基于Witness的物流实验室生产物流系统仿真与建模.doc

东北农业大学学士学位论文 学号：A07111049 基于 Witness 的物流实验室 生产物流系统建模与仿真 学生姓名： 指导教师： 所在院系： 所学专业： 研究方向： 东 北 农 业 大 学 中国哈尔滨 2015 年 6 月 NEAU B.A. Degree Thesis Registered Number：A07111049 MODELING AND SIMULATING ON LOGISTICS LABORATORY PRODUCTION LOGISTICS SYSTEM BASED ON WITNESS Name of Student：Wang Jianan Supervisor: : Wang Yijiao College：Engineering College Specialty: : Industrial Engineering Research Field: : Logistics Management Northeast Agricultural University HarbinChina June 2015 摘 要 I 合肥工业大学管理学院 实验报告实验报告 课程名称：物流系统建模与仿真课程名称：物流系统建模与仿真 实验名称：流水线仿真系统实验名称：流水线仿真系统 专专 业：业：1111 级物流管理级物流管理 姓姓 名：名：XXXX XXXX XXXX 学学 号：号：201- 实验地点：管理学院办公楼四楼实验室实验地点：管理学院办公楼四楼实验室 摘 要 II 实验时间：实验时间： 年年 月月 日日 指导教师：指导教师： 一、一、 实验目的实验目的 （1）part、machine、conveyor、labor 实体元素、 variable 逻辑元素的使用； （2）掌握可视化输入、输出关系的建立； （3）掌握 report 工具栏的使用和分析，并根据分析，进行 系统优化设计 二、二、 实验设备实验设备 Witness 2008Educational Version 、PC 机一台 三、三、 实验内容实验内容 1、学习元素的定义 2、学习各元素可视化的设置 3、学习各元素细节的设计 4、运行模型 四、四、 实验步骤实验步骤 1.构建第一阶段（Stage1.mod）模型 1)定义元素 摘 要 III 定义如下图所示的几个元素： 2)建模元素详细设计 这一阶段主要是输入机器加工时间、改变元素的名字 3)建立元素之间的逻辑规则 各个元素之间链接的逻辑规则，规则输入可以通过以下两种方 法：一是通过工具栏和鼠标，一是通过元素细节对话框。 下面以机器为例： 点击选中 Weigh 图标， 然后单击 element 工具栏中的 visual input rule 图标，出现 input rule for weigh 对话框 ： 规则文本框的缺省值为 pull； 在规则文本框中输入“PULL Widget out of WORLD” ，定 义了机器 Weigh 加工完成一个 Widget 之后，从本系统模 型的外部 WORLD 处拉进一个 Widget 进行加工。 规则定义结果显示如图 摘 要 IV 4)运行模型 模型运行 100 分钟会有 19widgets 被加工完成。 2.构建第二阶段（Stage1.mod）模型 1)本阶段需要添加的机器为清洗（wash） 、加工（produce） 、检测（inspect） ，添加的输送带为 C1、C2、C3，同时添 加了一个逻辑元素变量 output，用于动态显示模型中加 工完成的小零件的数量。机器及输送带的名称见本阶段最后 的图示，除去 Wash 加工时间为 4 外，其他机器的加工时间 为 3。传送带的移动速度为 0.5。 2)在 designer elements 窗口点击 Vinteger(整数变量)图标，创 一个变量用来记录和显示 Inspect 机器的产量。并将其命名 为 Output。其细节实现为： 选中 Inspect 机器，双击其图标； 点击细节对话框中 actions on finish 按钮； 在规则编辑框中输入语句：output=output+1； 3)键入控制零件流的输入和输出规则，与 Stage1 类似。 摘 要 V 3.构建第三阶段（Stage1.mod）模型 在本阶段中，将假设 Produce 机器每加工完五个零部件就需要 进行一次刀具的调整， 调整时需要人员来参与，调整时间为 12 分钟。构建本阶段模型需要在 stage2 的基础上， 向模型中添加 Labor 元素， 设置 Produce 机器的调整属性。 1）机器 setup 页框说明 Setup 页框说明如图所示： 摘 要 VI 2）添加和设计 labor 型元素 从 designer elements 窗口中找到 labor 元素将其加入模型； 双击 labor001 图标得到元素明细对话框； 将其名字改为 Operator,即 laborOperator。 