Chương 3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
Download as PPT, PDF1 like12,262 views
Tài liệu trình bày phương pháp mô phỏng trong nghiên cứu và vận hành các hệ thống công nghiệp, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xây dựng mô hình số để thu được thông tin hữu ích từ hệ thống thực. Nó đề cập đến các ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng, cùng với các phương pháp mô phỏng liên tục, gián đoạn và hỗn hợp, cũng như phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Cuối cùng, tài liệu phác thảo các bước thiết kế và thực hiện mô phỏng, bao gồm điều kiện khởi động và ngừng mô phỏng.
![Chương 3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
3.5. Các bước nghiên cứu mô phỏng
Hình. cho thấy các bước để hướng dẫn xây dựng một mô hình mô phỏng. Các nguồn tham khảo: Pegden,
Shannon, và Sadowski [1995], Law and Kelton [2000]. Các bước thuyết trình này được xây dựng bởi Banks,
Carson, Nelson, và Nicol. [2000].](https://image.slidesharecdn.com/ch3-170425141701/85/Ch-ng-3-PH-NG-PHAP-MO-PH-NG-30-320.jpg)
Chương 3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
- 1. MÔ HÌNH HÓA & MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG CÔNG NGHIỆP Bài giảng môn: GV. Nguyễn Văn Cần
- 2. Chương 3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 3.1. Giới thiệu chung - Khi có một mô hình toán học của hệ thống thực người ta có thể tìm các thông tin về hệ thống bằng nhiều cách. - Nhờ có sự phát triển của máy tính mà phương pháp mô phỏng ngày càng hoàn thiện.
- 3. Chương 3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 3.2. Bản chất của phương pháp mô phỏng Bản chất của phương pháp mô phỏng là xây dựng một mô hình số (Model Numerically), tức mô hình được thể hiện bằng các chương trình máy tính, sau đó tiến hành các “thực nghiệm” trên mô hình để tìm ra các đặc tính của hệ thống được mô phỏng. Số lần “thực nghiệm” về lý thuyết được tăng lên vô cùng lớn.
- 4. Chương 3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Sau đây là một số lĩnh vực mà mô phỏng được ứng dụng: - Thiết kế và phân tích hệ thống điều khiển sản xuất, lập kế hoạch sản xuất. - Xác định năng suất trong hệ thống sản xuất, quy trình sản xuất, hệ thống vận chuyển nguyên vật liệu, và những hoạt động hậu cần (logistics). - Quản lý và xác định chính sách dự trữ mua sắm vật tư của hệ thống tồn kho.
- 5. - Thiết kế và lập kế hoạch năng lực của hệ thống máy tính và mạng truyền thông để giảm thiểu thời gian đáp ứng (trả lời). - Phân tích, đánh giá và đề xuất các hoạt động quân sự, huấn luyện quân sự. - Đánh giá và cải thiện hoạt động cảng biển, chẳng hạn như cảng container hoặc các vật liệu như than, dầu, chất khoáng…, nhằm tìm cách giảm số lần tàu đến. - Cải thiện hoạt động chăm sóc sức khỏe, hoạt động tài chính, ngân hàng, hệ thống giao thông, sân bay,… Sau đây là một số lĩnh vực mà mô phỏng được ứng dụng (tt):
- 6. Chương 3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Phương pháp mô phỏng được ứng dụng vào các giai đoạn khác nhau của việc nghiên cứu thiết kế và vận hành của hệ thống: - Giai đoạn nghiên cứu hệ thống - Thiết kế hệ thống - Vận hành hệ thống.
- 7. Chương 3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Quá trình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng và quan hệ giữa hệ thống thực với các kết quả mô phỏng.
- 8. Chương 3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 3.3. Lựa chọn ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng Lựa chọn ngôn ngữ là bước quan trọng nhất trong tiến trình phát triển của một mô hình mô phỏng. Một quyết định sai trong bước này có thể làm cho thời gian thực hiện mô phỏng lâu, không hoàn thành được việc nghiên cứu và không khả thi.
- 9. 3.3. Lựa chọn ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng 3.3.1. Các ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng Các ngôn ngữ lập trình cấp cao thông dụng như: JAVA, C++, Visual BASIC,… Sử dụng các gói phần mềm mô phỏng có rất nhiều ưu điểm như: - Thời gian xây dựng mô hình ngắn - Dễ dàng thay đổi cấu trúc và thông số của mô hình - Dễ gỡ rối, sửa chữa sai sót - Các kết quả được xử lý tốt, thuận tiện cho việc sử dụng.
