系统建模与仿真第一章.ppt

1、系统建模与仿真系统建模与仿真第一章第一章 绪论绪论管理科学与工程学院管理科学与工程学院付付 赟赟系统建模与仿真n（一）本课程的教学目的与任务（一）本课程的教学目的与任务n系统建模与仿真是一门综合性学科，也是物流管理、工业工程、物流工程、质量与可靠性工程等领域的重要方法。本课程目的在于培养学生运用系统仿真的基本理论、方法与仿真工具，对实体系统进行建模、分析、评价、和合理规划的能力，使学生通过学习掌握建模与仿真技术，为将来利用计算机对实体系统进行分析、研究、设计及调试打下基础。n（二）本课程的基本要求（二）本课程的基本要求n掌握系统建模与仿真的基本理论和方法，至少掌握一种仿真工具，并运用其进行系统

2、分析、系统建模、模型验证与确认、以及输出结果的分析。此外还要求学生具有上机实验研究能力。2022/11/252系统建模与仿真系统建模与仿真n（三）课时计划（三）课时计划n32讲授课时+16实验课时n（四）考查方式（四）考查方式n10%平时成绩+20%实验成绩+70%考试成绩n（五）参考教材（五）参考教材n物流系统仿真，张晓萍，石伟，刘玉坤主编，清华大学出版社，2008.07 2022/11/253系统建模与仿真系统建模与仿真n问题一：射箭问题问题一：射箭问题n某人每轮向靶子射10箭，已知其击中靶心的概率为25，问一轮中射中7箭的概率为多少？n问题二问题二：银行营业点自动存取款机添置银行营业点自

3、动存取款机添置n顾客按一定的间隔时间到来，排队接受服务，先来者先用，后来者后用，顾客不愿在队列中等待太久，否则会离去。管理人员想了解等待时间超过3分钟的顾客的比例为多少，若该比例太大，则考虑再增设一台机器。2022/11/254系统建模与仿真系统建模与仿真n问题三：问题三：系统仿真在集装箱港口中的应用系统仿真在集装箱港口中的应用 n在港口规划设计阶段，通过对多个方案的仿真研究，分析评价各种性能指标，选择一个最佳方案；对现有的港口，通过对作业系统的缺陷分析、改进，提高其运行效率。n港口装卸系统仿真的主要任务就是研究港口资源配置、货物流量、性能指标三者之间的关系。2022/11/255系统建模与仿

4、真系统建模与仿真n学科性质及学习的对象和内容学科性质及学习的对象和内容n通过分析分析实际系统的特征，建立仿真模型模型，在此基础上对不同的系统参数和策略进行仿真实验实验，从而对不同策略进行评价评价；通过仿真实验改变参数值，以进行系统各参数的灵敏性分析，再以此为基础进行系统优化优化。n目的：目的：掌握系统仿真方法的基本知识，培养运用仿真理论和方法解决问题的能力。2022/11/256系统建模与仿真系统建模与仿真n主要内容主要内容n原理及应用原理及应用n第一章 绪论n了解系统仿真技术的发展历史、特点、应用及相关技术n第二章 系统仿真的基本知识n离散事件系统仿真、单服务台排队系统仿真、单品种库存系统仿

5、真n第三章 随机数与随机变量n基本概念、常用分布、随机数发生器、随机数产生方法2022/11/257系统建模与仿真系统建模与仿真n第四章 输入数据建模n第五章 系统仿真算法n事件调度法、活动扫描法、进程交互法n第六章 仿真结果与系统方案分析n第七章 仿真应用n操作操作nFlexsim仿真软件2022/11/258系统建模与仿真第一章 绪论n本章教学要点本章教学要点n了解系统仿真技术的发展、特点、应用以及相关技术；n了解系统仿真的基本概念和相关知识2022/11/259系统建模与仿真第一章 绪论n本章内容本章内容n1.1 概述n1.2 系统仿真技术的发展历史n1.3 系统仿真的类型n1.4 系统

