建模与仿真平台

建模与仿真平台（精选七篇）

建模与仿真平台 篇1

Agent能够模拟人类的行为, 具有智能型、社会性、适应性等人类特性。随着信息基础设施的建立和完善, 人们对应用的要求越来越高。高智能、网络化、高可靠性和快速适应能力成为系统所追求的目标[1]。而这一目标正好和Agent的特点相吻合。从而加速了Agent的应用研究。

人们将Agent作为系统基本的抽象单位, 然后赋予Agent一定的功能, 然后将多个Agent设置具体的交互模式, 从而得到相应的应用系统模型[2]。首先, Agent是一个自治的计算机实体, 它可以通过感应器来感知环境, 并通过效应器作用于环境。其次, 智能。Agent具有智能, 并不是指它是全知全能的, 而是说Agent在变化的过程中灵活且理性的工作, 具有感知和作用的能力。最后, 交互。交互是指Agent可以被其他为追求自己子目标而执行相应任务的Agent所影响。

2 Swarm的设计思想

组成Swarm的程序大部分是用ObjectiveC语言编写的类库, 因此用户可以在自己的仿真程序中应用、扩展这些类库。目前在复杂系统研究领域中, 被广泛推荐和采用的是基于SantaFe研究所研制的Swarm平台的Agent建模和开发工具。这不仅因为Swarm是一个免费工具, 更因为Swarm具有很好的适应性, 可以得到平台研发人员和使用人员的不断改进。Swarm的目的是为复杂性的研究人员提供一个标准的、可靠软件工具集, 并且提供了用于多Agent系统设计、实现、运行和分析的工具, 用于那些具有分布仿真体系结构特征的各种复杂系统的仿真试验。

3 Swarm的建模方法

Swarm的建模思想是把一个个体封装起来。一个“Swarm”代表一个个体的集合和他们的行为时间表。Swarm中的模块化和组件思想允许建立一个灵活的模型系统。Swarm可以嵌套, 可以直接表示多层模型, 而且它们可以被个体用作自身环境的模型。多层次的建模方法可以提供强大的表达能力。Swarm允许用户完整地建立和测试多层模型。Swarm可以明确地表达一个自然的结构, 即把一组个体紧密地联系起来, 就像一个单独的个体。由于Swarm可以在仿真运行的过程中建立和释放, 所以它可以用来建立描述多层次动态出现的模型。

Swarm平台就是基于Agent的建模工具, 其建模方法是从底向上, 先构建每个实体Agent, 再将这些Agent组装起来形成整个系统的模型。在Swarm平台上, Swarm是基本构件, 一个Swarm就是一个Agent, 这时Agent通过规划技术来安排自己的行为;也可以认为一个Swarm是某个组织, 由多个Agent居于其中, 这时Swarm可用规划技术来对这些Agent的行为进行规划。

4 Swarm的体系结构和仿真结构

Swarm仿真的基本单位是个体。每一个个体就像系统中的一个演员, 他们可以产生动作并影响自身和其他个体。仿真包括几组交互的个体。个体定义了Swarm系统中的基本对象。一个时间表规定了这些对象独立事件发生的流程。在Swarm中特定的行为发生在特定的时间, 行为的发展按照时间表的规定进行。时间表是一个数据结构, 其中包括各事件的执行顺序。

除了作为个体的容器外, Swarm自身也可以是个体。一个典型的个体是一个包括一系列规则、反应和刺激的模型。但是一个个体自身也可以作为一个Swarm, 即一个对象的集合和动作的时间表。在这种情况下, 一个个体的行为可以由它的Swarm中个体表现的现象来定义。

如果仅有一个运行的模型是没有什么用处的, 系统还必须能观察模型的活动。在Swarm中, 这时通过观察器 (Observer) 来实现的。观察器是一个特殊的对象, 可以通过探测器接口观察其他个体, 并建立一个时序图来跟踪其动态变化。观察期个体也是一个Swarm, 包括一个个体和一个行为时间表。通过将一个Swarm和作为观察器的子Swarm合并起来, 一个单纯的, 只包含自身。也就是说, 一个Swarm仿真程序中包括一个Swarm Model构件和一个Observer Swarm构件。Swarm Model就是系统模型, 包含有所有Agent和作为容器的子Swarm, 并对其进行实例化。Observer Swarm包括Swarm Model, 并为Swarm Model的动作提供了空间和时间环境, 同时根据要求对模型进行可视化操作 (GUI接口) 。

模型运行时, Swarm作为一个虚拟机, Swarm的内核执行模型和GUI时间, 操作系统与Swarm内核进行互换, 而计算机的CPU执行来自操作系统的程序指令, 如图1所示。

参考文献

[1]蒋国瑞.《多Agent制造业供应链管理》.科学出版社, 2013年.

建模与仿真实验报告 篇2

大 大 学 学

学 学 生 生

实 实 验 报 告 实验课程名称

物流系统建模与仿真

开课实验室

物流工程实验室

学 学

院

自动化

年级

专业班

程 物流工程 2 班

学 学 生 生

姓 姓 名

段竞男

学

号

201 ２4 ９12

开 开 课 时 间

2014

至１５

学年第 二

学 学期 期 总 总

成 成 绩 绩

教师签名

自动化 学院制 《 物流系统建模与仿真 》实验报告

开课实验室：

****年**月**日 日 学院 自动化 年级、专业、班 12级物流工程2班 姓名 段竞男 成绩

课程 名称 物流系统建模与仿真 实验项目 名

称 产品测试工艺仿真与分析实验 指导教师 张莹莹 教师评语

成绩

一、实验目得 通过建立单存放区域、单处理工作台得简单模型,了解 5 个基本建模步骤。学习使用统计分析工具.二、实验原理 某工厂车间对三类产品进行检验。这三种类型得产品按照一定得时间间隔方式到达。随后，不同类型得产品被分别送往三台不同得检测机进行检测，每台检测机只检测一种特定得产品类型.其中，类型 1 得产品到第一台检测机检测,类型２得产品到第二台检测机检测,类型 3 得产品到第三台检测机检测。产品检测完毕后,由传送带送往货架区,再由叉车送到相应得货架上存放。类型 1 得产品存放在第 2 个货架上，类型 2 得产品存放在第 3 个货架上，类型 3 得产品存放在第 1 个货架上。

三、使用仪器、材料

一台ＰＣ机,ｆlｅｘsiｍ软件 四、实验步骤

1)创建模型布局

使用鼠标将需要得对象从对象库中拖放到正视图窗口中,根据需要使用鼠标改变对象位置、大小与转角。

2)连接端口

按下键盘上得“A“键，用鼠标拖放在对象间建立输出端口-输入端口连接；方向为从流出实体得对象到流入实体得对象;模型中得对象发出与接收实体需要这种连接。

3)编辑外观、设置对象行为

(1)参数窗口（Parameteｒs Ｗindｏw）

双击对象（或在右键菜单选择 Pａramｅters）

；用于对各种对象得自身特性得设置、编辑。

(2)属性窗口(Ｐropertieｓ Windｏｗ）

右键单击对象,在弹出菜单中选择 Ｐrｏpertieｓ;用于编辑与查瞧所有对象都拥有得一般性信息。

(3)模型树视图(Model Tree Vｉew)模型中得所有对象都在层级式树结构中列出;包含对象得底层数据结构;所有得信息都包含在此树结构中。

4)重置运行

(1)重置模型并运行

(2)控制仿真速度（不会影响仿真结果）

检测机器 1 检测机器 2 检测机器 3 传送带 传送带 传送带 货架 1 货架 2 货架 3 产品 1 产品 2 产品 3

(3)设置仿真结束时间

5)观察结果

(1)使用“Statiｓtics”(统计)菜单中得 Reｐｏrts anｄ Statiｓtics(报告与统计）生成所需得各项数据统计报告.(2)其她报告功能包括：对象属性窗口得统计项;记录器对象;可视化工具对象;通过触发器记录数据到全局表。

五、实验过程原始记录((数据、图表、计算等))

1、运行结果得平面视图:

2、运行结果得立体视图

３、运行结果得暂存区数据分析结果图:

第一个暂存区

第二个暂存区 由报表分析可知 5 次实验中，第一个暂存区得平均等待时间为 1１、４6，而第二个暂存区得平均等待时间为１3、0２，略大于第一个暂存区,由此可见,第二个暂存区得工作效率基本上由第一个暂存区决定。

４、运行结果三个检测台得数据分析结果图,三个检测台得 statｅ饼图：

（１)处理器一：

由实验结果分析可得,处理器一只有５3%得时间处于工作状态，有３２、3％得时间就是处于闲置状态,并且该处理器得准备时间较长，占总时间得 14、7％,这些数据表明该处理器得运行速度完全能满足,甚至超过系统得要求，可以适当得选择更处理速度慢一点得处理器来降低系统成本。

（2）处理器二:

由实验结果分析可得,处理器二只有 16、９％得时间处于工作状态,有６6％得时间就是处于闲置状态，并且有 1７、1％得时间处于准备时间,以上数据说明处理器二闲置时间过长，工作效率低，不能很好地配合物料二得到达速度。

(3）处理器三

由实验结果分析可得，处理器三得只有１６、9％得时间处于工作状态，有 66、1%得时间就是处于闲置状态,并且有 16、9%得时间处于准备时间，以上数据说明处理器三得工作效率低,不能很好地配合物料三得到达速度，可以适当得降低处理器三得处理速度。

