. Inventory management in supply chains: a reinforcement

12、learning approach J. International Journal of Production Economics, 2002, Vol. 78（2）: 153-161. Italy6陈旭, 武振业. 敏捷制造环境下基于面向对象的柔性裁剪仿真建模研究J. 计算机应用研究, 2000年12期. 西南交大7武振业, 朱连喜. 基于VBA和EXCEL的ARENA仿真输出可视化表达J. 计算机应用研究, 2000年02期. 西南交大8陈旭, 武振业. 新一代可视化交互集成仿真环境ArenaJ. 计算机应用研究, 2000年01期. 西南交大9武振业, 陈旭. 基于可视化仿真的动态联盟

13、组成方案选择研究J. 计算机应用研究, 2000年08期. 西南交大10周宏, 黎志成. 分销仓储配送中心定货决策模拟系统研究J. 运筹与管理, 2002年04期. 华中科大11孙宝凤, 李星, 李建华, 侯继娜. Arena和System Dynamics在供应链仿真领域的应用J. 吉林大学学报, 2006, 36（5）: 829-834. 吉林大学12徐旭珊, 周勇, 张军月. Arena在制造业企业组织结构中的应用研究J. 2001, 17（1）: 1-5. 西南交大, 上海交大13N.阿塔埃波尔, .巴菲. 铲-车作业中调度和非调度模式的ARENA模拟模型J. 计算机应用, 2000年

14、第4期. 澳大利亚伍伦贡大学14王志凌, 黎志成, 胡斌. 辅助企业促销组合决策的Arena模拟系统研究J. 华中科技大学学报, 2002, 30（7）: 77-79. 华中科技大学15潘燕春, 周泓, 冯允成. 基于Arena的车间作业排序问题建模方法及其仿真优化系统设计J. 计算机集成制造系统-CIMS, 2006, 12（3）: 389-394. 北航16苗明, 郭晓霞, 姚夏莉. 基于Arena的集装箱港口装卸工艺系统方案仿真研究J. 物流技术, 2006年第3期. 大连理工大学17赵璐, 金淳, 于越. 可视化交互仿真软件Arena的最新进展J. 系统仿真技术, 2（3）: 176-

15、182. 大连理工大学18李涛, 冯允成, 但蕾. 用Visual Basic实现对Arena仿真模型的控制J. 微计算机应用, 2004, 25（4）: 503-507. 北航19凯尔顿, 萨多夫斯基, 斯特罗克, 周泓. 仿真-使用ArenaM. 北京-机械工业出版社, 2007 简单易用采用可视化建模和运行环境，这一点和多数仿真软件类似。 友好稳定相对于Flexsim、eM-Plant等仿真软件的友好性体现在数据输入、输出及模型调试等等方面；由于软件很成熟，而且模型中不能直接使用指针，所以系统更加稳定。Arena提供二维图形制作功能和录制仿真动画功能。 应用方案模板Arena将一些常用的

16、仿真逻辑封装在Block（块，模块）中，相关的Block集成在Template（模板）中（应用方案模板，AST）。模板有不同的级别，越高级的模板功能越丰富，构建模型的效率也越高，但是越不灵活；越低级的模板功能越单一，构建模型的效率也越低，但是越灵活。有些高级Block可以通过低级Block组合而成。一般应用高级模板即可方便快捷地构建仿真模型，对于非常复杂的仿真模型才需要用到低级模板。Arena不同版本的模板划分不尽相同，目前版本包含的模板中常用的有：“Basic Process”基本处理模板。包括实体、队列、资源、变量、数组、创建实体、加工实体、释放实体等各个模块；“Advanced Proc

17、ess”高级处理模板。包括表达式、文件、统计、存储、延迟、匹配、信号等各个模块；“Advanced Transfer”高级传输模板。包括工艺路线、传送带、距离、进入、离开、路径等各个模块；“Blocks”模块模板。包含各个低级模块；“Elements”元素模板。包含各个更低级的模块；“Flow Process”流处理模板。用于构建连续系统。具体包括容器、传感器、流、规则器等模块；保留的旧版本中的“Support”支持模板。包括大量比“Blocks”模板中的模块稍高级的模块。Arena中的模板有近20个，封装好的仿真逻辑模块有二三百个，可以直接用于构建仿真模型。 模板开发环境Arena提供了用户

