Arena培训手册

Arena培训手册1仿真概述1.1仿真的定义、特点和用途仿真是以系统理论、形式化理论随机过程理论、统计理论以及优化理论为基础，借助计算机和仿真软件对实际系统行为进行动态实验研究的方法。通俗而言，仿真是基于一定的知识或假设，对实际系统进行模拟，从而更加深入地了解整个系统，并且对系统做出科学的调整、改善和优化，为辅助决策提供依据。对于包含多种随机因素的复杂系统，通常难于用数学模型或解析方法精确地描述和求解时，可以根据系统内部的逻辑关系和数学关系，面向系统的实际过程和行为来构造仿真模型，在很少假设或不作假设的前提下建立包括系统主要因素和具体细节的模型框架，并通过仿真实验运行，得到复杂系统的解。仿真的优越性：①它可以将研制过程、运行过程和实施过程放在实验室中进行，具有良好的可控制性、无破坏性、可复现性和经济性等特点；②系统仿真在理论上体现了实验思考的方法论，用它可以探索高技术领域和复杂系统深层次的运动机理和规律性，给出人们直观逻辑推理不能预见的系统动态特征，具有科学的先验性；③系统仿真建模具有面向过程的特点，仿真模型与所研究系统的运行过程在形式上和逻辑上存在对应性，避免了建立抽象数学模型的困难，显著简化了建模过程，具有很好的直观性。仿真与线性规划和网络技术一起被称为运筹学在应用领域中的三大支柱。在工业生产、交通运输、能源供应、医疗卫生、航空航天、军事作战、制造过程以及社会服务等领域发挥了重要作用，展现出了美好的前景。仿真的实际用途体现在两大方面：事前分析认证和事后分析改善。最终目的是要辅助决策，降低成本，提高效益。①国防军事领域。新装备研制过程仿真、作战仿真等等；②生产制造领域。生产线布局、设施规划、厂址选择、瓶颈分析、资源分配等等；③供应链管理领域。物流规划、库存决策、运输规划等等；④社会服务领域。系统性能分析、业务流程分析、投资决策分析（决策方案比较）等等。仿真应用的具体表现：提高设备利用率、减少排队等待、有效分配资源、减小缺货损失、减小资源故障带来的影响、确定最优批量问题、确定最优加工顺序问题、解决物料搬运问题、日常运作决策、实时监控、方案筛选，……。仿真模型的类别：离散系统仿真、连续系统仿真、混合系统仿真。在离散系统中，状态变量仅在随机的时点上发生瞬间的跃变，而在两个相邻的时间点之间，系统的状态保持不变。汽车上的人数时间离散系统仿真飞机水平速度时间连续系统仿真油量时间装油过程入库过程运输过程运输车油量变化库存油量变化混合系统仿真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。仿真试运行、模型确认实际系统理论模型仿真模型抽象、提取仿真建模确认验证认证数据采集和分析仿真模型的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？为什么有效？实际系统模拟系统仿真软件仿真软件计算机计算机系统理论形式化理论优化理论概率论随机过程数理统计估计实际系统的性能仿真涉及的理论1.3仿真的基本步骤问题阐述确定仿真目标仿真建模数据采集模型校核通过模型验证通过模型确认通过仿真程序编制或生成仿真实验设计仿真试运行正式仿真运行仿真输出统计分析仿真报告辅助决策是否否否是是否否仿真基本流程图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。实际系统仿真抽样实验统计推断统计分析仿真术语：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。ABCA:系统性能指标的最小值B:系统性能指标的均值（期望）C:系统性能指标的最大值L:置信区间半长LL仿真术语检查数据是否独立判断数据的分布估计分布参数假设检验InputAnalyzer自动完成输入分析过程仿真类型不同，所采用的输出统计分析方法也不同。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：①均匀分布。连续分布。只知道最大值和最小值时使用；②三角分布。连续分布。只知道最大值、最小值和最可能值时使用；③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。④正态分布。连续分布。如用于表示加工时间等。⑤指数分布。连续分布。常用于表示间隔时间。⑥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。时间仿真开始事件6事件5事件4事件3事件2事件1面向事件的仿真时钟推进时间仿真开始事件6事件5事件4事件3事件2事件1面向时间间隔的仿真时钟推进2Arena概述Arena是美国RockwellSoftware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统进行有效分析和处理；内嵌的MicrosoftVBA(MicrosoftVisualBasicforApplication)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MicrosoftOffice产品、SQLServer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-OrientedProgramming)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-LinkLibrary,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，SystemsModelingCorporation，SIMAN，柔性建模语言。1984年，SystemsModelingCorporation，SIMAN/CINEMA，基于SIMAN的动画仿真环境。1993年，SystemsModelingCorporation，Arena。1998年，RockwellSoftwareCorporation，Arena的各个高级版本。2.2Arena的特点学术性强①全面深入地体现了系统仿真的有关理论；②学术界应用较广。W.DavidKelton:Cincinnati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OperationsResearch,ManagementScience,theINFORMSJournaloncomputing,IIE(InstituteofIndustrialEngineering)Transactions,NavalResearchLogistics,theJournaloftheAmericanStatisticalAssociation等发表过论文，多家国际期刊编辑，曾担任WSC(WinterSimulationConference)主席，多家国际知名企业咨询师、顾问，重要著作有〈〈SimulationModelingandAnalysis〉〉和〈〈SimulationwithArena〉〉。AverillM.Law:教授，工业工程和仿真领域专家，ExpertFit的开发人员之一。DavidT.Sturrock:2004年，Rockwell公司仿真开发部主任，参与开发SIMAN。RandallP.Sadowski:2004年，Rockwell公司产品经理，工业工程领域专家、顾问，著作有〈〈SimulationwithArena〉〉和〈〈IntroductiontoSimulationUsingSIMAN〉〉。和Arena相关的国内外部分发表刊物：[1]KELTONWD,SADOWSKIRP,SADOWSKIDA.SimulationwithARENA[M],2ndedition.McGraw-Hill,2002[2]AverillM.L.,KeltonW.D.SimulationModelingandAnalysis[M].ThirdEdition.America:McGrawHill,2000[3]KambizFarahmand,ArunBalasubramanian.Solvinglogisticsandtransportationproblemsinajobshop[C].ProceedingsoftheWinterSimulationConference,2002,1(1):1052-1059.TexasA&MUniversity,Mechanical&IndustrialEngineering,U.S.A.[4]RichardJLinn,Chin-ShengChen,JorgeALozan.Developmentofdistributedsimulationmodelforthetransporterentityinasupplychainprocess[J].Proceedingsofthe2002WinterSimulationConference,2002,1319-1326.DepartmentofIndustrialandSystemsEngineering,FloridaInternationalUniversity,Miami,FL33199,U.S.A.[5]GiannoccaroIlaria,PontrandolfoPierpaolo.Inventorymanagementinsupplychains:areinforcementlearningapproach[J].InternationalJournalofProductionEconomics,2002,Vol.78(2):153-161.Italy[6]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Arena[J].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SystemDynamics在供应链仿真领域的应用[J].吉林大学学报,2006,36(5):829