（机械制造及其自动化专业论文）面向过程管理的过程仿真理论及支撑软件系统研究.pdf

渐江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 过程管理的核心思想与本质特点 过程管理的核心思想是：企业的运作应该面向顾客需求，以企业过程为中心，通过对 企业活动所涉及的过程，进行设计、改进、监控、评估、控制和维护等去除不增值的过程及 过程中不增值的步骤、理顺企业各种过程之间的关系以及过程本身各个步骤之间的关系等使 企业健康正常运作和发展。 过程管理在很多方面与业务流程重组( b p r ) 很相似，所不同的是，过程管理更注重具 体过程的识别、分析、设计以及在整个生命周期中对过程加以维护。同时借助过程失效模式 和影响分析、过程质量功能配置、计算机仿真和优化技术、数据采集和统计分析等工具对企 业活动中的具体过程系统地、定性定量地进行识别、分析诊断、设计优化和不断改进完善， 其主要诀窍在于，在不同的过程管理阶段能够选用最合适的辅助工具”3 。它充分继承了b p r 面向顾客和以过程为中心的思想，但扬弃了“彻底再造”的思想。 因此，过程管理是一种易为企业接受的、风险较小的不断改进和完善企业管理和过程 的定性和定量的方法手段。结合中国国情，开展过程管理技术的研究开发与实施应用工作将 对我国企业生产组织管理水平的提高、对市场的快速应变和响应能力的提高以及c i m s 、 m r p i i e r p 技术的成功实施应用，特别是在我国已加入世贸组织的形势下帮助企业练好内 功，将具有非常重要的意义。 1 3 过程仿真技术 1 3 1 仿真、过程仿真的定义 1 9 6 1 年，g w m o r g e n t h a t e r 首次对“仿真”进行了技术性定义，即“仿真意指在实际系 统尚不存在的情况下对于系统或活动的实现”。另一个典型的对“仿真”进行技术性定义的 是k o m 。他在1 9 7 8 年的著作连续系统仿真中将仿真定义为“用能代表所研究的系统的 模型作实验”。1 9 8 2 年，s p r i e r 进一步把仿真的内涵加以扩充，定义为“所有支持模型建立 与模型分析的活动即为仿真活动”。o r e n 在1 9 8 4 年在给出仿真的基本概念框架“建模一实 验一分析”的基础上，提出了“仿真是一种基于模型的活动”，被认为是现代仿真技术的一 个重要概念。实际上，随着科学技术的进步，特别是控制理论、计算技术、信息技术的迅速 发展，计算机软硬件的突破，以及各个领域对仿真技术的迫切需求，使“仿真”的技术含义 不断地得以发展和完善，到目前为止，“仿真”词的确切含义仍有一定的争论。不过仿真 基于模型这一观点是共同的”。 在综合国内外仿真界学者对仿真的定义，本文对仿真作如下定义【3 8 】： 仿真是以控制理论、相似原理、系统技术、信息技术、计算机技术及应用领域有关的专 业技术为基础。以计算机和其他各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实和假象 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 的系统进行动态试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研 究，进而做出决策的一门综合性的试验性的技术。 过程仿真是仿真技术在过程管理或b p r 中的具体应用，它可定义为在一定的初始条件 和输入条件下，动态地执行过程模型，考察过程的输出以及各种性能指标。因此，过程仿真 是过程模型的虚拟运作，是种动态的执行过程，是进行过程分析、评价的有效手段m 】。 13 2 过程仿真与建模 过程建模是企业进行过程管理必不可少的一个阶段，是支持过程管理的必要技术。当前 已有许多业务过程建模工具如：a r i st o o l k i t ，i d e f ，m e t aw o r k - f l o wm o d e l l e r ，p r o c e s s m a p p i n g ，v i s i o 以及w o r k s m a r ta n a l y s i s 等。