（机械电子工程专业论文）离散制造企业生产物流系统建模与仿真.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 生产物流系统是典型的离散事件动态系统( d e d s ) ，受到很多随机因素影响且难以用 数学方法解析。本文在系统分析制造企业物流现状和离散事件系统方法理论的基础上， 应用p e t r i 网建模工具和e m - p l a n t 生产物流仿真软件，对企业生产物流系统进行了建模 仿真。 首先引入p e t r i 网理论，建立了x 企业物流流程p e t r i 网模型；明确了以马尔科夫 状态转移过程为核心思想的逻辑流程以及指标算法，从而对案例进行定性与定量的分析， 给出了采购、制造环节的平均延时计算公式。在此基础上，为优化x 企业物流业务流程、 提高管理水平，提出了相应的建议和改进措施。 针对离散系统的不确定性问题，本文对物流系统进行产能估算，利用仿真手段得出 了区别传统定值产能的产能波动值；同时研究了系统随机因素如工时波动、设备故障和 紧急订单等，提出了一种通过比较工序工时对系统产能干扰影响程度大小来确定瓶颈环 节的新方法。 在对x 企业内物流业务流程p e t r i 网建模和生产物流系统随机仿真的基础上，定义 了生产物流系统可靠性的概念，构建了生产物流系统可靠性框架组成，在前人的研究基 础上，重点研究了串、并联生产线可靠性和紧急订单的定量评价。同时提出了基于生产 线稳健性的优化措施如定期检修、设置安全库存、加强制度规范等。 生产物流系统是非常复杂的离散动态系统，需从各个角度进行深入和综合的研究。 本文的研究为制造企业优化生产，提高物流管理水平，保证生产物流系统可靠度提供了 研究思路。 关键词：生产物流；离散随机；可靠性：仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t p r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e mi sat y p i c a ld i s c r e t ee v e n td y n a m i cs y s t e m ( d e d s ) w h i c h c o n t a i n sm a n yf a c t o r s s o m eo ft h e ma r ed i f f i c u l tt oa n a l y z et h r o u g hm a t h e m a t i c a lm o d e l t h e r e f o r e ，a r e r 锄a l y z m gt h es t a t u so fm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s el o g i s t i cs y s t e m ，b a s e do nt h e t h e o r yo fd i s c r e t ee v e n ts y s t e m ss i m u l a t i o na n dm o d e l i n g ，t h i sp a p e rm o d e l sa n ds i m u l a t e so n t h el o g i s t i c ss y s t e mw i t ht h eh e l po fp c t r in e t sa n de m p l a n ts o f t w a r e f i r s t l y , t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ep e t r in e tt h e o r yt ot h ep r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e m t h e n , ap e t r in e tm o d e lb a s e do nx c o m p a n y sl o g i s t i c sp r o c e s s e si se s t a b l i s h e d t h i r d l y , i td e a r l y e x p l a i n st h el o g i c a lp r o e c s sa n di n d e xa l g o r i t h mb yu s i n gt h ec , o r ei d e ao fm a r k o vs t a t e s t r a n s i t i o np r o c e s s l a s t l y , t h i sa r t i c l ea l s op r o p o s e sm e a s u r e sf o ri m p r o v e m e n ta n ds u g g e s t i o n s f o rt h ep r o b l e m so f x e n t e r p r i s e sl o g i s t i c sp r o c e s s e s f o ru n c e r t a i n t yi nt h ed i s c r e t es y s t e m ，i ti sn e c e s s a r