第1章生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真

1、生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真 Modeling and Simulation of Production System授課教師：梁坤授課教師：梁坤教材 Teaching material v1. 生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真 v 周泓周泓 鄧修權(quán)鄧修權(quán) 高德華高德華 編編 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社 2012參考書目 Reference v 1. 生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真 v 孫小明孫小明 上海交通大學出版社上海交通大學出版社 2005v 2. 離散事件系統(tǒng)建模與仿真離散事件系統(tǒng)建模與仿真 v 顧啟泰顧啟泰 清華大學出版社清華大學出版社 1999v 3. 離散事件

2、系統(tǒng)建模與仿真離散事件系統(tǒng)建模與仿真(第二版第二版) v 王維平等王維平等 國防科技大學出版社國防科技大學出版社 2007v 4. 系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)仿真及ProModel軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用(2nd Ed) v Simulation Using ProModel(影印版影印版)v Charles Harrell等，清華大學出版社等，清華大學出版社 2005課程性質(zhì)v 面向工程實際的應(yīng)用型的基礎(chǔ)性課程，是面向工程實際的應(yīng)用型的基礎(chǔ)性課程，是工業(yè)工程專業(yè)的主導課程。工業(yè)工程專業(yè)的主導課程。授課內(nèi)容 Contentsv 第1章 緒論v 第2章 離散事件系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)v 第3章 生產(chǎn)系統(tǒng)建模方法v v v 第

3、4章 生產(chǎn)系統(tǒng)仿真用的概率統(tǒng)計v 第5章 仿真數(shù)據(jù)分析授課內(nèi)容 Contentsv 第6章 仿真方案的比較與評價v 第7章 仿真模型校核。驗證和確認v 第8章 面向生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真軟件v 第9章 生產(chǎn)系統(tǒng)仿真的應(yīng)用實例課程安排 Class Time Table 總課時數(shù) 42+6 其中安排實驗6學時 1. 軟件安裝和基本操作 2. 簡單機械加工生產(chǎn)系統(tǒng)仿真 課程考察形式： 考試 其中 平時成績占 20% 出勤率 占 10% 考試成績占 70%教學目標 Teaching Aims 明確生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真的作用與應(yīng)用范疇 理解建模與仿真的基本原理 掌握建模與仿真的基本過程與方法 初步掌握應(yīng)用仿真軟件

4、工具對實際生產(chǎn)系統(tǒng)進行研究分析的技能預備知識 Preliminary Knowledge 程序設(shè)計語言基礎(chǔ) 概率與數(shù)理統(tǒng)計知識 運籌學生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真 Modeling and Simulation of Production System第第1章章 概論概論 Brief Introduction 第1章 概論 Brief Introduction 引言 生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真的基本概念 生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型的建立 仿真研究的步驟引 言 美國的相關(guān)研究部門和工業(yè)界聯(lián)合研究完成的世紀制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略報告中提出，年前世界制造業(yè)面臨的大挑戰(zhàn)和大年前世界制造業(yè)面臨的大挑戰(zhàn)和大關(guān)鍵技術(shù)中，大關(guān)

5、鍵技術(shù)的第項是關(guān)鍵技術(shù)中，大關(guān)鍵技術(shù)的第項是“企業(yè)企業(yè)建模及仿真（建模及仿真（ ）”。 引 言生產(chǎn)? 引 言生產(chǎn): 人們創(chuàng)造產(chǎn)品與提供服務(wù)的有組織的活動它構(gòu)成人類社會生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。從進行生產(chǎn)的過程來看，凡是將投入的生產(chǎn)要素轉(zhuǎn)換為產(chǎn)出(有效產(chǎn)品和服務(wù))的活動便可稱為生產(chǎn)。狹義的生產(chǎn):是指創(chuàng)造產(chǎn)品的活動廣義的生產(chǎn):包括狹義生產(chǎn)與服務(wù)。系統(tǒng)系統(tǒng)? 系統(tǒng)概念 系統(tǒng)的定義1： 系統(tǒng)是一組對象的集合或總和,它們按照某些規(guī)律結(jié)合起來 , 相互作用、相互依存 ,來達到某種特定的目的。 系統(tǒng)概念 系統(tǒng)的定義2： 所謂系統(tǒng)是由諸多元素組成的，且元素之間是相互作用的，是通過某種邏輯關(guān)系組合在一起的一個集合體。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”系統(tǒng)概念系統(tǒng)分類v系統(tǒng)有哪些種類？系統(tǒng)有哪些種類？ 連續(xù)系統(tǒng) & 離散系統(tǒng) 變量狀態(tài) 靜態(tài)系統(tǒng) & 動態(tài)系統(tǒng) 時域狀態(tài) 確定系統(tǒng) & 隨機系統(tǒng)存在隨機變量 單

