第1章生产系统建模与仿真

1、生产系统建模与仿真生产系统建模与仿真 Modeling and Simulation of Production System授课教师：梁坤授课教师：梁坤教材 Teaching material v1. 生产系统建模与仿真生产系统建模与仿真 v 周泓周泓 邓修权邓修权 高德华高德华 编编 机械工业出版社机械工业出版社 2012参考书目 Reference v 1. 生产系统建模与仿真生产系统建模与仿真 v 孙小明孙小明 上海交通大学出版社上海交通大学出版社 2005v 2. 离散事件系统建模与仿真离散事件系统建模与仿真 v 顾启泰顾启泰 清华大学出版社清华大学出版社 1999v 3. 离散事件

2、系统建模与仿真离散事件系统建模与仿真(第二版第二版) v 王维平等王维平等 国防科技大学出版社国防科技大学出版社 2007v 4. 系统仿真及系统仿真及ProModel软件应用软件应用(2nd Ed) v Simulation Using ProModel(影印版影印版)v Charles Harrell等，清华大学出版社等，清华大学出版社 2005课程性质v 面向工程实际的应用型的基础性课程，是面向工程实际的应用型的基础性课程，是工业工程专业的主导课程。工业工程专业的主导课程。授课内容 Contentsv 第1章 绪论v 第2章 离散事件系统仿真基础v 第3章 生产系统建模方法v v v 第

3、4章 生产系统仿真用的概率统计v 第5章 仿真数据分析授课内容 Contentsv 第6章 仿真方案的比较与评价v 第7章 仿真模型校核。验证和确认v 第8章 面向生产系统的仿真软件v 第9章 生产系统仿真的应用实例课程安排 Class Time Table 总课时数 42+6 其中安排实验6学时 1. 软件安装和基本操作 2. 简单机械加工生产系统仿真 课程考察形式： 考试 其中 平时成绩占 20% 出勤率 占 10% 考试成绩占 70%教学目标 Teaching Aims 明确生产系统建模与仿真的作用与应用范畴 理解建模与仿真的基本原理 掌握建模与仿真的基本过程与方法 初步掌握应用仿真软件

4、工具对实际生产系统进行研究分析的技能预备知识 Preliminary Knowledge 程序设计语言基础 概率与数理统计知识 运筹学生产系统建模与仿真生产系统建模与仿真 Modeling and Simulation of Production System第第1章章 概论概论 Brief Introduction 第1章 概论 Brief Introduction 引言 生产系统建模与仿真的基本概念 生产系统仿真模型的建立 仿真研究的步骤引 言 美国的相关研究部门和工业界联合研究完成的世纪制造业发展战略报告中提出，年前世界制造业面临的大挑战和大年前世界制造业面临的大挑战和大关键技术中，大关

5、键技术的第项是关键技术中，大关键技术的第项是“企业企业建模及仿真（建模及仿真（ ）”。 引 言生产? 引 言生产: 人们创造产品与提供服务的有组织的活动它构成人类社会生存和发展的基础。从进行生产的过程来看，凡是将投入的生产要素转换为产出(有效产品和服务)的活动便可称为生产。狭义的生产:是指创造产品的活动广义的生产:包括狭义生产与服务。系统系统? 系统概念 系统的定义1： 系统是一组对象的集合或总和,它们按照某些规律结合起来 , 相互作用、相互依存 ,来达到某种特定的目的。 系统概念 系统的定义2： 所谓系统是由诸多元素组成的，且元素之间是相互作用的，是通过某种逻辑关系组合在一起的一个集合体。W

6、ayne C. Turner:A system can be defined as a set of component which are related by some forms of interaction, and which act together to achieve some objective or purpose.- Introduction to industrial and system engineering”系统概念系统分类v系统有哪些种类？系统有哪些种类？ 连续系统 & 离散系统 变量状态 静态系统 & 动态系统 时域状态 确定系统 &