yt oe s t i m a t et h ec a p a c i t yo ft h e l o g i s t i c ss y s t e mf i r s t l y s o ，t h er e s u l to fc a p a c i t yf l u c t u a t i o ni sg e t 诵lt h eh e l po f s i m u l a t i o n m e t h o dw h i c hd i s t i n g u i s h e st h et r a d i t i o ns e t t i n gp r o d u c t i o nb yu s i n gt h em e t h o do fp r o b a b i l i t y s t a t i s t i c s l a t e ro n ，t h er a n d o me v e n t ss u c ha sf l u c t u a t i n go fw o r k i n gt i m e ，e q u i p m e n tf a i l u r e s a n de m e r g e n c yo r d e r si nt h es y s t e ma r ea l s os t u d i e dt os e tu pan e wm e t h o dw h i c hc a n d e t e r m i n et h eb o t t l e n e c k sb yc o m p a r i n gt h ew o r k i n gp r o c e s st i m et h a th a sg r e a ti n f e c t i o no n t h eo u t p u to ft h es y s t e m t h r o u g ht h em o d e l i n go fxc o m p a n y sl o g i s t i c sp r o c e s s e sb yu s i n gt h ep e t r in e ta n d s t o c h a s t i cs i m u l a t i o no nt h ep r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e m ，t h i sp a p e rd e f i n e st h ec o n c e p to f r e l i a b i l i t yo fp r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e ma n de s t a b l i s h e st h er e l i a b i l i t yf r a m e w o r ko fl o g i s t i c s s y s t e m b a s e do np r e v i o u ss t u d i e s ，i tf o c u s e so nt h er e l i a b i l i t yo fs e r i e sa n dp a r a l l e lp r o d u c t i o n l i n e sa n dq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o no ft h ee m e r g e n c yo r d e r s t h e n ，as e r i e so fo p t i m i z a t i o n m e a s u r ea r ep r o p o s e d f o re x a m p l e ，t h er o b u s t n e s sm e a s u r ew h i c hc a ni m p r o v et h er o b u s t n e s s o ft h el o g i s t i c ss y s t e m ；m e a s u r e sr e l a t e dt op r o d u c t i o nl i n ei n c l u d i n gr e g u l a rm a i n t e n a n c e ， s e t t i n gs a f e t ys t o c ke t c ；m e a s u r e sr e l a t e dt or e l i a b i l i t yo fw o r k si n c l u d i n gs t r e n g t h e n i n gt h e m a n a g e m e n t ，s p e c i f y i n gs y s t e ma n dt h eu s eo f h u m a nf a c t o r si nt h em a n a g e r n c n t p r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e mi sav e r yc o m p l e xd i s c r e t ed y n a m i cs y s t e mw h i c hn e o d f u r t h e rs t u d yf r o