生产系统建模与仿真

工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management生产系统建模与仿真ProductionSystemModeling&Simulation工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management面向工程实际的应用型的基础性课程，是工业工程专业的主导课程。课程介绍从课程的题目中可以看出：《离散系统建模与仿真》其对象是：离散系统生产系统是一个典型的离散系统。物流系统也是一个离散系统。目的是：仿真。即用一种抽象的、能够反映系统研究本质的“虚假”系统，来模拟实际系统。而这虚假系统就是系统模型。课程性质：工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management征求答案什么是仿真？什么是离散系统的仿真？为什么需要做仿真？何时需要做仿真？如何进行仿真？仿真要做那些准备工作？仿真的可信度如何评价？对仿真模型如何作评价？你知道的仿真软件有哪些？各自具有哪些特征？你希望通过本课程的学习获得些什么？课程试图解决的问题：工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management•离散事件系统建模与仿真的基本原理•离散事件系统建模与仿真的方法•Petri网建模与仿真课程的先修课程：•生产运作与管理•运筹学•计算机编程与应用技术•概率论与数理统计课程的考核方法：完成相关作业及期末考核。课程介绍课程主要内容：工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management课程主要内容构成第一章离散事件仿真的概述第二章离散事件仿真的分析第三章离散事件仿真的案例分析第四章离散事件仿真的逻辑分析——Petri网工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management第一章离散事件仿真的概述1.1离散事件系统仿真的基本概念1.2生产系统仿真的特征1.3服务系统仿真的特征1.4离散系统仿真的基本步骤工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.1离散事件系统仿真的基本概念•什么是系统？系统是按照某些规律结合起来的，相互作用、相互依存的所有元素的集合。•系统有哪些种类？–连续系统&离散系统——变量状态–静态系统&动态系统——时域状态–确定系统&随机系统——存在随机变量–单变量系统&多变量系统——自由度数量工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.1离散事件系统仿真的基本概念•什么是系统仿真(SystematicSimulation)?–仿真：对现实中的现象通过某种抽象，建立表达现实变化规律或特征的模型，运用一定的手段加以描述，这就是仿真。–系统仿真：首先针对真实系统建立模型，然后在模型上进行试验，用模型代替真实系统，从而研究系统性能的方法。系统仿真将能一一仿效实际系统的各种动态活动，并把系统动态过程的状态记录下来。最终得到用户所关心的系统统计性能。工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.1离散事件系统仿真的基本概念•为什么要采用系统仿真?系统所涉及到的专业知识较为广泛，如：机械、生产管理、人事管理、产品设计、生产工艺等现实问题的规律是复杂的，一般很难用一确定的数学方程或数学函数显性地或隐性地表达。科学技术的发展难以适应生产系统研究的需要仿真是系统特征无法用数学方程、数学函数描述时，为了研究系统特征所采用的一种研究方法。我们可以这样说：仿真是一种“不得已而为之”的方法工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.1离散事件系统仿真的基本概念•系统仿真方法适用怎样的领域？系统仿真的方法适用于任何的领域工程类非工程类机械电子化工交通管理经济政治工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.1离散事件系统仿真的基本概念•系统模型有哪些？系统模型确定型模型随机型模型静态动态静态动态连续离散连续离散离散事件仿真蒙特卡洛仿真工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management•什么是离散事件系统？离散事件系统是包含事件的发生在时间或空间上都是离散的，例如交通管理、生产自动线、计算机网络、通信系统和社会经济系统都是离散事件系统。离散事件系统定义为一组元素(实体)的集合，为了达到某些目的，这些元素以某些规则相互作用、关联而集合在一起。例如制造系统由机器、部件以及操作工人组成，银行系统由出纳员和顾客组成。离散事件系统的变量通常用状态变量表示，如：实体的发生与不发生；事物的计数等等。1.1离散事件系统仿真的基本概念离散事件仿真模型的特点-随机型：具有随机性的状态变量-动态性：随时间演变是模型的重要特征-离散事件：主要的变化发生在离散的时间点上工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.1离散事件系统仿真的基本概念事件的发生在时间和空间上都是离散的。系统的数字仿真则经常是面向事件的离散事件系统定义为一组元素(实体)的集合，为了达到某些目的，这些元素以某些规则相互作用、关联而集合在一起。离散事件系统状态变量仅仅在可数的一些时间点上才有变化。系统变量是反映系统各部分相互作用的一些事件，系统模型则是反映这些事件状态的数集，仿真结果是产生处理这些事件的时间历程。在离散事件系统中，各事件以某种顺序或在某种条件下发生,并且大都是随机性的，不能用常规的方法加以研究。连续系统事件的发生在时间和空间上都是连续的。在连续系统的数字仿真中，时间通常被分割成均匀的间隔，并以一个基本的时间间隔计时。在连续系统仿真中，系统动力学模型是由表征系统变量之间关系的方程来描述的。仿真的结果为系统变量随时间变化的时间历程。•连续系统与离散系统有何区别？