18、自定义模板的开发功能，用户可以根据需要自己定制Block和Template，从而解决了仿真过程中相同或相似流程的重复建模，极大的增强了模板的可重用性和实用性。模板开发环境拉近了模型与实际系统之间的距离，使仿真模型具有直观性和易理解性，而且整个仿真模型的开发具有更高的可扩充性，为仿真大型、复杂系统提供了极为方便的手段。 面向仿真过程的开发基于面向对象的思想和结构化的建模概念，将专用仿真语言的灵活性和仿真器的易用性很好地融合到一起，直接面向实际业务流程构建仿真模型，符合常规的思维习惯。 分层建模Arena通过使用层次化的建模体系以保证灵活地进行各个水平上的仿真建模。Arena建模体系的第一层是各种

19、过程语言（如VB、C/C+），常用于复杂建模过程。第二层是基础模板即SIMAN模板，包括Blocks模板和Elements模板。它们由SIMAN语言编写，继承了SIMAN语言灵活建模的特点。第三层是最新开发的通用模板即Arena模板，包括Advanced Process模板、Advanced Transfer模板和Basic Process模板。第四层是应用方案模板（简称AST），应用这些模板可以使用户在特定领域进行更加合理的仿真建模。Arena建模体系的最高层是根据企业自身的需求进行用户自定义模板的开发。Arena正是通过可视化的仿真环境将各层次的建模方法交替使用，获得不同的建模能力。由此可

20、见，Arena提供了一个可以适用于各种建模水平的仿真环境，兼备易用性和灵活性两方面的优点。Arena的层次建模结构对于大型复杂系统，可以从宏观到微观、从抽象到具体，逐层建立相应的仿真子模型，然后再组合成一个完整的仿真模型。这给大型复杂系统的建模带来了极大的方便。（Submodel） 输入分析器、过程分析器和输出分析器输入分析器（Input Analyzer）用来进行输入数据概率分布函数的拟合，可以使输入数据的分析变得简捷方便。过程分析器（Process Analyzer）主要用于比较不同模型中具体参数或者同一模型中的多次仿真中具体参数的值，并以各种图表的形式提供比较的结果。输出分析器（Outp

21、ut Analyzer）包括对输出数据的多样显示功能和强大的数理统计分析，以确保输出分析的准确性和可靠性。 外部接口和定制技术直接集成Office，如Visio等。与AutoCAD和其它的图形设计软件有着直接的联系，支持DXF格式的文件，还支持很多AutoCAD的新对象，还支持对XML格式文件的读写。实时仿真和在HLA仿真中的应用。Arena通过使用Real Time Factor，为用户处理实时仿真和同步仿真提供了强有力的支持，它使Arena可以应用到高层体系结构HLA联邦仿真及与更多模型的同步处理上。还提供了新的同步算法，允许用户自定义仿真时钟的情况，增强了Arena的实时仿真能力。提供V

22、BA接口，可以编程实现和其它任何支持定制技术的软件集成。同时，Arena也可以被其它开发环境调用并控制整个仿真过程，如VB、VC等。Arena还提供了一个“VBA Block”，该模块可用于构建仿真模型，而且包含事件接口，只要有实体经过该模块，就会触发其相应的事件，从而执行其中的特定代码。因此，建模者可以在任何需要的地方加入“VBA Block”，以实现所需的定制目的。Arena定制的方式一般有三种：内部定制。所有的功能都在Arena内部实现，定制内容也是作为仿真模型的一个组成部分，通过VBA嵌入在Arena模型中，Arena是唯一的运行环境。这种定制方式下仿真和定制彼此融合，设计起来较为困难

23、，也不利于定制部分的系统化和产品化，但是运行效率较高；外部定制。定制系统和仿真系统是两个不同的物理系统，定制系统可以通过VB、VC等其它开发环境设计完成，通过在定制系统中引用Arena类库来实现定制的目的，并能从外部驱动Arena运行。在这种定制方式中，定制系统和仿真系统划分明确，设计起来更加清楚明了，有利于定制部分的系统化和产品化（Arena的第三方优化软件OptQuest就是采用这种定制方式实现的），但要在两个不同的系统之间来回切换，所以运行效率较低；混合定制。需要在外部完成的任务（如指定Arena运行特定的仿真模型）设计成一个独立的系统，定制部分的核心和主体仍然直接集成在仿真模型内部。该

