基于AnyLogic軟件的《管理系統(tǒng)模擬》課程實踐教學研究

王小林 田潤豐

摘 要：本文針對《管理系統(tǒng)模擬》課程內容理論涉及面寬、建模復雜導致課程教學效果不理想的問題。作者在多年教學實踐與改進的過程中，基于Anylogic軟件建模與仿真特點，將Anylogic作為《管理系統(tǒng)模擬》課程輔助教學的實驗平臺，構建了基于Anylogic軟件的課程教學體系，提出了基于Anylogic平臺的《管理系統(tǒng)模擬》課程教學方法，進而總結了教學經驗，為《管理系統(tǒng)模擬》教學模式改革提供了借鑒。

關鍵詞：管理系統(tǒng)模擬;建模仿真;Anylogic軟件;教學模式

一、引言

《管理系統(tǒng)模擬》是經濟管理與計算機等專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，主要目的是利用計算機語言對經濟管理和社科科學等問題進行建模仿真，從而提高本科生綜合運用經濟管理理論和計算機技術解決實際問題的能力[1]。這門課程的教學需要模擬語言和仿真軟件支撐，從現(xiàn)有《管理系統(tǒng)模擬》教材來看，使用的建模語言與仿真軟件輔助教學方式不同，如Excel、GPSS、GPSSWorld、Vinsim、Arena、Matlab和Anylogic等[2～6];不僅如此，課程的不同學習內容，建模仿真的軟件也不同，例如離散事件模擬采用Arena、GPSS，系統(tǒng)動力學模擬采用Vinsim，多智能體建模采用Anylogic。然而這一門課程不超過60學時，學生在課堂上不僅需要學習基本的理論知識，而且要在短時間內熟練掌握不同的建模語言和仿真軟件，這給教師授課和學生學習都帶來的困難和挑戰(zhàn)。因此，選擇合適的建模語言和軟件，對這門課程實踐與改革具有重要的意義。

Anylogic作為一款功能強大的系統(tǒng)仿真工具，具有建模方法靈活，建模語言簡易等特點。本文作者在多年的《管理系統(tǒng)與模擬》課程教學實踐中，從上述眾多的語言和建模軟件中選擇了Anylogic軟件，將其作為本門課程的實驗教學平臺。在教學過程中，采用建模理論與方法學習和Anylogic平臺上課程實踐相結合的教學方式，克服了學生對本門課程學習的畏難情緒，加深了學生對本門課程理解深度，從而培養(yǎng)了獨立分析問題和動手實踐的能力，提升了建模仿真水平。因此，本文在介紹Anylogic平臺特點和優(yōu)點基礎上，根據(jù)多年基于AnyLogic軟件的教學實踐，解析教學過程、總結教學過程中有價值的經驗，希望為本課程教學改革提供借鑒。

二、AnyLogic軟件建模仿真特點

Anylogic軟件是第一款具基于智能體仿真環(huán)境的軟件，由anylogic公司設計開發(fā)于2000年首次對外發(fā)布，隨著不斷更新，軟件逐漸具有了行人庫、交通庫、行動圖、集成GIS地圖，內置數(shù)據(jù)庫、物料處理庫等功能，到目前為止已經更新到了8.4版本。作為一款功能強大的系統(tǒng)仿真工具，其首次將UML語言引入模型仿真領域，可以快速構建仿真模型和設置外圍場景[7]。因其強大的建模仿真功能，在企業(yè)、社會、政府、軍事、經濟和教育等諸多領域逐漸得到了廣泛應用[8][9]。該軟件在建模仿真輔助教學中有如下幾個特點：

第一、Anylogic建模仿真具有靈活性，可以與現(xiàn)有主要軟件兼容。Anylogic軟件支持離散、連續(xù)和多主體系統(tǒng)建模，可以通過不同建模方法來解決實際問題，如埃菲爾鐵塔人群擁擠問題，法蘭克福機場旅客流、莫斯科環(huán)線鐵路傳輸樞紐客流仿真，勒阿弗爾港內部鐵路物流模擬、冶煉廠電爐熔煉車間仿真，阿根廷電信市場收費模型模型、甚至“蜂群”作戰(zhàn)實驗分析演示等。同時，留有數(shù)據(jù)通信接口，方便和C++、Vinsim、Matlab、autoCAD、GIS軟件建立的模型兼容。因此，其可以支持管理系統(tǒng)模擬課程內容涉及到的所有建模仿真方法，解決了學生面臨不同語言建立模型之間互不兼容的矛盾，減少了學生學習本課程的難度。

第二、Anylogic建模過程簡潔，減少了建模編程工作量。Anylogic完全基于Java語言開發(fā)，構建Anylogic模型的主要模塊是Java類的活動對象，可以繼承、重載。因此，Anylogic模型可以進行等級化分解和結構分解，從而很方便定義與設計活動對象類以及它們之間的關系。具有初步Java基礎的學生，不用學習新語言，降低課程學習難度。同時，Anylogic有豐富插件庫，方便學生針對不同問題進行模型創(chuàng)建分析，例如關于離散事件的流程建模庫、行人庫、軌道交通庫等。這不僅簡化了編程，減少學生負擔，更容易以問題導向指導學生管理模擬的課程實踐。

