生产制造与维修车间离散系统仿真方案及案例

1. 系统仿真的基本原理

生产、物流、维修车间的系统运营是现代企业运行中必不可少的环节，而生产与物流系统属于离散的事件系统。所谓离散事件系统是指系统的状态变化只发生在一些离散的时间点上而在相邻两个时间点之间系统状态保持不变。离散事件系统的仿真就是按照实际的工作流程，在规定时间内顺序地改变实体或设备的状态。

离散事件系统仿真实质上是对那些由随机系统定义的、用数值方式或逻辑方式描述的动态模型的处理过程。从处理手段上看，离散事件系统仿真方法可分为两类：

1) 面向过程的离散事件系统仿真

面向过程的仿真方法主要研究仿真过程中发生的事件以及模型中实体的活动，这些事件或活动的发生是顺序的，而仿真时钟的推进正是依赖于这些事件和活动的发生顺序。在当前仿真时刻，仿真进程需要判断下一个事件发生的时刻或者判断触发实体活动开始和停止的条件是否满足，在处理完当前仿真时刻系统状态变化操作后，再将仿真时钟推进到下一事件发生时刻或下一个最早的活动开始或停止时刻。仿真过程就是不断按照发生时间排列事件序列并处理系统状态变化的过程。

2) 面向对象的离散事件系统仿真

在面向对象仿真中，组成系统的实体以对象来描述。对象有三个基本的描述部分，即属性、活动和消息。每个对象都是一个封装了对象的属性及对象状态变化操作的自主的模块，对象之间靠消息传递来建立联系以协调活动。对象内部不仅封装了对象的属性还封装了描述对象运动及变化规律的内部和外部转化函数。这些函数以消息或时间来激活，在满足一定条件时产生相应的活动。消息和活动可以同时发生，即所谓的并发。但是在单CPU计算机上，仍须按照一定的仿真策略进行调度。而在并行计算机和分布式仿真环境中，方针策略则可以更加灵活、方便。面向对象的仿真尤其适用于各个实体相对独立、以信息建立相互联系的系统中，如机械制造加工系统等等。

离散事件系统仿真方法适用于状态变量是离散变化或时间连续变化的一类系统的仿真问题。随机时刻上发生的时间引起系统中实体的状态变化。描述这类系统的模型一般不是一组数学表达式，而是一副表述数量关系和逻辑关系的流程图。离散事件系统的算法体现在其建模和仿真的策略中。有三种仿真策略：

1) 事件调度法

按照这种策略建立模型时，所有事件都放在事件表中，模型设有一个时间控制成分，该成分从事件表中选择具有最早发生时间的事件，并将仿真钟修改到该事件发生的时间，再调用与该事件相应的事件处理模块，该事件处理完后返回时间控制成分。这样，事件的选择与处理不断地进行，直到仿真终止的条件或程序事件产生为止。

2) 活动扫描法

在此方法中，系统由部件组成，而部件包含着运动，这些活动的发生应当满足规定事件发生的条件。每一个成分均有一个激活条件，若条件满足，则激活该成分的活动例程。仿真过程中，活动的发生时间也作为条件之一，而且较之其他条件具有更高的优先权。即在判断激活条件时首先判断该活动发生的时间是否满足，然后再判断其他条件。对活动的扫描循环进行，知道仿真终止为止。

3) 进程交互法

这种方法的特点是系统仿真钟的控制采用两张事件表，其一是当前事件表（Current Events List，CEL），它包含了从当前时间开始有资格执行的事件记录，但是该事件是否发生的条件尚未判断。其二是将来事件表（Future Events List，FEL），它包含在将来某个仿真时刻发生的事件记录。每一个事件记录中包含该事件的若干属性，其中必有一个属性，说明该事件在过程中所处位置的指针。进程交互法首先按照一定的分布产生到达实体并置于FEL中，实体进入排队等候。然后对当前事件表CEL进行扫描，判断各种条件是否满足，再对满足条件的活动进行处理。仿真钟推进到服务结束并将该实体从系统中清除，最后将未来事件表FEL中为当前事件的实体移动到当前事件表CEL中。

