自動(dòng)化制造系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真及優(yōu)化

關(guān)于自動(dòng)化制造系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真及優(yōu)化9.1計(jì)算機(jī)仿真概述

計(jì)算機(jī)仿真是一種省時(shí)、省力、省錢的系統(tǒng)分析研究工具，對(duì)分析研究自動(dòng)化制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能具有巨大的優(yōu)勢(shì)，所得到的結(jié)論對(duì)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(jì)算機(jī)仿真的發(fā)展歷程（書中解釋）9.1.3計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)9.1.4計(jì)算機(jī)仿真的意義9.1.5自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的作用第2頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(huì)工程、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)中涉及的許多項(xiàng)目都有一定的規(guī)模和復(fù)雜度。在進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和規(guī)劃時(shí)往往需要對(duì)項(xiàng)目的合理性、經(jīng)濟(jì)性等品質(zhì)加以評(píng)價(jià)。在項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)營(yíng)前也希望對(duì)項(xiàng)目的實(shí)施結(jié)果加以預(yù)測(cè)以便選擇正確、高效的運(yùn)行策略或提前消除該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的缺陷，最大限度地提高實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行水平。采用仿真技術(shù)可以省時(shí)、省力、省錢地達(dá)到上述目的。第3頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.1仿真的基本概念

仿真對(duì)大家來(lái)說(shuō)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(shí)地軍事演習(xí)就是對(duì)該戰(zhàn)役的一種仿真研究。設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)，用風(fēng)洞對(duì)機(jī)翼進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)特性研究，就是在飛機(jī)上天實(shí)際飛行前對(duì)其機(jī)翼在空中高速氣體流場(chǎng)中受力狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)的一種仿真。第4頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.1仿真的基本概念

在制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，通過(guò)某一種模型來(lái)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(yùn)行控制策略的特性，從而預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，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(guò)仿真可以研究系統(tǒng)在不同作業(yè)計(jì)劃輸入下的運(yùn)行情況，比較和選擇較優(yōu)的作業(yè)計(jì)劃，以達(dá)到提高系統(tǒng)運(yùn)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.1仿真的基本概念

（b）飛機(jī)機(jī)翼高速氣流場(chǎng)中受力狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)仿真圖9.1仿真案例第7頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.1仿真的基本概念

（c）無(wú)人狀態(tài)下的飛行仿真

圖9.1仿真案例第8頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.1仿真的基本概念

“仿真”一詞源于英文術(shù)語(yǔ)Simulation，早期也譯為“模擬”。仿真就是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)去研究一個(gè)存在或設(shè)計(jì)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(gè)部分組成的具有一定功能的整體）。簡(jiǎn)單地說(shuō)，仿真就是一種基于模型的活動(dòng)。根據(jù)仿真與實(shí)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(jì)算機(jī)仿真。第10頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.1仿真的基本概念

采用與實(shí)際系統(tǒng)相同或等效的部件或子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的試驗(yàn)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(jì)算機(jī)上建立實(shí)際系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究的仿真稱為計(jì)算機(jī)仿真。如圖9.1(d)。介于前兩者之間并將其有機(jī)結(jié)合，用已研制出來(lái)的系統(tǒng)中的實(shí)際部件或子系統(tǒng)去代替部分計(jì)算機(jī)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.1仿真的基本概念

一般說(shuō)來(lái)，計(jì)算機(jī)仿真較之半物理、全物理仿真在時(shí)間、費(fèi)用和方便性等方面都具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。而半物理仿真、全物理仿真具有較高的可信度，但費(fèi)用昂貴且準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)。

如圖9.2所示給出了計(jì)算機(jī)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.1仿真的基本概念