六、实验结果及分析

１))对得到得数据做简单分析，提出改进措施。

答:通过对实验数据分析,发现现有得机器设备得设置基本能满足系统得要求，但工作效率低，大大浪费了设备得工作能力,可以适当得提高物料得到达速度，或者降低三台处理器得处理速度.2 2）

讨论：本实验根据三个处理器得统计信息,通过状态图分析各处理器得工作状态，通过暂存区材料得平均等待时间，分析这个检测流程得效率如何？就是否存在瓶颈？如果存在,怎样才能改善整个系统得绩效呢？ 答：由报表分析可知５次实验中，第一个暂存区得平均等待时间为 11、46，而第二个暂存区得平

均等待时间为 13、02,略大于第一个暂存区,由此可见，第二个暂存区得工作效率基本上由第一个暂存区决定。处理器一只有５3%得时间处于工作状态，有 32、３％得时间就是处于闲置状态,并且该处理器得准备时间较长,占总时间得１４、7%,这些数据表明该处理器得运行速度完全能满足,甚至超过系统得要求,可以适当得选择更处理速度慢一点得处理器来降低系统成本。由实验结果分析可得，处理器二只有 16、９%得时间处于工作状态,有 66%得时间就是处于闲置状态,并且有 17、1％得时间处于准备时间，以上数据说明处理器二闲置时间过长，工作效率低，不能很好地配合物料二得到达速度。由实验结果分析可得,处理器三得只有 1６、9%得时间处于工作状态，有 66、1%得时间就是处于闲置状态，并且有１6、9%得时间处于准备时间，以上数据说明处理器三得工作效率低,不能很好地配合物料三得到达速度，可以适当得降低处理器三得处理速度。整体来瞧,整个检测流程效率不高，但就是并不存在瓶颈，能够达到系统得要求,但工作效率低，大大浪费了设备得工作能力,可以适当得提高物料得到达速度，或者降低三台处理器得处理速度.《物流系统建模与仿真》实验报告

开 ：

开 课 实 验 室 ：

年 年

月 月

日 日 学院 自动化 年级、专业、班 １２级物流工程２班 姓名 段竞男 成绩

课程 名称 物流系统建模与仿真 实验项目 名

称 多产品多阶段制造系统仿真与分析实验 指导教师 张莹莹 教师评语

成绩

一、实验目得 假定在保持车间逐日连续工作得条件下，对系统进行 365 天得仿真运行（每天按８ 小时计算)，计算每组机器队列中得平均产品数以及平均等待时间。通过仿真运行,找出影响系统得瓶颈因素，并对模型加以改进。

二、实验原理 某制造车间由 5 组机器组成，第 1,2,3，4,5 组机器分别有３，２,4,3，1 台相同得机器。这个车间需要加工三种原料，三种原料分别要求完成４、3 与５ 道工序，而每道工序必须在指定得机器组上处理,按照事先规定好得工艺顺序进行。

概念模型参考如下：

三、使用仪器、材料

一台ＰC 机，flexsｉm 软件 四、实验步骤

1)创建模型布局 使用鼠标将需要得对象从对象库中拖放到正视图窗口中，根据需要使用鼠标改变对象位置、大小与转角。

2)连接端口 按下键盘上得“A”键，用鼠标拖放在对象间建立输出端口—输入端口连接;方向为从流出实体得对象到流入实体得对象；模型中得对象发出与接收实体需要这种连接。本实验此步骤为关键环节，连接线较复杂，故连接端口时应注意保持清晰思路.机器 1 机器 1 机器 1 暂存区 机器 2 机器 2 暂存区 机器 3 机器 3 机器 3 机器 3

暂存区 机器 4 机器 4 机器 4 暂存区 机器 5

暂存区 1 2 3

3)定义对象参数(1)定义Ｓource 在模型中，共有 3 个Ｓource 实体，每个Ｓource 对应一类原料,也就就是说，一个 Source 生成一类原料.我们需要设置每个 Souｒce 实体，使得每类原料得到达间隔时间满足系统得要求。

(2)分别按照要求定义机器组１、机器组 2、机器组 3、机器组 4、机器组 5、暂存区参数。

4)模型运行

(1)设置 Expeｒiｍenter

(2)重置模型并运行 5)观察结果 仿真进行过程中，可以瞧到红、黄、蓝三种不同颜色得原料从系统中流过,经过不同机器组得加工,最后离开系统。

仿真运行到１７52０0 单位时间得时候，自动停止。

五、实验过程原始记录((数据、图表、计算等）

1、运行结果得平面视图: 2、提供运行结果得立体视图：

3、提供运行结果五个暂存区数据分析结果图

由数据图可知第一个暂存区得为 物料输入量为 888 ８,平均数量为 0、６3, 最大等待时间达到了 241、、94，平均等待时间为 12、5，由此可见暂存区一得货物 状态较为空闲，不就是 系统得瓶颈。

为 由数据图可知第二个暂存区得物料输入量为 1117 ３,平均容量为 1 ９67、0 ４, 最大等待时间为 630１ １7、1４ ４为，平均等待时间为 30３ ３ ８８、42, 由此可见暂存区二得货物周转率较高, 处于比较忙碌得状态，非常 容易成为系统得瓶颈。

由数据图可知第三个暂存区得物料输入量为５ ５8 ３５,平均数量为 0、11，最大等待时间达到了 1２ ２4、25,平均等待时间为 3、４0, 由此可见暂存区三得效率较高，较为适应系统得要求。

为 由数据图可知第四个暂存区得物料输入量为 3604，平均数量为 5、6２ ２，最大等待时间为１ １64 ２、37，平均等待时间为 273、55，由此可见暂存区四货物周转率高，并且运行效率高, 能够适应系统得要求，安排合理。

由数据图可知第五 个暂存区得物料为 输入量为 7 ２08,平均数量为２ ２43、75, 最大等待时间为 1 ０９3６、85,平均等待时间为 5956, 由此可见暂存区五 容易造成货物得堆积与等待，不 能够适应系统得要求，安排 不够 合理, 为该系统得瓶颈.六、实验结果及分析

对得到得数据做简单分析，提出改进措施：

暂存区 1 2 3 4 5平均等待时间 12、50 30388、42 3、40 273、55 5956

平均数量 0、63 1967、04 0、11 5、62 243、75 由数据图可知第一个暂存区得物料输入量为 8８88，平均数量为 0、63，最大等待时间达到了241、94，平均等待时间为１2、5,由此可见暂存区一得货物状态较为空闲,不就是系统得瓶颈.由数据图可知第二个暂存区得物料输入量为１１173,平均容量为 1967、04，最大等待时间为 63017、14,平均等待时间为 30388、42，由此可见暂存区二得货物周转率较高，处于比较忙碌得状态，非常容易成为系统得瓶颈.由数据图可知第三个暂存区得物料输入量为 5835,平均数量为０、11，最大等待时间达到了 1２4、２5,平均等待时间为 3、4０，由此可见暂存区三得效率较高,较为适应系统得要求。由数据图可知第四个暂存区得物料输入量为 36０4,平均数量为 5、62,最大等待时间为 1642、３7，平均等待时间为 2７3、５5，由此可见暂存区四货物周转率高,并且运行效率高，能够适应系

统得要求,安排合理.由数据图可知第五个暂存区得物料输入量为 72０8，平均数量为 243、75,最大等待时间为 1０936、85,平均等待时间为 595６，由此可见暂存区五容易造成货物得堆积与等待,不能够适应系统得要求,安排不够合理,为该系统得瓶颈.由数据分析可知暂存区二、五就是系统得瓶颈所在，应该提高暂存区二、暂存区五得处理前一道工序速度,即增加工序一与工序二得机器数量，以此来提高工序 1、2 得处理速度，或者调整物料加工得顺序,从而提高整个系统得运营效率。

《物流系统建模与仿真》实验报告

开课实验室：

****年**月**日 日 学院 自动化 年级、专业、班 １2 级物流工程 2班 姓名段竞男 成绩

课程 名称 物流系统建模与仿真 实验项目 名

称 混合流水线系统仿真与分析实验 指导教师 张莹莹 教师评语

成绩

一、实验目得 主要掌握单台处理器在处理多种产品时对于处理顺序以及时间参数得设置.熟悉先进先出这种存储模式得控制方法.二、实验原理 多对象流水线生产有两种基本形式。一种就是可变流水线，其特点就是:在计划期内，按照一定得间隔期,成批轮番生产多种产品；在间隔期内，只生产一种产品,在完成规定得批量后,转生产另一种产品。另一种就是混合流水线,其特点就是：在同一时间内,流水线上混合生产多种产品。按固定得混合产品组组织生产,即将不同得产品按固定得比例与生产顺序编成产品组。一个组一个组地在流水线上进行生产。

三、使用仪器、材料

ＰC 机一台,flexsiｍ 软件 四、实验步骤

1)创建模型布局

从左边得实体库中依次拖拽出所有实体（一个 Source，５个 Quｅｕe,1２个 Pｒｏceｓｓoｒ，一个Ｃonveｙor，一个Ｓｉnｋ)放在右边模型视图中，调整至适当得位置,如图所示:

