（机械设计及理论专业论文）基于flexsim系统仿真的轻型客车装配线平衡研究.pdf

瑗华大学琰士学链论文 基于f l e x s i m 系统仿真的轻型客车装配线平衡研究 机械设计及理论专业 研究生测锪华指罨教师张跃趟 摘要 雀裁逡企盈进行产器釜产瓣过翟率，系统薅真是毖不霹少熊、骞盏鲢工具。 随着批鬣生产制造系统的发展，涉及劐整个生产制造系统效率的生产线平鬻澜 遂越来越受到关注。因此，借助系统仿真技术研究生产线觞平衡阎题，将戒蠹 蠹l 造监发震魏必然趋势。 本文以成都某客车厂的轻型客车装配鬟产线为研究对象，把系统仿真技术 毒瘸发蓑平囊理论穗结合，通过对轻型客车装配生产线髂调查，牧集整理了装 配线的相关数据；绘制出了装配生产线的工艺程序图；在对轻型客率装配生产 线进行臻囊实体抽象酶基懿上，糕蔫f l e x s i m 系统彷真软件建立了装配线访粪 模型；针对系统仿真软件的功能进行了二次开发，运用c + 十代码设计了a p i 滋 数采处理彷真系统的参数设置；运用启发式平衡方法，通过仿真平衡一铸真， 再平簿一褥费真，怼轻墼客车装配生产线进行了初次平衡、二次平缴；对装配 生产线平衡前后的重要指标及各工位利用率和空闲率进行了比较，轻型客车装 瑟生产线的平鬻褥型了极大懿改善，生产率得到较大提高。 本课题的研究为下步轻型客车厂装僦生产线的系统优化及车间设施规划 骰逛了充分准餐，同对还为这类企业酶装懿生产线彷真及平鬻研究探索了一条 有效途径。 关键溺：装黧生产线：系统髂真；囊发式平衡；a p i 蘧数 医华大学鞭学位论文 b a l a n c er e s e a r c ho n p a s s e n g e rb u sa s s e m b l yl i n e b a s e do nf l e x s i m s y s t e ms i m u l a t i o n m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e ：z h o um i n g - h u as u p e r v i s o r ：z h a n gy u e g a n g a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o d u c t i o np r o c e s si nm a n u f a c t u r ec o r p o r a t i o n ，s y s t e ms i m u l a t i o ni s an e c e s s a r ya n de f f e c t i v et 0 0 1 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb a t c hp r o d u c t i o ns y s t e m , m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nw a sa t t r a c t e dw h i c ha r ea b o u tt h ep r o b l e mo f a s s e m b l yl i n e i nt h ew h o l em a n u f a c t u r es y s t e m 。s o ，i ti si n e v i t a b l et r e n dt o a p p l yt h es y s t e m s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt or e s o l v et h eb a l a n c ep r o b l e mi nm a n u f a c t u r e t h ep a p e rt r e a t sp a s s e n g e rb u sa s s e m b l yl i n ei nap a s s e n g e rb u sf a c t b r yo f c h e n g d ua sao b j e c t t h ec o r r e l a t ed a t ao fa s s e m b l yl i n ew a s c o l l e c t e da n ds e t t l e db y t h es i n a u l a t i o n t e c h n o l o g y , h e u r i s t i c b a l a n c et h e o r ya n d i n v e s t i g a t i o n o ft h e p a s s e n g e rb u sa s s e m b l yl i n e a l s ot h ep r o c e s s sc h a to ft e c h n o l o g yw a sp l o t e d t h e s i m u l a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e db yt h es o f t a r en a m e df l e x s i mb a s e do nt h e a b s t r a c te n t i t yf r o mt h es i m