基于Flexsim的離散事件仿真結(jié)果數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋詠春，零振迪

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

基于Flexsim的離散事件仿真結(jié)果數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋詠春，零振迪

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

離散事件系統(tǒng)仿真作為計(jì)算機(jī)仿真的一個(gè)方向，在生產(chǎn)、物流、交通等領(lǐng)域使用非常廣泛。由于離散事件系統(tǒng)輸入輸出變量的隨機(jī)性以及狀態(tài)變化的不確定性，使離散仿真結(jié)果呈現(xiàn)一種隨機(jī)性。為了得到比較可靠的結(jié)果，往往需要進(jìn)行多次仿真，然后運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)多次仿真結(jié)果進(jìn)行處理。很多離散事件仿真軟件可以通過(guò)圖、表等方式直觀地把仿真結(jié)果展示給用戶，也可以把仿真結(jié)果以各種文件形式導(dǎo)出，但這些處理方式僅針對(duì)一次仿真結(jié)果，缺乏對(duì)多次仿真結(jié)果使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法處理分析的功能。本文針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)離散事件仿真結(jié)果數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以Flexsim仿真軟件仿真結(jié)果數(shù)據(jù)為處理對(duì)象，通過(guò)asp.net建立B/S架構(gòu)管理系統(tǒng)，把Flexsim仿真得出的Excel數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至SQL Sever數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)遷移，并且可通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析和仿真項(xiàng)目管理等功能。

離散事件仿真；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；Flexsim

0 引言

Flexsim作為一個(gè)通用離散仿真軟件，其特點(diǎn)時(shí)進(jìn)行仿真時(shí)，只需通過(guò)三維圖形仿真對(duì)象的拖動(dòng)、連接就可以快速建立系統(tǒng)仿真模型，然后在仿真對(duì)象中選擇預(yù)先設(shè)置好的運(yùn)行邏輯控制模塊就可以完成對(duì)仿真模型運(yùn)行控制的設(shè)置。建模效率高，仿真結(jié)果直觀，在生產(chǎn)系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域使用廣泛。

仿真運(yùn)行結(jié)束后重要的內(nèi)容就是對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。由于離散仿真系統(tǒng)內(nèi)包含很多隨機(jī)因素，仿真輸出結(jié)果都是不同概率分布的隨機(jī)變量。因此，對(duì)每個(gè)流動(dòng)實(shí)體的仿真全過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)，或?qū)ο到y(tǒng)作一定時(shí)間的仿真運(yùn)行，都是對(duì)輸出隨機(jī)變量的一次抽樣，每次仿真運(yùn)行的結(jié)果只是體現(xiàn)系統(tǒng)性能的一個(gè)樣本。為了使仿真運(yùn)行結(jié)果能正確表述系統(tǒng)的性能，需要對(duì)多次仿真輸出結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。Flexsim仿真軟件，可以把每次仿真結(jié)果通過(guò)Excel文件的形式輸出，但軟件自身缺乏對(duì)多次仿真輸出結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析功能，多次仿真輸出結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析往往需要手工計(jì)算來(lái)完成，效率低，速度慢。本文針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠進(jìn)行離散事件仿真結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入、儲(chǔ)存及管理的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，自動(dòng)完成對(duì)離散事件仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析處理，從而提高離散事件仿真結(jié)果數(shù)據(jù)處理的效率。

1 系統(tǒng)需求分析和技術(shù)方案確定

作為一個(gè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，核心要求就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。Flexsim導(dǎo)出的Excel格式仿真結(jié)果數(shù)據(jù)有兩種內(nèi)容，一種是各個(gè)仿真實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)（State Report），包括空閑時(shí)間百分比、處理時(shí)間百分比等數(shù)據(jù)，另外一種是仿真模型中最大臨時(shí)實(shí)體數(shù)、臨時(shí)實(shí)體平均滯留時(shí)間等的數(shù)據(jù)（Summary Report）。這兩種內(nèi)容的數(shù)據(jù)是仿真結(jié)果分析的主要數(shù)據(jù)，要求能對(duì)這兩種仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入、查看、刪除功能，原則上不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。

