离散制造系统建模与仿真技术的研究现状与发展趋势分析

开发的仿真语言和仿真器均逐步淘汰或集成至仿真平 台，如表 2 所示。这些仿真软件各具特色，在物流和 制造领域均得到一定程度的应用。
Table 2. Mainstream DES software 表 2. 主流 DES 软件
仿真软 件
开发公司
开发语言
动画
Witness 英国 Lanner Group
仿真是实现从传统制造向可预测制造、科学制造 转变的关键技术，支持在实际投产前对系统性能进行 分析和论证，它在制造系统的规划、设计、运行、分 析及改造的各个阶段都可以发挥重要作用。面对规模 日益庞大、结构日益复杂的制造系统，传统的经验和 技术已显得捉襟见肘。基于现代计算机及网络的仿真 技术，不仅能提高分析效率，缩短制造系统研究开发
Vb/OLE
2/3D/VR
AutoMod Flexsim Arena
美 国 Brooks Automation
美 国 Flexsim Software Products
美国 System Modeling
内嵌 C++ Vb/Frotran/C/C++
2/3D 2/3D 2D
Extend 美国 Imagine That 内嵌 MODL
离散制造系统建模与仿真技术的研究现状与发展趋势分析
陈华伟 1，刘国平 1，涂海宁 1，王爱民 2，宁汝新 2
1 南昌大学机电工程学院，南昌，中国，330031 2 北京理工大学机械与车辆学院，北京，中国，100083
Email: chwei0130@126.com
摘 要：建模与仿真（M&S）技术是研究离散制造系统（DMS）的新途径。首先分析了 DMS 的特点 及其对 M&S 的要求，并对仿真技术在 DMS 中的应用加以归类；然后以 DMS 为主要研究和应用对象， 综述了国内外在离散事件仿真（DES）软件、系统建模和仿真优化各方面的研究现状；基于文献研究， 总结了目前该研究领域存在的问题及发展方向。
关键词：离散制造系统；建模与仿真；离散事件动态仿真；数据驱动建模；仿真调度
1 引言
仿真技术作为一门独立的学科已经有 50 多年的 发展历史，尤其是经过近二三十年的发展，现代建模 与仿真（Modeling & Simulation, M&S）技术体系已经 形成，并日趋完善。M&S 技术已经成为对人类社会发 展进步具有重要影响的一门综合性技术学科，已被广 泛地应用于制造系统的规划、管理和运行中，并逐渐 显现出解决大规模复杂问题的优越性。
上述研究都给出了较完整的硬件和软件结构和控 制体系，但是出于模型通用性的考虑，模型结构较为 固定，缺少对系统体系结构调整的考虑，以及对系统 资源能力约束的深入挖掘，因而在实际应用中模型的 定制和维护工作量依然较大，其应用范围仍有局限性。
（2）智能建模 常用的智能建模方法，如 Petri 网和多智能体，能 够有效协调系统通讯、分解系统功能，分析系统性能。 如对加工中的物流运输和生产调度等业务流程进行描 述：Rajeev Ranjan Kumar[5]通过扩展神经模糊 Petri 网 解决了柔性制造系统中任务投放、机床资源分配和任 务再调度问题；Guido Maione[8]创建了能够表达自治 Agent 网络动态特性及结构的仿真模型，模型中的订 单（OA）、工件（PA）、运输（TA）和装载（LA） 代理之间可进行业务交互。 （3）数据驱动建模 为适应动态建模的需求，建模方法与仿真应用的 集成是必然趋势。仿真只是一个开放性平台，其数据 主要来源于外部，数据驱动建模（Data-Driven Modeling, DDM）实际是系统的数据集成方法，其目的是 实现模型自动生成，并驱动仿真运行。韩守鹏[9]讨论 了动态数据驱动应用系统仿真的适应性问题； Ki-Young Jeong[10]介绍了基于仿真的优化调度环境的 开发过程及系统结构，通过生产数据库的集成接口自 动生成仿真模型。这些模型针对具体系统或项目而开 发，具有示范性，但是缺乏通用性。在 DDM 模型开 发中，应将模型构件进行标准化封装，用户模型则按 照模块化组装的形式在外界数据的驱动下自动生成。
以二维或三维可视化的方式展示生产决策过程。
上述研究内容中，需要重点解决的问题有：（1） 确定系统的布局和设备、人员配置；（2）对生产率、 制造周期、产品混合比、瓶颈设备等影响系统性能指 标进行综合优化；（3）针对调度策略、作业计划、在 制品库存等指标进行作业过程评估。
4 DMS 建模与仿真研究文献综述
3 DMS 仿真的研究内容
DMS 的研发和应用中有两个重大课题：一是规划 设计，二是运行与控制。如表 1 所示，仿真技术在这 些方面都有广阔的应用空间。
Table 1. Application of simulation in DMS 表 1. 仿真技术在 DMS 中的应用
应用层面
系统设计 系统 预测
System Simulation Technology & Application (Volume 14)
Analysis on Present Progresses and Trends on Modeling and Simulation Optimization of Manufacturing System
Email: chwei0130@126.com
