自動化制造系統(tǒng)的計算機仿真及優(yōu)化

關(guān)于自動化制造系統(tǒng)的計算機仿真及優(yōu)化第1頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1計算機仿真概述

計算機仿真是一種省時、省力、省錢的系統(tǒng)分析研究工具，對分析研究自動化制造系統(tǒng)的設(shè)計和運行性能具有巨大的優(yōu)勢，所得到的結(jié)論對投資決策能夠起到非常重要的支持作用。9.1.1仿真的基本概念9.1.2計算機仿真的發(fā)展歷程（書中解釋）9.1.3計算機仿真的特點9.1.4計算機仿真的意義9.1.5自動化制造系統(tǒng)計算機仿真的作用第2頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.1仿真的基本概念

現(xiàn)代科學(xué)研究、生產(chǎn)開發(fā)、社會工程、經(jīng)濟(jì)運營中涉及的許多項目都有一定的規(guī)模和復(fù)雜度。在進(jìn)行項目的設(shè)計和規(guī)劃時往往需要對項目的合理性、經(jīng)濟(jì)性等品質(zhì)加以評價。在項目實際運營前也希望對項目的實施結(jié)果加以預(yù)測以便選擇正確、高效的運行策略或提前消除該項目設(shè)計中的缺陷，最大限度地提高實際系統(tǒng)的運行水平。采用仿真技術(shù)可以省時、省力、省錢地達(dá)到上述目的。第3頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.1仿真的基本概念

仿真對大家來說并不陌生。例如，在進(jìn)行軍事戰(zhàn)役之前，進(jìn)行沙盤推演和實地軍事演習(xí)就是對該戰(zhàn)役的一種仿真研究。設(shè)計飛機時，用風(fēng)洞對機翼進(jìn)行空氣動力學(xué)特性研究，就是在飛機上天實際飛行前對其機翼在空中高速氣體流場中受力狀態(tài)和運行狀態(tài)的一種仿真。第4頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.1仿真的基本概念

在制造系統(tǒng)的設(shè)計階段，通過某一種模型來研究該系統(tǒng)在不同物理配置情況下、不同物流路徑和不同運行控制策略的特性，從而預(yù)先對系統(tǒng)進(jìn)行分析和評價，以獲得較佳的配置和較優(yōu)的控制策略。在制造系統(tǒng)建成后，通過仿真可以研究系統(tǒng)在不同作業(yè)計劃輸入下的運行情況，比較和選擇較優(yōu)的作業(yè)計劃，以達(dá)到提高系統(tǒng)運行效率的目的。這些都是仿真的應(yīng)用案例，如圖9.1所示。

第5頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.1仿真的基本概念

（a）神舟飛船的海上回收仿真圖9.1仿真案例第6頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.1仿真的基本概念

（b）飛機機翼高速氣流場中受力狀態(tài)和運行狀態(tài)仿真圖9.1仿真案例第7頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.1仿真的基本概念

（c）無人狀態(tài)下的飛行仿真

圖9.1仿真案例第8頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.1仿真的基本概念

（d）制造系統(tǒng)的物理配置仿真

圖9.1仿真案例第9頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.1仿真的基本概念

“仿真”一詞源于英文術(shù)語Simulation，早期也譯為“模擬”。仿真就是通過對系統(tǒng)模型的實驗去研究一個存在或設(shè)計中的系統(tǒng)（這里的系統(tǒng)是指由相互聯(lián)系和相互制約的各個部分組成的具有一定功能的整體）。簡單地說，仿真就是一種基于模型的活動。根據(jù)仿真與實際系統(tǒng)配置的接近程度，可以將其分為全物理仿真，半物理仿真和計算機仿真。第10頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.1仿真的基本概念

