witness建模及仿真实验指导书

1、 建模与仿真实验指导书 Modelling and Simulation Experiment Instruction Book 编 者：李美玲 教 务 处2011 年 9月文档可自由编辑打印目 录建模与仿真实验要求1实验一 流水线仿真系统3实验二 单服务台排队系统仿真5实验三 库存系统仿真8实验四 生产线物流路径系统及物流成本分析11实验五 配送中心系统仿真设计13实验六 连续系统仿真液体灌装线仿真设计15实验七 供应链系统的仿真设计与改善17实验八 装卸服务中心人员调度仿真系统设计19实验九 混合流水线系统仿真设计21建模与仿真实验要求一、实验目的本实验是与建模与仿真课程相配合的实践教学环

2、节。希望学生通过对生产、物流系统的软件应用，认识生产与物流系统建模与仿真的重要性，以及了解物流、生产系统建模与仿真的基本步骤，并提高生产、物流系统建模的能力与仿真分析的能力。通过上机训练，了解如何运用计算机技术模拟生产、物流系统，熟悉并掌握生产、物流系统仿真软件(Witness)的基本操作和主要功能。通过实验环节的学习，使学生能够初步运用仿真技术来发现生产、物流系统中的关键问题，并通过改进措施的实现，提高系统的能力和效率。二、主要内容1 生产、物流系统的基本组成单元的仿真特征。2 生产、物流系统仿真模型的建立思路，仿真步骤及程序设计。3 系统仿真输入数据的收集与分析。如数据分布的识别、数据分布

3、参数的估计、数据拟合度的检验、数据相关性分析方法等。4 仿真的输出及仿真结果分析。如系统仿真的性能测度及其估计、系统稳态仿真输出分析。5 仿真软件和语言的使用(Witness)。三、主要步骤(参见WITNESS 仿真系统操作指南)仿真方法就是用计算机软件来仿真制造系统的运行，它输入的是决定设计的决策变量、能力、工作负荷和运行规则，仿真软件将这些数据转换成制造系统模型。用户仿真时，首先确定初始状态；从初始状态开始，仿真软件以时间为自变量按照模型的规则运行，跟踪所发生的各种事件；最后仿真软件会输出统计性能参数。生产、物流系统建模与仿真的主要步骤是：1 表达问题，规划研究。通过调研，应对系统有全面深

4、入的了解，确定其目标，选择不同设计准则(人员、时间、成本)。2 收集数据，定义模型。收集感兴趣的系统数据，以说明各种输入参数。3 建模系统的统计特性。4 检查模型的完整性。5 构建和核实计算机模型。决定和选择仿真语言或系统，建立系统的仿真模型。6 进行实验性仿真，检查有效性。测试模型的输出对输入的敏感性，并与实际系统进行比较。7 设计仿真实验。说明每种设计所需要的仿真次数、每次仿真的时间长度和初始状态等。8 进行仿真。有时仿真开始需要一段热身时间，以避免非稳态过程的影响。9 分析输出数据。估计特定的系统性能参数。10 撰写分析报告。给定模型假定和仿真结果。Witness建模步骤：1 元素定义(

5、define)。2 元素可视化(display)。3 元素详细设计(detail)。4 运行(run)。5 报告(report)。6 归档(documentor)。7 优化(optimizer)。实验一 流水线仿真系统一、实验目的1) 掌握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；4) 熟悉Witness的基本操作，掌握生产系统分阶段建模过程。二、实验原理与内容小部件（Widget）要经过称重（Weigh）、冲洗（Wash）、加工（

6、Produce）和检测（Inspect）等操作。执行完每一步操作后小部件通过充当运输工具和缓存器的传送带（conveyer）传送至下一个操作单元。小部件在经过最后一道工序“检测”以后，脱离本模型系统。本模型系统的流程如图1-1所示。图1-1 加工系统模型流程图三、实验步骤及要求图1-2 流水线系统仿真系统布局图本实验共分六个阶段。第一阶段和第二阶段，可以建立一个包含机器和传送装置的简单模型，可以从这一模型计算出此模型系统的输出和性能。第三阶段和第四阶段，可以加入更多的功能元素（例如机器故障、劳动者、设备调整等）使模型更符合实际。第五阶段和第六阶段为了增加产量和更有效的利用资源可以调整模型的运行

