基于MATLAB的車間物流系統(tǒng)的建模與仿真

1、基于MATLAB的車間物流系統(tǒng)的建模與仿真摘要：現(xiàn)代企業(yè)制造過程中的原材料、加工設(shè)備、人工、廠房等成本基本已經(jīng)確定，要想再從生產(chǎn)過程中取得明顯的效益提升、降低生產(chǎn)成本相當(dāng)困難。企業(yè)里的車間物流是物流里面重要環(huán)節(jié)之一，根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)在整個制造過程中有大約95%的時間是用在存儲、裝卸、搬運(yùn)、等待加工等物流環(huán)節(jié)上。所以，從企業(yè)車間物流方面去入手，對于企業(yè)保障產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提升企業(yè)的競爭力則有很大的機(jī)會去提升生產(chǎn)效率、減低生產(chǎn)成本、增強(qiáng)市場競爭力。本文針對某工廠的車間物流的現(xiàn)狀，并結(jié)合企業(yè)車間物流系統(tǒng)的離散性，采用了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，應(yīng)用MATLAB仿真軟件，依據(jù)車間實(shí)際布局測定車間物流的搬運(yùn)距

2、離及搬運(yùn)批量，建立了基于MATLAB的車間物流的仿真模型。對車間未來布局的優(yōu)化及搬運(yùn)批量的定義提供了快速、準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)，對降低車間物流成本、減少生產(chǎn)用地、配合配置機(jī)器數(shù)量的研究有重要的意義。為企業(yè)在車間物流分析、優(yōu)化、預(yù)測及生產(chǎn)管理提供有效、直觀的依據(jù)。關(guān)鍵詞：車間物流，仿真，物流成本，MATLAB，車間布局。ABSTRACT：Inmanufacturingprocess,therelevantcostisalmostfixedforthemainlyelementssuchasrawmaterial,processmachine,humanresourceandplantfacilitie

3、s.Itisverydifficulttoreducethemanufacturingcostonsuchaspects.Butaccordingtoonerelatedreport,about95%ofmanufacturingleadtimeisusedonlogisticssuchasstoring,handling,transportationandprocesswaiting.Therefore,studyingonmanufacturinglogisticssystemisveryimportanttoreducetheentiremanufacturingcostandthene

4、nhancetheenterprise'scompetition.Baseonthecurrentworkshopmanufacturinglogisticsconditionandconsideringthemanufacturingsystemisonekindofdiscretesystem.ItisverysuitabletoapplyingsimulationtechnologysuchasMATLABsoftware.SotheelementsassociatedwithworkshoplogisticsaredefinedinMATLABprogram.Thisisone

5、kindofvisuallydynamicdisplayinterfacemodel,wecaneasilytoevaluateanddiagnosistheworkshoplogisticsandfindoutthepotentialoptimizingopportunityonlogisticscost.Itisverysignificanceforreducingmanufacturingcost,spaceandoptimizingequipment'squantityandprovidetherightorientationforimprovingtheworkshop

6、9;slogisticsystem.KEYWORDS:WorkshopLogistics,Simulation,Logisticcost,MATLAB,Layout.1引言隨著全球化、市場化程度的不斷提高，競爭的日益加劇，為了生產(chǎn)與發(fā)展，企業(yè)必須降低自身成本，提高自身效率。因此越來越多的企業(yè)意識到降低物流成本、實(shí)施物流系統(tǒng)優(yōu)化勢在必行。改革開放的幾十年間我國已成為制造業(yè)大國，但針對制造型企業(yè)的物流管理現(xiàn)狀、尤其是車間物流管理卻存在著諸多亟待解決的問題。車間物流是指從原材料進(jìn)入車間、物料在車間各個工位加工直至加工成成品的全部物流環(huán)節(jié)以及相對于的物流信息等活動。貫穿了企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的全過程，是物流鏈

7、中一個核心環(huán)節(jié)，它貫穿產(chǎn)品從原材料到最終成品的全部過程，是企業(yè)里面物流和生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)合環(huán)節(jié)。本文著重研究企業(yè)的車間物流系統(tǒng)，對車間服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并通過MATLAB進(jìn)行仿真，為企業(yè)在車間物流分析、優(yōu)化、預(yù)測及生產(chǎn)管理提供有效、直觀的依據(jù)。仿真就是通過建立實(shí)際系統(tǒng)模型并利用所建模型對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的過程。由此可見，系統(tǒng)、模型、仿真三者有密切的關(guān)系，系統(tǒng)是研究的對象，模型是系統(tǒng)的抽象，仿真是通過對模型的試驗(yàn)以達(dá)到研究系統(tǒng)的目的。由于現(xiàn)代仿真技術(shù)都是在計(jì)算機(jī)支持下進(jìn)行的，因此，系統(tǒng)仿真也被稱為計(jì)算機(jī)仿真。系統(tǒng)仿真有三個基本的活動，即系統(tǒng)建模、仿真建模和仿真試驗(yàn)，聯(lián)系這三個活動的是系統(tǒng)仿真的