6、仿真技术的特点n1.5 系统仿真技术的应用n1.6 系统仿真的相关技术n1.7 物流系统仿真n本章小结和思考题2022/11/2510系统建模与仿真1.1 概述n1.1 概述概述n系统（System）n系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分（要素）结合而成的、具有特定功能的有机整体。n条件：条件：n由若干要素组成、n具有一定的结构、n具有一定的功能2022/11/2511系统建模与仿真1.1.1 系统系统的特征系统的特征1 1、组成性组成性系统是由两个或两个以上可以区别的要素组成的集合体。2、相关性相关性各要素组成了系统，是因为它们之间存在相互联系、相互作用、相互影响的关系。这个关系也不是简

7、单的累加，而是有可能互相增强或互相减弱。一个要素的变化会这样或那样地引起全系统的变化。2022/11/2512系统建模与仿真3 3、层次性、层次性系统与要素的区分是相对的，要素是系统最基本的单位。它是系统的一部分，而任何一个系统又是更大系统的一个要素，系统的不同层次结构中存在着动态的信息流和物资流。4 4、整体性、整体性系统是由两个以上有一定区别又有一定相关的要素组成，系统的整体性主要表现在系统的整体功能。系统的结构概念常常与要素概念联系在一起，但同时也与功能概念有关。1.1.1 系统2022/11/2513系统建模与仿真5、目的性目的性系统具有能使各个要素结合在一起的共同目的，而且人造系统通

8、常具有多重目的。各子系统就是为了完成大系统的既定目标而协同工作的。6、环境适应性、环境适应性环境是指出现于系统以外的一切与它相关联的事物的总称。环境提供形成整体涌现性必须的资源和约束条件，系统只有涌现出能够有效利用环境资源、适应环境约束的结构和属性，才能够实际产生出来并生存下去。1.1.1 系统2022/11/2514系统建模与仿真1.1.1 系统例例1：理发馆系统：理发馆系统 实体：顾客：按某种规律到达，服务完毕后顾客离去服务员：根据顾客的要求，按一定的程序服务相互作用：顾客到达模式影响着服务员的工作忙闲状态和顾客排队状态服务员的多少和服务效率影响着顾客接受服务的质量 2022/11/251

9、5系统建模与仿真1.1.1 系统例例2：电动机转速闭环控制系统：电动机转速闭环控制系统 实体：电动机、测速元件、比较元件以及控制器。相互作用：实现按给定要求调节电动机的速度 2022/11/2516系统建模与仿真1.1.1 系统确定边界、输入、输出确定边界、输入、输出描述系统描述系统“三要素三要素”：实体、属性、活动实体、属性、活动实体：确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；属性：也称为描述变量，描述每一实体的特征；活动：定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变化的过程。边界边界环境环境系统系统输入输入输出输出2022/11/2517系统建模与仿真系统论的重要观点：系统论的

10、重要观点：1.系统是一个整体；2.系统有明确的目的；3.系统由两个或两个以上相互关联的要素组成，但杂乱无章、互不相干的东西放在一起也不是系统，系统要素的微观联系会涌现出系统的宏观功能;4.要素与系统所处的层次不同，因此系统和要素具有不可比性；5.要素可以以不同的方式组合在一起，形成特定的结构，这就需要对系统进行规划、组织和控制；6.一定的结构产生一定的功能，要想使系统发挥特定功能，必须使系统具备特定的结构；7.系统会表现出任何要素都不具备的特征，在条件合适的情况下，要素进行整合后可以达到“整体大于部分之和”的效果；8.封闭系统必将走向灭亡，系统一定在动态变化中发展。1.1.1 系统2022/1

11、1/2518系统建模与仿真1.1.2 模型 n1.1 概述概述n模型（Model）n实际系统本质的抽象与简化n（1）真实的系统尚未建立n（2）可能会引起系统破坏或发生故障n（3）难以保证每次试验的条件相同n（4）试验时间太长或费用昂贵2022/11/2519系统建模与仿真系统实际系统实验系统模型实验物理模型数学模型解析解仿真系统研究的一般方法系统研究的一般方法 1.1.2 模型2022/11/2520系统建模与仿真1.1.2 模型n模型的分类：模型的分类：n物理模型物理模型n采用一定比例尺按照真实系统的“样子”制作沙盘模型n概念模型概念模型n为了某一目的对真实世界及其活动进行的概念抽象与描述，

