第1講_管理系統(tǒng)模擬概論課件

1、第第1 1章章 管理系統(tǒng)模擬概論管理系統(tǒng)模擬概論1.1 系統(tǒng)的概念1.2 管理系統(tǒng)模擬1.3 系統(tǒng)模擬的實(shí)例1.5 系統(tǒng)仿真在各領(lǐng)域中的應(yīng)用n0.引言引言n 人們認(rèn)識(shí)到： 可以利用模型去描述所研究的系統(tǒng)。n早期的物理模型：分子物理模型、天體系統(tǒng)模型、工程模型、沙盤作戰(zhàn)模型n后來(lái)的電子模擬：電子鷹、電子表n工程過程模擬：交通系統(tǒng)模擬、航空航天模擬、軍事作戰(zhàn)模擬n近年來(lái)發(fā)展到管理，經(jīng)濟(jì)，股市，政策，虛擬世界，人工智能等領(lǐng)域。多個(gè)事物或?qū)ο笙嗷リP(guān)聯(lián)而形成的統(tǒng)一體1.1 系統(tǒng)的概念系統(tǒng)的概念n1.1.1 系統(tǒng)系統(tǒng)n定義：系統(tǒng)是由多個(gè)相互依賴、相互作用、共同配合實(shí)現(xiàn) 預(yù)定功能的要素的有機(jī)集合體。 n形式

2、：物理形態(tài)的；n 管理的一定階段。n組成要素：輸入;n 輸出;n “加工”轉(zhuǎn)化過程;n 資源;n 行為變化（動(dòng)態(tài)的隨時(shí)間而變化的行為）;n 衡量系統(tǒng)表現(xiàn)的尺度。 n 比如一個(gè)制造系統(tǒng)，系統(tǒng)輸入包括原材料和設(shè)計(jì)工藝文件等等，轉(zhuǎn)化過程包括所有的加工工序，而系統(tǒng)的輸出則包括制造出的產(chǎn)品等。 n 系統(tǒng)的輸入和輸出不一定是具體的實(shí)物，而可以是相互關(guān)聯(lián)的邏輯變量（比如烤箱的溫度與食物被烤熟的時(shí)間長(zhǎng)短）。n 計(jì)算機(jī)模擬應(yīng)用對(duì)象：生產(chǎn)制造系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、電訊或者通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、商業(yè)服務(wù)系統(tǒng)、醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)、行政管理系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)和其他的社會(huì)系統(tǒng)。n軍事領(lǐng)域n軍事領(lǐng)域是應(yīng)用模擬技術(shù)較早的領(lǐng)域。n訓(xùn)練模擬器是軍事

3、領(lǐng)域中應(yīng)用最為突出的一項(xiàng)模擬技術(shù)。n視頻：軍事模擬-裝甲車軍事演習(xí)(虛擬仿真)n環(huán)境領(lǐng)域n對(duì)氣候變化進(jìn)行預(yù)測(cè)的模型。n引入各種不同的因素，看到底什么樣的因素可能導(dǎo)致今天的氣候變化結(jié)果。n視頻：生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)方案n生物領(lǐng)域n應(yīng)用放大或縮小時(shí)間系統(tǒng)的技術(shù)，研究生命的起源、研究植物的生長(zhǎng)。n視頻：龍年春晚虛擬植物技術(shù)n生產(chǎn)制造過程模擬n從生產(chǎn)設(shè)計(jì)、制造到裝配的全過程的模擬。n龍?zhí)逗鬯幚碚灸M動(dòng)畫n社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域n政策模擬n商戰(zhàn)模擬n商務(wù)模擬公司n1.1.2 系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型是對(duì)一個(gè)現(xiàn)實(shí)存在的系統(tǒng)或計(jì)劃建立的系統(tǒng)的抽象描述。n 1）實(shí)體模型直觀模型物理模型n 2）符號(hào)模型：在一些約定或假設(shè)條件

4、下借助于專門的符號(hào)/線條等，按一定形式組合起來(lái)的模型，如地圖/電路圖/化學(xué)結(jié)構(gòu)形式等。n （1）定量模型n （2）定性模型n （3）實(shí)現(xiàn)它們的計(jì)算機(jī)程序n（1）定量模型n 即數(shù)學(xué)邏輯模型n 運(yùn)用定量模型可以對(duì)邏輯關(guān)系清楚的系統(tǒng)進(jìn)行建模，比如企業(yè)中經(jīng)常發(fā)生的排隊(duì)問題，雖然復(fù)雜，但邏輯關(guān)系可以根據(jù)通用的規(guī)則描述清楚。n（2）定性模型n a. 描述性模型：即運(yùn)用文字形式簡(jiǎn)明闡述系統(tǒng)的構(gòu)成、所處環(huán)境、主要功能和研究目的等。n b. 流程圖和圖解式模型：通常它們顯示了系統(tǒng)組成部分相互之間的基本邏輯關(guān)系。n 運(yùn)用定性模型，則可以描述不按通用規(guī)則運(yùn)行的系統(tǒng)，主要體現(xiàn)為人們的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，如汽車司機(jī)對(duì)方向盤的操

