系统建模与仿真全要点复习

1、系统（system）：是一组对象的集合或总称；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。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。三要素：(1)实体：组成系统的元素、对象。(2)属性：实体的特征。(3)活动：系统由一个状态到另一个状态的变化过程。理解：组成系统的实体之间相互作用而引起的实体属性的变化，通常用状态变量来描述。研究系统主要研究系统的动态变化。除了研究系统的实体属性活动外，还需要研究影响系统活动的外部条件，这些外部条件称之为环境。系统分类：1）连续系统是指系统状态随时间发生连续性变化的系统（电力生产、供电网络、石油炼制、自来水生产、电路系统等）。2）离散事件系统是指只有当在某个时间点上有事件（event）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。（毛坯到达、加工开始、加工完成、设备故障等；服务系统中的顾客到达、接受服务等）2、计算机仿真（系统仿真）概念：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称为系统仿真。研究对象可以是实际的系统，也可以是设想中的系统。1）包含了系统建模、仿真建模和仿真实验三个基本活动。联系这三个活动的是系统仿真的三要素：系统、模型、计算机（硬件和软件）。2）系统、模型与仿真三者之间有着密切联系。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。3、仿真技术的主要用途：(1)优化系统设计。(2)系统故障再现，发现故障原因。(3)验证系统设计的正确性。(4)对系统或其子系统进行性能评价和分析。(5)训练系统操作员。(6)为管理决策和技术决策提供支持。第二章离散事件系统仿真基础1、离散事件系统（DES）：系统的状态仅在离散的时间点上发生变化，并且这种状态变化一般是由事件引起的。事件的发生可以看作是在一个时间点上瞬间完成而没有持续性，并且这些离散时间点是不确定的。这类系统的仿真，即是离散事件系统仿真。2、实体：系统内的对象，构成系统模型的基本要素，是系统中有意义的一个物体。有些实体在整个仿真过程中始终存在－永久实体；有些实体在一部分仿真过程中存在，有进入、退出系统的情况－临时实体。3、属性：是指某一实体的状态和特性，是所有实体的共同特征。例如，在银行中，顾客是实体，其属性是帐户。在仿真建模中根据具体情况和研究的目的决定所需要的属性。决定原则：1）便于实体的分类；2）便于对实体行为的描述；3）便于排队规则的确定4、状态：任一时刻，系统中所有实体的属性的集合，它包含了描述系统在任何时间所必需的所有信息。描述系统所用的变量集合。5、事件：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，是使系统状态发生变化的、实体的瞬间行为。注：事件还可能触发新的事件。三个特征：1）离散事件是导致DES状态发生跃变和触发新的离散事件的唯一因素。2）事件交互影响系统状态的变化。3）事件的发生时刻是异步的和不确定的。6、活动：指实体在两个事件之间保持某一状态的持续过程，活动的开始和结束都是由事件引起的。活动总是与一个或几个实体的状态相对应，它标志着系统状态的转移。活动持续一定时间，活动开始和结束事件将导致系统状态的变化。例如，等待活动。7、进程：一个进程由与某类实体相关的若干有序事件及活动组成，它描述了它所包含的相关事件及活动之间的逻辑和时序关系8、仿真时钟：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。注意：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。