系统仿真1

系统建模与仿真•叶范波•[e-mail]•15906643826教材•卫强,陈国青.管理系统模拟.高等教育出版社,2008.4参考书•班克斯等著,范文慧,肖田元译,离散事件系统仿真(原书第4版),机械工业出版社,2007.7.￥52•JerryBanks,JohnCarson,BarryNelson,DavidNicol,“Discrete-EventSystemSimulation”4thEds,Prentice-Hall,2005/5thEds,2010•蔡建峰,管理系统模拟,机械工业出版社,2007.1.￥20•王维平,离散事件系统建模与仿真（第二版）,科学出版社,2007.8.￥36仿真的知识体系输入分析输出分析模型的检验与验证随机数的产生随机变量的产生统计模型排队模型仿真实例基本原理仿真软件仿真数据分析随机数数学与统计模型入门基本应用第一章概论一．什么是仿真？——引言二．仿真能干什么？——仿真的应用三．仿真的对象是什么？——系统、模型与仿真四．仿真有前途吗？——仿真的发展历史与趋势五．如何仿真？——仿真研究的步骤什么是仿真？一、引言CASE•例1：只有一个理发师的理发店的工作过程理发师空闲？顾客到达排队等候接受服务顾客离开YCASE•例1：只有一个理发师的理发店的工作过程–假设：•每位顾客到达间隔时间为A1，A2，A3，…•每个顾客的服务时间为S1，S2，S3，…–目标：•顾客平均排队长度＝？•顾客平均等待时间＝？CASE•例1：只有一个理发师的理发店的工作过程Q3211234567A1A2A3S1S2S3A48A5A6A7S4S512第二个顾客的等待时间第三个顾客的等待时间理发师空闲TA1，A2，A3…是顾客到达时间间隔S1，S2，S3…是顾客服务时间CASE•例1：只有一个理发师的理发店的工作过程Q3211234567A1A2A3S1S2S3A48A5A6A7S4S512第二个顾客的等待时间第三个顾客的等待时间理发师空闲T平均等待时间=顾客等待时间之和／顾客数平均排队长度=上方阴影面积之和／时间CASE•例1：只有一个理发师的理发店的工作过程Q3211234567A1A2A3S1S2S3A48A5A6A7S4S512T服务台空闲？顾客到达排队等候接受服务顾客离开Y模型求解数据分析CASE二、仿真的应用•仿真能干什么？仿真的应用1.军事领域2.工业领域3.教育培训4.其他领域军事领域•武器装备研制•军事训练–SIMNET•先进概念与军事需求分析工业领域•波音777–计算机上完成：•整机设计•部件测试•整机装配•各种环境下的试飞–开发周期•过去的8年缩短到5年工业领域•设计与实施生产线–PerotSystemTeam利用QUEST及IGRIP–在所有设备订贷之前，对生产线的运动学、动力学、加工能力等各方面进行了分析与比较–生产线的实施周期从24个月缩短到9.5个月delmia仿真实例工业领域•新车研制–Chrysler公司与IBM合作开发的虚拟制造环境–在样车生产之前，发现其定位系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了研制周期。工业领域•产品设计教育培训•载体操纵类–训练驾驶员的操纵技术教育培训•过程控制类–训练各种工厂(如电厂、化工厂、核电站、电力网等)的运行操作•博弈决策类–企业管理人员(厂长、经理)–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)其他领域•医学：–中国虚拟人中国虚拟人2号-首例女性中国虚拟人1号其他领域•游戏–模拟飞行器三、系统、模型与仿真•仿真的对象是什么？三、系统、模型与仿真•系统是按某种规律结合起来，相互作用、相互依存的所有实体的集合，是研究的对象•模型是系统的抽象•仿真通过对模型的实验以达到研究系统的目的计算机仿真三要素及三个基本活动系统模型计算机仿真建模实验系统建模生产系统建模与仿真的基本概念1.系统2.系统模型3.系统仿真4.系统与模型的类型1、系统•例1：杭州市公共交通系统–要素：•道路•公交车•线路•公交站•乘客•……1、系统•例2：一个简单的生产线–要素：•三台机器•三个传送带•零件•存储箱•……1、系统•例3：一个小超市–要素：•货架•商品•篮子•顾客•收银台•……1、系统•系统的内涵–所有元素的集合–相互作用、相互依存–按某种规律结合起来–与研究目的相关的、有界的1、系统•系统三要素–元素•元素组成系统的具体对象–属性•实体所具有的每一项有效特性–活动•指随着时间的椎移，在系统内部由于各种原因而发生的变化过程2、系统模型对实际系统进行简化和抽象、能够揭示系统元素之间关系和系统特征的相关元素实体2、系统模型•为什么需要系统模型?–为了深入研究系统–不能采用直接在真实系统上做实验的方案•系统不存在•会造成巨大的破坏和损失•系统无法恢复2、系统模型原型系统结论模型映射实现认识实验2、系统模型•例1：杭州市公共交通系统,,,,xfxfxStratTimeEndTimeBusStopInterval2、系统模型•例2：一个简单的生产线2、系统模型•例3：一个小超市–有三个通道和一个收银台，顾客以75±10秒的均匀分布概率到达商场。顾客到达后先取篮子，然后进入一个或者多个通道购物。进入任一通道1、2、3的概率，所需时间和选购商品数量情况如表所示选好商品后，顾客以先进先出的顺序到收银台，在收银台顾客会附加购买2±1件商品。顾客在收银台停留的时间取决于购买的商品数量，收银时间为每件商品3秒钟。收银完毕后顾客留下篮子并离开商场。通道通过的概率所需时间选购商品数量10.75120±603±120.55150±304±130.82120±455±13、系统仿真•系统仿真–将系统的行为（状态）历程用数学或者图示的方法演示出来。