生产系统建模与仿真课件考试重点.docx
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生产系统建模与仿真课件考试重点
•基本共同观点是:
仿真是基于模型进行的。
•仿真是对真实世界的模拟。
•仿真技术:
对模型进行试验以便评价、分析和优化系统的技术。
•仿真可以分为:
•物理仿真:
是按照实际系统的物理性质构造系统的物理模
•型,并在物理描写模型上进行实验的过程;
•数学仿真:
是在对系统进行抽象,并将其特性用数学关系式加以描述得到系统的数学模型的基础上,对数学模型进行实验的过程;
•数学仿真也称为计算机仿真;
•半实物仿真:
是数学仿真与物理仿真的结合甚至实物联合起来进行实验的过程。
•一般所讲的仿真技术指计算机仿真技术。
•仿真的应用
•仿真的应用范围十分广泛,以下是几个典型的问题:
•制造系统的设计与分析
•核定军队的武器配备要求或军队的战略
•确定企业仓储系统的订货策略和方法
•通讯系统的设计和通讯协议的设计
•运输系统的设计和运作
•服务机构的设计,如医院、超市等
•金融系统或经济系统的分析
•阻碍生产系统仿真技术应用的原因
•建模难度大:
某些系统如对于大比例系统模型,建模十分复杂。
•机时需求大:
仿真需要大量的计算机机时。
•数据要求高:
仿真需要大量实际的、准确的数据,这是一般企业所难以提供的,因此对仿真结果的准确性带来了影响,导致了人们对仿真能力的怀疑。
•系统(system)
•由诸多相互作用、相互依存的要素按照一定规律构成的集合体,它们共同组成具有特定结构和功能的整体。
它具有以下特点:
•①由两个或两个以上要素组成。
•②构成系统的要素之间具有一定的联系,并在系统内部形成特
•定的结构。
•③具有边界(boundary),进行仿真时划清边界是重要的。
•④系统具有特定的功能,具有存在的价值和作用,并且系统功
•能受到系统结构和环境的影响。
•系统环境:
能对系统产生影响且属于系统之外的元素集合。
•系统分类
•根据系统状态是否随时间连续变化,可以将系统分为:
•连续系统(continuoussystem)
•离散事件系统(discreteeventsystem)。
•①连续系统:
指系统状态随时间发生连续性变化的系统。
•
②离散事件系统:
指只有当在某个时间点上有事件发生时,系统状态才会发生改变的系统。
系统状态的变化只发生在离散的时间点上,且状态通常会保
持一段时间。
此外,系统状态的变化也会引发新的事件。
根据系统输入与输出关系,系统模型可以分为:
确定型模型:
系统的参数及系统输入可以用确定的数学函数或图表表达,其问题的解是确定的。
随机型模型:
系统的参数或输入具有不确定性,其解是不确定的。
▪对于同样的系统,由于元素的性质不同,可能在某种情况下是确定型模型,但在其他情况下,却可能是随机型模型。
▪生产系统
指以生产产品为目的,由生产过程中的人员、原材料、能源、加工设备、物流设备和其它辅助装置以及设计方法、加工工艺、生产调度、系统维护、管理规范等组成的具有特定功能的有机整体。
▪生产系统具有以下特点:
①生产系统是由产品制造过程中相关软硬件所组成的有机整体。
②生产系统的输入为物流、能源、信息等制造资源,输出为产品或半产品,它是一个动态输入输出系统。
③生产系统涵盖市场分析、设计、工艺规划、加工、调度、装配、销售、售后服务以及回收处理等环节。
系统、模型与仿真的关系
为开发新系统或分析、研究已有系统的性能特征,通常需要进行试验。
总体上,试验方法可以分为两类:
①直接以实际系统为对象进行试验;
基于实际系统的试验存在以下问题:
研究代价高。
试验受限制。
试验时间长。
②构造系统模型(modelofsystem),通过对系统模型的试验来了解和验证系统的性能指标。
基于模型的试验具有以下优点:
新系统还处于开发阶段,尚没有可供试验的真实系统。
对真实系统的试验可能会引起系统故障或破坏,给系统、环境、操作人员及其用户等带来危害或产生重大损失。
为得到系统真实的性能指标,往往需要进行多次试验,使得基于实物的试验成本高、试验周期长。
模型(model)是对实际或设计中系统的某种形式的抽象、简化与描述,通过模型可以分析系统的结构、状态、动态行为和能力。
系统模型可以分为:
①物理模型
②数学模型
③物理-数学模型(半物理模型)
物理模型(physicalmodel)是采用特定的材料和工艺,根据
相似性准则按一定比例制作的系统模型,以便通过试验对系
统的某些方面性能作出评估。
数学模型(mathematicalmodel)是采用符号、数学方程、数学函数或数据表格等方法定义系统各元素之间的关系和内在规律,再利用对数学模型的试验以获得现实系统的性能特征和规律。
物理-数学模型(physical-mathematicalmodel),也称为
半物理模型(semi-physicalmodel)。
它是一种混合模
型,结合了物理模型和数学模型的优点。
仿真(simulation)是通过对系统模型的试验,研究已存在
的或设计中的系统性能的方法及其技术。
简单地说,仿真就
是一种基于模型的活动。
根据仿真模型的不同,仿真可以分为物理仿真、数学仿真以
及物理-数学仿真。
系统、模型与仿真三者之间有着密切的联系。
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。
生产系统仿真的功能分析
根据仿真功能,可以将仿真技术在生产系统中的应用归结为“设计决策(designdecision)”和“运行决策(operationaldecision)”两种类型。
系统建模与仿真的基本步骤
问题描述与需求分析-1
设定研究目标和计划-2
建立系统数学模型-3
模型的校验、验证及确认-4
数据采集-5
仿真模型运行及结果分析-6
系统分类
连续系统(continuoussystem)
离散事件动态系统(DEDS)系统状态是否随时间连续变化关系
确定性系统(deterministicsystem)
随机系统(stochasticsystem)系统参数之间关系
静态系统(staticsystem)
动态系统(dynamicsystem)系统状态与时间关系
离散事件系统建模与仿真中的基本元素包括:
1.实体(entity):
系统内的对象,构成系统模型的基本要素
临时实体(temporaryentity)
永久实体(permanententity)
2.属性(attribute):
实体的状态和特性
3.状态(state):
任一时刻,系统中所有实体的属性的集合
4.事件(event):
引起系统状态变化的行为和起因,是系统
状态变化的驱动力
5.活动(activity):
指两个事件之间的持续过程,它标志
系统状态的转移
6.进程(process):
与某类实体相关的若干有序事件及活动
组成,它描述了相关事件及活动之间的
逻辑和时序关系
7.仿真时钟(simulationclock):
用于显示仿真时间的变
化,是仿真模型运行时序的控制机构
!