ma l lp o i i l to fv i e w t h r o u g ht h es t u d yi nt h ep a p e r a uo fw h i c he s t a b l i s ha s t e a d yb a s i cf o rt h es t u d yo f p r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e mr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：p r o d u c t i o nl o g i s t i c s ；d i s c r e t es t o c h a s t i c ；r e l i a b i l i t y ；s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景 生产物流是现代生产的重要组成部分。随着生产力水平和日益提高，生产物流系统 中所蕴藏的巨大潜力越来越引起人们的注意。在提高加工制造设备本身能力与效益的同 时，挖掘物流潜力，追求提高生产系统的总体效益已经成为生产现代化的重要标志之一。 中国作为制造大国，目前存在的主要问题就是生产制造系统的高效率与物流系统的低效 率越来越不适应。因此，改善物流系统整体性能是我国制造企业发展的关键。 本课题来源于成都市某路桥机械股份公司与西南交通大学共同协作的“企业生产物 流管理改进 的研究项目。本文对该公司生产物流系统改造过程进行了全面的跟进研究。 在离散环境下，运用建模工具p e t r i 网和物流仿真软件e r a - p l a n t 对企业生产物流进行建 模和仿真优化，并提出企业生产物流系统的稳健设计的相关措施，可为中小制造企业进 行生产物流系统改造提供有益的参考。 1 2 生产物流概述 1 2 1 生产物流的概念 生产物流【1 1 指的是企业在生产工艺中的物流活动，它是生产工艺的一部分。物流术 语国家标准对它的定义是：生产过程中原材料、在制品、半成品、产成品等在企业内 部的实体流动。 生产物流是企业物流的重要环节。它是企业在生产工艺中重要的物流活动。在制造 企业，物料总是不停流动着，它伴整个生产工艺过程而生，实际上已经是生产工艺过程 的一部分了。因此，生产物流应按照生产工艺流程来组织【2 】。 1 2 2 生产物流的类型和特点 在制造型企业中，主要存在单件生产、大量生产、成批生产三种生产物流类型【3 1 。 企业应根据实际生产及自身条件选择合适的生产物流类型： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 大量生产。大量生产方式的特点是生产的品种少，每一种产品的产量相对较大， 生产的重复性高。同时这类产品在定时期内具有相对稳定的需求： 单件小批生产。单件生产主要面对项目的定制型生产。单件小批生产方式的特点 是，产品繁多，一般由客户定制，而且每类产品只生产少量或只一件。一般不重复生产。 因此，生产对象不断变化，生产设备和物流装备必须采用通用性原则。在生产状态复杂 多变的情况下，一般应按工艺专业化原则，采用机群式布置的生产物流组织形式； 成批生产。成批生产方式则是介于上述两类之间，品种不单一，每种产品也有一 定的批量。成批生产方式生产的对象是通用产品，生产具有重复性，介于大量生产和单 件小批生产之间，在生产物流管理上根据轮番重复生产这一特征，可以按对象专业化原 则组织生产。 物流不仅是生产不断进步的前提，而且它伴随着生产也实现了本身价值的增值。企 业物流与企业生产密切相关，企业生产的特点决定了其生产物流具有下列特征【4 】： ( 1 ) 生产过程复杂。生产大多伴随着复杂的物理化学反应等，生产数据多，处理 量大，系统状态不断发生变化和转移； ( 2 ) 集成。各种资源的集成使得系统各部分之间的关联非常紧密，因而各种活动 之间的关系非常紧密； ( 3 ) 资源约束。一个流程工业中的各种资源都有一定的限制，这样使得流程工业 的设计和运行必须要考虑这些因素所造成的约束条件： ( 4 ) 不确定性。包括各种外部干扰、内部干扰和人的因素等造成的不确定性。 1 2 3 生产物流系统理论分析方法 企业物流进行优化时应把整体化和系统化放在第一位，使物流系统整体性能最好， 整体效益最好。对生产物流系统进行规划、管理，选择最优的物流方案，主要应用的科 学理论方法及介绍如下： 企业物流进行优化时应从整体化和系统化放在第一位，使物流系统整体性能最好整 体效益最好。对生产物流系统进行规划，管理，选择最优的物流方案，主要应用的科学 理论方法包括： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 1 ) 数学规划方法。数学规划方法是比较常用的优化方法，包括静态和动态优化规 划法，主要运用线性规划、整数规划、非线性规划等数学规划技术，在不违背一组规定 的约束条件下，优化一个可量化的目标函数。适合于随机性不强，变量不多，可以用数 学模型建立的系统。通常可以找到理论上的最优解。 ( 2 ) 排队和排队网络方法。排队与排队网络的方法原理来源于数学中的图论，在生 产物流系统中，物料排队等待加工的时间占物流时间的一大部分，因此，减少物料在生 产加工系统中的排队时间和排队长度，可以节约库存费用。