模型-生产物流系统建模与仿真课件

1、系统建模与仿真System Modeling & Simulation王建华 副教授江苏大学管理学院工业工程系课程说明教材：生产物流系统建模与仿真-电子工业出版社-王建华等编著参考书：生产物流系统建模与仿真-WITNESS系统及应用-科学出版社王亚超编著离散事件系统仿真-机工出版社肖田元译离散事件系统建模与仿真-清华大学出版社顾启泰编著网络资料：课程网站：冬季仿真会议网站： witness网站：学时安排：上课30学时，上机15学时课程目的了解离散事件系统建模与仿真的基本理论掌握随机数及随机变量的产生和检验方法能够使用事件调度法编制简单的系统仿真模型通过案例理解车辆生产物流系统运作的典型过程掌握

2、使用系统建模与仿真工具WITNESS对车辆生产物流系统中典型过程的建模与仿真采购过程建模与仿真下料过程建模与仿真机加过程建模与仿真总装过程建模与仿真物流过程系统建模与仿真销售过程建模与仿真系统集成建模与仿真能够对仿真结果进行统计分析和优化方案的设计和评估第01讲 系统建模与仿真概述一、系统模型1.1 系统1.2 模型及其分类1.3 建立模型时应遵循的基本原则二、系统仿真2.1 系统仿真2.2 实施仿真的方法2.3 仿真的适用性2.4 仿真的应用领域2.5 仿真的发展阶段2.6 系统仿真的一般步骤提纲三、离散事件系统3.1离散事件系统的定义3.2离散与连续系统示例四、离散事件系统基本术语五、系统

3、绩效指标六、系统变量6.1决策变量6.2反应变量6.3状态变量1.1系统的定义系统仿真的研究对象是具有独立行为规律的系统。系统是指相互联系又相互作用的对象的有机组合。从广义上讲，系统的概念是非常广阔的，大到无穷的宇宙世界，小到分子原子，都称之为系统。从仿真角度来说：使用仿真软件构件的实际运作对象。系统的划分：非工程系统是指自然和社会在发展过程中形成的，被人们在长期的生产劳动和社会实践中逐渐认识的系统。工程系统是指人们为满足某种需要或实现某个预定的功能，利用某种子段构造而成的系统。社会、经济、环境、交通、生物圈、血液循环系统机械、电气、动力、生产、物流、服务、供应链、汽车、自行车、铅笔研究对象与

4、其他系统的区别？1.2 模型 及其分类定义：模型是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本质方面的描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的信息。建模需要完成两方面内容一是建立模型结构；在建立模型结构时，要确定系统的边界、鉴别系统的实体、属性和活动。二是提供数据。提供数据要求能够使包含在活动中的各个属性之间的关系得以确定。模型演示 国外汽车设计流程图: 图示模型、计算机模型、实物模型MotorAssemblyRunningProcess.Flv：生产过程 VR 仿真过程MotorAss.avi：发动机组装仿真模型模型分类：实物模型、图示模型、计算机（模拟）模

5、型、数学模型1.2 模型及其分类模型分类及其特性图式模型模拟模型数学模型实物模型分析的速度 抽象性 改变和调整的方便程度+现实性 费用 调整难度+图1.1 各种模型特性比较Why do we need build these models?：了解系统的优点、缺点、内部规律性；例如产品的可制造性、是否达到特定的质量要求、实现特定的能量输出等；物流设备在特定运输方式下是否能完成计划的运输任务？生产系统能否完成生产任务？1.3 建立模型时应遵循的基本原则建立模型时应遵循的基本原则清晰性：一个复杂的系统是由许多子系统组成的，对应的系统模型也是由许多子模型构成的。在子模型之间除了研究目的所必需的信息联系

6、外，相互辐合要尽可能少，结构要尽可能清晰。 相关性：模型中应该只包括系统中与研究目的有关的那些信息。 准确性：建立系统模型时，应该考虑所收集的、用以建立模型的信息的准确性 可辨识性：模型结构必须具有可辨识的形式。所谓可辨识性是指系统的模型必须有确定的描述或表示方式，而在这种描述方式下与系统性质相关的参数必须有唯一确定的解。 集合性：是能够把一些个别的实体组成更大实体的程度，即模型的集合性。 第01讲 系统建模与仿真概述一、系统模型1.1 系统1.2 模型及其分类1.3 建立模型时应遵循的基本原则二、系统仿真2.1 系统仿真2.2 实施仿真的方法2.3 仿真的适用性2.4 仿真的应用领域2.5

