生产系统建模与仿真课件ppt课件
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《制造系统建模与仿真》讲义2
• Can be used to study simple models, but not necessary if an analytical solution is available • Real power of simulation is in studying complex models • Simulation can tolerate complex models since we don’t even aspire to an analytical solution
Su Chun, Southeast University 4
System and System Models
• Model – set of assumptions/approximations about how the system works
– Study the model instead of the real system … usually much easier, faster, cheaper, safer – Can try wide-ranging ideas with the model
2013-8-1
Su Chun, Southeast University
3
System and System Models
– Examples abound …
• • • • • • • • • • • • •
2013-8-1
Manufacturing facility Bank or other personal-service operation Transportation/logistics/distribution operation Hospital facilities (emergency room, operating room, admissions) Computer network Freeway system Business process (insurance office) Criminal justice system Chemical plant Fast-food restaurant Supermarket Theme park Emergency-response system
《系统建模与仿真》 第三章
图3-7 子网模型
3.2 供给链系统建模方法
3.1.1 供给链管理决策与供给链模型
在供给连管理决策中，供给链模型主要描述供给链的决策内容。 供给链中的决策通常包括:采购决策、制造决策、运输决策、存储决 策和销售决策等
一般认为供给链模型至少应该能够为决策人员提供四方面的效劳: (1)确定在应用条件下最优的库存和效劳水平对应关系; (2)帮助决策人员分析、预测供给链中的不确定因素，确定平安库存 水平和订货策略，优化投资; (3)进行What-if分析，帮助决策人员评估各种方案以选择其中最有 利的方案; (4)进行面向供给链M的设计(Design-for-供给链M )，评价不同设 计和工艺对供给链运行中库存和效劳水平的影响，通过协调提高整体 效益。
表3.2 供给链管理决策内容
决策 短期决策内容
长期决策内容
采购 制造 运输 存储 销售
如何决定采购的材料种类、数量和日期等? 如何实现近期的生产任务? 如何安排运输车辆和路线? 如何制定履行定单计划? 按照何种顺序履行客户定单?
如何选择供应商?供应商的具体选择 个数?
如何快速响应全球客户的需求?决定 在何处设立分厂?
多企业〔特别是汽车行业企业〕都应用JIT方法进行管理，这样一种 方法要求企业加快对用户变化需求的反响速度，同时加强与合作伙伴 的合作。全球竞争中先进制造技术的开展要求企业将自身业务与合作 伙伴业务集成在一起，缩短相互之间的距离，站在整个供给链的观点 考虑增值，所以许多成功的企业都将与合作伙伴的附属关系转向建立 联盟或战略合作关系。
一般来说，供给链还具有以下特征： ①复杂性。因为供给链节点企业的组成跨度(层次)不同，供给链往
往由有多个、多类型的企业构成，它们之间的关系错综复杂，关联往 来和交易多。 ②动态性。供给链管理因企业战略和适应市场需求变化的需要，其中 的节点企业需要动态的更新和调整，这就使得供给链具有明显的动态 性。 ③面向用户需求。供给链的形成、存在、重构，都是基于一定的市场 需求而发生的，并且在供给链的运作过程中，用户的需求拉动是供给 链中信息流、产品、效劳流、资金流运作的驱动源。 ④交叉性。节点企业可以是这个供给链的成员，同时也可以是另外一 个供给链的成员，大多的供给链形成交叉结构，增加了协调管理的难 度。