7、方式和参数。 具体步骤(略)。见资料。前三阶段运行时间为100min，后三阶段为500min。二) 实验要求1 考察不同机器加工时间(weigh、wash、produce、inspect)对结果的影响；2 考察不同皮带速度(C1、C2、C3)对结果的影响；3 考察机器(produce)不同调整间隔、不同调整时间对结果的影响；4 考察机器(produce)不同维修时间、不同故障间隔时间对结果的影响；5 考察不同机器(produce)与皮带数量(C2)对结果的影响；6 以上不同组合对结果的影响。四、实验结果分析实验应对如下指标进行分析：widget相关性能(平均在制品库存Ave W.I.P、平均通

8、过时间Ave Time)、加工完成数量、机器相关性能、皮带的相关性能、工人的空闲率等。见资料：每节模型运行及分析部分内容。实验二 单服务台排队系统仿真排队系统是离散时间系统中典型的问题。制造系统、生产系统、服务系统、修理和维护设备、交通运输和物质材料管理系统等都是典型的有幸或无形的排队系统，如生产线上等加工的毛坯，一个待处理的订单，机场预定中心等待订票的顾客、宾馆等预定房间的电话和餐馆等待就餐的顾客等，由于排队系统的应用已越来越广泛，排队特征、排队规则、服务机构也变得越来越复杂，用解析方法已无法求解，计算机模拟是求解排队系统和分析排队系统性能的非常有效的方法。使用仿真系统建立对象得到服务请求的

9、描述，对研究整个生产系统或商业服务流程的运作效率，有着至关重要的意义。一、实验目的1） 了解排队系统的设计；2） 熟悉Witness系统元素Part、Machine、Buffer、Variable、Timeseries；3） 深入研究系统元素的Part的用法；4） 研究不同的顾客服务时间和顾客的到达特性对仿真结果的影响。二、实验原理与内容在服务排队系统中，主要有两种类型的活动，即顾客到达和顾客接受服务。一般情况下，顾客到达的时间间隔是不确定的，从而在一定时间内到达的顾客数目也是一个随即变量；另一方面，顾客接受服务的时间也总是不确定的，从而造成队列的长短也是随机的。图2-1 排队系统的一般模型本

10、实验是一个理发店顾客排队系统，这是一个单服务台排队系统的典型，通过改变不同的服务模式力求改变顾客的等待时间以及队列长度。1 顾客到达特性在该系统中，顾客的到大规模（成批到达还是单个到达）是单个到达，顾客到达率服从均值为的负指数分布，即 (2-1)2 顾客接受服务的时间顾客服务的时间为，服从负指数分布，均值为 即 (2-2)三、实验步骤及要求一) 实验步骤具体见教材(略)。二) 实验要求1 考察不同顾客到达批次(1，2，5等)对结果的影响；2 考察不同顾客到达时间间隔(分布、时间)对结果的影响；3 考察不同服务时间(分布、时间)对结果的影响；4 以上三种情况的组合对结果的影响。四、实验结果分析模

11、型仿真钟取系统默认的1的时间单位为1min，运行5000仿真时间单位，根据动态得到积分结果，最终布局如图2-2所示。图2-2 设计布局图在队列长队的二维图中，可以观察到该服务系统的即时队列长度。选中系统中所有元素，点击Reports菜单下的Statistics选项，得到数据统计报告。通过Buffer类的报告，可以看到该排队系统的最大队长、最小队长和平均队长以及平均每位顾客的等待时间。通过数据报告发现，不同顾客的服务时间和顾客的到达特性，对应的仿真结果有所不同。顾客的到达特性以及顾客的服务时间都影响着排队系统的最大队长、最小队长和平均队长以及平均每位顾客的等待时间。实验应对系统指标进行分析，排队