7、仿真的发展阶段2.6 系统仿真的一般步骤提纲三、离散事件系统3.1离散事件系统的定义3.2离散与连续系统示例四、离散事件系统基本术语五、系统绩效指标六、系统变量6.1决策变量6.2反应变量6.3状态变量二、 系统仿真2.1 系统仿真的定义系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算机初等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假设的系统进行试验，并借助于专家的经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合的实验性学科。The dynamic representation of a real system by a mode

8、l which behaves in the same manner as the system itself. 2.1 系统仿真分类（1）静态和动态：静态模型与时间没有关系，而在动态模型中时间却扮演着不可或缺的角色。在第2 节介绍的浦丰投针问题就属于静态仿真，其中没有时间要素。而实际系统仿真所模拟的对象多数是动态系统，例如对银行营业厅顾客服务效率的仿真，顾客的到达是同时间相关的，在不同时刻，顾客到达速率可能不同，队列队长可能不同，柜台开放数量可能不同等。2.1 系统仿真分类（2）连续和离散：在连续模型中，系统状态虽时间连续变化，例如水库蓄水量、放水量以及出现降水和蒸发时水位的变化即属此类。而

9、在离散模型中，系统状态仅在离散的时刻点发生变化，例如在制造系统中，零件会在特定的时间到达和离开，机器会在特定的时刻出现故障和被修复，工人会在特定的时间开始休息和复工。在有的模型中，既有连续变化的成分，也有离散变化的因素，这种模型被称为混合模型（Mixed continuous-discrete model），例如在炼油厂，储油罐中的压力是连续变化的，但会在离散时间点上发生间歇。2.1 系统仿真分类（3）确定和随机：没有随机输入的模型为确定性模型，严格预约时间与固定服务时间的运作过程即属此类。在随机模型中，至少存在一部分随机输入，例如在银行中，顾客的到达时间与服务时间都是随机变化的。一个模型中也

10、可以同时包括确定的和随机的输入成分，哪些属于确定因素、哪些属于随机因素是建模时要考虑的重要问题。2.2 如何实施仿真 手工进行仿真蒲丰实验用通用语言编程进行仿真利用通用程序语言（Fortran，C）来编写计算机程序用以对复杂的系统进行仿真。还开发出了各种支撑软件包用于帮助完成各种例行程序，例如表处理、模拟时间的跟踪以及统计记录等。优点：具有很高的灵活性，易于定制功能，不论是模型结构还是仿真运行操作方面。缺点：由于每次建模时都要编写大量代码，因此极为枯燥和痛苦，而且容易出错；而且即使需要对模型进行一点变动，也会花费相当多的时间重新建模。仿真语言专用的仿真语言，如GPSS、Simscript、SL

11、AM以及SIMAN，它们为大多数人使用的各类仿真提供了一个更好的框架。然而，人们还需要花费相当多的时间来学习这些仿真语言的特征及如何有效的使用它们，而且，使用者还必须面对其苛刻、严格的语法要求。 高级仿真器很多针对各种系统的高级仿真器，例如Witness、Arena等。这些软件在图形界面更易于理解，语法结构简单易于理解，使得仿真不再需要很高深的计算机编程技术。 从Buffon 投针问题谈起 Buffon 投针问题2.2 如何实施仿真 手工进行仿真蒲丰实验试验者时间(年)针长投针次数相交次数的估计值Wolf18500.80500025323.15956Smith18550.60320412183

12、.15665Fox18840.7510304893.15951Lazzarini19250.83340818083.14159292实验动画2.2 如何实施仿真？-高级仿真器离散事件系统建模与仿真-面向对象仿真-工业系统（WITNESS,ARENA,FLEXSIM)系统动力学仿真-经济系统(VENSIM,POWERSIM,DYNAMO)MULTI-AGENT多智能体仿真(SWARM,NETLOGO,STARLOGO)FLEXSIM羊数量和绿地的动态关系系统动力学羊数量和绿地的动态关系2.3 仿真的适用性适应情况对复杂系统内部的相互作用和复杂系统的子系统内部的相互作用的研究和实验。可以仿真信息、