生产线流程建模与仿真
1、生产线流程建模与仿真(共26页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--流水线生产系统WITNESS建模与仿真（一）1. 模型描述某企业在一条流水线上加工一种产品，该产品所需的零部件（Widget）经过称重（Weigh）、冲洗（Wash）、加工（Produce）和检测（Inspect）四个工序的操作后，形成产品离开系统，生产线布置如下图所示。
生产线上每道工序只有一台设备，零部件在每台设备上加工完毕后，由同其连接的输送链运输至下一设备，最后经过检测后被送出系统。
已知该流水线中各个工序的加工时间分别为：称重（weigh）5分钟、冲洗（wash）4分钟、加工（produce）3分钟、检测（inspect）3分钟。
每条输送链上有20个零件位，输送链上零件移动节拍为。
零部件的供应是源源不断的，不存在缺货现象。
使用WITNESS建立该系统的仿真模型界面如下图所示。
流水线生产系统WITNESS仿真模型界面2. 系统分析元素说明该流水线系统的组成元素主要为被加工的零部件、四台设备和三条输送线，因此该系统仿真模型的元素如下表所示：被加工的零部件由widget表示，4道工序分别由四台机器表示，C1、C2、C3表示输送链，而最后的实际产量由变量output统计和可视化显示。
表1 模型元素介绍系统运行时间仿真运行终止时间为：一天8小时=8*60=480min。
3. 模型建立使用WINTESS建立仿真模型的过程一般分为如下三步：Step1：定义元素Step2：元素细节设计Step3：仿真实验和数据分析下面描述如何通过这三步建立流水线生产系统的仿真模型。
定义元素WITNESS中可以通过四种方式定义元素：（1）通过系统布局区（layout window）定义元素：在系统布局区点击鼠标右键，在弹出菜单中选择Define菜单项，将弹出新建元素对话框，然后进行元素定义。
（2）通过元素选择窗口（elements）定义元素：选择元素选择窗口中的simulation项，单击鼠标右键，在弹出菜单中选择Define菜单项，将弹出新建元素对话框，然后进行元素定义。
系统建模与仿真-第3章 系统仿真方法与技术
3.4 系统仿真技术的应用
3.4.5 仿真技术在CIMS中的应用
(1)CIMS的需求分析仿真 (2)CIMS的设计仿真 (3)CIMS的仿真测试 (4)CIMS运行与维护的仿真支持
3. 5 系统仿真技术的特点
(1)安全性 (2)经济性 (3)可重复性
Add Your Company Slogan
3.2 系统仿真技术的分类
2.根据仿真计算机类型分类
根据所使用的仿真计算机类型也可将仿真分为三类： （1）模拟计算机仿真； （2）数字计算机仿真； （3）数字模拟混合仿真。
3.2 系统仿真技术的分类
3.根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类
实际动态系统的时间基称为实际时钟。而系统仿真时模 型所采用的时钟称为仿真时钟。根据仿真时钟与实时时 钟的比例关系，系统仿真分类如下： (1)实时仿真。 (2)亚实时仿真。 (3)超实时仿真。
3.4 系统仿真技术的应用
3.4.4 仿真在产品开发及制造过程中的应用
设计人员或用户甚至可“进入”虚拟的制造环境检验其 设计、加工、装配和操作，而不依赖于传统的原型样机的反 复修改。这样使得产品开发走出主要依赖于经验的狭小天地 ，发展到了全方位预报的新阶段。下图简要表示了虚拟制造 与实际制造的联系与区别。
(5) 试验时间太长、费用太大或者有危险等。
3.4 系统仿真技术的应用
3.4.3 仿真在教育与训练中的应用
训练仿真系统是利用计算机并通过运动设备、操纵设备、显 示设备、仪器仪表等复现所模拟的对象行为，并产生与之适 应的环境，从而成为训练操纵、控制或管理这类对象的人员 的系统。 根据模拟对象、训练目的，可将训练仿真系统分为三大类： (1)载体操纵型：这是与运载工具有关的仿真系统，包括航空 、航天、航海、地面运载工具，以训练驾驶员的操纵技术为 主要目的。 (2)过程控制型用于训练各种工厂(如电厂、化工厂、核电站 、电力网等)的运行操作人员。 (3)博弈决策型用于企业管理人员(厂长、经理)、交通管制人 员(火车调度、航空管制、港口管制、城市交通指挥等)和军 事指挥人员(空战、海战、电子战等)的训练。