12、系统主要指标：服务台利用率、最大队长、最小队长和平均队长、平均每位顾客的等待时间、平均每位顾客的停留时间。实验三 库存系统仿真从企业生产、经营活动的全过程而言，库存是指企业用于生产或服务所使用的，以及用于小勺的储备物资，如商品、器材、银行现金、水库存水量等，还包括像人才储备这样广义的库存。库存，既是生产和服务系统合理存在的基础，又为合理组织生产和服务过程所必须。比较低的库存成本，保证较高的供货率，不仅在理论上是成立的，在时间方面也是完全可以达到的。设置库存的根本目的是保证在需要的时间、需要的地点，为需要的物料提供需要的数量。同时，库存还能起到以下作用：防止缺货、提高服务水平；节省开支、降低成本

13、；保证生产、销售过程顺利进行；提高生产均衡性、调节季节性需求。一、实验目的1）熟悉系统元素Track、Vehicle的用法。2）深入研究系统元素Part的用法。3）了解库存系统的设计。4）寻找最佳库存策略。二、实验原理与内容本实验是一个单品种随机库存系统，在保持库存系统连续工作的条件下，来仿真一段时间的工作，从众多库存方案中选出最优方案。假设产品需求时间为均值0.1个月的指数的随机变量。需求量也是随机变量，尤其概率密度函数为 (3-1)1 订货策略按月订货，每月月初检查库存水平，若库存水平超过下限则不订货，若低于下限则订货，订货量为 (3-2) (3-3)若订货，从订货到货物入库的时间是1个月

14、。2 订货费用1) 订货费用设每件订货费用为，订货附加费用为，则每月订货费为 (3-4)2) 保管费用表示每件货物每月的保管费。显然，只有当库存水平时才需要计算保管费 (3-5)其中，为仿真运行的月数； 为平均每月的保管费。3) 缺货损失费用表示每件缺货损失费。显然，只有当时才需计算，平均每月缺货损失费为 (3-6)三、实验步骤及要求一) 实验步骤具体见教材(略)。二) 实验要求1 比较如下9种订货策略，以便确定何种策略费用最少。表3-1 不同订货策略策略IIIIIIIVVVIVIIVIIIIX下限（L）202020204040406060上限（S）4060801006080100801002

15、 不同单件订货费、保管费、缺货损失费对最优结果的影响。四、实验结果分析模型仿真钟系统默认的1的时间单位为1month，运行100仿真时间单位。实验主要分析三类费用及总费用，以确定最佳方案。实验四 生产线物流路径系统及物流成本分析物流路径在实际生产中有着非常高的利用率。物流路径的合理选择对物流成本以及生产线的运行效益有着重要的影响。一、实验目的1) 了解生产线物流路径系统设计。2) 学会使用Match命令和Percent命令。3) 分析物流成本的构成及其影响因素。二、实验原理与工作流程本实验仿真一个生产线物流路径模型。在这个模型中，椅子由靠背Back、坐垫Seat、和椅腿Leg组装完成后，沿着一

16、个路径被送到喷漆部门，喷成红色、绿色或黄色，然后送去检查，有部分由于喷漆不合格，被送回重新喷漆，其他的被送去包装，相同颜色的4把椅子打成一包，然后被运走。效果图见图4-1。图4-1 生产线物流路径系统可视化效果图三、实验步骤及要求一) 实验步骤具体见教材(略)。二) 输入数据靠背Back、坐垫Seat和椅腿Leg以每2min一套的速度进入流水线，组装部门以6min/件的速度进行组装，喷漆部门的生产速度为10min/件，合格率为90%，检验部门的工作速度为3min/件，包装部门的工作效率为4min/套。三) 实验要求1 增加生产线物流成本分析。2 改变各种输入数据参数，考察结果变化。3 改变各路

