系統(tǒng)建模與仿真第一章

1、系統(tǒng)建模與仿真系統(tǒng)建模與仿真System Modeling and Simulation36學(xué)時 2.00學(xué)分先修課程要求：MATLAB 線性代數(shù) 數(shù)值積分孫紅孫紅 2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真2系統(tǒng)建模與仿真n（一）本課程的教學(xué)目的與任務(wù)（一）本課程的教學(xué)目的與任務(wù)n系統(tǒng)建模與仿真是一門綜合性學(xué)科，也是控制理論與控制工程、模式識別與智能系統(tǒng)、測量工程與儀表、物流管理、工業(yè)工程、物流工程、質(zhì)量與可靠性工程等領(lǐng)域的重要方法。本課程目的在于培養(yǎng)學(xué)生運用系統(tǒng)仿真的基本理論、方法與仿真工具，對實體系統(tǒng)進行建模、分析、評價、和合理規(guī)劃的能力，使學(xué)生通過學(xué)習(xí)掌握建模與仿真技術(shù)，為將來利用計算機對實體系統(tǒng)

2、進行分析、研究、設(shè)計及調(diào)試打下基礎(chǔ)。n（二）本課程的基本要求（二）本課程的基本要求n掌握系統(tǒng)建模與仿真的基本理論和方法，至少掌握一種仿真工具，并運用其進行系統(tǒng)分析、系統(tǒng)建模、模型驗證與確認(rèn)、以及輸出結(jié)果的分析。此外還要求學(xué)生具有上機實驗研究能力。 2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真3系統(tǒng)建模與仿真n（三）課時計劃（三）課時計劃n32講授課時+實驗課時n（四）考查方式（四）考查方式n10%平時成績+20%實驗成績+70%考試成績（五）參考教材（五）參考教材1、肖田元，范文慧編著,系統(tǒng)仿真導(dǎo)論（第2版)清華大學(xué)出版社 2010-2-1ISBN ：9787302204459 2、系統(tǒng)建模與仿真.齊歡,王

3、小平編著 .清華大學(xué)出版社:2004-7-1，ISBN： 9787302082286 3、（美）勞爾著,仿真建模與分析（第4版）.清華大學(xué)出版社 2009-9-1，ISBN ：9787302204060 4、郭齊勝等編著,國防工業(yè)出版社：2006-05-24 ISBN ：97871180506155、吳重光著,系統(tǒng)建模與仿真,清華大學(xué)出版社 2008-12-1 ISBN ：9787302175230物流系統(tǒng)仿真，張曉萍，石偉，劉玉坤主編，清華大學(xué)出版社，2008.07 2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真42022-7-5系統(tǒng)建模與仿真5系統(tǒng)建模與仿真n問題一：射箭問題問題一：射箭問題n某人每輪向靶

4、子射10箭，已知其擊中靶心的概率為25，問一輪中射中7箭的概率為多少？n問題二問題二：銀行營業(yè)點自動存取款機添置銀行營業(yè)點自動存取款機添置n顧客按一定的間隔時間到來，排隊接受服務(wù)，先來者先用，后來者后用，顧客不愿在隊列中等待太久，否則會離去。管理人員想了解等待時間超過3分鐘的顧客的比例為多少，若該比例太大，則考慮再增設(shè)一臺機器。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真6系統(tǒng)建模與仿真n問題三：系統(tǒng)仿真在集裝箱港口中的應(yīng)用問題三：系統(tǒng)仿真在集裝箱港口中的應(yīng)用 n在港口規(guī)劃設(shè)計階段，通過對多個方案的仿真研究，分析評價各種性能指標(biāo)，選擇一個最佳方案；對現(xiàn)有的港口，通過對作業(yè)系統(tǒng)的缺陷分析、改進，提高其運行效率

5、。n港口裝卸系統(tǒng)仿真的主要任務(wù)就是研究港口資源配置、貨物流量、性能指標(biāo)三者之間的關(guān)系。 72008北京奧運會開幕式全景式智能仿真編排系統(tǒng) 導(dǎo)演只要說出自己創(chuàng)意，科研人員將具體參數(shù)輸入系統(tǒng)，電導(dǎo)演只要說出自己創(chuàng)意，科研人員將具體參數(shù)輸入系統(tǒng)，電腦上就會呈現(xiàn)出和真人表演同樣逼真的效果。它還能實時漫游，腦上就會呈現(xiàn)出和真人表演同樣逼真的效果。它還能實時漫游，也就是說能展示任意不同角度的鏡頭畫面，幫助導(dǎo)演隨時調(diào)整也就是說能展示任意不同角度的鏡頭畫面，幫助導(dǎo)演隨時調(diào)整預(yù)案。如果靠想象或真人反復(fù)排練來調(diào)整表演方案，難度和效預(yù)案。如果靠想象或真人反復(fù)排練來調(diào)整表演方案，難度和效果可想而知。果可想而知。 例如

6、在下半場例如在下半場“星光星光”表演中，導(dǎo)演最初估計要表演中，導(dǎo)演最初估計要5000人，計算人，計算機根據(jù)衣服、人體厚度、圖形范圍、人與人間距等各種因素，機根據(jù)衣服、人體厚度、圖形范圍、人與人間距等各種因素，進行智能填充及分布，并對自動點位的密集程度進行分析與調(diào)進行智能填充及分布，并對自動點位的密集程度進行分析與調(diào)整，得出最優(yōu)的解決方案，建議整，得出最優(yōu)的解決方案，建議2369人參演人參演8仿真模擬系統(tǒng)確保60周年國慶游行萬無一失 仿真階段，通過對游行隊伍各方陣隊容、隊形進行智能化編排設(shè)仿真階段，通過對游行隊伍各方陣隊容、隊形進行智能化編排設(shè)計，對每名人員進行數(shù)字定位；通過對方陣長度、前后間距