2)连接端口

根据流动实体得路径来连接不同实体得端口.按住键盘上得“A”键,与前面章节得操作一样,按上图中得箭头所指向依次连接各个实体.分别(注意方向)从 Sｏurｃe 连到 GeneｒalQueｕe，GeneｒalQuｅue 连到ＧenｅｒaｌMachine1，GｅnｅｒalＱuｅuｅ连到 GenerａlMａchine2, GeneralＱueue 连到 GenerａlMaｃｈine3，ＧｅｎｅralMａｃｈiｎe1 连到 DrillinｇQueue，GeneralMacｈine2 连到 DriｌlingQｕeue，GｅｎｅrａlＭａcｈinｅ3 连到 DrillｉngQueuｅ，DrillｉｎgQueue 连到 DｒillinｇＭａchine1，DriｌlinｇQueｕｅ连到 DrillingMａchｉne２,DrillinｇQueue连到DriｌlingMachine３,DriｌlｉngＭachine1连到ＭillｉｎgQｕeuｅ,ＤriｌlinｇMaｃhｉｎe2 连到 MilliｎgQｕeue,DrｉlｌinｇMacｈine3 连到ＭilｌｉngQｕeue,MiｌｌinｇＱueｕe 连到 MilｌｉnｇＭachine１，MillingＱueｕｅ连到ＭilｌｉngＭaｃhine2,ＭillinｇMaｃhiｎｅ1 连到 GriｎdiｎgQuｅue,ＭiｌlingＭａchine２连到 GrindｉngＱｕeue，ＧrｉndｉｎgＱｕｅｕｅ连到 GrｉnｄingＭａchiｎe1，GrinｄinｇＱueue 连到 GｒindinｇMａｃｈｉne２,GrｉndingＱｕｅue 连到ＧｒindｉnｇMachｉｎｅ3，GｒiｎdiｎｇMachｉｎe1 连到 T

ｅｓｔｉngQueｕe,GrｉｎdingＭachｉne2连到TｅｓtiｎgＱueue,GrindｉｎｇMachｉｎe3连到TesｔingＱueue,TestingQueue 连到 TｅsｔingＭachine，ＴeｓtｉngＭachine 连到 Cｏｎveyor，Ｃoｎveyor 连到Ｓｉnk。完成后，如图所示：

3)定义对象参数

分别按照要求定义 Sourｃe、各机器工位、暂存区参数。

4)模型运行

(1)重置模型并运行(2)加快仿真模型运行速度 如果我们只就是关心仿真结果,而对仿真得过程不感兴趣，则我们可以加快仿真速度,迅速得到结果.图 3、１仿真速度控制比例条 如图 3、1，鼠标左键一直按住比例尺，移动到合适得比例位置,以便迅速得到结果。

5)观察结果

仿真进行过程中，可以瞧到红、绿、蓝三种不同颜色得产品从系统中流过,经过不同机器组得加工，最后离开系统,如下图:

6)结果分析

当仿真运行自动结束后，我们打开 Flexｓｉｍ得工具栏里得 Stａts 目录下得Ｓtandａrd Report 选项，如图所示:

我们通过来增加、以及来减少需要输出得报告内容,使得报告包含以上所列得 5 个部分得数据:iｄlｅ就是空闲时间，pｒoｃessiｎg 就是工作时间，blockeｄ就是产品在设备等待时间，ｓｔatｓ_staytiｍｅavｇ就是平均停留时间，stats_input 就是输入产品数,stats_output 就是输出产品数,设置完成后,如图所示:

点击后生成如图所示表格:

从上表中我们可以很方便得瞧到总运行时间就是 7728min，以及各个设备得输入输出产品数,处理时间等信息.录记始原程过验实、五ﻬ 五、实验过程原始记录((数据、图表、计算等）

1、运行结果得二维平面图

２、运行结果得三维立体图

4、投产按照 1、2、3 得顺序进行得仿真报告 Flexsim Summary Report Time: 7728

Object Class stats_output stats_staytimemin stats_input idle blocked processing

Source1 Source 1700 0 0 0 7720 0 Queue2 Queue 1700 0 1700 0 0 0 Processor3 Processor 500 4 500 594 0 2400 Processor4 Processor 600 4 600 297 0 2700 Processor5 Processor 600 4 600 297 0 2700 ConCon17010 1700 0 0

veyor6 veyor 0 0 Processor7 Processor 600 4 600 203 0 2800 Processor8 Processor 600 4 600 203 0 2800 Processor9 Processor 500 4 500 599 0 2400 Queue10 Queue 1700 0 1700 0 0 0 QueQue1700 1700 0 0

ue11 ue 0 0 Processor12 Processor 850 3 850 10 0 3050 Processor13 Processor 850 3 850 11 0 3050 Processor14 Processor 567 4 567 796 0 2268 ProcessorProcessor 567 4 567 797 0 2268 Processor16 Processor 566 4 566 798 0 2264 Queue17 Queue 1700 0 1700 0 0 0 Queue18 Queue 1700 0 1700 0 0 0 Processor19 Processor 1700 1 1700 18 0 7700 Sink20 Sink 0 0 1700 0 0 0 由报表分析可知，按照 1 1、2 2、３得顺序投产得总得处理时间为７7 7 ２8 8。

投产按照１、3、2 得顺序进行得仿真报告:

Flexsim Summary Report Time: 7728

Object Class stats_input stats_output stats_staytimeavg idle processing blocked Source1 Source 0 1700 0 0 0 7720 Queue2 Queue 1700 1700 4、588235 0 0 0 ProcProc502 502 4、79586 2408 0

essor3 essor 6813 Processor4 Processor 600 600 4、5 298 2700 0 Processor5 Processor 598 598 4、501672 306 2692 0 Queue6 Queue 1700 1700 0、411765 0 0 0 Processor7 Processor 600 600 4、666667 203 2800 0 PrPr60604、20280

ocessor8 ocessor 0 0 666667 3 00 Processor9 Processor 500 500 4、8 599 2400 0 Queue10 Queue 1700 1700 28、32294 0 0 0 Processor11 Processor 850 850 3、588235 10 3050 0 ProcessorProcessor 850 850 3、588235 11 3050 0 Queue13 Queue 1700 1700 0 0 0 0 Processor14 Processor 567 567 4 796 2268 0 Processor15 Processor 567 567 4 797 2268 0 Processor16 Processor 566 566 4 798 2264 0 QueuQueu1700 1700 23290 0 0

e17 e、648 Conveyor19 Conveyor 1700 1700 10 0 0 0 Sink20 Sink 1700 0 0 0 0 0 Processor21 Processor 1700 1700 4、529412 18 7700 0 由报表分析可知，按照 1、3、2 得顺序投产得总得处理时间为 77２８.投产按照 2、1、3 得顺序进行得仿真报告：

Flexsim Summary Report Time:

7725 Object Class stats_input stats_output stats_staytimeavg idle processing blocked Source1 Source 0 1700 0 0 0 7720 Queue2 Queue 1700 1700 4、588235 0 0 0 Processor3 Processor 503 503 4、795229 588 2412 0 Processor4 Processor 600 600 4、5 299 2700 0 Processor5 Processor 597 597 4、502513 311 2688 0

Queue6 Queue 1700 1700 0、408824 0 0 0 Processor7 Processor 600 600 4、666667 205 2800 0 Processor8 Processor 600 600 4、666667 205 2800 0 Processor9 Processor 500 500 4、8 605 2400 0 Queue10 Queue 1700 1700 28、16529 0 0 0 Processor11 Processor 851 851 3、587544 11 3053 0 Processor12 Processor 849 849 3、588928 15 3047 0 Queue13 Queue 1700 1700 0 0 0 0 Processor14 Processor 567 567 4 796 2268 0 Processor15 Processor 567 567 4 798 2268 0 Processor16 Processor 566 566 4 804 2264 0 Queue17 Queue 1700 1700 2317、985 0 0 0 Conveyor19 Conveyor 1700 1700 10 0 0 0 Sink20 Sink 1700 0 0 0 0 0 Processor21 Processor 1700 1700 4、529412 15 7700 0 由报表分析可知，按照 2 2、１、３得顺序投产得总得处理时间为 772 ５.析分及果结验实、六ﻬ 六、实验结果及分析1）

实验结果: :由以上报表分析可知 6 种投产顺序中，按照 2、1、3 得顺序投产得总得处理时间最短为７7２5，故以这种投产顺序作为最佳投产方式。

２）讨论: :系统还存在很多可以改善得地方，请指出有哪些地方就是有待改善得，理由就是什么.答：可以适当得降低处理器得运行速度，除了第三组得处理器空闲时间较短外，其余各组处理器得空闲时间过长。尤其就是，其中暂存区 17 得平均等待时间过长,可以适当得调整运行速度，以提高整个系统得运行效率。

实验报告打印格式说明 1.标题:三号加粗黑体 2.开课实验室:5 号加粗宋体 3.表中内容:(1)标题:５号黑体(2)正文：5 号宋体

物流系统建模与仿真研究综述 篇3

关键词：物流系统；建模；仿真；研究综述

中图分类号：TP315 文献标识码：A

文章编号：1002-3100(2007)11-0037-03

Abstract: Based on the study of extensive logistics literature, the research subjects, areas, techniques and methodology on the field of modeling and simulation of macroscopical logistics system and microcosmic logistics system are presented, besides, the similarities and differences of the research between macroscopical logistics system and microcosmic logistics system in this realm are pointed out.