采用與實際系統(tǒng)相同或等效的部件或子系統(tǒng)來實現(xiàn)對系統(tǒng)的試驗研究，以分析系統(tǒng)的性能，稱為全物理仿真。如圖9.1(a)和如圖9.1(b)所示。在計算機上建立實際系統(tǒng)的計算機模型，并對其進(jìn)行試驗研究的仿真稱為計算機仿真。如圖9.1(d)。介于前兩者之間并將其有機結(jié)合，用已研制出來的系統(tǒng)中的實際部件或子系統(tǒng)去代替部分計算機模型所構(gòu)成的仿真稱為半物理仿真。如圖9.1(c)所示。

第11頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.1仿真的基本概念

一般說來，計算機仿真較之半物理、全物理仿真在時間、費用和方便性等方面都具有明顯的優(yōu)點。而半物理仿真、全物理仿真具有較高的可信度，但費用昂貴且準(zhǔn)備時間長。

如圖9.2所示給出了計算機仿真、半物理仿真和全物理仿真的關(guān)系及其在工程系統(tǒng)研究各階段的應(yīng)用。

第12頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.1仿真的基本概念

第13頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.1仿真的基本概念

計算機仿真技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、安全、可重復(fù)和不受氣候、場地、時間限制的優(yōu)勢，被稱為除理論推導(dǎo)和科學(xué)試驗之外的人類認(rèn)識自然和改造自然的第三種手段。因此，除了必須采用半物理或全物理仿真才能滿足系統(tǒng)研究的要求的情況外，一般來說都應(yīng)盡量采用計算機仿真，計算機仿真也由此得到了越來越廣泛的應(yīng)用。第14頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.3計算機仿真的特點

計算機仿真有別于其它方法的顯著特點之一是：它是一種在計算機上進(jìn)行實驗的方法，實驗所依賴的是由實際系統(tǒng)抽象出來的仿真模型。由于這一特點，計算機仿真給出的是由實驗選出的較優(yōu)解，而不像數(shù)學(xué)分析方法那樣給出問題的確定性的最優(yōu)解。第15頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.3計算機仿真的特點

計算機仿真結(jié)果的價值和可信度，與仿真模型、仿真方法及仿真實驗輸入數(shù)據(jù)有關(guān)。如果仿真模型偏離真實系統(tǒng)，或者仿真方法選擇不當(dāng)，或者仿真實驗輸入的數(shù)據(jù)不充分、不典型，則將降低仿真結(jié)果的價值。但是，仿真模型對原系統(tǒng)描述得越細(xì)、越真實，仿真輸入數(shù)據(jù)集越大，仿真建模的復(fù)雜度和仿真時間都會增加。因此，需要在可信度、真實度與復(fù)雜度之間加以權(quán)衡。第16頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.4計算機仿真的意義

采用計算機仿真技術(shù)具有以下幾點十分重要的意義。（l）可以替代許多難以開展或無法實現(xiàn)的實驗。（2）可以解決一般理論方法難以求解的大型系統(tǒng)問題。（3）可以經(jīng)濟(jì)快速地比較不同方案以降低投資風(fēng)險并節(jié)省研究開發(fā)費用。（4）可以避免實際實驗對生命和財產(chǎn)的危害。（5）可以縮短實驗時間，并不拘于時空限制。第17頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.5自動化制造系統(tǒng)計算機仿真的作用

根據(jù)計算機仿真在自動化制造系統(tǒng)中的作用，可以將其歸結(jié)為“設(shè)計決策”和“運行決策”兩種類型?！霸O(shè)計決策”關(guān)注制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和配置的分析、規(guī)劃、設(shè)計與優(yōu)化，它可以為下列問題的決策提供技術(shù)支持：

①在生產(chǎn)任務(wù)一定時，制造系統(tǒng)所需機床、設(shè)備、工具以及操作人員的類型和數(shù)量。

②在配置給定的前提下，制造系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)效率和效益。第18頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.5自動化制造系統(tǒng)計算機仿真的作用

④緩沖區(qū)及倉庫容量的確定。

⑤企業(yè)及車間的最佳布局。

⑥生產(chǎn)線的平衡分析及優(yōu)化。

⑦企業(yè)或車間的瓶頸工位分析與改進(jìn)。

⑧設(shè)備故障、統(tǒng)計及維修對系統(tǒng)性能的影響。

⑨優(yōu)化產(chǎn)品銷售體系，如配送中心選址、數(shù)量與規(guī)模等，降低銷售成本。第19頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.5自動化制造系統(tǒng)計算機仿真的作用