7、及方陣間計，對每名人員進行數(shù)字定位；通過對方陣長度、前后間距及方陣間隔的調(diào)整，對整個游行時間進行準(zhǔn)確控制；通過整合彩車、服裝、道隔的調(diào)整，對整個游行時間進行準(zhǔn)確控制；通過整合彩車、服裝、道具、行進表演、動作、音樂、口號、合唱、背景圖案、天安門地區(qū)實具、行進表演、動作、音樂、口號、合唱、背景圖案、天安門地區(qū)實景等游行要素，進行實景環(huán)境下系統(tǒng)的模擬仿真，為整體效果的體現(xiàn)景等游行要素，進行實景環(huán)境下系統(tǒng)的模擬仿真，為整體效果的體現(xiàn)和方案的優(yōu)化提供參考依據(jù)。和方案的優(yōu)化提供參考依據(jù)。 仿真模擬組將計算機上的分解圖和動作要求印成一本仿真模擬組將計算機上的分解圖和動作要求印成一本首都國慶首都國慶60周年聯(lián)

8、歡晚會演員表演手冊周年聯(lián)歡晚會演員表演手冊，導(dǎo)演組及每個演員人手一冊，每本，導(dǎo)演組及每個演員人手一冊，每本手冊上對每一個動作、配合的音樂節(jié)拍、形成的效果都有詳細說明。手冊上對每一個動作、配合的音樂節(jié)拍、形成的效果都有詳細說明。 在在50周年國慶游行時，因為沒有計算機輔助，僅背景部分的群眾周年國慶游行時，因為沒有計算機輔助，僅背景部分的群眾排位，排位，10年前的坐標(biāo)圖完全靠人工繪制，十幾個人花了年前的坐標(biāo)圖完全靠人工繪制，十幾個人花了3個多月才完成。個多月才完成。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真9系統(tǒng)建模與仿真n學(xué)科性質(zhì)及學(xué)習(xí)的對象和內(nèi)容學(xué)科性質(zhì)及學(xué)習(xí)的對象和內(nèi)容n通過分析分析實際系統(tǒng)的特征，建立

9、仿真模型模型，在此基礎(chǔ)上對不同的系統(tǒng)參數(shù)和策略進行仿真實驗實驗，從而對不同策略進行評價評價；通過仿真實驗改變參數(shù)值，以進行系統(tǒng)各參數(shù)的靈敏性分析，再以此為基礎(chǔ)進行系統(tǒng)優(yōu)化優(yōu)化。 n目的：目的：掌握系統(tǒng)仿真方法的基本知識，培養(yǎng)運用仿真理論和方法解決問題的能力。仿真科學(xué)與技術(shù)是一門綜合性、交叉性的學(xué)科系統(tǒng)建模與仿真10有理論、有方法、有工具、有結(jié)果仿真科學(xué)與技術(shù)也是一門獨立的知識體系系統(tǒng)建模與仿真11與理論研究、實驗研究并重，廣泛應(yīng)用于：航空、航天工業(yè)、能源經(jīng)濟、社會教育、科研武器、軍事交通、商業(yè)發(fā)展歷史與趨勢系統(tǒng)建模與仿真12仿真科學(xué)與技術(shù)可以簡單歸結(jié)為系統(tǒng)、模型與仿真三者之間的互動系統(tǒng)建模與仿

10、真13 系統(tǒng)是指具有某些特定功能、按照某些規(guī)律結(jié)合起來、互相作用、互相依存的所有物體的集合或總和。系統(tǒng)建模與仿真14邊界環(huán)境環(huán)境環(huán)境輸出輸入系統(tǒng)建模與仿真系統(tǒng)三要素15系統(tǒng)建模與仿真系統(tǒng)的描述連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)16系統(tǒng)建模與仿真系統(tǒng)的模型17 仿真的定義系統(tǒng)建模與仿真18u仿真意指在實際系統(tǒng)尚不存在的情況下，對系統(tǒng)或活動本質(zhì)的實現(xiàn)u用能代表所研究系統(tǒng)的模型作實驗u所有支持模型建立及模型分析的活動即為仿真活動u仿真是基于模型的活動系統(tǒng)建模與仿真仿真的類型19系統(tǒng)建模與仿真仿真的類型20系統(tǒng)建模與仿真計算機仿真的一般步驟21線性電路類仿真：模擬電路、放大電路、控制系統(tǒng)數(shù)字電路類仿真：EDA設(shè)計、微機