第13頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.1仿真的基本概念

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、安全、可重復(fù)和不受氣候、場(chǎng)地、時(shí)間限制的優(yōu)勢(shì)，被稱為除理論推導(dǎo)和科學(xué)試驗(yàn)之外的人類認(rèn)識(shí)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(lái)說(shuō)都應(yīng)盡量采用計(jì)算機(jī)仿真，計(jì)算機(jī)仿真也由此得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。第14頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.3計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)仿真有別于其它方法的顯著特點(diǎn)之一是：它是一種在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方法，實(shí)驗(yàn)所依賴的是由實(shí)際系統(tǒng)抽象出來(lái)的仿真模型。由于這一特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)仿真給出的是由實(shí)驗(yàn)選出的較優(yōu)解，而不像數(shù)學(xué)分析方法那樣給出問(wèn)題的確定性的最優(yōu)解。第15頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.3計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果的價(jià)值和可信度，與仿真模型、仿真方法及仿真實(shí)驗(yàn)輸入數(shù)據(jù)有關(guān)。如果仿真模型偏離真實(shí)系統(tǒng)，或者仿真方法選擇不當(dāng)，或者仿真實(shí)驗(yàn)輸入的數(shù)據(jù)不充分、不典型，則將降低仿真結(jié)果的價(jià)值。但是，仿真模型對(duì)原系統(tǒng)描述得越細(xì)、越真實(shí)，仿真輸入數(shù)據(jù)集越大，仿真建模的復(fù)雜度和仿真時(shí)間都會(huì)增加。因此，需要在可信度、真實(shí)度與復(fù)雜度之間加以權(quán)衡。第16頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.4計(jì)算機(jī)仿真的意義

采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)具有以下幾點(diǎn)十分重要的意義。（l）可以替代許多難以開展或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。（2）可以解決一般理論方法難以求解的大型系統(tǒng)問(wèn)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(xiǎn)并節(jié)省研究開發(fā)費(fèi)用。（4）可以避免實(shí)際實(shí)驗(yàn)對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)的危害。（5）可以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，并不拘于時(shí)空限制。第17頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.5自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的作用

根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真在自動(dòng)化制造系統(tǒng)中的作用，可以將其歸結(jié)為“設(shè)計(jì)決策”和“運(yùn)行決策”兩種類型?！霸O(shè)計(jì)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(jì)與優(yōu)化，它可以為下列問(wèn)題的決策提供技術(shù)支持：

①在生產(chǎn)任務(wù)一定時(shí)，制造系統(tǒng)所需機(jī)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.5自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的作用

④緩沖區(qū)及倉(cāng)庫(kù)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(jì)及維修對(duì)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.5自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的作用

“運(yùn)行決策”關(guān)注制造系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度與控制，它可以為以下問(wèn)題的決策提供技術(shù)支持：

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

②制定采購(gòu)計(jì)劃，使采購(gòu)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(shí)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.5自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的作用

對(duì)于自動(dòng)化制造系統(tǒng)而言，計(jì)算機(jī)仿真具有很多的優(yōu)點(diǎn)，主要包括：

①可以用仿真試驗(yàn)新的設(shè)計(jì)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(wú)需破壞實(shí)際系統(tǒng)或中斷實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行。

②可以測(cè)試車間布局、物流系統(tǒng)等是否合理，而無(wú)需消耗大量資源。

③仿真時(shí)通過(guò)采用時(shí)間“壓縮”或“延長(zhǎng)”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(shí)間，深層次地揭示制造系統(tǒng)本質(zhì)特征。第21頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.1.5自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(shí)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(duì)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(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化制造系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程的最優(yōu)化。第22頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.2計(jì)算機(jī)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(guò)程中的信息來(lái)源

3.建模方法9.2.2計(jì)算機(jī)仿真的一般過(guò)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.模型的基本概念及分類

如前所述，仿真就是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)去研究一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，模型是實(shí)現(xiàn)仿真的前提條件。所謂模型就是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)中那些有用的和令人感興趣的特性的抽象、簡(jiǎn)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(jiǎn)而言之，模型是集中反映系統(tǒng)信息的整體。第24頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.模型的基本概念及分類

模型具有下述特點(diǎn)：

①它是客觀事物的模仿或抽象。

②它由與分析問(wèn)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(lái)看，當(dāng)我們把系統(tǒng)看成是行為數(shù)據(jù)源時(shí)，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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.模型的基本概念及分類

根據(jù)模型與實(shí)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(shí)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天（l）物理模型，即實(shí)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(guò)試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的模型方面性能作出評(píng)估。例如，研制新型飛機(jī)時(shí)，一般先要對(duì)比例縮小的飛機(jī)模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，以驗(yàn)證飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能。開發(fā)新型輪船時(shí)，一般先要在水池中對(duì)比例縮小的輪船模型進(jìn)行試驗(yàn)，以了解輪船的各種性能。飛機(jī)模型以及輪船模型都屬于物理模型。第27頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）數(shù)學(xué)模型