“運行決策”關(guān)注制造系統(tǒng)運營過程中的生產(chǎn)計劃、調(diào)度與控制，它可以為以下問題的決策提供技術(shù)支持：

①給定生產(chǎn)任務(wù)時，制定作業(yè)計劃、安排作業(yè)班次。

②制定采購計劃，使采購成本最低。

③優(yōu)化車間生產(chǎn)控制及調(diào)度策略。

④企業(yè)制造資源的調(diào)度，以提高資源利用率和實現(xiàn)效益最大化。

⑤設(shè)備預(yù)防性維修周期的制定與優(yōu)化。第20頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.5自動化制造系統(tǒng)計算機仿真的作用

對于自動化制造系統(tǒng)而言，計算機仿真具有很多的優(yōu)點，主要包括：

①可以用仿真試驗新的設(shè)計方案、結(jié)構(gòu)參數(shù)、調(diào)度規(guī)則、操作流程以及控制方式等，而無需破壞實際系統(tǒng)或中斷實際系統(tǒng)的運行。

②可以測試車間布局、物流系統(tǒng)等是否合理，而無需消耗大量資源。

③仿真時通過采用時間“壓縮”或“延長”技術(shù)，可以加速或延緩制造系統(tǒng)中某些物理現(xiàn)象的發(fā)生頻率及其持續(xù)時間，深層次地揭示制造系統(tǒng)本質(zhì)特征。第21頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.1.5自動化制造系統(tǒng)計算機仿真的作用

④有利于深入地觀察不同配置、結(jié)構(gòu)和參數(shù)之間的相互作用，以便從全局的角度認(rèn)識系統(tǒng)。

⑤有利于分析和發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)，確定系統(tǒng)的敏感變量。

⑥有利于找到系統(tǒng)中的瓶頸工序、部位和設(shè)備，以便作有針對性地改進(jìn)。

⑦利用仿真技術(shù)，可以逐步地分析和解決系統(tǒng)存在的問題，以實現(xiàn)自動化制造系統(tǒng)的最佳設(shè)計和運行過程的最優(yōu)化。第22頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.2計算機仿真的基本理論及方法9.2.1仿真建模的基本理論

1.模型的基本概念及分類

2.建模過程中的信息來源

3.建模方法9.2.2計算機仿真的一般過程9.2.3離散事件系統(tǒng)仿真的基本技術(shù)（書中解釋）第23頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六1.模型的基本概念及分類

如前所述，仿真就是通過對系統(tǒng)模型的實驗去研究一個真實系統(tǒng)。由此可見，模型是實現(xiàn)仿真的前提條件。所謂模型就是對真實系統(tǒng)中那些有用的和令人感興趣的特性的抽象、簡化與描述。模型在所研究的系統(tǒng)的某一側(cè)面具有與系統(tǒng)相似的數(shù)學(xué)描述和物理描述。簡而言之，模型是集中反映系統(tǒng)信息的整體。第24頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六1.模型的基本概念及分類

模型具有下述特點：

①它是客觀事物的模仿或抽象。

②它由與分析問題有關(guān)的因素構(gòu)成。

③它體現(xiàn)了有關(guān)因素之間的聯(lián)系。從另一側(cè)面來看，當(dāng)我們把系統(tǒng)看成是行為數(shù)據(jù)源時，那么模型就是一組產(chǎn)生行為數(shù)據(jù)的指令的集合。第25頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六1.模型的基本概念及分類

根據(jù)模型與實際系統(tǒng)的一致程度，可以概略地把模型分為以下三類：

（l）物理模型，即實物模型（2）數(shù)學(xué)模型（3）物理—數(shù)學(xué)模型，即半物理模型第26頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六（l）物理模型，即實物模型