11、系統(tǒng)與接口電力電子類仿真：開關(guān)電源、電機調(diào)速電力系統(tǒng)類仿真：潮流計算、電網(wǎng)穩(wěn)定性、防雷場論類仿真：電磁場混合仿真：模擬/數(shù)字/功率、跨學(xué)科混合電氣工程常見仿真電氣工程學(xué)科常見仿真222022-7-5系統(tǒng)建模與仿真23系統(tǒng)建模與仿真n主要內(nèi)容主要內(nèi)容n原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用n第一章 緒論n了解系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展歷史、特點、應(yīng)用及相關(guān)技術(shù)n第二章 系統(tǒng)仿真的基本知識（系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模）n離散事件系統(tǒng)仿真、單服務(wù)臺排隊系統(tǒng)仿真、單品種庫存系統(tǒng)仿真n第三章 連續(xù)事件系統(tǒng)建模事件系統(tǒng)建模n基本概念、常用分布、隨機數(shù)發(fā)生器、隨機數(shù)產(chǎn)生方法2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真24系統(tǒng)建模與仿真n第四章 離散事件系統(tǒng)建模

12、n第五章 系統(tǒng)仿真算法n事件調(diào)度法、活動掃描法、進程交互法n第六章 仿真結(jié)果與系統(tǒng)方案分析n第七章 仿真應(yīng)用2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真25第一章 緒論n本章教學(xué)要點本章教學(xué)要點n了解系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展、特點、應(yīng)用以及相關(guān)技術(shù)；n了解系統(tǒng)仿真的基本概念和相關(guān)知識2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真26第一章 緒論n本章內(nèi)容本章內(nèi)容n1.1 概述n1.2 系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展歷史n1.3 系統(tǒng)仿真的類型n1.4 系統(tǒng)仿真技術(shù)的特點n1.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用n1.6 系統(tǒng)仿真的相關(guān)技術(shù)n1.7 物流系統(tǒng)仿真n本章小結(jié)和思考題27第一章 緒 論系統(tǒng)仿真可以被理解為在對一個已經(jīng)存在或尚不存在但正在開發(fā)的系

13、統(tǒng)進行研究的過程中，為了了解系統(tǒng)的內(nèi)在特性，必須進行一定的實驗；而由于系統(tǒng)不存在或其它一些原因，無法在原系統(tǒng)上直接進行實驗，只能設(shè)法構(gòu)造既能反映系統(tǒng)特征又能符合系統(tǒng)實驗要求的系統(tǒng)模型，并在該系統(tǒng)模型上進行實驗，以達到了解或設(shè)計系統(tǒng)的目的。 三個要素：系統(tǒng)，系統(tǒng)模型和實驗。系統(tǒng)是問題的本源，是系統(tǒng)分析的目的；實驗是解決問題達到目的的手段；系統(tǒng)模型則是連接系統(tǒng)和實驗( 目的和手段)之間的橋梁。28在當(dāng)今市面上，仿真可用使用專用軟件來實現(xiàn)。下面列舉了一些仿真軟件：Automod、Awesim、Easy5、Idef、Intrax、Manufacturing Engineering、 Matlab、Mo

14、dsim、Promodel、Prosolvia、Quest、SDI supply chain 以及Witness等等。 Witness ：該軟件提供離散事件仿真。該軟件具備的多種工具使得對自動化制造系統(tǒng)進行仿真非常容易。周轉(zhuǎn)時間、損壞模式和定時，調(diào)整模式和定時，緩沖設(shè)備容量和保存時間，機器類型等連同路徑信息都為仿真提供了方便性。該軟件還包括物料流動優(yōu)化，虛擬現(xiàn)實功能，有效地物流流動可以最小化設(shè)備間物料和產(chǎn)品流動的費用。 北京惠特尼斯科技發(fā)展有限公司http:/www.witness- 在進行系統(tǒng)的建模與仿真時，目前已經(jīng)有30多個數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件，這些軟件大體可分為兩大類n一類是數(shù)值計算型軟件

15、，如MATLAB、Xmath、Gauss、MLAB等，這類軟件對大批數(shù)據(jù)具有較強的管理、計算和可視化能力，運行效率高。n另一類是數(shù)學(xué)分析型軟件，如Mathematica、Maple、Macsyma等，他們以符號計算見長，并可得到解析符號解和任意精度解，但處理大量數(shù)據(jù)時運行效率較低。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真29重點介紹一種在全世界廣為應(yīng)用的一種仿真軟件MATLAB。nMATLAB是MathWorks公司推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。MATLAB的推出得到了各個領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的廣泛關(guān)注，其強大的擴

16、展功能為各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。由各領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者相繼推出了MATLAB工具箱。應(yīng)用各種專業(yè)工具箱，用戶可以方便地解決相應(yīng)專業(yè)的計算和仿真問題。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真302022-7-5系統(tǒng)建模與仿真311.1 概述n系統(tǒng)（System）n系統(tǒng)是由相互作用和相互依賴的若干組成部分（要素）結(jié)合而成的、具有特定功能的有機整體。n條件：條件：n由若干要素組成、n具有一定的結(jié)構(gòu)、n具有一定的功能2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真321.1.1 系統(tǒng)系統(tǒng)的特征系統(tǒng)的特征1 1、組成性組成性系統(tǒng)是由兩個或兩個以上可以區(qū)別的要素組成的集合體。2、相關(guān)性相關(guān)性各要素組成了系統(tǒng)，是因為它們之間存在相互聯(lián)系、