13、组织及环境的变更，以观察这些改变对模型行为的影响。在仿真模型设计过程中获取的知识可能具有很大的价值，可对被研究系统的改进提出建议。改变仿真的输入并观察产生的输出，可以使我们深入了解哪些变量是最重要的，以及了解变量间是如何相互作用的。仿真可以作为教学设备来增强解析求解方法学的能力。仿真可以用于在新设计或策略实施前进行实验，以便为可能发生的事情做好准备。仿真可以用于验证解析解。对机器的不同能力进行仿真有助于确定其需求。 设计用于训练的仿真模型使得学习成为可能，无需费用及现场指导。动画显示仿真运行中的系统，从而使计划具有可视性。现代系统(工厂、晶圆生产厂、服务组织等)非常复杂，只能通过仿真来处理其内

14、部的相互作用。 2.3 仿真的适用性不适应情况第一：当问题可通过普通方法解决时，就不应使用仿真。举个例子，一个自动打标签设备为以100人/小时的速率随机抵达的客户服务，该设备的服务速度是平均12人/小时。为决定最少所需的服务器数份，并不需要用仿真。只需计算100/12 =8.33,就表明需要9台或更多的服务器。第二：当问题可以通过解析解决时，就不应使用仿真。第三：如果直接进行实验更为简便，则不应使用仿真。例如，对一个可以免下车的路边快餐店，接收订单的人员配备手持终端及语音通信设备，为确定再增加一个订单接收站对客户等待时间的影响，实验的开销更低一些。第四：如果成本超过仿真节省的开销，则不使用仿真

15、。完成一个仿真需要很多步骤.正如将在2.8节所讨论的那样，这些步骤必须深入地完成。如果仿真成本估计为20000美元，而仿真只节省10 000美元，则建议不要将资金投入到仿真系统中。 2.3 仿真的适用性不适应情况第五条和第六条：进行仿真研究的决定性资源是人员和时间。如果没有足够的资源或时间，就不应使用仿真。有经验的分析师是非常重要的资源，因为他具有判断模型应该达到的详细程度和怎样去验证和确认模型的能力和经验。如果缺少了训练有素的模型开发人员，将可能导致开发出错误的模型，以及该错误模型产生的不可靠结果。另外，时间的分配不能够太少，以至开发人员被迫在设计时，对模型进行压缩处理。要想获得有意义的结果

16、，时间进度表的安排应该有足够的时间允许必要改动以及验证和确认活动第七条：仿真需要数据，有时需要大量的数据。如果无数据可用，甚至数据都无法估计，则不建议使用仿真。第八条：如果负责人有不合理的预期，如果他要求过多过快，或者如果仿真的能力被过高估计，则仿真也是不适合的。第九条：如果系统行为太复杂或不可定义，则不适合使用仿真。对人类行为建模有时是极为复杂的。 2.4 仿真的优缺点优点新的策略、操作程序、决策规则、信息流、组织程序等的研究可以不干扰实际系统正在进行的操作。新的硬件设计、物理布局、运输系统等测试可在不具备获得必要资源的前提下进行。关于某些现象怎样发生或为什么发生的假设可以测试其可能性。可以

17、压缩或扩展时间来加速或减缓被研究的现象。可以获得有关变量的相互作用的深入了解。可以获得变量对系统性能的重要性的深人了解。可以进行瓶颈分析，进而发现在过程、信息、物料等工作中的哪个地方被过分延迟。仿真研究可以帮助理解系统是如何运行的，而不是一个人去思考系统如何运行。可以回答“如果就会”这样的问题。这在新系统设计中特别有用。2.4 仿真的优缺点缺点建模需要特殊的培训。这是一门需要花费时间、需要累积经验来学习的艺术。而且，如果两个模型是由不同的竞争对手建立的，则它们也许有相似之处，但它们很有可能是不一致的。仿真结果可能难于解释。大多数仿真输出基本上都是随机变量(它们通常基于随机的输入)，因此很难区分