【系统】生产系统建模与仿真
【关键字】系统《建模与仿真》课程教学大纲(Modeling and Simulation)课程编码：学分：2.5总学时：40适用专业：工业工程先修课程：生产计划与控制、工程统计学、工程数学、运筹学、计算机编程技术一、课程的性质、目的和任务《建模与仿真》是面向工程实际的应用型课程，是工业工程系的主导课程之一。
学生通过本课程的学习能够初步运用仿真技术来发现生产系统中的关键问题，并通过改进措施的实现，提高生产能力和生产效率。
本课程的目的是要求学生通过学习、课堂教育和上机训练，能了解如何运用计算机仿真技术模拟生产系统的布置和调度管理。
并熟悉和掌握计算机仿真软件的基本操作和能够实现的功能。
使学生了解计算机仿真的基本步骤。
结合本课程的特点，使学生掌握或提高系统化分析问题和解决问题的能力,为系统化管理生产打下根底。
二、教学基本要求具体在教学过程中要求学生应该达到：1.全面了解本课程的性质与任务、框架内容以及理论和方法；2.掌握仿真的概率统计根底知识。
3.掌握供理论模型建模方法。
4.掌握仿真模型的设计与实现方法。
5.熟练应用建模理论,对排队系统、库存系统、加工制造系统进行建模仿真。
三、教学内容与学时分配离散事件系统仿真是仿真技术的重要领域，在规划论证、方案评估、计划调度、加工制造、产品试验、生产培训、训练模拟、管理决策等方面得到广泛应用。
本课程深入地介绍了离散事件系统建模仿真的理论、方法和技术，突出对理论建模方法和计算机实现技术的讲解，对离散事件系统建模仿真的发展和应用情况做了比较详尽的介绍。
具体教学内容如下：第一章绪论 4学时本章分析了系统和制造系统定义、组成与特点，介绍了系统建模与仿真的基本概念和使用步骤，并给出应用案例。
本章教学目标：本章教学基本要求：了解常用术语及常用的仿真软件，了解仿真技术的的发展状况及应用。
理解系统与制造系统的定义及系统建模与仿真的概念及系统、模型与仿真之间的关系。
掌握制造系统建模与仿真的基本概念及基本步骤。
系统工程系统模型与仿真PPT课件
2、建模过程
建模的基本步骤 ①明确建模的目的和要求 以便使模型满足实际
要求，不致产生太大偏差； ②对系统进行一般语言描述 因为系统的语言描
述是进一步确定模型结构的基础；
③弄清系统中的主要因素（变量）及其相互关系 （结构关系和函数关系） 以便使模型准确表示 现实系统；
④确定模型的结构 这一步决定了模型定量方面 的内容；
？合适的选择
以上各条要求往往相抵触，特别是其真 实性与简明性这两条。一个成功的模型 须在它们之间恰当权衡与折衷。
7.2 系统模型的分类
系统模型的分类方法很多，下面叙述常用的几 种，目的在于从不同的角度来认识模型的多样性。
7.3 建立系统模型的方法及过程
1、方法
建模是科学研究的重要一步，是一种创造性的劳动。 建模的思考方法主要有如下几种：直接分析法，数据 分析法，比拟思考法，传递函数法，状态空间法。下 面分别如以叙述。
（1）直接分析法
当研究的问题比较简单又足够明确时，可以根据物 理的、化学的、经济的规律，通过一般的推理分析， 将模型构造出来，这就是所谓直接分析法。
线性规划模型就是利用直接分析法建立起来的。 下面举例说明。
例1
混合配料模型：某养鸡场有一万只鸡，用动物饲料和谷物饲料混合 喂养，每天每只鸡平均吃混合饲料一斤，其中动物饲料占的比例不 得少于1/5，动物饲料每斤0.25元，谷物饲料每斤0.20元，饲料至多 能供应谷物饲料5万斤/周，问应怎样混合饲料，才能使养鸡场每周 的成本最低？
因此所求的线性回归方程是y=22.410 67＋0.765 56x； （4）若某学生入学数学成绩为80分，代入上式可求得，y≈84
分，即这个学生高一期末数学成绩预测值为84分．
（3）比拟思考法
系统建模与仿真-第九章
批均值法将单词运行的输出数据（适当删除后）如下分为几 个大的批次，批的长度为：
Y 1 , ， Y d ,Y d 1 , ， Y d m ,Y d m 1 ， ， Y d 2 m , Y d (k 1 ) m 1 , , Y d km
仿真输出数据的统计分析包括对输出变量的点 估计及区间估计。
常用的点估计是样本均值和样本方差：
X n
1 n
n i1
Xi
Sn2 n11in1(Xi Xn)2
仿真类型
仿真运行的方式可分为：
1、终态仿真——系统性能测度与仿真时间区 间有关的仿真类型
2、稳态仿真——与初始状态无关。它往往需 要较长的运行时间，没有终止事件，结束条 件一般为充分长的仿真周期，或足够的观测 样本，或以某些系统稳态判据为真等。