17、径上运行参数，考察结果变化。4 以上三者组合。四、实验结果分析该模型运行1000仿真时间单位。实验主要分析三类工作状态及物流成本，见教材。实验五 配送中心系统仿真设计配送中心是从事货物配备（集货、加工、分货、拣选、配货），并组织对用户的送货，以高水平实现销售和供应服务的现代流通设施。一、实验目的1) 了解供应链仿真系统设计。2) 熟悉动态表格的设计。3) 了解Conveyor作为生产缓存的用法。4) 了解拉动式系统的设计。5) 研究不同配送策略的利润情况。二、实验原理与工作流程本实验是一个典型的配送中心建模过程，该配送中心从三个供应商进货，向三个生产企业发货。布局图见图5-1。图5-1 配送中

18、心布局图假定在保持供应链连续工作的条件下，来仿真一段时间的工作，要求动态表示各生产企业的产量、配送中心的即时库存成本及了利润，并试图进行改善。三、实验步骤及要求一) 实验步骤具体见教材(略)。二) 输入数据三家供应商分别根据各自产品在配送中心的库存量进行生产，当产品在配送中心的库存小于10件时，开始生产。供应商一、供应商二分别以4小时一件的效率向配送中心供应商品，供应商三向配送中心每提供一件产品需要的时间服从26小时的均匀分布。配送中心根据生产企业的库存量向各企业发货，当生产企业一的库存量小于2时，向该企业发货，当生产企业二的库存量小于3时，向该企业发货；当生产企业三的库存量小于4时，向该企业

19、发货。配送中心的进货成本是3元/件，供货价格5元/个。每件产品在库存中心存货100小时的费用是1元。各生产企业进行连续生产。生产企业一每生产1件产品需要6小时，生产企业二每生产1件产品需要的时间服从39小时的均匀分布，生产企业三每生产1件产品需要的时间服从210小时的均匀分布。三) 实验要求1 改变供应商供货参数，考察结果变化。2 改变配送中心发货规则，考察结果变化。3 改变企业生产时间，考察结果变化。4 以上三者组合。四、实验结果分析该模型运行2920仿真时间单位。实验主要分析库存费用，见教材。实验六 连续系统仿真液体灌装线仿真设计液体灌装系统是用于化工、医药、食品充填设备。液体灌装线是一个

20、自动定量连续生产的工程，其功能就是将大量的散装液体物料自动分成预定重量的小份载荷形式的定量容器包装。一、实验目的1) 了解液体灌装系统设计。2) 了解Tank、Fluid、Processor及Pipe元素的用法。3) 学会分析连续生产工艺设备利用率。二、实验原理与工作流程本实验是某饮料生产线按订单进行灌装生产过程的仿真。布局图见6-1。图6-1 液体灌装线布局图在液体灌装系统连续工作的条件下来仿真一段时间工作，观察液体灌装系统的运行情况。三、实验步骤及要求一) 实验步骤具体见教材(略)。二) 输入数据平均每小时下达一批100听的工作单，接到工作单后调度系统往车间发送100听空易拉罐，冲洗组以每

21、批10听2min的速度冲洗到达的空易拉罐，检验组以2听/min的速度对冲洗后的空易拉罐进行检验，罐装组以10听/min(235ml/听)的速度往空易拉罐中罐装饮料，封箱组用3min时间将24听饮料封装为一箱。罐装前的饮料要在一个100L的杀菌器中经过45min杀菌处理，然后经过管道输送到200L的储藏容器中等待罐装，提取组根据该容器的饮料容量提取散装饮料，当储藏容器中的饮料小于70L时，提取组以一批/min(约10L/ 批)的速度提取散装饮料，当杀菌器中的饮料多于80L的时候不再提取，杀菌器开始杀菌。三) 实验要求1 改变投产顺序，考察结果变化。2 改变输入数据，考察结果变化。3 二者组合。四

