《生产系统建模与仿真》课程教学大纲

（2008年制订）

课程编号：200261

英 文 名：Modeling and Simulation of Operation Systems 

课程类别：专业分类选修课

前 置 课：系统工程

后 置 课：

学    分：2学分

课    时：34课时

主讲教师：周林泉等

选定教材：孙小明：《生产系统建模与仿真》，上海交通大学出版社，2006.1第一版。

课程概述：

以制造型生产企业为核心，阐述了离散事件建模与仿真技术在生产企业分析中的应用原理和方法，旨在使员工对计算机仿真技术在生产系统的研究和分析方法上有一个正确的认识。首先说明了计算机仿真技术在生产系统分析中的作用和原理，然后针对生产系统组成的基本元素进行了建模方法的讨论，接着介绍了仿真输入、输出和系统评价的方法，最后系统地介绍了一个生产系统的仿真和分析实例。全书介绍了Witness离散事件仿真软件。

教学目的：

本课程是工业工程专业员工的专业课，是面向工程实际的应用型课程。员工通过本课程的学习能够初步运用仿真技术来发现生产系统中的关键问题，并通过改进措施的实现，提高生产能力和生产效率。

教学方法：

本课程内容包括课堂理论教学和上机仿真操作两部分组成。理论教学采用黑板板书和多媒体课件相结合的教学方法。通过理论分析和例题讲解，使员工牢固掌握基本概念、基本理论、和基本分析方法。通过上机操作，掌握Witness仿真软件基本的使用方法。总的要求为：

1、 了解生产系统仿真模型的建立思路和仿真步骤；

2、 掌握生产系统建模与仿真所需的数学基础知识；

3、 掌握各类生产系统仿真的程序设计方法；

4、 了解生产系统仿真经过分析方法。

各章教学要求及要点

第一章 概论

课时分配：2课时

教学要求：

对系统、生产系统、系统模型等概念有一个比较清晰的理解。基本要求有：

1、 了解系统和生产系统的概念及其组成；

2、 掌握系统模型和系统仿真的概念及系统仿真的若干术语；

3、 了解系统的各种分类方法；

4、 了解系统建模和仿真的步骤。

教学内容：

第一节 引言

第二节 生产系统建模与仿真的基本概念

一、 系统。

二、 系统模型。

三、 系统仿真。

四、 系统仿真的若干术语。

五、 系统举例。

六、 系统仿真的类型。

七、 连续系统与离散系统的区别。

八、 仿真的应用。

第三节 生产系统仿真模型的建立

第四节 仿真研究的步骤

思考题：

1、 什么是仿真？何时进行仿真？

2、 仿真中是如何定义系统的？其定义与常规的系统有何不同？

3、 仿真的基本分类有哪些？请分别举例说明?