17、相互作用、相互影響的關(guān)系。這個關(guān)系也不是簡單的累加，而是有可能互相增強或互相減弱。一個要素的變化會這樣或那樣地引起全系統(tǒng)的變化。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真333 3、層次性、層次性系統(tǒng)與要素的區(qū)分是相對的，要素是系統(tǒng)最基本的單位。它是系統(tǒng)的一部分，而任何一個系統(tǒng)又是更大系統(tǒng)的一個要素，系統(tǒng)的不同層次結(jié)構(gòu)中存在著動態(tài)的信息流和物資流。4 4、整體性、整體性系統(tǒng)是由兩個以上有一定區(qū)別又有一定相關(guān)的要素組成，系統(tǒng)的整體性主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的整體功能。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概念常常與要素概念聯(lián)系在一起，但同時也與功能概念有關(guān)。1.1.1 系統(tǒng)2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真345、目的性目的性系統(tǒng)具有能使各個要素結(jié)

18、合在一起的共同目的，而且人造系統(tǒng)通常具有多重目的。各子系統(tǒng)就是為了完成大系統(tǒng)的既定目標(biāo)而協(xié)同工作的。6、環(huán)境適應(yīng)性、環(huán)境適應(yīng)性環(huán)境是指出現(xiàn)于系統(tǒng)以外的一切與它相關(guān)聯(lián)的事物的總稱。環(huán)境提供形成整體涌現(xiàn)性必須的資源和約束條件，系統(tǒng)只有涌現(xiàn)出能夠有效利用環(huán)境資源、適應(yīng)環(huán)境約束的結(jié)構(gòu)和屬性，才能夠?qū)嶋H產(chǎn)生出來并生存下去。1.1.1 系統(tǒng)2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真351.1.1 系統(tǒng)例例1：理發(fā)館系統(tǒng)：理發(fā)館系統(tǒng) 實體：顧客：按某種規(guī)律到達，服務(wù)完畢后顧客離去服務(wù)員：根據(jù)顧客的要求，按一定的程序服務(wù)相互作用： 顧客到達模式影響著服務(wù)員的工作忙閑狀態(tài)和顧客排隊狀態(tài)服務(wù)員的多少和服務(wù)效率影響著顧客接受服

19、務(wù)的質(zhì)量 2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真361.1.1 系統(tǒng)例例2：電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)：電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng) 實體：電動機、測速元件、比較元件以及控制器。相互作用：實現(xiàn)按給定要求調(diào)節(jié)電動機的速度 2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真371.1.1 系統(tǒng)確定邊界、輸入、輸出確定邊界、輸入、輸出描述系統(tǒng)描述系統(tǒng)“三要素三要素”：實體、屬性、活動實體、屬性、活動實體：確定了系統(tǒng)的構(gòu)成，也就確定了系統(tǒng)的邊界；屬性：也稱為描述變量，描述每一實體的特征；活動：定義了系統(tǒng)內(nèi)部實體之間的相互作用，從而確定了系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生變化的過程。 邊界邊界環(huán)境環(huán)境系統(tǒng)系統(tǒng)輸入輸入輸出輸出2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真38系統(tǒng)

20、論的重要觀點：系統(tǒng)論的重要觀點：1.系統(tǒng)是一個整體；2.系統(tǒng)有明確的目的；3.系統(tǒng)由兩個或兩個以上相互關(guān)聯(lián)的要素組成，但雜亂無章、互不相干的東西放在一起也不是系統(tǒng)，系統(tǒng)要素的微觀聯(lián)系會涌現(xiàn)出系統(tǒng)的宏觀功能;4.要素與系統(tǒng)所處的層次不同，因此系統(tǒng)和要素具有不可比性；5.要素可以以不同的方式組合在一起，形成特定的結(jié)構(gòu)，這就需要對系統(tǒng)進行規(guī)劃、組織和控制；6.一定的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的功能，要想使系統(tǒng)發(fā)揮特定功能，必須使系統(tǒng)具備特定的結(jié)構(gòu)；7.系統(tǒng)會表現(xiàn)出任何要素都不具備的特征，在條件合適的情況下，要素進行整合后可以達到“整體大于部分之和”的效果；8.封閉系統(tǒng)必將走向滅亡，系統(tǒng)一定在動態(tài)變化中發(fā)展。1.1

21、.1 系統(tǒng)2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真391.1.2 模型 n1.1 概述概述n模型（Model）n實際系統(tǒng)本質(zhì)的抽象與簡化n（1）真實的系統(tǒng)尚未建立n（2）可能會引起系統(tǒng)破壞或發(fā)生故障n（3）難以保證每次試驗的條件相同n（4）試驗時間太長或費用昂貴2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真40系統(tǒng)實際系統(tǒng)實驗系統(tǒng)模型實驗物理模型數(shù)學(xué)模型解析解仿真系統(tǒng)研究的一般方法系統(tǒng)研究的一般方法 1.1.2 模型2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真411.1.2 模型n模型的分類：模型的分類：n物理模型物理模型n采用一定比例尺按照真實系統(tǒng)的“樣子”制作沙盤模型n概念模型概念模型n為了某一目的對真實世界及其活動進行的概念抽

22、象與描述，是運用語言、符號、框圖等形式，對從所研究的問題中抽象出的概念進行有機的組合。n數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型n用數(shù)學(xué)表達式形式來描述系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律。 2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真421.1.2 模型n系統(tǒng)建模系統(tǒng)建模（System Modeling）n系統(tǒng)模型的建立，即系統(tǒng)的模型化，是預(yù)測實體未來行為與狀態(tài)變化的智力結(jié)構(gòu)和數(shù)量化方法。n建模的目的在于通過模型對系統(tǒng)進行研究、分析和說明，揭示出實體系統(tǒng)已表現(xiàn)及尚未表現(xiàn)的狀態(tài)變量之間的復(fù)雜關(guān)系，為決策提供一個綜合分析的結(jié)構(gòu)，尋找最佳方案。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真431.1.2 模型n模型化過程模型化過程n對現(xiàn)實系統(tǒng)進行分析和觀察，通過概念化獲取

