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浅析离散事件系统仿真

更新时间 2009-11-20 14:49:28 点击数:

2.1.1离散事件系统
根据系统状态的变化是否连续可将系统分为连续系统和离散系统及连续离散 混合系统。连续系统的状态变量是连续变化的。离散系统包括离散时间系统和离 散事件系统,离散时间系统的状态变量是间断的,但是它和连续系统具有相似的 性能,它们的系统模型都能用方程的形式加以描述.
    离散事件系统是指受事件驱动、系统状态跳跃式变化的动态系统。奥运物流 需求十分复杂,具有巨量、突发、不确定与复杂的特性,其状态变化只在时间的 离散时刻发生,是比较典型的离散事件系统.
    离散事件系统的系统状态仅在离散的时间点上发生变化,而且这些离散时间 点一般是不确定的。这类系统中引起状态变化的原因是事件,通常状态变化一与事 件的发生是一一对应的。事件的发生一般带有随机性,即事件的发生不是确定性 的,而是遵循某种概率分布。而且事件的发生没有持续性,在一个时间点瞬间完 成。这类系统很难用解析的方法求的结果,即便是有解法可用,也只能解决简单 的问题,对于复杂的问题也是无能为力的,好的解决方法往往需要求助于计算机 仿真技术.
    2.1.2计算机仿真
人类的思维并不擅长于理解和分析复杂的系统,西蒙认为人的理性是有限的 (theprineiPleofboundedrationality),人类所拥有的思考和解决IR题的能力离解决 现实世界中复杂问题所需要的能力差距甚远。为了解决系统问题,学者们发明了 如试错法、线性规划、动态规划、排队论、网络计划、决策论等名目繁多的方法 和技术,这些方法和技术可以作如图2一2所示的归类 。计算机仿真技术是一项技术,由于几年来计算机、网络技术、图形图像技术、 多媒体、软件工程、信息处理等技术发展的促进,计算机仿真研究的步伐加快, 在越来越多的领域中得到推广应用.
     RobertShannon最初把仿真定义为“设计一种真实系统的模型的程序,并在一 系列系统运行准则的约束中,对以了解系统行为或评价各种战略为目的的模型进 行实验。”计算机仿真可以定义为:为了评价和提高系统的性能,使用计算机模型 对系统进行模仿。它是以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关专业 技术为基础,以计算机为工具,利用模型对真实的或设想的系统进行动态研究的 一门多学科的综合性技术.
    计算机仿真的三项基本要素是:系统、模型和计算机。联系三项要素的三项基 本活动是:系统建模、仿真建模和仿真试验.
    模型是对实际系统的一种抽象,是系统本质的表述,是人们对客观世界反复 认识、分析,经过多级转换、整合等相似过程而形成的最终成果,它具有与系统 相似的数学描述或物理属性,以各种可用的形式,给出研究系统的信息.
    一个真实的系统,它的内在联系以及和外界的关系一般是很复杂的,用系统 模型完全准确地描述是很困难的,只能是近似地描述。建立在物理属性相似基础 上的物理模型描述真实系统的逼真感虽然较强,但对于复杂的系统,建立物理模 型所需费用大,而且要修改参数或改变结构都很困难。相对而言数学模型的产生 和应用则更为方便和经济.
    模型建立起来后,就可以进行“如果……,怎么样……”的试验。如图2一3 所示,试验者改变输入参数、变量,使用模型来预测可能的结果,并解释这些输 出结果。从而,获得对系统行为的认识,评价各种策略对系统性能的影响,帮助 解决决策问题.
    2.1.3离散系统的基本要素
离散事件系统虽有多种类型,但它们的主要组成要素是基本相同的,这些基 木要素是:[52] 实体:系统所研究的对象。系统中流动的或活动的元素可以称为实体,例如: 装卸及运送设备、人员、储存设施等.