3）加工机器调整设置（Machine Produce Setup detail） 双击 Produce 图标得到对话框； 从对话框中选择 setup 页框； 点击 add/remove按钮进行调整的详细信息设置，本 例中添加一个调整描述 setup Description：Setup Number 1； 摘 要 VII 点击 OK 确认，返回 setup 页框； 设置 setup Number 1 如下： 调整模式 setup mode： no.of operations； 调整间隔次数 No.of：5； 调整时间 setup time：12.0； labor 设定过程为： 选择 labor rule 按钮， 在编辑框中输入规则。 默认值为 NONE，输入 “operator” 。加工完成的 widgets 的数量 将会下降到 12。修改机器的调整时间值，结果可能为 13widgets。 4.构建第四阶段（Stage1.mod）模型 假设 Produce 机器在工作一定的时间后，可能会发生意外的抛 锚，其时间间隔服从均值为 60 分钟的负指数分布；每当机器 抛锚时，都需要人员对它进行维修，维修过程所持续的时间受 到故障诊断时间、故障排除的难易程序、维修人员的生理和心 理状态的影响，呈现随机波动性，统计数据表明维修时间服从 均值为 10 分钟、标准差为 2 分钟的对数正态分布。 1)机器 breakdown 页框说明 摘 要 VIII 2)produce 机器故障细节的设计 双击 Produce 机器图标，选择 Breakdown 页框； 点击 add/remove 按钮，用 add 项添加故障项目，缺省值 breakdown number 1； 将 breakdown mode 改变成 busy time； 点击 labor rule 按钮输入需要的规则； 删除默认值输入 operator； 点击 edit labor rule 对话框中的 OK 键确认； 3)将鼠标移到 breakdown interval 窗口的 time between failures 字段，现在可以使用 assistant 工具栏， 点击 view/toolbars 菜 单将其激活， 然后点击 assistant。 点击 assistant 工具栏中的 distributions 按钮 摘 要 IX 选择 NEGEXP 分布，点击 prompt 按钮 输入如下参数：Mean=60,PRN stream=1 点击 OK 确认 点击 repair time 点击 assistant 工具栏中的 distributions 按钮 点击 Lognorml 分布，然后点击 prompt 输入以下参数：Mean=10,Standard Deviation=2,PRN stream=2 4)运行结果如图所示： 5.构建第五阶段（Stage1.mod）模型 1）添加新元素并进行相应的设计 双击 C2 图标显示 C2 明细对话框， 输入数量 quantity： 2； 点击 OK 确认 双击 Produce 图标，显示明细对话框 摘 要 X 输入数量 quantity： 2 ； 2）系统变量 N ：保存当前元素下标的整型变量。为了实现 Produce(1)仅仅向 C2(1)“拉”零件来加工，Produce(2)仅 仅向 C2“拉”零件来加工，需要进行下面的步骤： 双击 Produce 机器图标显示 general detail 对话框； 点击对话框中的 From按钮，弹出机器的输入规则编 辑框如图 5.10 所示； 输入规则“PULL from C2(N) at Front” ； 点击 OK 确认 。 同时 WASH 机器上零件清洗完毕之后， 将输出到 C2 两条链上 队列较短的输送链上。 规则设计操作如下： 双击 WASH 显示 general 细节对话框； 点击 output 窗口的 To 按钮； 删除窗口顶部的默认规则，输入：Least PARTS C1(1), C2(2) ； 点击 OK 键确认； 点击 OK 确认以上操作。 摘 要 XI 3）模型运行与分析 生产了 94 个 widgets，比 stage4 增长了 30.5； Operator 只有 38%的闲置时间，工作效率提高了 3.5 个 百分点； 统计 widget 可以看出 Ave W.I.P 为 5.39， Ave Time 为 36.58，分别是 stage4 的 61.3和 53.4。 6.构建第六阶段（Stage1.mod）模型 下面尝试增加 produce 机器抛锚的维修时间 Repair time，观 察模型维修时间值的改变对产量的的敏感性。 双击 Produce 图标显示明细对话框； 选择 Breakdown 页框，将 Repair time 的均值由原来 的 10 增加到 20，如下: LOGNORML(20,2,2) 再在 batch 模式下运行模型 500 时间单位（运行前复位） ， 然后检查输出结果统计报表： 一共生产了 93 个 widgets； Operator 有 17%的闲置时间； 由结果可知维修时间均值从 10 增加为 20，只对产量产生很小 的影响。下面考虑继续提高维修时间均值。 摘 要 XII 双击 Produce 图标显示 general 细节对话框； 选择 repair time 将平均时间由 20 改为 30，如下: LOGNORMOL（30，2，2） 在 batch 模式下运行模型 500 时间单位，检查输出记录： 共生产了 83 个 widgets； Operator 闲置时间为 8%； 从结果中可以看出 Produce 机器的 repair time 在 20mins 以内 变化时，产量相应变化不敏感；当超过 20mins 时，repair time 的变化将引起产量的较大变动，所以 repair time 范围应该尽量控 制在 20mins 以下。 