u l a t i o no fp a s s e n g e rb u sa s s e m b l yl i n e t h ep a r a m e t e r s e t u pw a sh a n d l e db yt h ea p if u n c t i o nw h i c hw a sd e s i g n e db yc t h ef i r s t b a l a n c ea n ds e c o n db a l a n c ef o rp a s s e n g e rb u sa s s e m b l yl i n ew a sc a r r i e do u tb yt h e h e u r i s t i cb a l a n c em e t h o d t h ec o m p a r ea b o u tt h eu t i l i z a t i o n ，i d l es t a t ea n do t h e r i m p o r t a n tf a c t o r sw a se x e c u t e db e f o r ea n da f t e rb a l a n c e 。t h ea s s e m b l yl i n eb a l a n c e o f p a s s e n g e rb u sh a sa b e t t e ri m p r o v e m e n tm a dp r o d u c t i v i t yh a se n h a n c e do b v i o u s l y t h et o p i co ft h i sr e s e a r c hi sa p r e p a r a t i o nf o rt h en e x ts y s t e mo p t i m i z a t i o no f a s s e m b l yl i n ea n dw o r k s h o pe s t a b l i s h m e n tl a y o u to fp a s s e n g e rb u s ，a tt h es a m e t i m e ，i te x p l o r e dac o n v e n i e n tw a yo nt h er e s e a r c ho ft h es i m u l a t i o na n db a l a n c ef o r t h ea s s e m b l yl i n e 。 k e yw o r d s ：a s s e m b l yl i n e ：s y s t e ms i m u l a t i o n ；h e u r i s t i cb a l a n c e ；a p if u n c t i o n i f 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所虽交的学缱论文是本入在导师指导下进行的研究工撵及敬褥的 研究成聚。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经 发表或撰笃过酌研究成栗，也不包含为获得嚣华大学或其键教育机构的学位或 证书而使用过的材料。 本学链论文成果是本人在嚣华大学读书期闻在寻帮指导下取褥的，论文成 果归西华大学所有，特此声晴。 终者签名 导师签名 梓k r ，旷， 争晰 钮础 盼弘 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源 本课题“基予f l e x s i m 系统仿真的轻型窖车装配线平衡研究 来源于横向 科研项酾“轻型客车装配生产线的仿真应用研究 ，该项目是企业委托项目。该 企业是由一汽客车有限公司与四川省重点民营企业成都安达特种车辆有限责任 公司共同出资于2 0 0 6 年1 月仃日成立的合资公司。该企业成立时间不长，在 企业生产过程中还存在不少问题，特别是在装配车间。虽然轻型客车市场火爆， 僵由于生产车闻产量低，制造水平落后，无法满足客户的要求。霾此该企业与 学校合作，希望通过课题研究，把工厂装配车间的实际情况与计算机仿真相结 合，对装配车间提出改进方案，达到提高生产效率的预期隧标。 王。2 装配生产线仿真应用研究的现状和发展趋势 先进的生产线需要相应的先进理论和研究工具。伴随着先进生产线的出现， 在生产线的规划设计和运行管理方面，出现了许多理论和生产实际问题u 列。 系统仿真是2 0 世纪4 0 年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门 学科。计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件 为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的- - 1 综合性技术弭3 。而生产 线仿真是以计算机支持的仿真技术为前提，对生产线的各个元素和生产过程进 行统一的建模，在虚拟的环境中反映出装配生产的全过程，从而更有效地组织 生产计划h 卯。早期的仿真软件如a r e a n 、p r o m o d e l 和a u t m o d 等功能比较完 善。