基于MATLAB的车间物流系统的建模与仿真

-基于MATLAB的车间物流系统的建模与仿真摘要： 现代企业制造过程中的原材料、加工设备、人工、厂房等成本基本已经确定，要想再从生产过程中取得明显的效益提升、降低生产成本相当困难。企业里的车间物流是物流里面重要环节之一，根据有关统计在整个制造过程中有大约 95%的时间是用在存储、装卸、搬运、等待加工等物流环节上。所以，从企业车间物流方面去入手，对于企业保障产品质量、降低生产成本、提升企业的竞争力则有很大的机会去提升生产效率、减低生产成本、增强市场竞争力。 本文针对某工厂的车间物流的现状，并结合企业车间物流系统的离散性，采用了计算机仿真技术，应用MATLAB仿真软件，依据车间实际布局测定车间物流的搬运距离及搬运批量，建立了基于MATLAB的车间物流的仿真模型。对车间未来布局的优化及搬运批量的定义提供了快速、准确的参考数据，对降低车间物流成本、减少生产用地、配合配置机器数量的研究有重要的意义。为企业在车间物流分析、优化、预测及生产管理提供有效、直观的依据。 关键词：车间物流，仿真，物流成本，MATLAB，车间布局。ABSTRACT ：In manufacturing process, the relevant cost is almost fixed for the mainly elements such as raw material, process machine, human resource and plant facilities. It is very difficult to reduce the manufacturing cost on such aspects. But according to one related report, about 95% of manufacturing lead time is used on logistics such as storing, handling, transportation and process waiting. Therefore, studying on manufacturing logistics system is very important to reduce the entire manufacturing cost and then enhance the enterprises competition. Base on the current workshop manufacturing logistics condition and considering the manufacturing system is one kind of discrete system. It is very suitable to applying simulation technology such as MATLAB software. So the elements associated with workshop logistics are defined in MATLAB program. This is one kind of visually dynamic display interface model, we can easily to evaluate and diagnosis the workshop logistics and find out the potential optimizing opportunity on logistics cost. It is very significance for reducing manufacturing cost, space and optimizing equipments quantity and provide the right orientation for improving the workshops logistic system. KEY WORDS: Workshop Logistics, Simulation, Logistic cost, MATLAB, Layout.1引言随着全球化、市场化程度的不断提高，竞争的日益加剧，为了生产与发展，企业必须降低自身成本，提高自身效率。因此越来越多的企业意识到降低物流成本、实施物流系统优化势在必行。改革开放的几十年间我国已成为制造业大国，但针对制造型企业的物流管理现状、尤其是车间物流管理却存在着诸多亟待解决的问题。