8、三要素，即系統(tǒng)、模型、計(jì)算機(jī)。它們的關(guān)系如圖1.1所示。1.1仿真的三要素機(jī)器關(guān)系2離散事件系統(tǒng)仿真基本特點(diǎn)車間物流系統(tǒng)是典型的離散系統(tǒng)，所以在研究車間物流系統(tǒng)事，首先需了解離散事件系統(tǒng)仿真的基本特點(diǎn)。離散事件系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是:作為系統(tǒng)邊界的對象(實(shí)體)屬性狀態(tài)不可能用時間函數(shù)進(jìn)行描述，事件活動具有隨機(jī)性。針對離散事件系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真所存在的基本特點(diǎn)是：(a) 在構(gòu)造和確認(rèn)系統(tǒng)仿真模型方面具有較大難度，而圍繞系統(tǒng)模型編程設(shè)計(jì)仿真程序則應(yīng)反復(fù)計(jì)算與修改，因此要求總控程序的結(jié)構(gòu)框架不僅具有良好通用性，且應(yīng)具有強(qiáng)力模塊化結(jié)構(gòu)特征；(b) 針對系統(tǒng)需求分析階段提出的系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)(包括系統(tǒng)軟件平臺與

9、硬件平臺)，以及系統(tǒng)集成初期所提仿真模型，由于人所對系統(tǒng)認(rèn)識深度所限，仿真結(jié)果往往脫離系統(tǒng)實(shí)際，因此要求系統(tǒng)建模人員必須在模型抽象及其創(chuàng)建條件具有清晰而規(guī)范的工程標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)（包括規(guī)定內(nèi)容與格式的技術(shù)文檔資料等）；（C）離散系統(tǒng)仿真結(jié)果只能是某種參數(shù)規(guī)定條件下的特解，而不可能是系統(tǒng)仿真的通解，為能取得仿真結(jié)果的最優(yōu)解，應(yīng)對模型描述活動（造成系統(tǒng)狀態(tài)變化的過程）、環(huán)境（存在于系統(tǒng)周圍的對象和活動），實(shí)體與實(shí)體屬性等反復(fù)進(jìn)行技術(shù)研討，包括相關(guān)性度量技術(shù)研討等；（d）系統(tǒng)仿真時，模型中隨機(jī)變量描述只能以有限樣本數(shù)據(jù)為依據(jù)，顯然，仿真結(jié)果的可用度與樣本量及其輸入數(shù)據(jù)精度密切相關(guān)。因此，系統(tǒng)仿真決不可脫離樣

10、本數(shù)據(jù)。綜上所述認(rèn)為:離散系統(tǒng)仿真應(yīng)堅(jiān)持分層設(shè)計(jì)和逐步展開的基本設(shè)計(jì)思想。其中分層設(shè)計(jì)是兩個技術(shù)層次的相互銜接，即底層仿真主要針對系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備或者通用功能子系統(tǒng)（諸如通信子網(wǎng)中的文電傳輸技術(shù)分系統(tǒng)），該層仿真是要定量解決為用戶直接服務(wù)的技術(shù)應(yīng)用計(jì)算；頂層仿真是要定性/定量解決系統(tǒng)集成的各種宏觀應(yīng)用服務(wù)，諸如控制策略的可靠度計(jì)算與分析等。3.以機(jī)器修理車間為例進(jìn)行系統(tǒng)建模3.1機(jī)器修理車間問題描述機(jī)器修理車間如圖已知：（1）等待區(qū)足夠大;等修機(jī)器入口隊(duì)列等待區(qū)（2）排隊(duì)規(guī)則先進(jìn)先出;修理區(qū)修一理臺出口機(jī)器修理車間示意圖（3）到達(dá)間隔服從指數(shù)分布入1=1/10（臺/天）;（4）修理時間服從負(fù)指數(shù)分

