生产系统建模与仿真概述

微生物生產系統建模與仿真微生物生产系统建模与仿真微生物生产系统作为一种生产生物活性物的方法，已经在生物工程领域中广泛应用。

但是，由于生产流程的复杂性和微生物交互的复杂性，微生物生产系统的性能评估和优化变得非常具有挑战性。

为了解决这个问题，建模和仿真技术成为了微生物生产系统优化中的重要工具。

宏观和微观建模微生物生产系统的建模应该从不同的角度来考虑。

一方面，宏观模型着眼于系统的全局特征，表示过程中物质和能量的流动。

另一方面，微观模型则着眼于微生物在过程中的行为。

微观模型能更好地表征单个微生物的动态和互动，但其复杂性也大大增加了。

对于微生物生产系统，采取宏观和微观模型相结合的方法，不仅能更好地揭示系统的内部机制，同时较少了模型精度和计算时间之间的权衡。

建模方法传统微生物生产系统建模方法是基于质量守恒和能量守恒的，此外还考虑了系统动态。

而随着时间的推移，新的建模方法得到了发展。

其中一种是基于代数方程和常微分方程（ODE）的模型。

这种模型能够比传统模型更好地考虑系统动态过程，但是比微观模型计算需要的时间更长。

另一种方法是离散事件仿真（DES），能够处理多种元件和多种物理化学反应。

这种方法在解决微生物生产系统中不确定性和复杂性上具有显著优势。

仿真和优化模型建立后，仿真和优化是将模型应用于实际优化问题的重要步骤。

仿真允许用户测试不同策略和模型条件，而无需实际建造和测试设备。

这大大降低了微生物生产系统的设计成本和时间。

在仿真过程中，系统可以极快地运行多种对象，获得所需的各种度量。

在设计软件过程中，系统的施加力、浓度和变形可以被实时地调整和观察，使不同的变量值和反应在实验室条件下变得明显。

优化是一个最终的目标，使系统快速达到稳态或最小限度地空间。

通过实验室尝试，在模型和在线优化中实现这一目标。

虽然模型可以描绘出一个过程发展到稳态所需的全部过程，实验室尝试可以提供直接测量参数的数据和定量信息。

通过模型和实验的配合，优化可以实现更有效的微生物生产系统设计。

《生产系统建模与仿真》教学大纲（理论课程）开课系（部）：工程学院课程编号：010396课程类型：专业课总学时：48学分：3适用专业：工业工程开课学期：2014-2015学年第一学期先修课程：概率论与数理统计、C语言程序设计、系统工程导论一、课程简述《生产系统建模与仿真》是面向工程实际的应用型课程，是工业工程系的主导课程之一。

学生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。

本课程具有较强的理论性，同时具有较强的实践性和应用性，能够有效增强学生的系统仿真理论基础，提高学生对系统仿真、分析工作的适应性，培养其开发创新能力。

本课程的教学目标是培养学生的设计能力、创新能力和工程意识。

课程以制造型生产企业为核心，通过理论教学和实践环节相结合，阐述了离散事件系统建模与仿真技术在生产企业分析中的基本原理和方法。

其内容涉及计算机仿真技术在生产系统分析中的作用和原理、仿真软件的介绍，重点介绍排队系统、库存系统、加工系统以及输入、输出数据分析。

本课程的目的是要求学生通过学习、课堂教育和上机训练，能了解如何运用计算机仿真技术模拟生产系统的布置和调度管理；并熟悉和掌握计算机仿真软件的基本操作和能够实现的功能；使学生了解计算机仿真的基本步骤。

二、课程要求（一）教学方法1、启发式课堂讨论针对关键知识点、典型题和难题，通过教师提问，鼓励学生回答问题或请到讲台前做题，并请其他学生评判或提出不同的答案或不同的解决方法。

目的是加强学生自主学习的能力和判断能力，培养主动思考的习惯，启发学生的探索精神。

2、重视在教学中加强知识演进的逻辑规律的讲解提高学生的逻辑思维能力，培养学生分析问题、解决问题的能力。

3、加强计算机辅助设计、分析将Flexsim仿真软件引入教学中。

应用计算机辅助设计、分析，能方便的改变系统结构参数，认识复杂系统的动态响应。

4、把工程背景和科技发展史引入教学使学生了解工程实际应考虑的复杂因素，充分考虑使用与维护，经济和安全，效率与效益对实际系统进行建模。

《生产系统建模与仿真》教学大纲（理论课程）开课系（部）：工程学院课程编号：010396课程类型：专业课总学时：48 学分：3适用专业：工业工程开课学期：2014-2015学年第一学期先修课程：概率论与数理统计、C语言程序设计、系统工程导论一、课程简述《生产系统建模与仿真》是面向工程实际的应用型课程，是工业工程系的主导课程之一。

