离散事件系统建模方法论

离散事件动态系统建模与仿真技术研究

离散事件动态系统（Discrete Event Dynamic System，DEDS）是一种用来描述离散事件的数学模型，其在集成电路设计、制造业、物流管理、网络通信等领域中得到了广泛应用。离散事件动态系统建模和仿真技术是研究这一领域的关键问题之一。

I. 离散事件动态系统简介

离散事件动态系统是一种将时间分为离散事件的模型，该模型针对每个事件进行计算，以决定模型的下一个状态。每个事件的时间戳都是不同的，一次模拟可以包含大量的事件，事件之间可能会有多种关系，这是离散事件模拟的特点。

常见的离散事件动态系统包括排队系统、自动控制系统、网络系统、供应链系统、交通系统等，可以应用于机器人系统、智能交通、虚拟现实等领域。

II. 离散事件动态系统建模

离散事件动态系统的建模是指将动态的系统描述成一个离散事件模型的过程，常用的建模框架包括Petri网、DEVS和CTPN等。

Petri网是描述离散事件模型的一种图形化建模语言，其由Petri网元素和变迁组成。当一个Petri网达到一个使变迁操作成为可能的状态时，变迁将被激活。Petri网允许对分布式系统进行实时分析和检验，并允许通过变形分析系统行为的改变。

DEVS是离散事件系统建模技术的一种形式化表达，其通过定义系统组件之间的输入输出以及它们之间的转移逻辑来描述系统行为。DEVS模型一般包含四个部分，输入信号、状态、事件响应函数和状态转移函数。 CTPN是一种图形化建模语言，它通过两个主要元素，控制流程和时间约束，来建模系统的动态行为。控制流程用于表示系统中的活动和控制流，时间约束表示活动之间的时间上限和下限。

III. 离散事件动态系统仿真

离散事件动态系统仿真技术是为了模拟离散事件系统的行为，以便分析和预测其性能。通常，离散事件动态系统仿真需要从实际系统的模型出发，将系统的模型转换成计算机程序，利用程序模拟实际系统不同的状态和事件，并通过这些状态和事件来推断系统的行为。

离散事件系统建模与控制

第一章 离散事件系统的基础

离散事件系统（DES）是指一个由一系列事件顺序组成的系统，其中每个事件的发生都会引起系统状态的变化。DES的系统结构可以是多种形式，例如：计算机控制系统、通信网络、生产制造流程等等。DES可以被定义为一个包含状态、事件和规则的三元组。系统的状态改变由事件驱动，并根据定义的规则来控制系统状态的流转。

为了形式化地描述DES，我们需要使用数学模型来建立系统的模型。DES的建模可以分为两方面：一是建立系统模型，即用数学语言来描述DES的行为特征；二是建立控制系统，以期望的方式来控制该系统的行为，使其符合特定的要求。

在建立DES模型时，需要注意以下三个方面：

1. 系统状态的定义：系统状态包括了所有可能发生的情况。因此必须定义系统状态空间，这个定义应该包括所有可能发生的情况。

2. 系统事件的定义：系统设计者需要决定哪些事件可以影响系统状态。通过定义系统事件空间，可以有效限制系统状态的可变性。 3. 系统规则的定义：系统规则是用来表述特定事件发生后系统状态的变化规则。这种规则可以是简单的if-then语句，也可以是更复杂的命题逻辑。

第二章 DES建模方法

对于任何一种离散系统，通过建立模型来模拟其行为是一种十分重要的分析方法。下面我们就介绍三种常见的建模方法。

1. 时序模型

时序模型把系统状态定义为一些时态命题的集合，例如：“堆栈为空”或“网络传输完成”等。该模型使用因果关系来定义事件。例如，在发送数据之前，需要先建立一个连接。因此，事件之间的因果关系可以用箭头表示。