车间物流是指从原材料进入车间、物料在车间各个工位加工直至加工成成品的全部物流环节以及相对于的物流信息等活动。贯穿了企业生产经营的全过程，是物流链中一个核心环节，它贯穿产品从原材料到最终成品的全部过程，是企业里面物流和生产系统的结合环节。本文着重研究企业的车间物流系统，对车间服务系统进行数学建模并通过MATLAB进行仿真，为企业在车间物流分析、优化、预测及生产管理提供有效、直观的依据。 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。由此可见，系统、模型、仿真三者有密切的关系，系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型的试验以达到研究系统的目的。由于现代仿真技术都是在计算机支持下进行的，因此，系统仿真也被称为计算机仿真。系统仿真有三个基本的活动，即系统建模、仿真建模和仿真试验，联系这三个活动的是系统仿真的三要素，即系统、模型、计算机。它们的关系如图1.1所示。系统模型计算机建立系统模型建立仿真模型仿真实验1.1仿真的三要素机器关系2离散事件系统仿真基本特点车间物流系统是典型的离散系统，所以在研究车间物流系统事，首先需了解离散事件系统仿真的基本特点。离散事件系统的基本特点是:作为系统边界的对象（实体）属性状态不可能用时间函数进行描述,事件活动具有随机性。针对离散事件系统的计算机仿真所存在的基本特点是:(a)在构造和确认系统仿真模型方面具有较大难度，而围绕系统模型编程设计仿真程序则应反复计算与修改，因此要求总控程序的结构框架不仅具有良好通用性，且应具有强力模块化结构特征；(b)针对系统需求分析阶段提出的系统设备技术指标（包括系统软件平台与硬件平台），以及系统集成初期所提仿真模型，由于人所对系统认识深度所限，仿真结果往往脱离系统实际，因此要求系统建模人员必须在模型抽象及其创建条件具有清晰而规范的工程标准依据（包括规定内容与格式的技术文档资料等）；(c)离散系统仿真结果只能是某种参数规定条件下的特解,而不可能是系统仿真的通解，为能取得仿真结果的最优解,应对模型描述活动（造成系统状态变化的过程）、环境（存在于系统周围的对象和活动），实体与实体属性等反复进行技术研讨，包括相关性度量技术研讨等；(d)系统仿真时,模型中随机变量描述只能以有限样本数据为依据,显然,仿真结果的可用度与样本量及其输入数据精度密切相关。因此,系统仿真决不可脱离样本数据。综上所述认为:离散系统仿真应坚持分层设计和逐步展开的基本设计思想。其中分层设计是两个技术层次的相互衔接,即底层仿真主要针对系统关键设备或者通用功能子系统(诸如通信子网中的文电传输技术分系统),该层仿真是要定量解决为用户直接服务的技术应用计算;顶层仿真是要定性/定量解决系统集成的各种宏观应用服务,诸如控制策略的可靠度计算与分析等。3.以机器修理车间为例进行系统建模3.1机器修理车间问题描述机器修理车间如图已知：（1）等待区足够大；（2）排队规则先进先出；入口出口等修机器被修机器出口修理台被修机器修理区队列等待区机器修理车间示意图（3）到达间隔服从指数分布1=1/10（台/天）；（4）修理时间服从负指数分布2=1/15（台/天）；求解：故障机器的平均等待时间；故障机器的平均等待队长；3.2对机器修理车间进行仿真的目的 求解：故障机器的平均等待时间； 故障机器的平均等待队长；提高修理平台的利用率。3.3模型建立（1）修理车间服务系统模型。修理车间服务系统是一个典型的离散时间系统，属于单服务台、单队列服务系统，采用实体流图法建立其模型。修理车间服务系统共有三个实体，即故障机器、修理平台及等待队列。修理平台是永久实体，其活动为“修理机器”，有“忙”和“闲”两种状态。故障机器是临时实体，它与修理平台协同完成修理活动，有“等待服务”、“接受服务”（与修理平台“忙”状态相对应）等状态。等待队列作为一类特殊实体，其状态以队列长度标识。“机器到达”事件和“机器结束排队”事件导致修理活动的开始，“机器修理完成后离去”事件导致“修理”活动的结束。图2.1表示了临时实体（故障机器）产生、在系统中流动、接受永久实体（修理平台）“修理”以及离去的过程。故障机器到达平台闲？置平台忙开始修理修理完毕离开置平台闲等待排队NY3.1修理车间服务系统实体流程图（2）仿真模型。根据修理车间服务系统实体流程图，可以采用进程交互法进行仿真。由于它是一个单服务台排队系统，故只需要给出机器的进程就可以描述所有事件的处理过程。