物理模型是采用特定的材料和工藝，根據(jù)相似性原則按一定比例制作的，以便通過試驗對系統(tǒng)的模型方面性能作出評估。例如，研制新型飛機時，一般先要對比例縮小的飛機模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗，以驗證飛機的空氣動力學(xué)性能。開發(fā)新型輪船時，一般先要在水池中對比例縮小的輪船模型進(jìn)行試驗，以了解輪船的各種性能。飛機模型以及輪船模型都屬于物理模型。第27頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六（2）數(shù)學(xué)模型

采用符號、數(shù)學(xué)方程、數(shù)學(xué)函數(shù)或數(shù)據(jù)表格等方法定義系統(tǒng)各元素之間的關(guān)系和內(nèi)在規(guī)律，再利用對數(shù)學(xué)模型的試驗以獲得現(xiàn)實系統(tǒng)的性能特征和規(guī)律。例如，國家或地區(qū)人口增長模型、經(jīng)濟(jì)增長預(yù)測模型、數(shù)控機床可靠性模型等。第28頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六（3）物理—數(shù)學(xué)模型，即半物理模型

物理—數(shù)學(xué)模型是一種混合模型，它有機地結(jié)合了物理模型和數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點。例如航空、航天仿真訓(xùn)練器，發(fā)電廠調(diào)度仿真訓(xùn)練器等。第29頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六2.建模過程中的信息來源

建模就是對真實系統(tǒng)在不同程度上的抽象。這種抽象實際上是對真實系統(tǒng)的信息以某種適當(dāng)?shù)男问郊右愿爬ê兔枋觯瑥亩唧w地定出模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。建模過程有三類主要信息來源：目標(biāo)和目的，先驗知識，試驗數(shù)據(jù)。（書中解釋）第30頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六3.建模方法

仿真建模的一般方法有：

（1）數(shù)學(xué)規(guī)劃。采用排隊論、線性規(guī)劃等理論方法建立系統(tǒng)模型。

（2）圖與網(wǎng)絡(luò)方法。采用方框圖、信號流程圖來描述控制系統(tǒng)模型，或者用邏輯流程圖、活動循環(huán)圖、Petri網(wǎng)等來描述離散事件系統(tǒng)模型。

（3）隨機理論方法。對于隨機系統(tǒng)，還必須采用隨機理論方法來建立系統(tǒng)模型。第31頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六3.建模方法

（4）通用仿真語言建模方法。通過某種通用仿真語言提供的過程或活動描述方法對系統(tǒng)動態(tài)過程進(jìn)行描述，再將其轉(zhuǎn)為仿真程序。

（5）圖形建模方法。通過類似于CAD作業(yè)那樣的方式直接在計算機屏幕上用圖標(biāo)給出某個系統(tǒng)（例如制造系統(tǒng)）的物理配置和布局、活動體的運動軌跡以及控制規(guī)則和運行計劃。這是一種不必編程即可運行的建模方式。第32頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.2.2計算機仿真的一般過程

建模與仿真研究的目的是分析實際系統(tǒng)的性能特征。如圖9.5所示給出了系統(tǒng)建模與仿真的應(yīng)用步驟，總體上可分為系統(tǒng)分析、數(shù)學(xué)建模、仿真建模、仿真試驗、仿真結(jié)果分析以及模型確認(rèn)等步驟，各步驟的基本功能（書中解釋）。第33頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.2.2計算機仿真的一般過程

第34頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.3自動化制造系統(tǒng)仿真研究的主要內(nèi)容

本節(jié)主要內(nèi)容包括：9.3.1總體布局研究9.3.2動態(tài)調(diào)度策略的仿真研究9.3.3作業(yè)計劃的仿真研究第35頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.3.1總體布局研究

自動化制造系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計時，必須在明確制造對象和總體生產(chǎn)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，首先確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，這包括：

①確定各種設(shè)備的類型和數(shù)量。

②確定各種設(shè)備的相互位置關(guān)系即系統(tǒng)布局。

③研究系統(tǒng)布局對既定場地的利用情況。

④研究系統(tǒng)中最恰當(dāng)?shù)奈锪髀窂健?/p>

⑤研究系統(tǒng)在動態(tài)運行時是否會由于布局本身的不當(dāng)而發(fā)生阻塞和干涉（系統(tǒng)瓶頸）。第36頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.3.1總體布局研究