5、縱、一些技藝性較強(qiáng)的工種（如鉗工）的操作，大體上是靠這類模型進(jìn)行的。通常所說(shuō)的某些領(lǐng)導(dǎo)憑經(jīng)驗(yàn)做決策也是如此。n（3）計(jì)算機(jī)程序n 當(dāng)把定量和定性模型開發(fā)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，這些模型就轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)程序，因此，計(jì)算機(jī)程序也屬于符號(hào)模型。n a. 按系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的顯著特征，上述系統(tǒng)模型又有如下的分類：n 確定性模型n 隨機(jī)性模型n 計(jì)算機(jī)模擬方法是針對(duì)隨機(jī)性模型的。n b. 按系統(tǒng)變量隨時(shí)間變化的特征，系統(tǒng)模型分為：n 離散型n 連續(xù)型n 離散-連續(xù)混合型n1.1.3 系統(tǒng)類型系統(tǒng)類型 n （1）離散型系統(tǒng)n 在離散系統(tǒng)中，隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)狀態(tài)只在某些具體的時(shí)間點(diǎn)呈離散性變化，在時(shí)間點(diǎn)之間則沒有變化

6、，而時(shí)間可以是連續(xù)性的或離散性的，這取決于系統(tǒng)狀態(tài)的離散性變化可以在任何時(shí)間點(diǎn)發(fā)生或僅能在某些特殊時(shí)間點(diǎn)發(fā)生。n 下圖表示了離散系統(tǒng)的狀態(tài)與時(shí)間的關(guān)系。離散型系統(tǒng)n（2）連續(xù)型系統(tǒng)n 在連續(xù)系統(tǒng)中，系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間呈連續(xù)性變化。同樣地，模擬時(shí)間可以是連續(xù)性的，也可是離散性的。n 下圖表示了具有連續(xù)時(shí)間或離散時(shí)間的連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)與時(shí)間的關(guān)系。 連續(xù)型系統(tǒng)(連續(xù)時(shí)間) 連續(xù)型系統(tǒng)(離散時(shí)間) n （3）混合型系統(tǒng)n 在混合系統(tǒng)中，系統(tǒng)狀態(tài)可以作連續(xù)性及離散性的變化，或者作連續(xù)性變化并具有離散性突變。它的系統(tǒng)狀態(tài)-時(shí)間可以是連續(xù)性的或離散性的。圖1.1.4表示了混合型系統(tǒng)的例子：一個(gè)庫(kù)存控制系統(tǒng)。n

7、下圖表明，在這個(gè)庫(kù)存控制系統(tǒng)中，由于滿足用戶需求或生產(chǎn)的耗用，庫(kù)存量隨著時(shí)間作連續(xù)性變化（減少）。當(dāng)進(jìn)行庫(kù)存補(bǔ)充時(shí)，庫(kù)存量離散性增加，其增量等于庫(kù)存項(xiàng)目的訂貨批量。 混合型系統(tǒng)1.1.4 系統(tǒng)研究方法系統(tǒng)研究方法研究和分析系統(tǒng)的方法以及模型種類 （1）解析模型 即確定的數(shù)學(xué)模型。在解析模型中，系統(tǒng)的行為表現(xiàn)（輸出變量）是輸入變量（包括模型參數(shù)）的確定函數(shù)，其結(jié)果是通過數(shù)學(xué)計(jì)算完全確定的解。比如像下面的一元二次方程： Y = aX2 + bX + cn （2）模擬模型n 模擬是建立系統(tǒng)或決策問題的數(shù)學(xué)或邏輯模型，并以該模型進(jìn)行試驗(yàn)，以獲得對(duì)系統(tǒng)行為的認(rèn)識(shí)，或幫助解決決策問題的過程。 模擬的過程n