第三、Anylogic可視化功能強，模型展示豐富。Anylogic具有創(chuàng)建真實動態(tài)模型的可視化工具，支持面向對象的模式設計范式，簡潔豐富不需要編程就可以實現(xiàn)的動畫功能，同時支持三維展示，為模型提供了豐富的開發(fā)環(huán)境。Anylogic具有強大的實驗框架，可以進行仿真實驗、優(yōu)化實驗、比較運行實驗、蒙特卡洛實驗、敏感性分析實驗等，學生可以通過這些實驗對模型進行優(yōu)化，同時也可以獲取準確的結果。Anylogic自帶的條形圖、折線圖等統(tǒng)計圖表以及各種控件都不需要大量編程只需要拖拽就可以使用。這些功能都減少了學生的工作量，同時增強了仿真模型的展現(xiàn)形式。

第四、Anylogic具有豐富的示例模型庫，為教學提供了案例分析和建模仿真提供了參考。Anylogic軟件本身自帶100多個示例模型，從內容上看，包括了供應鏈、物流、醫(yī)療、制造業(yè)、交通、資產管理、社會和生態(tài)動力學多個方面;從建模方法上看，有離散事件建模、系統(tǒng)動力學建模、多Agent建模，系統(tǒng)動力學與多Agent混合建模等模型。在授課時，通過解析示例模型，讓學生更好地理解課程內容。例如，以二級急救中心模型和MEGA購物中心模型為案例，結合建模過程，詳細剖析模型的構架、流程和數(shù)據(jù)處理的理論與方法，讓學生深入理解離散事件建模的內在邏輯。

三、教學實踐與效果

（一）課程教學體系設計

作者授課對象是信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)的大學三年級學生，學生經過兩年的基礎課和專業(yè)課學習，已經初步掌握的本門課程所需要的理論知識和計算機技術，包括高等數(shù)學、運籌學、概率統(tǒng)計、經濟學、管理學、數(shù)據(jù)結構、Java等?！豆芾硐到y(tǒng)模擬》課程教學體系設置遵循以應用為目標、實踐為主線、能力為中心的理念，將課程教學、上機實踐和課程考核融為一個有機整體。為了達到這一個目的，我們設計了《管理系統(tǒng)模擬》教學框架（如圖1所示），將Anylogic軟件平臺功能和教學內容緊密結合，突出模擬仿真實踐環(huán)節(jié)。

從課程教學框架的設計來看，整個教學體系分為四層：第一層為基礎理論課程，是本課程教學的基礎支撐;第二層為課堂教學，是課程的模型和方法支撐;第三層為上機實踐，是課程的技術支撐;第四層為課程考核，是課程教學的目標支撐。這四層不是彼此隔離的，在整個教學、實踐和考核環(huán)節(jié)相互聯(lián)系，形成了課程教學的有機整體。

課程教學分為課堂理論教學和上機實驗兩個環(huán)節(jié)。這門課程共計48學時，鑒于課程的實踐性較強的特點，將其分為課堂理論講解24學時，實驗室上機24學時，而且上機實踐和課堂教學同時進行。理論教學內容包括：管理系統(tǒng)模擬簡介、基本的數(shù)學和統(tǒng)計識回顧，管理系統(tǒng)模擬的本質和流程，離散系統(tǒng)模擬原理、系統(tǒng)動力學模擬、多智能體模擬和元胞自動機系統(tǒng)模擬等。上機實踐分為兩部分，一是Anylogic軟件學習，主要包括行人庫、交通庫、狀態(tài)圖、參數(shù)設置。二是建模仿真過程學習，學習流程為問題選擇、模型設計與構建、模型實現(xiàn)、仿真結果分析。

課程考核為小組合作仿真建模，以問題驅動為導向，考核環(huán)節(jié)分步驟進行，緊密圍繞教學和實踐環(huán)節(jié)。（1）課題分組。按照班級實際情況，一般分為十個小組，同時將計算機編程能力強的學生分散到各個小組，實現(xiàn)小組內部建模分析的合理分工;（2）課程報告選題。以理論教學為理論依據(jù)，為仿真模型設計提供背景。在此階段，由于學生剛接觸課程，選題較為盲目，引導學生從Anylogic平臺示例庫的典型案例出發(fā)，尋找與之大致相符經濟管理問題，指導學生查閱相關文獻;（3）開題報告。對項目組選題進行可行性分析，每一小組在課堂上向全班匯報仿真模型設計的意義、內容和實施步驟，并由此論證選題可行性。開題方式不僅有利于各組完善模型，同時也有利于拓展學生研究的視野;（4）課題答辯與課程報告撰寫。上機實踐環(huán)節(jié)完成后，進入課題答辯環(huán)節(jié)，答辯以組為單位匯報研究成果;通過答辯后，小組提交一份完整的課程報告，同時每一學生提交工作總結報告。