采用符號(hào)、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(duì)數(shù)學(xué)模型的試驗(yàn)以獲得現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的性能特征和規(guī)律。例如，國(guó)家或地區(qū)人口增長(zhǎng)模型、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型、數(shù)控機(jī)床可靠性模型等。第28頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天（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(jī)地結(jié)合了物理模型和數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)。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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.建模過(guò)程中的信息來(lái)源

建模就是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)在不同程度上的抽象。這種抽象實(shí)際上是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的信息以某種適當(dāng)?shù)男问郊右愿爬ê兔枋?，從而具體地定出模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。建模過(guò)程有三類主要信息來(lái)源：目標(biāo)和目的，先驗(yàn)知識(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)。（書中解釋）第30頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(duì)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(hào)流程圖來(lái)描述控制系統(tǒng)模型，或者用邏輯流程圖、活動(dòng)循環(huán)圖、Petri網(wǎng)等來(lái)描述離散事件系統(tǒng)模型。

（3）隨機(jī)理論方法。對(duì)于隨機(jī)系統(tǒng)，還必須采用隨機(jī)理論方法來(lái)建立系統(tǒng)模型。第31頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.建模方法

（4）通用仿真語(yǔ)言建模方法。通過(guò)某種通用仿真語(yǔ)言提供的過(guò)程或活動(dòng)描述方法對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)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(guò)類似于CAD作業(yè)那樣的方式直接在計(jì)算機(jī)屏幕上用圖標(biāo)給出某個(gè)系統(tǒng)（例如制造系統(tǒng)）的物理配置和布局、活動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)軌跡以及控制規(guī)則和運(yùn)行計(jì)劃。這是一種不必編程即可運(yùn)行的建模方式。第32頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.2.2計(jì)算機(jī)仿真的一般過(guò)程

建模與仿真研究的目的是分析實(shí)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(yàn)、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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.2.2計(jì)算機(jī)仿真的一般過(guò)程

第34頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.3自動(dòng)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(dòng)態(tài)調(diào)度策略的仿真研究9.3.3作業(yè)計(jì)劃的仿真研究第35頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.3.1總體布局研究

自動(dòng)化制造系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，必須在明確制造對(duì)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(duì)既定場(chǎng)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(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)是否會(huì)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(guò)仿真系統(tǒng)，按比較嚴(yán)格的比例關(guān)系，在計(jì)算機(jī)屏幕上設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的平面或立體的布局圖像，然后通過(guò)不同方位或不同運(yùn)行情況下的圖形變換來(lái)觀察布局是否合理。最后，通過(guò)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行來(lái)研究是否存在動(dòng)態(tài)干涉或阻塞問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員再根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改完善。第37頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(shí)涉及圖形變換等動(dòng)畫處理，但從原理上來(lái)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(dòng)態(tài)特性。只有研究系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)發(fā)生干涉或阻塞問(wèn)題時(shí)，才涉及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要是著眼于移動(dòng)設(shè)備和固定設(shè)備之間的關(guān)系，以及物料運(yùn)輸路徑的合理性。第38頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.3.2動(dòng)態(tài)調(diào)度策略的仿真研究

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

第39頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.3.2動(dòng)態(tài)調(diào)度策略的仿真研究

在不同的決策點(diǎn)具有相應(yīng)的多個(gè)決策規(guī)則。因此，根據(jù)系統(tǒng)的具體情況在各個(gè)決策點(diǎn)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(dòng)態(tài)調(diào)度策略的仿真研究是為了研究或驗(yàn)證在實(shí)際的制造系統(tǒng)控制過(guò)程中的動(dòng)態(tài)調(diào)度方案是否合理、高效，或通過(guò)實(shí)驗(yàn)提前消除原控制系統(tǒng)軟件的潛在缺陷，屬于對(duì)系統(tǒng)的比較詳細(xì)、深入的仿真。

第40頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.3.2動(dòng)態(tài)調(diào)度策略的仿真研究

