系統(tǒng)模擬仿真

--#-目錄TOC\o"1-5"\h\z目錄1摘要2Abstract3研究背景4北區(qū)開(kāi)水房現(xiàn)狀及存在問(wèn)題4數(shù)據(jù)調(diào)研與分析5數(shù)據(jù)調(diào)研5數(shù)據(jù)分析5數(shù)據(jù)流程分析6基于Arena的仿真建模6離散系統(tǒng)建模的組成要素6離散系統(tǒng)模擬的原理7打水服務(wù)活動(dòng)建模7Arena模型建立7模擬結(jié)果運(yùn)行分析與優(yōu)化8模擬結(jié)果運(yùn)行分析8模擬優(yōu)化9結(jié)論及展望10參考文獻(xiàn)10摘要隨著我國(guó)高校招生條件的放寬，大學(xué)生的人數(shù)逐年增加，而作為重要的日?；顒?dòng)，大流量的學(xué)生人數(shù)加劇了開(kāi)水房的壓力，這也對(duì)開(kāi)水房的管理和配置提出了更高的要求。仿真模擬是實(shí)現(xiàn)資源合理配置的一項(xiàng)重要途徑，開(kāi)水房采用恰當(dāng)?shù)馁Y源分配方式，可以縮短顧客的服務(wù)時(shí)間，從而提高服務(wù)質(zhì)量，增強(qiáng)顧客對(duì)服務(wù)的滿意度，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益。本文以中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）北區(qū)開(kāi)水房為例，從其管理的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題出發(fā)，針對(duì)基于離散事件的打水過(guò)程進(jìn)行深入分析，建立了打水過(guò)程中的服務(wù)活動(dòng)模型，采用Arena軟件對(duì)小型開(kāi)水房的服務(wù)能力進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)打水過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，找到影響北區(qū)開(kāi)水房服務(wù)能力的主要因素，同時(shí)給出了減少排隊(duì)等待時(shí)間及提高服務(wù)效率的方案，最終為北區(qū)開(kāi)水房的管理提供有價(jià)值的參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：離散事件仿真；Arena；開(kāi)水房服務(wù)能力；系統(tǒng)建模與優(yōu)化AbstractWiththeconditionsofcollegestudentsinChinaeased,thenumberofcollegestudentshasincreased,andastheimportantdailyactivities,bigflow,thenumberofstudentsintensifiestheboiledwaterroompressure,thisisalsothemanagementandconfigurationoffboothputforwardhigherrequest.Simulationistorealizethereasonableconfigurationofresourcesisanimportantway,boiledwaterroomusesappropriateresourcesallocationway,canshortenthetimecustomerservice,soastoimprovetheservicequalityandenhancecustomersatisfaction,andimprovetheeconomicbenefits.ThispapertoChinauniversityofgeosciences(wuhan)northboiledwaterroom,forexample,fromitsmanagementofthestatusquoandexistingproblemsofthe,basedondiscreteeventkick,makesadeepanalysisoftheprocess,adozenintheprocessofwaterserviceactivitiesmodel,adoptArenaforsmallboiledwaterroomsoftwareserviceability,andsimulationthroughthesimulationresultsralliedwaterprocessofappraisal,findnorthboiledwaterroomserviceabilitytoinfluencethemainfactors,andpresentsthereducewaitingtimeandimprovetheservicelineoftheefficiencyoftheprogram,andultimatelytheboiledwaterroomfornorthofmanagementtoprovidevaluablereference.Keywords:Discreteeventsimulation;Arena;Theboiledwaterroomserviceability;Systemmodelingandoptimization研究背景近年來(lái)，隨著我國(guó)高校招生條件的放寬，大學(xué)生人數(shù)逐年增加，而作為重要的日?