2. 过程模型

过程模型定义状态和事件的关系，并用图形显示状态之间的转换。这种模型通常用于描述有限状态的、快速变化的过程，比如地铁列车进出站等。

3. 数据流模型

数据流模型将状态定义为连续的数据流，用画图工具表示。该模型通常用于描述数字电路、通信网络和计算机网络等系统。

第三章 DES控制方法 一旦建立好离散事件系统的模型，就可以进行控制。下面我们将介绍几种常用的DES控制方法。

192 第7章 离散事件系统建模与仿真

离散事件系统指的是一组实体为了达到某些目的，以某些规则相互作用、关联而集合在一起。与连续事件系统不同，离散事件系统所包含的事件在时间上和空间上都是离散的。离散事件系统在生产和生活中是很常见的，例如一个超市就是一个离散事件系统，它由顾客和收银员组成。在离散事件系统中，各事件以某种顺序或在某种条件下发生，并且大都是随机性的，所以，其模型很难用某种规范的形式，一般采用流程图或者网络图的形式来定义实体在系统中的活动。这类系统在建模时，只要考虑系统内部状态发生变化的时间点和发生这些变化的原因，而不用描述系统内部状态发生变化的过程。本章将介绍几种常见的离散事件系统和离散事件系统建模方法。

7.1 离散事件系统模型

离散事件系统是指系统的状态仅在离散的时间点上发生变化的系统，而且这些离散时间点一般是不确定的。这类系统中引起状态变化的原因是事件，通常状态变化与事件发生是一一对应的。事件的发生没有持续性，可以看作在一个时间点上瞬间完成，事件发生的时间点是离散的，因而这类系统称为离散事件系统。首先看一个典型的离散系统的例子。

例7.1 超市服务系统

某理发店只有一名理发师。在正常的工作时间内，如果理发店没有顾客，则理发师空闲；如果有顾客，则为顾客理发。如果顾客到达理发店时，理发师正在为其他顾客服务，则新来的顾客在一旁排队等候。显然，每个顾客到达理发店的时间是随机的，而理发师为每个顾客服务的时间也是随机的，进而队列中每个顾客的等候时间也是随机的。

下面，结合例7.1介绍一下在离散事件系统仿真中所用到的一些基本概念。

(1)实体

实体是指有可区别性且独立存在的某种事物。在系统中，构成系统的各种成分称为实体，用系统论的术语，它是系统边界内的对象。在离散事件系统中，实体可分为两大类：临时实体和永久实体。临时实体指的是只在系统中存在一段时间的实体，这类实体由系统外部到达系统，在系统仿真过程中的某一时刻出现，最终在仿真结束前从系统中消失。例7.1中，顾客是临时实体，他们按一定的规律到达，经过理发师服务（可能要排队等待一段时间），最终离开系统。那些虽然达到，但未进入理发店的顾客则不能称为该系统的临时实体。永久实

离散事件系统仿真

离散事件系统仿真是系统仿真的一个重要组成部分, 是对系统状态在随机时间点上发生离散变化的系统所进行的仿真, 与连续系统仿真的主要区别在于状态变化发生在随机时间点上。其研究步骤一般包括系统建模、确定仿真算法、建立仿真模型、设计仿真程序、运行仿真程序、输出仿真结果并进行分析。在这一过程中, 重点和难点的是仿真算法的设计和程序设计。仿真算法是系统仿真的基础,程序设计是系统仿真的灵魂, 也是系统仿真应用的一个重点。

离散仿真技术的现状与发展

随着电子计算机技术的发展，以及各种交叉学科的开发与应用，仿真模拟技术日益得到广泛的应用，并将具有更加广阔的应用前景。

仿真模拟技术目前成为工程系统或软科学研究中不可缺少的重要决策工具，在许多领域中都得到应用，如经济管理系统，生物工程研究，人口增长研究，决策优化研究，工程计划安排，特别是在军事目的的研究中，更加显著，并建有相应的模型。

目前仿真技术正处于一个转折时期，总的来说，计算机技术的发展、人工智能研究的突破、以及各种相关领域的发展成果，都为仿真技术提供了更加广阔的发展领域，使之向着智能化、自动化、图形化、数据库结合化的方向发展，因而反映客观世界的功能更加完善。

在仿真研究领域中，最主要而且最经常得到应用的是离散仿真技术。因为在客观世界中大量、且经常发生的是离散事件，因而离散仿真技术的发展就显得更加重要。 一、 离散事件系统仿真软件简介

自1955年以来, 由于计算机技术的迅猛发展,仿真软件也随之发展, 其先后经历以下几个阶段:

(1) 通用程序设计语言阶段( 1960年左右,如Fortran) 。

(2) 多种仿真程序包及初级仿真语言出现( 1960~1970年, 如GPSS) 。

(3) 高级完善的商品化仿真语言( GPSSÒ、Ó、NGPSS、SIMSCRIPT Ò、SIMULA67 等,1970年到20世纪80年代初期出现) 。

(4) 一体化( 局部智能化) 建模与仿真环境( TESS、IMSE、IMSS,