•系统仿真的本质–对系统模型的实验–研究一个系统3、系统仿真•仿真（模拟）——Simulation•意指在实际系统尚不存在的情况下，对于系统或活动本质的复现。——G.W.Morgenthler,1961•系统仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或者设计中的系统。——简言之，系统仿真是对系统动态模型的实验。——目前流行于工程技术界的定义计算机仿真三要素及三个基本活动系统模型计算机仿真建模实验系统建模4、系统与模型的类型SystemExperimentwithactualsystemExperimentwithamodelofactualsystemPhysicalmodelMathematicalmodelAnalyticalsolutionSimulation4、系统与模型的类型•物理模型（Physicalmodel）–根据相似准则缩小（放大）和简化的实际系统。–例如：•飞机研制中的原型机–特点：•实体模型，成本高•实体上的试验是有限制的，很多试验无法进行•实体试验周期长4、系统与模型的类型•数学模型（Mathematicalmodel）–通过数学推导，把系统中各个元素间的关系用数学方程、函数、数据表格等方式进行表示。–例如：•Malthus人口模型00NNrNdtdN4、系统与模型的类型•仿真模型的分类–DeterministicorStochastic•Doesthemodelcontainstochasticcomponents?•RandomnessiseasytoaddtoaDES–StaticorDynamic•Istimeasignificantvariable?–ContinuousorDiscrete•Doesthesystemstateevolvecontinuouslyoronlyatdiscretepointsintime?•Continuous:classicalmechanics•Discrete:queuing,inventory,machineshopmodels连续系统•AcontinuessystemisoneinwhichthestatevariableschangecontinuouslyovertimeHeadofwaterbehindthedam连续系统举例输入量输出量连续物理量连续系统航空炮塔控制系统离散系统•AdiscretesystemisoneinwhichthestatevariableschangeonlyatadiscretesetofpointsintimeBankexample离散系统举例离散系统急诊室系统离散系统模型•Discrete-EventSimulationModel–Stochastic:somestatevariablesarerandom–Dynamic:timeevolutionisimportant–Discrete-Event:significantchangesoccuratdiscretetimeinstances混合系统混合系统离散量离散量连续量模－数转换系统4、模型的类型四、仿真的发展历史与趋势•仿真有前途吗？四、仿真的发展历史与趋势1600～1940s•物理科学基础上的建模1940s•电子计算机的出现1950s•仿真应用于航空领域1960s•工业操作过程仿真1970s•包括经济、社会和环境因素的大系统仿真四、仿真的发展历史与趋势•发展历史1970s中期•系统与仿真的结合，如用于随机网络建模的SLAM仿真系统1970s中期•系统仿真与更高级的决策结合，如DDS1980s中期•集成化建模与仿真环境，如Prisker公司的TESS建模仿真系统1990s•可视化建模与仿真，虚拟现实仿真、分布交互仿真四、仿真的发展历史与趋势面向对象仿真定性仿真智能仿真分布交互仿真可视化仿真多媒体仿真虚拟现实仿真Internet网上仿真发展趋势面向对象仿真OOS•使用面向对象设计和程序设计工具进行建模和执行的系统。–Simula–Smalltalk定性仿真(QualitativeSimulation)•以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结果输出等仿真环节，通过定性模型推导系统的定性行为描述。•定性仿真能处理多种形式的信息，有推理能力和学习能力，能初步模仿人类思维方式，人机界面更符合人的思维习惯，所得结果更容易理解。智能仿真•将智能技术引入整个建模与仿真过程人工智能技术仿真技术专家系统知识工程模式识别神经网络……仿真模型仿真算法仿真语言仿真软件……分布交互仿真•通过计算机网络将分散在各地的仿真设备互联，构成时间和空间相互耦合的虚拟仿真环境分布交互仿真•1983年美国国防部的国防高级研究计划局（DARPA）启动了SIMNET（SimulatorNetworking）计划可视化仿真•为数值仿真过程及其结果增加文本提升、图形、图像、动画等。•动画仿真delmia仿真实例乐龙仿真实例多媒体仿真•使人的感官和思维进入仿真回路–采用不同媒体形态描述不同性质的模型信息–建立反映系统内在运动规律和外在表现形式的多媒体仿真模型–在多媒体计算机上运行–产生定性、定量相结合的系统动态演变过程虚拟现实仿真•采用计算机技术和其他专用软硬件生成一个使人在视觉、听觉、触觉和嗅觉等感官上都有逼真感的模拟系统(或虚拟实体）•且用户可利用其自然技能对这一模拟系统进行交互作用•特性：–逼真性–交互性虚拟厨房场景虚拟展览馆场景插值方法得到的虚拟现实场景VE几何和物理建模得到的场景Internet仿真•美国海军研究院的Simkit•特点：–可以在浏览器的支持下进行分布式仿真–用Simkit建立的仿真模型可以在世界任何地点的网络用户机上运行–可以进行全球范围内总体仿真模型的分布式仿真运行五、仿真研究的步骤如何仿真？七、仿真研究的步骤