MATLAB SimEvents 完整入门教程

什么是 SimEvents？

SimEvents 是 MATLAB Simulink 中的一个事件驱动仿真工具箱，与 Simulink 主要基于时间步长（fixed-step 或 variable-step）的连续或离散时间仿真不同，SimEvents 专注于对异步事件进行建模和仿真。

核心思想：

• 事件驱动： 系统的状态变化是由特定事件（如“一个零件到达”、“一辆公交车进站”）触发的,而不是由时间的流逝触发。
• 离散事件： 系统的状态在离散的时间点上发生改变,状态在事件之间保持不变。

SimEvents 能用来做什么？ SimEvents 非常适合对以下系统进行建模和分析：

• 排队系统： 银行窗口、呼叫中心、网络服务器、生产线。
• 物流与运输： 仓库管理、港口装卸、公共交通系统。
• 计算机与网络： 数据包路由、计算机网络协议、计算机系统性能分析。
• 制造系统： 装配线、自动化设备调度。
• 医疗系统： 急诊室病人流动、手术室调度。

核心概念

在开始建模之前，必须理解 SimEvents 的几个核心概念：

1. 实体

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 定义： 系统中流动的“对象”或“事物”，顾客、零件、数据包、公交车。
   • 特点： 实体可以拥有属性，这些属性是附加在实体上的数据，可以是数值、字符串等，一个零件实体可以有 ID、类型、加工时间 等属性，属性在仿真过程中可以被读取、修改和传递。

2. 服务器

   • 定义： 对实体执行某种操作的“资源”，银行柜员、机器、处理器、路由器。
   • 特点： 服务器在同一时间只能处理一个实体（除非配置为多服务器），当服务器忙时,到达的实体需要排队等待。

3. 队列

   • 定义： 存储等待服务的实体的“缓冲区”或“等候区”。
   • 特点： 队列有其容量，即最多能存放多少实体，队列可以有不同的排队规则，最常见的是 FIFO (First-In, First-Out),即先进先出。

4. 事件

   • 定义： 驱动仿真进程的“瞬间发生的事情”。
   • 常见事件类型：
     • 实体生成事件： 创建一个新实体。
     • 实体到达事件： 实体到达一个队列或服务器。
     • 实体服务开始事件： 服务器开始为一个实体服务。
     • 实体服务结束事件： 服务器完成对一个实体的服务。
   • 仿真时钟： SimEvents 内部维护一个事件列表，并按时间顺序执行这些事件，仿真时钟会直接跳转到下一个事件的发生时间,而不是按固定步长推进。

5. 路径

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 定义： 实体在系统中流动的“路线”，实体在离开一个模块后,会通过路径连接到下一个模块。

SimEvents 界面与常用模块

SimEvents 模块库位于 Simulink 库浏览器的 Simulink / Discrete-Event Library 路径下。

最核心、最常用的模块：

动手实践：一个简单的银行排队系统模型

我们将构建一个最经典的模型：单队列单服务器系统。

目标： 模拟顾客到达银行、排队、接受服务并离开的全过程,并统计平均等待时间和服务器的利用率。

步骤 1：创建模型并打开库

1. 打开 MATLAB，在命令窗口输入 simulink 并回车,新建一个模型。
2. 在 Simulink 库浏览器中，找到 Simulink / Discrete-Event Library。

步骤 2：拖入核心模块 从库中将以下模块拖拽到模型中：

• Signal Generator (实体生成器)
• Entity Storage (队列)
• Server (服务器)
• Entity Departure (实体离开)
• Scope (示波器)
• Display (显示)

步骤 3：连接模块 按照实体流动的顺序，用信号线连接这些模块： Signal Generator -> Entity Storage -> Server -> Entity Departure

步骤 4：配置模块参数

1. 配置 Signal Generator (实体生成器)

   • 双击 Signal Generator 模块。
   • Time source: 选择 Interarrival time (到达间隔时间),表示实体生成的时间间隔。
   • Interarrival time data: 设置为 3 (表示每3秒生成一个顾客)，也可以设置为 exprnd(3) 来模拟泊松到达过程（指数分布间隔）。
   • Entity name: 可以设置为 'Customer'。
   • Entity type: 保持默认或设置为 1。