    属性:实体的性质和特征。实体是由其属性来描述,属性反映实体的性质与 特性,例如装卸货物的种类、装卸效率、货物的体积、载货种类、装卸优先权等.
    时刻:在系统的某个时间数值上,至少有一个实体的属性被改变,则称此时 间值为时刻。例如货物到达时刻、配送时刻等.
    间隔:相邻两个时刻之间的持续时间。例如货物的排队时间、装卸作业时间 等都叫间隔.
    状态:在某个确定时刻,对系统实体、属性的描述称为状态。例如装卸忙、 闲,仓库内各类货物待出库、配送作业等.
    事件:系统状态在某一时刻所发生的变化,称为事件。“事件”是改变系统状 态的实体的瞬间行为,例如货物的到达或离去,配送作业的开始或结束等.
    活动:活动为一段时间的延迟,在这段时间内有一个或多个实体在完成某种 功能。例如配送设备为正忙于配送服务等。活动的持续时间在活动开始时就是确 定的,开始或结束的瞬间都是事件.
    进程描述了其中的事件、活动的相
2.1.4离散事件系统仿真建模方法与分类
在建立了系统的数学模型后,需要根据计算机运算特点、仿真方式、计算方 法、精度要求等,将其转换为能够在计算机上运行(或试验)的仿真模型,即进行仿 真建模。在离散事件系统的仿真建模中,主要应根据随机发生的离散事件、代表 系统中所描述主要对象的实体流以及仿真时间的推进机制,按照系统的运行进程 来建立仿真模型.
    国内外在建模及其分析方面的研究已开展多年,并取得了丰富的研究成果.
    目前,现代制造系统的建模有很多方法,如排队论、马尔可夫(Markov)链模型、 数学规划、Pctri网理论、扰动分析法等。国外许多著名物流企业和研究机构对现 代物流系统的建模理论与方法也展开了深入的研究,提出了一些新的解决方案, 如GRAI/GIM、IDEF、DEDS、DEVS、PETRI、OSA、UML等。这些方法从不 同的角度出发给出了对于复杂系统的理解和描述方法,并开发了许多相应的工具 系统.
    DEDS是离散事件按照一定的发生机制相互作用而导致系统状态演化的一类 动态系统1531。离散事件驱动状态的演化,而状态演化又导致新的事件的出现。这 种离散事件错综复杂的相互作用,构成了系统的动态特性,DEDS主要描述的是在 生产、制造、管理、服务和科学试验等人们日常生活与工作中比较常见的、带共 性的一类现象.
    DEVS是美国学者B.RZeigler提出的一种离散事件系统形式化描述体系。它把 每个子系统都看作是一个具有独立内部结构和明确10接口的模块,若干个模块可 以通过一定的连接关系组成组合模型,组合模型可以作为更大的组合模型的元素 使用从而形成对模型的层次模块化描述154].
    离散生产系统是比较典型的离散事件动态系统。对于复杂的制造系统,必须 从多个视角和层次进行建模。为了更全面地描述DEDS特性,人们将各种模型结 合起来,产生了定时Petri网模型、随机Petri网模型和极大代数与扰动分析相结合 的DEDS方法等。这样的模型既反映了系统的运行规律,又反映了离散事件的确 定性时间参数和随机性时间参数.
    Petri网是对离散并行系统的数学表示,Petri网是 1960年代由卡尔.A.佩特里 提出,适合于描述异步的、并发的计算机系统模型。由于Petri网能表达并发的事 件,被认为是自动化理论的一种。Petri网能很好地描述动态系统的结构行为,并 能对系统的动态性质如可达性,安全性、活性和死锁等进行分析,在离散事件动 态系统中得到了广泛应用.
    IDEF方法是一种结构化的建模方法,此方法从不同的角度描述系统,形成了 IDEFX系列的系统描述方法。主要包括:功能建模(IDEFO)、信息建模(IDEFI)、 动态建模(IDFFZ)、数据建模(IDEF仄)、过程描述获取方法(IDEF3)、面向对 象的设计方法(IDEF4)等.
