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生产系统建模与仿真

Modeling and Simulation of Production System. 生产系统建模与仿真. 授课教师：王小刚. 参考书目 Reference. 1. 《 生产系统建模与仿真 》 孙小明 上海交通大学出版社 2005 2. 《 离散事件系统建模与仿真 》 顾启泰 清华大学出版社 1999 3. 《 离散事件系统建模与仿真 》( 第二版 ) 王维平等 国防科技大学出版社 2007 4. 系统仿真及 ProModel 软件应用 (2nd Ed)

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Presentation Transcript

  1. Modeling and Simulation of Production System 生产系统建模与仿真 授课教师：王小刚

  2. 参考书目 Reference • 1. 《生产系统建模与仿真》 • 孙小明 上海交通大学出版社 2005 • 2. 《离散事件系统建模与仿真》 • 顾启泰 清华大学出版社 1999 • 3. 《离散事件系统建模与仿真》(第二版) • 王维平等 国防科技大学出版社 2007 • 4. 系统仿真及ProModel软件应用(2nd Ed) • Simulation Using ProModel(影印版) • Charles Harrell等，清华大学出版社 2005

  3. 授课内容 Contents • 第1章 概论 • Chapter 1. Brief Introduction • 第2章 生产系统仿真用的概率统计 • Chapter 2. Statistical Probability for Production Simulation • 第3章 排队系统的建模与仿真 • Chapter 3. Modeling and Simulation of Queuing System • 第4章 库存系统建模与仿真 • Chapter 4. Modeling and Simulation of Inventory System • 第5章 加工系统 • Chapter 5. Modeling Manufacturing Systems

  4. 授课内容 Contents • 第6章 输入数据的分析 • Chapter 6. Data Collection and Analysis • 第7章 仿真的输出分析 • Chapter 7. Simulation Output Analysis • 第8章 仿真方案的比较与评价 • Chapter 8. Comparing Alternative Systems • 第9章 生产系统仿真的应用实例 • Chapter 8. Case Study – Using ProModel

  5. 课程安排 Class Time Table • 总课时数 39+9 • 其中安排实验或大作业3个，合计9学时 • 1. 随机数产生(Excel) • 2. 编程实现排队系统仿真 • 3. 编程实现库存系统仿真 • 课程考察形式： 开卷考试 • 其中 平时成绩占 20% • 出勤率 占 10% • 考试成绩占 70%

  6. 教学目标 Teaching Aims • 明确生产系统建模与仿真的作用与应用范畴 • 理解建模与仿真的基本原理 • 掌握建模与仿真的基本过程与方法 • 初步掌握应用仿真软件工具对实际生产系统进行研究分析的技能

  7. 预备知识 Preliminary Knowledge • 程序设计语言基础 • 概率与数理统计知识 • 运筹学

  8. Modeling and Simulation of Production System 生产系统建模与仿真 第1章 概论 Brief Introduction

  9. 第1章 概论 Brief Introduction • 引言 • 生产系统建模与仿真的基本概念 • 生产系统仿真模型的建立 • 仿真研究的步骤

  10. 基本概念 • 系统的定义： • 所谓系统是由诸多元素组成的，且元素之间是相互作用的，是通过某种逻辑关系组合在一起的一个集合体。 Wayne 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”

  11. 引言

  12. 引言 • 生产系统的定义： • 任何系统都是由输入、输出及转换过程构成的。 • 生产系统是一个为了生产某一种或某一类产品，综合生产工艺、生产计划、质量控制、人员调度、设备维护、物料控制等各种技术为一体的复杂系统。 • 生产系统仿真的相关概念： • 通过对生产系统建模，建立一个能够反应生产系统研究本质的模型，并通过对生产系统进行时间历程的运行，从而观察、记录系统模型几个相关状态量的变化。

  13. 引言 • 投入是指生产与服务过程所需提供的各种生产要素，根据其在生产过程中所起的作用可以分为： • 物质资源-生产活动(过程)中所用到的资金和物资 • 人力资源-生产过程中所需要的劳动能力 • 信息资源-生产过程中所使用的信息资源 • 管理资源-对生产过程所进行的管理