Key words: logistics system; modeling; simulation; research overview

随着物流系统变得越来越复杂并且内部关联性越来越强，建模与仿真已经成为检验物流系统及决策是否高效的主要技术之一。在设计一个新的物流系统或对原有系统添加新设备或重新优化时，建模仿真是非常必要的，同时仿真还可以提供直觉的和经验的决策支持。因此，20世纪80年代特别是近十年，越来越多的建模与仿真成功地被应用于对各种类型的物流系统的规划设计和营运管理提供决策信息。

物流模型按照物流系统涉及的领域可分为宏观物流系统模型和微观物流系统模型。在研究过程中，要根据不同的研究对象以及不同的侧重点来选择合适的建模仿真方法来对其进行研究。

1宏观物流系统建模与仿真

1.1宏观物流系统建模与仿真的研究内容

基于建模与仿真的方法对宏观物流系统进行研究主要集中在供应链物流和区域物流这两大方面。

供应链管理是一种为适应市场全球化和客户需求多样化而产生的一种管理技术，它能够有效地协调和控制供应链上物料流、信息流、价值流，保持灵活和稳定的供需关系，使整个供应链上企业效益最大化。为了更好地实施供应链管理技术，研究供应链建模技术，建立相应的供应链运作参考模型以实现供应链的优化是十分必要的。

在有关供应链的研究中，供应链的选择与优化已成为研究重点之一，文献[2]仿真的供应链强调上游及下游企业间的信息共享与相互协作，并根据供应链中不同的信息做出相应的决策。它将整个供应链分为三层结构，即供应商、制造商和销售商，此外还有运输商负责不同层面之间的联系，并通过建模仿真对系统进行优化，提高系统的整体适应能力。

随着电子商务的逐步普及，面向制造企业的传统供应链的结构发生了变化，文献[3]运用优化方法理论从供应链的系统性和整体性视角出发，对此种供应链的结构进行详细的建模和仿真研究，寻找具体的决策优化方法，并探讨了其中的目标函数、约束条件等关键性问题。

文献[4]在分析供应链管理的基础上，提出“一流二网三关系”的供应链建模思想：“一流”指订单信息流；“二网”指物流网和资源网：“三关系”指客户关系、动态关系和集成关系。同时对供应链建模的混合整数规划和统一优化方法论作了阐述，为供应链的建模提供了较为实用的方法。

在二级供应链研究方面，文献[5]研究了服务销售系统的二级供应链模型，是关于设施选址和市场顾客配置的混合整数规划问题。在实例应用中，对奶制品零售分销的供应链问题进行了计算机仿真计算。

区域物流系统是一个复杂的社会子系统，是属于宏观物流系统的，它所涉及的问题是相互联系的，相互融合的。文献[6]分析了区域经济与区域物流的关系，将区域物流系统划分为5个模块：经济增长子构造、人口子构造、消费水平子构造、物流需求子构造、物流能力子构造，并在分析区域物流系统基本因果关系的基础上，建立了区域物流系统动力学模型。

1.2宏观物流系统建模与仿真的技术方法

对宏观物流系统的建模仿真，根据分析系统的侧重点不同研究者所使用的方法主要有Agent法、Petri网法等。

基于Agent的建模方法是一种先进的、有效的力法。用基于Agent的建模方法及其相关技术来研究复杂的供应链系统，可以为研究供应链系统的协调、集成和仿真等难点问题提供一些解决方案。

文献[7]重点讨论了基于Agent的建模理论、技术及其在供应链研究中的应用，并采用该研究成果对某大型水利工程的物资供应链系统进行了建模与仿真的实例研究。

除此之外，文献[2]将Agent技术与仿真技术相结合，提出了用多代理模型仿真供应链的方法，采用多代理系统开发工具JADE设计并实现了一个基于Agent的仿真模型，并成功地对一个供应链进行了仿真。同时，该文还提出了一种以限制控制量变化为目标，用神经网络在线优化控制矩阵R的DMC控制算法。该算法可有效地增大控制系统的鲁棒性，从而提高系统的适应能力。

Petri网模型方法作为一种数学和图形的描述分析工具，能够较好地描述复杂系统中常见的同步、并发、分布、冲突、资源共享等现象，已被广泛用于分布式系统、离散事件系统、柔性制造系统等领域，是进行离散事件动态系统建模、规范分析和设计的有效途径。在供应链物流系统中其应用也非常广泛。

文献[8]应用一般Petri网对供应链系统进行建模；文献[9]应用广义随机Petri网对整个供应链系统进行了建模分析，此Petri网模型可以描述各个供应商、运输商、核心企业、销售商之间的物质、资金、信息的流动关系，并利用Danamics软件对系统进行仿真，根据仿真结果对系统的整体性能进行了分析评估。

文献[10]考察了基于广义随机Petri网的供应链建模与分析技术，将广义随机Petri网（GSPN）的基本理论应用于供应链系统的建模和性能分析，利用GSPN与马尔可夫链的同构关系，采用Petri网与马尔可夫链理论相结合的供应链性能分析方法为供应链性能的有效评估提供了理论依据。

虚拟供应链仿真的基本思想和设计原则在文献[11]中被提出，这种基于有色广义随机Petri网的虚拟供应链仿真方法，可以定义库所、托肯、颜色相应的含义，规定Petri网的初始值设定方法和引发条件。

此外，有学者采用混合整数规划法对服务销售系统的二级供应链模型进行了研究[5]，并设计了适用于这种混合整数规划供应链管理决策的遗传算法。

2微观物流系统建模与仿真

2.1微观物流系统建模与仿真的研究内容

微观物流与宏观物流相对而言，侧重于对局部性的描述。例如，企业物流或者企业的生产物流、供应物流、销售物流、回收物流、废弃物物流等。采用建模与仿真的方法对微观物流系统的研究主要集中在企业物流、配送中心物流、港口物流等几大方面。

对企业物流的研究可以反映企业的整体生产状况，发现和预测生产中的瓶颈和关键路径，优化企业生产运行方案，以达到充分挖掘设备潜力、提高通过能力、降低库存水平、降低能耗、加快资金周转的目的。目前，对企业物流的研究主要集中在对企业生产线物流系统的研究。

文献[12]对某微型汽车厂总装车间的生产物流系统进行分析研究，在此基础上对其建模和仿真，在仿真过程中可以看到主要部件在装配线中所处的位置，能够判断装配各种零件所需要的时间，方便车间管理人员根据生产需求对生产线进行及时的调整。

文献[13]则以某炼钢厂全连铸改造后的生产调度问题为应用背景，研究了此炼钢生产物流系统的仿真建模与仿真运行问题。在此系统现有流程生产物流的输入条件下，分别对设备在正常生产以及正常检修两种不同条件下进行了仿真试验，得出系统正常运行所需的临界条件。

在现代物流系统中，配送中心是集物流、信息流和资金流为一体的流通型节点，是现代物流系统中的重要组成部分。对物流配送中心，特别是配送中心各个子系统的研究也越来越多。

在配送中心的多个子系统中，分拣系统是较为复杂的，同时又是其核心部分。文献[14]对物流分拣系统进行建模，主要对系统中的设备的选择进行研究讨论，着重描述了分拣设备的动态运行过程，以及速度的选择对分拣效率的影响。

文献[15]则是以配送中心的仓储系统为研究对象，建立了其数学模型并研制了计算机仿真软件。在软件平台上，只要给出库存初始参数和出库随机分布就可以清楚地看到库存量的动态变化过程，并预测达到库满或库空所需的时间。

在输送系统研究方面，文献[16]对物流输送系统进行三维动画仿真，在仿真程序中通过对设备参数设定，可以模拟出在这组参数下整个运输系统的繁忙状况及各设备的工作效率，从而对系统的输送能力做出评估。

在物流活动中，科学合理的货物配送路径选择是物流中心在最佳时间选择最佳路径为客户提供最佳服务的有效保证。文献[17]对货物配送最佳路径进行研究，为其建立了一个基于遗传算法的数学模型，并对该模型进行了较为深入的数学处理，给出了智能化配送的路径量化方法。

文献[18]对配送中心的自动化立体仓库可视化问题进行了探讨，采用基于虚拟现实的仿真辅助设计方法，建立了辅助自动化立体仓库设计的可视化仿真的模型，重点论述了辅助自动化立体仓库设计的可视化仿真的设计过程，并以某公司自动化立体仓库设计方案为例，使用该仿真辅助设计软件对方案进行优化调整。

港口作为全球综合运输网络的节点在发展现代物流中扮演着越来越重要的角色，港口逐渐以复合优势实现其现代物流中心的功能。对港口物流系统的研究，特别是集装箱物流港口已经成为物流领域的重要研究内容之一。

集装箱码头的物流系统仿真模型主要是用来评价规划建设中的或正在使用中的集装箱码头在一定设备资源条件下的生产能力、交通状况，同时可以识别系统瓶颈，提出改进策略。文献[19]基于离散事件动态系统理论，建立了集装箱码头物流系统的装卸流程模型和道路交通模型。

文献[20]对集装箱港口生产过程的三维可视化仿真建模及软件实现方法进行了研究，探讨了仿真软件中各个模块的实现方法等问题。通过这种方法可以反映出系统运行的状态，为码头工艺规划、生产过程设备配置等决策性问题提供依据。