     UML(UnifiedModelingLanguage,统一建模语言)于1997年被OMT组织批 准作为标准。UML描述了一个系统的静态结构和动态行为,UML将系统描述为 一些离散的相互作用的对象并最终为外部用户提供一定的功能的模型结构。UML 采用的是一种图形表示法,是一种可视化的图形建模语言。由于它的目标是以面 向对象图的方式来描述任何类型的系统,因此具有很宽的应用领域。总之,UML 是一个通用的标准建模语言,可以对任何具有静态结构和动态行为的系统进行建 模[57].
    在没有实际系统的情况下,把系统规划转换成模拟模型,通过运行模型,评 价规划方案的优劣并修改方案,是系统模拟经常用到的一个方面。这可以在系统 建成之前,对不合理的设计和投资进行修正,避免了资金、人力和时间的浪费.
    仿真建模是物流系统建模的一种方法。对物流系统对象建模最重要的是要提炼出 对象的属性。这里针对制造车间的仿真建模提出一种分析和建模的集成方法:首 先建立系统或对象的功能模型,表示系统的功能和结构关系,一般采用IDEFO方 法;其次建立系统的信息模型,通常采用E/R方法用于定义物理的和概念的实体、 属性及其联系;然后采用UML建立系统的动态模型,定义系统的动态特性和控制 逻辑:最后在前三步的分析基础上,从分析阶段的功能、信息和动态模型中提取 相关的类、属性、和操作的信息,将其映射到模型中建立对象模型。这样做的最 大好处在于可以通过IDEFO、E/R等和UML模型之间的映射使得各种分析方法的 优点很自然地包括在模型和软件的开发之中,模型可以更加真实地反映实际制造 车间中的对象158].
    离散事件系统仿真实质上是对那些由随机系统定义的,用数值方式或逻辑方 式描述的动态模型的处理过程。从处理手段上看,离散事件系统仿真可分为两类: 面向过程的离散事件系统仿真、面向对象的离散事件系统仿真.
    l)面向过程的离散事件系统仿真 面向过程的仿真方法主要研究仿真过程中发生的事件以及模型中实体的活动, 这些事件或活动的发生是顺序的。而仿真时钟的推进正是依赖于这些事件和活动 的发生顺序,在当前仿真时刻,仿真进程需要判断下一个事件发生的时刻或者判 断触发实体活动开始和停止的条件是否满足,在处理完当前仿真时刻系统状态变 ’化操作后,将仿真时钟推进到下一事件发生时刻或下一个最早的活动开始或停止 时刻。仿真进程就是不断按发生时间排列事件序列,并处理系统状态变化的过程.
    2)面向对象的离散事件系统仿真 在面向对象仿真中,组成系统的实体以对象来描述。对象有三个基本的描述 部分,即属性、活动和消息。每个对象都是一个封装了对象的属性及对象状态变 化操作的自主的模块,对象之间靠消息传递来建立联系以协调活动。对象内部不 仅封装了对象的属性还封装了描述对象运动及变化规律的内部和外部转换函数.
    这些函数以消息或时间来激活,在满足一定条件时产生相应的活动。消息和活动 可以同时产生,即所谓的并发,但在单CPU计算机上,仍须按一定的仿真策略进 行调度。在并行计算机和分布式仿真环境中,仿真策略则可以更加灵活、方便.
    面向对象的仿真尤其适用于各实体相对独立、以信息建立相互联系的系统中,如 物流系统、库存工系统以及供应链系统等.
    面向对象建模方法与传统的面向过程方法相比,具有显著的优点: 
    l)针对功能的改变,面向过程方法是灾难性的,而面向对象建模方法只需对 操作进行修改或扩充即可。所以面向对象建模方法设计的系统易于修改和扩展.
    2)有利于相同的对象在不同项目中的重用.
    3)有助于设计者对系统的理解.

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