另一個(gè)功能需求是計(jì)算仿真數(shù)據(jù)的均值、方差，以及根據(jù)計(jì)算完成的平均值、方差和給定的相對(duì)精度值、顯著水平來(lái)計(jì)算序貫法仿真的最小仿真次數(shù)，也就是能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能。

根據(jù)以上需求分析結(jié)果對(duì)系統(tǒng)可采用的技術(shù)方法進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)源是Flexsim導(dǎo)出的Excel數(shù)據(jù)，查閱文獻(xiàn)和微軟的說(shuō)明文檔可知，微軟提供的OLEDB接口可以實(shí)現(xiàn)Excel數(shù)據(jù)到ASP.NET的異構(gòu)遷移。

完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，與ASP.NET較好搭配的是Access和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。Access適用于小型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，而且在許多計(jì)算機(jī)上已經(jīng)預(yù)裝，不需要另外安裝，但是其支持的SQL比較少，不能夠?qū)崿F(xiàn)一些比較復(fù)雜的功能。SQL Server完整支持微軟的Transact-SQL，能夠滿足較復(fù)雜的功能需求，同時(shí)微軟也提供了Express版本來(lái)給小型系統(tǒng)使用。因此本系統(tǒng)選擇的是SQL Server DBMS來(lái)管理數(shù)據(jù)。

ASP.NET使用ADO.NET對(duì)象提供的數(shù)據(jù)接口和編寫(xiě)相關(guān)程序，可以實(shí)現(xiàn)ASP.NET程序到SQL Server的數(shù)據(jù)遷移。對(duì)于仿真所需要的數(shù)據(jù)分析，T-SQL提供了avg()、var()聚合函數(shù)來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)均值、方差的計(jì)算，ASP.NET程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出這個(gè)均值、方差的計(jì)算結(jié)果，就可以計(jì)算序貫法仿真的最小仿真次數(shù)。

同時(shí)，ASP.NET用于開(kāi)發(fā)B/S模式信息管理系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)很成熟，可以很方便地構(gòu)建人機(jī)交互友好的管理系統(tǒng)界面，滿足對(duì)仿真項(xiàng)目進(jìn)行添加、查詢、刪除等管理功能的需要。

通過(guò)以上分析，最終決定了本系統(tǒng)的技術(shù)方案：基于Web開(kāi)發(fā)，采用SQL Server 作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，ASP.NET構(gòu)建前臺(tái)交互界面，界面采用CSS+DIV設(shè)計(jì)，客戶端腳本使用JavaScript，在部分界面使用了AJAX技術(shù)。

通過(guò)需求分析也確定了系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

主要是表的設(shè)計(jì)，從仿真項(xiàng)目管理的需求來(lái)說(shuō)，對(duì)每個(gè)仿真項(xiàng)目的結(jié)果數(shù)據(jù)都要進(jìn)行存儲(chǔ)。本系統(tǒng)中把每個(gè)仿真項(xiàng)目的結(jié)果數(shù)據(jù)放置在若干個(gè)表中，根據(jù)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表的命名是根據(jù)項(xiàng)目名稱和其數(shù)據(jù)類型定下的。比如一個(gè)項(xiàng)目名稱為exp1，那么它對(duì)應(yīng)的State Report數(shù)據(jù)表名就為exp1_State。這個(gè)表用于存放多次仿真運(yùn)行時(shí)得到的State Report結(jié)果數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表的模式（Scheme）是根據(jù)數(shù)據(jù)源的模式定下來(lái)的，也就是說(shuō)該表字段是動(dòng)態(tài)的，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 State Report數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫(kù)中還有另外一些表存放數(shù)據(jù)處理結(jié)果，存放均值數(shù)據(jù)表名為exp1_State_Avg，存放方差數(shù)據(jù)表名為exp1_State_Var等。對(duì)于Summary Report數(shù)據(jù)就是把State替換成Summary。這些數(shù)據(jù)表都是在一個(gè)仿真項(xiàng)目中，把仿真結(jié)果數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)才自動(dòng)生成。

2.2 仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊設(shè)計(jì)

