第6章 模拟方法的集成模式

第6章 模拟方法的集成模式

如前所述，离散事件模拟针对的是排队现象。连续模拟主要指系统动力学方法，用于分析拥有反馈回路现象的管理系统行为。多Agent模拟针对的是“涌现”现象，即系统底层要素之间的关系简单，但造成系统宏观行为复杂。当管理系统中存在大量模糊性、不完备性甚至是歧义信息时，则由定性模拟来处理。

现实中的管理系统对象，多半会同时存在上述两种或两种以上现象的，那么，采用的模拟方法也会相应地是多种模拟方法的集成。为了研究模拟方法之间的集成原理，我们先要分析各类模拟方法的本质特征。

6.1 本质特征分析

6.1.1 离散事件模拟

离散事件模拟是计算机模拟方法中最为成熟的方法之一，有自己的理论基础：概率论与数理统计，且早已形成了一套完整的方法体系，它是专门针对管理系统中的排队现象的。

管理系统中的排队现象，虽然可以采用数学规划模型描述，但由于模型的难解性，我们往往无法直接求得解析解，比如单件车间生产作业计划的编制，离散模拟方法就可以解决此类问题。

离散事件模拟方法是采用局部建模思路来解决这类问题的，其特征体现了“局部”两个字，比如编制生产作业计划，既然从整体上建模这么复杂，那么就只从“局部”来解决问题。

1）“局部”特征

（1）资源的局部规则：如每台机床一旦加工完某类工件的某道工序后，只按照优先调度规则（如FIFO、EDD等）从队列中选择下一个要加工的工件，见图6.1。

按优先调度规则选择下一个实体资源图6.1 排队系统的离散事件模拟

（2）事件的局部规则。事件列表总是存放最近要发生的几个事件，即在每个模拟时间

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点，系统总是只安排下次要发生的几个事件（如到达事件、离去事件），而不是事先就把所有将要发生的事件安排出来。见图6.2a。

（3）时钟的局部规则。模拟时钟的推进机制有两种：事件推动和固定步长。事件推动即只将模拟时钟推移到离当前时钟最近的一个事件时间。见图6.2b。

事件列表Ei，Ej，... 图6.2a 事件列表

EiEj0TnowtitjTTnow推移到此处

图6.2b 模拟时钟的推移

从上面的特征可看出，离散事件模拟建模只关注局部，与数学规划模型的整体建模不同。

2）抽样特征

虽然对排队系统的模拟，就是执行上述局部规则，但是在执行以前，必须先要知道实体的确切到达时间、实体的每道工序要占用资源的确切时间。

在实际排队系统中，实体的到达间隔时间、实体占用资源的处理时间是不确定性的，都在一定的范围内波动。如果要推演局部规则，那么就必须先从波动范围中确定出一个值来。一般都将波动范围视为某种概率分布，从波动范围中确定一个值，这就是抽样，即将到达间隔时间、处理时间按照各自服从的分布函数，进行抽样取值。

由此可见，离散事件模拟方法的一项重要工作，就是要将变量的不确定性的波动范围缩小到一个确定的点，我们可将该工作形象地称为“聚焦”。因此，离散事件模拟方法的原理可总结为：“聚焦”+“局部规则”，如图6.3所示。

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...........实体占用资源的时间的波动范围到达间隔时间的波动范围[抽样实体占用资源的时间输入]...........输入抽样实体的到达时间离散型模拟模型运行（即各局部规则的运用）[]聚焦处理 图6.3 离散事件模拟方法的原理的示意图

3）运行特征

离散事件模拟的核心方法是事件表的运用。事件表中按时间顺序存放着事件元素，事件元素的属性为事件类型和事件时间，如图6.4所示。模拟的运行，就是不断地从事件表中取出离当前模拟时钟最近的事件元素，进行处理，同时不断产生新的元素，补充到事件表中。

Ej(事件类型,事件时间)，...Ei(事件类型,事件时间)，

图6.4 事件表

事件表带动了离散事件模拟所有其他方法的运行，这些方法包括各类事件处理程序、随机变量生成函数、实体或资源的选择规则、模拟时钟推移机制等。除此以外，离散事件模拟方法体系中还包括模拟模型的验证和确认、模拟实验方案的设计和优化、模拟结果的统计分析等，当然，这些是任何计算机模拟方法都必须具有的。因此，离散事件模拟方法的主要部件及结构如图6.5所示。

随机变量生成模拟时钟推移事件处理...事件表图6.5 离散事件模拟方法

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4）局限分析

排队现象虽然是管理系统中的常见现象，但是这种现象往往出现在管理系统的底层，如生产作业计划、库存控制、物流优化等，都属于企业管理领域的执行层。由此可见离散事件模拟方法局限于比较规范化的工业工程优化问题。

在管理系统的中层、决策层，还有大量的复杂现象及决策问题，这需要其他的模拟方法来研究和解决。

6.1.2 系统动力学方法

系统动力学也是计算机模拟方法中最为成熟的方法之一，有自己的理论基础：控制论，也早已形成了一套完整的方法体系。其特点如下： 1）特征分析

系统动力学方法的特点是从上到下建模，即先要把握系统整体的边界和结构，再来建立定量模型。具体做法是先用因果关系图描述系统要素之间的关系、以及与外部环境的关系，要素之间的关系形成了多个正负反馈回路，这些正负反馈回路就确定了系统的边界，对回路有刺激的外部干扰就形成外部环境。

在系统的边界和总体架构确定后，再用以常微分方程（或差分方程）为主的数学模型，描述要素之间的正负反馈关系。建模者通过反复增减方程数量、调整方程的参数，最终完成建模。

从上述过程可以看出，系统动力学方法的特征包含两个方面：从上到下建模特征、定量定性相结合特征。

模拟运行则以固定步长法的模拟时钟推移机制，带动整个数学模型的运算。因此，系统动力学方法的主要部件及结构如图6.6所示。

反馈回路图微分或差分方程组：方程的类型、数量、参数模拟时钟推移图6.6 系统动力学方法

2）问题分析

由于管理系统组成要素及关系的复杂，一开始就把握系统的总体，难度大，对建模者的水平和经验要求很高。

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