12、是运用语言、符号、框图等形式，对从所研究的问题中抽象出的概念进行有机的组合。n数学模型数学模型n用数学表达式形式来描述系统的内在规律。2022/11/2521系统建模与仿真1.1.2 模型n系统建模系统建模（System Modeling）n系统模型的建立，即系统的模型化，是预测实体未来行为与状态变化的智力结构和数量化方法。n建模的目的在于通过模型对系统进行研究、分析和说明，揭示出实体系统已表现及尚未表现的状态变量之间的复杂关系，为决策提供一个综合分析的结构，寻找最佳方案。2022/11/2522系统建模与仿真1.1.2 模型n模型化过程模型化过程n对现实系统进行分析和观察，通过概念化获取信息

13、n对获取的信息进行加工、出来，进一步深化认识后抽象出模型并用确定的形式进行描述n认识提高再认识再提高2022/11/2523系统建模与仿真修正模型准备阶段系统认识阶段系统建模模型使用模型求解模型分析、检验模型合格模型不合格1.1.2 模型2022/11/2524系统建模与仿真1.1.3 仿真n1.1 概述概述n仿真（Simulation）n1961年，G.W.Morgenthater：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。n1978年Korn：用能代表所研究的系统的模型做实验；n1980年牛津词典：Simulation is a way to reproduce the con

14、ditions of a situation,as by means of a model,for study or testing or training,etc.；n1984年Oren：仿真是一种基于模型的活动。n现代仿真技术的一个重要概念n基本共同点：仿真是基于模型的仿真是基于模型的。2022/11/2525系统建模与仿真1.1.3 仿真n系统、模型、仿真三者之间的关系系统、模型、仿真三者之间的关系系 统模型仿真系统建模仿真建模仿真实验2022/11/2526系统建模与仿真1.1.3 仿真n系统是研究的对象；模型是系统的抽象；仿系统是研究的对象；模型是系统的抽象；仿真是对模型的实验真是对

15、模型的实验 n“系统建模”n系统辨识技术范畴n“仿真建模”n即针对不同形式的系统模型研究其求解算法n“仿真实验”n检验（Verification）：“仿真程序”的检验n致效（Validation）：将仿真结果与实际系统的行为进行比较 2022/11/2527系统建模与仿真1.1.3 仿真仿真的主要议题仿真的主要议题1 1、模型构建、模型构建（1）如何将真实世界行为构建成仿真模型；（2）如何在计算机上执行仿真模型，其主要课题有：时间的推进机制、仿真事件的逻辑、仿真过程中的统计收集。2 2、仿真分析、仿真分析 （1）如何分析模型的输入资料；（2）如何减少模型的输出误差；（3）如何解释仿真结果。20

16、22/11/2528系统建模与仿真1.1.4 小结n现代仿真技术将仿真活动扩展到上述三个方面，现代仿真技术将仿真活动扩展到上述三个方面，并将其统一到同一环境中。并将其统一到同一环境中。n系统建模系统建模n 基本定律及系统辨识等方法计算机程序化n 用仿真方法确定实际系统的模型n 基于模型库的结构化建模n 采用面向对象建模（Object-Oriented Modeling）方法，在类库的基础上实现模型拼合与重用2022/11/2529系统建模与仿真1.1.4 小结n仿真建模仿真建模n 许多新算法和新软件n 模型与实验分离技术，即模型的数据驱动（data driven）。n 仿真问题分为两部分：模型

17、与实验n 模型又分为两部分：参数模型和参数值n仿真实验仿真实验n将实验框架与仿真运行控制区n实验框架定义一组条件n输出函数的定义也与仿真模型分离开来 2022/11/2530系统建模与仿真1.2 系统仿真技术的发展历史n1.2 系统仿真技术的发展历史系统仿真技术的发展历史年代阶段划分重要事件1940年之前萌芽阶段以物理模型为基础的仿真，如建筑与造船1941-1960年起步阶段研制出第一台模拟计算机和第一台数字计算机，仿真初步应用于航空领域1961-1970年发展阶段模拟/数字混合计算机用于仿真，仿真技术在航天、能源、工业过程控制中应用1971-1990年成熟阶段仿真系统的进一步发展阶段，出现模