!
!
仿真时钟是指所模拟的实际系统运行所需的时间,
而不是指计算机执行仿真程序所需的时间。
仿真时钟可以按固定的长度向前推进,也可以按变化的节拍
向前推进,将仿真时钟变化的机制称为
仿真时钟的推进机制(timeadvancemechanism)
常用的仿真时钟的推进机制:
①固定步长时间推进机制
(fixed-incrementtimeadvancemechanism)
②下次事件时间推进机制
(nexteventtimeadvancemechanism)
③混合时间推进机制
(mixedtimeadvancemechanism)
8.规则(rule):
用于描述实体之间的逻辑关系和系统运行
策略的逻辑语句和约定
常用的规则:
①先进先出(FirstInFirstOut,FIFO)
②后进先出(LastInFirstOut,LIFO)
③加工或服务时间最短(shortesttime)
④按优先级(highestpriority)
⑤随机(random)选择
离散事件系统仿真程序的基本结构
建立系统模型的常用方法
3.4.1分析与综合
抽象与概括归纳与总结演绎与推理比较与类比概率统计法层次分析法
活动的分类
(1)确定性活动(deterministicactivity)
(2)随机性活动(stochasticactivity或probabilisticactivity)
根据取值是否连续,随机变量可分为离散型随机变量和连
续型随机变量
若随机变量的取值为有限个数值或为可以逐一列举的无穷
多个数值,则称此类随机变量为离散型随机变量
(discreterandomvariable)。
若随机变量X可以在某个数值区间内连续取任一数值,则称
之为连续型随机变量(continuousrandomvariable)。
随机变量的数字特征
1.平均值(mean或meanvalue)
离散型随机变量的平均值:
连续型随机变量的平均值:
2.方差和标准差(variance)
3.变异系数(coefficientofvariation)
由于标准差与平均值的量纲相同,变异系数是无量纲量,
它不受数据量纲的影响。
变异系数的数值越小,则随机变
量的分散性越小。
常用随机分布类型及其特性
根据参数的物理意义和几何意义,可以将分布参数分为:
位置参数(locationparameter)比例参数(scaleparameter)形状参数(shapeparameter)
随机数的特性
仿真程序中的随机数序列必须具有以下统计特性:
①均匀性:
随机变量在其可能取值范围中任一
区间出现的概率和此区间的大小与可能值范围的比值成正
比。
②独立性:
在某个区间内一个观测值发生
的概率与先前已有的观测值结果无关。
随机数发生器的评价指标:
(1)随机性:
有较好的独立性与均匀性,与真实的随机数具有相
同或相近的数字特征,如数学期望、方差等
(2)长周期:
无重复出现的随机数序列长度称周期。
(3)可再现性:
便于再现仿真状态。
(4)高计算效率:
仿真过程要求短时间内产生大量随机数。
均匀分布的随机数的产生方法
(1)平方取中法
(2)线性同余法(3)混合同余法(4)乘同余法(5)取小数法
▪随机数发生器的检验方法:
①数字特征检验:
检验该随机分布的参数估计值与[0,1]均匀分
布的或称理论值的差异是否显著。
②分布均匀性检验:
检查随机数序列u1,u2,…,un的实际频率
与理论频率的差异是否显著(频率检验)。
③独立性检验:
检查随机数序列u1,u2,…,un前后各项的统
计相关是否显著。
造成排队的原因是:
等待服务的顾客数量超过服务能力。
解决排队问题的途径:
减少顾客等待时间与减低成本之间的平衡。
排队系统的研究目的
⏹减少顾客等待时间
–计算顾客平均等待时间
–计算顾客的平均队长
⏹提高服务系统的效率
–计算服务强度
–计算忙期/闲期
⏹对服务系统进行成本效益平
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