系统建模与仿真是利用模型来分析、评价和优化系统性能的相关技术。目前，该技术已经在产品研发、制造系统规划设计、企业选址、车间布局、生产计划与调度、供应链管理等领域得到广泛应用。本书以机械制造系统、物流系统等为对象，在分析系统和制造系统定义、组成与特点的基础上，介绍系统建模与仿真的基本概念及原理，阐述系统建模与仿真的基本元素、常用方法及其应用步骤，分析离散事件系统建模与仿真的关键技术，简要介绍主流制造系统仿真软件的功能、特点及其应用领域，并以ProModel软件重点，介绍仿真软件的建模元素及其使用步骤。书中提供了大量制造（生产）系统建模和仿真的研究案例，并配有思考题和习题。书中既有系统建模与仿真基本原理、概念和方法的阐述，也有典型仿真案例的构建与应用。
制造业是国民经济的支柱产业,而制造系统是制造业的基本构成单元｡在制造系统数量､从业人员数量以及产业规模等层面,我国已经成为世界制造业大国｡但是,由于在制造系统的规划设计､性能参数设置以及运营管理等方面存在诸多问题,众多制造系统的运行效率低下､经济效益不高,在经济全球化环境下缺乏足够的竞争力｡近年来,实现从“制造大国”向“制造强国”转变成为各级政府､企业和学术界共同关注的话题｡
仿真是一种基于模型的活动,它通过对系统模型的试验达到分析与研究系统的目的｡建模与仿真技术可以再现系统动态行为､分析系统配置及参数是否合理､预测瓶颈工位､判断系统性能是否满足规定要求,为制造系统的设计和运行提供决策支持｡目前,系统建模与仿真技术已经广泛用于企业选址､制造系统设计､产品研发与性能优化､生产计划与调度､供应链管理等领域,成为提升制造系统性能的有效手段｡
本书以机械制造系统､物流系统和服务系统等离散事件系统为研究对象,在分析系统定义和特征的基础上,阐述系统建模与仿真的概念､原理和方法,介绍主流系统建模与仿真软件的功能､特点及其应用｡本书既提供了完整的系统建模与仿真体系架构,也注重理论方法与工程应用的结合｡在相关章节,分别以制造系统､物流系统以及服务系统为对象,给出了多个仿真研究案例｡
全书共分为七章｡第1章介绍系统与制造系统的定义､组成与特点,系统建模与仿真的相关概念,并给出系统建模与仿真应用案例｡第2章讨论离散事件系统建模与仿真中的共性问题,分析离散事件系统的模型分类､元素组成以及仿真模型结构,阐述系统建模中常用的思维方法｡第3章介绍系统建模与仿真中随机变量､随机分布､随机分布的数字特征等概念,论述随机数和随机变量的生成原理｡第4章以制造系统为对象,介绍系统建模的主要方法,包括马尔可夫过程､Petri网建模理论､排队系统模型以及库存系统模型等,并给出系统建模与分析案例｡第5章分析仿真程序和仿真软件架构,介绍常用的仿真调度策略和仿真时钟推进机制,阐述蒙特卡洛仿真和系统动力学仿真的基本原理,给出仿真应用案例｡第6章简要介绍系统建模与仿真的校核､验证与确认的概念和基本方法｡第7章阐述仿真语言和仿真软件的分类及其发展历程,介绍主流系统建模与仿真软件的功能､特点及其应用领域;以ProModel软件为重点,分析软件的模型元素和建模､仿真流程,并以板材加工柔性制造系统､汽车发动机再制造生产线､柔性作业车间生产调度､再制造系统动态瓶颈分析为例,给出多个制造系统建模､仿真与优化研究案例｡
本书由东南大学苏春编著,由南京理工大学李小宁教授主审｡教材的编写工作得到了东南大学教务处立项支持,并入选国家新闻出版广电总局“十三五”国家重点出版物出版规划项目｡部分研究内容受到国家自然科学基金项目和江苏省“六大人才高峰”项目资助,研究生沈戈､王圣金､黄茁､卢山､邹小勇､王胜友､安政､曹白雪､许爱娟､付叶群､施杨梅等在制造系统建模与仿真案例研究中做出了贡献,在此谨表感谢｡在教材编写过程中参考了大量文献,在此谨向原文献作者表示感谢｡
系统建模与仿真研究领域宽广､研究内容丰富,并且是一门快速发展中的新兴学科｡由于作者水平有限,书中难免有不足和错误之处,敬请读者批评指正｡
苏春
前 言
第 1 章 绪论 1
1.1 系统与制造系统 1
1.1.1 系统的定义 1
1.1.2 制造系统及其组成 3
1.2 系统､ 模型与仿真 5
1.3 系统建模与仿真的步骤 10
1.4 制造系统建模与仿真概述 12
1.4.1 制造系统的特征分析 12
1.4.2 制造系统建模与仿真的功用 14
1.5 制造系统建模与仿真案例 17
思考题及习题 21
第 2 章 离散事件系统建模与仿真的基本原理 24
2.1 系统与系统模型分类 24
2.2 离散事件系统的建模元素 25