f l e x s i m 是f l e x s i m 美匿公司开发的迄今为止世界上第一个在图形环境中集 成了m n n o p q 和编译器的仿真软件，面向中小企业，可以直接在个人电脑上 运行们。 针对汽车生产线的仿真问题，国外已有大量的应用，并且应用比较成熟。 例如，福特汽车公司每设计一种新车型都要拟定大量的计划、投入巨额的资金。 在当今竞争激烈的时代，新产品投放市场的速度对企业保持竞争优势具有决定 性作用。自从二十世纪八十年代中期，福特公司就已经应用w i t n e s s 软件解 西华大学硕士学位论文 决方案来提高其汽车生产线设施装备的设计及其实施速度。福特公司的许多汽 车装配线在正式实施之前都使用仿真软件进行模拟，仿真结果用来验证其设计 的正确性。当装配生产线投入使用后，还要用仿真软件对车间装配情况进行跟 踪调查，模拟仿真，以达到提高车间生产率的目的。另外，l a n n e r w 集团的 w i t n e s s 系统仿真软件帮助n i s s a n 公司完成了一项艰巨而卓有成效的任务， 让位于英国森德兰的一个装配基地的两条装配线实现了三种高产量车型的生 产。9 0 年代后期，欧洲生产率最高的汽车制造厂n i s s a n 的森德兰工厂在两条 独立的生产线上分别生产p r i m e r a 和m i c r a 这两种型号的汽车。在2 0 0 0 年准备 生产“冲浪尾”a l n l e r a 汽车时，公司决定不再额外扩充生产线丽由已有的两条 生产线来完成生产，同时希望a l m e r a 车型的加入不能打乱生产线对原有车型的 生产。系统软件w i t n e s s 仿真在n i s s a n 公司实现了在两条生产线上生产三 种车型的有效衔接，并且为成功地组织生产过程起到了至关重要的作用。系统 仿真软件在德国大众汽车公司应用的也比较广泛，如2 0 0 1 年l o 月份的v w g o l f , v wb o r a 和v wp o l o 这几种车型的交替生产计划项霸；2 0 0 2 年l o 月份 的v wt o u a r e g 装配线供应商数量的优化项目；2 0 0 3 年8 月份v wp o l o 和v w t o u a r e g 装配线运输能量传送系统的仿真顼露；以及正在进行的顼鹜，装配线 的平衡，均运用到了系统仿真技术以及各种系统仿真软件。 目前在国内各大汽车制造企业中，也正在把系统仿真应用到各条装配生产 线中。例如，陆风公司基于q u e s t 平台开发了一种生产线三维整体布局、工 艺流程与物料投放动态仿真、验证、评估、优化的虚拟仿真系统，用于吉普车 总装及重要部件的生产工艺与物料投放设计。另有生产大中型货车的汽车制造 企业，应用设施规划仿真软件p r o m o d e l 对其总装生产车间布局进行建模和仿真 分析，探索影响车间精益生产的具体因素，并在此基础上对车间设施规划进行 重新布局，然后再次利用仿真软件动态分析优化改进后的车间设施布局，最后 得出改善的车间设旌规划模式【刀。还有某商用车有限公司针对其组装线自动化 程度不高、作业繁杂的现状，应用三项原则对其进行简化，根据组装线平衡理 论进行建模，在不改变原组装线布局基础上，采用各种方法优化之1 8 j 。华南理 工大学机械工程学院陈锦昌教授的基于v e g a 建立装配型生产线三维仿真模型， 根据实际生产线多样的布局方式及其运作特点，基于v e g a 的装配型生产线三维 2 西华大学硕士学位论文 仿真系统采用面向对象技术研究生产线的布局以及生产线运作过程的动态三维 仿真【9 】。基于v e g a 三维虚拟平台，系统实现由二维图形数据动态布局到三维生 产线、生产线上产品加工路径的动态选择和产品间的动态碰撞检测等功能。另 外以某汽车凸轮轴生产线为例进行建模阐述混流生产线的仿真问题【1 0 】。其基于 系统仿真软件f l e x s i m 对某订单需求下混流生产线不同投产顺序进行仿真。用 f l e x s i m 对混流生产线仿真结果分析，为合理安排生产提供理论依据【l 。 就铡造生产系统丽言，对制造系统的生产线进行建模仿真并提出优化方案， 这毫无疑问将带来很大的利益。在以人为主的简单生产系统中，仿真显示不出 其突出的优点。随着自动化水平的不断提高，生产系统越来越复杂，生产节奏 越来越快，生产管理者对生产改进的每一个决策，都需要谨慎考虑，措施不当， 往往需付出高昂的代价。而正是由于系统的复杂性、快节奏，要想预测每一种 决策给系统带来的后果，已是人的大脑无法胜任的了，仿真技术正是弥补了这 一不足，成为现代生产系统的有用工具。因此，研究仿真技术在装配线中的应 用将有重大的意义和发展前景畦羽 1 3 3 。 目前各种系统仿真软件应用n d , 型或大型的汽车制造企业已有不少，但是 系统仿真软件应用至l 轻型客车装配线上还很少，因此，本文运用系统仿真软件 实现轻型客车装配生产过程中的仿真，建立装配线生产线模型，对装配生产线 进行平衡分析，以消除装配生产线上的问题，从而提高生产率，这也是国内外 轻型客车企业发展的必然趋势。系统仿真软件不仅应用在汽车装配生产线上， 而且在其冲压、焊装、涂装、整车品质检测等各个生产环节都有着广泛的应用 前景。 1 3 本课题研究的目的和意义 我网的汽车工业在近二十年里已突破缺少生产轻型客车的局面，轻型客车 做到了从无到有并形成一定的规模| ，但由于历史原因生产企业遍地开花，缺乏规 模效益。