五、五、 感想和体会感想和体会 之前在“物流运作管理”那门课中就已经学习过了 Witness 软 件的使用，因此当再次接触这个软件的时候不会像原来那样不知所 措。这次上机实验之后，对 witness 的运用更加灵活，尽管许多东 西都是按照“指南”一步一步做下来的，但是一些原有的问题得到 了解决，对一些软件的实现原理，合理性与不足有了更多和更深的 认识。比如，对于给元素建立逻辑关系，之前的做法大多是通过编 写代码实现的，尽管在这次实验中也有很多步骤需要用代码实现， 但是它也提供了一种更加直观的方法，即通过软件提供的更加形象 摘 要 XIII 的工具实现。 此外，这次试验加深了我对 witness 在生产中的重要作用。通 过合理的初始条件对现实的生产作业进行模拟，根据模拟结果对现 实生活中的作业提供依据，有利于企业认识到生产中存在的问题， 促使企业调整生产计划，从而降低成本，提高企业的利润。 摘 要 XIV 摘 要 随着科学技术的迅猛发展和计算机技术的广泛应用，以往利用数学模型来描述系统特 征并进行求解的方式，正在逐步发展成为以现代计算机技术为基础的仿真建模方式，这种 技术有很强的优越性，可以用来解决许多无法用数学手段进行求解的问题。生产物流系统 是一个非常复杂并且开放的系统，由于它的复杂性以及生产物流系统所处环境的不确定性， 使得要找出影响生产物流系统运行效率的瓶颈环节是非常困难的。经验表明，计算机仿真 建模的方法是辅助改进和优化生产物流系统的有效工具。 本文以我校物流实验室的生产物流系统为研究对象，在对国内外物流系统仿真的研究 与发展现状进行了比较详细了解的基础上，确定了整个论文的研究目标，同时介绍了仿真 系统的相关理论知识，探讨了生产物流系统仿真建模的方法，并介绍了 Witness 建模与仿 真工具，应用 Witness 建模仿真软件，结合生产物流系统的理论知识，针对物流实验室生 产物流系统进行仿真建模，通过 Witness 仿真软件的运行及其仿真结果的分析，运用路径 优化等原则，提出了可行的优化措施，为物流实验室的优化方案提供了决策参考。 关键词： 生产物流系统；仿真建模；Witness；路径优化 ABSTRACT II Modeling and Simulating on Logistics Laboratory Production Logistics System Based on Witness Abstract With the extensive application of science and technology and the rapid development of computer technology, in the past the use of mathematical models to describe the system characteristics and the way to solve is gradually developed into a modern computer technology- based simulation modeling. This technology has a strong advantage that it can be used to solve many problems which can not be solved by mathematical means. Production logistics system is a very complex and open system, because of its complexity and uncertainty of production logistics system is exposed, so to find out the impact of production logistics system efficiency bottlenecks is very difficult. Experience shows that computer simulations modeling method is an effective tool to improve and optimize the secondary production logistics system. In this paper, the production logistics system of logistics laboratory in our school was used as the research object. Based on the research and development of the simulation of logistics system in China and abroad, the research object of the whole thesis is determined. At