平均 4.57353 4.12619 4.37034 4.45637
标准差 1.09587 0.95002 0.95668 0.92771
临界值 1.833 1.729 1.676 1.660
置信区间下限 3.938311 3.758898 4.143582 4.302372
置信区间上限 5.208745 4.493488 4.597092 4.61037
求各种情况下的均值的90％置信区间。
10、20、50和100次独立仿真运行结果的均值、方 差如下：
仿真次数 平均 中位数 标准差 方差
峰度
偏度
区域
10
4.57353 4.50586 1.09587 1.20094 -1.79128 -0.14404 2.83190
20
第三章 生产系统建模方法
3.2Petri网建模方法
LOGO
Petri网图形化表示方法 通常，以一个圆圈（）表示库所，一个矩形（ ）或 实线（|）表示变迁，由带箭头的弧（ →）表示有向弧集， 用库所中的黑点表示库所拥有的资源数量。
3.2Petri网建模方法
LOGO
定义3-2： 给定一个Petri网N=(P,T,F)及一个顶点 x p T 。x的前置 集或输入集定为 x y X ( y, x) F,后置集或输出集定义 x 为 y X ( x, y) F 。若x是库所（变迁），则其前置集中 的元素是输入变迁（库所），其后置集中的元素是输出 变迁（库所）。 在图3-7所示的Petri网中，变迁t1的前置集是{p1},后置 集是{p2,p3}。变迁t2的前置集是{p2,p3},t2的后置集{p4}； 变迁t3的前置集是{p3,p4},t3的后置集是{p5}。以此类推， 可以找出库所的前置集和后置集。
3.1活动循环图法
LOGO
ACD法具有形象直观等优点，但也存在明显的缺点：
①当系统结构复杂，实体数量众多时，ACD模型将十分 的庞大和复杂，给建模与分析带来困难。 ②ACD法只描述系统的稳态，而不研究系统的瞬态（如 动作的开始、结束等）。
③ACD法缺乏定量的分析工具。
3.2Petri网建模方法
LOGO
连接库所和变迁的有向弧线表示系统状态与事件之间 的关系。每一条有向弧有一个对应的权值，称为弧权，简 称权。
3.2Petri网建模方法
LOGO
除了库所、变迁和有向弧之外，在Petri网中，用令 牌(Token)表示库所中拥有的资源数量，并且以库所中令 牌数量的动态变化表示系统的不同状态。随着事件的发生， 令牌可以按照弧的方向流动到不同的库所，从而动态的描 述了系统的不同状态。
生产系统建模与仿真概述(PPT 156页)
课程介绍
课程主要内容： •离散事件系统建模与仿真的基本原理 •离散事件系统建模与仿真的方法 •Petri网建模与仿真
课程的先修课程： •生产运作与管理 •运筹学 •计算机编程与应用技术 •概率论与数理统计
课程的考核方法： 完成相关作业及期末考核。
工业工程与管理系 Industrial Engineering & Management
1.3 服务系统仿真的特征
• 服务技术与服务管理的结合
工业工程与管理系 Industrial Engineering & Management
实例求解
• 实例目标：了解仿真 • 求解方法：手工仿真 • 求解平台：Excel • 求解原理：
– 每个文件的处理时间（工作时间tw）是一个随机过程，符合一定的 概率分布；
– 该工作人员一上班就开始处理文件，所以第一个文件处理的开始时 间就是仿真的开始时间（0时刻），后续文件的开始时间tf＝上一文 件的结束时间或休息后的时间；
在离散事件系统中，各事件以某种顺序或 在某种条件下发生,并且大都是随机性的， 不能用常规的方法加以研究。
连续系统事件的发生在时间和 空间上都是连续的。
在连续系统的数字仿真中，时 间通常被分割成均匀的间隔， 并以一个基本的时间间隔计时。
在连续系统仿真中，系统动力 学模型是由表征系统变量之间 关系的方程来描述的。
工业工程与管理系 Industrial Engineering & Management
1.1 离散事件系统仿真的基本概念
• 系统仿真方法适用怎样的领域？
系统仿真的方法适用于任何的领域
工程类
非工程类
机械 电子 化工 交通 管理 经济 政治
系统建模与仿真
若从系统仿真研究的需要出发，模型还可做 如下分类： （1）确定型模型和随机型模型
确定型模型是指系统输出与系统输入之间存在 确定的性质和数量关系的模型。