18、观察结果是与系统相关的还是随机的。仿真建模和分析非常耗时，而且成本高。对一个任务来说，建模和分析资源的紧张会导致仿真模型或分析不充分。2.5 应用领域制造应用采用模拟电气系统的方法，对连续制造系统进行动态建模在仿真测试平台上对随机生产计划模型进行检验在汽车装配中减少喷涂线的颜色变化。对钢缆制造中的质量及生产能力建模。在生物工艺制造中的共享资源能力分析。用于加工车间操作仿真的神经信息模型。半导体制造恒定时间间隔生产计划及其在制品控制的应用。在面向交货期的调度规则下加速生产。300mm晶圆生产工厂自动物料储运系统的设计框架。下一代剂量工具的最优设计决策。在300mm晶圆生产工厂中群工具建模的应用。

19、在300mm半导体制造中批密室工具基于常驻实体的仿真 2.5 应用领域建筑工程及项目管理多任务化与合并偏差对复杂设备采购的影响。排灌工程运行维护人员的无冗余概念及仿真的应用。为钢铁制造建立虚拟车间模型。家用旧货供应链仿真。军事应用终止型仿真基于频率的设计:一个维和的例子。支持3维环境中军事交互式仿真的多库框架。规范计算机生成兵力的行为而无需编程。逼真度和有效性:人类行为描述问题。通过贸易区域开发和评估，评价技术对人的表现的影响自动后勤系统对突发产生过程的影响。城区军队行动的建模和仿真的研究计划开发。 2.5 应用领域物流、供应链及分布式应用一个服务器一计算机制造环境中的库存分析。AGV系统的各

20、种瓶颈检测方法的对比。半导体供应网络仿真。一个机场候机区的国际出发旅客流的分析。离散仿真技术在液化天然气供应链上的应用。公共建筑物内行人流的在线仿真。运输模式及交通航班延迟合并仿真。通过仿真优化确定飞机跑道调度。高速公路交汇及分叉性能的仿真。澳大利亚红十字会急救服务建模。诺福克紧急救火支持的仿真建模。船舶到港建模。运送汽油的游艇运输系统优化。一个内陆水路游艇交通系统的迭代优化及仿真 2.5 应用领域经营过程仿真个性化定价的商店性能基于代理的建模及仿真。随机经营模型的可视化。电话呼叫中心的建模及仿真使用仿真近似求解服务系统的凸性性能指标的子梯度。机场行李扫描中仿真的作用。连续操作中人的疲劳危险仿

21、真。电信记帐系统的优化。对客户库进行分段以获得最大回报。健康护理流动健康护理训练的前台与病人护理建模急诊部门与医疗遥侧单位间的医院操作的评估。预估急诊室的最大容量。减少急诊部门的等待长度。医院急诊部门的6希格玛改进思想的仿真。用于急诊室工作人员调度的基于整数线性编程规划的仿真工具。2.6 系统仿真的一般步骤2.6 系统仿真的一般步骤问题定义制定目标描述系统并对所有假设列表罗列出所有可能替代方案收集数据和信息建立计算机模型校验和确认模型运行和输出分析文档和报告的生成实施 第01讲 系统建模与仿真概述一、系统模型1.1 系统1.2 模型及其分类1.3 建立模型时应遵循的基本原则二、系统仿真2.1

22、系统仿真2.2 实施仿真的方法2.3 仿真的适用性2.4 仿真的应用领域2.5 仿真的发展阶段2.6 系统仿真的一般步骤提纲三、离散事件系统3.1离散事件系统的定义3.2离散与连续系统示例四、离散事件系统基本术语五、系统绩效指标六、系统变量6.1决策变量6.2反应变量6.3状态变量三、离散事件系统理发店示例定义：离散事件（动态）系统：是由在离散时刻点发生的事件引起状态变化的动态系统。制造系统典型的离散事件顾客到达服务台机器故障活动结束班次结束 离散系统：示例：银行、医院、车站售票厅、理发店特征： 顾客到达方式为间断、离散的方式；顾客排队等待的时间长短各不相同；服务员处理顾客请求的时间长短各不相