the same time, the relevant theoretical knowledge of the simulation system is introduced, and the simulation method of the production logistics system is discussed, and the WITNESS modeling and simulation tools are also introduced. Using WITNESS modeling and simulation software, combined with the theoretical knowledge of the production logistics system, the logistics laboratory production logistics system was simulation modeling. Through the WITNESS simulation software running and simulation results analysis, using the principle of optimal path of proposed the feasible optimization measures, provide the decision reference for the optimization of logistics laboratory. Keywords: : Production Logistics System; Modeling and Simulating; WITNESS; Path Optimization 目 录 III 目目 录录 摘要.I ABSTRACT II 1 引言1 1.1 本研究的目的与意义 .1 1.2 国内外相关研究及应用现状 .1 1.2.1 国内研究现状1 1.2.2 国外研究现状2 1.3 研究的内容及技术路线 .4 1.3.1 主要研究内容4 1.3.2 技术路线4 2 生产物流系统仿真技术基础理论5 2.1 系统仿真概述 .5 2.1.1 系统仿真的概念5 2.1.2 系统仿真的分类6 2.1.3 系统仿真的一般步骤7 2.1.4 生产物流系统仿真的优化8 2.2 WITNESS 仿真系统9 2.2.1 Witness 仿真软件简介.9 2.2.2 Witness 仿真软件提供的基本元素.9 2.2.3 Witness 的规则.10 3 物流实验室生产物流系统的模型建立11 3.1 物流实验室简介 .11 3.2 生产物流系统流程的分析 .11 3.3 仿真模型的建立 .12 3.3.1 数据调研与元素定义12 3.3.2 元素可视化的设置14 3.3.3 各个元素细节设计15 3.4 模型运行和数据分析 .19 3.4.1 模型运行19 3.4.2 结果输出与数据分析19 4 物流实验室生产物流系统的模型优化23 4.1 建立优化模型 .23 4.2 优化模型的运行和数据对比 .23 5 结论28 参考文献29 致谢31 基于 Witness 的物流实验室生产线系统建模与仿真 - 1 - 1 引言 1.1 本研究的目的与意义 随着市场经济的快速发展，市场竞争日益激烈。据相关资料统计，在生产车间里，零 件在机床上的时间仅占生产时间的 5%，而剩余 95%的时间消耗在原材料、工具、零件的搬 运、等待上，也就是属于物流活动所占用的时间1。在激烈的市场竞争中，企业需要重新 利用或分配资源，来增加生产系统的柔性，以达到降低制造成本，提高效益的目的。因此， 如何缩短生产周期，加速资金的周转，降低在制品等物料的占用，从而实现生产物流更加 合理，就成为了企业生存与发展，所必须要解决的关键问题。生产物流系统是一个十分复 杂并且开放的系统，它的高度动态性、高度变化性，使得对整个系统进行优化变得非常困 难。计算机仿真技术作为一门新兴的高新技术，正在被越来越广泛地应用于各行各业，已 经成为战略研究、系统分析、运筹规划、预测决策、宏观及微观管理等领域的有效工具2。 同时计算机仿真技术也是研究生产制造系统的一种十分有效的手段，是对生产系统进行分 析和评价的最简单、最经济的一种方法。通过对生产物流系统的仿真研究，有助于找出生 产系统潜在的作业“瓶颈”和关键路径，优化生产运行方案，找出物流制约环节，为生产 实际改善提供决策依据，并最终实现提高设备利用率、降低成本的目标。因此，具有较强 的理论研究和实际应用意义。 本文针对物流实验室所模拟的生产物流系统在运行过程中存在的运输时间耗费较长、 工位空闲率高致使每次实验的生产周期过长的现象进行研究，将实验课所模拟的生产物流 系统，运用 Witness 软件进行建模与仿真。通过运用 Witness 仿真软件，对实验室所模拟的 物流系统进行仿真研究，有助于找出生产系统存在的问题，并提出优化方案，进而达到减 少时间浪费，并最终实现提高实验课效率的目标。 1.2 国内外相关研究及应用现状 生产物流系统是一个复杂的综合性系统，如何提高其效益是至关重要的，系统仿真作 为一项用于系统分析和研究的技术，已经被广泛用来对生产物流系统进行规划设计、运输 调度和物料控制等方面。 