8、X、M、Y是不確定性的。n不確定性：（1）隨機(jī)的。用服從概率分布的函數(shù)描述。n （2）模糊的。用模糊隸屬函數(shù)描述。n （3）灰色的。n （4）復(fù)雜的。n 問：有沒有毫無(wú)規(guī)律的不確定性？ 1.2 管理系統(tǒng)模擬管理系統(tǒng)模擬 n1.2.1 管理系統(tǒng)管理系統(tǒng)n 企業(yè)的一個(gè)部門、企業(yè)的一項(xiàng)業(yè)務(wù)流程、甚至企業(yè)內(nèi)部的一群人等，要從管理控制的角度來(lái)看，它們都可以稱為管理系統(tǒng)。n 管理系統(tǒng)被公認(rèn)為是一種典型的復(fù)雜系統(tǒng)，其復(fù)雜性有兩層含義，即難解的（Complicated，精密）和復(fù)雜的（Complex，麻煩）。 n 1）難解系統(tǒng)n 指那些能夠被數(shù)學(xué)模型描述的系統(tǒng)，但是由于數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜，以致于無(wú)法用常規(guī)方法解

9、題。例如，一輛機(jī)動(dòng)車、一部CD-player等有大量的零部件，雖然這樣的系統(tǒng)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和精密的功能，但是畢竟可以用龐大的、數(shù)學(xué)的、靜態(tài)的模型來(lái)描述和分析。n 在管理領(lǐng)域，難解系統(tǒng)在企業(yè)執(zhí)行層的排隊(duì)問題中比較常見，例如車間的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃編制、庫(kù)存控制、物流管理等。n 2）復(fù)雜系統(tǒng)n 是指那些由具有非線性的和反饋回路的關(guān)系的部件組成的系統(tǒng)，無(wú)法用數(shù)學(xué)的、靜態(tài)的模型描述，須用復(fù)雜的相互作用的動(dòng)態(tài)關(guān)系來(lái)描述。n 在管理領(lǐng)域，復(fù)雜系統(tǒng)在企業(yè)的管理層、決策層系統(tǒng)中很常見，例如人力資源管理、組織行為管理、市場(chǎng)營(yíng)銷管理等，其中的管理系統(tǒng)面向的或處理的都是“人”，這種由人類組成的系統(tǒng)，是典型的復(fù)雜系統(tǒng)，因?yàn)?/p>

10、人類的行為帶有極大的不確定性，例如，員工上午答應(yīng)的事情，下午就可能變卦。n 對(duì)任何系統(tǒng)而言，人類是系統(tǒng)復(fù)雜性、不確定性的根源，人類系統(tǒng)是真正意義的復(fù)雜系統(tǒng)，并且在管理領(lǐng)域大量存在。n為了研究上述兩類管理系統(tǒng)，人們歸納出了三條學(xué)術(shù)研究路徑。 n 1）物的研究n 2）人的研究n 3）人-物互動(dòng)的研究n 由于三條研究路徑都有本質(zhì)不同的特征，因此，相應(yīng)的模擬方法也顯著不同（見下圖）。 研究?jī)?nèi)容與研究方法的層次關(guān)系 n1.2.2 蒙特卡洛模擬蒙特卡洛模擬n 1）概念）概念 n蒙特卡羅方法是在第二次世界大戰(zhàn)期間隨著計(jì)算機(jī)的誕生而興起和發(fā)展起來(lái)的。這種方法在應(yīng)用物理、原子能、固體物理、化學(xué)、生態(tài)學(xué)、社會(huì)學(xué)以

11、及經(jīng)濟(jì)行為等領(lǐng)域中得到廣泛利用 n它的基本思想：為了求解數(shù)學(xué)、物理、工程技術(shù)以及生產(chǎn)管理等方面的問題，首先建立一個(gè)概率模型或隨機(jī)過程，使它的參數(shù)等于問題的解；然后通過對(duì)模型或過程的觀察或抽樣試驗(yàn)來(lái)計(jì)算所求隨機(jī)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征；最后給出所求解的近似值，解的精確度可用估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)誤差來(lái)表示。 舉例：n形狀不規(guī)則圖形面積的計(jì)算、民意測(cè)驗(yàn)。n投針法確定圓周率：計(jì)算的最為稀奇的方法之一，要數(shù)18世紀(jì)法國(guó)的博物學(xué)家C蒲豐和他的投針實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)平面上，用尺畫一組相距為d的平行線；一根長(zhǎng)度小于d的針，扔到畫了線的平面上；如果針與線相交，則該次扔出被認(rèn)為是有利的，否則則是不利的如果針的長(zhǎng)度等于d，那么有利扔出的概