；顒?dòng)，大流量的學(xué)生人數(shù)加劇了開(kāi)水房的壓力，這也對(duì)開(kāi)水房的管理和配置提出了更高的要求。在顧客的各項(xiàng)滿意度調(diào)查中，排隊(duì)等待時(shí)間占了相當(dāng)大的比例。開(kāi)水房資源的合理配置及時(shí)間的恰當(dāng)安排與否對(duì)開(kāi)水房的服務(wù)能力影響很大，并且，隨著社會(huì)的進(jìn)步，顧客對(duì)服務(wù)的要求越來(lái)越高，而不再只是實(shí)現(xiàn)其個(gè)人活動(dòng)。長(zhǎng)期以來(lái)，人們已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)利用數(shù)學(xué)模型去描述所研究的問(wèn)題，并且逐漸發(fā)展了系統(tǒng)研究和數(shù)學(xué)分析理論。但是，由于數(shù)學(xué)手段的限制，人們對(duì)復(fù)雜事物和復(fù)雜系統(tǒng)的建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行求解的能力非常有限，電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生無(wú)可估量的深遠(yuǎn)影響，許多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題可以通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬優(yōu)化。離散事件系統(tǒng)很難用數(shù)學(xué)方程來(lái)描述，在顧客打水服務(wù)中，顧客的需求是在離散不確定的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生的，開(kāi)水房打水事件就是離散事件，因此可以把實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化成仿真模型，通過(guò)運(yùn)行仿真模型，來(lái)評(píng)價(jià)實(shí)際系統(tǒng)，這樣可以為開(kāi)水房的管理人員提供重要的參考依據(jù)。Arena是美國(guó)SystemModeling公司于1993年開(kāi)始研制開(kāi)發(fā)的新一代可視化通用交互集成模擬環(huán)境，其兼?zhèn)涓呒?jí)模擬器易用性和專(zhuān)用模擬語(yǔ)言柔性的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于離散事件系統(tǒng)仿真模擬當(dāng)中?；陔x散事件的建模理論及Arena軟件，對(duì)開(kāi)水房打水事件進(jìn)行仿真模擬，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，最終提高開(kāi)水房的服務(wù)能力。北區(qū)開(kāi)水房現(xiàn)狀及存在問(wèn)題北區(qū)開(kāi)水房是北區(qū)唯一的熱水服務(wù)中心，加之服務(wù)時(shí)間的限制，因此在打水期間，大流量的顧客群體的涌入造成了開(kāi)水房的擁擠，不僅導(dǎo)致排隊(duì)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，降低了顧客的服務(wù)滿意度，甚至還造成了瓶爆、燙傷等混亂現(xiàn)象，極大的影響了北區(qū)開(kāi)水房的服務(wù)效率及顧客的服務(wù)滿意度，因此，如何實(shí)現(xiàn)北區(qū)開(kāi)水房的資源合理配置及時(shí)間的恰當(dāng)安排越發(fā)重要。數(shù)據(jù)調(diào)研與分析數(shù)據(jù)調(diào)研為了使模擬模型真實(shí)的反映北區(qū)開(kāi)水房的性能，數(shù)據(jù)調(diào)研是重要的前提，通過(guò)實(shí)地調(diào)研，得到以下真實(shí)數(shù)據(jù)：（1）北區(qū)開(kāi)水房的水龍頭資源數(shù)量：22個(gè)。（2）北區(qū)開(kāi)水房目前的水龍頭的口徑：4分。（3）北區(qū)開(kāi)水房的服務(wù)時(shí)間：分為三個(gè)時(shí)段，上午7:00-8:00，中午11:00-12:30，下午5:30-7:00共四個(gè)小時(shí)。（4）北區(qū)開(kāi)水房的服務(wù)人數(shù)：以30分鐘為時(shí)間間隔，共分為8個(gè)時(shí)段，下表是2011.10.16日的調(diào)研數(shù)據(jù)。表12011.10.16日北區(qū)開(kāi)水房的服務(wù)人數(shù)（單位：人）7:00-7:30117:30-8:00911:00-11:303611:30-12:004812:00-12:302117:30-18:002718:00-18:304518:30-19:0026數(shù)據(jù)分析（1）北區(qū)開(kāi)水房打水過(guò)程的服務(wù)時(shí)間：服從TRIA（1.5,2,2.5）,即最小打水時(shí)間為1.5分鐘，最大打水時(shí)間為2.5分鐘，平均打水時(shí)間為2分鐘。