7、随机系统存在随机变量 单变量系统 & 多变量系统 自由度数量系统分类v离散系统和连续系统两大类 系统分类v连续系统与离散系统有何区别？q 事件的发生在时间和空间上都是离散的。事件的发生在时间和空间上都是离散的。系统的数字仿真则经常是面向事件的系统的数字仿真则经常是面向事件的q 离散事件系统定义为一组元素离散事件系统定义为一组元素(实体实体)的集的集合，为了达到某些目的，这些元素以某些合，为了达到某些目的，这些元素以某些规则相互作用、关联而集合在一起。规则相互作用、关联而集合在一起。q 离散事件系统状态变量仅仅在可数的一些离散事件系统状态变量仅仅在可数的一些时间点上才有变化时间点上才有变

8、化 。系统变量是反映系。系统变量是反映系统各部分相互作用的一些事件，系统模型统各部分相互作用的一些事件，系统模型则是反映这些事件状态的数集，仿真结果则是反映这些事件状态的数集，仿真结果是产生处理这些事件的时间历程。是产生处理这些事件的时间历程。 q 在离散事件系统中，各事件以某种顺序或在离散事件系统中，各事件以某种顺序或在某种条件下发生在某种条件下发生,并且大都是随机性的，并且大都是随机性的，不能用常规的方法加以研究。不能用常规的方法加以研究。 连续系统事件的发生在时间和连续系统事件的发生在时间和空间上都是连续的。空间上都是连续的。在连续系统的数字仿真中，时在连续系统的数字仿真中，时间通常被分

9、割成均匀的间隔，间通常被分割成均匀的间隔，并以一个基本的时间间隔计时。并以一个基本的时间间隔计时。在连续系统仿真中，系统动力在连续系统仿真中，系统动力学模型是由表征系统变量之间学模型是由表征系统变量之间关系的方程来描述的。关系的方程来描述的。仿真的结果为系统变量随时间仿真的结果为系统变量随时间变化的时间历程。变化的时间历程。系统的“三要素” v实体、属性和活动 模型模型模型? ?模型模型模型1-1-机械图纸机械图纸模型模型模型2-2-建筑图纸建筑图纸模型模型模型3-3-计算机关系型数据库架构计算机关系型数据库架构模型1ixiyxz模型模型4-4-数学公式数学公式模型归纳上述各种模型的特点，我们

10、可以看出模型可以概述为： 是对真实系统中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象化。(“用于研究目的的系统的表示”,是对现实世界的一种抽象。 ) 注意，系统模型并不是对真实系统的完全复现。 如果M能够用来回答关于系统（S)的问题，并且在精度范围A之内，那末M就是系统S的模型。模型v三个特征 它是对现实世界一部分的抽象或模仿。 它由与分析问题有关的因素构成。 它表明了有关因素间的相互联系。模型v分类 图形与实物模型和数学(分析)模型 仿真模型是系统的一类特殊数学模型 仿真模型类别仿真模型类别 模型v目的 开发模型的目的是用模型作为替代来帮助人们对原 物进 行假设、定义、探究、理解、预测、设计,或与原物

11、的某一部分进行通信。 模型建模的理由：系统还处于设计阶段,真实的系统尚未建立,人们需要更准确地了解未来系统的 性 能 ,这只能通过对模型的实验来了解。在真实系统上进行实验可能会破坏系统或引发故障。需 要进行多次实验时,难以保证每次实验的条件相同,因 而无法准确判断实验结 果的优劣。 实验后,系统难以复原。 实验时间太长或费用昂贵。 仿真概念 仿真的定义： 1961年 G.W. Morgenthater：“仿真意指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的表现”。 1978年 Korn在连续系统仿真一书中将仿真定义为“用能代表所研究的系统的模型做实验”。 1984年 Oren提出“仿真是一种