23、信息n對獲取的信息進行加工、出來，進一步深化認(rèn)識后抽象出模型并用確定的形式進行描述n認(rèn)識提高再認(rèn)識再提高2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真44修正模型準(zhǔn)備階段系統(tǒng)認(rèn)識階段系統(tǒng)建模模型使用模型求解模型分析、檢驗?zāi)Ｐ秃细衲Ｐ筒缓细?.1.2 模型2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真451.1.3 仿真n1.1 概述概述n仿真（Simulation）n1961年，G.W.Morgenthater：在實際系統(tǒng)尚不存在的情況下,對于系統(tǒng)或活動本質(zhì)的實現(xiàn)。n1978年Korn：用能代表所研究的系統(tǒng)的模型做實驗；n1980年牛津詞典：Simulation is a way to reproduce the condi

24、tions of a situation, as by means of a model, for study or testing or training, etc.；n1984年Oren：仿真是一種基于模型的活動。n現(xiàn)代仿真技術(shù)的一個重要概念n基本共同點：仿真是基于模型的仿真是基于模型的。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真461.1.3 仿真n系統(tǒng)、模型、仿真三者之間的關(guān)系系統(tǒng)、模型、仿真三者之間的關(guān)系系 統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)建模仿真建模仿真實驗2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真471.1.3 仿真n系統(tǒng)是研究的對象；模型是系統(tǒng)的抽象；仿系統(tǒng)是研究的對象；模型是系統(tǒng)的抽象；仿真是對模型的實驗真是對模型的

25、實驗 n“系統(tǒng)建?！眓系統(tǒng)辨識技術(shù)范疇n“仿真建?！眓即針對不同形式的系統(tǒng)模型研究其求解算法n“仿真實驗”n檢驗（Verification）：“仿真程序”的檢驗n致效（Validation）：將仿真結(jié)果與實際系統(tǒng)的行為進行比較 2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真481.1.3 仿真仿真的主要議題仿真的主要議題1 1、模型構(gòu)建、模型構(gòu)建 （1）如何將真實世界行為構(gòu)建成仿真模型； （2）如何在計算機上執(zhí)行仿真模型，其主要課題有：時間的推進機制、仿真事件的邏輯、仿真過程中的統(tǒng)計收集。2 2、仿真分析、仿真分析 （1）如何分析模型的輸入資料； （2）如何減少模型的輸出誤差； （3）如何解釋仿真結(jié)果。202

26、2-7-5系統(tǒng)建模與仿真491.1.4 小結(jié)n現(xiàn)代仿真技術(shù)將仿真活動擴展到上述三個方面現(xiàn)代仿真技術(shù)將仿真活動擴展到上述三個方面，并將其統(tǒng)一到同一環(huán)境中。，并將其統(tǒng)一到同一環(huán)境中。n系統(tǒng)建模系統(tǒng)建模n 基本定律及系統(tǒng)辨識等方法計算機程序化n 用仿真方法確定實際系統(tǒng)的模型n 基于模型庫的結(jié)構(gòu)化建模n 采用面向?qū)ο蠼＃∣bject- Oriented Modeling）方法，在類庫的基礎(chǔ)上實現(xiàn)模型拼合與重用2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真501.1.4 小結(jié)n仿真建模仿真建模n 許多新算法和新軟件n 模型與實驗分離技術(shù)，即模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動（data driven）。n 仿真問題分為兩部分：模型與實驗n

27、 模型又分為兩部分：參數(shù)模型和參數(shù)值n仿真實驗仿真實驗n將實驗框架與仿真運行控制區(qū)n實驗框架定義一組條件n輸出函數(shù)的定義也與仿真模型分離開來 2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真511.2 系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展歷史n1.2 系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展歷史系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展歷史年代階段劃分重要事件1940年之前萌芽階段以物理模型為基礎(chǔ)的仿真，如建筑與造船1941-1960年起步階段研制出第一臺模擬計算機和第一臺數(shù)字計算機，仿真初步應(yīng)用于航空領(lǐng)域1961-1970年發(fā)展階段模擬/數(shù)字混合計算機用于仿真，仿真技術(shù)在航天、能源、工業(yè)過程控制中應(yīng)用1971-1990年成熟階段仿真系統(tǒng)的進一步發(fā)展階段，出現(xiàn)模型庫、參數(shù)庫

28、、實驗框架及全局建模的概念，仿真技術(shù)在社會、經(jīng)濟系統(tǒng)中應(yīng)用1991年至今縱深發(fā)展階段虛擬仿真環(huán)境VSE及互聯(lián)網(wǎng)仿真環(huán)境WSE的研究，仿真應(yīng)用于軍事對抗、企業(yè)管理、決策等復(fù)雜系統(tǒng)2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真521.3 系統(tǒng)仿真的類型n1.3 系統(tǒng)仿真的類型系統(tǒng)仿真的類型n按系統(tǒng)狀態(tài)是否變化n靜態(tài)系統(tǒng)，動態(tài)系統(tǒng)n按系統(tǒng)狀態(tài)的變化與時間的關(guān)系n連續(xù)型系統(tǒng)，離散型系統(tǒng)n按有無隨機過程n確定型系統(tǒng)，隨機型系統(tǒng)n物流系統(tǒng)仿真主要研究的就是動態(tài)離散隨機排隊系統(tǒng)n系統(tǒng)動力學(xué)方法，蒙特卡洛方法等2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真531.4 系統(tǒng)仿真技術(shù)的特點n1.4 系統(tǒng)仿真技術(shù)的特點系統(tǒng)仿真技術(shù)的特點n系統(tǒng)仿真