离散事件系统的仿真方法和仿真策略如上所述，随着计算机技术的发展，逐渐出现了各类成熟的专门用于离散事件系统仿真的仿真工具。英国Lanner集团推出的Witness软件就是其中的佼佼者之一。Witness可以用于离散事件系统仿真同时又可用于连续流体（如液压、化工和水力）系统的仿真。目前已被成功运用于国际3000多家知名企业的解决方案项目中

2. WITNESS仿真系统简介

在离散事件系统仿真中，系统内部实体的活动是不确定的，事件的发生具有随机的性质，随机变量在离散事件系统仿真中起着重要的作用。例如在物流系统中，工件的到达、运输车辆的到达与运输事件，生产系统中加工机器的故障、维修事件等一般都是随机的。这些复杂的随机系统很难找到相应的解析式来描述和求解。对有随机因素影响的系统进行仿真时，首先要建立随机变量分布模型，即确定系统的随机变量并确定这些随机变量的分布类型和参数。对于分布类型是已知或者是可以根据经验确定的随机变量，只要确定他们的随机参数就可以了。

对于随机变量的引入，Witness不是储存了大量的预先定义的随机数，而是储备了 1000个不同的数列或者叫伪随机数流PRNS。为了方便用户构建随机仿真模型，Witness 提供了14种整型、实数型的标准随机分布函数，它们能返回一系列理论分布的随机样本值。Witness选择这些分布是因为这些理论分布已经在相当长时间内广泛使用的，而且也是在仿真中被认为是十分有效的。

现实的系统总是有一系列相互关联的部分组成。比如制造系统中的原材料、机器设备、仓库、运输工具、人员、加工路线或运输路线等；服务系统中的顾客、服务台、服务路线等。Witness软件使用与现实系统相同的事物组成相应的模型，通过流程和逻辑定义，然后运行一定的时间来模拟系统。模型中的每个部件被称之为“元素(Element)”。Witness主要通过如下五类元素来构建现实系统的仿真模型：

1) 离散型元素

零部件（Part）、机器（Machine）、输送链（Conveyor）、缓冲区（Buffer）、车辆（Vehicle）、轨道（Track）、劳动者（Labor）、路径（Path）、模块（Module）。

2) 连续型元素

流体（Fluid）、管道（Pipe）、处理器（Processor）、容器（Tank）。

3) 运输逻辑型元素

运输网络（Network）、单件运输小车（Carriers）、路线集（Section）、工作站（Station）。

4) 逻辑型元素

属性（Attribute）、变量（Variable）、分布（Distribution）、函数（Function）、文件（File）、零部件文件（Part File）、班次（Shift）。

5) 图形元素

时间序列图（Timeseries）、饼状图（Pie Chart）、直方图（Histogram）。

Witness支持CAD与XML格式文件的导入，具有友好的外部工具软件的接口，如著名的六西格玛分析工具MiniTab接口等。用户可以在Witness与Excel之间导入导出分析数据，数据的读写同样支持各类数据库如Oracle，SQL Server，Access等。Witness同样提供了基于VBA与C#语言的外部模拟策略支持。

3. 维修厂房及车间仿真分析案例

3.1 维修厂房零件物流优化

工业背景

-  维护

-  布局方案下的零件物流安排

目标

- 定义车间内物流模式 (收集/派送规则, 识别交付区域)

- 内部缓存区的设置及布局

- 评估对人力与物料的需求

- 检查增加新的收集/ 派送区域的影响

- 定义物料集配的频次

3.2发动机维修服务流程分析与优化

工业背景

- 维护

- 发动机维修服务流程

- 确定未来的检测车间的规模

目标

- 识别出在实验台上检测发动机的最佳流程

- 评估将一些操作从一个车间转移到其他车间的影响

- 确定和优化未来的投资 (发动机类型, 检测设备的存储, 物流优化)

- 考量检测设备的产出及其在未来维护能力要求提升后的鲁棒性

3.3车间改造仿真分析

工业背景

- 涡轮制造与装配

- 现有的制造车间

目标

- 明确改进的目标

- 定量化评估设备故障及定期检修对车间生产能力的影响

- 识别特定技能的瓶颈

- 评估各类设备的利用率情况