22、、实验结果分析该模型运行1440仿真时间单位。实验主要分析生产时间、设备利用率、产品在设备等待时间、设备停歇时间，见教材。实验七 供应链系统的仿真设计与改善供应链是围绕核心企业，通过对信息流、物流、资金流的控制，从采购原材料开始，制成中间产品以及最终产品，最后由销售网络把产品送到消费者手中的，将供应商、制造商、分销商、零售商直到最终用户连成一个整体的功能网链结构模式。一、实验目的1) 了解供应链仿真系统的设计与优化。2) 熟悉 Timeseries的用法。3) 熟悉Max和min的用法。4) 试图对供应链系统进行改善，以缓解“牛鞭效应”。二、实验原理与工作流程本实验是一个典型的供应链系统。钢材

23、从钢铁公司到汽车厂需要经过钢材服务中心和部件生产商。上游环节根据下一环节的库存供货。布局图见7-1。图7-1 供应链系统布局图三、实验步骤及要求一) 实验步骤具体见教材(略)。二) 输入数据当钢材服务中心的库存小于15批时钢铁公司开始组织生产，每生产一批原钢卷材需要的时间服从1-3小时的均匀分布。当部件生产商的库存小于6批时，钢材服务中心开始配货，每配一批货需要的时间服从0.5-1小时的均匀分布。当三个汽车厂商中库存量最小的小于3时，4个部件生产商开始组织生产，每生产一批部件需要的时间服从2-6小时的均匀分布。汽车生产商每耗用一批部件需要4小时。供应量每两个环节之间的路程需要5小时。三) 实验

24、要求1 减小运送时间，考察结果变化。2 减小耗用时间，考察结果变化。3 减小库存量，考察结果变化。4 以上三者组合。四、实验结果分析该模型运行8760仿真时间单位。实验主要分析钢材服务中心和部件生产商库存量，见教材。实验八 装卸服务中心人员调度仿真系统设计在装卸中心，人员的调度属于典型的哲学家用餐问题。一、实验目的1) 了解装卸中心仿真系统设计。2) 加深对离散事件系统仿真的基本概念的理解。3) 熟悉语法and和or的用法。4) 掌握用事件调度法进行仿真建模的原理和方法。5) 找出该中心的瓶颈资源及解决人工约束的策略。二、实验原理与工作流程本实验是一个负责清理货车和装卸货物的服务中心。 五个装

25、卸站点位于圆形服务中心区周围，每个装卸站点之间有一位装卸工人，该服务中心有两位清理工人负责清理货车。1) 该中心每10min来一辆货车需要服务，每辆货车在服务中心进行一次装卸和一次清理服务。2) 装卸货物时不许清扫工人对该货车进行清扫。3) 清扫货车时不许装卸工人对该货车进行装卸。4) 任何一辆货车在装卸站点时要么处于清扫状态，要么处于装卸货物状态，要么处于等待工人的状态。5) 当某辆货车要装卸货物时，必须接受靠近它的两位装卸工人，当不够两位装卸工人时，他处于等待工人的状态；工人一旦被某辆货车占用，就处于被占用状态，直到该货车的装卸完成后才被释放。6) 任何一位装卸工人，均可被靠近他的货车占用，也只能被靠近他的货车占用，按FIFO规则。7) 货物充足，两次服务完毕后，货车离开。8) 设每一辆货车每一次接受清理服务的时间(min)长度服从正态分布N(10,8)，每次装卸的时间长度服从均匀分布U(15,25)。初始状态为：装卸点的货车1、3、5为先接受清理服务状态，2和4先接受装卸服务。三、实验步骤及要求一) 实验步骤具体见教材(略)。二) 实验要求改变清理、装卸时间及分布，考察结果变化。四、实验结果分析该模型运行1440仿真时间单位。实验主要分析各装卸站点工作状态，见教材。实验九 混合流水线系统仿真设计多对象流水生产有两种基本形式。一种是可变流水