文献[21]则对港口铁路运输系统进行研究，根据集装箱码头的生产作业特点，结合排队网络方法对国内某集装箱码头的港口铁路运输系统进行了仿真建模。在仿真模型的基础上，设计了几种不同工况下的模拟方案，通过对各个方案的模拟结果进行分析，得出各种不同的设备配置对港口铁路运输能力的影响情况。

2.2微观物流系统建模与仿真的技术方法

针对微观物流系统的研究对象的特性，学者普遍采用的建模仿真方法有Petri网法、Agent法、马尔可夫链法、遗传算法等。

在Petri网的应用方面，文献[22]针对较为复杂的企业内部物流系统，采用分层有色Petri网进行建模，此方法使得系统的模型清晰并且易于实现模块化，解决了复杂系统的综合和模型可重用性差的问题。有学者[14]则是基于着色Petri网和面向对象相结合的方法对系统进行研究，运用此种方法可以直观地找到系统中的缺陷，通过对系统的修改、调整达到优化的目的。

有学者应用Agent法，提出了一种基于多Agent的制造企业物流系统建模方法[23]，为制造企业实现物流管理提供了一种控制模式。用这种方法对制造企业物流进行建模，较好地解决模拟人对多样性、复杂性问题智能活动的适应能力，此种建模方法适用于对制造企业物流系统等的复杂系统进行研究。

文献[15]将马尔可夫链用于仓储系统的建模，根据系统的马尔可夫性质建立了系统的数学模型，并对其进行仿真，在仿真界面下，根据需求输入不同的参数，运行模型可以直观地得到每个时段的库存状态，经过分析可得到整个仿真期间内库存量的变化规律。

文献[17]则是在对传统算法讨论的基础上提出了一种基于遗传算法的物流路径选择的建模方法，由于遗传算法实行全局并行搜索，搜索空间大，从而易于找到最优解。在实例应用中可以看出，遗传算法应用于物流的建模仿真较好地满足了不同类型的约束要求，能较早地找到满足条件的群体。

在港口物流系统建模仿真方面，文献[19]根据集装箱码头的作业流程，采用Petri网建立了集装箱码头物流系统的动态流程模型，并在离散事件动态系统仿真软件WITNESS的平台上建立了仿真模型。该模型以彩色动画显示，既可观察整个码头的生产动态，又可分析局部位置的作业流程。

文献[24]在港口物流系统仿真领域中，引入了自动建模技术，运用C语言进行软件研制，实现了交互式系统描述与自动建模的基本构造及功能。

针对港口物流系统离散性、随机性的特点以及系统仿真模型场景复杂的问题，文献[20]对基于虚拟环境的集装箱码头三维仿真建模及软件开发进行了研究。在虚拟现实软件基础上进行了二次开发，所研制出的仿真软件CTDSS实现了港口生产过程中实时动画生成及参数控制的功能。

3宏观物流系统与微观物流系统的研究比较

由上文的综述可知，在建模仿真的研究内容层面上来看，宏观物流与微观物流有着各自不同的侧重点，宏观物流以整体性、全局性为着重点，微观物流则侧重考虑系统内部的元素，以局部性的，个别性的物流为研究对象。在建模仿真的研究方法层面上来看，不论是对宏观物流系统还是对微观物流系统，学者们大多数使用的还是普遍的系统建模仿真的研究方法，如排队网络法、Petri网法、Agent法、马尔可夫链法、遗传算法、混合整数规划法等。

参考文献：

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[23] 陈勇，林飞龙. 制造企业物流多智能体建模及其应用[J]. 浙江工业大学学报，2006,34(3):310-313.

建模与仿真平台 篇4

近来,为了解决上述问题,国内外提出了很多不同的方法。其中,电子系统级设计(ESL)被认为是用来解决诸如系统级仿真和验证、架构探测、片上总线设计和系统性能评估等系统级问题最有前途的一种方法。ESL的关键就是用事务级建模(TLM)来建立一个SoC系统的模型。所谓事务,一方面指把低层次的信息传输组合成较高级别的传输,例如把读写一大块数据作为一个事务,包含总线上的若干次突发传输,每个突发传输又会包含地址连续的多个数据传输;另一方面指不牵涉具体的信号,而是把传输中涉及到的信息分类作为整体表示。在事务级的传输机制可以通过信道来完成,模块之间的通信则可以通过调用接口函数来完成,这样可以大大提高仿真的速度[1]。

在事务级建模领域,国内外做了大量的研究。OSCI组织推出的SystemC语言为SoC的事务级建模提供了良好的语言支持,Synopsys公司已经推出AMBA的事务级模型。国内在事务级建模方面也取得了一些成就[2,3]。国芯CLB总线具有优良的数据传输性能和可扩展性,因此,它具有很强的发展潜力。但是,如何建立CLB周期精确的事务级模型仍是一个有待解决的问题。

1 CLB事务级模型的建立

1.1 建模语言

本文采用SystemC建立国芯CLB总线的事务级模型。SystemC在C++的基础上发展而来,可以支持门级、RTL级和系统级等不同抽象层次的建模和仿真。在SystemC TLM 2.0中,定义了非定时模型、近似定时模型、松散定时模型和周期精确定时模型,分别用于满足不同级别精度的需要,并且支持多个时钟之间的任意相位关系[4]。同时,SystemmC具有所有硬件描述语言所共有的基本特征,包括模块、进程、端口和信号等,这使得SystemC可以很好地完成CLB的事务级建模。

1.2 CLB总线

CLB总线是基于我国具有自主知识产权的32位RISC嵌入式CPU-C*Core的SoC平台中使用的层次化片上总线体系结构[4]研制的。CLB总线采用了高效的流水线(Pipeline)结构,能在读写数据的同时产生下一访问的地址信号;总线支持字节、半字和字三种类型的数据传输;总线接口支持C*Core和系统中的其他设备之间的数据同步传输,内部分布的时钟信号用来提供逻辑时序。

图1所示为CLB的工作示意图,其中BCU (Bus Control Unit)相当于总线仲裁器,由它控制总线的使用权;Slave0、Slave1的选择由CLB内部的地址译码逻辑完成。

1.3 CLB的VCI封装及建模的设计

IP (Intellectual Property)是构成SoC的基本单元,IP的复用可以有效缩短产品的开发时间、减少产品投放市场的时间、降低产品的开发成本。因此,IP复用是SoC设计的一个重要的组成部分。为了增加CLB总线模型的可复用性,本文对其进行了标准的VCI封装。根据VCI协议的标准[5],本文将CLB的VCI封装设计成BCU、CLB Initiator Wrapper和CLB Target Wrapper三个部分,如图2所示。

图中BCU负责总线的控制部分,包括总线的仲裁和地址译码。地址译码部分通过存储器映射机制完成,每一个从设备都有一个属于它自己的存储器映射地址。这样,通过总线上的地址就可以很容易地确定所需要选择的从设备。Initiator Wrapper的作用则是把接收到的外部VCI信号转换成为能够在CLB总线上进行传输的CLB总线信号。这就涉及到不同协议之间信号时序的转换与匹配的问题。对此,本文采用以下策略:(1)对于协议两侧功能相同、时序上无差别的信号,将其直连;(2)对于协议两侧功能有对应关系、时序上无差别的信号,采取组合逻辑的方法进行转换;(3)对于协议两侧功能上有对应关系而时序上又有一定差别的信号,采用有限状态机的方法对其进行时序的转换;(4)对于协议两侧无对应关系的信号,对其进行舍去或者悬空处理[6]。

在进行协议转换时,如果采用同一时钟进行转换,会导致CLB总线上信号时序与实际的时序有较大的差异。为了保证系统模型时序的周期精确,本文采用多时钟技术,将系统时钟和控制总线的时钟分离,并采用一个四倍于系统时钟的虚拟时钟来控制总线状态的转换。这样,可以使有限状态机能够有充足的时间进行协议的转换,也能保证时序的周期精确。

在进行信号转换时,有限状态机由transition()和genMealy()两个方法来描述。其中transition()方法根据状态机中寄存器的当前值和从输入端口得到的值来计算寄存器下一时刻的值,并可用来控制状态机的状态转换;而genMealy()方法则根据状态机内部寄存器的值和输入端口的输入值来计算输出端口的输出信号的值,并可用来产生状态机的输出。同样Target Wrapper也可以采用相同的策略来实现。

2 仿真验证平台的设计

在完成了对CLB的事务级建模后,将对其进行仿真和验证。本文采用的验证环境为SoCLib平台。SoCLib平台是一个由法国TIMA Lab、Lip6等研究机构与STMicroelectronics等知名企业联合开发、用于多核SoC系统架构设计的开放式ESL建模仿真平台。

本文所建立的基于SoCLib的仿真验证平台如图3所示。其中,CLB/VCI和BCU组成整个SoC的片上总线,它带有标准的VCI接口协议的封装,负责整个SoC的通信工作;C*Core ISS是C*Core的指令集仿真器,用来执行编译好的C*Core的程序代码;RAM是整个SoC的片上存储器,用来存储编译好的程序;TTY是一个虚拟的可视化终端,可用它来观察程序运行的结果;TIMER则是一个定时器,用来记录程序运行的时间,便于性能分析。所有这些模块均带有标准的VCI接口协议的封装。