- 10. 3.3. Lựa chọn ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng 3.3.1. Các ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng Sau đây sẽ điểm qua các phần mềm mô phỏng được sử dụng nhiều nhất: GPSS, SIMSCRIPT , SIMPLE+ + , SIGMA … Các phần mềm mô phỏng có thể được phân loại vào 2 danh sách chính, những phần mềm mô phỏng liên tục và những phần mềm mô phỏng sự kiện rời rạc, phụ thuộc vào loại sự kiện mà chúng mô phỏng.
- 11. 3.3. Lựa chọn ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng 3.3.1. Các ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng Các phần mềm mô phỏng liên tục được thiết kế để xử lý những mô hình sự kiện liên tục thường được diễn tả bằng các phương trình vi phân. Ví dụ về loại này là các phần mềm VENSIM và DYNAMO. Những phần mềm này thường phổ biến trong các mô hình hệ thống hóa học.
- 12. 3.3. Lựa chọn ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng 3.3.1. Các ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng - Các phần mềm mô phỏng sự kiện rời rạc được thiết kế để xử lý những thay đổi sự kiện rời rạc. Hai ví dụ của loại ngôn ngữ này là SIMULA và GPSS. - Một số phần mềm như ARENA và SIMIO cho phép các mô phỏng rời rạc, liên tục, và kết hợp. ARENA là phần mềm được viết trên ngôn ngữ mô phỏng SIMAN, được thiết kế cho quá trình sản xuất, kinh doanh mà các nhà phân tích, kỹ sư hệ thống công nghiệp sử dụng.
- 13. 3.3. Lựa chọn ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng 3.3.2. Mô phỏng với Arena - Arena sử dụng dựa trên phương pháp thực thể, lưu đồ cho mô hình. - Phương pháp lưu đồ dùng để xây dựng mô hình rất có ý nghĩa đối với các kỹ sư, nhà thiết kế quá trình. Bởi vì nó rất gần gũi với quy trình, để xây dựng mô hình và phân tích nó. Phương pháp lưu đồ trong Arena giúp chúng ta: + Dễ dàng tìm hiểu hơn các công cụ mô phỏng khác + Dễ dàng hơn để kiểm chứng và hợp thức hoá
- 14. 3.3 Lựa chọn ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng 3.3.2 Mô phỏng với Arena + Dễ dàng hơn trong việc truyền đạt những quá trình phức tạp đến những người khác + Dễ sử dụng để phát triển mô hình mô phỏng nhanh chóng.
- 15. 3.3. Lựa chọn ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng 3.3.3. Những tính năng trong ARENA • Tính năng Arena trong lúc chạy cho phép nhà phân tích có thể xem các đặc tính của bất kỳ đối tượng trong mô hình, bao gồm dữ liệu mô-đun, vị trí đối tượng, hình ảnh hoạt hình v.v…nhưng không thể thêm hoặc xóa các đối tượng trong mô hình.
- 16. 3.3. Lựa chọn ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng 3.3.3. Những tính năng trong ARENA • Nhập lưu đồ từ Visio và chuyển đổi bất kỳ hình dạng vẽ trong Visio vào mô-đun Arena. • Nhập các bản vẽ AutoCAD cộng với các đối tượng, hình ảnh, Clipart, video clip v.v…Cho hoạt hình 2d. • Hơn 5.000 đối tượng hoạt hình được đưa vào thư viên hoạt hình của Arena. Tuỳ chỉnh hoạt hình cũng có thể được tạo ra bởi người sử dụng. Clipart, bitmap, bản vẽ AutoCad và nhiều kiểu tập tin hoạt hình khác có thể được nhập vào Arena.
- 17. 3.3. Lựa chọn ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng 3.3.3. Những tính năng trong ARENA • Khả năng tương thích dữ liệu ODBC. Nhập và xuất dữ liệu từ/đến bất kỳ tập tin dữ liệu ODBC. Các loại tập tin bao gồm: Excel, Access, XML, text, và Active X Data Object (ADO). • Nguyên bản Visual Basic. Không giống như các công cụ khác sử dụng ngôn ngữ nguyên bản cá nhân, Arena sử dụng một trình soạn thảo VBA chuẩn và mô hình đối tượng Arena để xây dựng giao diện người dùng tùy chỉnh và giao diện dữ liệu tùy chỉnh đến các mô hình Arena.
- 18. 3.3. Lựa chọn ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng 3.3.3. Những tính năng trong ARENA • Tự động hóa VB. Tất cả các chức năng Arena có thể được tự động bằng lập trình Visual Basic. Cả hai việc xây dựng và thực thi các mô hình có thể được tự động thông qua các chương trình lập trình VB và mô hình Arena. • Ghi lại Macro VB. Arena có thể ghi lại macro Visual Basic khi thực hiện những hành động chuột và bàn phím, được sử dụng để tự động hóa việc xây dựng các mô hình Arena từ các tập tin dữ liệu bên ngoài.