為此，在建立仿真模型時(shí)，必須使仿真系統(tǒng)中與原制造系統(tǒng)中有對(duì)應(yīng)相同的決策點(diǎn)，每個(gè)對(duì)應(yīng)的決策點(diǎn)均采用對(duì)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(lái)確定）。每個(gè)對(duì)應(yīng)的決策點(diǎn)在相同的條件下應(yīng)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)相同的活動(dòng)。換言之，仿真系統(tǒng)中的控制邏輯圖應(yīng)與原來(lái)的制造系統(tǒng)的控制邏輯圖相同。第41頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.3.3作業(yè)計(jì)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(shí)，影響系統(tǒng)運(yùn)行效率的主要因素就是生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃。由于在生產(chǎn)過(guò)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.3.3作業(yè)計(jì)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(jì)劃進(jìn)行生產(chǎn)，則有可能在加工A零件時(shí)，由于加工2000件時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成后續(xù)裝配工序無(wú)件可裝而空閑，這顯然會(huì)造成整個(gè)制造系統(tǒng)負(fù)荷不均，影響總體效率。第43頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.3.3作業(yè)計(jì)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(jì)劃能夠使后續(xù)工序不致空閑，但卻未必是高效的。因?yàn)闄C(jī)床更換不同加工對(duì)象時(shí)，會(huì)涉及刀具的準(zhǔn)備（甚至中途換刀）等問(wèn)題，會(huì)顯著地增加中間輔助時(shí)間，從而降低系統(tǒng)總的生產(chǎn)率。因此，系統(tǒng)作業(yè)計(jì)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.3.3作業(yè)計(jì)劃的仿真研究

而通過(guò)仿真卻可以相當(dāng)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同加工計(jì)劃的優(yōu)劣，確定出最佳的x值。通過(guò)對(duì)作業(yè)計(jì)劃的仿真，還可以預(yù)測(cè)產(chǎn)品的交貨期是多長(zhǎng)，是否能夠按期完成任務(wù)，還可以預(yù)測(cè)在某個(gè)時(shí)期制造系統(tǒng)的產(chǎn)品產(chǎn)量。對(duì)作業(yè)計(jì)劃仿真的主要要素是根據(jù)實(shí)際作業(yè)計(jì)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(shí)間。第45頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.3.3作業(yè)計(jì)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(shí)間。這一工序時(shí)間應(yīng)是NC程序的運(yùn)行時(shí)間以及裝卸工件時(shí)間之和。一般在加工某一零件時(shí)，都對(duì)NC程序進(jìn)行過(guò)試運(yùn)行，對(duì)零件進(jìn)行過(guò)預(yù)加工和調(diào)整。因此，在一個(gè)制造自動(dòng)化系統(tǒng)建成后對(duì)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行仿真時(shí)，加工時(shí)間需要相當(dāng)準(zhǔn)確，從而也使加工計(jì)劃仿真的結(jié)果具有更大的準(zhǔn)確度。

第46頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.4面向制造系統(tǒng)的仿真軟件及其應(yīng)用實(shí)例

本節(jié)主要內(nèi)容包括：9.4.1制造系統(tǒng)仿真語(yǔ)言與支持軟件概述9.4.2通用仿真語(yǔ)言GPSS簡(jiǎn)介9.4.3主流制造系統(tǒng)仿真軟件簡(jiǎn)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.4.1制造系統(tǒng)仿真語(yǔ)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(yǔ)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(duì)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(yǔ)言（如GPSS、GASP、SIMSCRIPT等）編制仿真程序。第48頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.4.1制造系統(tǒng)仿真語(yǔ)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(dú)立的仿真建模、運(yùn)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(yǔ)言，是目前系統(tǒng)仿真的主要形式。第49頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.4.1制造系統(tǒng)仿真語(yǔ)言與支持軟件概述20世紀(jì)80年代后期，PC機(jī)成為仿真建模軟件的主要平臺(tái)。目前，面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)、圖形化用戶界面、動(dòng)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(jiǎn)化建模過(guò)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(shí)現(xiàn)了這一技術(shù)。

第50頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.4.1制造系統(tǒng)仿真語(yǔ)言與支持軟件概述

近年來(lái)，仿真軟件開始由二維動(dòng)畫向三維動(dòng)畫轉(zhuǎn)變，提供虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真建模與運(yùn)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(shì)。

第51頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.4.1制造系統(tǒng)仿真語(yǔ)言與支持軟件概述

人們?cè)诜抡娼５难芯亢蛻?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(duì)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(qiáng)軟件的適應(yīng)性。

第52頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.4.1制造系統(tǒng)仿真語(yǔ)言與支持軟件概述

目前，市場(chǎng)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(jī)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(jìng)爭(zhēng)力的有效工具。

表9-4列出了國(guó)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.4.1制造系統(tǒng)仿真語(yǔ)言與支持軟件概述