工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.1离散事件系统仿真的基本概念•离散事件仿真时钟的演变方法有哪些？–时间离散系统只在一些特定的时刻，即={t1,t2,…}上被考察。通常，为了便于研究，各时间间隔选定为整常数，Δt=常数。–事件离散系统状态的变化，即事件时刻是不连续的、跳跃式的，Δt=ti+1-ti，i，ti为事件发生时间。工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.1离散事件系统仿真的基本概念l某些系统的建模困难，如，对于大比例系统模型，建模会变得十分复杂，程序的编写与程序的运行都是十分艰巨的。但是随着优质的仿真专业软件的诞生，对于这样系统的仿真日趋简便。l仿真需要大量的计算机机时。这一问题随着计算机技术的发展正在逐步得到解决。l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。总之，正是由于上述的种种因素，是人们对仿真留下了不好的印象。这里还要说明的是：仿真只是计算机编程的一种游戏，游戏的规则来自于问题的本身，游戏的范围也是问题所约定的。•离散事件仿真运用存在哪些阻碍？工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.1离散事件系统仿真的基本概念•离散事件仿真模型如何建立？如何为一个离散事件系统建立一个模型1)确定一个系统目标或仿真目的2)建立概念性模型3)转换为一个详细模型——制定仿真规则4)转换为一个计算机计算模型——编制程序代码5)模型的运行检验——特例检验6)模型的有效性检验——模型检验、可信度检验典型事件的多次重复仿真——循环过程工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.1离散事件系统仿真的基本概念•离散事件仿真模型的三层次模型•概念模型层–极其概念性的层次模型（通常是语义性的系统描述）–模型是如何构成的？–什么是模型的状态变量，哪些是动态变量，哪些是重要变量？•详细模型层–模型的书面整理–模型包括哪些方程，哪些伪随机数，哪些辅助变量等–模型参数如何输入？•计算模型层–计算机程序–通用编程语言或仿真语言工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.1离散事件系统仿真的基本概念•系统与系统模型的实质关联是什么？–系统：研究的本体–系统模型：为研究系统所收集的有关信息的集合。通过研究系统模型来揭示系统的性能。它和“系统”的定义比较，两者都是集合，系统是以某些规律结合起来、有相互作用的元素组成；而系统模型是为了研究其结合规律相互作用所收集的有关信息。因为收集的信息有详细、粗略之分，加上收集方法的差异和研究目的的不同，因此对于同一个系统就会出现多种不同的系统模型。模型是为系统服务的，因此，所揭示的性能规律应该是稳定的。工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.1离散事件系统仿真的基本概念•离散事件仿真的输入数据该如何收集和处理？–仿真的输入数据来源于事件——采集稳定的数据–仿真的输入数据应该与实际数据有同样的变化规律——拟合度检验–仿真的输入数据应当是相互独立的——相关性检验工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.1离散事件系统仿真的基本概念•离散事件仿真的输出数据应该有哪些分析？–仿真结果的可信度分析–仿真运行的效率分析–仿真结果的性能分析工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management离散事件系统仿真模型的简例某一个工作人员每日的工作是处理文件，他从每天开始工作时即处理文件，直至文件处理完毕或工作结束，每一个文件处理完毕后开始下一个文件的处理，工作间隔一小时休息一次，休息时间为5分钟，但必须是在一个文件处理完毕之后。假设不考虑当天收到的文件，那么文件的数量可以预置，并随着每个作业的完成递减，直至为零。1.1离散事件系统仿真的基本概念工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management实例求解•实例目标：了解仿真•求解方法：手工仿真•求解平台：Excel•求解原理：–每个文件的处理时间（工作时间tw）是一个随机过程，符合一定的概率分布；–该工作人员一上班就开始处理文件，所以第一个文件处理的开始时间就是仿真的开始时间（0时刻），后续文件的开始时间tf＝上一文件的结束时间或休息后的时间；–每一个文件处理的结束时间＝文件处理的开始时间＋文件处理时间；–设置一项统计量：累计工作时间tc=休息后的工作时间之和。当tc1小时，则置为零，同时标识一次休息；仿真时间推进5分钟。工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.2生产系统仿真的特征•产品工艺技术与生产管理的结合–相同的结果可以有不同的生产工艺–生产管理策略对生产运作产生何种影响•稳定的生产过程–生产流程的稳定–生产时间规律化变化•生产过程存在不确定变化–人工干预生产作业的不确定变化及学习变化–机器设备的不确定故障停机工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.3服务系统仿真的特征•服务技术与服务管理的结合–相同结果可以有不同的服务流程–服务策略对服务运作产生何种影响•客户化的服务过程–服务流程随着客户需求而改变–服务时间的不确定变化•服务过程存在不确定变化–服务流程的不确定–服务时间的不确定–服务资源配置的不确定——客户数量、需求的不确定工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management1.4离散系统仿真的基本步骤•明确离散系统仿真的需要解决的问题•系统运作的流程（确定流程或可能流程）•系统运作的管理策略——运作规则•系统的概念性建模：明确系统构成的元素•系统的详细建模：明确系统各元素的参数•系统运行编程：根据管理策略形成系统的运行规则•系统试运行——系统模型的有效性检验和可信度检验•系统正式运行工业工程与管理系IndustrialEngineering&Management第二章离