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(gè)制造過程中有大約95% 的時(shí)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

2、定車間物流的搬運(yùn)距離及搬運(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：in manufacturing process, the relevant cost is almost fixed for the mainly elements such as raw material, process machi

3、ne, human resource and plant facilities. it is very difficult to reduce the manufacturing cost on such aspects. but according to one related report, about 95% of manufacturing lead time is used on logistics such as storing, handling, transportation and process waiting. therefore, studying on manufac

4、turing logistics system is very important to reduce the entire manufacturing cost and then enhance the enterprises competition. base on the current workshop manufacturing logistics condition and considering the manufacturing system is one kind of discrete system. it is very suitable to applying simu

5、lation technology such as matlab software. so the elements associated with workshop logistics are defined in matlab program. this is one kind of visually dynamic display interface model, we can easily to evaluate and diagnosis the workshop logistics and find out the potential optimizing opportunity

6、on logistics cost. it is very significance for reducing manufacturing cost, space and optimizing equipment s quantity and provide the right orientation for improving the workshop s logistic system.key words:workshop logistics, simulation, logistic cost, 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

7、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(gè)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，是物流鏈中一個(gè)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)

8、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(gè)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(gè)活動的是系統(tǒng)仿真的三要素，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

9、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(shí)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

10、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)行系統(tǒng)模型計(jì)算機(jī)建立系統(tǒng)模型建立仿真模型仿真實(shí)驗(yàn)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(shí) , 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(gè)技術(shù)層次的相互銜接, 即底層仿

11、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；（2）排隊(duì)規(guī)則先進(jìn)先出；（3）到達(dá)間隔服從指數(shù)分布1=1/10（臺/ 天） ；（4）修理時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布2=1/15（臺/ 天） ；求解：故障機(jī)器的平均等待時(shí)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(shí)間；故障機(jī)器的

12、平均等待隊(duì)長；提高修理平臺的利用率。入口出口等修機(jī)器被修機(jī)器出口修理臺被修機(jī)器修理區(qū)隊(duì)列等待區(qū)機(jī)器修理車間示意圖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(gè)典型的離散時(shí)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(gè)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(shí)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)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

13、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(shí)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(gè)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（ * ）表示無條件延遲的復(fù)活點(diǎn)：故障機(jī)器到達(dá)， 修理平臺修理預(yù)

14、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(shí)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。故障機(jī)器到達(dá)平臺閑？置平臺忙開始修理修理完畢離開置平臺閑等待排隊(duì)n y 3.2 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(shí)，首先要執(zhí)行的操作是想未來時(shí)間表中插入下一機(jī)器到達(dá)事件，其事件發(fā)生的時(shí)間為當(dāng)前時(shí)鐘時(shí)間加上間隔時(shí)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(shí)間為當(dāng)前時(shí)鐘加上服務(wù)時(shí)間。到達(dá)

15、事件將導(dǎo)致安排兩個(gè)事件。機(jī)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(shí)間為當(dāng)前時(shí)鐘時(shí)間加上修理時(shí)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0,1均勻分布，則：機(jī)器故障間隔時(shí)間的隨機(jī)數(shù)x1=-(1/ 1)*lnu=-10lnu；每臺機(jī)器的修理時(shí)間的隨機(jī)數(shù)x2=-(1/ 2)*lnu=-15lnu。總控程序產(chǎn)生下一機(jī)器到達(dá)時(shí)間安排下一機(jī)器到達(dá)事件隊(duì)列空？平臺閑？占用平臺；從隊(duì)列中移出機(jī)器產(chǎn)生修理時(shí)間安排修理

16、結(jié)束事件閑置修理平臺機(jī)器離開進(jìn)入隊(duì)列等待，直到位于隊(duì)列首并且服務(wù)平臺空閑(*) n n y y (*) 圖 3.3 機(jī)器到達(dá)事件的處理框圖到達(dá)事件安排下一機(jī)器到達(dá)事件發(fā)生的時(shí)間=tnow+到達(dá)時(shí)間間隔將到達(dá)時(shí)間放于實(shí)驗(yàn)屬性中平臺閑？置平臺忙安排修理完成事件完成時(shí)間 =tnow+修理時(shí)間返回進(jìn)入排隊(duì)鏈表中等待開始時(shí)間 =tnow 返回n y 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(shí)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(shí)系統(tǒng)的時(shí)間，產(chǎn)生的機(jī)器故障間隔時(shí)間和修理時(shí)間不一樣，運(yùn)行過程中等待、

17、 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(shí)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(shí)間 = （被修理機(jī)器的等待總時(shí)間+已到達(dá)還未修理的總等待時(shí)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(shí)間如下avewaittime = 845.2923 修理完成事件收集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)累計(jì)修理時(shí)間、修理次數(shù)隊(duì)列空否？從隊(duì)列鏈表中取出隊(duì)列頭實(shí)體累計(jì)等待時(shí)間并處理鏈表安排下一修理完成事件完成時(shí)間 =tnow+服務(wù)時(shí)間

18、返回閑置修理平臺返回y n 故障機(jī)器的平均等待隊(duì)長如下avequlen = 38.8776 4.2 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(shí)間的隨機(jī)數(shù)x1=-(1/ 1)*lnu=-10lnu; 每臺機(jī)器的修理時(shí)間的隨機(jī)數(shù)x2=-(1/ 2)*lnu=-15lnu?？梢姍C(jī)器故障間隔時(shí)間的隨機(jī)數(shù)x1每臺機(jī)器的修理時(shí)間的隨機(jī)數(shù)x2，所以隨著時(shí)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(shí)間會有所增加，故各故障機(jī)器到來和離去的時(shí)間以及它們之間的差值也會逐漸增

19、加。如下 matlab 仿真圖，紅色曲線代表到來時(shí)間，藍(lán)色曲線代表離去時(shí)間，到來時(shí)間和離去時(shí)間都呈現(xiàn)增加的趨勢，且到來時(shí)間和離去時(shí)間的差值在逐漸加大。如圖 4.2 4.2 各故障機(jī)器到來和離去時(shí)間趨勢圖各故障機(jī)器在系統(tǒng)中的停留時(shí)間=等待時(shí)間 +維修時(shí)間，故停留時(shí)間 等待時(shí)間。在一開始時(shí)，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(shí)間和等待時(shí)間會隨之增加；當(dāng)車間沒有空余空間時(shí)， 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(shí)間和等待時(shí)間趨于穩(wěn)定，不再呈現(xiàn)大幅度的變化。其matlab 仿真圖如圖 4.3 ：4.3 各故障機(jī)器在系統(tǒng)中的停留時(shí)間和等待時(shí)間圖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)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