simpy

SimPy 是一个基于标准 Python 的进程式离散事件仿真框架。可以用它建模实体（如顾客、车辆、数据包等）随时间相互交互、并竞争共享资源（如服务器、机器、带宽等）的系统。

【核心能力】

• 使用 Python 生成器函数进行进程建模；
• 共享资源管理（服务器、容器、仓库）；
• 事件驱动的调度与同步；
• 与真实时钟同步的实时仿真；
• 监控与数据采集。

【适用场景】 适合以下情况使用：

• 建模离散事件系统——事件在非规则时间间隔发生的系统；
• 资源竞争——实体竞争有限资源（服务器、机器、人员）；
• 排队分析——研究等待队列、服务时间和吞吐量；
• 流程优化——分析制造、物流或服务流程；
• 网络仿真——数据包路由、带宽分配、延迟分析；
• 容量规划——确定达到目标性能所需的最优资源水平；
• 系统验证——在实施前测试系统行为。

不适合：固定时间步的连续仿真（可考虑 SciPy ODE 求解器）、无资源共享的独立进程、纯数学优化（可考虑 SciPy optimize）。

【快速开始】 基本仿真结构：

import simpy

def process(env, name): """A simple process that waits and prints.""" print(f'{name} starting at {env.now}') yield env.timeout(5) print(f'{name} finishing at {env.now}')

env = simpy.Environment() env.process(process(env, 'Process 1')) env.process(process(env, 'Process 2')) env.run(until=10)

资源使用模式：

import simpy

def customer(env, name, resource): """Customer requests resource, uses it, then releases.""" with resource.request() as req: yield req # Wait for resource print(f'{name} got resource at {env.now}') yield env.timeout(3) # Use resource print(f'{name} released resource at {env.now}')

env = simpy.Environment() server = simpy.Resource(env, capacity=1)

env.process(customer(env, 'Customer 1', server)) env.process(customer(env, 'Customer 2', server)) env.run()

【核心概念】

1. 环境（Environment）：仿真环境管理时间并调度事件。

import simpy

env = simpy.Environment(initial_time=0)

import simpy.rt env_rt = simpy.rt.RealtimeEnvironment(factor=1.0)

env.run(until=100) # Run until time 100 env.run() # Run until no events remain

1. 进程（Processes）：进程使用 Python 生成器函数（带 yield 语句的函数）定义。

def my_process(env, param1, param2): print(f'Starting at {env.now}') yield env.timeout(5) print(f'Resumed at {env.now}') yield env.timeout(3) print(f'Done at {env.now}') return 'result'

env.process(my_process(env, 'value1', 'value2'))

1. 事件（Events）：事件是进程同步的基本机制。进程 yield 事件，并在事件被触发时恢复执行。常见事件类型包括：env.timeout(delay)、resource.request()、env.event()、env.process(func())、event1 & event2（等待全部事件 AllOf）、event1 | event2（等待任一事件 AnyOf）。

【资源类型】

• Resource：有限容量（服务器、机器）
• PriorityResource：基于优先级的排队
• PreemptiveResource：高优先级可中断低优先级
• Container：散装物料（燃料、水）
• Store：Python 对象存储（FIFO）
• FilterStore：选择性取项
• PriorityStore：按优先级排序的项

import simpy

env = simpy.Environment() resource = simpy.Resource(env, capacity=2) priority_resource = simpy.PriorityResource(env, capacity=1) fuel_tank = simpy.Container(env, capacity=100, init=50) warehouse = simpy.Store(env, capacity=10)

【常见仿真模式】 模式 1：顾客-服务台队列（含随机到达与服务时间，代码略）。 模式 2：生产者-消费者（通过 Store 的 put/get 协作，代码略）。 模式 3：并行任务执行（用 & 等待多个进程全部完成，代码略）。

【工作流程】 步骤 1：定义系统——明确实体、资源、进程与要测量的指标（等待时间、利用率、吞吐量）。 步骤 2：实现进程函数——为每种进程类型创建生成器函数，包含到达、请求资源、服务、离开等逻辑。 步骤 3：设置监控——可用 scripts/resource_monitor.py 中的 ResourceMonitor 等工具采集数据。

from scripts.resource_monitor import ResourceMonitor

resource = simpy.Resource(env, capacity=2) monitor = ResourceMonitor(env, resource, "Server") monitor.report()

步骤 4：运行与分析——运行仿真后生成报告并导出数据。

env.run(until=simulation_time) monitor.report() stats.report() monitor.export_csv('results.csv')

【高级特性】

• 进程交互：通过事件、进程 yield 和中断进行协作；核心机制包括事件通知、等待其他进程完成、中断以强制恢复进程（用于抢占）。
• 实时仿真：与真实时钟同步，适合硬件在环或交互式应用。

import simpy.rt

env = simpy.rt.RealtimeEnvironment(factor=1.0) # 1:1 time mapping

• 综合监控：监控进程、资源和事件，包括状态变量跟踪、资源 monkey-patching、事件追踪和统计采集。

【脚本与模板】

• basic_simulation_template.py：构建队列仿真的完整模板，含可配置参数、统计采集、顾客生成、资源使用和报告生成。

from scripts.basic_simulation_template import SimulationConfig, run_simulation

config = SimulationConfig() config.num_resources = 2 config.sim_time = 100 stats = run_simulation(config) stats.report()

• resource_monitor.py：可复用的监控工具，含 ResourceMonitor、MultiResourceMonitor、ContainerMonitor、自动统计计算和 CSV 导出。

from scripts.resource_monitor import ResourceMonitor

monitor = ResourceMonitor(env, resource, "My Resource") monitor.report() monitor.export_csv('data.csv')

【参考文档】 references/resources.md（所有资源类型及示例）、references/events.md（事件系统与模式）、references/process-interaction.md（进程同步）、references/monitoring.md（数据采集技巧）、references/real-time.md（实时仿真设置）。

【最佳实践】 始终在进程函数中使用 yield；使用 with resource.request() as req: 自动清理；设置 random.seed() 保证可复现；在整个仿真过程中采集数据；用解析解验证简单案例；为进程逻辑和参数选择添加注释；分离进程逻辑、统计与配置。

【常见陷阱】 忘记 yield；重复触发事件（事件只能触发一次）；资源泄漏（使用上下文管理器或确保释放）；进程中使用阻塞操作；时间单位不一致；死锁（确保至少一个进程能推进）。

【示例用例】

• 制造业：机器调度、生产线、库存管理；
• 医疗：急诊室仿真、患者流、人员分配；
• 电信：网络流量、数据包路由、带宽分配；
• 交通：交通流、物流、车辆路径；
• 服务运营：呼叫中心、零售结账、预约排程；
• 计算机系统：CPU 调度、内存管理、I/O 操作。