- 19. 3.3. Lựa chọn ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng 3.3.3. Những tính năng trong ARENA • Công cụ mô hình hóa sự kiện rời rạc. Arena là gói phần mềm hàng đầu của mô phỏng sự kiện rời rạc. Bất kỳ quá trình được mô tả có thể được mô hình ở Arena, bao gồm cả dịch vụ khách hàng, tài chính, thanh toán, hậu cần v.v… • Mô hình hoá thời gian thực. Thời gian thực Arena cho phép mô hình chạy trong thời gian thực hoặc nhiều lần thời gian thực, và kết nối với các thiết bị bên ngoài hoặc các ứng dụng bên ngoài. Công nghệ này rất hữu ích để thử nghiệm hệ thống và đào tạo vận hành.
- 20. 3.3. Lựa chọn ngôn ngữ và phần mềm mô phỏng 3.3.3. Những tính năng trong ARENA • Ngôn ngữ mô phỏng SIMAN. Arena là công cụ mô phỏng dựa trên một ngôn ngữ SIMAN. Có một ngôn ngữ mô phỏng làm cho những mô hình Arena chạy rất nhanh và nó có thể giúp người sử dụng mô hình bất kỳ quá trình phức tạp có thể mô tả. SIMAN là tiền thân của Arena và là ngôn ngữ mô phỏng trên máy tính cá nhân đầu tiên của thế giới khi nó được giới thiệu vào năm 1982.
- 21. Chương 3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 3.4. Các phương pháp mô phỏng và phạm vị ứng dụng Tùy theo trạng thái của hệ thống thay đổi liên tục hay gián đoạn theo thời gian mà người ta phân biệt thành hệ thống liên tục hay gián đoạn.
- 22. 3.4. Các phương pháp mô phỏng và phạm vị ứng dụng 3.4.1 Phương pháp mô phỏng liên tục Thường được dùng cho hệ liên tục. Trong những hệ này các trạng thái và thuộc tính của hệ thống thay đổi một cách liên tục theo thời gian. Các ví dụ cho mô hình liên tục: - Mức nước ở một bể chứa khi dòng nước vào và ra liên tục, và khi xảy ra mưa hay bốc hơi. - Trong một mô hình phản ứng hóa học, các biến như nhiệt độ và áp suất sẽ thay đỗi liên tục theo thời gian.
- 23. 3.4. Các phương pháp mô phỏng và phạm vị ứng dụng 3.4.1. Phương pháp mô phỏng liên tục Nhìn chung, mô phỏng liên tục được dùng để diễn tả hành vi của hệ thống. Nó có thể ứng dụng trong các bài toán vật lý (bài toán nước chảy vào hồ), các bài toán tâm lý/quản lý/kinh tế. Đặc biệt mô phỏng liên tục được thường dùng để mô phỏng mô hình tư duy/nhận thức của con người (bài toán muốn cải thiện điểm của sinh viên).
- 24. 3.4. Các phương pháp mô phỏng và phạm vị ứng dụng 3.4.1. Phương pháp mô phỏng gián đoạn Thường được dùng cho hệ gián đoạn. Trong những hệ này sự kiện xảy ra tại các thời điểm gián đoạn và làm thay đổi trạng thái của hệ thống. Hay nói cách khác các biến trạng thái thay đổi duy nhất ở những điểm riêng biệt trong thời gian tại các sự kiện xảy ra.
- 25. 3.4. Các phương pháp mô phỏng và phạm vị ứng dụng 3.4.1. Phương pháp mô phỏng gián đoạn Các ví dụ cho mô hình rời rạc: - Trong mô hình hoạch định sản xuất nhiều giai đoạn, chúng ta có nhu cầu xuất hiện rời rạc theo thời gian, chẳng hạn như tại thời điểm bắt đầu mỗi tuần. - Máy móc bị hư hỏng và làm việc lại tại những thời điểm rõ ràng, và thời gian giải lao cho công nhân. - Hệ thống xếp hàng, hệ thống tồn kho. Ngoài hai phương pháp mô phỏng chính kể trên còn có các phưong pháp mô phỏng như: Hỗn hợp liên tục- gián đoạn, Monte Carlo.
- 26. 3.4. Các phương pháp mô phỏng và phạm vị ứng dụng Hình Biến trạng thái hệ thống liên tục. Hình Biến trạng thái hệ thống gián đoạn
- 27. 3.4. Các phương pháp mô phỏng và phạm vị ứng dụng Ngoài hai phương pháp mô phỏng chính kể trên còn có các phưong pháp mô phỏng như: Hỗn hợp liên tục- gián đoạn, Monte Carlo.