学生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。

本课程具有较强的理论性，同时具有较强的实践性和应用性，能够有效增强学生的系统仿真理论基础，提高学生对系统仿真、分析工作的适应性，培养其开发创新能力。

本课程的教学目标是培养学生的设计能力、创新能力和工程意识。

课程以制造型生产企业为核心，通过理论教学和实践环节相结合，阐述了离散事件系统建模与仿真技术在生产企业分析中的基本原理和方法。

其容涉及计算机仿真技术在生产系统分析中的作用和原理、仿真软件的介绍，重点介绍排队系统、库存系统、加工系统以及输入、输出数据分析。

本课程的目的是要求学生通过学习、课堂教育和上机训练，能了解如何运用计算机仿真技术模拟生产系统的布置和调度管理；并熟悉和掌握计算机仿真软件的基本操作和能够实现的功能；使学生了解计算机仿真的基本步骤。

二、课程要求（一）教学方法1、启发式课堂讨论针对关键知识点、典型题和难题，通过教师提问，鼓励学生回答问题或请到讲台前做题，并请其他学生评判或提出不同的答案或不同的解决方法。

目的是加强学生自主学习的能力和判断能力，培养主动思考的习惯，启发学生的探索精神。

2、重视在教学中加强知识演进的逻辑规律的讲解提高学生的逻辑思维能力，培养学生分析问题、解决问题的能力。

3、加强计算机辅助设计、分析将Flexsim仿真软件引入教学中。

应用计算机辅助设计、分析，能方便的改变系统结构参数，认识复杂系统的动态响应。

4、把工程背景和科技发展史引入教学使学生了解工程实际应考虑的复杂因素，充分考虑使用与维护，经济和安全，效率与效益对实际系统进行建模。

系统仿真与建模总结系统仿真与建模是一种将实际系统抽象为数学模型，并通过计算机模拟来模拟系统行为和性能的方法。

它是一门交叉学科，涉及计算机科学、数学、工程等多个领域。

系统仿真与建模能够帮助我们理解和分析实际系统的特性、优化系统设计和运行策略，进而提高生产效率、降低成本、风险和资源消耗。

本文将对系统仿真与建模的基本概念、方法和应用进行总结。

系统仿真与建模的基本概念可以分为系统、仿真和建模三个方面。

系统是指由一组相互关联的部分组成的整体，可以是物理系统、生物系统、社会系统等。

仿真是通过模拟计算机来模拟系统行为和性能的过程，主要包括系统运行的时钟、初始条件和输入参数等。

建模是指将实际系统抽象为数学模型的过程，通过建立数学方程或算法来描述系统的行为和性能。

建模方法包括物理模型、统计模型、概率模型、优化模型等。

系统仿真与建模的方法可以分为离散事件仿真和连续仿真两大类。

离散事件仿真是指在离散时刻发生离散事件，如排队系统、进程调度等。

连续仿真是指在连续时间内，系统状态随时间的变化而变化，如流量传输、温度变化等。

离散事件仿真通常使用事件驱动方式，连续仿真则使用微分方程或差分方程进行数值求解。

此外，还可以根据仿真的精度需求，使用高级仿真方法如混合仿真、并行仿真、多尺度仿真等。

系统仿真与建模的应用非常广泛，主要涵盖了工程、科学、经济、管理等领域。

在工程领域中，可以应用系统仿真与建模来优化生产过程、设计产品、测试设备、评估系统性能等。

例如，在汽车工业中，可以使用系统仿真与建模来模拟汽车设计，优化车身结构，减少风阻，提高燃油效率。

在科学研究中，可以使用系统仿真与建模来研究天体物理、生物进化、气候变化等复杂系统的行为和性能。

在经济管理中，可以使用系统仿真与建模来预测市场变化、风险评估、优化运营策略等。

系统仿真与建模具有很多优点。

首先，系统仿真与建模可以将实际系统抽象为数学模型，从而简化了对系统的理解和分析。

其次，系统仿真与建模可以通过计算机模拟快速获得系统的运行结果，减少了实验测试的时间和成本。

生产系统建模与仿真课程设计
生产系统建模与仿真是一门重要的课程，它涉及到了生产系统的各个方面，包括生产流程、设备、人员、物料等。

通过学习这门课程，学生可以了解到生产系统的运作原理，掌握生产系统建模与仿真的方法和技巧，从而提高生产系统的效率和质量。

在课程设计中，我们可以采用多种教学方法，如讲授、案例分析、实验等。