随着交通业与旅游业的兴起，我国轻型客车产销连续数年都以较快的 速度增长，有关专家认为这种速度还将持续下去。近年来，通过自发研制以及 引进技术、资金等，我国轻型客车的制造能力有了明显的提升，但在轻型客车 整个生产过程中还存在不少闻题，特别是装配过程，这也是我国客车制造业与 3 西华大学硕士学位论文 国外先进客车制造业之间的差距h 引。 流水线平衡问题最早由b r y t o nb 于1 9 5 4 年在他的硕士论文中提出， s a l v e s o n 于1 9 5 5 年首先建立了单晶种装配流水线的数学模型，并给出了模型的 解法。目前流水线平衡主要应用于新流水线的设计和现有流水线的优化与改进。 从研究方向看主要集中在以下三个方面：流水线的循环时间最少；流水线的工 位个数最少；产品单件成本最低【1 5 】蚓【1 7 1 。本文针对轻型客车装配车间生产线 的状况，利用f l e x s i m 仿真软件实现装配线的仿真，找出装配线的闯题，运用 启发式方法解决问题，从而实现装配车间生产线的平衡。 应用系统仿真技术及f l e x s i m 仿真软件实现轻型客车装戴生产过程的仿真， 建立轻型客车装配线模型，找出装配生产线的问题，利用启发式方法解决这一 问题，从而实现装配生产线的平衡，使轻型客车的装配生产线不断趋于完善， 提高生产率，这就是本课题研究的目的所在。 本课题通过对现有的轻型客车装配线进行建模仿真，探索这一类企业在装 配生产线的生产过程中所遇至姻孽润题，并找到解决方法，从而为此类企业提高 生产线的生产效率找到一种合适的解决方案。 1 4 本课题主要研究内容、途径及技术路线 主要研究内容： ( 1 ) 轻型客车装配生产线的现场调查； ( 2 ) 原始数据的分析与整理，绘出现行的装配路线圈和工艺程序圈； ( 3 ) 利用仿真软件f l e x s i m 建立轻型客车装配线的仿真模型； ( 4 ) 仿真实验的运行与调试，实验结果的分柝； ( 5 ) 运用扁发式方法对轻型客车生产线进行初次平衡，并分析结果； ( 6 ) 对轻型客车装配生产线进行二次平衡，并利用f l e x s i m 仿真软件以及 生产线平衡的概念对二次平衡后的生产线进行分析。 通过对生产线的调查，对收集的资料进行整理和归类，建立仿真模型，设 置各实体的逻辑参数，建立对象闻盼联系，动态修改模型参数，输出仿真结票。 分析输出结果，找出装配生产线中存在的问题，即生产线的极度不平衡，然后 利用窟发式方法对装配生产线进行两次平德，从两实现了装配生产线的合理运 4 西华大学硕士学位论文 行，提高装配车间生产率。 本文所研究的轻型客车装配生产线是一条简单的单一非连续生产线。空车 身虽然按一定的节拍进入装配生产线，但是生产线的整体节拍性不强。工人跨 工位作业的现象较为严重，工位上待加工车身的移动大多依靠人工来完成。在 系统仿真的抽象过程中尽量与现实保持一致，但由于以上各种因素的存在，仿 真过程中可能会有一定的误差。 5 西华大学硕士学位论文 2 系统仿真及系统仿真软件 2 1 系统仿真技术 2 1 1 系统仿真技术的发展历史 系统仿真是建立在系统理论、控制理论、相似理论、数理统计、信息技术 和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利 用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借动予专家经验知识、统计数据 和系统资料对试验结果进行分析研究，做出决策的一门综合性和试验性的学科 【1 8 3 o 早在几千年前，我们的先人就懂得了系统仿真的基本原理。中国象棋是用 子仿真古代战争的游戏，军事沙盘用来仿囊嚣军对阵的战略，建筑中用木模研 究实际建筑物的结构与承载性能等等。直到上世纪4 0 年代，冯诺依曼正式提 患了系统仿真的概念，随后，1 9 5 2 年美国成立了仿真学会，1 9 6 3 年出版了仿真 领域最舆权威性的学术刊物“s 蹦u l a t i o n 后，系统仿真逐渐成为一门独立 的学科。 在工业发达蓐家，系统仿真技术靛应用菲常普遍。上世纪9 0 年代，美冒提 出2 2 项国家关键技术，系统仿真技术列为第1 6 项；美国国防部提出2 l 项国防 关键技术，系统仿真技术被列为第6 顼。美匿已严格规定所有重要的武器研究， 必须进行仿真实验后才可投入正式生产和使用。 根据上世纪8 0 年代末统计，墨本企业运用系统工程解决管理与决策闻题 时，采用系统仿真方法的已经超过8 0 。英国制造业也普遍采用系统仿真方法 解决物料控制、人力配置、调度评估、投资策略及均衡生产等问题。据国外应 用统计，运用系统仿真优化系统设计规划减少投资3 0 o ，在库存控制方面可减 少库存1 5 【1 9 1 。 2 1 2 现代系统仿真的特点 系纺仿真技术是模型( 物理的、数学的或非数学的) 的建立、验证和试验 运行技术。现代仿真技术的特点可归纳为： ( 1 ) 系统仿真是一门通用的支撑性技术。在决策者们面对一些重大的、棘 6 西华大学硕士学位论文 手的问题时，能以其他方法无法替代的功能，为其提供关键的见解和创新性的 观点。 ( 2 ) 系统仿真技术学科的发展具有相对独立性，同时又与声、光、电、机， 特别是信息等众多专业技术领域的发展相互促进。因此，系统仿真技术具有学 科面广、综合性强、应用领域宽、无破坏性、可多次重复、安全、经济、可控、 不受气候条件和场地空间的限制等特点，这也是其他技术所无法比拟的。 ( 3 ) 系统仿真技术的发展与应用紧密相关。应用需求牵弓| 、系统带技术、 技术促系统、系统服务于应用，这是一个辨证的关系。应用需求是推动系统仿 真技术发展筋原动力，系统仿真技术应用效益不但与其技术水平的高低有关， 还与应用领域的发展密切相关。大量实例表明，系统仿真技术的应用必须依托 于先进的仿真系统，只有服务于应用的仿真系统向前发展了，才能带动系统仿 真技术的发展。 ( 4 ) 系统仿真技术应用正向“全系统 、“系统全生命周期 、“系统全 方位管理 发展。这些都基于仿真技术的发展。 2 。1 。3 系统仿真相关技术 系统仿真的主要过程是建立模型、模型实验和结果分析。系统仿真的建模 是以控制理论、相似理论和数理统计为理论基础的。实际构造系统的模型则是 借助了计算机和其他专用的物理设备，利用所建立的系统的模型对真实的或假 想的系统进行试验和评价。其实验结果分析研究和做出决策建议过程是运用统 计分析的数学方法、专家经验以及相关的系统资料渤3 戮3 。因此、系统仿真是 一门综合性比较强的综合性学科，下面是几个系统仿真相关的技术。 ( 1 ) 建模与仿真方法学 也就是如何确定仿真模型的结构和参数。对内部结构和特性清楚的系统， 可以经过分析和演绎推出系统模型。对内部结构和特性不清楚的系统可以假设 并通过试验验证和修正建立的模型，也可以利用辨识的方法建立模型。 ( 2 ) 仿真算法 仿真算法是将系统模型转换为仿真模型的一类算法，经历了从串行算法到 并行算法的发展过程。目前，连续系统与离散系统事件仿真系统的非实时串行 7 西华大学硕士学位论文 算法已相当完善，其结果包括处理线性、非线性、刚性、间断等连续系统算法， 各种随机统计的算法及基予系统分割、方法分割和时闻分割的部分并行算法。 ( 3 ) 仿真软件 近些年，仿真软件充分吸收了仿真方法学、计算机、网络、图形、图像、 多媒体、软件工程、自动化控制、人工智能系统等技术取得的新成采，从而取 得了更大的发展，成为系统仿真研究必备的工具。 ( 4 ) 虚拟现实技术 虚拟现实技术是在综合系统仿真技术、计算机图形图像技术、传感技术、 显示技术等多项学科技术的基础上发展起来的，它以仿真的方式使入置身予一 个虚拟的世界中。沉浸、交互、构思是虚拟现实技术的基本特征。 除了以上四种主要的技术，系统仿真还涉及了计算机仿真器，分布仿真技 术等。随着仿真技术在物流和生产领域的应用拓广，仿真技术的相关技术将不 断的吸收和融合一些新的技术，从而将系统仿真伸向更广的领域。 2 1 4 系统仿真的应用 仿真本质上是一种知识处理的过程，典型的系统仿真过程包括系统模型建 立、仿真模型建立、仿真程序设计、仿真试验和数据分析处理等，它涉及多学 科、多领域的知识与经验。随着现代信息技术的高速发展以及军用和民用领域 对仿真技术的迫切需求，系统仿真技术也得到了飞速的发展眩2 捌。 理论上系统仿真可以解决任何系统分析的问题。然而，由于先验知识和手 段所限，迄今为止，并不是任何系统都能运用系统仿真分析得到满意的结果。 系统仿真技术的发展和应用首先在人们对其规律比较熟悉、已经可以进行较准 确描述的某些领域中取得突破戮】。我们面对的系统各式各样，有政治系统、 人文系统、生态系统、经济系统、医学系统、工程系统等等。最先成功应用系 统仿真技术的是工程系统，其中宇航、航空航天、盘动控铡、电力等系统已经 运用相当成熟。而在其他领域，例如经济系统、生态系统、医学系统等，人们 也已经开始了系统仿真的研究和应用，但是不够成熟也不够普遍。 仿真技术的应用领域多范围广，并且用于解决某些特殊阀题时非常有效， 仿真技术常用于解决以下问题： 8 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) 设计并分析生产制造系统； ( 2 ) 评估军事装备系统及其震勤需求； ( 3 ) 确定通讯网络的硬件要求或通讯协议； ( 4 ) 确定计算机系统的软硬件要求； ( 5 ) 设计并运营交通系统，如机场、高速公路、港日和地铁； ( 6 ) 评估服务设施的设计方案，如电话中心、快餐店、医院和邮局； ( 7 ) 商业流程再造； ( 8 ) 确定库存系统的订货策略； ( 9 ) 分析财务或经济系统。 仿真技术在具体应用中也面临一些阻碍。首先，用于研究大规模系统的模 型通常很复杂，编程实现这些模型是非常费事的。近几年，一些优秀软件的开 发使得这个实现过程变得简单许多，这些软件能够翻动提供很多用于编程实现 仿真模型的特征。其次，复杂系统仿真的实现需要大量的计算时间。不过，随 着计算桃技术的发展，计算速度会变得越来越快，这个问题会逐渐的不得到解 决。 2 2 系统、模型与仿真 2 2 1 系统 系统一词最早见于古希腊原子论创始人德漠克利特的著作世界大系统 一书。该书明确堍论述了关于系统的含义“任何事物都是在联系中显现出来的， 都是在系统中存在的，系统联系规定每一事物，而每一联系又能反映系统联系 的总貌。 这里绘斑一种普遍接受的定义：系统是由互相联系、互相作用的对象 ( 要素、部件) 构成的具有特定功能的有机整体旺弱。 在定义一个系统时，首先要确定系统的边界。尽管世界上的事物是相互联 系的，假当研究一对象时，总是要将该对象与其环境区别开来。边界的划分在 很大程度上取决于系统研究的目的。边界确定了系统的范围，边界以外的环境 对系统的作用称为系统的输入；系统对边界以外的环境的作用称为系统的输出。 