随机型模型是指系统输出与系统输入之间存 在随机性的或概率性的关系的模型；或者说，含 有随机变量的模型就是随机型模型。
（2）连续型模型和离散型模型
模型中系统的状态是随时间连续且光滑性变化的 ，可用微分方程来描述其状态变化的，称为连续型 模型。
系统研究的一般方法
系统
实际系统实验
系统模型实验
物理模型
数学模型
解析解
仿真
模型的性质
一般来说，系统模型的结构具有以下一些性质： （1）相似性：模型与所研究系统在属性上具有相似的特性和变化规 律，真实系统的“原型”与“替身”之间具有相似的物理属性或数学描 述。 （2）简单性：从实用的观点来看，由于在模型的建立过程中，忽略 了一些次要因素和非可测变量的影响，因此实际的模型已是一个被简化 了的近似模型。一般而言，在使用的前提下，模型越简单越好。 （3）多面性：对于由许多子系统组成的系统来说，由于其研究目的 不同，就决定了所收集的与系统有关的信息也是不同的，所以用来表示 系统的模型并不是唯一的。由于不同的分析者所关心的是系统的不同方 面，或者由于同一分析者要了解系统的各种变化关系，对于同一系统可 以产生相应于不同层次的多种模型。
仿真系统：是指实现仿真任务的软件和设备。按仿 真任务要求，实现被仿真系统模型，以进行仿真试 验的一套软件、硬件系统，包括仿真设备、参与被 仿真系统操作的人员或部分被仿真系统组件。
仿真技术：是以相似原理、信息技术、系统技术及 其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各 种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或 设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。 仿真技术综合集成了计算机、网络技术、图形图像 技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制、 系统工程等多个高技术领域的知识。
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（1)实体（entity )。实体是指组成系统的各种
要素，它是ACD中产生活动的主体。
例如，FMS中的机床、工件、托盘、小车、机械
手等。
可用文号加数字说明。
第四章 制造系统建模方法
南昌大学
（2)活动（activity)。活动表示实体正处于 某种动作状态。
第四章 制造系统建模方法
南昌大学
模型反映了系统结构、参数及其主要行为之间的 关系，是系统设计、运行和控制的基础。 模型的表征形式：数学方程、曲线、图表、程序、 语言、数据集等。 与连续系统相比，离散事件系统建模存在不少困 难，主要表现在： ①离散事件发生在某个时刻，具有离散性。
第四章 制造系统建模方法
第四章 制造系统建模方法
南昌大学
4.2活动循环图法
4.2.1活动循环图法的基本原理
活动循环图（ACD）法：
以图形直观地显示系统状态及其变化，具有形象、
便于理解和分析等特点，在制造系统（如作业车
间、柔性制造系统等）中的应用较为广泛。
第四章 制造系统建模方法
南昌大学
ACD（活动循环图法）
实体状态循环发生变化，有静止（也称队列）和
第四章 制造系统建模方法
南昌大学
(5)直联活动和虚拟队列 如某一活动完成后，其后续活动就立即开始，
则称后续活动为直联活动。 为遵循实体的行为模式（状态交替变化），在
这两个活动之间插入一个等待时间为零的队列， 这种队列称为虚拟队列。
第四章 制造系统建模方法
南昌大学
②离散系统的性能指标常具有离散特征，如制造 系统的产量、零件的加工时间。 ③系统中随机性因素和概率化特征普遍存在。 ④复杂离散系统常具有分层和递阶特征。 如：企业生产计划：长期、中期和短期， 组织结构：集团、公司、分公司、车间、班组等
第四章 制造系统建模方法
南昌大学
对于复杂离散事件系统，为降低建模和分析的 难度，通常将系统分解为若干既相对独立又相互 作用的子系统。
第四章 制造系统建模方法
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在绘制活动循环图时，可将实体按照某种行为特征
加以分类。
例如，将机床分为“加工”与“空闲”状态，工
人分为“工作”与“等待”状态等。
另外，还可以对同类型的实体进行分类，如将机
床分为“铣床”与“车床”，工人分为“操作工”
和“维修工”等。
第四章 制造系统建模方法
南昌大学
ACD法常用术语有：
第四章 制造系统建模方法