9、统计累加器:：用来跟踪记录各种输出性能指标在仿真进程中的中间结果。10、1）理发店分析：实体：顾客、服务员；状态：服务员个数、顾客数、服务员忙闲；事件：顾客到达、服务完毕；活动：顾客等待、理发员服务2）柔性制造系统分析：实体：工件、加工中心；事件：（待加工工件）到达机床完成加工；状态：各加工中心的繁忙程度、各加工中心的等待队列；活动：工件等待、加工11、随机离散事件：只在可数的离散时间点上发生，并具有离散性和随机性特征的事件。是导致系统状态发生变化的原因。离散事件系统仿真就是通过对随机离散事件按发生时刻的先后进行排序，并根据不同事件发生时对系统状态变化的影响来模拟实际系统运行特性的。12、仿真时钟的推进方式及特点：1）面向事件的仿真时钟推进方式；用于离散事件系统仿真；优点：效率高；缺点：平稳性差。2）面向时间间隔的仿真时钟推进方式；用于离散事件系统仿真或连续系统仿真；优点：平稳性较好；缺点：效率低13、1）未来事件表：为了在仿真执行过程中跟踪未来（仿真）时间假定发生的各种事件，我们常常需要把发生时间大于仿真时钟当前时刻TNOW的所有事件放在一个时序列表中。这种由发生时间大于当前时刻TNOW的随机离散事件所构成的时序列表，即被称为未来事件表。在未来事件表中，包含了由已发生事件所触发的所有未来事件以及它们的发生时刻。各个事件按它们所发生的时间顺序由先向后排列，最早发生的事件排在最前面。2）在仿真执行的过程中，当t=TNOW时，系统中应包括以下内容：①被仿真系统在t时所处的状态；②系统在t时正在执行的活动；③由t时刻发生事件所产生的新的未来事件以及由它们构成的未来事件表；④系统统计数据的当前值和累计计数等。14、离散事件系统仿真的一般步骤1）阐明问题与目标设定2）仿真建模3）数据采集4）仿真模型的验证5）仿真程序的编制与校核6）仿真模型的运行7)仿真输出结果的统计分析第三章生产系统建模方法1、实体流图法（EFC）：采用与计算机程序流程图相类似的图示符号和原理，来建立表示系统中临时实体产生、在系统中流动、接受永久实体“服务”以及消失等过程的流程图。可以表示事件、状态变化以及实体间相互作用的逻辑关系。1）四种符号：圆端矩形框表示开始或者结束；菱形框表示判断；矩形框表示事件、状态、活动等中间过程；箭头线表示逻辑关系；2）步骤：（1）辨识系统实体（2）分析实体的状态和活动（3）分析实体状态的变化情况（4）分析引起状态变化的事件（5）分析队列实体的操作（6）画出系统实体流动图（7）确定模型参变量（8）给出排队规则例题：简单加工系统的实体流图2、活动循环（周期）图（ACD)：是用于表示系统内各要素（实体）间逻辑关系的一种方法。ACD认为：系统中的每个实体都按照各自的循环方式发生变化－－静止状态和活动状态。这两种状态在循环交替出现。1）基本符号：ACD以○表示静止状态，以⓫表示活动状态，以有向箭头→表示静止状态与活动状态之间的转换。当系统中有多个实体时，有向弧就要使用不同的颜色或线型，以示不同实体的区别。2）步骤：（1）辨识组成系统的实体及其属性（2）分析各类实体的活动和状态，确定实体状态的类型（激活或静寂），分析实体状态变化的顺序关系（3）根据实体的状态分别画出各实体的活动周期图（4）将实体的活动周期图连接成系统活动周期图（5）增添必要的虚拟实体（6）标明活动发生（实体进入激活状态）的约束条件和占用资源的数量（7）给出模型参数的取值、参变量的计算方法及属性描述变量的取值方法，并给出排队规则和服务规则模型属性变量主要有零件的到达时间、零件加工时间等，它们的值可分别按照各自所服从的概率分布函数抽样得到。实体流图描述了系统中实体流动及其相互间的逻辑关系。但需要说明的是，它和计算机程序框图还有所不同，与计算机编程实现的要求也有一定的距离。图3-6系统的活动循环图3、活动循环图法与实体流图法各自的特点及其区别如下：（1）实体流图是以临时实体在系统中的流动过程为主线建立的模型，在实体流图中，队列被作为一类特殊的实体来对待，各类临时和永久实体没有独立的符号表示。