尽管世界上的系统千差万别，但人们总结出描述系统的“三要素，即实体、 属性、活动。实体确定了系统麓构成，也就确定了系统的边界；属性也称为攒 9 西华大学硕士学位论文 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 丽确定了系统虎都发生变化的过程。 按照不同的分类标准，系统有各种分类方法。按照系统的特性不同，系统 可分为工程系统和非工程系统两大类；按照系统中起主要作用的状态随时间的 变化分类，系统可分为连续系统和离散事件系统，连续系统是指状态随时间连 续变化的系统，离散事件系统是指状态的变化在离散的时间点上发生，且往往 又是随机的；按照对系统内部特性的了解程度分类，系统可分为自色系统、黑 色系统和灰色系统；按照系统的物理结构和数学性质分类，系统可分为：线性 系统和菲线性系统，定常系统和时变系统，集中参数系统和分布参数系统，单 输入单输出系统和多输入多输出系统等；根据系统的本质属性，按照系统内子 系统的关联关系系统可分为简单系统和复杂系统；按照子系统的数量分类，系 统可分为小系统、大系统和巨系统。 参照以上系统的分类标准可知，本文所研究的系统属于离散事件系统。 2 2 2 模型 为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进行试验。试验的方法基本 上可以分为两大类：一类是直接在真实系统上进行；另一类是先构造模型，通 过对模型的试验来代替或部分代替对真实系统的试验旺酗。传统上大多采用第一 类方法，随着科学技术的发展，尽管第一类方法在某些情况下仍然是必不可少 的，但第二类方法日益成为人们更为常用的方法，主要原因如下：系统还处于 设计阶段，真实系统尚未建立，人们需要更准确地了解未来系统的挂能，只能 通过对模型的试验来了解；在真实系统上进行试验可能会引起系统破坏或发生 故障；需要进行多次试验时，难以保证每次试验的条件相同，因而无法准确判 断试验结果的优劣；试验时间太长或试验费用昂贵啜刀。 因此，在模型上进行试验曰益为人们所青睐，建模技术也就随之发展起来。 模型可以理解为：为了某个特定目的将系统的某一部分信息简缩、提炼构造而 成的系统替代物，是系统某种性能的一种抽象形式。 模型可分为物理模型和数学模型两大类，见图2 1 。物理模型与实际系统有 相似的物理性质。数学模型是用抽象的数学方程描述系统内部物理变量之间的 1 0 西华大学硕士学位论文 关系而建立起来的模型，通过对系统的数学模型研究可以揭示系统的内在运动 和系统的动态性能。数学模型又可以分为静态模型和动态模型两类。静态模型 的一般形式是代数方程、逻辑关系式。动态模型又可分为连续系统动态模型和 离散系统动态模型。连续系统动态模型有确定型动态模型和随机型动态模型。 离散系统动态模型可分为时间离散系统动态模型和离散事件动态模型。时闻离 散系统又称为采样控制系统，一般用差分方程、离散状态方程和脉冲传递函数 来描述。这种系统的特性其实是连续的，仅仅在采样的时刻点上来研究系统的 输出。离散事件系统的输出不完全由输入作用的形式描述，往往存在着多种可 能的输出。它是一个随机系统。 f i n 一1t h es o r t so f m o d e l 圈2 - 1 模型的分类 2 2 3 仿真 1 9 6 1 年，摩根扎特( 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本质的实现 。 另一个典型的对“仿真进行技术性定义的是科恩( 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做试 验 。1 9 8 2 年，斯普瑞特( s 研e t ) 进一步将仿真的内涵加以扩充，定义为“所 西华大学硕士学位论文 有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动 。奥伦( o r e n ) 于1 9 8 4 年在 给出了“仿真 的基本框架“建模一试验一分析 的基础上，提出了“仿真是 一种基于模型的活动 的定义，被认为是现代仿真技术的一个重要概念。综上 所述，“系统、模型、仿真 三者之间有着密切的关系。系统是研究的对象，模 型是系统的抽象，是仿真的桥梁，试验是仿真的手段。所以仿真可以定义为： 通过对模型的试验以达到研究系统的目的，或用模型对系统进行试验研究的过 程。 仿真有三个基本的活动，即系统建模( 一次建模) 、仿真建模( 二次建模) 和仿真试验，联系这三个活动的是计算机仿真的三要素，鞠系统、模型、计算 机( 包括硬件和软件) 。它们的关系可用下图表示。 f i 9 2 - 2 曩瞳e ee l e m e n t sa n dt h r e ef u n c t i o n so f c o n 肇u t e rs i m u l a t i o n 图2 2 计算机仿真三要素及三个基本活动 仿真有如下三个特点：安全性，仿真技术在应用上的安全性一直是被重用 的最主要的原因；经济性，仿真技术在应用上的经济性也是被采用的十分重要 的因素；可重复性，由于计算机仿真运行的是系统的模型，在模型确定的情况 下，稳定的系统的输入条件，可以复现某一仿真过程，这样可以在稳定试验条 件下对系统进行重复研究。 2 。