29、為一些復(fù)雜系統(tǒng)創(chuàng)造了一種計算機實驗環(huán)境，使系統(tǒng)的未來性能和長期整體特性能在計算機上得到估計、驗證和結(jié)論。n仿真模型可以反映系統(tǒng)中主要事物間的邏輯關(guān)系和數(shù)學(xué)關(guān)系。n仿真的輸出結(jié)果計算和統(tǒng)計是由仿真軟件實現(xiàn)的。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真541.4 系統(tǒng)仿真技術(shù)的特點n1.4 系統(tǒng)仿真技術(shù)的特點系統(tǒng)仿真技術(shù)的特點n復(fù)雜系統(tǒng)仿真往往需要考慮隨機因素的影響。n所得到的仿真結(jié)果，需要通過必要的統(tǒng)計處理。n仿真模型本身不具備優(yōu)化功能，具有枚舉法的弱點。n建模人員的素質(zhì)或風(fēng)格上的差異會導(dǎo)致迥然不同的仿真模型。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真551.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用n1.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)仿真技

30、術(shù)的應(yīng)用n工程領(lǐng)域工程領(lǐng)域：航空、航天、武器、電力、交通運輸、通信、化工、核能等；n非工程領(lǐng)域：非工程領(lǐng)域：社會經(jīng)濟系統(tǒng)、環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)，能源系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)、教育訓(xùn)練系統(tǒng)等；n系統(tǒng)仿真在物流中的作用系統(tǒng)仿真在物流中的作用n物流系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計n物料控制、運輸調(diào)度n物流成本估算n物流系統(tǒng)可靠性分析2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真561.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用n1.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用nCVDS (Continuous Variable Dynamic Systems) n連續(xù)（變量動態(tài)）系統(tǒng)nDEDS (Discrete Event Dynamic Systems)n離散事件（

31、動態(tài)）系統(tǒng)nHDS (Hybrid Dynamic Systems)n混合（動態(tài)）系統(tǒng)2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真57What are ContinuousVariable Dynamic Systems(CVDS)?2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真582022-7-5系統(tǒng)建模與仿真59What are Discrete EventDynamic Systems (DEDS)?2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真60An Airport2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真61A Typical DEDS TrajectorytimeDiscrete statex1x2x3x4x5e1e2e4e5e6e3H

32、oldingtimeSTATES are piecewiseconstantHOLDING TIMES aredeterministic/randomEVENTS triggers statetransitionTRAJECTORY definedby (state, holding time)sequence2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真62Comparison with a CVDS TrajectorytimeDiscretestatedx/dt = f(x,u,t)Hybrid System:can hideeach stateCVDS behavior2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真6

33、319781978年，仿真技術(shù)在所有研究方法中排名年，仿真技術(shù)在所有研究方法中排名1515。19891989年，則上升到第二位。年，則上升到第二位。仿真技術(shù)在系統(tǒng)分析、設(shè)計中的應(yīng)用；仿真技術(shù)在系統(tǒng)分析、設(shè)計中的應(yīng)用；仿真技術(shù)在系統(tǒng)理論研究中的應(yīng)用；仿真技術(shù)在系統(tǒng)理論研究中的應(yīng)用；仿真技術(shù)在人員訓(xùn)練方面的應(yīng)用：經(jīng)濟、無風(fēng)險、高效仿真技術(shù)在人員訓(xùn)練方面的應(yīng)用：經(jīng)濟、無風(fēng)險、高效 F-15 F-15 飛行仿真器每天工作飛行仿真器每天工作2020小時，每年可省油小時，每年可省油1010萬噸萬噸Boeing-747 Boeing-747 仿真器每天工作仿真器每天工作2020小時，每年可省油小時，每年可省

34、油3030萬噸萬噸 一般幾千噸級的輪船，靠離一次碼頭，大約要耗油一般幾千噸級的輪船，靠離一次碼頭，大約要耗油1010噸噸1.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真641.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用例例1：仿真技術(shù)在：仿真技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用中的應(yīng)用 n新系統(tǒng)設(shè)計新系統(tǒng)設(shè)計：提供了強有力的工具n在可行性論證階段，進行定量比較，為系統(tǒng)設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)n在系統(tǒng)設(shè)計階段，進行模型實驗、模型簡化并進行優(yōu)化設(shè)計2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真651.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用例例1：仿真技術(shù)在：仿真技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用中的應(yīng)用 n系統(tǒng)改造設(shè)計系統(tǒng)改造設(shè)計：涉及新的設(shè)備、部件或控制

