第4章模拟结果的统计分析课件.ppt
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1、4.1 引言引言4.2 模拟结果统计分析面临的问题模拟结果统计分析面临的问题4.3 终态模拟的输出分析终态模拟的输出分析4.4 稳态模拟的输出分析稳态模拟的输出分析4.5 多方案模拟输出的比较多方案模拟输出的比较第第4章章 模拟结果的统计分析模拟结果的统计分析q什么是输出分析?什么是输出分析?q为什么要进行输出分析?为什么要进行输出分析?q输出分析的两种状态输出分析的两种状态系 统(结构数量是确定的)(结构参数是随机的)输 入(参数是随机的)输 出?确定的输入激励一个确定的系统,得到的输出就是一个确定的输出。通过一次确定的模拟便可得出解。随机的输入激励一个随机的系统,得到的输出是?输出的表达形
2、式如何?需要经过多少次的模拟才能说明输出结果?输出分析的目的在于预测一个系统的性能,或比较两个或多个不同系统设计的性能。估计系统的性能参数,以及性能参数估计的有效范围。用模拟统计得到的作为观察值的估计量。统计得到的方差S2 就是估计量的偏差范围。或确定出达到给定精度所需的观察次数。在离散事件模拟中,大多数模拟输出数据呈现出自相关的特征,即:前面的输出往往会影响到后面的输出数据。如:库存系统中的初期库存、生产系统中的初始状态、排队系统中初始排队状态和初始服务状态等。4.1 引言引言4.1 引言引言-输出状态输出状态终态模拟就是指在某个持续时间TE之内系统的模拟,这里E是停止模拟的一个指定的事件,
3、这样被模拟系统在指定初始条件下于时刻0“打开”,并在停止时刻TE“闭合”。终态系统常被用来研究系统的固有特性,研究系统在初始条件作用下的响应。非终态系统是指系统在持续循环运行时间内,前一时间结束的模拟结果影响到后一时间的模拟条件。非终态系统是连续运行的系统,至少在很长一段时期内运行。稳态系统模拟常被用来研究系统对外界条件变化的响应能力。通常稳态系统的响应与系统的初始状态无关。暂态(终暂态(终 态)态)稳态(非终态)稳态(非终态)4.1 引言引言-例题例题选择终态选择终态/稳态模拟稳态模拟n例如,考虑对企业中一条流水线进行模拟例如,考虑对企业中一条流水线进行模拟w如果我们的模拟目的是为了了解该流
4、水线从完好状态开始如果我们的模拟目的是为了了解该流水线从完好状态开始到第一次出现故障的间隔时间的分布,那么我们就应采用到第一次出现故障的间隔时间的分布,那么我们就应采用终态模拟方式;终态模拟方式;w如果我们希望了解的是由该流水线生产的产品的合格率,如果我们希望了解的是由该流水线生产的产品的合格率,则应该采用非终态模拟方式。则应该采用非终态模拟方式。4.1 引言引言-过渡状态与稳定状态过渡状态与稳定状态在模拟模型的上述两种运行方式下,模拟系统都可能经历两种不同的状在模拟模型的上述两种运行方式下,模拟系统都可能经历两种不同的状态,即态,即过渡状态过渡状态(Transient State)和和稳定状
5、态稳定状态(Steady State)在对模拟模型的输出进行统计分析时,应该分清采样数据是在当模拟系在对模拟模型的输出进行统计分析时,应该分清采样数据是在当模拟系统处于过渡状态时采集的,还是在稳定状态时采集的。统处于过渡状态时采集的,还是在稳定状态时采集的。对于一个离散事件模拟系统,假设对于一个离散事件模拟系统,假设s(t)是是t时刻系统所处的状态,时刻系统所处的状态,Ps(t)是在时刻是在时刻t系统处于状态系统处于状态s的概率。如果有的概率。如果有t0满足:满足:则我们称当则我们称当tt0时系统处于稳定状态,而在时系统处于稳定状态,而在tt0系统处于过渡状态。系统处于过渡状态。当系统处于稳定
6、状态时,当系统处于稳定状态时,系统处于某一个状态的概率是不变的系统处于某一个状态的概率是不变的,但系统,但系统仍然可以从一个状态变到另一个状态仍然可以从一个状态变到另一个状态 ttdP tdts00min|(),tt 4.2 面临的问题面临的问题由于在离散事件模拟模型中往往有许多随机变量,从而模拟的输由于在离散事件模拟模型中往往有许多随机变量,从而模拟的输出亦是随机变量,因此直接使用模拟模型的输出结果就有可能对出亦是随机变量,因此直接使用模拟模型的输出结果就有可能对实际系统作出错误的结论。实际系统作出错误的结论。例:例:现考虑一个现考虑一个M/M/1排队系统,此时顾客的到达间隔时间与服排队系统