11、布入2=1/15（臺/天）;求解：故障機(jī)器的平均等待時間；故障機(jī)器的平均等待隊(duì)長；3.2對機(jī)器修理車間進(jìn)行仿真的目的求解：故障機(jī)器的平均等待時間;故障機(jī)器的平均等待隊(duì)長;提高修理平臺的利用率。3.3模型建立（1）修理車間服務(wù)系統(tǒng)模型。修理車間服務(wù)系統(tǒng)是一個典型的離散時間系統(tǒng)，屬于單服務(wù)臺、單隊(duì)列服務(wù)系統(tǒng)，采用實(shí)體流圖法建立其模型。修理車間服務(wù)系統(tǒng)共有三個實(shí)體，即故障機(jī)器、修理平臺及等待隊(duì)列。修理平臺是永久實(shí)體，其活動為“修理機(jī)器”，有“忙”和“閑”兩種狀態(tài)。故障機(jī)器是臨時實(shí)體，它與修理平臺協(xié)同完成修理活動，有“等待服務(wù)”、“接受服務(wù)”（與修理平臺“忙”狀態(tài)相對應(yīng)）等狀態(tài)。等待隊(duì)列作為一類特殊實(shí)

12、體，其狀態(tài)以隊(duì)列長度標(biāo)識?！皺C(jī)器到達(dá)”事件和“機(jī)器結(jié)束排隊(duì)”事件導(dǎo)致修理活動的開始，“機(jī)器修理完成后離去”事件導(dǎo)致“修理”活動的結(jié)束。圖2.1表示了臨時實(shí)體（故障機(jī)器）產(chǎn)生、在系統(tǒng)中流動、接受永久實(shí)體（修理平臺）“修理”以及離去的過程。3.1修理車間服務(wù)系統(tǒng)實(shí)體流程圖（2）仿真模型。根據(jù)修理車間服務(wù)系統(tǒng)實(shí)體流程圖，可以采用進(jìn)程交互法進(jìn)行仿真。由于它是一個單服務(wù)臺排隊(duì)系統(tǒng)，故只需要給出機(jī)器的進(jìn)程就可以描述所有事件的處理過程。機(jī)器生命周期包括：機(jī)器到達(dá)；等待排隊(duì)，直到位于隊(duì)首；進(jìn)入服務(wù)通道；停留于服務(wù)通道之中，直到接受服務(wù)完畢離開。單修理平臺排隊(duì)系統(tǒng)中的機(jī)器進(jìn)程如圖2.2所示。圖中（*）表示無條件

13、延遲的復(fù)活點(diǎn)：故障機(jī)器到達(dá)，修理平臺修理預(yù)先確定的延遲期滿后才復(fù)活;+表示條件延遲的復(fù)活點(diǎn)：隊(duì)列中的機(jī)器等到修理平臺空閑而且自己處于隊(duì)列首時才能離開隊(duì)形接受修理。仿真模型中，最關(guān)鍵的是機(jī)器到達(dá)事件和修理完畢事件的處理?？偪爻绦?.2但修理平臺排隊(duì)系統(tǒng)中的機(jī)器進(jìn)程到達(dá)事件發(fā)生時，首先要執(zhí)行的操作是想未來時間表中插入下一機(jī)器到達(dá)事件，其事件發(fā)生的時間為當(dāng)前時鐘時間加上間隔時間。接下來測試服務(wù)平臺當(dāng)前的忙閑狀態(tài)。若忙，則機(jī)器實(shí)體進(jìn)入隊(duì)列文件等待；否則，機(jī)器實(shí)體將通過置服務(wù)平臺為“忙”狀態(tài)而占用修理平臺，并將修理完成事件插入未來事件表，其執(zhí)行的時間為當(dāng)前時鐘加上服務(wù)時間。到達(dá)事件將導(dǎo)致安排兩個事件。機(jī)

14、器到達(dá)事件處理過程如圖2.3所示。修理完畢事件的第一件事是收集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。接下來要檢查一下隊(duì)列文件是否為空，如果為空，則閑置平臺；否則，從隊(duì)列表中選出了隊(duì)列頭實(shí)體并安排下一修理完成事件，事件發(fā)生的時間為當(dāng)前時鐘時間加上修理時間。修理完畢事件處理過程如圖2.4所示。（3）負(fù)指數(shù)分布的隨機(jī)數(shù)。設(shè)u為o,i均勻分布，貝y：機(jī)器故障間隔時間的隨機(jī)數(shù)xl=-（l/入1）*lnu=T0lnu；每臺機(jī)器的修理時間的隨機(jī)數(shù)x2=-（1/入2）*lnu=T5lnu。到達(dá)事件圖3.3機(jī)器到達(dá)事件的處理框圖修理完成事件收集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)累計(jì)修理時間、修理次數(shù)從隊(duì)列鏈表中取出隊(duì)列頭實(shí)體累計(jì)等待時間并處理鏈表*安排下一修理完成