第54頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.4.2通用仿真語(yǔ)言GPSS簡(jiǎn)介

離散事件系統(tǒng)的通用仿真語(yǔ)言GPSS（GeneralPurposeSimulationSystem）主要是由美國(guó)IBM公司開發(fā)，GPSS語(yǔ)言是為那些并不是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)專家的分析人員而設(shè)計(jì)的。最早的文本發(fā)表于1961年。多年來(lái)，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(yǔ)言之一。其模型描述看書解釋第55頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天9.4.3主流制造系統(tǒng)仿真軟件簡(jiǎn)介

本節(jié)簡(jiǎn)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.Flexsim仿真軟件Flexsim是美國(guó)FlexsimSoftwareProducts公司的產(chǎn)品，1993年投放市場(chǎng)。它采用C++語(yǔ)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(shí)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(duì)象建立仿真模型，對(duì)象代表實(shí)際系統(tǒng)中的活動(dòng)和過(guò)程。它提供對(duì)象模版庫(kù)，并利用鼠標(biāo)的拖放操作來(lái)確定對(duì)象在模型窗口中的位置。第57頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.Flexsim仿真軟件Flexsim軟件提供了眾多的對(duì)象類型，如機(jī)床、操作員、傳送帶、叉車等。通過(guò)設(shè)置對(duì)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(duì)象的高度自定義性不僅提高了建模速度、節(jié)省了建模時(shí)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.Flexsim仿真軟件

圖9.9Flexsim仿真軟件的界面

第59頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(guò)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程的仿真、試驗(yàn)和優(yōu)化，可以提高生產(chǎn)效率、降低運(yùn)營(yíng)成本。

Flexsim軟件可用于評(píng)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(kù)存水平、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間等。

第60頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.Arena仿真軟件Arena是美國(guó)SystemModelingCorporation研發(fā)的仿真軟件，1993年進(jìn)入市場(chǎng)，現(xiàn)為美國(guó)RockwellSoftware公司的產(chǎn)品。

Arena軟件基于SIMAN/CINEMA仿真語(yǔ)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(yǔ)言的柔性和仿真軟件的易用性，并可以與通用編程語(yǔ)言（如VisualBasic、FORTRAN和C/C++等）編寫的程序連接運(yùn)行。第61頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.Arena仿真軟件Arena軟件在仿真領(lǐng)域具有較高聲譽(yù)，《IntroductiontoSimulationusingSIMAN》以及《SimulationwithArena》等以Arena仿真軟件為基礎(chǔ)的教材，成為美國(guó)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(jì)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(jì)劃、制造系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、制造系統(tǒng)改進(jìn)等。第62頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.Arena仿真軟件

圖9.10Arena仿真軟件的界面第63頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.Extend仿真軟件Extend仿真軟件由美國(guó)ImagineThat公司開發(fā)，1988年進(jìn)入市場(chǎng)。它基于Windows操作系統(tǒng)，采用C語(yǔ)言開發(fā)，可以對(duì)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(dòng)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(guò)對(duì)系統(tǒng)績(jī)效指標(biāo)的仿真分析，可以直觀地評(píng)價(jià)和改進(jìn)影響系統(tǒng)性能的因素，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳的配置、運(yùn)行模式或經(jīng)營(yíng)策略等。如圖9.11所示為Extend仿真軟件的界面。第65頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.Extend仿真軟件

圖9.11Extend仿真軟件的界面

第66頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.Witness仿真軟件Witness是英國(guó)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(yùn)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(diǎn)有：①采用面向?qū)ο蟮慕C(jī)制；②交互式建模方法；③提供了豐富的模型運(yùn)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.Witness仿真軟件

圖9.12Witness仿真軟件的界面第68頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.AutoMod仿真軟件AutoMod是美國(guó)BrooksAutomation公司的產(chǎn)品。它由仿真模塊AutoMod、試驗(yàn)及分析模塊AutoStat、三維動(dòng)畫模AutoView等部分組成，適合于大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的計(jì)劃、決策及其控制試驗(yàn)。

AutoMod軟件主要應(yīng)用對(duì)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(yè),共81頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.AutoMod仿真軟件

圖9.13AutoMod仿真軟件的界面（a）叉車、無(wú)人搬運(yùn)車作業(yè)人員、拖拉車、區(qū)間車第70頁(yè),共81頁(yè)，2024年2月25