  14. 引言 • 产出可分为有形产出与无形产出，它们均应该是有效的。 • 有形产出-通过生产创造出的实物产品，它是看得见摸得着的，汽车、电视、手机等； • 无形产出是指服务作业提供的各种服务，它是不可触及的，如银行提供的金融服务、大学提供的教育等。

  15. 引言 • 产出与服务的有效性是指所提供的产品与服务必须具有附加价值或效用。效用可以体现为： • 形体转换-指物质产品形体变化带来的效用； • 位置转换-地点变化带来的效用，如运输； • 信息转换-将初始、零散、分布的信息转换为特定的、有用的信息，如管理咨询和市场调查报告。

  16. 引言 • 转换过程是指将投入变成产出的过程，是企业生产与服务的主体。不同的生产与服务行业，其转换过程的特征不同： • 制造业主要涉及实物转换(由原材料变成成品)； • 运输行业主要是完成位置的转移 • 通讯行业完成信息的转换 • 仓储行业完成物质的贮存和重新分配； • 医疗行业实现人的身体状况的转换 • 学校实现知识的转换等。

  17. 模型 模型1-机械图纸

  18. 模型 模型2-建筑图纸

  19. 模型 模型3-计算机关系型数据库架构

  20. 模型 模型4-数学公式

  21. 模型 归纳上述各种模型的特点，我们可以看出模型可以概述为： 是对真实系统中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象化。 注意，系统模型并不是对真实系统的完全复现。 如果M能够用来回答关于系统（S)的问题，并且在精度范围A之内，那末M就是系统A的模型。

  22. 模型 建模的理由： 减小风险 了解和表示知识 解释“What if…” (首先必须解释”what is….” 改进系统的日常运作

  23. 模型 Relationships Entity Entity 。 抽象Assumptions about the nature of the system 所要研究的系统 Relationships Relationships Entity 模型 所设想的行为（目标） 性能度量

  24. 基本概念 • 仿真的定义： • 1961年 G.W. Morgenthater：“仿真意指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的表现”。 • 1978年 Korn在《连续系统仿真》一书中将仿真定义为“用能代表所研究的系统的模型做实验”。 • 1984年 Oren提出“仿真是一种基于模型的活动”，这被认为是现代仿真技术的一个重要概念。 • 共同观点：仿真是基于模型进行的 • 仿真是对真实世界的模拟

  25. 基本概念 • Simulation is the imitation of a dynamic system using a computer model in order to evaluate and improve system performance • 仿真是使用电脑模型对某一动态系统进行模仿，以评估和改善系统执行执行效果的一种方法

  26. 仿真技术 • 仿真可以分为： • 物理仿真：按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理描述模型上进行实验的过程； • 数学仿真：对系统进行抽象，并将其特性用数学关系式加以描述得到系统的数学模型的基础上，对数学模型进行实验的过程。 • 数学仿真有时也称为计算机仿真 • 半实物仿真：上述二者结合的产物。 • 一般所讲的仿真技术指计算机仿真

  27. 仿真技术 • 物理模型： • 研制新型飞机时，一般先要对按照比例缩小的飞机模型进行风洞试验，以验证飞机的空气动力学性能； • 开发新型轮船时，一般先要在水池中对缩小的轮船模型进行试验，以了解轮船的各种性能； • 工程建设或发电站选址时需要建立沙盘模型； • 军事演习中采用沙盘模型完成推演； • 企业选址或车间布局时，利用模型进行评估与论证； • 建筑模型、城市规划模型都能都属于物理模型。

  28. 仿真技术 • 仿真可以分为： • 1、根据仿真时钟与实际时钟的比例关系可分为：实时仿真、亚实时仿真以及超实时仿真。

  29. 仿真技术 • 实时仿真：仿真时钟与实际时钟完全一致，也就是模型仿真的速度与实际系统运行的速度相同。当被仿真的系统中存在物理模型或实物时，必须进行实时仿真，例如各种训练仿真器就是这样，有时又称在线仿真。 • 亚实时仿真：仿真时钟慢于实际时钟，。对于仿真速度要求不苛刻的情况下均是亚实时仿真。例如大多数系统离线研究与分析，有时也称为离线仿真。 • 超实时仿真：仿真时钟快于实际时钟，例如大气环流的仿真以及交通系统的仿真。

  30. 仿真技术 系统、模型及仿真三者之间有着密切的关系： 系统是研究对象，模型是系统抽象，仿真则是通过对模型的实验以达到研究系统的目的。 系统 仿真实验 建立系统模型 仿真 模型 建立仿真模型