机器生命周期包括：机器到达；等待排队，直到位于队首；进入服务通道；停留于服务通道之中，直到接受服务完毕离开。单修理平台排队系统中的机器进程如图2.2所示。图中（*）表示无条件延迟的复活点：故障机器到达，修理平台修理预先确定的延迟期满后才复活；+表示条件延迟的复活点：队列中的机器等到修理平台空闲而且自己处于队列首时才能离开队形接受修理。仿真模型中，最关键的是机器到达事件和修理完毕事件的处理。总控程序产生下一机器到达时间安排下一机器到达事件队列空？平台闲？占用平台；从队列中移出机器产生修理时间安排修理结束事件闲置修理平台机器离开进入队列等待，直到位于队列首并且服务平台空闲(*)NNYY(*)3.2但修理平台排队系统中的机器进程到达事件发生时，首先要执行的操作是想未来时间表中插入下一机器到达事件，其事件发生的时间为当前时钟时间加上间隔时间。接下来测试服务平台当前的忙闲状态。若忙，则机器实体进入队列文件等待；否则，机器实体将通过置服务平台为“忙”状态而占用修理平台，并将修理完成事件插入未来事件表，其执行的时间为当前时钟加上服务时间。到达事件将导致安排两个事件。机器到达事件处理过程如图2.3所示。修理完毕事件的第一件事是收集统计数据。接下来要检查一下队列文件是否为空，如果为空，则闲置平台；否则，从队列表中选出了队列头实体并安排下一修理完成事件，事件发生的时间为当前时钟时间加上修理时间。修理完毕事件处理过程如图2.4所示。（3）负指数分布的随机数。设u为0,1均匀分布，则：机器故障间隔时间的随机数x1=-(1/1)*lnu=-10lnu；每台机器的修理时间的随机数x2=-(1/2)*lnu=-15lnu。到达事件安排下一机器到达事件发生的时间=TNOW+到达时间间隔将到达时间放于实验属性中平台闲？置平台忙安排修理完成事件完成时间=TNOW+修理时间返回进入排队链表中等待开始时间=TNOW返回NY图3.3机器到达事件的处理框图修理完成事件收集统计数据累计修理时间、修理次数队列空否？从队列链表中取出队列头实体累计等待时间并处理链表安排下一修理完成事件完成时间=TNOW+服务时间返回闲置修理平台返回YN3.4修理完成事件处理框图4.仿真结果及其分析4.1仿真结果仿真结果需要得出故障机器的平均等待时间、故障机器的平均等待队长、以及曲线图。因每次仿真的结果不一样（随机数的种子是每次运行时系统的时间，产生的机器故障间隔时间和修理时间不一样，运行过程中等待、修理的机器数都不一样），故在此采用平均值的方法，即让程序运行N次，得到N次机器的平均等待时间、机器的平均等待队长，然后再求它们的平均值。有关指标的计算公式如下：平均等待时间=（被修理机器的等待总时间+已到达还未修理的总等待时间）/（到达的机器数量）通过MATLAB进行仿真，仿真结果如下：请设定机器修理车间仿真系统的已维修的机器数（默认值100）：150故障机器的平均等待时间如下AveWaitTime = 845.2923故障机器的平均等待队长如下AveQuLen = 38.87764.2仿真结果分析由上述分析可知，u为0,1均匀分布机器故障间隔时间的随机数x1=-(1/1)*lnu=-10lnu;每台机器的修理时间的随机数x2=-(1/2)*lnu=-15lnu。可见机器故障间隔时间的随机数x1每台机器的修理时间的随机数x2，所以随着时间的增加，队长会呈现出增强的趋势，Matlab仿真结果如图4.1：4.1修理车间服务队长分布图由于修理车间服务系统队长呈现增长的趋势，所以需维修机器等待的时间会有所增加，故各故障机器到来和离去的时间以及它们之间的差值也会逐渐增加。如下Matlab仿真图，红色曲线代表到来时间，蓝色曲线代表离去时间，到来时间和离去时间都呈现增加的趋势，且到来时间和离去时间的差值在逐渐加大。如图4.24.2各故障机器到来和离去时间趋势图各故障机器在系统中的停留时间=等待时间+维修时间，故停留时间等待时间。在一开始时，车间有空余空间，随着故障机器维修数目的增加，故障机器在系统中的停留时间和等待时间会随之增加；当车间没有空余空间时，随着故障机器维修数目的增加，故障机器在系统中的停留时间和等待时间趋于稳定，不再呈现大幅度的变化。其Matlab仿真图如图4.3： 4.3各故障机器在系统中的停留时间和等待时间图5结束语仿真技术具有安全性、经济性和可重复性等特点，已成为及理论研究、科学实验之后的第三种科学研究的有力手段。仿真科学是现代科学技术发展的基础上形成的交叉学科。常见的