通常的方法是在按第8章中的原則確定出系統(tǒng)的配置和布局后，通過仿真系統(tǒng)，按比較嚴(yán)格的比例關(guān)系，在計算機屏幕上設(shè)計出系統(tǒng)的平面或立體的布局圖像，然后通過不同方位或不同運行情況下的圖形變換來觀察布局是否合理。最后，通過系統(tǒng)的動態(tài)運行來研究是否存在動態(tài)干涉或阻塞問題，設(shè)計人員再根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計方案進(jìn)行修改完善。第37頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.3.1總體布局研究

值得指出的是，雖然在研究系統(tǒng)布局時涉及圖形變換等動畫處理，但從原理上來看僅僅是一種靜態(tài)結(jié)構(gòu)的仿真，不涉及制造系統(tǒng)本身的動態(tài)特性。只有研究系統(tǒng)在動態(tài)運行時發(fā)生干涉或阻塞問題時，才涉及系統(tǒng)的動態(tài)特性。此時系統(tǒng)的動態(tài)特性主要是著眼于移動設(shè)備和固定設(shè)備之間的關(guān)系，以及物料運輸路徑的合理性。第38頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.3.2動態(tài)調(diào)度策略的仿真研究

在一個自動化制造系統(tǒng)中通常有許多決策點：工件進(jìn)入系統(tǒng)的決策點；工件選擇加工設(shè)備的決策點；加工設(shè)備選擇工件的決策點；小車運輸方式的決策點；工件選擇緩沖站的決策點；選擇運輸小車的決策點；加工設(shè)備選擇刀具的決策點；刀具選擇中央刀庫中刀位的決策點等。

第39頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.3.2動態(tài)調(diào)度策略的仿真研究

在不同的決策點具有相應(yīng)的多個決策規(guī)則。因此，根據(jù)系統(tǒng)的具體情況在各個決策點采用某些決策規(guī)則，就構(gòu)成了系統(tǒng)的不同調(diào)度方案。進(jìn)行動態(tài)調(diào)度策略的仿真研究是為了研究或驗證在實際的制造系統(tǒng)控制過程中的動態(tài)調(diào)度方案是否合理、高效，或通過實驗提前消除原控制系統(tǒng)軟件的潛在缺陷，屬于對系統(tǒng)的比較詳細(xì)、深入的仿真。

第40頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.3.2動態(tài)調(diào)度策略的仿真研究

為此，在建立仿真模型時，必須使仿真系統(tǒng)中與原制造系統(tǒng)中有對應(yīng)相同的決策點，每個對應(yīng)的決策點均采用對應(yīng)相同的決策方法（由決策規(guī)則和規(guī)則的適用優(yōu)先順序等方法來確定）。每個對應(yīng)的決策點在相同的條件下應(yīng)產(chǎn)生對應(yīng)相同的活動。換言之，仿真系統(tǒng)中的控制邏輯圖應(yīng)與原來的制造系統(tǒng)的控制邏輯圖相同。第41頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.3.3作業(yè)計劃的仿真研究

在制造系統(tǒng)建成后，設(shè)備配置及調(diào)度策略就已經(jīng)確定了。這時，影響系統(tǒng)運行效率的主要因素就是生產(chǎn)作業(yè)計劃。由于在生產(chǎn)過程中考慮到后續(xù)工序的需求和系統(tǒng)總體效率，零件往往是以混合批次的方式在系統(tǒng)中進(jìn)行加工的。第42頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.3.3作業(yè)計劃的仿真研究

例如，為了裝配某一部件，需要A零件2件，B零件1件，C零件1件。如果我們采用先加工A零件2000件，再加工B零件1000件，然后加工C零件1000件的作業(yè)計劃進(jìn)行生產(chǎn)，則有可能在加工A零件時，由于加工2000件時間過長，造成后續(xù)裝配工序無件可裝而空閑，這顯然會造成整個制造系統(tǒng)負(fù)荷不均，影響總體效率。第43頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.3.3作業(yè)計劃的仿真研究