  31. 仿真技术 • 生产系统仿真的目的： • （1）优化：生产系统参数（操作工人、工作台数、缓冲区容量） • （2）预测：正常工作状态？ • （3）计划与调度 • （4）系统性能的验证：交货期是否满足？

  32. 仿真技术 • 仿真的应用领域

  33. 仿真技术 • 仿真的应用领域

  34. 仿真技术 • 仿真的应用领域

  35. 仿真技术 • 仿真的应用领域

  36. 仿真技术 • 仿真的应用领域—Call Center

  37. 仿真技术 • 仿真的应用领域

  38. 仿真技术 • 仿真的应用领域

  39. 仿真技术 • 仿真的应用领域—物流 • 实例： Motorola Distribution Centre 摩托罗拉分销中心

  40. 仿真软件的发展 • 仿真软件：面向仿真用途的应用软件； • 仿真软件的基本功能：包括模型描述与处理、仿真实验的执行与控制、仿真结果的表达与分析； • 历史上第一个仿真软件诞生于1955年，其功能为数值积分的仿真。自此以后，仿真软件大致经历了四个发展阶段：

  41. 仿真软件的发展 • 20世纪50-60年代：利用Fortran语言开发大型仿真语言 • 20世纪60-70年代：主要解决利用数字仿真方法求解常微分方程； • （1964年 IBM公司的GPSS-排队问题仿真） • 20世纪70-80年代：更为成熟的商品化仿真语言出现； • 20世纪80年代中期开始：一体化建模与仿真。

  42. 仿真软件的发展 • 通用的 vs. 面向应用的仿真软件 • 通用的仿真软件包括： • Arena, Extend, FlexSim。 • 面向应用的仿真软件包括： • 生产领域：Witness, AutoMod, ProModel等。 • 过程重组： ProcessModel, SimProcess等。 • 卫生医疗： MedModel • 呼叫中心： Arena Call Center • 通信网络： Comnet III等。

  43. 主流仿真软件简介 • 1. Witness (http://www.witness-china.com) • Witness是英国Lanner Group的产品，是离散生产系统生产线仿真器，操作简单，在低配置计算机上也完全可以灵活使用，是生产线仿真器的老字号，其齐备的基本仿真功能和处理优势，一直为业界所公认。作为可选项，还具备了三维立体显示功能(VR)，扩大了其适用范围。 • 该软件提供离散事件仿真，具备的多种工具使得对自动化制造系统的仿真非常容易。周转事件、损坏模式和定时，调整模式和定时，缓冲设备容量和保存事件，机器类型等连同路径信息都为仿真提供了方便性。该软件还包括物料流动优化等。

  44. 主流仿真软件简介 Witness的功能界面

  45. 主流仿真软件简介 Witness的功能界面-排队系统

  46. 主流仿真软件简介 • 2. Flexsim (http://www.csn-bj.com/) • Flexsim前身是TaylorII。 Flexsim应用了深层开发对象，这些对象代表着一定的活动和排序过程。当需要利用模板中的某个对象，只需用鼠标把该对象从库里拖出来即可。每一个对象都有一个坐标、速度、旋转以及一个动态行为。对象可以创建、删除，并且可以彼此嵌套移动，它们都有自己的功能或继承来自其他对象的功能。 • 这些对象的参数可以把任务制造业、物料处理和业务流程快速、简易、高兴的建模的主要特征描述出来。

  47. 主流仿真软件简介 Flexsim功能界面

  48. 主流仿真软件简介 Flexsim功能界面

  49. 主流仿真软件简介 • 3. ProModel (http://www.promodel.com) • ProModel是一套功能相当强且容易使用的数据及图型导向系统仿真软件，它提供模块（Module）的观念及操作方式让使用者可弹性的设计多种生产系统并进行仿真及分析。 • ProModel系统中提供使用者人性化的操作接口环境。只要利用键盘或鼠标根据功能项目选择所需的建构工具（location & resource） 、工作组件（part）及操作设定（operations），就可以在不需撰写任何程序（此乃相对于一些高级仿真语言如SLAM等而言），而完成一系统仿真的环境。

  50. 主流仿真软件简介 ProModel功能界面

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