基于MATLAB平台的仿真实验.doc

本专业建模与仿真专业软件介绍
航运学院 交通信息工程及控制 104972101071 张子昱
我是来自航运学院交通信息工程及控制专业1104班的硕士研究生张子昱，在这里简单介绍下自己所研究方向的数学建模方法。
我的研究方向是，针对水路交通这个范畴，研究这个交通环境中的船舶、码头、桥梁、航道、泊位、锚地、海上平台、船台及水下管道等多种元素的安全性，以及它们相互之间的作用影响关系，并在这个过程中加入风险分析，评估水路交通环境中的各种风险值，建立模型，并基于这些提出有效的安全保障方法或建议。在这个过程中，本专业会涉及仿真环节，以得到相关数据分析，给出良性建议。
本人所在课题组涉及的建模仿真软件主要有MATLAB的SIMULINK包和ARENA两种，本人入学以来重点学习的是ARENA软件，现就该软件使用方法做简要介绍。
Arena是一个基于层次建模概念的图示化仿真系统，是一个可扩展的仿真软件包，可用于建立模型，定义、证明或沟通实际问题，对可能发生的情况进行仿真，在了解其复杂关系的基础上找到改进的办法，并以动态动画的方式将仿真结果显示出来，继而对仿真结果进行分析，该软件可以显示原有方案以及由于发生一系列改变后可能产生的方案，并从中挑选出最佳方案。
与其他软件相比较，Arena可提供更加完整的仿真环境及易于使用的应用问题解决模板，支持仿真研究的所有步骤，并且综合了SIMAN仿真语言和Cinema仿真系统的强大建模功能和灵活性。此外，Arena允许用户创建新的组件，并包括输入和输出分析器。
Arena建模技术中包含很多基本程序，例如：
Create：流程的开始，实体从该模块进入仿真过程。
Dispose：流程的结尾，实体从该模块退出仿真过程。
Process：表示一个活动，通常需要一个或更多的资源，并且需要消耗一些时间来完成。其中，本模块包含四种可能的选项，即：
（1）Delay：使实体经历一定时间的延迟。
（2）Seize delay：提供等待和延迟，但没有释放资源供下一个实体使用。
（3）Seize delay release：提供排队等待，占用机器或者资源，释放资源一系列活动。
（4）Delay release：假定实体先前已占用资源，在此产生延迟，最后释放资源。
Decide：程序的分支部分，实体可以通过它选择唯一一个分支。
Bath：在继续运行流程之前，收集一定量的实体。
Separate：在并行的程序中复制实体，或是将先前所建立的一组实体分散成其他组。
Assign：在仿真过程中改变一些参数的值，例如：实体的类型或仿真变量。
Record：拥有统计功能，统计实体数量和时间周期。
Entity：定义系统中实体的属性。
Queue：定义系统中队列的属性。
Resource：定义系统中资源的属性。
Variable：定义系统中变量。
在使用中，Arena将队列与服务窗口功能集成在PROCESS一个模块上，并以在该模块中插入资源来模拟服务窗口，这是该软件的一个特点。Arena仿真软件可视化窗口截图如下：

现结合课题组一在研项目，举例说明该软件使用方法：
某港口扩建4个泊位，拟增设3个不同等级的临时锚地，现根据业主提供的交通流和港口数据信息进行建模仿真研究。Create产生船舶，到港规律服从泊松分布，到港时间间隔服从均值为0.8的指数分布，船舶到达后首先进入Assign中，根据事先设定的属性对船舶进行分类判定，其属性是根据船舶吨位的不同分为1、2、3三种，其赋值则是根据实测数据推算的不同吨位船舶到港概率来实现的。属性判定完成后，进入第一次Decide判定流程，此时是根据属性赋值来区分仿真实体的，例如属性为3的船舶则直接选择进入下一个流程，属性为1的船舶模拟实际情况则进入第二次Decide判定流程，这次判定是用于判断随后的队列长短，以要求船舶选择较短的队列进行排队。判定完成后，进入Process流程，在Process中插入资源，Process依然作为队列出现在界面中，将模拟的泊位的资源依照相应数量插入到Process中，并根据港区提供的参考数据，将港区泊位服务按照不同时间的正态分布值进行赋值。当然，与其他仿真类似的，Process中资源处于空闲状态，如有泊位处于空闲状态，则到达的船舶按吨位靠泊接受服务，如没有泊位处于空闲状态，则到达的船舶需要到锚地中锚泊等待，当有船舶接受服务完毕离开后，如锚地中有锚泊等待，则等待的船舶按照先进先出（FIFO）的顺序到相应泊位中接受服务，如锚地中没有锚泊等待，则泊位继续处于空闲状态。以上流程完成后，各个Process中的船舶自动被释放，即模拟离开港口。
对系统进行仿真，统计全年到港的船舶数，每个锚地的排队队长、排队时间，以及四个泊位的利用效率等数据
通过对仿真结果的分析，得出与该课题相关的若干数据，并提出该港口扩建后临时锚地配备存在较大的问题，泊位增设计划不科学，可优化空间较大的结论，建议业主部门考虑对临时锚地进行整合，在港口规划过程中考虑变更规划4#泊位，或将该泊位的增设计划纳入二期计划中。