35、裝置n利用仿真技術(shù)進行分系統(tǒng)實驗，即一部分采用實際部件，另一部分采用模型，避免由于新的子系統(tǒng)的投入可能造成對原系統(tǒng)的破壞或影響n大大縮短開工周期，提高系統(tǒng)投入的一次成功率 2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真661.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用例例2：仿真技術(shù)在：仿真技術(shù)在系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析中的應(yīng)用中的應(yīng)用n在真實系統(tǒng)上進行試驗的缺陷n會破壞系統(tǒng)的正常運行；n難以按預(yù)期的要求改變參數(shù)，或者得不到所需要的試驗條件；n很難保證每次的操作條件相同，難以對試驗結(jié)果做出正確的判斷；n無法復(fù)原；n試驗時間太長、費用太大或者有危險等 2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真671.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用n例例3：仿真技術(shù)在：仿真技

36、術(shù)在教育與訓(xùn)練教育與訓(xùn)練中的應(yīng)用中的應(yīng)用n訓(xùn)練仿真系統(tǒng)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)n利用計算機并通過運動設(shè)備、操縱設(shè)備、顯示設(shè)備、儀器儀表等復(fù)現(xiàn)所模擬的對象行為，并產(chǎn)生與之適應(yīng)的環(huán)境，從而成為訓(xùn)練操縱、控制或管理這類對象的人員的系統(tǒng)。n三大類：三大類：n載體操縱型載體操縱型 n這是與運載工具有關(guān)的仿真系統(tǒng)，航空、航天、航海、地面運載工具，以訓(xùn)練駕駛員的操縱技術(shù)為主要目的。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真681.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用n例例3：仿真技術(shù)在：仿真技術(shù)在教育與訓(xùn)練教育與訓(xùn)練中的應(yīng)用中的應(yīng)用n過程控制型過程控制型 n用于訓(xùn)練各種工廠的運行操作人員，如電廠、化工廠、核電站、電力網(wǎng)等n博弈決策型博弈決策型n

37、企業(yè)管理人員（廠長、經(jīng)理），n交通管制人員（火車調(diào)度、航空管制、港口管制、城市交通指揮等）， 軍事指揮人員（空戰(zhàn)、海戰(zhàn)、電子戰(zhàn)等）。 2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真69飛機自動駕駛系統(tǒng)飛機自動駕駛系統(tǒng)工廠管理系統(tǒng)工廠管理系統(tǒng)陀螺陀螺控制器控制器 機體機體給定航向給定航向?qū)嶋H航向?qū)嶋H航向管理部門管理部門用戶訂單用戶訂單原材料原材料產(chǎn)品產(chǎn)品采購部門采購部門制造部門制造部門裝配部門裝配部門銷售部門銷售部門2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真701.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用n例例4：仿真技術(shù)在：仿真技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)及制造產(chǎn)品開發(fā)及制造過程的應(yīng)過程的應(yīng)用用n虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)：n虛擬環(huán)境、模仿人的視、聽、動

38、等行為的高級人機交互n虛擬制造虛擬制造（Virtual Manufacturing）n是實際制造在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)，是仿真技術(shù)以制造過程為對象的全方位的應(yīng)用。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真711.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用n例例4：仿真技術(shù)在：仿真技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)及制造產(chǎn)品開發(fā)及制造過程的應(yīng)過程的應(yīng)用用n虛擬現(xiàn)實技術(shù)與多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并稱為三大前景最好的計算機技術(shù)。n基于Internet的虛擬現(xiàn)實在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，例如房地產(chǎn)、旅游、購物、氣象、公安、消防、教育、科研、商業(yè)、金融、海洋、農(nóng)業(yè)、娛樂等方面。n典型例子典型例子波音波音777n其整機設(shè)計、部件測試、整機裝配以及各種環(huán)境下的試飛均是

39、在計算機上完成的，使其開發(fā)周期從過去8年時間縮短到5年 2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真72虛擬廠房虛擬廠房2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真732022-7-5系統(tǒng)建模與仿真742022-7-5系統(tǒng)建模與仿真75虛擬生產(chǎn)線虛擬生產(chǎn)線2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真761.6 系統(tǒng)仿真的相關(guān)技術(shù)n1.6 系統(tǒng)仿真的相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)仿真的相關(guān)技術(shù)n建模與仿真方法學(xué)n仿真算法n仿真軟件n仿真計算機/仿真器n虛擬現(xiàn)實技術(shù)n分布仿真技術(shù)2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真771.6 系統(tǒng)仿真的相關(guān)技術(shù)建模與仿真支撐系統(tǒng)技術(shù)建模技術(shù)仿真應(yīng)用技術(shù)仿真領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)共性技術(shù)仿真計算機技術(shù)數(shù)據(jù)庫/模型庫/知識庫/內(nèi)容管理技術(shù)網(wǎng)絡(luò)

40、/通信技術(shù)中間件/平臺技術(shù)VR/可視環(huán)境技術(shù)建模/仿真實驗/評估工具引擎技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)實體建模技術(shù)環(huán)境建模技術(shù)人體建模技術(shù)現(xiàn) 代 建 模 與 仿 真 技 術(shù) 體 系自然科學(xué)與工程中仿真技術(shù)社會科學(xué)中仿真技術(shù)管理科學(xué)中仿真技術(shù)生命科學(xué)中仿真技術(shù)軍事領(lǐng)域中仿真技術(shù)仿真結(jié)果的評估技術(shù)仿真運行實驗技術(shù)系統(tǒng)的VV&A技術(shù)機理建模技術(shù)辨識建模技術(shù)面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)面向組件/服務(wù)建模技術(shù)多視圖建模技術(shù)多分辨率建模技術(shù)多模式建模技術(shù)數(shù)據(jù)可視化建模技術(shù)多媒體建模技術(shù)2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真781.7 物流系統(tǒng)仿真n（1）物流系統(tǒng)是一個）物流系統(tǒng)是一個“人人-機機”系統(tǒng)。系統(tǒng)。n物流系統(tǒng)是由人和形成