7、變量系統(tǒng) & 多變量系統(tǒng) 自由度數(shù)量系統(tǒng)分類v離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)兩大類 系統(tǒng)分類v連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)有何區(qū)別？q 事件的發(fā)生在時間和空間上都是離散的。事件的發(fā)生在時間和空間上都是離散的。系統(tǒng)的數(shù)字仿真則經(jīng)常是面向事件的系統(tǒng)的數(shù)字仿真則經(jīng)常是面向事件的q 離散事件系統(tǒng)定義為一組元素離散事件系統(tǒng)定義為一組元素(實體實體)的集的集合，為了達到某些目的，這些元素以某些合，為了達到某些目的，這些元素以某些規(guī)則相互作用、關(guān)聯(lián)而集合在一起。規(guī)則相互作用、關(guān)聯(lián)而集合在一起。q 離散事件系統(tǒng)狀態(tài)變量僅僅在可數(shù)的一些離散事件系統(tǒng)狀態(tài)變量僅僅在可數(shù)的一些時間點上才有變化時間點上才有變化 。系統(tǒng)變量是反映系。系統(tǒng)變量

8、是反映系統(tǒng)各部分相互作用的一些事件，系統(tǒng)模型統(tǒng)各部分相互作用的一些事件，系統(tǒng)模型則是反映這些事件狀態(tài)的數(shù)集，仿真結(jié)果則是反映這些事件狀態(tài)的數(shù)集，仿真結(jié)果是產(chǎn)生處理這些事件的時間歷程。是產(chǎn)生處理這些事件的時間歷程。 q 在離散事件系統(tǒng)中，各事件以某種順序或在離散事件系統(tǒng)中，各事件以某種順序或在某種條件下發(fā)生在某種條件下發(fā)生,并且大都是隨機性的，并且大都是隨機性的，不能用常規(guī)的方法加以研究。不能用常規(guī)的方法加以研究。 連續(xù)系統(tǒng)事件的發(fā)生在時間和連續(xù)系統(tǒng)事件的發(fā)生在時間和空間上都是連續(xù)的?？臻g上都是連續(xù)的。在連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真中，時在連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真中，時間通常被分割成均勻的間隔，間通常被分割成均

9、勻的間隔，并以一個基本的時間間隔計時。并以一個基本的時間間隔計時。在連續(xù)系統(tǒng)仿真中，系統(tǒng)動力在連續(xù)系統(tǒng)仿真中，系統(tǒng)動力學模型是由表征系統(tǒng)變量之間學模型是由表征系統(tǒng)變量之間關(guān)系的方程來描述的。關(guān)系的方程來描述的。仿真的結(jié)果為系統(tǒng)變量隨時間仿真的結(jié)果為系統(tǒng)變量隨時間變化的時間歷程。變化的時間歷程。系統(tǒng)的“三要素” v實體、屬性和活動 模型模型模型? ?模型模型模型1-1-機械圖紙機械圖紙模型模型模型2-2-建筑圖紙建筑圖紙模型模型模型3-3-計算機關(guān)系型數(shù)據(jù)庫架構(gòu)計算機關(guān)系型數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模型1ixiyxz模型模型4-4-數(shù)學公式數(shù)學公式模型歸納上述各種模型的特點，我們可以看出模型可以概述為： 是對真