并且根据排队论可以估算出 待在队列中等待加工的零件数量，零件的等待时间，和机器设备空闲的概率等。根据这 些估计值可以选择改变某些变量来改善系统。 ( 3 ) 系统仿真法。仿真方法是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算机 理论基础上的，能解决数学规划或排队理论所不能解决的那些复杂的随机系统分析和建 模的问题。比较适合生产物流系统这样复杂的离散事件系统。 目前，主要的系统仿真方法有离散事件仿真d e s ( d i s c r e t ee v e n ts i m u l a t i o n ) 、面 向对象仿真o o s ( o b j e e to r i e n t e ds i m u l a t i o n ) 、多代理仿真m a b s ( m u l t i a g e n tb a s e d s i m u l a t i n ) 、高级分布式仿真a d s ( a d v a n e e dd i s t r i b u t e ds i m u l a t i o n ) 等。 1 3 研究现状及趋势 1 3 1 生产物流系统研究存在的主要问题 目前国内物流研究主要面临以下几个问题【5 】： ( 1 ) 主观方面 对物流的理解落后，尤其是国企重工艺轻物流。决策层理解的偏差影响了物流系统 的优化、重组或再建。 ( 2 ) 客观方面 企业生产总体布局不合理，设施布置和物流系统的配置也不合理，带来了很多生产 方面的问题： 物料流混乱，因为缺乏物流专门管理人员导致的物料停滞、交叉、迁回、倒流、 跳跃和拥挤状态：重复搬运和无效搬运较多； 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 时间占用多，产品交货时间长。如：在国内多数中小型制造业中，有9 0 - - 9 5 为物料的停顿或等待时间； 空间浪费大，机械制造企业的各种仓库与存储区的面积占到全厂生产面积的 4 0 5 0 。 ( 3 ) 功能及管理方面 物流的专业功能及管理不完善，企业物流与社会物流的衔接脱节； 物流管理的基础工作薄弱，效率低； 库存管理控制达不到最佳状态，不能根据企业所面临的实际情况来柔性控制库 存； 物流、信息流和资金流的结合不紧密，缺少与生产工艺、管理的协调与配合， 信息沟通也困难。 ( 4 ) 物流基础设施及技术装备方面，基础技术装备落后，自动化程度低。 ( 5 ) 物流组织结构及运行体制 物流组织结构不适应生产和市场变化的需求，内部协调不力；多品种、小批量的生 产模式无法实行。运输路线固定或运输周期确定，对工位器具的选用，工位存放的数量 和存放地点都有很大盲目性。 ( 6 ) 物流成本方面，物流系统并没有采取总成本控制，物流成本模糊，各种浪费普 遍存在。 1 3 2 国内外研究现状 生产物流系统是一种典型的离散事件动态系统( d i s c r e t ee v e n td y n a m i cs y s t e m ， d e d s ) 。对于复杂系统来说，其程序复杂，因此在使用数学方法进行求解时难度较大。为 了简化模型的求解，人们开发出了许多的建模技术，包括排队网路( q u e u i n gn e t w o r k ， q w ) 、扰动分析法( p e r t u r b a t i o na n a l y s i s ) 、极大代数法( m a xa l g e b r am e t h o d ) 、p e t r i 网掣6 】。本文运用p e t r i 网对生产物流系统进行建模。下面简单介绍一下p e t r i 网的发 展及运用情况。 p e t r i 是图形建模方法，通过建立p e t r i 网可以将整个系统内部的相互关系运用网 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 络图形的形式表示出来。随着此种方法的发展，国内学者对于p e t r i 网模型的研究也逐 渐增加。如：田娥【7 】博士在对机务段的信息化系统开发过程中运用p e t r i 网建模技术表 示系统的开发过程；张颖【8 】通过建立p e t r i 网模型来对车间的平衡情况进行分析；刘惠 玲【9 】在研究汽车企业的生产物流系统时，建立了一种赋时着色p e t r i 网。国外学者关于 p e t r i 网技术的研究主要集中在两个方面：一是运用p e t r i 网建立仿真系统以此来对所 关注的问题进行分析，如学者a a l s t i o 】创建了一种e x s p e c t 工具来对系统分析；另一种 是通过建立c o l o r e dp e t r in e t s ( 着色p e t r i 网) ，结合编程语言来对问题分析，这方 面的运用读者可以参考相关的研究论文。 随着计算机技术的发展，系统仿真技术开始得到研究人员的广泛关注。系统仿真技 术作为一门新兴的学科，其通过将实际系统转化成计算机可识别的模型，通过模拟仿真 来对实际系统进行分析研究。随着仿真技术的发展的成熟化，其在设备参数分析、资源 的安排、企业作业调度等方面的运用也逐渐展现出优势。在这样的形势下，国内外的学 者们对物流仿真技术开展了更广泛的研究。 国内外对物流系统仿真建模进行大量的研究。