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第九章 系统模拟 系统模拟（System Simulation）方法，又称为系统仿真，无论在科学研究、工业管理、交通运输还是国防建设等诸多领域，都有着无可替代的广泛应用。特别是有了计算机这一运算工具以后，人们对于许多难以建立数学解析模型的复杂问题，更是求助于计算机模拟，作为一种有效的实验手段对系统进行研究和控制管理。因此，有人称之为“没有办法的办法”。 　基本概念 一、定义和目的 一般来说，模拟就是对系统的模型进行实验的一种方法，或者说，模拟是对现时系统或假设系统的模型进行的一种试验。 模拟的思想方法在古代就有，如象棋就是对两军作战的模拟；传说中东汉时期的曹冲称象等。在我们生活的周围也有许多模拟的例子，如地球仪是对地球的模拟；建筑模型是对建筑物的模拟。在工程技术领域，如岩体力学中的光学材料弹性试验；爆破工程中的相似性模型；航空实验室中的风洞实验等。这些都是对实物的一种形象化的模拟。 实际上，模拟的对象和手段不仅限于实物，许多抽象的、复杂的系统，例如社会、经济、生态或一个企业或部门的管理系统，就必须用抽象化的模型去模拟。而这些离开计算机的使用是不可能完成的。 系统模拟是用来描述或评价系统行为，验证系统模型或预测系统性能的一种有力工具。在建立系统模型和进行系统分析的过程中，对系统进行模拟研究往往是关键的步骤之一。在现实世界中，有不少系统不能用数学解析式来描述，这时候，系统模拟就成为解决问题的重要方法了，因此，系统模拟技术也就成了运筹学的一个重要分支。 模拟的目的大体上有以下几个方面： 1. 在建立一个真实系统之前，必须对该系统的行为和性能作出预测和评价，尤其是对于大规模的复杂系统更是如此。否则，系统一旦建立，如达不到预期的目标，所造成的损失可能是巨大的，因此，系统模拟往往作为可行性研究中的一种手段。 2. 在建立真实系统前，或者系统已经建立，模拟的目的通常是用于各备选方案的比较，从而使设计更加合理，对现有系统进一步改进，使组织管理工作更加完善。例如，矿山设计阶段，对生产运营过程的计算机模拟可为设备的选择及运输线路方案的确定提供依据；城市地铁设计或改造阶段，对线路最大通过能力和运输量的计算机模拟为设计方案的比较提供了依据。 3. 其次模拟还可以用于培训有关人员，这样省时省钱，可避免一些不必要的损失。例如，对司机，值班员，调度人员的模拟训练等。 二、模拟的分类 系统模拟根据模型的性质、或是否使用计算机、系统结构等可划分成不同的类型（图9-1）。 按是否使用计算机来划分，不用计算机的称为物理模拟，使用计算机的称为计算机模拟；按系统类型可分为连续系统模拟和离散系统模拟；按模型中变量的性质可分为确定型模拟和随机型模拟；按模型的特点可分为静态模拟和动态模拟。每一种类型并不是孤立的，而是相互联系的，例如，某一种模拟可以是离散系统动态随机型模拟。 在连续系统中，描述系统的参数能够取规定范围内的任意数值。离散系统仅在可能的参数范围内取特定的数值。一个系统可能是确定型的或随机型的，这要看系统的输入、过程以及输出的特点。当输入确定后，确定型系统的输出也是准确可知的。 图9-1 系统模拟的类型 三、模拟模型 建立模拟模型是进行系统模拟的基础。与前几章学习的数学模型不一样，模拟模型是由大量的要素、法则和逻辑关系所组成的流程图。模拟模型构成的方法特点是，先把系统划分成较小的子系统，然后再把这些子系统按照逻辑关系结合在一起。当然，其中有些子系统也有可能用解析方法构成模型。 1.计算机模拟系统的组成 计算机模拟系统是多种多样的，特别是离散事件系统较为复杂。为了更为方便地进行模拟，首先要把系统抽象化、规范化。计算机模拟系统的主要构成为： （1）实体（Entity） 组成系统的各个元素称为实体，它们是组成系统的基本部分。凡是在系统中活动的部分叫活动实体，例如生产线上待加工的零件，排队系统中的顾客，待装载的车辆等；系统中的另一部分是固定的，叫固定实体，如排队系统中的服务员，运输系统中的装载机、料仓等。固定实体是对活动实体进行加工、处理或服务的。 （2）属性（Attribute） 指实体所具有的特性、状态或参数。每个实体都有若干个属性来描述。例如，汽车是实体，规格、速度、载重量是它的属性；又如装载机、料仓是固定实体，装、卸载速度，方式是它们的属性。 （3）活动（Activity） 表示系统内同一类运动的一段过程或行为。例如，车辆的卸载时间或故障时间等。 （4）事件（Event） 这是离散事件系统的一个重要概念。它与系统活动有关，一般指某一时间点，系统正处于某种活动的开始或结束。例如，设备某一时刻发生故障，这个时刻叫做事故发生事件，也叫正常运行结束事件。 （5）系统状态 指系统在某一