而活动循环图则基于各类临时和永久实体的行为模式，它们均有其单独的图示表达，队列则被看作是实体生命周期中的一种状态。（2）实体流图是一种树形流程图。而活动循环图则是由多个环套在一起组成一种环形的循环图。（3）在实体流图中，事件是其重要的组成部分。而在活动循环图中，事件则是隐含在活动之中的。（4）在实体流图中，状态判断框有着十分重要的作用。而在活动循环图中，则是将需要判断的状态用“空闲”或“等待”等静止状态来表示，对实体是否处于该状态的判断则隐含在模型运行的规则中。（5）从人工运行规则来看，实体流图的运行规则中只有一条是通用的（体现了事件驱动的仿真策略），其它各条规则均是从具体的实体流图中抽取，普适性较差。而活动循环图则存在着与每个具体的活动循环图无关的、普适性很强的运行规则。（6）与实体流图相比较来说，活动循环图更易于用面向对象的技术来实现，软件上也更易于实现仿真程序的自动生成，而且可以更为方便、直观地对冲突和并发等现象进行表示。而实体流图可以对队列的排队规则和服务规则进行比较详细的描述，如果不考虑模型的运行问题，实体流图法具有比活动循环图法更为广泛的适用范围。4、面向对象的概念：现实世界是由各种各样的实体（事物、对象）所组成的，每种对象都有自己的内部状态和运动规律，不同对象间的相互联系和相互作用就构成了各种不同的系统并进而构成整个客观世界（按人们认识客观世界的系统思维方式，采用基于对象（实体）的概念建立模型，模拟客观世界分析、设计、实现软件的办法。通过面向对象的理念使计算机软件系统能与现实世界中的系统一一对应）。（对象、面向对象、消息、类、继承、多态性）5、统一建模语言（UML）：是一种通用的可视化、规范定义、构造和文档化的建模语言。它基于用例驱动，提供了一系列的视图来对系统建模过程进行描述。1）用例图：用例分析是基于统一建模语言（UML）的面向对象建模过程的一个显著的特点。用例图描述了用例、系统参与者以及它们之间的关系。2）静态图：静态图主要包括类图、对象图和包图。3）行为图：行为图主要用来描述系统的动态模型和对象之间的交互关系，包括状态图和活动图。4）交互图：交互图主要用来描述对象之间的交互关系，包括顺序图和合作图。5）实现图：实现图用以描述系统源代码的结构和运行时刻的实现结构，包括构件图和部署图等。6、Petri网：：根据Petri网的理论，任何系统都可以认为是由两类元素构成的：一类是表示状态的元素，如机床、仓库、工人等，另一类是表示状态变化的元素，如工件的安装、切削加工、装配等。在Petri网中，前者用库所（Place）表示，后者用变迁（Transition）来表示。变迁的作用是改变状态（如同离散事件系统中的事件），库所的作用是决定变迁能否发生图3-4设备的活动循环图图3-5操作工人的活动循环图（如同离散事件系统中的状态/活动）。两者之间的这种依赖关系用弧线（箭头）表示出来，就是一个Petri网。定义：1）定义3-1：一个三元组N=(P,T;F)，其中P={p1,p2,…,pn}为库所集，n为库所的数量；T={t1,t2,…,tm}为变迁集，m为变迁数量。则它们构成一个Petri网的充分必要条件是：（1）Petri网的非空性：，表示网中至少有一个元素。（2）Petri网的二元性：，表示库所和变迁是两类不同的元素。（3）Petri网中不能有孤立的元素：F是由一个P元素和一个T元素组成的有序偶的集合（称为流关系），它建立了从库所到变迁、从变迁到库所的单向联系，并且规定同类元素之间不能直接联系，即满足：在Petri网的图形化表示方法中，通常采用圆圈“○”和短竖线“∣”来分别表示库存和变迁。这样，就可以将Petri网看作是由库所和变迁这两类节点通过有向弧连接而组成的一种有向图。如图，一个包含6个库所和3个变迁的Petri网：2）令牌（Token）：表示库所中拥有的资源数量，并以库所中的令牌数量的改变来表示系统的不同状态。权函数（WF）：表示每个变迁发生一次所引起的相关资源数量