2. 配置 Entity Storage (队列)

   • 双击 Entity Storage。
   • Capacity: 设置为 10 (表示最多等候10人)。
   • Queue discipline: 选择 FIFO (先进先出)。
   • Output signal: 勾选 Queue length (队列长度),这样我们就可以用示波器观察队列变化。

3. 配置 Server (服务器)

   • 双击 Server。
   • Service time data: 设置为 2 (表示每个顾客需要2秒的服务时间)，也可以设置为 exprnd(2) 来模拟随机服务时间。
   • Number of servers: 保持 1 (单服务器)。
   • Output signal: 勾选 Utilization (服务器利用率) 和 Number of entities in service (正在服务的实体数)。

4. 配置 Entity Departure (实体离开)

   • 双击 Entity Departure。
   • Record data: 勾选 Time in system (在系统中的总时间),这个数据对我们分析至关重要。

步骤 5：连接信号到示波器和显示

• 从 Entity Storage 的 q 端口（Queue length）拖出一条线，连接到 Scope 的一个输入端口。
• 从 Server 的 u 端口（Utilization）拖出一条线，连接到 Scope 的另一个输入端口。
• 从 Server 的 n 端口（Number of entities in service）拖出一条线，连接到 Display 模块。
• 从 Entity Departure 的 t 端口（Time in system）拖出一条线，连接到另一个 Display 模块,用于显示平均在系统时间。

步骤 6：运行仿真

1. 设置仿真时间，在模型窗口顶部，将 Stop time 设置为 100 (仿真运行100秒)。
2. 点击工具栏的 Run 按钮。

步骤 7：查看结果

1. 双击 Scope：你会看到两条曲线，一条是队列长度随时间的变化，另一条是服务器利用率（0或1）随时间的变化。
2. 查看 Display：一个显示器会显示 Number of entities in service (0或1)，另一个显示器会显示 Average time in system (顾客在系统中的平均时间)。

模型截图示例：

高级主题

1. 实体属性

   • 在 Signal Generator 中，可以创建实体属性，添加一个 priority 属性。
   • 在 Entity Storage 的 Queue discipline 中，可以选择 Highest attribute value first 或 Lowest attribute value first,实现优先级队列。

2. 基于条件的事件

   • 使用 Decision 模块，当一个实体到达时，可以根据其属性或系统状态（如队列长度）来决定其下一步路径，VIP顾客直接进入服务,普通顾客进入排队。

3. 资源

   • Resource 和 Resource Acquirer / Resource Releaser 模块用于管理更复杂的共享资源，一个系统有3名医生，病人需要“获取”一个医生资源才能看病，看完后“释放”该资源。

4. 数据导出与分析

   • Statistics Collector 模块可以收集实体属性（如等待时间、服务时间）到 MATLAB 工作区。
   • 仿真结束后，可以使用 MATLAB 命令进行更深入的分析，如计算标准差、绘制直方图等。
   • simout 模块可以将整个仿真数据导出到工作区。

学习资源推荐

1. 官方文档（最重要！）

   • MathWorks 官网有最权威、最全面的文档和示例。
   • 入口： 在 MATLAB 命令窗口输入 doc simevents 或访问 SimEvents Documentation。
   • 推荐查看： Getting Started (入门指南) 和 Examples (示例库)。

2. 视频教程

   • 在 MathWorks 官方 YouTube 频道 搜索 "SimEvents Tutorial",有很多入门和进阶的视频。
   • 在 Bilibili 等视频网站搜索 "MATLAB SimEvents",也有许多国内用户分享的教程。

3. 书籍

   《Discrete-Event System Simulation》 by Jerry Banks, John S. Carson II 等，这是离散事件仿真的经典教材，理论扎实，虽然不专门讲 SimEvents，但其所有理论都适用于 SimEvents 建模。

希望这份教程能帮助你顺利入门 SimEvents！多动手实践，从简单模型开始，逐步尝试更复杂的系统,你会很快掌握它的强大功能。