n a m k c l l o 】等通过设计出4 种仿真场景 来对g a l n l n a n 集装箱港口的发展进行评估，并根据评估结果对港口的泊位户以及岸桥的 数量重新设计和优化：i b m 根据公司售后服务网络复杂化的特点，开发出了一套关于零 配件的库存管理系统以此来对其售后服务网络进行简化；大连理工大学【1 1 】的学者通过运 用w i t n e s s 软件建立出配送中心的物流系统仿真模型，以此来对顾客订单等待情况的仿 真，从而最大化的对物流配送系统实施改进；子庆型1 2 】为了实现苏州博世公司的库存管 理目标，运用w i t n e s s 开发出了一套关于供应链库存系统的仿真模型。此外，国内学者 施围通过采用e x t e n d 仿真软件对电路板生产系统物流情况进行了模拟。 1 4 课题的研究意义 回顾现代物流在国内的发展，我国物流技术的研究相对于发达国家比较起步晚，集 中在高等学校和少数研究所，研究内容包括物流技术等，所以物流技术发展的极不均衡。 这个不均衡主要表现在，过多的关注企业外部物流，而忽视了生产过程中工厂内部的生 产物流；更侧重宏观、中观物流，不太重视微观物流；更关注知识、概念性的东西，而 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 不太重视具体的、操作性的东西。一言以蔽之，企业生产物流的研究没有做好。虽然当 今社会，第三方物流企业方兴未艾，第四方物流的概念也在形成，企业物流外包渐渐流 行。但是，对于多数制造企业来说，始终会有着的核心生产活动，企业的生产物流是必 须存在的。 激烈的市场竞争导致制造企业的管理水平必须提高，所以得借助于现代物流理论及 计算机仿真技术来提高企业的物流管理状况，降低企业成本，增强企业的市场竞争力。 因此，本文在制造企业生产物流流程和控制优化方面提出了建议，并根据生产实际，运 用建模及仿真技术进行系统建模，提出可操作的、经济的优化方法。具体意义如下： ( 1 ) 提高制造企业的物流管理水平。作为制造企业物流管理重要部分的生产物流， 对其管理的好坏直接决定了生产成本的多少和生产效率的高低： ( 2 ) 从技术与管理相结合的角度为企业生产物流优化提供指导。近年来，企业的技 术有着很大的进步，但是物流管理却没有跟上，出现了只知道从技术上进行改进的做法， 本文试图从管理与技术相结合的角度对企业生产物流进行改善； ( 3 ) 为企业生产物流优化提供一种新的思路和方法。离散制造企业的物流系统优化 因为生产系统的复杂而变得十分困难，一般是部分或局部优化，而这样做的很容易导致 系统其他部分恶化，最终导致系统性能并没有得到提高。另外，在实际生产过程中的突 发事件对生产进度也造成了一定的干扰。本文将采用e m - p l a n t 仿真软件对企业的生产物 流进行系统研究，在充分考虑随机因素存在于实际生产中的情况下，通过系统的动态运 行，快捷识别出生产物流中的瓶颈节点，确定重点监控环节。利用e m o p l a n t 的优化模块， 可以使系统各节点参数在给定的数值范围内得到优化，从而保证整个生产物流系统的优 化。 1 5 课题研究的主要内容和结构安排 本文主要是在对离散型制造企业生产物流系统进行系统分析的基础上，根据离散事 件系统理论，利用p e t r i 网建模工具和e m - p l a n t 生产物流仿真软件对企业生产物流系统 进行仿真建模。本文首先界定研究范围，将p e t r i 网理论引入到了生产物流研究中，建立 企业生产物流流程的p e t r i 网模型：再利用生产物流仿真软件e m p l a n t 建立仿真模型， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 对生产物流中的随机因素进行分析优化；最后提出基于可靠性理论的生产物流系统的稳 健优化设计措施。 本论文的结构安排如下： 第一章介绍本论文的提出背景，研究目的和意义，国内外研究现状以及本论文的 研究内容及结构安排。 第二章介绍离散事件系统仿真的一般理论和方法，并着重介绍了p c t r i 网和e m p l a n t 建模仿真工具，并将可靠性理论用于企业生产物流系统。 第三章从系统角度对某桥梁支座企业物流业务流程进行建模分析，运用p e t r i 网建 模工具对物流流程进行定性和定量分析，并提出了相应的流程改进优化措施。 第四章从离散角度研究时间不确定性、设备故障等随机因素对生产能效指标的影 响，通过建模仿真确定瓶颈设备和薄弱环节；针对紧急订单，运用算法得出离散制造环 境下的最优订单排序。 第五章在仿真研究的基础上，将可靠性理论引入生产物流系统管理中，通过分析 企业生产物流系统的可靠性组成框架，重点对生产线可靠性和紧急订单可靠性进行定量 评价，提出生产物流系统可靠性的稳健优化设计措施。 第六章全文总结和展望。 1 6 本章小结 作为本论文的开篇，本章首先介绍了本课题的提出背景，在对国内外研究现状进行 综合分析的基础上介绍了j 本论文的研究目的及意义，最后提出了本文所要研究的具体内 容及本论文的结构安排。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章离散动态系统建模与仿真技术 生产物流作为制造企业的一个重要环节，对整个企业生产的运行效率起到重要影响 作用。生产物流系统是一个复杂的随机系统，有很多事件是随机分布的，如机器加工时 间的随机分布、叉车运输物料的时间随机分布、机器故障的随机分布，突发事件的随机 分布，人员作业总量随机分布等。 