12、基于模型的活动”，这被认为是现代仿真技术的一个重要概念。 共同观点：仿真是基于模型进行的 仿真是对真实世界的模拟仿真技术 仿真可以分为： 物理仿真：按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理描述模型上进行实验的过程； 数学仿真：对系统进行抽象，并将其特性用数学关系式加以描述得到系统的数学模型的基础上，对数学模型进行实验的过程。 数学仿真有时也称为计算机仿真 半实物仿真：上述二者结合的产物。 一般所讲的仿真技术指计算机仿真仿真技术 物理模型： 研制新型飞机时，一般先要对按照比例缩小的飞机模型进行风洞试验，以验证飞机的空气动力学性能； 开发新型轮船时，一般先要在水池中对缩小的轮船模型进行试

13、验，以了解轮船的各种性能； 工程建设或发电站选址时需要建立沙盘模型； 军事演习中采用沙盘模型完成推演； 企业选址或车间布局时，利用模型进行评估与论证； 建筑模型、城市规划模型都能都属于物理模型。仿真技术 仿真可以分为： 1、根据仿真时钟与实际时钟的比例关系可分为：实时仿真、亚实时仿真以及超实时仿真。 仿真技术 实时仿真：仿真时钟与实际时钟完全一致，也就是模型仿真的速度与实际系统运行的速度相同。当被仿真的系统中存在物理模型或实物时，必须进行实时仿真，例如各种训练仿真器就是这样，有时又称在线仿真。 亚实时仿真：仿真时钟慢于实际时钟，。对于仿真速度要求不苛刻的情况下均是亚实时仿真。例如大多数系统离线

14、研究与分析，有时也称为离线仿真。 超实时仿真：仿真时钟快于实际时钟，例如大气环流的仿真以及交通系统的仿真。 仿真技术系统、模型及仿真三者之间有着密切的关系： 系统是研究对象，模型是系统抽象，仿真则是通过对模型的实验以达到研究系统的目的。系统模型仿真建立仿真模型仿真实验建立系统模型生产系统建模仿真 生产系统的定义： 生产系统是一个为了生产某一种或某一类产品，综合生产工艺、生产计划、质量控制、人员调度、设备维护、物料控制等各种技术为一体的复杂系统。 生产系统是生产系统是“生产产品的制造企业 一种组织体 ,它具有销售、设计 、加工、交货等综合功能 ,并有提供服务的研究开发功能”。 （国际生产工程科学

15、院 (CIRP) ）生产系统建模仿真 生产系统仿真的概念： 通过对生产系统建模，建立一个能够反应生产系统研究本质的模型，并通过对生产系统进行时间历程的运行，从而观察、记录系统模型几个相关状态量的变化。生产系统建模仿真v生产系统基本组成输入（投入）转换过程（生产过程）输出（产出）生产系统建模仿真 投入是指生产与服务过程所需提供的各种生产要素，根据其在生产过程中所起的作用可以分为： 物质资源-生产活动(过程)中所用到的资金和物资 人力资源-生产过程中所需要的劳动能力 信息资源-生产过程中所使用的信息资源 管理资源-对生产过程所进行的管理生产系统建模仿真 产出可分为有形产出与无形产出，它们均应该是有

16、效的。 有形产出-通过生产创造出的实物产品，它是看得见摸得着的，汽车、电视、手机等； 无形产出是指服务作业提供的各种服务，它是不可触及的，如银行提供的金融服务、大学提供的教育等。生产系统建模仿真 产出与服务的有效性是指所提供的产品与服务必须具有附加价值或效用。效用可以体现为： 形体转换-指物质产品形体变化带来的效用； 位置转换-地点变化带来的效用，如运输； 信息转换-将初始、零散、分布的信息转换为特定的、有用的信息，如管理咨询和市场调查报告。生产系统建模仿真 转换过程是指将投入变成产出的过程，是企业生产与服务的主体。不同的生产与服务行业，其转换过程的特征不同： 制造业主要涉及实物转换(由原材料