1.2.1 国内研究现状 早在 1930 年代初，物流概念就已经被提出。我国的学者、研究人员已经对物流的发展 历史与内涵等内容做了大量的研究，在理论知识等方面虽进行了相关的探索与研究，但关 于生产物流方面的研究还是比较少，目前我国还是缺乏相对完整的理论体系。而对生产物 流系统的仿真，主要采用建立基于 Petri 网的网络模型的方式，我国关于生产物流系统仿真 的研究现状见表 1-1。 基于 Witness 的物流实验室生产线系统建模与仿真 - 2 - 表 1-1 国内研究现状 相关人物具体事件 吴耀华、颜永年3 在 1996 年，提出了一种基于 Perti 网动态模型的物流系统，这套系统 真实地反映了物流系统的动态特性。 张丹羽等4 在 1999 年，提出了一种面向对象和基于图形的建模仿真环境的技术 方案，解决了柔性制造系统中的模型复杂性高和可重用性差的问题。 戴晓明等5 在 2001 年，基于面向对象方法开发了离散事件动态系统仿真工具 DEDS Sim。 周立新等6 在 2003 年，针对某物流企业的具体案例，利用 VB6.0 设计开发了仿 真程序，实现了第三方物流企业运作中的仓库选址、车辆配置和库存 策略等功能。 张正祥等7 在 2003 年，建立了一个具有不确定需求的多周期合作型二级网络的 库存控制模型。 郑顺水8 在 2004 年，基于生产线仿真与优化技术，建立了应用对象、类库、 仿真模型，进行了物流和生产调度仿真。 张晓萍9 在 2005 年，主编了物流系统仿真原理与应用一书，该书结合 4 种常用的仿真软件（AutoMod、Flexsim、Arena、Extend）介绍了系统 仿真原理与方法及其在物流系统中的应用。 吴锡源等10 在 2006 年，提出绿色供应链管理的基本思想和过程，初步建立了企 业绿色供应链运作参考模型。 王亚超、马汉武11 在 2006 年，全国多家高校教师参与编写了生产物流系统建模与仿 真-Witness 系统及应用一书，该书系统的介绍了 Witness 仿真软件 在生产物流建模的过程中的应用，并结合了许多实用案例。 赵刚等12 在 2007 年，编写了仿真技术在物流管理中的应用一书，从物流 配送中心的建模出发，介绍了仿真技术在配送中心内部规划、企业物 流系统规划等方面的应用。 詹跃东13 在 2007 年，基于 Petri 网建模理论，分析了烟草行业的卷接包车间的 AGVS，并对其构造了 Petri 网模型。 嵇振平等13 在 2007 年，提出了一种基于 Perti 网动态模型的物流系统，这套系统 真实地反映了物流系统的动态特性。 陶红表、邹志强14 在 2010 年，应用 e-Mpower 软件对包装企业的生产物流进行建模仿真， 降低了瓦楞纸箱的生产成本，使企业更具竞争力。 1.2.2 国外研究现状 研究物流的关键是找到可以对物流系统进行建模的工具，对于物流系统的研究，国外 的发展比较早，相对的理论基础与实践应用也比较成熟，而且现今常用的大部分物流仿真 软件均由国外研制开发，例如美国 Rockwell 公司开发的 Arena、英国 Lanner 集团开发的 基于 Witness 的物流实验室生产线系统建模与仿真 - 3 - Witness、以色列 Tecnomatix 开发的 eM-Plant 等物流软件，这些软件已经被广泛地应用于 各国的汽车工业、运输业、电子等行业。在生产物流系统仿真的方面也有一定的应用与研 究成果，国外关于生产物流系统仿真的研究现状见表 1-2。 表 1-2 国外研究现状 相关人物具体事件 M.Eric Johnson 等15 在 1994 年，采用 SIMAN 仿真语言对所要设计的 Hewlett- Packard 公司的北美新配送中心建模，为中心的设计提供了指 导性的意见，极大地加速了配送中心的建设。 Wolfgang Kreutzer16 在 1998 年，将面向对象的概念引入到离散事件系统的建模与 仿真，并给出了一个系统实现框架 Beta SIM。 Rotab Khan 等17 在 1999 年，提出运用计算机仿真实现对纺织制造系统的管理 和方案优选。 Antonio Reyes 等18 在 2000 年，将 Petri 网和人工智能技术相结合用于解决柔性加 工生产系统的规划问题，加强了 Petri 网对实际系统行为的推 理能力。 Yang19 在 2000 年，建立仿真模型研究了不同控制策略和环境因素对 一个 SWMR（Single Warehouse Multi-Retailer）系统运行绩效 的影响。 Anglani20 在 2002 年，基于 UML 建模语言和 ARENA 过程仿真语言， 利用面向对象的技术建立了柔性制造系统的仿真模型开发环 境UMSIS，从而将概念模型转化为实际模型。 Fellx T.S. Chan 等21 在 2002 年，采用商业的仿真软件包 Sim process 建立了一个供 应链的仿真模型。 Scott J. Mason 等22 在 2003 年，应用仿真软件 Arena 对一个汽车企业内部的供应 链建立了包括库存管理和交通管理的仿真模型。 Ivan Ferretti 等23 在 2005 年，在其论文中主要研究基于 ANT 系统的启发式算 法解决钢铁连续铸造企业的工业生产库存问题。 