Arena培训手册p.docx

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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，显着简化了建模过程，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。

离散系统仿真

连续系统仿真

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？

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。

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，重要着作有〈〈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，着作有〈〈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,

[4]RichardJLinn,Chin-ShengChen,JorgeALozan.Developmentofdistributedsimulationmodelforthetransporterentityinasupplychainprocess[J].Proceedingsofthe2002WinterSimulationConference,2002,1319-1326.DepartmentofIndustrialandSystemsEngineering,FloridaInternationalUniversity,Miami,FL33199,

[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）:

829-834.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

[13]N.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）:

176-182.大连理工大学

[18]李涛,冯允成,但蕾.用VisualBasic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Arena[M].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：

①“BasicProcess”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；②“AdvancedProcess”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；③“AdvancedTransfer”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；④“Blocks”模块模板。

包含各个低级模块；⑤“Elements”元素模板。

包含各个更低级的模块；⑥“FlowProcess”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；⑦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AdvancedProcess模板、AdvancedTransfer模板和BasicProcess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（InputAnalyzer）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（ProcessAnalyzer）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（OutputAnalyzer）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

①直接集成Office，如Visio等。

②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。

③实时仿真和在HLA仿真中的应用。

Arena通过使用RealTimeFactor，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。

④提供VBA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。

⑤Arena还提供了一个“VBABlock”，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“VBABlock”，以实现所需的定制目的。

Arena定制的方式一般有三种：

①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，也不利于定制部分的系统化和产品化，但是运行效率较高；②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；③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

①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；②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）；③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

ARENA

D

A

C

A

C

AUTOMOD

C

A

C

A

D

EXTEND

B

B

A

B

A

PROMODEL

B

B

D

B

D

SIMPLE++

C

C

D

C

E

TAYLOR

B

C

D

B

B

WITNESS

C

A

C

B

D

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stepbystep

Arena构建的仿真模型一般包含如下几个部分：

①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、统计变量等等；②逻辑部分。

定义模型的仿真流程，这与实际系统流程相对应；③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

BasicProcess

Create

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