18、型库、参数库、实验框架及全局建模的概念，仿真技术在社会、经济系统中应用1991年至今纵深发展阶段虚拟仿真环境VSE及互联网仿真环境WSE的研究，仿真应用于军事对抗、企业管理、决策等复杂系统2022/11/2531系统建模与仿真1.3 系统仿真的类型n1.3 系统仿真的类型系统仿真的类型n按系统状态是否变化n静态系统，动态系统n按系统状态的变化与时间的关系n连续型系统，离散型系统n按有无随机过程n确定型系统，随机型系统n物流系统仿真主要研究的就是动态离散随机排队系统n系统动力学方法，蒙特卡洛方法等2022/11/2532系统建模与仿真1.4 系统仿真技术的特点n1.4 系统仿真技术的特点系统仿真

19、技术的特点n系统仿真为一些复杂系统创造了一种计算机实验环境，使系统的未来性能和长期整体特性能在计算机上得到估计、验证和结论。n仿真模型可以反映系统中主要事物间的逻辑关系和数学关系。n仿真的输出结果计算和统计是由仿真软件实现的。2022/11/2533系统建模与仿真1.4 系统仿真技术的特点n1.4 系统仿真技术的特点系统仿真技术的特点n复杂系统仿真往往需要考虑随机因素的影响。n所得到的仿真结果，需要通过必要的统计处理。n仿真模型本身不具备优化功能，具有枚举法的弱点。n建模人员的素质或风格上的差异会导致迥然不同的仿真模型。2022/11/2534系统建模与仿真1.5 系统仿真技术的应用n1.5

20、系统仿真技术的应用系统仿真技术的应用n工程领域工程领域：航空、航天、武器、电力、交通运输、通信、化工、核能等；n非工程领域：非工程领域：社会经济系统、环境生态系统，能源系统、生物医学系统、教育训练系统等；n系统仿真在物流中的作用系统仿真在物流中的作用n物流系统规划与设计n物料控制、运输调度n物流成本估算n物流系统可靠性分析2022/11/2535系统建模与仿真1.5 系统仿真技术的应用n1.5 系统仿真技术的应用系统仿真技术的应用nCVDS(Continuous Variable Dynamic Systems)n连续（变量动态）系统nDEDS(Discrete Event Dynamic S

21、ystems)n离散事件（动态）系统nHDS(Hybrid Dynamic Systems)n混合（动态）系统2022/11/2536系统建模与仿真2022/11/2537系统建模与仿真2022/11/2538系统建模与仿真2022/11/2539系统建模与仿真2022/11/2540系统建模与仿真2022/11/2541系统建模与仿真2022/11/2542系统建模与仿真19781978年，仿真技术在所有研究方法中排名年，仿真技术在所有研究方法中排名1515。19891989年，则上升到第二位。年，则上升到第二位。仿真技术在系统分析、设计中的应用；仿真技术在系统分析、设计中的应用；仿真技术在

22、系统理论研究中的应用；仿真技术在系统理论研究中的应用；仿真技术在人员训练方面的应用：经济、无风险、高效仿真技术在人员训练方面的应用：经济、无风险、高效 F-15 F-15 飞行仿真器每天工作飞行仿真器每天工作2020小时，每年可省油小时，每年可省油1010万吨万吨Boeing-747 Boeing-747 仿真器每天工作仿真器每天工作2020小时，每年可省油小时，每年可省油3030万吨万吨 一般几千吨级的轮船，靠离一次码头，大约要耗油一般几千吨级的轮船，靠离一次码头，大约要耗油1010吨吨1.5 系统仿真技术的应用2022/11/2543系统建模与仿真1.5 系统仿真技术的应用例例1：仿真技术