（二）教學實踐改進

依據(jù)作者多年的教學經驗和體會認為，《管理系統(tǒng)模擬》教學方式和方法是一個改進和認識提高的過程。將這一個過程可以歸結為如下三個階段。

第一階段以課程理論教學為主，課堂軟件展示為輔。采取以授課為主，讓學生理解每章知識的意義與原理;課堂上演示Arena、Vinsim、Repast、Swarm和Anylogic軟件解決離散系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和多智能體模型建模過程，讓學生簡單了解仿真建模過程。課程考核以筆試為主，課堂表現(xiàn)為輔的方式。但是，這種教學方式割裂了課程各章之間內容的連續(xù)性。雖然學生在課上理解了課程內容，但是缺少上機實踐環(huán)節(jié)配合，學生難以從理論上理解模型內涵。

第二階段以Anylogic軟件學習為主，課堂理論教學為輔。鑒于第一階段教學存在的問題，筆者改變了教學學時的分配，選擇了24學時課堂授課，24學時上機實踐。在授課時依舊采取之前的方式，讓學生逐步理解課程內容。教學重心轉移到上機實踐，過多強調Anlogic軟件的學習與應用，試圖通過學生建模仿真的充分實踐，加深對課程內容理論、模型和方法的理解。但是出現(xiàn)了理論與實踐脫節(jié)的問題，具體表現(xiàn)為：第一，學生經過實地調研，建立了面向問題的仿真模型，但是缺乏理論支撐，缺乏理論層面的深入探究，出現(xiàn)了為了做模型而做模型的問題;第二，大多數(shù)小組做的模型都是利用Anylogic自帶的插件庫如行人庫、軌道交通庫來建模，但是對課程內容涉及到的理論與模型理解不透徹，導致對Anylogic軟件提供的模型設計與構建的流程了解不清晰。

第三階段是課程理論教學和上機實踐并重。通過前兩個階段的教學效果對比與總結，對課堂授課和上機實踐進行了針對性改進。在授課時，結合Anylogic軟件提供的模型與案例有針對性的講解每一章內容知識點。在上機實踐中，更強調對學生建模仿真的全過程跟蹤與指導。課程教學方式改進后，學生不僅深刻理解了課程理論與方法，而且熟練掌握Anylogic建模流程、程序設計與實現(xiàn)的能力。

四、結語

本文針對《管理系統(tǒng)模擬》教學中理論涉及面寬、方法多樣無法與課程有效結合的問題，在多年教學實踐與改進的過程中，提出了基于Anylogic平臺的課程教學模式。這一教學方式的改進，不僅降低了教學的難度，更調動了學生學習《管理系統(tǒng)模擬》課程的積極性，提高學生綜合運用知識解決問題的能力。本文歸納如下幾點實踐經驗，為這門課程的教學改革提供借鑒。第一、Anylogic軟件可以為系統(tǒng)管理模擬教學提供有效支撐。第二、理論講解與上機實踐有機結合，豐富教學內容，調動學生積極性，提高了教學效果。第三、采用課程答辯與課程報告相結合的考核方式，確保教學目標實現(xiàn)。第四、鼓勵學生實地調研，貼近社會，增長見識;閱讀文獻，豐富理論基礎。第五、創(chuàng)建師生交流平臺，通過不斷的交流與經驗更新教學方法。

參考文獻：

[1] 王小林，趙敏.基于問題驅動的《管理系統(tǒng)模擬》教學模式研究[J].長江大學學報（自科版），2015，12（31）：71-74，7.

[2] 廖瑛，陸斌，鄧方林，梁加紅.仿真語言及仿真軟件的現(xiàn)在與展望[J].計算機工程與科學，1999，（1）：10-15.

[3] 張征.基于GPSS語言的《管理系統(tǒng)模擬》課程教學初探[J].江蘇大學學報（高教研究版），2006，（2）：86-88.

[4] 姜林奇.管理系統(tǒng)模擬與GPSS語言[M].北京：清華大學出版社，2000.

[5] 蔡建峰.管理系統(tǒng)模擬[M].機械工業(yè)出版社，2007.

[6] 肖人彬.管理系統(tǒng)模擬[M].電子工業(yè)出版社，2009.

[7] Borshchev A.Multi-method modelling： AnyLogic： Discrete-Event Simulation and System Dynamics for Management Decision Making[M].John Wiley & Sons Ltd，2014.

[8] 程賁，李興兵，魯延京，et al.基于Agent的居民就醫(yī)選擇建模與仿真[J].系統(tǒng)工程，2009，（9）：96-101.

[9] 桂壽平，吳冬玲.基于Anylogic的五階供應鏈仿真建模與分析[J].改革與戰(zhàn)略，2009，25（1）.