15、事件完成時間=TNOW+服務(wù)時間返回3.4修理完成事件處理框圖4.仿真結(jié)果及其分析4.1仿真結(jié)果仿真結(jié)果需要得出故障機(jī)器的平均等待時間、故障機(jī)器的平均等待隊(duì)長、以及曲線圖。因每次仿真的結(jié)果不一樣（隨機(jī)數(shù)的種子是每次運(yùn)行時系統(tǒng)的時間，產(chǎn)生的機(jī)器故障間隔時間和修理時間不一樣，運(yùn)行過程中等待、修理的機(jī)器數(shù)都不一樣），故在此采用平均值的方法，即讓程序運(yùn)行N次，得到N次機(jī)器的平均等待時間、機(jī)器的平均等待隊(duì)長，然后再求它們的平均值。有關(guān)指標(biāo)的計(jì)算公式如下：平均等待時間=（被修理機(jī)器的等待總時間+已到達(dá)還未修理的總等待時間）/（到達(dá)的機(jī)器數(shù)量）通過MATLAB進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下：請?jiān)O(shè)定機(jī)器修理車間仿真系

16、統(tǒng)的已維修的機(jī)器數(shù)（默認(rèn)值100）：150故障機(jī)器的平均等待時間如下AveWaitTime=845.2923故障機(jī)器的平均等待隊(duì)長如下AveQuLen=38.87764.2仿真結(jié)果分析由上述分析可知，u為0,1均勻分布機(jī)器故障間隔時間的隨機(jī)數(shù)x1=-（1/入1）*lnu=T0lnu;每臺機(jī)器的修理時間的隨機(jī)數(shù)x2=-（1/入2）*lnu=T5lnu?？梢姍C(jī)器故障間隔時間的隨機(jī)數(shù)x1V每臺機(jī)器的修理時間的隨機(jī)數(shù)x2,所以隨著時間的增加，隊(duì)長會呈現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢，Matlab仿真結(jié)果如圖4.1：4.1修理車間服務(wù)隊(duì)長分布圖由于修理車間服務(wù)系統(tǒng)隊(duì)長呈現(xiàn)增長的趨勢，所以需維修機(jī)器等待的時間會有所增加，故

17、各故障機(jī)器到來和離去的時間以及它們之間的差值也會逐漸增加。如下Matlab仿真圖，紅色曲線代表到來時間，藍(lán)色曲線代表離去時間，到來時間和離去時間都呈現(xiàn)增加的趨勢，且到來時間和離去時間的差值在逐漸加大。如圖4.24.2各故障機(jī)器到來和離去時間趨勢圖各故障機(jī)器在系統(tǒng)中的停留時間=等待時間+維修時間，故停留時間等待時間。在一開始時，車間有空余空間，隨著故障機(jī)器維修數(shù)目的增加，故障機(jī)器在系統(tǒng)中的停留時間和等待時間會隨之增加；當(dāng)車間沒有空余空間時，隨著故障機(jī)器維修數(shù)目的增加，故障機(jī)器在系統(tǒng)中的停留時間和等待時間趨于穩(wěn)定，不再呈5結(jié)束語仿真技術(shù)具有安全性、經(jīng)濟(jì)性和可重復(fù)性等特點(diǎn)，已成為及理論研究、科學(xué)實(shí)驗(yàn)

18、之后的第三種科學(xué)研究的有力手段。仿真科學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上形成的交叉學(xué)科。常見的系統(tǒng)仿真分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散系統(tǒng)仿真，其狀態(tài)變量是連續(xù)變化的，這類系統(tǒng)的仿真成為連續(xù)系統(tǒng)仿真。離散事件系統(tǒng)受事件驅(qū)動，系統(tǒng)的遷移發(fā)生在一系列離散事件點(diǎn)上，系統(tǒng)狀態(tài)是跳躍式變化的，在時間和空間上都是離散的，與連續(xù)系統(tǒng)在性質(zhì)上完全不同。比如：生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)等.離散事件系統(tǒng)往往是隨機(jī)的，具有復(fù)雜的變化關(guān)系，難于用常規(guī)的微分方程、差分方程等方程模型來描述，一般只能用流程圖或網(wǎng)絡(luò)圖來描述，如果應(yīng)用理論分析方法難于得到解析解，甚至無法解決，仿真技術(shù)為解決這列問題提供了有效的手段°MATLAB是比較常用的仿真軟件，這里用MATLAB仿真，對車間未來布局的優(yōu)化及搬運(yùn)批量的定義提供了快速、準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)，對降低車間物流成本、減少生產(chǎn)用地、配