3 离散事件系统仿真 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。所谓工作流程是指实体在整个仿真过程中活动的顺序每发 1 2 匿华大学硕士学位论文 生一个事件，系统的状态就发生一次变化，在实际活动中，事件的发生不是连 续的，发生时间的间隔可能也不相等，焉是具有某种随机性陀鼢汜粥。 离散事件仿真是对随时间而变化的系统的模拟，其状态变量会在不同的时 间点瞬间发生变化。这些时间点通常是某个事件发生的时刻，其中事件是在瞬 间发生、可能改变系统状态强羽玛秘。 在离散事件系统中临时实体的到达、运输时间等一般都是随机的，这些复 杂的系统随机事件缀难找到相应的解析式来摇述和求解婚弱。对于隧机嚣素影 响的系统事件进行仿真时，首先要建立随机变量模型，即确定系统随机变量并 确定随机变量的分布类型以及参数。对于分布类型是已知的或者是可以根据经 验确定的随机变量，只要确定它们的参数就可以了，无论是确定随机变量的分 布类型还是确定其参数，都要以调研观测的实际数据为依据婚”。 2 3 1 离散事件系统仿真的一般步骤 离散事件系统仿真研究的一般过程，包括系统建模、确定仿真算法、建立 仿真模型、设计仿真程序、运行仿真程序、输出仿真结果并进行分析等。下面 仅就离散事件系统仿真中的一些特殊闷题进行讨论强铂。 ( 1 ) 系统建模。离散事件系统的模型一般可以用流程图或网络图的方法来描 述。它们都反映了临时实体在系统蠹部经历的过程、永久实体对临时实体的作 用以及它们之间的逻辑关系。 ( 2 ) 选择仿真算法。离散事件系统的仿真算法包括两方面的内容：一是如何 产生所需的随机变量；二是采用怎样的仿真方法对离散事件系统进行仿真，即 仿真策略、仿真的方法。 ( 3 罐 立仿真模型。根据已确定的仿真算法建立仿真系统酶计算机模型。它 是系统状态转移的动态描述，因此首先要定义系统的状态变量，这要根据系统 的内部结构及仿真研究的强的来确定。即使是同一系统，仿真研究的黼的不同， 系统状态可能不同。 ( 4 ) 设计仿真程序。仿真程序是模型的实现，可以自己编写或采用仿真语言 编程。 ( 5 ) 仿真结果分析。由于离散事件系统固有的随机性，每次仿真运行所得到 西华大学硕士学位论文 的结果仅仅是随机变量的一次取样，那么仿真结果的可信性、提高仿真结果的 置信水平在这类系统仿真中占有突出的地位。 离散事件系统仿真结果分析可分为终止型仿真( 仿真运行长度事先已确定) 输出数据的分析或者为稳态型仿真( 仅运行一次，但时间足够长) 输出数据的 分析。 2 。3 。2 离散事件系统的仿真策略 为了使模型能够在计算机上运行，需要将系统模型转换为仿真模型，这是 从模型到计算机仿真的一个必不可少的步骤。 将系统模型转换为一个可以在计算机上运行的仿真模型，一般需要完成如 下三步： ( 1 ) 设计仿真策略，即确定仿真模型的控制逻辑和仿真时钟的推进机制； ( 2 ) 构造仿真模型，即确定模型的具体操作； ( 3 ) 仿真程序设计与实现，鞠采用某种程序设计方法及语言，实现仿真策略 和仿真模型。 仿真策略是仿真模型的核心，反映了仿真模型的本质，从根本上决定了仿 真模型的结构。基本的仿真策略有事件调度法( e v e n ts c h e d u l i n g ，e s ) 、活动扫 描法( a c t i v i t ys c a n n i n g ) 、三段扫描法( t h r e ep h a s e ) 、进程交互法( p r o c e s s i n t e r a c t i o n ，p i ) 。以上仿真策略各有特点。事件调度法特点：按下一最早事件 发生推进仿真时钟；仅安排确定事件例程，条件事件隐含在确定事件例程中处 理；事件表的操作比较复杂；基本模型单元一事件例程；建模灵活，可应用范 围广，但建模工作量大。活动扫描法特点：按各实体时间单元的最小值推进 仿真钟；确定事佟与条件事件均考虑，条件事件活动例程( 协同活动例程 甥 属于永久实体；基本模型单元一活动例程；执行效率高，但程序结构比较复杂， 流程控制应十分小心。三阶段法一改进的活动扫描法( 与髂相比) ：将事件 活动例程分为b 类活动例程与c 类活动例程；b 类活动例程为a s 中确定事件活 动例程中去掉探测头所得者；有e s 和a s 的优点，但需对系统有深入的理解和 分析。进度交互法：基本模型单元为进程例程；事件推进，进程中时间最小 的无条件延迟复活点；复杂，需有仿真语言支持。 1 4 西华大学硕士学位论文 2 4 系统仿真软件 系统仿真技术发展到今天，已经越来越多地集成剡对重要运侔的决策中。 系统仿真技术在汽车、烟革、送药、优工、军事配送、机械、第三方物流、食 慧、电器、电子等各个彳亍业取得了广泛酶瘦焉，且疲耀贯穿于产品设计、生产 过程、销售配送，直到产晶寿命结束废弃以及回收阶段，离散事件系统仿真在 各行各业的物流管理技术与手段中已取得了不可替代的地位【3 引。随着日益增长 的技术需求，提供功毵强大、方便、灵活、可靠的决策支持工具成必物流软僚 商的时代使命。囱1 9 9 5 年第一个仿真软件问世以来，豳前市面已经涌现了多样 他的仿真软件强倒。 按照薪技术爨现的时间顺序，可将仿真软件的发震分为六个阶段，霹透耀 糕謦设计语言、饶真程痔包及初级仿真语言、完善的磷晶纯熊高级仿真语言、 一体纯( 局部智能化) 建模与仿真环境、智能化建模与仿真环境以及支持分布 交互仿真的综合仿真环境1 37 1 。 