23、在：仿真技术在系统设计系统设计中的应用中的应用 n新系统设计新系统设计：提供了强有力的工具n在可行性论证阶段，进行定量比较，为系统设计打下坚实的基础n在系统设计阶段，进行模型实验、模型简化并进行优化设计2022/11/2544系统建模与仿真1.5 系统仿真技术的应用例例1：仿真技术在：仿真技术在系统设计系统设计中的应用中的应用 n系统改造设计系统改造设计：涉及新的设备、部件或控制装置n利用仿真技术进行分系统实验，即一部分采用实际部件，另一部分采用模型，避免由于新的子系统的投入可能造成对原系统的破坏或影响n大大缩短开工周期，提高系统投入的一次成功率 2022/11/2545系统建模与仿真1.5

24、系统仿真技术的应用例例2：仿真技术在：仿真技术在系统分析系统分析中的应用中的应用n在真实系统上进行试验的缺陷n会破坏系统的正常运行；n难以按预期的要求改变参数，或者得不到所需要的试验条件；n很难保证每次的操作条件相同，难以对试验结果做出正确的判断；n无法复原；n试验时间太长、费用太大或者有危险等 2022/11/2546系统建模与仿真1.5 系统仿真技术的应用n例例3：仿真技术在：仿真技术在教育与训练教育与训练中的应用中的应用n训练仿真系统训练仿真系统n利用计算机并通过运动设备、操纵设备、显示设备、仪器仪表等复现所模拟的对象行为，并产生与之适应的环境，从而成为训练操纵、控制或管理这类对象的人员

25、的系统。n三大类：三大类：n载体操纵型载体操纵型 n这是与运载工具有关的仿真系统，航空、航天、航海、地面运载工具，以训练驾驶员的操纵技术为主要目的。2022/11/2547系统建模与仿真1.5 系统仿真技术的应用n例例3：仿真技术在：仿真技术在教育与训练教育与训练中的应用中的应用n过程控制型过程控制型 n用于训练各种工厂的运行操作人员，如电厂、化工厂、核电站、电力网等n博弈决策型博弈决策型n企业管理人员（厂长、经理），n交通管制人员（火车调度、航空管制、港口管制、城市交通指挥等），军事指挥人员（空战、海战、电子战等）。2022/11/2548系统建模与仿真飞机自动驾驶系统飞机自动驾驶系统工厂管

26、理系统工厂管理系统陀螺陀螺控制器控制器 机体机体给定航向给定航向实际航向实际航向管理部门管理部门用户订单用户订单原材料原材料产品产品采购部门采购部门制造部门制造部门装配部门装配部门销售部门销售部门2022/11/2549系统建模与仿真1.5 系统仿真技术的应用n例例4：仿真技术在：仿真技术在产品开发及制造产品开发及制造过程的应用过程的应用n虚拟现实技术虚拟现实技术：n虚拟环境、模仿人的视、听、动等行为的高级人机交互n虚拟制造虚拟制造（Virtual Manufacturing）n是实际制造在计算机上的本质实现，是仿真技术以制造过程为对象的全方位的应用。2022/11/2550系统建模与仿真1.

27、5 系统仿真技术的应用n例例4：仿真技术在：仿真技术在产品开发及制造产品开发及制造过程的应用过程的应用n虚拟现实技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。n基于Internet的虚拟现实在各行各业有着广泛的应用，例如房地产、旅游、购物、气象、公安、消防、教育、科研、商业、金融、海洋、农业、娱乐等方面。n典型例子典型例子波音波音777n其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去8年时间缩短到5年 2022/11/2551系统建模与仿真虚拟厂房虚拟厂房2022/11/2552系统建模与仿真2022/11/2553系统建模与仿真2022/1

28、1/2554系统建模与仿真虚拟生产线虚拟生产线2022/11/2555系统建模与仿真1.6 系统仿真的相关技术n1.6 系统仿真的相关技术系统仿真的相关技术n建模与仿真方法学n仿真算法n仿真软件n仿真计算机/仿真器n虚拟现实技术n分布仿真技术2022/11/2556系统建模与仿真1.6 系统仿真的相关技术建模与仿真支撑系统技术建模技术仿真应用技术仿真领域应用技术共性技术仿真计算机技术数据库/模型库/知识库/内容管理技术网络/通信技术中间件/平台技术VR/可视环境技术建模/仿真实验/评估工具引擎技术系统总体技术实体建模技术环境建模技术人体建模技术现 代 建 模 与 仿 真 技 术 体 系自然科学