系统在运行时,首先将编译好的程序代码加载到RAM中,通过总线将RAM中的指令传输到C*Core ISS仿真器,最后,C*Core ISS通过总线将运算结果输出到TTY上,同时,TIMER完成程序运行时间的计时工作。

3 结果分析

利用搭建好的SoCLib平台,对所建立的CLB模型进行了大量仿真和测试,其结果表明CLB模型的功能完全正确。为了验证所建立模型与实际波形在时序周期上是否精确,可在顶层配置文件加入产生波形文件的语句,并用这些语句将仿真信息输出到一个扩展名为.vcd的文件中。最后,利用Debussy将SoCLib仿真产生的波形文件与国芯公司提供的CLB的RTL级的仿真平台NCVerilog产生的波形文件进行比较。其仿真波形对比如图4所示。

从图中可以看出,在第一个时钟周期的上升沿,处理器核将所有访问的地址(0x80001234)及所要进行的操作(读/写)置于总线上,并在第二个时钟周期到所需要的数据(0x12345678)。而在SoCLib平台上,由于采用了多时钟的方法控制CLB的传输状态的转换,因此能够做到周期精确。此外,两个平台上运行相同的国芯公司提供的测试程序所用的时间如表1所示。

从表中可以看出,由于在SoCLib平台上事务级总线每次的读、写均是以事务进行,NCVerilog平台上的总线则是按位进行的,因此SoCLib平台的仿真速度要比NCVerilog平台的仿真速度快很多。

与寄存器传输级(RTL)模型相比,CLB总线事务级模型(TLM)是在更高的抽象层次对系统硬件进行建模,相比RTL模型更容易开发,在设计初期就可得到系统的硬件模型,并且事务级平台的仿真速度要比RTL级快很多,因此该模型非常适合于架构和性能分析及早期的软硬件协同设计和验证。另外,对CLB进行标准的VCI协议的封装,提高了CLB模块的复用性,也可以为SoCLib提供一种新的片上总线的模型;同时,此次建模也是首次对国内具有自主知识产权CPU的片上总线CLB的事务级建模,对推动我国自主CPU的发展和使用具有重要的意义。

参考文献

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3《系统建模与仿真》教学大纲 篇5

制定依据：本大纲根据2014版本科人才培养方案制定 课程编号：J6312614 学 时 数：32 学 分 数：2.0 适用专业：工业工程 先修课程：概率统计 考核方式：考试

一、课程的性质和任务

系统建模与仿真这门课，是工业工程专业的一门必修专业课。它是以制造型和服务型企业为研究对象，主要介绍了离散事件建模与仿真方法，及其在生产物流企业分析中的应用原理和方法，全书最后介绍了flexsim离散事件仿真软件及应用。本门课旨在使学生面对生产系统时，能够运用计算机仿真技术来研究系统性质，并进行改进，以提高生产能力和生产效率。

二、教学内容与要求（小四号宋体加粗）

理论教学（32学时）

1、概论（3学时）

（1）仿真技术的产生与发展；（了解）

（2）仿真软件和仿真建模方法学的发展；系统建模与仿真的发展趋势；（理解）（3）计算机仿真在生产物流中的应用。（掌握）

2、系统仿真（3学时）

（1）系统和生产系统的概念及其组成；（了解）（2）系统的各种分类方法；（理解）

（3）系统模型和系统仿真的概念及系统仿真的若干术语。（掌握）

3、离散事件系统仿真（2学时）

（1）了解：与系统仿真有关的一些基本概念；（2）理解：事件调度法、活动扫描法、进程交互法；（3）掌握：离散事件系统仿真的一般步骤；

4、生产系统典型事件（4学时）

（1）传统生产系统的定义和结构；（了解）（2）现代生产系统结构及构成要素；（理解）

（3）几种排队系统的分析；排队系统的仿真方法。（掌握）

5、物流系统典型事件（4学时）（1）了解：物流的基本概念、职能；（2）理解：配送中心规划；（3）掌握：供应链结构基本要求有。

6、生产物流系统仿真软件和实例应用（12学时）

（1）flexsim软件及其特点；（了解）（2）flexsim软件窗口；（理解）

（3）运用flexsim建立模型以及仿真分析。（掌握）

三、考核要求

理论课采取闭卷考试，其中考试成绩占70%，平时作业和课堂考勤占30%。

四、参考教材及其它参考资料

1、参考教材：

《生产物流系统建模与仿真》，王亚超，马汉武主编.科学出版社，2006年。

2、其它参考资料：

[1]《制造系统建模与仿真》，苏春主编，机械工业出版社，2008年。[2]《系统建模与仿真》，吴重光主编，清华大学出版社，2008年。

建模与仿真平台 篇6

整体动力学一直是结构动力学分析领域的焦点，例如扭振和弯曲振动，包括扭振减振器（TVD）和飞轮布置，以及（液力）轴承分析。概念设计、关于整体尺寸及重量的结构和动力学改进等领域也是重点，为此，Achates动力（有限）公司（以下简称Achates）正在开发一个重量轻、低排放、低油耗的二冲程、对动活塞柴油发动机，将其设计成为一个名为A40的模块化、可扩展的机械装置。Achates利用最为先进的分析工具和方法，使建模与仿真成为实现该项目的重中之重。

Achates利用了一种混合的方法，从而将多体仿真（MBS）和有限元分析（FEA）的优势有机结合了起来，主要内容包括以下几个方面：

（1）发动机缸体支撑结构灵敏度对于轴承负载的影响：

由于在往复质量块的相对运动期间力被部分抵消，因此与峰值气缸压力相比，A40对动活塞发动机具有相对较小的主轴承负载。这使得在保持轴承具有足够支撑的同时，大量优化支撑结构的重量。

（2）缓解齿轮共振

该机械装置的两个曲轴由一套齿轮进行正时。在测试期间，运转速度范围内检测出齿轮共振，导致了相邻主轴承负载的大幅增加。通过对灵敏度的研究，找到了解决运转速度范围内共振的最佳解决方案。

对动活塞柴油发动机

与目前市场上的传统发动机相比，对动活塞柴油发动机具有热力学方面的优势（气缸盖内部无热损失），其更低摩擦（无气门结构，活塞侧低负载），也具备大规模提高燃油效率的潜力。由于在保持传统的制造方法的同时降低了部件的数量，该发动机的一个最大优势是成本的降低。除了热力学的优势外，因为对动活塞柴油发动机是一种两冲程发动机，具有低引擎机制复杂性的优势，与传统的发动机结构相比，自然重量更轻。为了在保持充分耐久性的同时进一步减轻重量，需要使用先进的分析方法，将多体仿真（MBS）、有限元分析（FEA）、优化和疲劳分析有机结合起来。

基于Adams的FEVEngine已经当作所选的多体模拟软件，与部件模态综合（FEA软件）结合使用，从而降低核心结合组件的自由度，例如保持几乎完整结构信息的曲轴和发动机缸体。该方法能够以合理的运行时间，在保持完全组件交互的同时大范围探究运行状况。

不同层次的细化建模

对动活塞式发动机中，置于同一气缸的两个相对的活塞在上止点走到一起，发生燃烧后反方向移动。

对动活塞A40发动机架构采用了创新的机制推动活塞。每个气缸之中的两个活塞通过六个连杆与两个曲轴连接，从而创建了一个纯粹的轴向活塞运动，在理想状态下不存在活塞侧向力。连杆具有张力，致使主轴承的反作用力输送至缸体而不是轴承盖。此外，A40对动活塞的运动类型，使得燃烧力部分取消。以上两点使该发动机能够使用一种轻量级的支持结构。两个曲轴通过一个齿轮传动系和一个单独的飞轮相连。安装在从动轴之上。图1为建立在弹性支撑结构上的A40四缸曲柄连杆机构模型以及齿轮传动系的后视图。该机械装置初看可能会显得十分复杂，但是实际上，它的组成部件数量仅为传统发动机一半。

本研究中的论证结果将重点用于四缸Achates动力A40发动机。

利用不同层次的细化建模，曲柄连杆机构从一个纯粹具有刚性组件和约束轴承的运动组件模型变为一个由液力轴承支撑的全柔性体模型。可以方便地通过柔性部件替换任意刚性部件，从而提高分析的准确性。

该软件结合了具有发动机组件库的通用开放体系MBS代码的各种优势，针对如连杆、活塞和其他大量发动机具体组件提供了“按键式”的执行方式。因此，Adams能够充分支持这种多曲轴、单气缸内多个连杆机构的需求。

正时齿轮模块已被用于包括齿轮接触和间隙在内的齿轮传动系动力学建模，因此能够在该机构内进行完整的组件交互。齿轮刚度和冷却间隙已经实验确定，并作为提供值输入模型之中。基于齿轮的啮合点、材料组合和温度，已经得出运行温度条件下的间隙。间隙和啮合的错误可能会导致整个机械装置出现严重的冲击激励，因此准确地模拟这些参数是非常关键的。

MBS与有限元分析相结合

Achates选定了一种MBS和有限元分析相结合方法作为A40机械装置结构动力学分析的方法。该方法的第一步，是基于克雷格一班普顿方法确定曲轴和缸体的模态中性文件（MNF）。该方法允许选择自由度（DOFs）的子集，该子集在模态缩减过程中受到保护，在MBS模型中被用作外连接节点。如在轴承安装位置定义这种自由度（DOFs），就能够在各种发动机运行条件下方便地监测轴承变形。