10、實系統(tǒng)中那些有用的和令人感興趣的特性的抽象化。(“用于研究目的的系統(tǒng)的表示”,是對現(xiàn)實世界的一種抽象。 ) 注意，系統(tǒng)模型并不是對真實系統(tǒng)的完全復現(xiàn)。 如果M能夠用來回答關(guān)于系統(tǒng)（S)的問題，并且在精度范圍A之內(nèi)，那末M就是系統(tǒng)S的模型。模型v三個特征 它是對現(xiàn)實世界一部分的抽象或模仿。 它由與分析問題有關(guān)的因素構(gòu)成。 它表明了有關(guān)因素間的相互聯(lián)系。模型v分類 圖形與實物模型和數(shù)學(分析)模型 仿真模型是系統(tǒng)的一類特殊數(shù)學模型 仿真模型類別仿真模型類別 模型v目的 開發(fā)模型的目的是用模型作為替代來幫助人們對原 物進 行假設(shè)、定義、探究、理解、預測、設(shè)計,或與原物的某一部分進行通信。 模型建模的

11、理由：系統(tǒng)還處于設(shè)計階段,真實的系統(tǒng)尚未建立,人們需要更準確地了解未來系統(tǒng)的 性 能 ,這只能通過對模型的實驗來了解。在真實系統(tǒng)上進行實驗可能會破壞系統(tǒng)或引發(fā)故障。需 要進行多次實驗時,難以保證每次實驗的條件相同,因 而無法準確判斷實驗結(jié) 果的優(yōu)劣。 實驗后,系統(tǒng)難以復原。 實驗時間太長或費用昂貴。 仿真概念 仿真的定義： 1961年 G.W. Morgenthater：“仿真意指在實際系統(tǒng)尚不存在的情況下對于系統(tǒng)或活動本質(zhì)的表現(xiàn)”。 1978年 Korn在連續(xù)系統(tǒng)仿真一書中將仿真定義為“用能代表所研究的系統(tǒng)的模型做實驗”。 1984年 Oren提出“仿真是一種基于模型的活動”，這被認為是現(xiàn)代

12、仿真技術(shù)的一個重要概念。 共同觀點：仿真是基于模型進行的 仿真是對真實世界的模擬仿真技術(shù) 仿真可以分為： 物理仿真：按照實際系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物理模型，并在物理描述模型上進行實驗的過程； 數(shù)學仿真：對系統(tǒng)進行抽象，并將其特性用數(shù)學關(guān)系式加以描述得到系統(tǒng)的數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，對數(shù)學模型進行實驗的過程。 數(shù)學仿真有時也稱為計算機仿真 半實物仿真：上述二者結(jié)合的產(chǎn)物。 一般所講的仿真技術(shù)指計算機仿真仿真技術(shù) 物理模型： 研制新型飛機時，一般先要對按照比例縮小的飛機模型進行風洞試驗，以驗證飛機的空氣動力學性能； 開發(fā)新型輪船時，一般先要在水池中對縮小的輪船模型進行試驗，以了解輪船的各種性能； 工程

13、建設(shè)或發(fā)電站選址時需要建立沙盤模型； 軍事演習中采用沙盤模型完成推演； 企業(yè)選址或車間布局時，利用模型進行評估與論證； 建筑模型、城市規(guī)劃模型都能都屬于物理模型。仿真技術(shù) 仿真可以分為： 1、根據(jù)仿真時鐘與實際時鐘的比例關(guān)系可分為：實時仿真、亞實時仿真以及超實時仿真。 仿真技術(shù) 實時仿真：仿真時鐘與實際時鐘完全一致，也就是模型仿真的速度與實際系統(tǒng)運行的速度相同。當被仿真的系統(tǒng)中存在物理模型或?qū)嵨飼r，必須進行實時仿真，例如各種訓練仿真器就是這樣，有時又稱在線仿真。 亞實時仿真：仿真時鐘慢于實際時鐘，。對于仿真速度要求不苛刻的情況下均是亞實時仿真。例如大多數(shù)系統(tǒng)離線研究與分析，有時也稱為離線仿真。