12、率為2/扔的次數(shù)越多，由此能求出越為精確的的值公元1901年，意大利數(shù)學(xué)家拉茲瑞尼作了3408次投針，給出的值為31415929準(zhǔn)確到小數(shù)后6位舉個(gè)容易理解的n一個(gè)邊長(zhǎng)為1的正方形，內(nèi)部有一個(gè)不規(guī)則圖形，如何求它的面積呢？n向正方形內(nèi)隨機(jī)的扔點(diǎn)，如果M個(gè)點(diǎn)中，有N個(gè)在不規(guī)則圖形內(nèi)，那么可認(rèn)為不規(guī)則圖形的面積為N/M。n2）步驟）步驟n （1）對(duì)問題建立簡(jiǎn)單而又便于實(shí)現(xiàn)的概率統(tǒng)計(jì)模型，使要求的解恰好是所建模型的概率分布或數(shù)學(xué)期望；n （2）根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)模型的特點(diǎn)和實(shí)際計(jì)算的需要，改進(jìn)模型，以便減小模擬結(jié)果的方差，降低費(fèi)用，提高效率；n （3）建立隨機(jī)變量的抽樣方法，其中包括產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)及各種分布

13、隨機(jī)變量抽樣序列的方法；n （4）給出問題解的統(tǒng)計(jì)估計(jì)值及其方差或標(biāo)準(zhǔn)差。n 蒙特卡羅方法的弱點(diǎn)是收斂速度慢，誤差大。除此之外，對(duì)于大系統(tǒng)，蒙特卡羅法通常不適用，但其他數(shù)值方法往往很適應(yīng)，能算出較好的結(jié)果。因此，已有人將數(shù)值方法與蒙特卡羅方法聯(lián)合起來(lái)使用。 n 3）舉例）舉例 復(fù)雜函數(shù)求解復(fù)雜函數(shù)求解 n 假設(shè)需要求解下列積分： badxxgI)(IabdxxgabdxxfxgabbabaX)()()()()()( 其中g(shù)(x)是一個(gè)無(wú)法通過解析方法求解的實(shí)函數(shù)。 定義一個(gè)隨機(jī)變量： Y(b-a)g(X) 其中X是一個(gè)連續(xù)的隨機(jī)變量，在區(qū)間a,b上服從均勻分布，即XU（a,b）。這樣，變量Y的

14、期望值為： E(Y) = E(b-a)g(X) = (b-a)Eg(X)其中，fX(x)是X的概率密度函數(shù)。這樣，解決該積分的問題簡(jiǎn)化成為估計(jì)隨機(jī)變量Y的期望值E(Y)的問題。尤其是可以通過樣本均值來(lái)估計(jì)E(Y)=I：nXgabnYnYYEniinii11)()()()(其中，n是樣本容量，（X1,Xn）為一組服從U(a,b)的獨(dú)立的、相同分布的隨機(jī)變量。 n1.2.4 系統(tǒng)模擬系統(tǒng)模擬n 特點(diǎn)：講究時(shí)間概念、建立符號(hào)模型、按照一定的決策原則或作業(yè)規(guī)則、狀態(tài)變換。n 1）分類n （1）按照時(shí)間變化的分類n 離散模擬、連續(xù)模擬、離散-連續(xù)混合模擬n （2）按照技術(shù)特征的分類n 從下到上的方法、從

15、上到下的方法n a. 從下到上的方法（即微觀模擬方法）n 離散模擬、Agent模擬方法n b. 從上到下的方法n 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬方法通過對(duì)系統(tǒng)總體上的把握，來(lái)建立描述系統(tǒng)整體的數(shù)學(xué)模型，通過整體數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算，來(lái)分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的變化規(guī)律。n2）輸入/輸出結(jié)構(gòu) 1.3 系統(tǒng)模擬的一般步驟系統(tǒng)模擬的一般步驟 1.4 系統(tǒng)模擬的實(shí)例：一個(gè)手工模擬系統(tǒng)模擬的實(shí)例：一個(gè)手工模擬 n假設(shè)需要被分析的系統(tǒng)是一個(gè)單營(yíng)業(yè)員儲(chǔ)蓄所系統(tǒng)。顧客來(lái)到儲(chǔ)蓄所，當(dāng)營(yíng)業(yè)員繁忙時(shí)就排隊(duì)等候，當(dāng)營(yíng)業(yè)員空閑時(shí)就接受服務(wù)，然后離開系統(tǒng)。n從下圖可以看出來(lái)，這個(gè)單服務(wù)員排隊(duì)系統(tǒng)是由下列要素構(gòu)成的：“顧客”是在系統(tǒng)中流動(dòng)的個(gè)體，“營(yíng)業(yè)員”是為個(gè)體提供服務(wù)的資源。此外，還需要一個(gè)“排隊(duì)”來(lái)容納進(jìn)入系統(tǒng)并等候服務(wù)的個(gè)體。到達(dá)到達(dá)排隊(duì)排隊(duì)服務(wù)服務(wù)離開離開1.4 系統(tǒng)模擬的實(shí)例：一個(gè)手工模擬系統(tǒng)模擬的實(shí)例：一個(gè)手工模擬