系统建模与仿真第一章

准备阶段
系统认识阶段 系统建模 模型求解
模型分析、检 验
模型不合格 修正模型
模型合格
模型使用
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1.1.3 仿真
1.1 概述
仿真（Simulation）
1961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。
1978年Korn：用能代表所研究的系统的模型做实验； 1980年牛津词典：Simulation is a way to reproduce the
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 1991年至今
成熟阶段 纵深发展阶段
仿真系统的进一步发展阶段，出现模型库、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
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
通过分析实际系统的特征，建立仿真模型，在此 基础上对不同的系统参数和策略进行仿真实验， 从而对不同策略进行评价；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。
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。
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1.1 概述
1.1 概述
系统（System）
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。
条件：
由若干要素组成、 具有一定的结构、 具有一定的功能
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1.1.1 系统
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1.1.1 系统
•5、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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ四章 输入数据建模 第五章 系统仿真算法
事件调度法、活动扫描法、进程交互法
第六章 仿真结果与系统方案分析 第七章 仿真应用
操作 Flexsim仿真软件
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第一章 绪论
本章教学要点
了解系统仿真技术的发展、特点、应用以 及相关技术；
conditions of a situation, as by means of a model, for study or testing or training, etc.； 1984年Oren：仿真是一种基于模型的活动。
现代仿真技术的一个重要概念
基本共同点：仿真是基于模型的。
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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。
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。
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学科性质及学习的对象和内容
，在类库的基础上实现模型拼合与重用
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1.1.4 小结
仿真建模
许多新算法和新软件 模型与实验分离技术，即模型的数据驱动（data
driven）。 仿真问题分为两部分：模型与实验 模型又分为两部分：参数模型和参数值
仿真实验
将实验框架与仿真运行控制区 实验框架定义一组条件 输出函数的定义也与仿真模型分离开来
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1.1.2 模型
系统研究的一般方法
系统
实际系统实验
系统模型实验
物理模型
数学模型
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解析解
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仿真
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1.1.2 模型
模型的分类：
――物理模型
采用一定比例尺按照真实系统的“样子”制作沙盘模 型
――概念模型
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，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。
了解系统仿真的基本概念和相关知识
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第一章 绪论
本章内容
1.1 概述 1.2 系统仿真技术的发展历史 1.3 系统仿真的类型 1.4 系统仿真技术的特点 1.5 系统仿真技术的应用 1.6 系统仿真的相关技术 1.7 物流系统仿真 本章小结和思考题
（二）本课程的基本要求
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。
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（三）课时计划
32讲授课时+16实验课时
（四）考查方式
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1.3 系统仿真的类型
――数学模型
用数学表达式形式来描述系统的内在规律。
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1.1.2 模型
系统建模（System Modeling）
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。
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。
了系统内部发生变化的过程。
环境 输入
边界 系统
输出
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1.1.1 系统
系统论的重要观点：
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;
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1.1.1 系统
例1：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
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问题二：银行营业点自动存取款机添置
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。
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问题三：系统仿真在集装箱港口中的应用
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1.1.1 系统
•3、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、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。
8.封闭系统必将走向灭亡，系统一定在动态变化中发展。
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1.1.2 模型
1.1 概述
模型（Model）
实际系统本质的抽象与简化
（1）真实的系统尚未建立 （2）可能会引起系统破坏或发生故障 （3）难以保证每次试验的条件相同 （4）试验时间太长或费用昂贵
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1.1.3 仿真
系统、模型、仿真三者之间的关系
系统建模
系统
仿真实验
模型
仿真建模
仿真
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1.1.3 仿真
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
“系统建模”
――系统辨识技术范畴
“仿真建模”
――即针对不同形式的系统模型研究其求解算法
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1.1.2 模型
模型化过程
对现实系统进行分析和观察，通过概念化获取信 息
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
认识—提高—再认识—再提高
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1.1.2 模型
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第一章 绪论
管理科学与工程学院 付赟
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（一）本课程的教学目的与任务
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。
10%平时成绩+20%实验成绩+70%考试成绩
（五）参考教材
《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
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问题一：射箭问题
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？
“仿真实验”
――检验（Verification）：“仿真程序”的检验 ――致效（Validation）：将仿真结果与实际系统的行
为进行比较
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1.1.3 仿真
仿真的主要议题
1、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。
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1.1.1 系统
例2：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
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1.1.1 系统
确定边界、输入、输出
描述系统“三要素”：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
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主要内容
原理及应用
第一章 绪论
了解系统仿真技术的发展历史、特点、应用及相关技 术
第二章 系统仿真的基本知识
离散事件系统仿真、单服务台排队系统仿真、单品种 库存系统仿真
第三章 随机数与随机变量
基本概念、常用分布、随机数发生器、随机数产生方
法
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2、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。
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1.1.4 小结
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。
系统建模
基本定律及系统辨识等方法计算机程序化 用仿真方法确定实际系统的模型 基于模型库的结构化建模 采用面向对象建模（Object- Oriented Modeling）方法
•系统的特征
•1、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
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•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。
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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；
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1.2 系统仿真技术的发展历史
1.2 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