从总体来看，各种仿真软件集中体现了这样几种趋势。首先，仿真软彳孚越 来越注重与外界的数据交换，许多仿真软件可以接受多种输入，包括电子表格、 数据库、c a d 墅形文件等，燕时也可以彝这些应用软律进行输毒。其次，是软 件的动画显示功能不断增强，新的软件推出，或者软件酶升级都往往在动画显 示方面进行了功畿改进和提高。第三，越来越多的软件提供专门的输入、输懑 分析工具，作为软件内置模块，或者作为可选择的模块，成为仿真软件产品的 组成部分，为用户建立输入数据模型和对系统进行统计分析提供更多的方便。 第罂，仿真软件的更进步酌发震是提供优化功麓，仿真优化模块成为越来越 多的仿真软件不可缺少的功能模块啜踟。 嚣翦专垂上流行酶各种物流仿真软磐有遁羽仿真软件( g e n e r a l - p u r p o s e s i m u l a t i o ns o f t w a r e ) 和面懿应用的仿真软件( a p p l i c a t i o n o r i e n t e ds i m u l a t i o n s o t t w a r e ) 两类。麸仿真软件发展之初，就有麸遥用软件两专属性软件发展的趋 势，强调软件使用的易用性。由应用针对性的过程语言编程可以提供子程序库， 丽最终过程语言又发展成为通用目的的仿真语言。随后，这些通用语言逐渐狱 褥了界面和菜单系统的澎式，使得实际的编程过程在界面和菜单系统中完成， 而隐藏了编程过程。随着软件的用户群的发展，仿真软件根据不同的专业应用 1 5 西华大学硕士学位论文 进行界面裁剪，例如面向制造，或者医疗与远程通讯的服务业等。仿真软件的 专业性越高，意味着越多於缨节和专门的信息可戳建立到模型中去。捌如， c o m n e t 包括了特定传输电缆和协议的预定结构，而m e d m o d e l 则提供了 医疗服务设施的典型实体的逻辑和动画图标。 功能界瑟纯已经成为仿真软件的一个发展特鬣。擐多待真较粹帮具有将其 建模功能集成在其界面中的特征，a w e s i m ( 基于s “蝴) 、w i t n e s s 、p r o m o d e l 、 t a y l o r i i 和a u t o m o d 等，都将建模功能集成到赛面中，强调各自韵易用性和全 面的强大功能。 在建模技术，有些软件采翊层次建模结构。倒懿a r e n a 耱s i x 就是具有 层次建模结构的软件。最底层的单元可以用来建立在模型中，或代表一般的单 元组合( 如，在制造装置中，表示输入传送带、缓冲站、服务枫，以及露能的 检验站的组合) ，或者代表特定应用领域中的特定模块( 懿一个热工单元及其 动作) 。这样的层次结构为应用嚣向的仿真器带来了优势，较低层次的模型允 许萁与通用仿真语言相关联。有些软件则弱时其有两种方式，通过层次设计， 在项层允许用户与程序互动，似乎专门为其专业应用所做，丽同时又提供了从 最基本的层面使用语言的视裁。这样就必软彳孛提供了全面的灵活性。 与其他计算机软件一样，仿真软件越来越多地与其他应用软件共享信息。 许多软件能够从不同类型的电子袭格和数撼痒格式中接受数据，并阕时囱它嬲 输塞数据。绝大多数产罴都提供程序语言( 如c 语言、v b 等) ，可以与仿真 代码连接，以获得特定的信息资源或者进行专门的计算，如仿真系统内的调度 和决策计算等。 仿真软件雹的集成度越来越商。遂过软件商提供的附加软件，在能力规蝴、 摊程调度、输入建模和运行控制等方面的功能越来越全面。对于那些没有包括 输入建模的软件，用户往往通过其他的工具来对观测数据进行拟合，从而生成 输入数据模型。这种分搴斤工具如e x p e r t f i t 弱s t a t f i t 等，都可以进行戳测数据拟 合，提供多种分布，并且还提供7 与部分仿真软件的接口硌鲫。 目前已经发布的仿真软件有几十种，根据j a m e sj s w a i n 的广泛调查，在台 式电脑主运行的离散事件仿真软件产品就有四五十种。这些软件有不同的应用 曩的帮应用背景，备有侧重。软件商与链们的用户通过产晶邮件、定期的产品 西华大学硕士学位论文 时事通讯和年会保持联系和沟通，这也进一步促进了软件的不断发展。 这些软件可谓各有特点，各有所长。人们通常选择三维实体效果比较好的 软件进行物料搬运和物流机械的仿真分析，选择适合做系统分析和流程分析的 软件进行供应链网络的系统分析，而选择能嵌入优化算法的扩展功能较好的软 件来进行复杂物流系统的调度问题的研究。 未来的仿真软件将在以下几个方面得到进一步的发展： ( 1 ) 采用新的建模仿真方法学、人工智能等新技术改善建模仿真功能； ( 2 ) 增强对建模仿真全生命周期活动的支持功能； ( 3 ) 基于标准及基于软总线的开放的体系结构； ( 4 ) 注重面向专业领域、面向用户，扩大应用领域； ( 5 ) 支持复杂系统虚拟样机的开发； ( 6 ) 开发及完善支持分布仿真工程的支撑框架。 目前几个应用较多的大型仿真软件有英国l a n n e r 公司推出的w i t n e s s ，美 国b r o o k sa u t o m a t ；o n 公镯开发的a u t o m o d ，美国s y s t e mm o d e l i n g 公司开发的 a r e n a 和美国i m a g i n et h a t 公司开发的通用仿真平台e x t e n d ，美国3 i 公司