14、 超實時仿真：仿真時鐘快于實際時鐘，例如大氣環(huán)流的仿真以及交通系統(tǒng)的仿真。 仿真技術(shù)系統(tǒng)、模型及仿真三者之間有著密切的關(guān)系： 系統(tǒng)是研究對象，模型是系統(tǒng)抽象，仿真則是通過對模型的實驗以達到研究系統(tǒng)的目的。系統(tǒng)模型仿真建立仿真模型仿真實驗建立系統(tǒng)模型生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真 生產(chǎn)系統(tǒng)的定義： 生產(chǎn)系統(tǒng)是一個為了生產(chǎn)某一種或某一類產(chǎn)品，綜合生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)計劃、質(zhì)量控制、人員調(diào)度、設(shè)備維護、物料控制等各種技術(shù)為一體的復雜系統(tǒng)。 生產(chǎn)系統(tǒng)是生產(chǎn)系統(tǒng)是“生產(chǎn)產(chǎn)品的制造企業(yè) 一種組織體 ,它具有銷售、設(shè)計 、加工、交貨等綜合功能 ,并有提供服務(wù)的研究開發(fā)功能”。 （國際生產(chǎn)工程科學院 (CIRP) ）生產(chǎn)系統(tǒng)建模

15、仿真 生產(chǎn)系統(tǒng)仿真的概念： 通過對生產(chǎn)系統(tǒng)建模，建立一個能夠反應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)研究本質(zhì)的模型，并通過對生產(chǎn)系統(tǒng)進行時間歷程的運行，從而觀察、記錄系統(tǒng)模型幾個相關(guān)狀態(tài)量的變化。生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真v生產(chǎn)系統(tǒng)基本組成輸入（投入）轉(zhuǎn)換過程（生產(chǎn)過程）輸出（產(chǎn)出）生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真 投入是指生產(chǎn)與服務(wù)過程所需提供的各種生產(chǎn)要素，根據(jù)其在生產(chǎn)過程中所起的作用可以分為： 物質(zhì)資源-生產(chǎn)活動(過程)中所用到的資金和物資 人力資源-生產(chǎn)過程中所需要的勞動能力 信息資源-生產(chǎn)過程中所使用的信息資源 管理資源-對生產(chǎn)過程所進行的管理生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真 產(chǎn)出可分為有形產(chǎn)出與無形產(chǎn)出，它們均應(yīng)該是有效的。 有形產(chǎn)出-通過生產(chǎn)創(chuàng)造出

16、的實物產(chǎn)品，它是看得見摸得著的，汽車、電視、手機等； 無形產(chǎn)出是指服務(wù)作業(yè)提供的各種服務(wù)，它是不可觸及的，如銀行提供的金融服務(wù)、大學提供的教育等。生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真 產(chǎn)出與服務(wù)的有效性是指所提供的產(chǎn)品與服務(wù)必須具有附加價值或效用。效用可以體現(xiàn)為： 形體轉(zhuǎn)換-指物質(zhì)產(chǎn)品形體變化帶來的效用； 位置轉(zhuǎn)換-地點變化帶來的效用，如運輸； 信息轉(zhuǎn)換-將初始、零散、分布的信息轉(zhuǎn)換為特定的、有用的信息，如管理咨詢和市場調(diào)查報告。生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真 轉(zhuǎn)換過程是指將投入變成產(chǎn)出的過程，是企業(yè)生產(chǎn)與服務(wù)的主體。不同的生產(chǎn)與服務(wù)行業(yè)，其轉(zhuǎn)換過程的特征不同： 制造業(yè)主要涉及實物轉(zhuǎn)換(由原材料變成成品)； 運輸行業(yè)主要是完成

17、位置的轉(zhuǎn)移 通訊行業(yè)完成信息的轉(zhuǎn)換 倉儲行業(yè)完成物質(zhì)的貯存和重新分配； 醫(yī)療行業(yè)實現(xiàn)人的身體狀況的轉(zhuǎn)換 學校實現(xiàn)知識的轉(zhuǎn)換等。生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真v生產(chǎn)系統(tǒng)特性 (1)集合性 (2)相關(guān)性 (3)目的性 (4)環(huán)境適應(yīng)性 (5)反饋特性 (6)隨機特性生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真v 由于系統(tǒng)本身的復雜性難以評估設(shè)計風險、系統(tǒng)適應(yīng)性差和系統(tǒng)運行過程中生產(chǎn)調(diào)度困難等。 仿真技術(shù) 生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真的目的： （1）優(yōu)化：生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)（操作工人、工作臺數(shù)、緩沖區(qū)容量） （2）預測：正常工作狀態(tài)？ （3）計劃與調(diào)度 （4）系統(tǒng)性能的驗證：交貨期是否滿足？生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真的主要應(yīng)用 v(1)生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計v(2)物