4、 请简述实体、事件、活动、进程、仿真钟的基本概念，并简述它们之间的关联关系。

第二章 生产系统仿真用的概率统计

课时分配：2课时

教学要求：

掌握生产系统仿真用的概率统计的各种方法。基本要求有：

1、 掌握随机变量、离散型随机变量、连续型随机变量、随机变量密度函数和数字特征的概念和计算方法；

2、 掌握均匀的连续分布随机数及其生成方法；

3、 熟悉离散分布随机数和非均匀的连续分布随机数及其产生方法。

教学内容：

第一节 随机变量、概率函数、随机数

一、 确定性活动与随机活动。

二、 离散型随机变量。

三、 连续型随机变量及其密度函数。

四、 随机变量的数字特征电阻的串联。

第二节 均匀的连续分布随机数及其生成

一、 (0，1)均匀分布随机数。

二、 计算机产生随机数的方法。

三、 随机数的统计检验电压源模型。

第三节 各种离散分布随机数的产生

一、 (a，b)均匀的离散分布。

二、 非均匀的离散分布。

第四节 非均匀的连续分布随机数及其产生

一、 反函数法(逆变法)。

二、 舍去法。

思考题：

1、 请从概念上简述随机变量与随机数的差异？

2、 随机数产生的方法有哪些？它们各自的基本原理是什么？

第三章 排队系统的建模与仿真

课时分配：4课时

教学要求：

对排队理论的描述，阐明排队问题描述的特征参数，介绍排队系统建模和仿真的基本方法。基本要求有：

1、 掌握排队论的基本概念；

2、 掌握到达时间间隔和服务时间的分布；

3、 掌握几种排队系统的分析；

4、 掌握排队系统的仿真方法。

教学内容：

第一节 排队论的基本概念

一、 排队系统的组成。

二、 到达模式。

三、 服务机构。

四、 排队规则。

五、 队列的度量。

六、 排队模型的分类。

第二节 到达时间间隔和服务时间的分布

一、 定长分布。

二、 泊松分布。

三、 爱尔朗分布。

四、 一般相互独立随机分布。

五、 一般随机分布。

六、 正态分布。

第三节 排队系统的分析

一、 单服务台M／M／1模型。

二、 多服务台M／M／c模型。

三、 M／M／c和M／M／1模型比较。

第四节 排队系统的仿真

思考题：

1、 在生产系统仿真的数据收集中，对收集的数据都会假设其为平稳的（或各态历经的），为什么？

2、 影响排队系统的主要因素有哪些？

3、 排队的队列形式有哪些，各自有哪些特点？

4、 请简述排队规则？ 

第四章 库存系统建模与仿真

课时分配：4课时

教学要求：

研究库存系统的目的是要比较确定各种订货策略。通过一个简单的例子来说明怎样用仿真方法比较一个库存系统的各种订货策略。基本要求有：

1、 掌握库存系统的基本概念；

2、 掌握库存系统模型的建立方法；

3、 掌握仿真程序的设计方法；

教学内容：

第一节 单一产品的库存系统

第二节 库存系统模型

第三节 仿真程序设计

第四节 仿真的输出和讨论

思考题：

1、 什么是库存系统？它在生产系统运作中的作用是什么？

2、 影响库存系统的因素有哪些？作为库存系统应当如何去控制？  

第五章 加工系统

课时分配：6课时

教学要求：

与排队系统和库存系统不同，加工系统是一个多作业点的复杂系统。基本要求有：

1、 掌握顺序分配法的概念、特点；

2、 掌握链式存储分配的概念、特点和方法；

3、 了解简单加工系统的建模与仿真方法；

4、 了解一般加工系统的建模与仿真方法。

教学内容：

第一节 顺序分配法

第二节 链式存储分配

第三节 简单加工系统建模与仿真

第四节 一般加工系统的建模与仿真

第五节 仿真的输出与讨论

思考题：

1、从仿真的角度看，加工系统的特点是什么？影响生产系统运作的基本因素有哪些？

2、作为生产的作业单元，生产系统模型的基本参数有哪些？ 

第六章 输入数据的分析

课时分配：4课时

教学要求：

“输入数据是仿真实验的动力”，对于一个系统来说，输入数据就决定了仿真的时间进程。基本要求有：

1、掌握数据的收集方法；

2、掌握数据分布的识别方法；

3、掌握参数估计、拟合度检验和相关性分析的方法。

教学内容：

第一节 数据的收集

第二节 分布的识别

一、 直方图。

二、 分布的假设。

第三节 参数估计

一、 样本均值和样本方差。

二、 估计量。

第四节 拟合度检验

第五节 相关性分析

一、 单变量线性回归。

二、 回归显著性检验。

三、 多变量线性回归。

思考题：

1、 为何需要对输入数据进行分析？它需要作哪些主要分析？

2、 输入数据分析的基本步骤有哪些？

3、 输入数据分析过程中需要注意哪些问题？ 

第七章 仿真的输出分析

课时分配：2课时

教学要求：

仿真的输出分析就是仿真模型通过仿真运行所产生的数据并依据一定的分析手段进行分析。基本要求有：

1、 掌握性能测度及其估计的概念和方法；

2、 掌握稳态仿真的输出分析方法。

第一节 引言

第二节 性能测度及其估计

一、 点估计。

二、 区间估计。

第三节 终态仿真的输出分析

第四节 稳态仿真的输出分析

一、 稳态仿真中初始条件所引起的偏差。

二、 稳态仿真重复运行方法。

三、 在稳态仿真中样本量与准确度的关系。

四、 在稳态仿真中区间估计的批平均值。

思考题：

1、 仿真系统性能测度的估计方法是什么？

2、 仿真系统性能测度的评价方法是什么？

第八章 仿真方案的比较与评价

课时分配：2课时

教学要求：

在解决实际问题的过程中，我们常常需要对多种规划方案、改进方案进行分析，比较多种方案的运行效果。基本要求有：

1、 掌握两个方案比较方法；

2、 掌握k个方案的比较方法；

3、 掌握用以估计不同的设计方案效果的统计模型。

教学内容：

第一节 两个仿真方案的比较

一、 具有相等方差的独立采样。

二、 具有不相等方差的独立采样。

三、 相关采样。

第二节 k个仿真系统方案之间的比较

第三节 用以估计不同的设计方案效果的统计模型

一、 试验统计的目的。

二、 单因子完全随机化试验设计。

三、 两因子的析因设计。

思考题：

1、 两个系统设计方案的比较方法是什么？

2、 从随机的概念出发，设计方案的比较采用什么方法？推广到一般，系统的评价方法该如何运用？

3、 多个系统设计方案的比较方法是什么？它的特征是什么？

第九章 生产系统仿真的应用实例

课时分配：4课时

教学要求：

掌握Witness仿真软件在生产系统仿真中的应用。

教学内容：

第一节 Witness仿真软件

一、 集成运算放大器的特点。

二、 电路的简单说明。

三、 引脚。

四、 主要参数。

五、 理想运算放大器及其分析。

第二节 生产系统建模与仿真应用

一、 生产系统简介。

二、 模型的构建。

三、 模型仿真及其结果分析。

实验一  单服务排队系统的仿真

课时分配：2课时

实验二  库存系统的仿真程序编制和系统优化仿真

课时分配：2课时

实验三  简单生产系统的仿真建模和仿真运行

课时分配：2课时

附录：参考书目

1、王亚超，马汉武，生产物流系统建模与仿真: Witness系统及应用, 北京:科学出版社 2006

2、WITNESS工业物流仿真平台基础教程, 北京威特尼斯科技中心

3、系统仿真平台Witness 教程, 北京威特尼斯科技中心

4、Fang Shuiliang, System Modeling and Simulation with Witness, 浙江大学出版社, 2007.8

执笔人：周林泉　　　2008年11月

审定人：孟秀丽      2008年11月

院负责人：王海燕     2008年11月