29、与工程中仿真技术社会科学中仿真技术管理科学中仿真技术生命科学中仿真技术军事领域中仿真技术仿真结果的评估技术仿真运行实验技术系统的VV&A技术机理建模技术辨识建模技术面向对象建模技术面向组件/服务建模技术多视图建模技术多分辨率建模技术多模式建模技术数据可视化建模技术多媒体建模技术2022/11/2557系统建模与仿真1.7 物流系统仿真n（1）物流系统是一个）物流系统是一个“人人-机机”系统。系统。n物流系统是由人和形成劳动手段的设备工具所组成。在这一系列的物流活动中，人是系统的主体。因此在研究物流系统时要把人和物有机结合起来作为不可分割的整体。n（2）物流系统是一个大跨度系统。）物流系统是一个

30、大跨度系统。n物流系统的大跨度反映在两个方面，一是地域跨度大，二是时间跨度大。大跨度系统带来的主要问题是管理难度较大，对信息的依赖程度较高。2022/11/2558系统建模与仿真1.7 物流系统仿真n（3）物流系统是一个多层次可分系统。）物流系统是一个多层次可分系统。n作为物流系统，无论其规模多么庞大，都可以分解成若干个相互联系的子系统，系统与子系统之间，子系统与子系统之间，存在着时间和空间上以及资源利用方面的联系，也存在目标、费用以及运行结果等方面的相互联系。2022/11/2559系统建模与仿真1.7 物流系统仿真n（4）物流系统是一个多目标系统。）物流系统是一个多目标系统。n物流系统要素

31、间有着非常强的“背反”现象，常称之为“效益背反”现象，在处理时稍有不慎就会出现系统总体恶化的结果。因此，在处理物流系统中的问题时，必须要运用系统工程的思想和方法，否则往往会顾此失彼，得不偿失。2022/11/2560系统建模与仿真1.7 物流系统仿真n（5）物流系统是一个动态的复杂系统。）物流系统是一个动态的复杂系统。n物流系统是一个具有满足社会需要的动态系统，为了适应经常变化的社会需要和环境变化，人们必须对物理系统的各组成部分经常不断地修改、完善，这就要求物流系统有足够的灵活性。2022/11/2561系统建模与仿真1.7 物流系统仿真n很难用一种准确的数学模型来描述和分析物流系统，往往需要

32、采用定性与定量相结合或计算机仿真的方法来进行处理。n通过对物流系统的仿真，可以预演或再现物流系统的运行规律，对物流系统的规划、设计和运行中的科学管理与决策有重要的支持作用。2022/11/2562系统建模与仿真1.7 物流系统仿真n美国联邦包裹快递(United Parcel Service，UPS)公司想在满足客户服务质量的前提下，在庞大的人员车辆配置和成本之间取得最佳平衡的时候，它求助的方法是物流仿真技术。n宝洁(P&G)总部提出要设计一个覆盖北美的高效的供应链网络，该网络上不但要满足客户的日常订单处理和配送要求，还要具有极强的抗波动性，宝洁公司采用的解决办法也是物流仿真技术。n物流仿真技

33、术在复杂物流系统的分析和决策中的巨大价值在欧美已成为不争的事实，每年创造数以千亿美元的经济效益。2022/11/2563系统建模与仿真1.7 物流系统仿真n物流系统仿真使用的建模方法有排队理论、Petri网、线性规划等。n一些专业的物流仿真软件平台，提供基本的功能元素，使仿真的编程工作大大简化，常见的有Automod、Witness、Flexsim、ExtendSim等。2022/11/2564系统建模与仿真1.AutoMod1.AutoMod简介简介nAutoMod仿真软件能够达到初次使用者与专业人员的需求。可以轻松而精确地模拟任何规模、任何精细程度的系统从手工作坊到全自动化的设施。n使用AutoMod 的独特功能可以提高成功率与生产力。nAutoMod 的独特功能有：3D虚拟现实动画、互动建模、原料运送模板、易于理解的语言。2022/11/2565系统建模与仿真2022/11/2566