7、,此时顾客的到达间隔时间与服务员的服务时间均服从指数分布,假设到顾客达间隔时间的均值务员的服务时间均服从指数分布,假设到顾客达间隔时间的均值为为6分钟,服务员服务时间的均值为分钟,服务员服务时间的均值为4分钟。从排队论的理论分析,分钟。从排队论的理论分析,该排队系统的平均排队时间应为该排队系统的平均排队时间应为Wq8分钟。下表给出的是分钟。下表给出的是10次模拟的结果次模拟的结果(每次模拟时间为每次模拟时间为10天,即天,即14400分钟分钟)模拟次数模拟次数12345678910平均值平均值到达顾客数到达顾客数25012334234224542315239124022312236623672
8、378.4平均排队时间平均排队时间9.895.937.398.115.557.618.178.1710.404.227.74相对误差相对误差%23.63-25.87-7.631.38-30.63-4.882.132.1330.00-22.25-3.25如果我们简单地接受一次如果我们简单地接受一次模拟运行的结果,那么得模拟运行的结果,那么得出的结论与实际情况就会出的结论与实际情况就会有很大的偏差。有很大的偏差。4.2 面临的问题面临的问题对从一个随机系统中获得的样本进行统计分析时,最对从一个随机系统中获得的样本进行统计分析时,最常用的方法是点估计和区间估计。假设系统中获得的常用的方法是点估计和区
9、间估计。假设系统中获得的样本为样本为 x1,x2,xn,样本均值的点估计,样本均值的点估计 与样与样本方差的点估计本方差的点估计s2分别定义为:分别定义为:可以证明当可以证明当xi为独立同分布随机变量时为独立同分布随机变量时,和和s2分别是分别是 和和 2的无偏估计,而且样本量的无偏估计,而且样本量n越大,对越大,对 估计的精度就估计的精度就越高越高 xxnxiin11snxxiin22111()4.2 面临的问题面临的问题在实际应用中,人们还希望知道在实际应用中,人们还希望知道 和和 之间的差异程度,之间的差异程度,这种差异程度一般采用区间估计的方法来表示。区间这种差异程度一般采用区间估计的
10、方法来表示。区间估计给出了以为估计给出了以为 中心的一个区间,而该区间以概率中心的一个区间,而该区间以概率(或置信度或置信度)1-包含包含,称之为显著水平称之为显著水平(0 1)区间估计的建立方法按样本方差区间估计的建立方法按样本方差 2是否已知而不同是否已知而不同在进行点估计和区间估计时,对样本都有一定的要求,在进行点估计和区间估计时,对样本都有一定的要求,至少样本应满足独立同分布,特别当真实的样本方差至少样本应满足独立同分布,特别当真实的样本方差 2未知时,对样本母体均值作区间估计还要求母体是未知时,对样本母体均值作区间估计还要求母体是正态分布。正态分布。xx4.2 面临的问题面临的问题从
11、系统模拟过程中获得的采样数据一般都不满足这些从系统模拟过程中获得的采样数据一般都不满足这些条件,主要有以下几点原因:条件,主要有以下几点原因:(1)模拟初始条件的影响模拟初始条件的影响w初始条件决定了模拟模型在开始运行时模拟系统所处的系初始条件决定了模拟模型在开始运行时模拟系统所处的系统状态。初始系统状态对模拟系统前期的行为有很大的影统状态。初始系统状态对模拟系统前期的行为有很大的影响,因此在模拟前期得到的采样数据会有很大的偏差。响,因此在模拟前期得到的采样数据会有很大的偏差。w特别是在终态模拟方式下,如果终态事件发生时,系统还特别是在终态模拟方式下,如果终态事件发生时,系统还没有达到稳定状态