首先，我们可以通过讲授来介绍生产系统建模与仿真的基本概念和方法，让学生了解生产系统的组成部分和运作流程，掌握建模和仿真的基本步骤和技巧。

其次，我们可以通过案例分析来让学生了解生产系统建模与仿真的实际应用，让学生了解生产系统建模与仿真在实际生产中的作用和价值。

最后，我们可以通过实验来让学生亲身体验生产系统建模与仿真的过程，让学生掌握生产系统建模与仿真的实际操作技能。

在课程设计中，我们还可以采用多种教学资源，如教材、软件、模型等。

首先，我们可以选用适合的教材，如《生产系统建模与仿真》等，让学生了解生产系统建模与仿真的基本概念和方法。

其次，我们可以选用适合的软件，如Arena、Simulink等，让学生掌握生产系统建模与仿真的实际操作技能。

最后，我们可以选用适合的模型，如流程图、状态图等，让学生了解生产系统的运作流程和状态变化。

生产系统建模与仿真是一门重要的课程，它可以帮助学生了解生产系统的运作原理，掌握生产系统建模与仿真的方法和技巧，从而提
高生产系统的效率和质量。

在课程设计中，我们可以采用多种教学方法和教学资源，让学生全面地了解生产系统建模与仿真的知识和技能。

《生产系统建模与仿真》
课程名称 生产系统建模与仿真 课程编号 3041058
英文名称 Production System Modeling and
Simulation
课程类型 专业核心课
总学时 32 理论学时 22 实验学时 10 实践学时
学分 2 预修课程 物流配送系统设计与管理、
供应链管理、应用统计学
适用对象 工业工程专业学生
课程简介
本课程理论部分主要讲解离散事件系统仿真的基本概念及其仿真策略、方法、步骤；随机数及随机变量的产生方法；生产系统、物流系统典型事件的分析方法与仿真步骤以及仿真实验设计和仿真结果的分析。

实验部分分为两部分，前三个实验以离散事件系统的典型系统：排队系统和库存系统为例，介绍物流仿真软件Witness的基本操作及参数设计，后两个实验结合工业工程专业特点，以生产实际为例，理论联系实际，重在能力的提高。

系统建模与仿真概述System Modeling and Simulation第一章系统建模与仿真概述主要内容•系统与模型-系统建模-系统仿真•系统建模与仿真技术14系统与模型1.1.1系统1.系统的广义定义：x由相互联系、相互制约、相互依存的若干组成部分（要素）结合起来在一起形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。

举例：宇宙世界，原子分子，电炉温度调节系统, 商品销售系统，等等。

例一：电炉温度调节系统例二：商品销售系统经理部［市场部I I采购部仓储部销售部I14系统与模型2系统的特性：1）系统是实体的集合+实体是指组成系统的具体对象例如：电炉调节系统中的比校器、调节器、电炉、温度计。

商品销售系统中的经理、部门、商品、货币、仓库等。

+实体具有一定的相对独立性，又相互联系构成一个整体，即系统。

14系统与模型2）组成系统的实体具有一定的属性属性是指实体所具有的全部有效性，例如状态、参数等。

在电炉温度调芒系统中，温度、温度偏差. 电压等都是属性。

在商品销售系统中，部门的属性有人员的数董、职能范围，商品的属性有生产日期、进货价格.销售日期.售价等等。

X系统处于活动之中+活动是指实体随时间的推移而发生属性变化。

例如: 电炉温度调节系统中的主要活动是控制电压的变化, 而商品销售系统中的主要活动有库存商品数量的变化、零售商品价格的增长等。

14系统当摆型X系统三要素：实体、属性与活动。

系统是在不断地运动、发展、变化的；系统不是孤立存在的；系统边界的划分在很大程度上取决于系统研究的目的。

系统研究：系统分析、系统综合和系统预测O 系统描述：同态、同构+同态：系统与模型之间行为的相似（低级阶段）同构：系统与模型之间结构的相似（高级阶段）同态与同构建模+同构系统：对外部激励具有同样反应的系统十同态系统：两个系统只有少数具有代表性的输入输出相対应14系统与模型——3.系统的分类X按照系统特性分类：+工程系统（物理系统）：为了满足某种需要或实现某个预定的功能，采用某种手段构造而成的系统，如机械系统、电气系统等。