模态缩减后的好处是大大减少了自由度（DOFs）的数量，同时保持了近乎完整的连同模态应力在内的模态信息（惯量和刚度张量）。

第二步是将组件MNFs导入到ADAMS模型，以实现本机械装置结构刚度的最佳可能表示法。第三步牵涉边界条件设置，如爆压曲线、油粘度和温度，这一步骤在Adams中可以很容易地完成。最后，运行MBS分析，以分析发动机动态过程中的各个方面：扭振和弯曲振动、扭振减器（TVD）的效果和飞轮布置，以及针对轴承的分析。在本方案中，确定结构和动力学改进范围被作为特别强调的重点，因为这样才能整体上缩减尺寸和重量。Achates将该混合的方法使用在开发的各个阶段，包括灵敏度研究和根原分析。该方法在组件优化和耐久性分析领域得到不断地改进和完善。此外，叠加模态应力和模态参与因子，进行模态应力恢复，并作为后续疲劳分析的基础。

支撑结构灵敏度

在A40装置中，通过排气和进气连杆各自阶段产生端口正时。两个相对旋转的曲轴具有相同的对称性和相位。因此，燃烧的力量可部分取消。正如前面所提到的，对动架构使主轴承的力作用在缸体或曲轴箱上，而不是主轴承盖上。这两种作用能够帮助Achates实现一种相对于PCP的轻量级支撑结构。

早在测试中就明显得出，该结构重量降低的极限将取决于其支撑曲轴能力。曲轴的扭转和弯曲变形是耐久性、噪声和振动平顺性（NVH）的首要表征。分析以刚性缸体结构开始，随后由柔性体代替。增加了缸体细化的完全耦合分析曲轴弯曲结果，如图2所示。

正如所料，缸体表述方法对曲轴扭转行为（未显示）几乎没有任何影响。然而，曲轴弯曲的影响却十分显著。对于刚性缸体，可以观察到伴随每分钟3000转转速下的共振的明显的第四阶激励。相比较而言，柔性缸体的响应显示了所有频率切换过程中的从第一阶到第四阶激励。尽管曲轴弯曲幅度满足Achates的要求，更强的缸体刚性能够进一步降低曲轴弯曲度。因此，为验证这种改进，缸体的刚度被人为地增加了20％（见图2）。

除了研究缸体刚性影响之外，该方法还能用于指导保持重量下降同时，局部刚性提高的设计。

减缓齿轮共振

在早期的A40四缸机构测试阶段，就观察到了齿轮传动噪声／共振现象。虽然这个特殊的发动机只装有两个应变传感器，但是所测量的齿轮传动共振已由Adams虚拟发动机模型定性重现。其结果如图3所示。

ADAMS模型随后用于执行大规模的参数研究，从而找到所观察到齿轮共振问题的根源和解决方案。在大量关于如何降低的齿轮共振的构想中，只选择一些结果在此进行讨论。将可能的解决方案分为三类：

·对机构设计没有影响，或具有次要影响；

·对机构设计有中等影响；

·对机构设计有主要影响。

第一类解决方案其中包括：减少齿轮间隙和飞轮转动惯量。从公差和可加工性角度来看，间隙可以减少到目前设计间隙的40％，所带来的轴承负载仅仅降低了20％，这是远远不够的。飞轮惯量降低至其初始值的50％，或者完全将飞轮移除（零惯量），如果对共振特性有影响的话，其影响也微乎其微。有趣的是，动力学研究表明，发动机完全能够在无飞轮状态下运行，这能够减少13.7kg的发动机总重量。

在第二类中，有两个解决方案涉及结构变化，看似较有前途：将取力器移至曲轴或螺旋齿轮。前一种方法在结合TVD和飞轮惯量协调时显示出最佳的效果。该解决方案一直运行在设计层面，并未制造出相关硬件。此外，由于在任何给定负载状态下，存在的齿轮分离系数，以及对NVH效果的考虑，选择螺旋装齿轮作为首选解决方案。

第三类解决方案涉及重大的全新设计并对发动机总成产生冲击。例如，输出轴上的一个单独的飞轮可能被每个曲轴上设置的一个飞轮所取代，用两个大型齿轮取代四个齿轮，或者将TVDs移至曲轴后端。尽管上述修改都具有一定的前途，重新设计工作最好纳入到未来的发动机设计之中。

图4中每个图表显示了在每分钟1500转共振速度下的时域数据。

为了考虑次要的速度切换，针对每一情况都运行了完全的速度扫描。图5显示了当共振转换超出当前每分钟2800转的速度限制时速度扫描的结果，。

应对可行性挑战

经过其他相关研究工作，通过一种曲轴角度编码器测量出了曲轴前端的速度波动。实际测试与仿真模拟的对比结果如图6所示。

图6显示了两种速度。一种速度低于齿轮的共振速度，而另一种高于发动机的速度范围（也可见于图5顶部）。除了第四阶贡献略微超预期外，在每分钟1200转的仿真模拟与实际测试对比值已经非常完美。另外，在每分钟2800转时，频率与时间的相关性也非常好。

日益苛刻的排放和油耗标准不仅仅对性能预测是一种挑战，同时对发动机开发过程中的结构动力学领域也是一种挑战。

本案例研究概述了一个评估发动机体系结构可行性的合适方法。此外，以对Achates公司的A40结构提供支持为例，证明了在支撑结构改进、根源和解决方案分析方面的潜力。仿真结果表明了确定一个柔性支撑结构的各种影响，整合曲柄连杆机构和齿轮传动系动力学是十分重要的。

使用选定的方法能够评估在特定发动机工作条件下支撑结构和齿轮相互作用产生的影响，该方法也能够用于明晰基于分析结果的设计建议。

最为重要的是，分析证实了Achates的A40机构及其改变的结构完整性和设计合理性。

建模与仿真平台 篇7

关键词：软件过程；系统动力学；建模；仿真

引言

如今软件所扮演的角色越来越重要，而与此同时也伴随着相关的许多问题：如费用超支、进度延期、质量低下等。这迫使人们对软件开发的关注点从软件设计开发的技术方面过渡到对技术和管理两方面并重。软件过程已经成为软件工程学中一个研究热点。研究表明软件工程的两大目标：减少费用和提高软件质量，都在很大程度上取决于软件过程的质量。

在现实开发中，软件系统的复杂性通常有着各种形式，主要表现为：系统不确定性和随机性、复杂的动态行为和反馈机制。过程的变更通常耗费巨大，而且后果对软件开发组织的影响很大。因此，采用一些合适的方法和技术来辅助用户尤为重要。软件过程建模和仿真就是其中一种比较合适的方案。软件建模有着多种方法，目前比较常用的是类似于工作流系统的针对软件开发过程分阶段进行的离散性建模方法。这种方法有其优点，但难以表达例如开发人员的经验、项目进度带来的压力、连续加班的疲劳程度等一直变化着的因素，以及这些相互关联的因素之间的因果关系和反馈回路对软件开发结果的影响。例如，项目进度的落后会增加开发人员的压力，激励他们提高生产率，项目组可能会选择加班以希望赶上进度。高压力下的加班一般会提高单位时间内的产量，但同时也会增加人员的疲劳程度，这样很有可能增加出错率，最终导致质量保证工作和返工的增加，并且当疲劳程度到达一定时候将降低生产率，最终很有可能赶不上进度。软件开发中这些经常被忽略的软因素对项目的成败有着重要影响，系统动力学作为一种连续性建模方法，能很好地解决这些问题。

1软件过程建模与仿真

软件过程可以被定义为“针对构思、开发、部署和维护软件产品的一系列相关的政策、组织结构、技术、程序和工件”。软件开发过程是一个复杂的动态系统，有着巨大的结构复杂度和规模。这些复杂性促成了系统的一些违背直觉的行为，使得系统行为难以靠人的经验来精确评价。这些系统有一些共同特性，比如有多个相互关联的组件构成，表现出复杂的动态行为和反馈回路，组件间的非线性关系和软数据操作。

软件开发涉及到管理相关的(如：人力资源，预算，调度，计划和控制等)和生产相关的(如：软件设计、编码、测试、验证和确认等)众多因素，比如：劳动力量，预算，项目完成成绩，人员生产率，产生的错误数，检测到的错误数，可供雇佣的劳动力数量等。这些变量相互影响，形成互动和反馈循环。软件过程建模是经常采用的一种基本手段。模型是现实世界或者概念化的复杂系统的一种抽象，通过减少或者去除不影响相关行为的细节，它设用来展示实际系统的主要特性。结合过程模型，应用计算机仿真技术来进行软件过程研究有着如下优势：

(1)大多数复杂的、现实世界的系统都存在众多关系复杂的元素，难以光靠一个不能运行的模型来表达并用以进行分析。而仿真是一种可行的研究方法。

(2)仿真允许研究者去估计实际系统在一些假设的操作环境下的性能。

(3)能够通过仿真对多种候选方法进行对比，以决定哪种能更好地符合需求。

(4)在仿真中，研究人员能够比真实试验更好地控制实验条件。

(5)仿真允许研究人员以较短的时间去研究一个现实中需要很长时间来完成的事情。

基于建模的目标不同，应该根据各种建模方法的特点来采用不同的建模技术进行软件过程研究。有时候根据建模需求并不需要关注每一个实体的每一个属性，而是要能够简单清晰地观察某些因素对系统层次上的影响，辅助管理者在整体层面上对项目做出决策。例如，连续型仿真建模方法就适合于策略分析、初始估算、长期趋势、高层(全局)视角观测。系统动力学就是一种典型的连续型建模方法。