24、方式下仿真和定制彼此融合，设计起来较为困难，也不利于定制部分的系统化和产品化，但是保持了较高的运行效率，同时可以实现一些特定的外部集成目的。内部定制外部定制混合定制 其它工具和特点优化工具OptQuest，采用Tabu搜索算法和遗传算法对仿真模型进行优化，增强了其对复杂问题的决策支持。用户可以根据需要选择决策变量，并根据决策变量和不同的响应来定义目标函数和约束条件，它们可以是线性和非线性的表达式。OptQuest根据用户的目标，通过各种算法，自动搜寻仿真模型的最优解，对用户来说仿真优化变得更简单易懂、更直观具体。三维动画再现工具3D-Player，是基于Arena基础上开发的3D动画辅助工具软

25、件，是对二维仿真动画功能的补充和加强，它可以直接与逻辑模型联系起来，更加逼真地反映模型运行的情况。 不足之处仿真动画和仿真逻辑相分离，构建动画模型具有一定的工作量；仿真模型不是预编译的，因此运行速度不够快（对于大型复杂系统而言）；仿真模型无法脱离Arena仿真环境而独立运行。2.3Arena和其它常用仿真软件比较各种仿真工具的比较（A、B、C、D分别表示由高到低的等级）易学性适应性连续处理图形处理价格ARENADCAUTOMODEXTENDBPROMODELSIMPLE+ETAYLORWITNESS可以看出，较之其它仿真软件，Arena有较强的过程适应能力，适用于各个层次、不同复杂程度上的系统

26、仿真；而且Arena不仅有强大的制作2D/3D动画的能力，还具有较强的图形处理能力。此外，与同类产品相比，它价格合理，并为学术研究提供较大的优惠政策。2.4Arena的应用领域Arena是一个通用仿真工具，离散系统、连续系统和混合系统都可以用它来构建。广泛地应用于包括制造业、物流及供应链、服务、医疗、军事等领域的系统仿真，也应用于各个层面不同情况的仿真，包括日常生产作业、各类资源的配置、业务过程的规划、系统性能和计划结果的评价、风险预测等。3Arena建模step by stepArena构建的仿真模型一般包含如下几个部分：数据部分。定义仿真模型的内部数据，如资源、变量、表达式、数组、仿真参数

27、、统计变量等等；逻辑部分。定义模型的仿真流程，这与实际系统流程相对应；动画显示部分。这个部分本质上对模型的定义和仿真结果没有影响，但它可以清晰地将实际系统描述出来，并且在仿真过程中动态显示，从而直观地看到系统的运行情况，这对建模人员校核仿真模型、用户分析系统以及体验仿真过程都提供了巨大的帮助，使系统仿真更加友好、实用。Arena的基本建模过程3.1基本术语实体：仿真模型中的动态对象，通常要被创建、移动、改变状态和释放，如工件。属性：实体的特征，使一个实体区别于其它实体，如加工优先级、颜色、工件号、到期日等。属性相当于实体的tag或label。变量：系统的某些变动因素，包括系统变量和用户自定义变

28、量。大多数变量都是公共的，任何实体都可以访问。资源：用于对实体进行处理，如人员、机器设备等。资源一般要被获取和释放。队列：用于缓存实体。事件：代表系统的某些特定时刻，如工件到达、工件离开、仿真开始、仿真结束等等。仿真时钟：tNow，代表仿真的当前时刻。模板：模块的集合。模块：封装好的仿真逻辑。3.2常用模板和模块结合Arena介绍一些常用模板和模块。Arena常用模块说明模板模块说明Basic ProcessCreate定义产生实体的规则，并产生实体进入仿真系统Dispose释放实体离开仿真系统Process定义实体的处理逻辑，并对实体进行处理Decide类似选择和分支模块，根据不同的条件把实体送往不同的出口Separate分离实体对象，包括分离一批实体和