23、同；服务员相邻忙闲间隔各不相同；队列长度是离散变化的，（整数）；3.2 离散与连续系统示例连续系统：示例：车辆的运动速度、自由落体的速度、饮料生产中饮料的管道运输、导弹拦截飞机特征：状态（速度、温度、位置）的变化是连续的；状态变量的变化是时间的函数；例如：管道运输量=输送速率*t；车辆速度=v0+a*t；自由露体速度=gt； 3.2 离散与连续系统示例四、离散事件系统的术语（1）实体 是指组成系统的物理单元。如物流系统的堆垛机、进/出货台、仓库、货物及工件等。实体可分为临时实体和永久实体两类。在仿真全过程中，始终驻留在系统中的是永久实体，如服务台、搬运设备或生产设备。在系统中只存在一段时间的实

24、体叫作临时实体，如到达系统、经装卸搬运离去的工件就是临时实体。（2）事件 是指引起系统状态变化的行为，事件一般分为两类：必然事件和条件事件。只与时间有关的事件称为必然事件。如果事件发生不仅与时间因素有关，而且还与其它条件有关，则称为条件事件。（3）活动 两个相邻发生的事件之间的过程称为活动。标志着系统的状态。物流系统中，工件到达与入库之间，是排队活动。实体加工活动-治疗、检测、加工、切割等实体的移动-叉车移动、输送链的移动、升降机的升降；实体的调整、维护和修理-设备换模、机器维修等。（4）进程 若干事件与若干活动组成的过程称为进程。它描述了各事件活动发生的相互逻辑关系及时序关系例如，工件由车辆

25、装入进货台，经装卸搬运进入仓库，经保管、加工到配送至客户的过程。（5）控制逻辑 控制逻辑设定事件在怎样的条件、怎样的方式和怎样的时间状况下激活。工艺顺序生产计划工作排程任务优先级四、离散事件系统的术语（6）仿真钟 控制仿真模型向前迈进的全局变量，表示系统当前运行时间。 在离散事件系统仿真中，由于系统状态变化是不连续的，在相邻两个事件发生之间，系统状态不发生变化，因而仿真钟可以跨越这些“不活动”区域。仿真钟的推进成跳跃性，推进速度具有随机性。（7）随机变量 复杂的现实系统常常包含有随机的因素。如：在物流系统中工件的到达、运输车辆的到达和运输时间对于有随机因素影响的系统进行仿真时，首先要建立随机变

26、量模型，即确定系统的随机变量并确定这些随机变量的分布类型和参数。对于分布类型是已知或者是可以根据经验确定的随机变量，只要确定它们的参数就可以了。四、离散事件系统的术语五、系统绩效指标（1）通过时间（Flow Time）：部件或顾客通过整个系统的平均时间，包括加工（服务）时间、等待时间、移动时间。（2）利用率（Utilization）：系统中人员、机器、车辆等永久实体工作时间与总的时间之比。（3）增值时间（Value-Added-Time）：物料、顾客等实体在系统中接受的、增加其价值的时间。价值是指顾客愿意为其支付费用的特性。从运作层来看，增值时间是那些对物料的物理、化学性质进行改变的作业和过程

27、，或者提供服务的过程所花费的时间，而检测和等待则属于非增值时间。（4）通过率（Flow Rate）：单位时间系统加工的部件数量或服务的顾客数量，还可叫做生产速率、处理速率和产出速率等。（5）库存水平（Inventory or Queue Levels）：在存储区或队列区的物料或顾客的数量。（6）产出率（Yield）：系统产出的合格产品与投入系统中原材料可以生产的产品量之比；例如100件产品中有95件为合格产品，则产出率为95%；（7）客户响应水平（Customer Responsiveness）：系统快速响应客户需求，降低客户等待时间的能力。例如可以使用订单满足率指标来衡量，满足率为客户订单能够及时由库存满足的数量/订单总量。五、系统绩效指标第01讲 系统建模与仿真概述一、系统模型1.1 系统1.2 模型及其分类1.3 建立模型时应遵循的基本原则二、系统仿真2.1 系统仿真2.2 实施仿真的方法2.3 仿真的适用性2.4 仿真的应用领域2.5 仿真的发展阶段2.