（2）北區(qū)開(kāi)水房的顧客到達(dá)：從早上七點(diǎn)開(kāi)始服務(wù)，到下午七點(diǎn)結(jié)束，共四個(gè)小時(shí)的服務(wù)時(shí)間，以30分鐘為時(shí)間間隔，分為8個(gè)時(shí)間段，中間有兩個(gè)打水高峰期，分別出現(xiàn)在11:30-12:00和18:00-18:30，最大高峰期客流量達(dá)到48人。結(jié)合大學(xué)生的日常上課時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)，高峰期出現(xiàn)存在合理性，這段時(shí)間是同學(xué)們上課吃過(guò)飯的空閑時(shí)間，是打水的高峰期。數(shù)據(jù)流程分析通過(guò)分析打水過(guò)程，得到系統(tǒng)的流程圖如圖1：圖1打水過(guò)程的流程圖基于Arena的仿真建模離散系統(tǒng)建模的組成要素（1）實(shí)體：仿真模型中的動(dòng)態(tài)對(duì)象，通常用來(lái)被產(chǎn)生、運(yùn)送、更改形態(tài)或者送出系統(tǒng)，如本模型中顧客，即打水的學(xué)生。（2）屬性:實(shí)體的特征，它是用來(lái)區(qū)分實(shí)體個(gè)體的，讓一類(lèi)實(shí)體有別于其他類(lèi)型的實(shí)體，如本模型中的實(shí)體的性別，數(shù)量等，屬性其實(shí)就是一個(gè)實(shí)體有別于其他實(shí)體的標(biāo)簽。（3）變量：模型中動(dòng)態(tài)的因素，會(huì)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的變化而隨時(shí)更改主要包含系統(tǒng)自身變化因子和用戶(hù)自己定義的變量。大多數(shù)的變量是系統(tǒng)內(nèi)共有的,系統(tǒng)內(nèi)的任何實(shí)體都可以訪問(wèn)。一但有些用戶(hù)自定義的變量都是針對(duì)特定的實(shí)體來(lái)定義的，因此這部分變量對(duì)一部分實(shí)體有約束。（4）資源：用來(lái)對(duì)實(shí)體進(jìn)行操作，資源要被實(shí)體所占用，在系統(tǒng)中才有意義。資源被占用后通常要延時(shí)一定時(shí)間對(duì)實(shí)體進(jìn)行處理，最后在完成操作后一定要釋放資源，否則其他實(shí)體就將無(wú)法在系統(tǒng)總利用此資源。如本模型中北區(qū)開(kāi)水房的水龍頭。（5）隊(duì)列：用來(lái)暫存實(shí)體，并用來(lái)幫助尋找系統(tǒng)中的瓶頸，如本模型中排隊(duì)打水的隊(duì)列。（6）事件：代表系統(tǒng)在某些特定時(shí)刻所產(chǎn)生的動(dòng)作，如本模型中顧客的到達(dá)、顧客的離開(kāi)等。模擬時(shí)鐘：用于表示模擬時(shí)間的變化，代表當(dāng)前的仿真時(shí)刻，是模擬模型中的重要環(huán)節(jié)。統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器：在模擬模型中，統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器用于統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中有關(guān)變量的變化情況。離散系統(tǒng)模擬的原理離散系統(tǒng)模擬是指系統(tǒng)狀態(tài)僅在某些確定的時(shí)間點(diǎn)才發(fā)生變化的模擬，其模擬時(shí)間呈現(xiàn)離散性變化，系統(tǒng)狀態(tài)在模擬時(shí)間點(diǎn)不變化。采取的是最短時(shí)間的事件步長(zhǎng)法，也就是說(shuō)在仿真模型中，存在著一系列不同性質(zhì)的事件，按照發(fā)生時(shí)間的先后順序來(lái)逐個(gè)進(jìn)行考察，仿真以最短時(shí)間事件為步長(zhǎng)還對(duì)系統(tǒng)的行為按照時(shí)間的進(jìn)程來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。具體步驟是：首先選取系統(tǒng)的一個(gè)初始狀態(tài)，然后在一系列事件中選取一最短時(shí)間事件，接著就運(yùn)行該事件,同時(shí)記錄系統(tǒng)的行為與狀態(tài)的變化，循環(huán)往復(fù)，直到仿真的結(jié)束。打水服務(wù)活動(dòng)建模在打水過(guò)程中，開(kāi)水房提供的服務(wù)是活動(dòng)的核心，因此首先必須建立一般的服務(wù)活動(dòng)模型。根據(jù)不同開(kāi)水房的具體情況，打水人員entity(i)的打水過(guò)程可以包含多個(gè)服務(wù)活動(dòng)，這里設(shè)其第j個(gè)服務(wù)活動(dòng)active(ij)可以用六元素表示：active(i,j)={f,in,out,restriction,status,c}。其中，in為輸入集，由需要的實(shí)體、資源數(shù)量和類(lèi)型組成；out為輸出集，由記錄的統(tǒng)計(jì)信息組成；f為轉(zhuǎn)移函數(shù)，由f：in-out；restriction為對(duì)服務(wù)活動(dòng)的約束，由系統(tǒng)的實(shí)際情況決定；status為系統(tǒng)的狀態(tài)，包括服務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)與等待狀態(tài)；c為活動(dòng)的開(kāi)始時(shí)間。