什么是系統

討論仿真系統之前我們需要明確什么是系統，這個概念可以幫助我們理解邊界和范圍。

那么什么是系統？

德謨克利特的著作《世界大系統》有一段關于系統的闡述：

任何事物都是在聯系中顯現出來的，都是在系統中存在的，系統聯系規定了每一個事物，而每一個事物又能反映系統的聯系的總貌。

中國著名學者錢學森的觀點是：

系統是由相互作用相互依賴的若干組成部分結合而成的，具有特定功能的有機整體，而且這個有機整體又是它從屬的更大系統的組成部分。

詞典對于系統的解釋是：

組成一個復雜整體的一組互相作用、互相聯系或者依存的事物。

用一個汽車總裝線來舉例，各種零部件通過傳送設備（履帶或者其他設備），再有工人（或者是機械手臂）按照順序組裝。在這個系統中，工人，機械手臂，零部件相互作用。履帶的速度影響零部件的到達，進而影響裝配，流水線自身的劃分和設計又影響了整體效率。

從上面這個例子可以感受到我們看系統的時候有兩個重要的點：

一是邊界，即確認需要研究事物范圍，比如貨幣的供應量從某種程度上也可能對流水線有影響，但是我們并不會考慮它。

二是抽象，針對研究內容的不同，需要考慮的事物的詳細程度也是不同的，比如機械手臂的出產公司雖然也是一種外部輸入，但是會被統一抽象為機械手臂，對于其的特征建模也可以按照平均來計算。

還有一種更通用的描述系統的方式，即三要素，分別為實體，屬性和活動。實體確定了系統構成，屬性描述了實體特征，而活動描述了系統內部的相互作用。

什么是仿真

仿真一般是指對現實中的系統進行模仿，觀測并產生人造過程記錄的過程。

仿真最早用于水利研究，逐漸用于航空、航天和原子能技術等領域。后來隨著計算機技術的大力發展，擴展到各行各業。

針對互聯網公司，特別是線上線下融合較深的業務，由于線上試錯成本高，反饋周期慢，通過仿真可以很好服務以下幾點：

• 業務形式新，基本沒有可以參考的模型或者參數，加上缺少學術上的積累，仿真可以加速研究一個業務場景中復雜系統間的相互影響。
• 仿真由于是對真實系統的模仿，所以速度和外部參數是可以調整，且對真實系統無影響，可以快速安全進行實驗或者驗證，加深對于系統行為的理解。
• 仿真模型和實驗的產出可能成為新知識的來源，用于優化業務。

仿真系統的構建方法

構建仿真系統流程如下：

系統建模

離散or連續

系統可以是離散，也可以是連續的。當然對于現實中的大多數系統，這兩種變化都是共存的，一般我們取其中占多數的為準。

大部分自然系統都是連續系統，比如湖面的水位，由于降雨，自然蒸發等處于一個時刻變化的狀態，而離散系統一般只在離散時間點發生變化的系統，絕對部分人造系統都屬于離散系統。

除了特別的需要以外，大部分系統設計上都會做成離散系統，因為連續系統可以通過引入采樣裝置轉為離散系統，比如上面提到的湖泊系統，就可以通過引入定時采樣水質，水位等的裝置讓系統變成離散系統以方便處理。

確定核心要素

需要明確系統中的實體（包括屬性），事件，活動。

我們以外賣配送來看，實體即騎手，顧客，商家，屬性可能包括騎手速度，顧客位置，商家位置等，屬性可以是從真實系統中獲得，也可以是統計上的數據。

事件主要是對于整個配送有重要影響的，點外賣的時候有一些外賣APP會有進度提示，比如商家接單，商家出餐，騎手搶單，騎手送餐，送達顧客處等，當然這些只是展示出來的事件，系統內部可能更復雜，還有更多事件，確認核心要素的時候一般需要業務專家或者領域專家。

大部分系統單單靠事件就可以驅動了，但是有時候還需要明確活動。一般兩個相鄰且有先后順序的事件，如果從邏輯上導致了狀態的轉移，那可以化為一個活動。比如外賣配送中從待取餐狀態轉移配送中狀態，其實暗含了到店和取餐兩個事件。活動并不是必須的，如果研究目的不涉及可以不關注。

確定仿真算法

目前有四種成熟仿真算法：

• 事件調度
• 活動掃描法
• 進程交互法
• 三階段法

一個仿真系統可以采用一種算法，也可以混合多種使用。

仿真系統的時間由仿真鐘控制，算法決定了仿真鐘的推進方式。比如事件調度算法，就是每次推進一個固定的仿真鐘步長，然后獲取當前仿真鐘上需要觸發的事件，如果多個事件則按照優先級觸發。

仿真鐘的結束一般有兩種，一種是終態仿真，即仿真鐘在規定時間內停止，比如仿真一個小時的運行情況。另外一種是穩態仿真，這種仿真的仿真鐘是無限的，停止條件由其他方式確定，比如某種特定的置信度達到一個閾值，則由外部停止仿真鐘。

建立仿真模型

根據確定的仿真算法，梳理系統內部的狀態變量和流轉方式。再針對不同的事件確定事件對狀態和實體屬性的影響，明確事件間的相互影響。

用加油站來舉例，車量入站，車輛等待加油，車輛加油完成，車輛離開就是一系列事件，期間可能的影響包括加油站內的車輛數量，可用加油槍的數量，剩余油量，收入等。

比如車輛開始加油事件發生時會在未來生成車輛加油完成這個事件，具體的完成時間需要通過統計學或者其他建模方式給出。

實現仿真系統

實現仿真系統主要有兩個流派：

• 基于高級語言自研
• 基于仿真語言開發

還有一種就是從專業的支持公司購買仿真系統，并直接使用，比如anylogic，flexsim等。

自研就不用多說了，多用于新興系統，且開發資源充足的公司。

仿真語言更適合成熟的系統，或者科研院校，比如Modelica （https://openmodelica.org）。

分析仿真結果

這個和仿真研究目的強關聯，一般都是從仿真過程記錄中加工獲得結果數據。唯一需要注意的有隨機性的仿真系統一次仿真只是一次抽象，要注意置信度。

仿真上云

仿真系統和普通的業務系統不同，它對于冷啟動不敏感，資源需求大但是不均衡，同時仿真單個任務運行時間長。

一般仿真系統上云可以考慮的就是執行節點的動態伸縮，根據仿真任務的情況適當縮減或者擴容節點，按量付費。

另外還有一個可能的方向就是基于serverless，因為仿真系統本身可以基于事件驅動，搭配MQ可以通過事件來驅動function進行過程流轉，中間過程可以落庫，也可以寫文件。由于沒有具體操作過，效果還有費用上的對比沒有數據，但是至少基于serverless的話伸縮性會很好。

稿件來源：阿里云開發者社區（點擊下面“了解更多”查看原文）