2系统动力学方法及其应用实例

2．1系统动力学方法

系统动力学方法由MIT的Forrester开发，是一种针对强调系统模型结构特性的复杂问题解决之道。系统动力学主要依赖两种技术来构建模型：一是因果循环图(causal loop diagram)，通过原因和结果关系来概念化系统，使得反馈回路得以显现。二是流图(now diagram)，采用流(flow)、流率(flow rate)、存量(stock)、水平(Ievel)、辅助变量(auxiliary)，常量(constant)和延迟(delay)等来表达系统。存量表示可以随着时间累计或者消耗的元素；水平表示存量在某个给定时间点上的元素数量；流率描述存量的变化。系统动力学是采用连续的时间模拟方法，在模拟中，时间被划分成预先设定好的时间间隔。模型变量在每个时间间隔的结束时计算，随着时间调整它们的行为。例如，在软件项目中，经验被认为是影响生产率的一个重要因素，经验水平值随着项目进展不断提高，同时，疲劳程度、进度压力将影响到生产率，但可能会起反作用，系统动力学方法连续模拟这些变量的相互作用，进行生产率的动态估算。

2．2应用实例：Brooks法则

在软件工程领域，有一个著名的Brooks法则，即在进度落后的项目中雇用新手加入以希望赶上进度，结果使得项目进度更加落后。下面我们将通过系统动力学模型和仿真来研究增加人手对生产率、总人月数和项目持续时间的影响。

建模首先要对问题域了解清楚，找出系统中的主要组成和因果结构关系。图1是因果关系图。一旦项目经理发现项目进度落后，积压增加，就开始招聘新员工，增加员工数量。员工数量的增加带来的直接影响是提高生产率以及通信和培训的代价，而通信和培训的代价的增加又会直接导致生产率的降低。生产率的提高会加大进度，减少项目积压。通过图1的因果关系图的分析，我们会发现众多元素形成一个反馈循环，增加员工对生产率的影响既有积极的也有消极的影响，因此难以直接通过定性分析来得出结论，结果如何还需要通过仿真的定量数据来说明。

图2是采用系统动力学建模仿真工具PowerSim建立的Brooks法则的系统动力学模型。需求会逐步被开发成产品，所以随着时间流逝，需求将减少而已经开发的软件数量不断增加。在本模型中，软件生产效率由多个因素共同决定，其中包括标准生产效率、通信损耗和开发人员的数量。开发人员的总数=新人员数量+有经验人员数量一负责培训新人员的有经验人员数量。通讯损耗为总人数的一个非线性函数，这里采用Abdel-Hamid模型中的数据(0.6*人数n的平方)。另外还假定一个有经验

人员可以培训4个新员工，training overhead取值为25％。Assimilation delay表示—个新员工培训为能胜任工作的有经验人员的平均时间为20天。标准生产效率(Nominal productivity)为1，表示每把一个需求任务转化为软件产品需要1个标准化人天。在本模型中，新员工的生产效率为标准生产效率的0.8倍，而有经验员工的生产效率为标准生产效率的1.2倍。

在我们的仿真运行中，设定初始条件为20个有经验员工去开发5000个需求任务的项目，结果显示为图3、图4中的reference曲线。总时间需要278天，总共耗费5500人天，生产效率为一条平行直线，值为18.24任务／天。

假设项目经理在开发过程中想加快项目进度，在100天的时候开始增加10名新的开发人员，仿真结果显示为图3、图4中的current曲线。总时间反而需要299天，总共耗费7870人天，平均生产效率曲线在100天时有个显著下降，然后再逐步上升，最后在为16.56任务／天时达到稳定。从结果对比中我们不难看出由于急剧增加的通讯损耗和培训新员工而占用有经验员工的正常开发时间，导致生产效率的下降。结果是项目进度并没有提前，而开发费用却急剧增加了。

图3和图4只是显示了模型仿真运行的某一个场景，反映了在某些情况下Brooks法则的正确性。事实上我们还可以通过调整增加人员的数量和进入时间来预测其他场景下的项目开发结果，从而选择相对较优的一个。比如，如果在100天的时候增加5个人，总时间能稍微较少一点，需要275天，但共耗费需要6295人天。

上面描述的Brooks法则模型只是一个经过简化的模型，但还是能够比较好地说明增加新开发人员对项目的影响。更符合实际软件开发过程的模型还需要进一步细化。例如，新人员开发出来的产品其缺陷率往往比有经验人员开发出来的要高，这样将增加项目返工的工作量。当然还有如前面提到过的进度压力、质量保证手段等其他因素的影响。

3基于系统动力学的软件过程相关模型

3．1 AbdeI-Hamid模型

Abdel-Hamid模型是把系统动力学运用到软件工程领域的第一个系统比较完备的模型，它的目标是研究项目管理政策和活动在软件开发中的作用。Abdel-Hamid模型被划分为4个主要子系统，包括人力资源管理、软件生产、项目计划和控制。人力资源子系统针对软件开发人员，其管理内容包括人员雇佣、解雇、人员流动以及培训。软件生产子系统为不同的开发活动分配可用的开发人员，比如培训、设计、编码、测试、返工和质量保证。该子系统还处理团队动机、开发人员疲劳程度、生产率消耗因素，比如通信和返工等。软件控制子系统测量软件生产活动，描述针对这些测量的管理措施。该子系统控制加班时间，进度压力和资金耗费等。软件计划子系统提供软件项目的初始化参数值，比如项目规模、初始团队规模、预期结束时间等。该子系统同样控制着高层管理人员对雇佣新员工的意愿等。

通过对模型仿真运行结果的研究，Abdel-Hamid等人在项目花费、进度估算、质量保证的经济性质，和项目人员管理等方面得出了很多有趣的结论，例如：

(1)在软件项目估算中更精确的估算，结果不一定会更好，因为不论原始估算进度如何，进度总是趋向于超过预计的。

(2)采用类比的方法来进行软件估算通常使得进度比本来所需要的要长。

(3)坚持过紧的进度会因劳动力的原因而增加费用。

3．2软件过程领域中的其他应用模型

基于系统动力学的建模和仿真已经被成功应用到很多领域，但在软件工程领域还没有得到广泛应用。其主要原因为相对物理系统来说，人和组织行为更难以精确建模，本节将从不同的应用方向介绍相关研究。

项目管理项目估算是软件开发管理的一个必须的环节，而且估算对项目的开展有着重要影响。基于系统动力学的项目管理由于考虑到了过程的动态性，通常能够比一般基于统计历史数据的估算模型要更精确合理。Dynamic COCOMO就是在COCOMO模型的基础上提出的结合系统动力学的估算模型。在项目进度控制方面，结合系统动力学的模型能够更好地考虑到任务之间的相关性、有限的资源和可能的返工循环带来的延迟，因此比传统的项目管理方法更能反映现状。

教育培训由于组织系统中的各种因素之间存在复杂的关联，经常会遇到一些违背直觉的现象。遇到问题如果只是简单地采取一些应对手段通常并不能取得预期效果，Brooks法则就是一个很好的例子。一般的教育方法很难说清问题本质原因，而利用仿真模型则可以进行有效的阐明。基于系统动力学仿真模型的教育培训还能使相关人员参与到仿真的软件开发活动中，去分析深层次原因。通过更改和设置不同参数，如雇佣率等来研究不同方法的结果，增强决策支持的能力。另外借助模型还能实现分布式培训，增强凝聚力和培训效果，节约费用。

风险管理项目通常会因为需求变更、人员变动、资金削减等原因而显得很脆弱。基于系统动力学的仿真有助于在项目早期识别风险，通过定量的预测决策变化带来的后果，能够帮助设计出更客观、低风险的策略。

过程改进在传统方法中，改变或者新增一个过程主要由操作经验决定。这种方式通常费用很高而且风险很大。建模仿真可以在一定程度上预见一个过程的运行状态。这种洞察力能够帮助过程设计者评估候选方案。这种基于数据的客观方法通常比主观评价方法更具有说服力。

开发方法系统动力学仿真建模还被运用到辅助验证新的开发方法论的有效性中。比如为极限编程Xp的开发过程建模，被用来研究采用Xp方法时需求变更带来的费用变化。

4结束语

软件开发是一个复杂的过程，采用系统动力学方法来对软件过程进行建模能很好地描述各个组成要素问的动态关联，尤其是对传统建模方法难以精确描述的软性因素，它以一种连续的方式从定性和定量两个方面对软件过程进行建模和仿真。因此系统动力学对软件过程的多个领域都能提供有效的策略支持。但该方法还不够成熟，在以下各方面还需要做进一步的研究。 工业数据分析与模型验证。建模和仿真的有效性主要取决于模型的有效性。组织模型需要处理人和其他难以量化的问题；不仅收集数据困难，而且这些数据的重现性也难以得到保证；模型只是现实世界的一种简化，因此它不可能完全和实际情况相一致。对已有工业数据进行分析，来验证模型是一个值得关注的课题。