大多数工具以图形的方式来描述业务过程， 即用一系列的方块和箭头来表示过程中的单个活动及逻辑关系【1 。般只能描述发生什么 ( w h a th a p p e n ) 而不能描述如何发生的( h o wh a p p e n ) ，是静态描述与建模方法。这些工具 大多数也不能进行“w h a ti f ”分析，也不能显示业务过程的动态改变及评价动态事件和资源 随机行为的影响。而仿真能动态地模拟过程、进行w h a t ，i f 分析，在系统层次上详细地描 述过程的执行。通过仿真也能准确地模拟资源的随机性、不确定性和相互依赖性，即利用过 程仿真能描述过程实体和资源的动态和随机行为【”】。从这种意义上来说，仿真也是一种描 述过程的手段和工具，而且相对于传统 的描述手段和工具来说是一种动态的更 为详尽的描述手段和工具，是对过程的 进一步描述。图1 2 清楚地表明了过程 建模与过程仿真的区别【l6 j ：过程描述与 建模关注的是整个过程的逻辑流 ( l o g i c a lf l o w ) 或活动序列，而过程仿 真则更关注于实际的物理工作流。 图l 一2 过程描述与建模和过程仿真的区别 1 3 3 过程仿真的益处 过程仿真及仿真分析法作为一种新兴的技术( 工具) 具有以下益处“”： ( i ) 能模拟很难被分析和研究的复杂过程管理系统； ( 2 ) 能重复试验，回答w h a t i f 型问题； ( 3 ) 对业务过程的技术和社会因素都能进行试验； ( 4 ) 通过过程仿真能在过程实施前识别过程存在的缺陷和瓶颈，帮助理解，分析、优 化过程； ( 5 ) 过程仿真能量化无形价值，有助于支持投资决策； ( 6 ) 过程仿真生动的图形化描述有助于更好地理解过程，产生新的主意，及用户间的 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 交流； ( 7 ) 过程仿真能帮助企业形成一种有助于企业持续提升的企业文化； ( 8 ) 过程仿真及其模型可用来持续地监控过程业续： ( 9 ) 仿真运行时间短，效率高：一个需要运行几天或几个月甚至几年的过程，其仿真 过程可能只需要几个小时甚至几分钟： ( 1 0 ) 安全可靠，风险小：过程仿真通过设置仿真环境，修改过程仿真模型和仿真的初 始化条件来模拟过程的变动和市场环境的变化，它不会对实际过程的运行产生任 何影响，避免了改变实际过程可能带来的不可挽回的影响； ( 1 1 ) 经济：过程仿真过程中，除了仿真系统的运行消耗外，不需要消耗其他企业资源， 因而过程仿真运行成本低，非常经济。 1 3 4 过程仿真的特点 过程由多个实体、活动组成，具有涉及领域及范围广、过程之间的关联度大、过程的状 态变化是由某种随机事件驱动等特点。这决定了过程仿真是一项极其复杂而费力的工作，其 相对于系统仿真来说既有联系又有区别。过程仿真除了具有系统仿真的一些共性外，还具有 以下特点： ( 1 ) 过程仿真除了预测过程的实施后果和规律外，一个独特的目的是帮助理解、优化 和重新设计过程，是企业实施过程管理的一个工具； ( 2 ) 过程仿真的模型一般很难用方程式来表示，通常用流程图结合非形式化语言的描 述来表示，过程的状态变化是由某种随机事件驱动的，是典型的离散事件系统仿 真： ( 3 ) 通常过程仿真相对于系统仿真来说是一种更高层次的模拟方法】，存在着大量的 不确定性信息，其中的变量大多数也是随机变量： ( 4 ) 进行仿真实验时不仅要运行a s i s 模型，同时还要运行t o - b e 模型。 1 3 5 过程仿真建模的现状 尽管当前仿真建模理论己比较成熟，但过程仿真建模作为一个独立的研究领域还缺乏 有效的理论和方法学的支持”。当前可用于过程仿真建模的技术方法主要有以下四种“】： 1 ) 基于p e l r i 网的方法( p e t r in e t s - b a s e da p p r o a c h e s ) 9 ”9 ” 典型的p e t r i 网由变迁、库所、托肯及连接弧组成。