Fung. S.H24 在 2005 年，提出了能够简化库存计划的虚拟库存系统 （VWS） ，以使得在生产需求突发变化时使流线型生产计划得 以实施和控制。 C. Saygin25 在 2006 年，利用 RFID 数据对时限材料的库存管理进行仿真。 Hartwig Baumgrtel 等26 在 2006 年，结合 Multi-agent（多代理）技术和分布约束理论 开发了 Fakos 生产计划仿真系统，直观地表现汽车制造设备生 产线物流，并具备成本优化功能，满足客户的决策支持要求。 基于 Witness 的物流实验室生产线系统建模与仿真 - 4 - 1.3 研究的内容及技术路线 1.3.1 主要研究内容 （1）通过査阅文献对国内外生产物流系统的建模与仿真的应用现状进行调查研究，明 确建模与仿真的理论和实践意义； （2）通过学习掌握了研究生产物流系统的基本理论及方法，了解 Witness 软件的特点， 学习 Witness 软件的建模方法； （3）通过对验室生产物流系统的现状进行分析，对其进行仿真建模，研究其存在的问 题，并运用物料搬运的路径优化等原则，对其进行改善，提出改进模型。 1.3.2 技术路线 本文的技术路线不仅反映了研究的总体思路,，也是指导本研究有序进行的基本依据。 具体技术路线如图 1-1 所示。 图 1-1 技术路线图 否 是 开始 査阅文献、收集资料，确定研究内容 分析国内外研究现状，明确研究目的和意义 对物流实验室进行调研，收集原始数据 对物流实验室现有系统进行仿真建模 运用路径优化原则，对系统进行优化建模 对比优化前后模型 是否满意 结束 基于 Witness 的物流实验室生产线系统建模与仿真 - 5 - 2 生产物流系统仿真技术基础理论 2.1 系统仿真概述 2.1.1 系统仿真的概念 系统仿真是建立在数学逻辑模型的基础上，用数学和图形的方法来演示系统行为过程 的一种方法，然后通过计算机实验，对一个特定的系统按照一定的原则规律由一个状态变 换为另一个状态的行为进行动态描述和分析。 计算机仿真包括三个要素：系统、模型以及仿真27。 （1）系统 存在于世界上的系统是千差万别的，但人们总结出描述系统的“三要素” ，即实体、属 性和活动。实体确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；属性也称为描述变量，描述 每一实体的特征；活动定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变 化的过程。 （2）模型 所谓模型，就是对实际系统的一种抽象、本质的描述。首先，模型必须是对现实系统 的一种抽象，它是在一定假设条件下对系统的简化。其次，模型必须包含系统中的主要因 素。第三，为了进行定量分析，模型中必须反映出各主要因素之间的逻辑关系和数学关系， 使模型对系统具有代表性。 （3）仿真 仿真就是通过建立实际系统模型并利用所建模型对实际系统进行试验研究的过程。 综上所述， “系统、模型、仿真”三者之间有着密切的关系。系统仿真有三个基本的活 动，即系统建模、仿真建模和仿真实验。计算机仿真的三个要素可以通过系统模型的建立、 仿真模型的建立和仿真实验这三个基本活动来联系。这三个要素和三个活动的关系如图 2-1 所示。 图 2-1 计算机仿真三要素及其关系 系统仿真是针对真实系统而建立相关的模型，用模型代替真实的系统进行各项试验， 从而对系统的性能进行研究的方法。要了解系统仿真，还需要了解与系统仿真相关的另一 些基本概念，现分别描述如下： 系统 仿真模型 建立系统模 建立仿真模 仿真实验 基于 Witness 的物流实验室生产线系统建模与仿真 - 6 - （1）实体 实体是描述仿真系统的三要素之一，是组成系统的物理单元，分为临时实体和永久实 体两种类型。在仿真过程中，永久实体始终都存在，而只存在一段时间的实体叫临时实体。 （2）事件 事件是引起系统状态发生改变的一种行为，可以说系统是由事件来驱动的。在一个系 统中，有许多类的事件，事件的发生一般与某一类实体有关，某一类事件的发生还可能会 引起别的事件发生，或者是另一类事件发生的条件等等。 （3）活动 把两个相邻发生的事件衔接起来的过程叫做活动。它标志着系统状态所发生的转移， 表示系统从一个状态改变为另一个状态。 （4）进程 活动和活动之间的间隔时间所组成的过程叫做进程，进程描述了它所包括的事件及活动间 的相互逻辑关系及时序关系。事件、活动、进程三者之间的关系如图 2-2 所示。 图 2-2 事件、活动与进程之间的关系 （5）仿真钟 仿真时间变化用仿真钟来模拟。仿真钟可以跳过离散事件之间系统状态不变的这个阶 段，使整个系统一直模拟整个事件的变化过程，而跳过不变的状态，这样可以用很短的时 间来模拟很长一段时间28。 2.1.2 系统仿真的分类 （1）根据模型种类 根据模型种类的不同，系统仿真可以分为三种：物理仿真、数学仿真、半实物仿真。 按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验过程，称为物理 仿真；对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到的系统数学模型，对 数学模型进行试验的过程称为数学仿真；将数学模型和物理模型甚至实物联合起来进行实 验，称之为半实物仿真29。 （2）根据计算机的类型 事 件 1 事 件 n 事 件 2 事 件 3 事 件 4 “t” 进程 活动 n-1活动 2活动 3活动 1 基于 Witness 的物流实验室生产线系统建模与仿真 - 7 - 根据仿真中所用计算机的不同，又可分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真。模拟仿真 是基于数学模型相似原理上的一种方法，主要工具是模拟计算机；数字仿真是基于数值计 算原理，主要工具是仿真软件和数字计算机；混合仿真是将模拟仿真和数字仿真相结合的 一种方法，主要工具是混合计算机系统。 （3）根据仿真的研究对象 根据仿真研究对象，仿真可以分为连续系统仿真和离散事件系统仿真。这类系统的数 学模型包括连续模型（微分方程） ，离散时间模型（差分方程）以及连续离散混合模型 30。 2.1.3 系统仿真的一般步骤 物流系统仿真是研究物流系统的一种具有极强的实用性的重要技术手段，在实施过程 中应该遵循一定的步骤，以保证仿真过程能顺利进行并得到合理的仿真数据和结果。一般 要进行如下 9 步31： 图 2-3 系统仿真的基本步骤 （1）问题定义 一个模型不可能呈现出被模拟的现实系统的所有方面，因此比较好的做法就是：先对 问题进行定义，后针对问题制定目标，然后构建一个能够完全解决问题的模型。这样才能 否 是 统计数据并输入 修改模型并确认 系统抽象 模型是否有效 建立模型 模型检验 运行模型 分析结果 仿真结束 基于 Witness 的物流实验室生产线系统建模与仿真 - 8 - 保证模型能够解决问题。 （2）制定目标 没有目标的仿真研究是毫无用途的。系统的定义是基于系统目标的，目标决定了该做 出怎样的假设，决定了应该收集的信息和数据。目标需要做到清楚、明确和切实可行。 （3）描述系统并列出假设 描述系统就是要实现现实系统向模型的转化，这比模型转化为计算机模型要困难得多， 因为这意味着你必须对现实非常了解，并且能够根据目标将其描述出来，在这一过程中， 列出所做的假设是非常必要的。 （4）列出所有可能替代方案 在仿真研究中，确定模型早期运行的可置换方案是很重要的，它将影响模型的建立。 在初期阶段考虑替代方案，模型应设计为非常易于转换到替换系统的形式。 （5）收集数据和信息 收集数据和信息，除了可以作为模型参数和输入数据外，在验证模型阶段还可以提供 实际数据与模型的运行结果之间的比较。 （6）建立计算机模型 在构造计算机模型的过程中，仿真研究目标要放在首位。一般建模过程是分阶段进行 的，即在进行下一阶段建模之前要对本阶段的模型进行验证，以确保正常。 （7）验证和确认模型 验证即确认模型的功能是否与设想的系统功能相符，而确认的范围更加广泛，包括： 确认模型是否能够正确反映现实即评估模型仿真结果的可信度有多大。 （8）运行模型 在模型得到验证和确认之后，就可以运行模型进行仿真试验了。可以根据不同的需运 行模型，可以改变某一参数，来确定其对模型的影响，可以运行替代模型，以查看比较其 结果。 （9）结果输出 在进行了所需的仿真实验后，就需要对仿真结果进行分析输出，这一部分主要是根据 模拟的目标来解释仿真的结果32。 2.1.4 生产物流系统仿真的优化 系统经过仿真，可以直观的了解其运行情况，经过分析，对其存在的问题进行优化改 善需要遵照一定的基础原则。对于生产物流系统的优化，选择合适的物流路径十分重要， 本研究将会从物料搬运方面对原有系统进行优化改进。 物料搬运是指在物流过程中，对各类物资所进行的装卸、搬运、堆垛、协助取货和理 货等相关的作业33。选择合适的搬运路径以及装卸搬运方法对降低成本、节约时间等起着 不容忽视的作用。 首先，物料如果不能适时、适地、适量地送至生产场所或工作地，会增加机器设备、 人员的闲置时间，影响机器设备和人员的利用，甚至造成生产过程中断，影响产品生产进 度和交货时间；其次，搬运不良或搬运迟缓，会造成生产现场混乱，打乱正常的工作地布 基于 Witness 的物流实验室生产线系统建模与仿真 - 9 - 置，影响安全生产和工人操作，导致工人易疲劳，降低生产效率；再次，搬运不良，物料 搬运次数过多或过少，都会增加搬运费用，导致生产成本的提高；最后，大量资料表明， 物料搬运不良，还是导致产品质量不良的原因之一34。 路径优化是研究搬运系统的关键环节，从起点到终点往往有几条可选择路径，选择任 意一条路径，选择任意一种搬运工具，不管搬运工具的速度是多少，都能够实现货物送达 的目的，但是却不能实现耗费能源最少、搬运时间最短和成本最低。路径优化的原则主要 有以下几点： （1）近距离原则 运输与装卸搬运只能增加产品成本。因此，在条件允许的情况下，应使物料流动距离 最短，以减少运输与装卸搬运强度和频数。 （2）优先原则 在进行物流系统规划和设计时，应将彼此之间物流量比较大的设施布置得近一些，而 将物流量小的设施与设备布置得远一些。 （3）尽量避免迂回和倒流原则 迂回和倒流现象严重影响物流系统的效益，甚至影响生产过程的顺利进行，必须使其 减少到最低程度。 （4）整体化和系统化原则 任何系统的优化应将整体化和系统化放在第一位，使得物流系统的整体性能和整体效 益最好。 2.2 WITNESS 仿真系统 2.2.1 Witness 仿真软件简介 WITNESS 是由英国 Lanner 公司推出的功能强大的仿真软件系统。