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统计性能层次：研究随机条件下DEDS的统计性 能特性及其优化问题。 主要建模工具：排队论、库存模型、摄动分析 法、半马尔可夫过程等。
第四章 制造系统建模方法
南昌大学
离散事件动态系统是一门处于发展中的学科。 目前还没有形成统一的和具有普适性的建模理论 与方法。 本章以制造系统为主要建模对象，介绍几种体系 较完整且得到较多工程应用的离散事件系统建模 方法。
第四章 制造系统建模方法
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4.1系统建模方法概述 连续系统可以借助相关数学理论，对系统加以描述和
求解。 离散事件系统研究最早以排队现象和排队网络为对象。 上世纪70年代前后，FMS、大规模计算机、网络通信、
机场调度等复杂离散事件系统的相继出现，推动了离散事 件动态系统（DEDS )理论的形成和发展。
一般用矩形框表示。 活动名称用文字标注在矩形框中。 活动持续时间（也称活动周期），可标注在 活动的矩形框下方。
第四章 制造系统建模方法
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(3)队列（queue)。队列用来表示实体处于静止 或等待状态。
一般，队列用圆圈来表示，并在圆圈中注明队 列的性质。
(4）实体的行为模式：在ACD模型中，实体行为 始终遵循“…→活动→队列→活动→ …”的交替变 化规则，称为实体的行为模式。
第四章 制造系统建模方法
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DEDS系统的特征： ①离散事件是构成系统的基本要素，也是导致系统状 态演变并触发新的事件的基本原因。 ②离散事件发生的时刻受系统结构、参数、状态以及 环境的共同影响，具有随机性和不确定性，使得系统 状态的变化也具有不确定性。
第四章 制造系统建模方法
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③研究DEDS的过程就是分析因离散事件发生而导 致的系统状态演变的过程，研究的目标包括：控 制不期望事件的发生，使事件按预定的时刻或顺 序发生。 ④DEDS的运行和控制多基于人为的运行规则或决 策逻辑，而不是物理学定律。
活动两种状态，且交替出现。
以圆圈（○）表示实体的静止状态
以矩形（□）表示实体的活动状态
以有向弧（→）表示状态与状态之间的转换。
如系统中有多个实体时，用不同颜色或线型的
有向弧，以区分不同的实体。
第四章 制造系统建模方法
南昌大学
系统的状态是全部实体状态变化的集合。 因此，单个实体的活动在ACD法中占有重要地位。 当对象比较复杂、实体数目较多时，可以对系统建 立不同层次的ACD模型，将高层次模型进一步分解为 低层次的模型。
第四章 制造系统建模方法
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4.2.2 ACD法的建模方法与建模过程 一个活动的发生要满足条件：所有前置队列（进
入活动的实体队列）中都具有符合规则的、足够数 量的令牌（token）。
一个活动可以同时发生多起（如生产车间中几台 机床同时处于加工活动）
活动持续时间可以是常数，或随机数，或者按照 某种规律变化。
在完成局部和低层次系统建模的基础上，再构 建整个系统模型。
如进销存系统： 采购子系统、销售子系统和库存管理子系统。
第四章 制造系统建模方法
南昌大学
⑤存在状态爆炸性和计算可行性问题。 离散事件系统的状态数量与系统变量之间呈排列 组合的关系。
一般地，系统状态随着系统规模按指数方式增 加，存在“状态爆炸”问题，由此导致模型求解 时计算量的急剧增加，给模型的求解带来困难。
第四章 制造系统建模方法
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根据建模手段和目标，可以将DEDS模型分为三个 层次： • 逻辑层次 • 代数层次 • 统计性能层次。
第四章 制造系统建模方法
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逻辑层次：分析和研究事件与系统状态的对应 关系。 主要数学工具：形式语言／有限自动机、活动 循环图法、Petri网、马尔可夫链（Markov chain）等。 代数层次：研究DEDS的代数特性和运动过程。 主要数学工具：极大极小代数等