2 1 离散动态系统的不确定性 2 1 1 离散动态系统的随机性 生产物流系统在制造企业属于复杂、典型离散事件动态系统。 离散动态系统内部实体活动具有不确定性，事件的发生是随机的【1 3 】。离散事件系统 模型和概率分布有关系，这种随机过程的描述是通过概率统计的方法来实现，从已知的 数据中选择最合适的分布形式作为参数用于估计，得到拟合分布，最后得到概率模型。 随机变量在离散事件系统仿真中有非常重要的作用。生产物流系统中，运输工具的 速度，设备运行和故障事件，工人换模准备事件，还有其他设备发生故障和正常工作的 概率等都是服从一定分布的随机变量，所以需要通过拟合方法得到这些随机变量。 2 1 2 离散事件系统中常见的概率分布 常用随机分布数学描述【14 】为： ( 1 ) 正态分布 概率密度函数为： f ( x ，= 击唧b 等) 2 - x 0 为常数。服从参数为五的泊松分布随机变量，其均值和方差均为旯。泊松 分布一般表示生产中物料的投放间隔时间分布。 ( 3 ) 负指数分布【1 6 】 随机变量x 的密度函数为： f(x)=知一船(2-4) 则称x 服从指数分布。指数分布的分布函数为： f ( x ) = 1 - e 咄( 2 5 ) 负指数分布一般用来表示相邻事件的发生间隔，如机器设备的故障时间即服从负指 数分布。 2 2 离散动态系统建模方法 离散事件系统( d e s ) 作为一类常见的系统，如何对这类系统进行描述与建模是离散 事件系统仿真研究的核心内容，其中就涉及到建模的许多概念，本节着重就建模方面的 一些基础概念、方法进行介绍。 2 2 1 离散动态系统模型 系统模型1 7 1 是为了研究系统，收集和描述相关信息的实体。模型是一种抽象，是对 相应的真实关系和对象中有用的和人们所感兴趣的特性的抽象，描述系统的某些本质， 以各种各样的形式提供被研究系统的信息。而模型的描述则是对真实世界中的物体或者 过程中所包含的信息进行形式化的结果。 模型与所研究系统在某一侧面上具有相似的数学或者物理描述。模型是系统的代 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 _ 1 表，是对系统的简化。同时，模型应该足够详细充实，这样才能从模型的实验中取得较 为有效的结论。从某种程度上说，系统模型结构具有简单性、多面性、相似性【1 8 】。模型 是对系统变化规律和特征的抽象表示，系统中所要研究的特定特征变量是模型的核心。 实际系统的组成因素和他们之间的关系，可以通过模型表现出来，有助于解决抽象的实 际系统，具有同类系统的共性。物流系统模型化是指把系统中的各个组成部分之间的关 系方程化，并对各个组成部分规律和特征数量化。物流系统结构和过程的复杂性，在定 性，半定性与定量分析方法的运用下，物流系统模型就能建立起来，从而得到最好的决 策结果【1 9 】。生产物流合理化的前提是必须模型化。模型依据结构形式的不同分为数学模 型，模拟模型，实物模型，图式模型四类【2 0 1 ，具体介绍见表2 1 。 表2 - 1 四种模型比较 分类简介 比较原始模型化方法是现实系统放大后缩小后的表示因而 也称为比例模型。能形象地表达所代表的系统的主要特性和各 实物模型 个组成部分之间结构关系但不能表示数量关系，尤其是不能 揭示要素的内在联系，也不能用于优化。 用图形、图表、符号等将系统的实际状态加以抽象的表现形式 图式模型 如网络图、流程图、p e t r i 网等。在选优中起辅助作用但当维数 大于2 时，其作图的可行性受到了限制。 对系统行为的一种数量描述，对系统及其要素的相互关系用数 学表达式、图形等进行抽象表示。数学模型是是定量化的基础 数学模型，也是科学试验的重要的补充手段，是现代科学管理的重要工 具。但同时数学模型复杂难理解，对于随机性和可变性过多的 系统，数学模型很难建立。 用一种原理上相似，而求解或控制处理容易的系统代替或近似 描述另一种系统，前者称为后者的模拟模型。一般有两种类型 模拟模型 ，一种是可接受输入并进行动态原始的可控模型另一种是用 计算机和程序语言来表达的模拟模型。计算机仿真所建立的模 型就是此类型。 2 2 2p e t r i 网简介 德国科学家c a r l a d a m p e t r i 博士【2 1 】在他所写的论文“c o m m u n i c a t i o nw i t ha u t o m a t a 中提出了一种可以描述物理进程和系统的结合的网状的信息模型，直观地描述“并发” 这一概念，称为p e t r i 网恻。 p e t r ii 鼯j 2 3 1 是用图形来研究系统的组织结构和动态特性，既可以用于静态结构分析， 又可用于动态的行为分析，现己成为许多领域进行系统描述、分析和综合的重要工具。 西南交通大学硕士研究生学1 , 2 论文第1 1 页 _ i ii i i | ii _ - _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i 对于具有并发、异步、分布并行、不确定性和或随机性的信息处理系统，都可以利用这 种工具构造出相应的p e t r i 网模型，然后对其进行分析，即可得到有关系统结构和动态 行为方面的信息，根据这些信息就可以对所研究的系统进行评价和改进。 p e t r i 网着眼于系统中可能发生的各种变化和变化间的关系。