它可以用于离散事 件系统的仿真，同时又可以用于连续流体（如液压、化工、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，如 Airbus 公司的机场设施布局优化、 BAA 公司的机场物流规划、BAE SYSTEMS 电气公司的流程改善、Exxon 化学公司的供应 链物流系统规划、Ford 汽车公司的工厂布局优化和发动机生产线优化和发动机生产线优化、 Trebor Bassett 公司的分销物流系统规划等。Lanner 公司已经在包括澳大利亚、巴西、法国、 德国、中国、意大利、日本、韩国、南非、美国、英国等 25 个国家和地区设立的代理，负 责软件的推广和技术支持等工作11。 2.2.2 Witness 仿真软件提供的基本元素 Witness 元素是模型的重要的组成部分，现实中的事物或商务系统一般是由一系列相关 联的部分组成，比如制造系统中的人员、加工路线、原材料、仓库、设备等等。Witness 软 件的模型与现实系统的事物相同，通过运行一定时间来模拟系统。其中，系统中的每个部 件被称为“元素（Element） ” 。Witness 主要通过五类元素构建系统仿真模型：离散型元素、 连续型元素、运输逻辑型元素、逻辑型元素和图形元素。 基于 Witness 的物流实验室生产线系统建模与仿真 - 10 - （1）离散型元素 离散型元素主要表示现实系统中可以计数的，能够看得见的物体，主要包括：零部件 （PART） 、输送链（CONVEYOR） 、缓冲区（BUFFER） 、车辆（VEHICLE） 、机器 （MACHINE） 、路径（PATH） 、模块（MODULE） 、劳动者（LABOR） 、轨道（TRACK） 。 （2）连续型元素 连续型元素用来表示加工或服务对象是流体的系统，如饮料、液化气等。主要包括： 容器（TANK） 、处理器（PROCESSOR） 、流体（FLUID） 、管道（PIPE） 。 （3）逻辑运输型元素 逻辑运输单元是建立物料运输系统所需要的。它包括：工作站（STATION） 、路线集 （SECTION） 、单件运输小车（CARRIERS） 、运输网络（NETWORK） 。 （4）逻辑元素 通过逻辑元素，可以对数据、报表、复杂的逻辑结构的元素进行处理，这样有助于提 高模型的质量，更有利于实现结构比较复杂的模型的建立。它主要包括：变量 （VARIABLE） 、属性（ATTRIBUTE） 、函数（FUNCTION） 、分布（DISTRIBUTION） 、文 件（FILE） 、班次（SHIFT）和零部件文件（PART FILE） 。 （5）图形元素 模型的运行绩效指标可以用图形元素放在仿真窗口动态的表示出来，主要包括：直方 图（HISTOGRAM） 、饼状图（PIE CHART）和时间序列图（TIMESERIES） 。 2.2.3 Witness 的规则 一旦在模型中创建了元素，就必须说明零部件、流体、车辆和单件运输小车在它们之 间是怎样流动以及劳动者是怎样分配的，这就要用到规则。 Witness 有几类不同的规则： （1）输入规则（INPUT RULE） 输入规则控制零部件或者流体进入在系统中的流动过程。例如，一台空闲机器要启动 的话会按照输入规则输入零部件直到有足够的零部件启动它；一台尾部有空间的输送链在 每向前移动一个位置时，按照输入规则输入零部件。 （2）输出规则（OUTPUT RULE） 输出规则控制着当前元素中的零部件、流体、车辆和单件运输小车输出的目的地和数 量等。例如，一台机器在完成对零部件的加工后按照一个输出规则将零部件输出到另一台 机器上，要是它出了什么故障不能这样做，那将会出现堵塞现象。 （3）劳动者规则 机器、输送链、管道、处理器、容器、路线集和工作台都需要劳动者才能完成任务。 劳动者规则可以让我们详细说明实体元素为完成任务所需要的劳动者类型和数量。劳动规 则主要有三类：NOTE 规则、MATCH 规则、WAIT 规则。 基于 Witness 的物流实验室生产线系统建模与仿真 - 11 - 3 物流实验室生产物流系统的模型建立 3.1 物流实验室简介 我校物流实验室于 2010 年投入使用，主要包括自动化立体仓储系统、U 型可重构柔性 生产流水线、搬运及运输系统、实验实训软件系统等几大部分。可以模拟由生产装配企业、 仓储配送中心、供应商、批发商、零售商等单位构成的实验实训系统，此系统主要承担工 业工程、物流工程专业的实验课程，可以以生产装配企业为中心或仓储配送为中心开设相 关实验，例如生产线平衡实验、生产过程时间组织分析实验、ERP 实验等，模拟完成企业 生产经营过程以及物料搬运与运输过程管理。 物流实验室既能实现以配送中心为中心的供应商、仓储、零售商组成相应的供应链， 又能实现以生产制造企业为中心、以配送中心为平台的原材料供应、输送、仓储功能，同 时也能实现生产制造企业的产品输入、存储以及销售功能，并且供应商、零售商可以针对 不同情况角色而变化。整个实验室具有配送中心及生产制造企业两个核心，可以实现商业 物流/供应链和企业生产物流/供应链，通过相关软件能够真正实现各中心的物流、信息流、 资金流正确、实时畅通传输、汇总、输出等功能。 实验室内的生产线节拍具有自动可人工设定的功能