仿真結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入是本系統(tǒng)的重要功能，它相當(dāng)于一個(gè)轉(zhuǎn)換器，把Excel數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SQL Server數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)。在進(jìn)行技術(shù)方案分析的時(shí)候已經(jīng)提到，通過(guò)OLEDB和ADO.NET可以很方便地實(shí)現(xiàn)這個(gè)轉(zhuǎn)換功能。但由于從Flexsim導(dǎo)出的Excel數(shù)據(jù)中，存在著幾個(gè)不便于數(shù)據(jù)導(dǎo)入的單元格，這些單元格中主要是Flexsim自動(dòng)填寫(xiě)上去的一些數(shù)據(jù)信息。因此在導(dǎo)入前，要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，刪除這些數(shù)據(jù)。預(yù)處理主要通過(guò).NET對(duì)象Microsoft.Office.Interop.Excel實(shí)現(xiàn)，該對(duì)象可實(shí)現(xiàn)對(duì)Excel文件的讀寫(xiě)[1,2,3]。完成預(yù)處理后，通過(guò)OLEDB接口讀取已經(jīng)處理好的Excel數(shù)據(jù)，保存到DataTable對(duì)象里面，最后再通過(guò)ADO.NET內(nèi)的SqlBulkCopy[3]導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成導(dǎo)入。仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入流程如圖3所示。

為了保證導(dǎo)入數(shù)據(jù)的一致性與完整性，導(dǎo)入功能使用隱式事務(wù)。所有數(shù)據(jù)只有都能全部正確才能導(dǎo)入，如果導(dǎo)入期間發(fā)生錯(cuò)誤則全部回滾。使用隱式事務(wù)需要引用System.Transactions類并添加至程序頭部。隱式事務(wù)主要是通過(guò)TransactionScope對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的，結(jié)束標(biāo)志為其Complete事件。

圖3 仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入流程圖

2.3 仿真數(shù)據(jù)處理計(jì)算模塊設(shè)計(jì)

使用Flexsim進(jìn)行的仿真大部分屬于終止型仿真。從仿真運(yùn)行的要求來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是每次仿真運(yùn)行是獨(dú)立的，所輸出的仿真結(jié)果也是獨(dú)立的。對(duì)于所得到的多次仿真運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)，可運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法算出數(shù)據(jù)的均值和方差。對(duì)于精度要求不高的仿真，一般是采用固定樣本數(shù)量法對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，即把仿真模型獨(dú)立重復(fù)運(yùn)行若干次，對(duì)這若干次運(yùn)行結(jié)果算出均值，作為最終的結(jié)果數(shù)據(jù)，也可以算出其方差，判斷結(jié)果的可靠性。仿真數(shù)據(jù)處理計(jì)算模塊流程如圖4所示。

圖4 仿真數(shù)據(jù)處理計(jì)算模塊流程圖

本模塊通過(guò)T-SQL提供的avg()、var()聚合函數(shù)對(duì)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值、方差計(jì)算，求解結(jié)果可通過(guò)ASP.NET的GridView控件在系統(tǒng)界面上顯示。

2.4 序貫法仿真次數(shù)計(jì)算模塊設(shè)計(jì)

大多數(shù)Flexsim仿真結(jié)果處理方式使用上節(jié)所介紹的固定樣本數(shù)量法就可以滿足仿真的要求。但如果事先給定了結(jié)果數(shù)據(jù)均值的誤差限制，則需要采用序貫法決定運(yùn)行仿真模型的次數(shù)，以達(dá)到比較高的數(shù)據(jù)精度。

序貫法仿真次數(shù)計(jì)算的步驟是：需要首先運(yùn)行仿真項(xiàng)目一定的次數(shù)，n≥3，選定一個(gè)相對(duì)估計(jì)精度值 ，然后設(shè)置信水平為1-α，最低仿真次數(shù)為Nmin，計(jì)算出所運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)的均值μx和標(biāo)準(zhǔn)差查找t分布在α/2和已運(yùn)行次數(shù)n-1下的值，參數(shù)值記為tα，則系統(tǒng)仿真次數(shù)的計(jì)算公式[4]如下：

將公式(1)寫(xiě)成一個(gè)方法，在計(jì)算的時(shí)候選擇一個(gè)顯著水平和輸入一個(gè)相對(duì)精度值，t分布值會(huì)根據(jù)使用者選擇的顯著水平和選定項(xiàng)目的自由度來(lái)自動(dòng)獲取。當(dāng)這些參數(shù)都初始化完畢后就可以計(jì)算要達(dá)到所設(shè)置精度需要的仿真運(yùn)行次數(shù)，計(jì)算結(jié)果直接顯示在界面上。序貫法仿真次數(shù)計(jì)算流程如圖5所示。