【关键字】系统《建模与仿真》课程教学大纲(Modeling and Simulation)课程编码：学分：2.5总学时：40适用专业：工业工程先修课程：生产计划与控制、工程统计学、工程数学、运筹学、计算机编程技术一、课程的性质、目的和任务《建模与仿真》是面向工程实际的应用型课程，是工业工程系的主导课程之一。

学生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。

本课程的目的是要求学生通过学习、课堂教育和上机训练，能了解如何运用计算机仿真技术模拟生产系统的布置和调度管理。

并熟悉和掌握计算机仿真软件的基本操作和能够实现的功能。

使学生了解计算机仿真的基本步骤。

结合本课程的特点，使学生掌握或提高系统化分析问题和解决问题的能力,为系统化管理生产打下根底。

二、教学基本要求具体在教学过程中要求学生应该达到：1.全面了解本课程的性质与任务、框架内容以及理论和方法；2.掌握仿真的概率统计根底知识。

3.掌握供理论模型建模方法。

4.掌握仿真模型的设计与实现方法。

5.熟练应用建模理论,对排队系统、库存系统、加工制造系统进行建模仿真。

三、教学内容与学时分配离散事件系统仿真是仿真技术的重要领域，在规划论证、方案评估、计划调度、加工制造、产品试验、生产培训、训练模拟、管理决策等方面得到广泛应用。

本课程深入地介绍了离散事件系统建模仿真的理论、方法和技术，突出对理论建模方法和计算机实现技术的讲解，对离散事件系统建模仿真的发展和应用情况做了比较详尽的介绍。

具体教学内容如下：第一章绪论 4学时本章分析了系统和制造系统定义、组成与特点，介绍了系统建模与仿真的基本概念和使用步骤，并给出应用案例。

本章教学目标：本章教学基本要求：了解常用术语及常用的仿真软件，了解仿真技术的的发展状况及应用。

理解系统与制造系统的定义及系统建模与仿真的概念及系统、模型与仿真之间的关系。

掌握制造系统建模与仿真的基本概念及基本步骤。

系统仿真：以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合性和试验性学科1. 系统三要素：实体属性活动2. 仿真三要素和三活动三要素：系统模型计算机三活动：系统建模仿真建模仿真实验仿真步骤：系统建模仿真建模程序设计仿真输出分析3. 仿真分类（1）根据模型的种类：物理仿真数学仿真/计算机仿真物理－数学仿真（半实物仿真）（2）仿真时钟和实际时钟的比例：实时仿真亚实时仿真超实时仿真（3）根据系统模型的特性：连续系统仿真离散事件系统仿真4. 离散系统实体属性实体的特征用特征参数或变量表示（实体的分类实体行为的描述排队规则）事件离散事件系统由事件来驱动的（顾客到达顾客离开）活动实体在两个事件之间保持某一状态的持续过程；用于表示两个可以区分的事件之间的过程，它标志着系统状态的转移。

（顾客到达。

排队。

服务开始事件。

服务。

离开）进程由若干个有序事件及若干有序活动组成，描述包括事件及活动间的相互逻辑关系及时序关系（顾客到达。

排队。

服务开始事件。

服务。

离开）5 仿真钟的推进事件调度法：选择具有最早发生时刻的事件按照事件发生的先后顺序不断执行相应的事件例程固定增量时间：选择适当的时间单位T 作为仿真钟推进时的增量若该步内若无事件发生，则仿真钟再推进一个单位时间T。