18、料管理v(3)生產(chǎn)計劃模擬v(4)生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)v(5)生產(chǎn)成本分析仿真技術(shù) 仿真的應(yīng)用領(lǐng)域:產(chǎn)品制造/加工業(yè)仿真技術(shù) 仿真的應(yīng)用領(lǐng)域:食品及服務(wù)領(lǐng)域仿真技術(shù) 仿真的應(yīng)用領(lǐng)域:交通仿真技術(shù) 仿真的應(yīng)用領(lǐng)域:化學工廠仿真技術(shù) 仿真的應(yīng)用領(lǐng)域Call Center仿真技術(shù) 仿真的應(yīng)用領(lǐng)域:駕駛訓練仿真技術(shù) 仿真的應(yīng)用領(lǐng)域:醫(yī)學仿真技術(shù) 仿真的應(yīng)用領(lǐng)域物流 Motorola Distribution Centre 摩托羅拉分銷中心 系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展趨勢 美國的相關(guān)研究部門和工業(yè)界聯(lián)合研究完成的21世紀制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略報告中指出，2020年前世界制造業(yè)面臨的6大挑戰(zhàn)和10大關(guān)鍵技術(shù)中，10大關(guān)鍵技術(shù)的

19、第5項為“企業(yè)建模與仿真”。 世界先進國家的生產(chǎn)企業(yè)將生產(chǎn)仿真作為研究生產(chǎn)系統(tǒng)的一個重要手段，如英特爾、戴爾等，在企業(yè)擴建和改造、新產(chǎn)品生產(chǎn)投入之前，都會運用計算機仿真技術(shù)對企業(yè)將要采用的生產(chǎn)系統(tǒng)進行仿真和預測，為生產(chǎn)系統(tǒng)的調(diào)度決策、生產(chǎn)能力預測、生產(chǎn)設(shè)備的合理匹配、生產(chǎn)線的效率提高提供量化，為生產(chǎn)系統(tǒng)的早日投入正常生產(chǎn)運行起到出謀劃策的作用。系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展趨勢 阻礙生產(chǎn)系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用的原因 建模難度大：某些系統(tǒng)如對于大比例系統(tǒng)模型，建模十分復雜； 機時需求大：仿真大量的計算機機時； 數(shù)據(jù)要求高：仿真需要大量實際的、準確的數(shù)據(jù)，這是一般企業(yè)所難以提供的，因此對仿真結(jié)果的準確性帶來了影響

20、，導致了人們對仿真能力的懷疑。系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展趨勢 發(fā)展趨勢 總體而言，計算機仿真技術(shù)正如前述，朝著一體化建模與仿真環(huán)境的方向發(fā)展。 面向?qū)ο蠓抡妫禾峁└匀弧⒏庇^、具有可維護性和可重用性的系統(tǒng)仿真框架； 定性仿真：以非數(shù)字化手段處理信息輸入、建模、行為分析和結(jié)構(gòu)輸出，研究系統(tǒng)的定性行為，突破傳統(tǒng)定量仿真的局限； 智能仿真：把以知識為核心和人類思維行為為背景的智能技術(shù)，引入建模與仿真過程；系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢可視化仿真：基于計算機多媒體技術(shù)的發(fā)展，提供圖形、圖像、動畫等表現(xiàn)形式，使仿真過程更易于理解和更直觀，并能驗證仿真過程的正確性；多媒體仿真：進一步加入語音等功能，以多媒體形式再現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)演變過程，獲取系統(tǒng)的感性和理性認識；虛擬現(xiàn)實技術(shù)：強調(diào)三維動畫與交互功能，支持觸覺、嗅覺、味覺等，實現(xiàn)身臨其境的感覺，能體驗接受和認識客觀世界的事物；網(wǎng)上仿真：建立基于Internet的仿真系統(tǒng)。仿真案例 某一個工作人員每日的工作是處理文件，他從每天開始某一個工作人員每日的工作是處理文件，他從每天開始工作時即處理文件，直至文件處理完畢或工作結(jié)束，每一工作時即處理文件，直至文件處理完畢或工作結(jié)束，每一個文件處理完畢后開始下一個文件的處理，工作間隔一小