如果，按加工A零件2件，B零件1件，C零件1件的作業(yè)計劃能夠使后續(xù)工序不致空閑，但卻未必是高效的。因為機床更換不同加工對象時，會涉及刀具的準(zhǔn)備（甚至中途換刀）等問題，會顯著地增加中間輔助時間，從而降低系統(tǒng)總的生產(chǎn)率。因此，系統(tǒng)作業(yè)計劃應(yīng)按A、B、C零件的比例關(guān)系2x:x:x的混合批次進(jìn)行加工，但究竟x為多少最適宜，卻是需要仔細(xì)研究的。第44頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.3.3作業(yè)計劃的仿真研究

而通過仿真卻可以相當(dāng)準(zhǔn)確地預(yù)測不同加工計劃的優(yōu)劣，確定出最佳的x值。通過對作業(yè)計劃的仿真，還可以預(yù)測產(chǎn)品的交貨期是多長，是否能夠按期完成任務(wù)，還可以預(yù)測在某個時期制造系統(tǒng)的產(chǎn)品產(chǎn)量。對作業(yè)計劃仿真的主要要素是根據(jù)實際作業(yè)計劃抽象出零件類型和加工工藝路線以及在每道工序上的加工時間。第45頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.3.3作業(yè)計劃的仿真研究

其中比較關(guān)鍵的數(shù)據(jù)是在同一工序上的加工時間。這一工序時間應(yīng)是NC程序的運行時間以及裝卸工件時間之和。一般在加工某一零件時，都對NC程序進(jìn)行過試運行，對零件進(jìn)行過預(yù)加工和調(diào)整。因此，在一個制造自動化系統(tǒng)建成后對作業(yè)計劃進(jìn)行仿真時，加工時間需要相當(dāng)準(zhǔn)確，從而也使加工計劃仿真的結(jié)果具有更大的準(zhǔn)確度。

第46頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.4面向制造系統(tǒng)的仿真軟件及其應(yīng)用實例

本節(jié)主要內(nèi)容包括：9.4.1制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述9.4.2通用仿真語言GPSS簡介9.4.3主流制造系統(tǒng)仿真軟件簡介9.4.4ProModel仿真軟件的模型元素及其使用（看書自學(xué)）9.4.5基于ProModel軟件的仿真應(yīng)用案例（看書自學(xué)）第47頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.4.1制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述

總體上，仿真建模軟件系統(tǒng)大致可以分為3種類型。

（1）采用通用編程語言（如FORTRAN、BASIC、C等）編寫仿真程序，建立仿真模型。在仿真技術(shù)發(fā)展的早期，這種方法應(yīng)用最為普遍。目前，該方法在一些特定領(lǐng)域或特定對象的系統(tǒng)仿真中仍有廣泛應(yīng)用。

（2）采用面向仿真的程序語言（如GPSS、GASP、SIMSCRIPT等）編制仿真程序。第48頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.4.1制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述

（3）采用商品化仿真軟件包建立仿真模型，如AutoMod、Extend、Flexsim、ProModel、WITNESS、Arena等。這類系統(tǒng)通常具有獨立的仿真建模、運行及仿真結(jié)果分析環(huán)境，提供圖形化用戶界面，并內(nèi)嵌仿真編程語言，是目前系統(tǒng)仿真的主要形式。第49頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.4.1制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述20世紀(jì)80年代后期，PC機成為仿真建模軟件的主要平臺。目前，面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)、圖形化用戶界面、動畫技術(shù)以及各種可視化工具等成為仿真軟件的基本配置。另外，仿真建模軟件還提供輸入數(shù)據(jù)分析器、結(jié)果輸出分析器等模塊，以便簡化建模過程，為用戶提供高效的數(shù)據(jù)處理功能，使用戶將主要精力用于系統(tǒng)模型的構(gòu)建中。由南京理工大學(xué)和香港城市大學(xué)共同開發(fā)的FMS仿真器FMSSIM已經(jīng)實現(xiàn)了這一技術(shù)。