该步内有若干个事件发生，则认为这些事件均发生在该步的结束时刻处理这些事件时用户必须规定当出现这种情况时各类事件处理的优先顺序。

6 库存订货量：Q 重新订货点：RL 订货提前期：LT 订货准备时间、发出订单、供方接受订货、供方生产、产品发运、产品到达、提货、验收、入库等提前期为随机变量。

库存 5 大要素：（1）需求按需求的时间特征：连续性需求、间断性需求按需求的数量特征：确定性需求、随机性需求（2 ）补充（订货）订货提前期（从订货到进货的时间）订货周期订货量（3 ）库存最小库存量（安全库存）最大库存量（4 ）费用订货费库存费缺货损失费生产费用（库存系统的目标：在满足需求的前提下库存费用最低）（5）存储策略tO循环策略：每隔固定时间tO补充固定库存量Q0 ,适应于需求恒定情况（定时定量）（s, S）策略：设库存余额为I, s为安全库存量，S为最大库存量（库存容量），当存储量I>s 时不补充；当存储量I Ws时，补充量Q=S-I。

生产系统建模与仿真课程设计
生产系统建模与仿真是一门重要的课程，它涉及到了生产系统的各个方面，包括生产流程、设备、人员、物料等。

通过学习这门课程，学生可以了解到生产系统的运作原理，掌握建模与仿真的方法，从而提高生产效率，降低成本，提高质量。

在课程设计中，我们可以采用多种教学方法，如讲授、案例分析、实验等。

其中，实验是非常重要的一种教学方法，它可以让学生亲身体验生产系统的运作过程，了解各种设备的使用方法，掌握生产流程的规划与优化。

在实验中，我们可以采用仿真软件，如Arena、Simulink等，对生产系统进行建模与仿真。

通过建模，我们可以将生产系统抽象成一个数学模型，包括各种设备、物料、人员等，然后通过仿真，模拟生产系统的运作过程，观察各种因素对生产效率的影响，从而优化生产流程，提高生产效率。

除了实验外，我们还可以采用案例分析的方法，让学生了解实际生产系统中的问题，并提出解决方案。

通过案例分析，学生可以了解到生产系统中存在的各种问题，如设备故障、物料短缺、人员不足等，然后提出相应的解决方案，从而提高生产效率，降低成本，提高质量。

生产系统建模与仿真是一门非常重要的课程，它可以让学生了解到
生产系统的运作原理，掌握建模与仿真的方法，从而提高生产效率，降低成本，提高质量。

在课程设计中，我们可以采用多种教学方法，如讲授、案例分析、实验等，让学生更好地掌握课程内容。

生产系统建模仿真分析系统（system）是由若干部分相互联系、相互作用，形成的具有某些功能的整体。

根据系统状态变化的时间连续性与否，可将系统分为连续系统（continuous system）和离散系统（discrete syste m）。

其中，离散系统是指系统的全部或关键组成部分的变量具有离散信号形式，系统的状态在时间的离散点发生突变的系统。

描述系统的基本要素包括对象（object）、属性（property）、活动（activity）、输入输出（I/O）。

“对象”又称为“实体（entity）”，它确定了系统的构成和边界，可区分为临时对象与永久对象，在系统中只存在一段时间的对象叫做临时对象，比如顾客、工件、工人等，它们一般是流动的，永久驻留在系统中的对象则叫永久对象，比如服务台、设备等，它们一般是静止的。

“属性”描述了每一个对象的基本特征，“活动”定义了对象之间的相互作用，从而确定了系统状态随时间发生变化的过程，“输入输出”描述了系统与外部环境的物质和信息交互。

1生产系统建模仿真的目标在生产系统建模领域，有许多经典的分析与优化问题，比如车间布局规划与重构、生产线平衡分析、车间计划调度、物流路径规划、物流调度、故障分析与维修决策等等，大量学者利用运筹学（O R）方法对这些问题进行了深入研究，取得了许多重要的理论成果，然而由于实际生产系统的复杂性，这些成果往往难以直接用于解决工程问题。

通过建模仿真手段对生产系统进行分析，由于更容易模拟实际生产过程，并且分析手段全面，越来越受到企业的重视。

生产系统建模仿真的根本目的在于：（1）在系统布局设计阶段，通过生产与物流活动的仿真，对系统运行性能进行定量分析，提前发现问题，为系统结构设计、资源分配、方案比选等提供数据决策支持，以保证系统设计的科学性、经济性、鲁棒性；（2）在系统运行与持续优化阶段，建立物理生产系统的数字孪生，通过基于数字空间的仿真试验与优化，识别生产瓶颈，优化运行参数，评估系统在不同调度策略下的性能，确定高效的作业计划和调度方案，辅助生产决策，提高物理系统的综合运行效率。