圖5 序貫法仿真次數(shù)計(jì)算流程圖

這個(gè)仿真運(yùn)行次數(shù)的計(jì)算是在一個(gè)專門(mén)的界面進(jìn)行。由于這個(gè)功能界面每次響應(yīng)操作的時(shí)候發(fā)送的數(shù)據(jù)量很少，因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候采用AJAX技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷新、少量數(shù)據(jù)收發(fā)而不是整個(gè)界面發(fā)送的效果[5]，以提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。當(dāng)界面加載時(shí)，body的Onload事件觸發(fā)，通過(guò)JavaScript發(fā)送一個(gè)Http請(qǐng)求，獲取狀態(tài)為“正在進(jìn)行”的仿真項(xiàng)目名稱，填充到＜select＞標(biāo)簽內(nèi)，再發(fā)送另外一個(gè)請(qǐng)求，獲取第一個(gè)項(xiàng)目的仿真次數(shù)，最后一個(gè)請(qǐng)求檢測(cè)所選的項(xiàng)目名稱對(duì)應(yīng)的平均值、方差值是否存在。服務(wù)端通過(guò)Handler程序處理這些請(qǐng)求并返回處理結(jié)果。客戶端的處理程序在檢測(cè)xmlHttp.readyState==4（響應(yīng)內(nèi)容解析完成，可以在客戶端調(diào)用）和xmlHttp.status==200（交易成功）后，判定處理成功，處理程序就會(huì)通過(guò)DOM操作HTML頁(yè)面元素，動(dòng)態(tài)地改變界面內(nèi)容而不引起刷新操作。當(dāng)界面加載結(jié)束后，對(duì)于＜select＞標(biāo)簽，當(dāng)其內(nèi)容改變的時(shí)候，觸發(fā)Onchanging事件，調(diào)用JavaScript來(lái)動(dòng)態(tài)獲取數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)是基于B/S模式采用ASP.NET技術(shù)開(kāi)發(fā)，在Windows操作系統(tǒng)中配置使用非常方便。在目前主流的Windows系統(tǒng)中安裝SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，然后設(shè)置IIS，就可以在單機(jī)或局域網(wǎng)中通過(guò)各種網(wǎng)頁(yè)瀏覽器登錄本系統(tǒng)進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)的分析處理。

另外，本系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，也可以為多個(gè)仿真項(xiàng)目提供仿真數(shù)據(jù)的管理。

圖6 系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)主界面如圖6所示，主界面上提供了進(jìn)入仿真項(xiàng)目管理及仿真數(shù)據(jù)管理等功能模塊的入口。進(jìn)行一個(gè)仿真項(xiàng)目數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，首先要通過(guò)仿真項(xiàng)目管理模塊建立仿真項(xiàng)目名稱，錄入該仿真項(xiàng)目的相關(guān)信息，然后進(jìn)入仿真數(shù)據(jù)管理模塊，導(dǎo)入該項(xiàng)目的多次仿真數(shù)據(jù)，選擇數(shù)據(jù)處理方式，分析結(jié)果可顯示在界面上，如圖7顯示的是對(duì)某仿真項(xiàng)目Summary Report數(shù)據(jù)求取均值的處理結(jié)果。

圖7 Summary Report數(shù)據(jù)均值結(jié)果

這些數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，可在日后通過(guò)仿真項(xiàng)目管理模塊進(jìn)行查詢，也可以以Excel文件形式導(dǎo)出打印。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)針對(duì)Flexsim仿真軟件對(duì)多次仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總功能的不足，將從Flexsim導(dǎo)出Excel表格的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，導(dǎo)入SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，再通過(guò)B/S系統(tǒng)查看、分析及管理，以簡(jiǎn)化繁瑣的手動(dòng)分析計(jì)算。在實(shí)際使用中，大大提高了仿真數(shù)據(jù)分析處理效率。

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Data Management system design and implementation for simulation result of discrete event system base on fl exsim simulation software

SONG Yong-chun, LING Zhen-di

TP391.9

：A

：1009-0134(2017)08-0043-04

2017-06-22

宋詠春（19 -），