p e t r i 网的系统模型 特征包括状态的可达性、位置的有界性、变迁的活性、初始状态的可逆性、变迁之间的 坚挺性、事件之间的同步距离和公平性等。分析方法依赖于可达树、关联矩阵与状态方 程、不变量分析和分析化简规贝i j t 2 4 。 p e t r i 网作为一种直观、形象的图形工具，可以使用标记( t o k e n ) 来模拟系统的动态 行为和并发活动，并且可以建立状态方程、代数方程以及系统行为的其他数学模型【2 5 】， 因此，实际工作者和理论工作者都可以根据需要使用p e t r i 网进行科学研究。 所以，p e t r i 网适合于离散事件系统建模，在制造系统的建模与仿真中应用最为普 遍，而本文研究的生产物流系统属于典型的离散事件动态系统( d e d s ) ，具有并发、异步、 分布、并行、不确定性和随机成分瞄】，因此可以使用p e t r i 网进行描述和分析。 2 3 离散动态系统仿真 2 3 1 仿真的基本概念 系统仿真【2 7 】是针对真实系统建立相关模型，用模型代替真实系统进行各种试验，从 而进行系统性能研究的方法。 成功的系统仿真模型能直接或间接地反复效仿出真实系统的各种静态或动态活动， 记录动态过程的瞬间状况，并提供研究分析系统所需的数据，使人们通过分析模型，了 解并把握系统运行的本质规律。 目前，系统仿真一般指是使用计算机建立和运行系统模型，通过计算机演示系统中 有关要素的变化状况，模拟出真实系统运行的状况及随时间变化的规律，在计算机上实 现所要进行的系统试验的全过程【2 引。通过对仿真模型运行过程的观察和统计，可收集有 关被仿真系统的各种变量变化状况及参量数据，进行系统基本特性的研究。这些由计算 机仿真得出的数据和基本特性，结合真实系统经过进一步的统计分析，就可进行真实系 统的性能和实际参数值的估计和推断，进而反映出系统运行的本质规律，做出建立或改 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 进系统的决策。 通常，计算机仿真包括三个要素，即系统、模型和计算机】。联系这三个要素的有 三项基本活动：分析系统、建立仿真模型和实验【3 0 1 。计算机仿真三要素与三项基本活动 之间的关系如图2 1 所示。 囡、i ，、 建立系统模型7 、仿真实验 、 圭一 臣 1 如真筷r 叫竭 图2 - 1 计算机仿真三要素及其关系 2 3 2 离散动态系统仿真的一般步骤 对于每一个成功的仿真研究项目，其应用都包含着特定的步骤。不论该研究的类型、 目的如何，仿真的过程是保持不变的。一般要进行如下9 步【捌： 图2 - 2 离散动态系统仿真的基本步骤 ( 1 ) 问题定义 一个模型不可能呈现出被模拟的现实系统的所有方面，一方面因为太费时，另外一 方面这样也是非常不经济甚至是不可能的。因此比较好的做法就是：先对问题进行定义， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 后针对问题制定目标，然后构建一个能够完全解决问题的模型。这样才能保证模型能够 解决问题。 ( 2 ) 制定目标 没有目标的仿真研究是毫无用途的。目标是仿真研究所有步骤的方向。系统的定义 是基于系统目标的，目标决定了该做出怎样的假设，决定了应该收集的信息和数据。目 标需要做到清楚、明确和切实可行。 ( 3 ) 描述系统并列出假设 描述系统就是要实现现实系统向模型的转化，这比模型转化为计算机模型要困难得 多，因为这意味着你必须对现实非常了解，并且能够根据目标将其描述出来，在这一过 程中，列出所做的假设是非常必要的。 ( 4 ) 列出所有可能替代方案 在仿真研究中，确定模型早期运行的可置换方案是很重要的，它将影响模型的建立。 在初期阶段考虑替代方案，模型应设计为非常易于转换到替换系统的形式。 ( 5 ) 收集数据和信息 收集数据和信息，除了可以作为模型参数和输入数据外，在验证模型阶段还可以提 供实际数据与模型的运行结果之间的比较。 ( 6 ) 建立计算机模型 在构造计算机模型的过程中，仿真研究目标要放在首位。一般建模过程是分阶段进 行的，即在进行下一阶段建模之前要对本阶段的模型进行验证，以确保正常。 ( 7 ) 验证和确认模型 验证即确认模型的功能是否与设想的系统功能相符，而确认的范围更加广泛，包括： 确认模型是否能够正确反映现实即评估模型仿真结果的可信度有多大。 ( 8 ) 运行模型 在模型得到验证和确认之后，就可以运行模型进行仿真试验了。可以根据不同的需 运行模型，可以改变某一参数，来确定其对模型的影响，可以运行替代模型，以查看比 较其结果。运行方式也有多种，如单步运行，批处理等。 ( 9 ) 结果输出 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 在进行了所需的仿真实验后，就需要对仿真结果进行分析输出，这一部分主要是根 据模拟的目标来解释仿真的结果。系统仿真的基本步骤如图2 2 所示。 本文在参照一般离散动态系统建模步骤，查阅相关文献资料【3 1 】的基础上，提出了针 对生产物流系统仿真的基本步骤，如图2 3 所示。 上 确 模 建 1 初 首i葡 定 型模 ： li 塑里堡翌l 始 是 运 果 仿 简思 j - 一l 逻辑模型卜叫”卜 子系统 卜 参 勺 。 行 真 化路 构毫 数模 -出 目 与 的 型 及 构 构i 信息处理及分控制模型 i 入 分 标 ! 