第50頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.4.1制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述

近年來，仿真軟件開始由二維動畫向三維動畫轉(zhuǎn)變，提供虛擬現(xiàn)實的仿真建模與運行環(huán)境。此外，智能化建模技術(shù)、基于Web的仿真、智能化結(jié)果分析與優(yōu)化技術(shù)也成為仿真軟件開發(fā)的重要趨勢。

第51頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.4.1制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述

人們在仿真建模的研究和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，開發(fā)面向特定應(yīng)用領(lǐng)域的仿真軟件或模塊既是仿真軟件開發(fā)的必然選擇，也是促進(jìn)仿真技術(shù)應(yīng)用的有效途徑。此外，為支持用戶對特定類型系統(tǒng)或產(chǎn)品的仿真分析，不少仿真軟件還提供二次開發(fā)及開放性程序接口，以增強軟件的適應(yīng)性。

第52頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.4.1制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述

目前，市場上已有大量的商品化仿真軟件，它們面向制造系統(tǒng)、物流系統(tǒng)或機械產(chǎn)品開發(fā)的某些特定領(lǐng)域，成為提高產(chǎn)品或系統(tǒng)性能、提高企業(yè)競爭力的有效工具。

表9-4列出了國外用于制造系統(tǒng)建模與仿真的主要軟件的基本情況，供研究和應(yīng)用參考。第53頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.4.1制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述

第54頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.4.2通用仿真語言GPSS簡介

離散事件系統(tǒng)的通用仿真語言GPSS（GeneralPurposeSimulationSystem）主要是由美國IBM公司開發(fā)，GPSS語言是為那些并不是計算機程序設(shè)計專家的分析人員而設(shè)計的。最早的文本發(fā)表于1961年。多年來，GPSS一直在發(fā)展和演變，到目前為止已有幾種不同版本的GPSS，它是離散事件系統(tǒng)仿真方面應(yīng)用得最廣泛的語言之一。其模型描述看書解釋第55頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六9.4.3主流制造系統(tǒng)仿真軟件簡介

本節(jié)簡要介紹以下幾種常用仿真軟件：

1.Flexsim仿真軟件

2.Arena仿真軟件

3.Extend仿真軟件

4.Witness仿真軟件

5.AutoMod仿真軟件

6.ProModel仿真軟件第56頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六1.Flexsim仿真軟件Flexsim是美國FlexsimSoftwareProducts公司的產(chǎn)品，1993年投放市場。它采用C++語言開發(fā)，采用面向?qū)ο缶幊毯蚈penGL技術(shù)，可以以二維或三維方式提供虛擬現(xiàn)實的建模環(huán)境。它提供三維圖形化建模環(huán)境，并集成Ｃ++集成開發(fā)環(huán)境和編譯。

Flexsim利用對象建立仿真模型，對象代表實際系統(tǒng)中的活動和過程。它提供對象模版庫，并利用鼠標(biāo)的拖放操作來確定對象在模型窗口中的位置。第57頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六1.Flexsim仿真軟件Flexsim軟件提供了眾多的對象類型，如機床、操作員、傳送帶、叉車等。通過設(shè)置對象參數(shù)，可以快速高效地構(gòu)建制造系統(tǒng)、物料系統(tǒng)等系統(tǒng)模型。對象的高度自定義性不僅提高了建模速度、節(jié)省了建模時間，也使仿真模型具有層次性。

如圖9.9所示為Flexsim仿真軟件的界面。第58頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六1.Flexsim仿真軟件

圖9.9Flexsim仿真軟件的界面

第59頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六1.Flexsim仿真軟件

利用Flexsim軟件可以快速構(gòu)建系統(tǒng)模型，通過對系統(tǒng)動態(tài)運行過程的仿真、試驗和優(yōu)化，可以提高生產(chǎn)效率、降低運營成本。

