生产线三维仿真系统可行性报告

生产线三维仿真系统可行性报告（2）

1. 背景和意义

现代生产中企业自动化程度提高，生产系统日渐复杂，生产速度日渐加快，因此在设计系统的时候需要面临很多问题：如何在对操作人员进行培训时减少风险、节约成本和提高培训效率，如何验证生产大纲以及复杂设备的控制逻辑等。这些问题采用传统的培训方法和规划方法难以解决，在复杂生产线系统的培训和规划上，要找到技术性与经济性的最佳结合点，就需要借助于一种新的技术——系统仿真技术来解决。

使用仿真系统，在一个类似游戏的人机界面上，通过操作虚拟场景中，与现实操作相对应的操作设备，模拟还原现场操作，从而看到虚拟的逼真实际生产过程中系统设备运转的全动作过程，看到生产现场中各输送、存储设备和升降机、切割机等设备的状态，以及系统中发生阻塞和瓶颈的位置和情况；可以改变参数输入，通过模拟生产情况及波动对系统造成的冲击，对系统的堵塞有着形象和直观的解决方案；一方面能够精确真实模拟生产线的空间布置、运行情况，验证生产线产能、节拍、存储等规划设计要素的合理性，发现系统运行的瓶颈和对方案进行优化，使生产线布局更合理有效；另一方面，能够预测生产线的性能、制造成本、可制造性，从而更经济有效地、灵活地组织制造生产，使资源得到合理配置，从而提高整个生产线生产效率，培训员工的设备操作能力以及生产宏观掌控能力。

当前，系统仿真技术已成为分析、研究各种复杂系统的重要工具。国际工程公司已将其作为常用的规划设计和分析手段，运用到生产线仿真培训和运行分析中。而在国内，对此技术的应用还基本处于起步阶段，无论是在生产线仿真培训还是运行管理方面，大多数钢铁企业、汽车企业和工程公司基本还是依赖传统的方式。因此，生产线仿真系统的研究与开发具有很强的现实意义。

2. 可行性分析

生产线进行仿真通常需经过三个步骤：建立生产线三维仿真场景；仿真模型参数设置和仿真流程控制；仿真模型的运行、验证与结果分析。其中，建立正确的生产系统仿真模型，并且确定各组成要素以及表征这些要素的状态变量和参数之间的数学逻辑关系，是整个仿真过程

能够正确进行并获得符合实际情况的仿真结果的基础。生产线仿真系统包括三个基本的过程：建立三维场景模型、建立仿真模型和仿真试验。

下面就这三个方面的可行性进行分析。

1、建立三维场景模型

建立仿真系统首先要对生产线的各个部分进行三维造型，并根据所建立的模型构建生产线的三维模型库，从三维模型库中调用相应模型组成生产线总体模型。在这里，首先定义系统中所需要的物理对象，而定义对象前要先定义它所属的类，建立系统所需要的对象类库，并将对象类库中的对象和三维模型库中的模型关联起来。对象类库中每个类都具有特定的属性，这些属性都是通过采集数据得到的。如要建立车间的某机器类，首先要构建该机器的三维模型，再设定其相关属性，如机器加工所需的零部件、加工时间、所产生的成品等。结合生产系统的实际情况，运用面向对象技术进行系统仿真建模，可以将线仿真的对象类分成三大类：物理类，构建设备建立生产场景；信息、控制类，包括工艺规划、生产线运行过程控制、物流控制；服务类，包括生产计划、统计等，通过物理对象类的建立，构建仿真物理模型。如图1是冷轧厂镀锌分厂的一个工序的三维场景示意图。

图1 冷轧厂镀锌分厂的一个工序的三维场景示意图

建立三维场景模型现在已经具备成熟的建模方法和建模软件，通过采集现场数据如纹理、标识、声音等，加上精确的生产线图纸可以建立精确的拟真的场景，甚至厂房中的光源效果也能精确的建模出来。比较流行的建模软件有Max，Maya，Creator等，对于大数据量的建模需求，采用Creator进行建模会达到更流畅的运行速度。

2、建立三维仿真模型

三维场景模型展示的仅仅是静态的信息，工艺流程动态仿真利用所建立的三维场景，根据生产工艺的要求，按照工厂的实际情况对整条线的生产情况进行三维动态仿真。布局设计

阶段建立的对象类只描述自身的特征和行为，对象之间并不能通讯；而仿真模型的建立阶段通过描述对象之间的相互关系来进行系统建模，实现系统中的物流、信息流和控制流的传递。通过定义对象类之间的相互关系来建立设备间的逻辑关系，从而建立仿真系统的逻辑模型。

设备间的逻辑关系控制着设备的行为以及零件在设备间的流转和成品的产生，通过逻辑模型的建立，对已经布局好的线的工作流程进行定义，使生产线上一个个松散的设备组成一个有机的生产系统。

仿真逻辑模型即用物理模型展示随时间的变化系统的不同状态。系统的状态包括各设备的加工运作和状态，与零件相关的事件以及零件在系统中流转的过程，通过系统不同状态的展示来控制仿真模型的行为。生产仿真模型是实际生产系统的一个映射，实际生产系统中的约束条件抽象为仿真模型的约束条件，这些约束必须在逻辑模型中得以体现。逻辑模型建立中主要构建了系统的信息、控制类，从而建立合理的工艺规划，生产线运行过程控制、物流控制。如图2是冷轧厂镀锌分厂开卷工序准备示意图。

要实现这部分仿真，关键是对生产线上的所有操作流程、连锁效应、操作面板动作、设备相应及其详细参数进行精确的采集和计算，形成完整的操作及响应手册。将这些手册中的参数和场景中的对象模型映射起来，再进行程序设计时，进行逻辑关系的推演和计算，再用三维仿真引擎实时输出绘制结果。常用的仿真引擎有virtools，vega和osg。Virtools具备极强的扩展功能和编程接口，考虑到系统的后续开发，可采用这种引擎。

3、生产线的仿真试验

对仿真模型验证分析、修改模型参数的循环过程即优化，这一阶段主要涉及到系统的服务类。在建立仿真模型时，已确定了仿真系统的目标变量和决策变量。制造系统经足够时间的仿真运行后，可生成评价生产线的数据，这些数据以文本或图表方式显示，通过和生产线的操作人员和相关设计人员进行系统评价，依据评价结果，可以选择合理的参数方案进行可变的生产规划。这些数据有：设备的利用率；产品产量；加工成本；工人操作成本；运输、废料消耗分析等。

要进行这部分仿真，需要一套详细的生产线评价工具和培训考核指标系统。再编制程序时将这部分数据作为衡量指标，实时输出结果并对培训者的操作结果进行评价和建议。