2.3 离散事件系统仿真程序的结构 27
2.4 系统建模的常用方法 28
2.4.1 分析与综合 29
2.4.2 抽象与概括 30
2.4.3 归纳与总结 32
2.4.4 演绎与推理 33
2.4.5 比较与类比 34
2.4.6 概率统计法 35
2.4.7 层次分析法 37
2.4.8 模糊综合评价 40
思考题及习题 46
第 3 章 随机变量和随机分布 47
3.1 随机变量和随机分布概述 47
3.1.1 离散型随机变量 47
3.1.2 连续型随机变量 50
3.1.3 随机变量的数字特征 52
3.1.4 常用随机分布类型及其特性 55
3.1.5 随机变量的经验分布 68
3.1.6 随机分布的参数估计 71
3.1.7 随机分布的假设检验 76
3.2 随机数生成方法 77
3.2.1 随机数的特性 77
3.2.2 随机数发生器的设计 78
3.3 随机数发生器的检验 81
思考题及习题 84
第 4 章 制造系统的建模方法 89
4.1 系统建模方法概述 89
4.2 马尔可夫过程 90
4.3 Petri 网建模理论 92
4.3.1 Petri 网的基本概念 93
4.3.2 Petri 网的扩展形式 96
4.3.3 Petri 网中的事件关系 104
4.3.4 基于 Petri 网的系统性能分析 107
4.3.5 案例研究: 基于 Petri 网的液压系统可靠性建模与评估 114
4.4 排队系统模型 121
4.4.1 排队系统概述 121
4.4.2 排队系统的分类符号 126
4.4.3 排队系统的性能指标 126
4.4.4 顾客到达时间间隔和服务时间分布 129
4.4.5 案例研究: 基于排队论的制造系统建模与手工仿真 133
4.5 库存系统模型 136
4.5.1 库存及库存系统的定义与功能 136
4.5.2 库存系统模型 138
4.5.3 案例研究: 汽车 4S 店库存系统建模与仿真 142
思考题及习题 145
第 5 章 制造系统的仿真方法 150
5.1 系统仿真的调度策略 150
5.1.1 事件调度法 151
5.1.2 活动扫描法 152
5.1.3 进程交互法 155
5.1.4 消息驱动法 158
5.2 仿真时钟推进机制 160
5.3 蒙特卡洛仿真 163
5.3.1 蒙特卡洛仿真的基本概念 163
5.3.2 案例研究: 基于蒙特卡洛仿真的系统动态可靠性评估 166
5.4 系统动力学仿真 181
5.4.1 系统动力学仿真的基本概念 181
5.4.2 系统动力学仿真的应用步骤 182
5.4.3 案例研究: 基于系统动力学仿真的供应链库存优化 183
思考题及习题 191
第 6 章 系统建模与仿真的校核､ 验证与确认 193
6.1 校核､ 验证与确认概述 193
6.1.1 校核､ 验证与确认的基本概念 194
6.1.2 校核､ 验证与确认的基本原则 195
6.1.3 校核､ 验证与确认的实施过程 196
6.2 建模与仿真校核､ 验证的基本方法 197
6.2.1 建模与仿真的校核与验证技术 197
6.2.2 模型验证的常用方法 201
思考题及习题 206
第 7 章 仿真技术发展与仿真案例研究 207
7.1 仿真技术起源及其发展现状 207
7.2 常用仿真软件简介 209
7.2.1 Arena 210
7.2.2 ProModel 212
7.2.3 Flexsim 213
7.2.4 Extend 214
7.2.5 Witness 216
7.2.6 AutoMod 217
7.2.7 SIMUL8 218
7.3 系统仿真软件的选用 219
7.4 ProModel 仿真软件及其使用步骤 220
7.4.1 ProModel 软件的建模元素 220
7.4.2 ProModel 软件的使用步骤 243
7.5 制造系统建模与仿真案例研究 244
7.5.1 板材加工柔性制造系统配置与参数的优化 244
7.5.2 汽车发动机再制造生产线瓶颈工序分析与性能优化 250
7.5.3 基于仿真和规则的多机并行作业车间生产调度 263
7.5.4 考虑质量不确定性的再制造系统动态瓶颈分析 267
7.5.5 基于分派规则和人工蜂群算法的再制造系统生产调度仿真 275
思考题及习题 285
参考文献 290
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