17、变成成品)； 运输行业主要是完成位置的转移 通讯行业完成信息的转换 仓储行业完成物质的贮存和重新分配； 医疗行业实现人的身体状况的转换 学校实现知识的转换等。生产系统建模仿真v生产系统特性 (1)集合性 (2)相关性 (3)目的性 (4)环境适应性 (5)反馈特性 (6)随机特性生产系统建模仿真v 由于系统本身的复杂性难以评估设计风险、系统适应性差和系统运行过程中生产调度困难等。 仿真技术 生产系统建模与仿真的目的： （1）优化：生产系统参数（操作工人、工作台数、缓冲区容量） （2）预测：正常工作状态？ （3）计划与调度 （4）系统性能的验证：交货期是否满足？生产系统建模与仿真的主要应用 v(

18、1)生产系统的规划设计v(2)物料管理v(3)生产计划模拟v(4)生产系统协调v(5)生产成本分析仿真技术 仿真的应用领域:产品制造/加工业仿真技术 仿真的应用领域:食品及服务领域仿真技术 仿真的应用领域:交通仿真技术 仿真的应用领域:化学工厂仿真技术 仿真的应用领域Call Center仿真技术 仿真的应用领域:驾驶训练仿真技术 仿真的应用领域:医学仿真技术 仿真的应用领域物流 Motorola Distribution Centre 摩托罗拉分销中心 系统建模与仿真的发展趋势 美国的相关研究部门和工业界联合研究完成的21世纪制造业发展战略报告中指出，2020年前世界制造业面临的6大挑战和1

19、0大关键技术中，10大关键技术的第5项为“企业建模与仿真”。 世界先进国家的生产企业将生产仿真作为研究生产系统的一个重要手段，如英特尔、戴尔等，在企业扩建和改造、新产品生产投入之前，都会运用计算机仿真技术对企业将要采用的生产系统进行仿真和预测，为生产系统的调度决策、生产能力预测、生产设备的合理匹配、生产线的效率提高提供量化，为生产系统的早日投入正常生产运行起到出谋划策的作用。系统建模与仿真的发展趋势 阻碍生产系统仿真技术应用的原因 建模难度大：某些系统如对于大比例系统模型，建模十分复杂； 机时需求大：仿真大量的计算机机时； 数据要求高：仿真需要大量实际的、准确的数据，这是一般企业所难以提供的，

20、因此对仿真结果的准确性带来了影响，导致了人们对仿真能力的怀疑。系统建模与仿真的发展趋势 发展趋势 总体而言，计算机仿真技术正如前述，朝着一体化建模与仿真环境的方向发展。 面向对象仿真：提供更自然、更直观、具有可维护性和可重用性的系统仿真框架； 定性仿真：以非数字化手段处理信息输入、建模、行为分析和结构输出，研究系统的定性行为，突破传统定量仿真的局限； 智能仿真：把以知识为核心和人类思维行为为背景的智能技术，引入建模与仿真过程；系统建模与仿真的发展趋势发展趋势可视化仿真：基于计算机多媒体技术的发展，提供图形、图像、动画等表现形式，使仿真过程更易于理解和更直观，并能验证仿真过程的正确性；多媒体仿真：进一步加入语音等功能，以多媒体形式再现系统动态演变过程，获取系统的感性和理性认识；虚拟现实技术：强调三维动画与交互功能，支持触觉、嗅觉、味觉等，实现身临其境的感觉，能体验接受和认识客观世界的事物；网上仿真：建立基于Internet的仿真系统。仿真案例 某一个工作人员每日的工作是处理文件，他从每天开始某一个工作人员每日的工作是处理文件，他从每天开始工作时即处理文件，直至文件处理完毕或工作结束，每一工作时即处理文件，直至文件处理完毕或工作结束，每一个文件处理完毕后开始下一个文件的处理，工作间隔