12、,那么采集的数据与真实情况的偏差会没有达到稳定状态,那么采集的数据与真实情况的偏差会很大。很大。4.2 面临的问题面临的问题例:例:考虑一个考虑一个M/M/1排队系统的模拟模型,假设顾客的平均到达排队系统的模拟模型,假设顾客的平均到达率为率为12人人/小时,单位顾客的平均服务速度为小时,单位顾客的平均服务速度为0.075小时小时/人,即人,即服务强度为服务强度为0.9。假定模拟开始时已有的等待服务的顾客数作为。假定模拟开始时已有的等待服务的顾客数作为系统的初始状态,我们希望通过模拟,确定在不同初始状态下,系统的初始状态,我们希望通过模拟,确定在不同初始状态下,系统在系统在1小时时的平均排队长度
13、,以及在小时时的平均排队长度,以及在0初始状态下,系统在不初始状态下,系统在不同时刻时的平均排队长度。这是一个终态模拟问题。同时刻时的平均排队长度。这是一个终态模拟问题。n首先,对每一个固定的初始状态,我们进行首先,对每一个固定的初始状态,我们进行100次重复模拟,以确次重复模拟,以确定在该初始状态条件下,系统在定在该初始状态条件下,系统在1小时时的平均排队长度。模拟的结小时时的平均排队长度。模拟的结果如下表所示。果如下表所示。初始状态初始状态0123456789101112平均排队平均排队长度长度2.103.133.344.484.755.894.337.478.409.099.9911.2
14、211.934.2 面临的问题面临的问题其次,我们假定模拟开始时,系统内等待服务的顾客数均为其次,我们假定模拟开始时,系统内等待服务的顾客数均为0,进行,进行1000次模拟以确定在不同时刻,系统的平均排队长度。下图给出了模次模拟以确定在不同时刻,系统的平均排队长度。下图给出了模拟的结果。这个系统的平均排队长度的理论值为拟的结果。这个系统的平均排队长度的理论值为8.1,从图中我们可以看到,如果初始状态为从图中我们可以看到,如果初始状态为0,则大约在,则大约在30小时以后,也就小时以后,也就是说大约有是说大约有1230360个顾客到达后,系统才进入稳定状态。个顾客到达后,系统才进入稳定状态。4.2
15、 面临的问题面临的问题(2)样本之间相关性的影响样本之间相关性的影响n从模拟系统中得到的数据构成了一个时间序列,而该时间序从模拟系统中得到的数据构成了一个时间序列,而该时间序列是一种具有自相关特性的随机过程。列是一种具有自相关特性的随机过程。n例如,在模拟一个排队系统时,如果性能测度指标是顾客的例如,在模拟一个排队系统时,如果性能测度指标是顾客的平均排队时间,此时很显然相邻顾客的排队时间之间有着密平均排队时间,此时很显然相邻顾客的排队时间之间有着密切的关系,即如果前一个顾客的排队时间较长,则后一个顾切的关系,即如果前一个顾客的排队时间较长,则后一个顾客的排队时间较长的概率就比较大客的排队时间较
16、长的概率就比较大 在模拟结果的统计分析中,为了能够使用经典统计分析中在模拟结果的统计分析中,为了能够使用经典统计分析中的常用方法,应该采用恰当的数据采样方法,并对采样数的常用方法,应该采用恰当的数据采样方法,并对采样数据作必要的预处理,以适应模拟输出结果统计分析的需要。据作必要的预处理,以适应模拟输出结果统计分析的需要。4.3 终态模拟的输出分析终态模拟的输出分析在终态模拟方式下,为了使采样数据在终态模拟方式下,为了使采样数据xi具有独立性并具有相同的具有独立性并具有相同的均值,一般采用均值,一般采用重复模拟的方法重复模拟的方法,即在相同的初始条件下,对模,即在相同的初始条件下,对模拟模型进行
17、重复运行。拟模型进行重复运行。每次运行时要求采用不同的随机数发生器或者对同一随机数发生每次运行时要求采用不同的随机数发生器或者对同一随机数发生器采用不同的随机数种子,以满足采样数据独立性以及同均值的器采用不同的随机数种子,以满足采样数据独立性以及同均值的要求。要求。一般,一般,xi的选取按照进行系统模拟的目的来确定的选取按照进行系统模拟的目的来确定n例如,就排队系统而言,如果希望了解前例如,就排队系统而言,如果希望了解前m个顾客的平均排队时间,个顾客的平均排队时间,xi就可以采用第就可以采用第i次模拟过程中前次模拟过程中前m个顾客排队时间的平均值;个顾客排队时间的平均值;n如果感兴趣的是某一时
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