Flexsim軟件可用于評估系統(tǒng)生產(chǎn)能力及生產(chǎn)流程、優(yōu)化資源配置、確定合理的庫存水平、縮短產(chǎn)品上市時間等。

第60頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六2.Arena仿真軟件Arena是美國SystemModelingCorporation研發(fā)的仿真軟件，1993年進(jìn)入市場，現(xiàn)為美國RockwellSoftware公司的產(chǎn)品。

Arena軟件基于SIMAN/CINEMA仿真語言，它提供可視化、通用性和交互式的集成仿真環(huán)境，兼具仿真程序語言的柔性和仿真軟件的易用性，并可以與通用編程語言（如VisualBasic、FORTRAN和C/C++等）編寫的程序連接運行。第61頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六2.Arena仿真軟件Arena軟件在仿真領(lǐng)域具有較高聲譽，《IntroductiontoSimulationusingSIMAN》以及《SimulationwithArena》等以Arena仿真軟件為基礎(chǔ)的教材，成為美國制造類及工業(yè)工程類專業(yè)仿真課程的主要教材之一。如圖9.10所示為Arena仿真軟件的界面。

Arena在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括：制造系統(tǒng)的工藝計劃、設(shè)備布置、工件加工軌跡的可視化仿真與尋優(yōu)、生產(chǎn)計劃、制造系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和風(fēng)險評價、制造系統(tǒng)改進(jìn)等。第62頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六2.Arena仿真軟件

圖9.10Arena仿真軟件的界面第63頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六3.Extend仿真軟件Extend仿真軟件由美國ImagineThat公司開發(fā)，1988年進(jìn)入市場。它基于Windows操作系統(tǒng)，采用C語言開發(fā)，可以對離散事件系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，且具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性。

Extend采用交互式建模方式，具有二維半動畫仿真功能，利用可視化工具和可重用的模塊組快速構(gòu)建系統(tǒng)模型。第64頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六3.Extend仿真軟件

Extend軟件的應(yīng)用涉及制造業(yè)、物流業(yè)、交通、軍事等領(lǐng)域，具體應(yīng)用包括半導(dǎo)體生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)度、鋼鐵企業(yè)物流系統(tǒng)規(guī)劃、生產(chǎn)系統(tǒng)性能優(yōu)化等。通過對系統(tǒng)績效指標(biāo)的仿真分析，可以直觀地評價和改進(jìn)影響系統(tǒng)性能的因素，以實現(xiàn)系統(tǒng)最佳的配置、運行模式或經(jīng)營策略等。如圖9.11所示為Extend仿真軟件的界面。第65頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六3.Extend仿真軟件

圖9.11Extend仿真軟件的界面

第66頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六4.Witness仿真軟件Witness是英國Lanner集團(tuán)開發(fā)的仿真軟件，它的應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、航空、運輸業(yè)等。涵蓋離散事件系統(tǒng)和連續(xù)流體系統(tǒng)Witness的主要特點有：①采用面向?qū)ο蟮慕C制；②交互式建模方法；③提供了豐富的模型運行規(guī)則和靈活的仿真策略；④可視化、直觀的仿真顯示和仿真結(jié)果輸出；⑤良好的開放性。

如圖9.12所示為Witness仿真軟件的界面。第67頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六4.Witness仿真軟件

圖9.12Witness仿真軟件的界面第68頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六5.AutoMod仿真軟件AutoMod是美國BrooksAutomation公司的產(chǎn)品。它由仿真模塊AutoMod、試驗及分析模塊AutoStat、三維動畫模AutoView等部分組成，適合于大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的計劃、決策及其控制試驗。

AutoMod軟件主要應(yīng)用對象是制造系統(tǒng)以及物料處理系統(tǒng)等。

如圖9.13（a）、（b）、（c）、（d）所示為AutoMod仿真軟件的界面。第69頁，共81頁，2022年，5月20日，2點59分，星期六5.AutoMod仿真軟件

圖9.13AutoMod仿真軟件的界面（a）叉車、無人搬運車作業(yè)人員、拖拉車、區(qū)間車第70頁，共81