其中，变迁描述过程模型的处理部 分，库所描述变迁的输入输出条件，托肯是库所的布尔条件，连接弧用于描述变迁的输入输 出，在基于p e t r i 网的过程仿真中，用库所描述一个对象的特定状态，用库所之间的变迁描 述执行在对象上的操作，用托肯描述对象间传递的信息，用连接弧识别一个对象是资源还是 目标信息。 浙江大学硕士学位论文第四章事件驱动的过程仿真系统分析设计及实现 4 4 事件驱动的过程仿真系统实现 通过4 2 及4 3 节中的系统分析设计，我们可以很容易进行系统实现，下面给出了过程 仿真系统的体系结构、部分类的实现和主程序代码。 4 4 1 仿真系统的体系结构 过程仿真系统主要包括实验框架的设置、仿真初始化、仿真执行控制、及仿真结果的统 计分析与显示等功能。过程仿真系统的体系结构如图4 - - 8 所示。 用户输入 结束 图4 8 过程仿真体系结构 各模块的说明： ( 1 ) 初始化模块：调用7 、8 两个模块初始化系统状态表及事件表、创建并初始化动态实体、 事件、活动、资源实例、置仿真初始时间和结束时阀； 5 鲨兰垒兰塑型苎竺型竺! 二 兰婴童皇堡矍垫竺堇堡堕塞墨竺坌堑堡生墨壅翌 ( 2 ) 事件安排模块：从事件表中选出下一最早发生事件，调用模块6 把仿真钟推进到该时 刻： ( 3 ) 事件处理模块：执行当前事件，更新系统状态表，产生新事件： ( 4 ) 仿真数据输出模块：把按用户要求将仿真结果数据保存到数据库中，或直接输出给统 计分析模块； ( 5 ) 统计分析模块：按用户要求对仿真数据进行统计分析，并将分析结果保存到数据库中 或直接按用户的要求显示统计分析结果； ( 6 ) 仿真钟模块：用于标识、推进仿真时钟；在本系统实现时直接采用一个全局变量s i m t i m e 来实现： ( 7 ) 试验框架模块：使用g u i 界面接受用户对试验方案的设定，如对仿真运行的统计参数、 运行时间等的设置等； ( 8 ) 对象初始化模块：负责从使用过程建模系统建立描述的过程模型中获取一些必要的信 息，创建并初始化动态实体、事件、活动、资源实例； ( 9 ) 队列管理模块：负责按用户设定的排队规则对等待使用资源的活动及等待活动处理的 动态实体进行调度选择，这主要发生在使用动态资源冲突时； ( 1 0 ) 随机数生成模块：在过程仿真中产生服从某一概率分布的随机数； 注：以上有些模块的功能是在各自的类( 对象) 中用操作来实现的。 4 4 2 主要类的实现 由于篇幅所限，在此只给出了过程仿真系统中主要类的部分实现代码。 事件类的实现： t y p e t e v e n t = c l a s s p u b l i c e v e n t i d ：s t r i n g ； e n t i t y l d ：s t r i n g ；触发事件的动态实体或一次性资源类 b a t c h l d ：s t r i n g ； 动态实体或一次性资源的批号( 实例对象) r t i m e ：d o u b l e ； t _ t i m e ：d o u b l e ； s t a t u s ：s t r i n g ；状态有：策划、等待事件、等待资源、完成 f l a g ：s t r i n g ； 0 表示未调度到过，1 表示己经调度到过 p r o c e d u r es e t e v e n t ( r _ t i m e ：d o u b l e ；订m e ：d o u b l e ；s t a t u s ：i n t e g e r ；f l a g ：s t r i n g ) e n d ； 动态实体类的实现： 浙江大学硕士学位论文 第四章事件驱动的过程仿真系统分析设计及实现 4 5 1 实验框架设置 在建模系统建立的模型基础上输入些仿真参数：包括各个活动的执行时间，使用的资 源及数量、客户订单的到达时间及批量，仿真的运行时间等。完成仿真实验框架的设置，其 中仿真的运行时间在仿真系统中设置，其他的参数在建模系统中设置，界面如图4 1 0 所示。 4 5 2 仿真运行 图4 一l o 设置仿真参数界面 在对订单过程进行描述建模、并完成参数设置后，就可利