41、勞動手段的設(shè)備工具所組成。在這一系列的物流活動中，人是系統(tǒng)的主體。因此在研究物流系統(tǒng)時要把人和物有機結(jié)合起來作為不可分割的整體。n（2）物流系統(tǒng)是一個大跨度系統(tǒng)。）物流系統(tǒng)是一個大跨度系統(tǒng)。n物流系統(tǒng)的大跨度反映在兩個方面，一是地域跨度大，二是時間跨度大。大跨度系統(tǒng)帶來的主要問題是管理難度較大，對信息的依賴程度較高。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真791.7 物流系統(tǒng)仿真n（3）物流系統(tǒng)是一個多層次可分系統(tǒng)。）物流系統(tǒng)是一個多層次可分系統(tǒng)。n作為物流系統(tǒng)，無論其規(guī)模多么龐大，都可以分解成若干個相互聯(lián)系的子系統(tǒng)，系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間，子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間，存在著時間和空間上以及資源利用方面的聯(lián)系，也存在

42、目標(biāo)、費用以及運行結(jié)果等方面的相互聯(lián)系。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真801.7 物流系統(tǒng)仿真n（4）物流系統(tǒng)是一個多目標(biāo)系統(tǒng)。）物流系統(tǒng)是一個多目標(biāo)系統(tǒng)。n物流系統(tǒng)要素間有著非常強的“背反”現(xiàn)象，常稱之為“效益背反”現(xiàn)象，在處理時稍有不慎就會出現(xiàn)系統(tǒng)總體惡化的結(jié)果。因此，在處理物流系統(tǒng)中的問題時，必須要運用系統(tǒng)工程的思想和方法，否則往往會顧此失彼，得不償失。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真811.7 物流系統(tǒng)仿真n（5）物流系統(tǒng)是一個動態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)。）物流系統(tǒng)是一個動態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)。n物流系統(tǒng)是一個具有滿足社會需要的動態(tài)系統(tǒng)，為了適應(yīng)經(jīng)常變化的社會需要和環(huán)境變化，人們必須對物理系統(tǒng)的各組成部分經(jīng)

43、常不斷地修改、完善，這就要求物流系統(tǒng)有足夠的靈活性。 2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真821.7 物流系統(tǒng)仿真n很難用一種準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來描述和分析物流系統(tǒng)，往往需要采用定性與定量相結(jié)合或計算機仿真的方法來進行處理。n通過對物流系統(tǒng)的仿真，可以預(yù)演或再現(xiàn)物流系統(tǒng)的運行規(guī)律，對物流系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計和運行中的科學(xué)管理與決策有重要的支持作用。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真831.7 物流系統(tǒng)仿真n美國聯(lián)邦包裹快遞(United Parcel Service，UPS)公司想在滿足客戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，在龐大的人員車輛配置和成本之間取得最佳平衡的時候，它求助的方法是物流仿真技術(shù)。n寶潔(P&G)總

44、部提出要設(shè)計一個覆蓋北美的高效的供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)上不但要滿足客戶的日常訂單處理和配送要求，還要具有極強的抗波動性，寶潔公司采用的解決辦法也是物流仿真技術(shù)。n物流仿真技術(shù)在復(fù)雜物流系統(tǒng)的分析和決策中的巨大價值在歐美已成為不爭的事實，每年創(chuàng)造數(shù)以千億美元的經(jīng)濟效益。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真841.7 物流系統(tǒng)仿真n物流系統(tǒng)仿真使用的建模方法有排隊理論、Petri網(wǎng)、線性規(guī)劃等。n一些專業(yè)的物流仿真軟件平臺，提供基本的功能元素，使仿真的編程工作大大簡化，常見的有Automod、Witness、Flexsim、ExtendSim等。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真851.AutoMod1.Aut

45、oMod簡介簡介nAutoMod仿真軟件能夠達到初次使用者與專業(yè)人員的需求?？梢暂p松而精確地模擬任何規(guī)模、任何精細程度的系統(tǒng)從手工作坊到全自動化的設(shè)施。n使用AutoMod 的獨特功能可以提高成功率與生產(chǎn)力。nAutoMod 的獨特功能有：3D虛擬現(xiàn)實動畫、互動建模、原料運送模板、易于理解的語言。2022-7-5系統(tǒng)建模與仿真862022-7-5系統(tǒng)建模與仿真872.Witness2.Witness簡介簡介nWitness是由英國lanner公司推出的功能強大的仿真軟件系統(tǒng)。它可以用于工業(yè)規(guī)劃的離散系統(tǒng)仿真離散系統(tǒng)仿真，同時又可以用于連續(xù)流體連續(xù)流體（如液壓、化工、水力）系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)的仿真。nWitness的特點n界面整齊；n操作方便；n擁有直觀的元素：像Entity、Part、Machine、Vehicle等，易學(xué)易懂；n可用于離散系統(tǒng)仿真，可用于離散系統(tǒng)仿真，又可以用于連續(xù)流體連續(xù)