- 28. 3.4. Các phương pháp mô phỏng và phạm vị ứng dụng 3.4.3. Phương pháp mô phỏng hỗn hợp liên tục-gián đoạn Có một số hệ thống không hoàn toàn gián đoạn cũng không hoàn toàn liên tục, đó là các hệ thống mà trong đó các trạng thái có thể thay đổi một cách liên tục hoặc gián đoạn. Ví dụ lò nung phôi thép, trong hệ thống này nhiệt độ là nung thay đổi một cách liên tục nhưng số phôi thép đưa vào hoặc lấy ra khỏi lò nung thay đổi một cách gián đoạn. Để mô phỏng hệ thống này ta phải dùng phương pháp mô phỏng hỗn hợp.
- 29. 3.4. Các phương pháp mô phỏng và phạm vị ứng dụng 3.4.4. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo - Là một thử nghiệm lấy mẫu với mục đích ước tính sự phân phối của một biến kết quả mà biến này lại phụ thuộc vào một số biến xác suất đầu vào. -Thuật ngữ mô phỏng Monte Carlo đầu tiên được dùng trong suốt thời kỳ phát triển bom nguyên tử dưới tên gọi là mô phỏng máy tính của quá trình phân chia hạt nhân. - Phân tích rủi ro trong doanh nghiệp cho việc ra quyết định.
- 30. Chương 3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 3.5. Các bước nghiên cứu mô phỏng Hình. cho thấy các bước để hướng dẫn xây dựng một mô hình mô phỏng. Các nguồn tham khảo: Pegden, Shannon, và Sadowski [1995], Law and Kelton [2000]. Các bước thuyết trình này được xây dựng bởi Banks, Carson, Nelson, và Nicol. [2000].
- 31. Chương 3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 3.6. Thiết kế thực nghiệm mô phỏng Sau khi đã xây dựng mô hình mô phỏng và kiểm tra thấy mô hình hợp thức, chúng ta chuyển sang bước thiết kế thực nghiệm mô phỏng. - Thiết kế các kịch bản mô phỏng - Xác định số lần chạy mô phỏng cho mỗi kịch bản.
- 32. Chương 3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 3.6. Thiết kế thực nghiệm mô phỏng 3.6.1. Số lần chạy mô phỏng (Number of run- Replication) và chiều dài mô phỏng (Run Length) - Tùy thuộc vào mục đích mô phỏng vào đặc điểm của hệ thống được mô phỏng mà người ta chọn chiều dài mô phỏng thích hợp, đảm bảo cho các dữ liệu đầu ra ổn định. - Chạy mô phỏng nhiều lần với chiều dài lớn. Thông thường số lần chạy mô phỏng nằm trong khoảng 10 -30 lần tùy thuộc độ phức tạp của hệ thống mô phỏng.
- 33. 3.6. Thiết kế thực nghiệm mô phỏng 3.6.2. Điều kiện khởi động (Starting Coditions) và ngừng mô phỏng (Stopping Rules) a) Điều kiện khởi động tùy thuộc vào mục đích mô phỏng. Điều kiện khởi động chung nhất là điều kiện “hệ thống đang còn rỗng” có nghĩa là các sự kiện đầu vào chưa xảy ra. Có thể chọn một trong hai điều kiện sau đây: - Nếu mục đích mô hình là phân tích hành vi của hệ thống ở trạng thái ổn định thì quá trình mô phỏng phải bỏ qua thời kỳ quá độ, lúc này điều kiện khởi động chỉ tính khi hệ thống bắt đầu ổn định. - Nếu mục đích của mô hình là phân tích hành vi quá độ của hệ thống thì điều kiện khởi động chính là điều kiện của hệ thống.
- 34. 3.6. Thiết kế thực nghiệm mô phỏng 3.6.2. Điều kiện khởi động (Starting Coditions) và ngừng mô phỏng (Stopping Rules) b) Điều kiện ngừng mô phỏng được xác định bởi một trong các điều kiện sau đây tùy thuộc vào mục đích mô phỏng: - Khi thời gian mô phỏng (tổng các thời gian giữa các sự kiện) đạt tới giá trị xác định. Trong trường hợp này số sự kiện đầu ra sẽ không xác định trước và trạng thái kết thúc của mô hình có thể không phải là trạng thái rỗng. - Khi số sự kiện đầu vào đạt tới giá trị xác định. Trong trường hợp này mô hình sẽ được chạy cho đến khi sự kiện đầu vào cuối cùng đi qua và trạng thái kết thúc của mô hình là trạng thái rỗng. - Khi số sự kiện đầu ra đạt tới giá trị xác định. Trong trường hợp này trạng thái kết thúc của mô hình có thể không phải là trạng thái rỗng. - Khi thông số của mô hình đạt tới giá trị xác định. Trong trường hợp này trạng thái kết thúc của mô hình có thế không phải là trạng thái rỗng.