Arena模型建立根據(jù)北區(qū)開(kāi)水房運(yùn)營(yíng)和管理的特點(diǎn)，從顧客到達(dá)開(kāi)水房到排隊(duì)打水離開(kāi)，將學(xué)生打水看成一個(gè)離散的事件來(lái)處理。基于此，開(kāi)始仿真時(shí)，可以用Arena的create模塊產(chǎn)生的Items來(lái)仿真實(shí)際系統(tǒng)中的水龍頭，水龍頭數(shù)量、口徑等屬性通過(guò)set模塊設(shè)置，get模塊獲取各種屬性到水龍頭的模擬實(shí)體上。再利用process模塊在對(duì)學(xué)生打水運(yùn)行數(shù)量進(jìn)行初始賦值。在學(xué)生打水運(yùn)行過(guò)程中，不斷改變其參數(shù)以得到運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前的使用人數(shù)、排隊(duì)數(shù)量、資源限制數(shù)量等。當(dāng)仿真系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，顧客將從arrive模塊中發(fā)出，經(jīng)過(guò)兩個(gè)判斷模塊來(lái)決定使用打水服務(wù)的數(shù)量以及排隊(duì)等待的數(shù)量，最終離開(kāi)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)及內(nèi)容的分析，利用Arena軟件得到北區(qū)開(kāi)水房總體仿真模擬模型如圖2：圖2北區(qū)開(kāi)水房總體仿真模擬模型模擬結(jié)果運(yùn)行分析與優(yōu)化5.1模擬結(jié)果運(yùn)行分析設(shè)置北區(qū)開(kāi)水放模擬仿真的總?cè)藬?shù)為200人，模擬重復(fù)次數(shù)為50次，通過(guò)Arena模擬運(yùn)行過(guò)程如圖3：圖3Arena模擬水房運(yùn)行過(guò)程圖通過(guò)模擬Arena模擬運(yùn)行，對(duì)于開(kāi)水房系統(tǒng)主要考慮排隊(duì)時(shí)間，等待時(shí)間得到顧客最大等待時(shí)間、平均等待時(shí)間、排隊(duì)最大隊(duì)長(zhǎng)以及水龍頭的利用率如下表所示：

表2Arena模擬結(jié)果表顧各的取大等待時(shí)間4.2M顧客的平均等待時(shí)間1.8M顧客的最大排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)19水龍頭的利用效率44.97%由上表可以看出，北區(qū)開(kāi)水房存在水龍頭利用率不高、最大排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)以及等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，因此可以通過(guò)ARENA進(jìn)一步優(yōu)化。模擬優(yōu)化考慮到北區(qū)開(kāi)水房的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，故將采用以下優(yōu)化方案：（1）由于北區(qū)開(kāi)水房面積有限，增加水龍頭數(shù)量需要北區(qū)開(kāi)水房的重建或改建，成本太高，不予以考慮，但水龍頭自身成本低，北區(qū)開(kāi)水房目前使用的是四分口徑的水龍頭，而市場(chǎng)上六分口徑的水龍頭成本只比四分的高2RMB,并且水龍頭還可以回收利用，因此依據(jù)北區(qū)開(kāi)水房的現(xiàn)狀，更換口徑大些的水龍頭。（2）通過(guò)Arena模擬是發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在早上打水的人數(shù)很少，導(dǎo)致水龍頭閑置，水龍頭的利用率很低，因此可以通過(guò)調(diào)整打水的服務(wù)時(shí)間，縮短上午的打水時(shí)間，延長(zhǎng)中午和下午打水高峰期的時(shí)間。具體通過(guò)調(diào)整Arena模型中水龍頭的口徑屬性以及模擬時(shí)間后運(yùn)行得到的優(yōu)化結(jié)果與之前的結(jié)果對(duì)比如下：表3優(yōu)化前Arena模擬結(jié)果表顧各的最大等待時(shí)間4.2M顧客的平均等待時(shí)間1.8M顧客的最大排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)19水龍頭的利用效率44.97%表4優(yōu)化后Arena模擬結(jié)果表顧各的最大等待時(shí)間3.6M顧客的平均等待時(shí)間1.2M顧客的最大排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)12水龍頭的利用效率67.46%從兩者的對(duì)比來(lái)看，優(yōu)化后北區(qū)開(kāi)水房顧客的平均等待時(shí)間以及最大排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)都有所改善，并且水龍頭的利用率明顯提高，說(shuō)明了優(yōu)化的有效性。結(jié)論及展望北區(qū)開(kāi)水房現(xiàn)有的資源數(shù)量、資源配置以及服務(wù)時(shí)間不合理，有