一野蝉一一一一一一 析 建t l _ 一一、涌一一一 图2 - 3 生产物流系统仿真步骤 生产物流模型主要由三个部分构成：物理模型子系统、逻辑控制模型子系统、信息 处理及分析子系统【3 2 】。在每个子系统模块下又包含许多的子模块，如图2 _ 4 所示。本文 结合e r a - p l a n t 软件分别对各个子系统的建立进行了简要说明。 图2 4 生产物流系统仿真模型构建元素逻辑关系图 2 3 3 仿真技术在生产物流系统研究中的作用 由于生产物流系统的复杂性，应用数学方法难以构造模型，提出解析解，此时可以 采用计算机仿真技术对物流系统进行研究3 3 1 。复杂的离散事件会受到各种随机因素的影 响，用仿真来代替数学建模手段研究系统，可以使模型更加贴近实际，结果更加可靠： 另外，运行一次仿真就是对系统抽样，通过仿真可以使研究者观察到模型运行的动态效 果并且根据需要即时修改参数，通过多次仿真获得最优解；最后，仿真作为实际系统的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 再现，反应的是系统的物理和逻辑特征，对各类复杂的物流系统都具有良好的适应能力。 2 3 4e m p l a n t 仿真软件介绍 t e c n o m a t i x 公司开发的e m - p l a n t ( 原名s i m p l e + + ) 3 4 】是主要应用在离散事件系统仿 真的商务软件。它与以往面向过程建模方式不同，它主要面向对象建模，因而比较灵活， 使用方便。 具体来说，e m - p l a n t 采用的是进程交互法，当仿真钟推进，满足时间条件的所有事 件从f e l ( f u t u r ee v e n t sl i s t ) 被转移到c e l ( c u r r e n te v e n t sl i s t ) ，然后按活动扫 描法对c e l 中的各个事件扫描。图2 - 5 表示的是事件、活动与进程之间的关系。 事事 件件 12 事 件 3 事 件 4 事事 件件 5 6 事 t 件 h 图2 - 5 事件、进程与活动之间的关系 同样的，e m - p l a n t 还可用于生产企业的物流设施规划方案选取、设备价值评估、库 存区分析、生产线平衡、“瓶颈”和“故障 分析及生产性能指标仿真分析。用户可在 e m - p l a n t 平台下分析和优化物流系统的各项性能指标：设备稼动率、在制品库存数量、 工人负荷平衡情况、物料是否顺畅等。 ( 一) e m - p l a n t 的主要特点 一款好的软件能够处理好软件的易用性、灵活独立性以及开放性之间的相互关系。 e m - p l a n t 就很好地平衡了这3 方面的关系。在应用性方面，利用图形化建模、系统提供 的应用模版对象以及基本建模对象，使用户能够快速的构建模型；在灵活独立性方面， 利用内嵌的s i m t a l k 程序语言，使用户能够对模型细节进行详细的控制，通过继承提高 了模型中对象和程序的重用性【3 5 】；在开放性方面，e r a - p l a n t 支持从文本、各种类型的数 据库以及e x c e l 文件等多种渠道获得数据，支持c 语言程序，能够和a u t o c a d 等设计类 软件进行数据交换。e m - p l a n t 为建模、仿真运行和显示提供了一种完全面向对象的、图 形化的、集成的工作环境【3 6 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 e m - p l a n t 包括以下几个方面的特点【3 7 】： ( 1 ) 层式结构建模方式 e m - p l a n t 软件建模方式为层式结构，能够直观的反应出建模对象的层次结构，为研 究者提供方便。 ( 2 ) 面向对象的建模过程 对象是建模的基本单元。在e m - p l a n t 软件封装了与对象相关的全部属性和方法， 使其成为一个独立的实体，用户通过参数设置实现和该对象的交互。对某个对象属性的 修改不会影响到其他对象，并且提供了方便的继承方法。 ( 3 ) 多种形式接口 e m - p l a n t 具备很多应用软件和编程语言接口，能偶方便的从其他软件中导入数据， 同时能将结果反馈给其他应用软件。常用的用户接口有：c 语言程序接口、d d e 、e x c e l 、 s q l 等。 ( 4 ) h t m l 报告 仿真结束后e m - p l a n t 能够自动生成h t m l 格式的各类相关报告，可以直接作为网页 提供给外界访问。 ( 5 ) 支持3 d e m p l a n t 不仅能够建立2 d 仿真模型，8 1 之后的版本还可以建立3 d 仿真模型，使 得模型更为立体美观。 ( 二) 几种常用仿真软件的比较 w i t n e s s 是l a n n e rg r o u p 公司开发的主要用于离散事件仿真的工具软件，w i t n e s s 既能用于生产仿真，又能用于其他领域的仿真，它能为制造企业系统规划和实施提供良 好的仿真平台，又能为整个系统资源的合理利用、生产调度策略提供分析【3 8 】； f l e x s i m 由美国的f l e x s i ms o f t w a r ep r o d u c t i o n 公司出品的商业化离散系统仿真软彳