Abstract: Modeling and simulation (M&S) is a new research method to discrete manufacturing system (DMS). Firstly, characteristic of DMS and its requirement to M&S are analyzed and application of simulation is classified. Then, a review of recent studies of DES software, system modeling and simulation optimization in DMS are presented. Based on literature study, existing problems and main trends of this filed of M&S are summarized. Keywords: Discrete manufacturing system; modeling & simulation; discrete event dynamic simulation; data-driven modeling; simulation schedule
系 规则 统 控制 运 指标 行 优化
验证
展示
研究内容
布局规划；产能分析；运行规则和计划调度预测 对非常态的性能指标或敏感因素进行分析，如人 员缺勤、设备故障等。 选择合适的控制规则或变量，如机床对加工对象 的选择，生产订单的选择等。 寻求最佳的决策或控制变量，如制造周期、在制 品量、产量、机床利用率、容量、生产质量等。 给定性能指标的经验值，进行仿真求解和验证。
DMS 的显著特点对 M&S 提出了特定的要求，针 对 DMS 的仿真应用，下面将从 DES 仿真软件、系统 建模和仿真优化三个方面展开综述研究。
4.1 DES 仿真软件的发展
DES 软件先后经历了仿真语言、仿真器和建模仿 真平台的发展过程。随着仿真技术的发展，出现了各 种 商业 化的集 成建 模与仿 真环 境，如 AutoMod、 Flexsim、Arena、Extend、QUEST 和 eM-Plant，早期
研究方向
代表作者及文献
系统控制结构 智能建模
数据驱动建模
李绍成[3]、Lee TD[4] Rajeev Ranjan Kumar[5] 、Lars Monch[6,7] 、 Guido Maione[8]
韩守鹏[9]、Ki-Young Jeong[10]
（1）系统控制结构 控制结构不仅决定了系统模型的适用性，而且直 接决定了仿真运行的效率和质量。DMS 在功能和结构 组织及其管理模式上具有一定的纵向层次特性，基于
相对于 CMS，DMS 中产品的生产过程通常被分
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978-1-61896-025-2 © wenku.baidu.com012 SciRes.
System Simulation Technology & Application (Volume 14)
解成很多加工任务，每项任务要求占用部分能力和资 源。尽管在 DMS 中又可以组织离散或流水生产，但 是 DMS 所生产的产品具有明显的个体独立性，产品 一般在不同的工作中心上进行不同类型的工序加工， 加工工艺路线和设备利用也非常灵活。总体而言， DMS 具有物流灵活分散、生产有间断、设备利用率差 异大、存在在制品等显著特点。因此，DMS 对 M&S 提出了通用性、可重用性等建模要求，以及柔性、动 态性、全局性的仿真要求，其仿真研究也主要采用离 散事件驱动的仿真（Discrete Event Simulation, DES） 方法。
周期，而且对保证安全、节约开支、提高质量具有突 出的功效。
2 DMS 的特点及其对 M&S 的要求
系统状态总是随时间 t 而变化，根据系统状态的 变化是否连续，制造系统又有连续制造系统 （Continuous Manufacturing System, CMS）和离散制 造系统（Discrete Manufacturing System, DMS）之分。 前者的状态变量是连续的，如化工和炼钢等流程性行 业；机械制造系统则是典型的复杂 DMS。若状态方程 由 x=Φ(t), 0≤t≤T 表出，则 DMS 的状态可用离散时间 下的状态方程 x=Φ(t), t={t1,t2,…,tn}表示，或用离散事 件下的状态方程 x=Φ(E(t)), t={t1’,t2’,…,tn’}表示，其 中，E(t)={ E1(t1’), E2(t2’), ..., En(tn’)}为离散时间上发 生的离散事件。
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该事实，学者对 DMS 的递阶控制结构进行了研究。 如文献[3]分析了集中式、递阶式、分布式和混合式的 制造单元的特点，对可重构制造单元控制系统的控制 结构、单元控制器功能模型和运行平台等进行了深入 研究。随着企业联盟等大型、复杂、集成系统的发展， 出现了分布式仿真应用，为此学者又提出了高层体系 结构（HLA）。HLA 与其他建模技术有较强的融合性， 能够将面向对象和网格技术应用至 HLA 建模体系[4]， 扩展出更为复杂、可重用的互操作系统。
2D
eM-Plant
美 国 UGS 、 Simens
SimTalk
2/3D
Quest 法国 Dassault
SCL/BCL
2/3D
我国从 70 年代后期开始引进、移植和研制仿真 语言，80 年代逐步形成了自己的语言规范，其代表有 国 防 科 技 大 学 研 制 的 高 级 仿 真 语 言 YFMPSS 及 YHSIM 建模/仿真一体化软件环境等[1]。
4.2 建模技术
模型是对建模目标的概念化表示[2]，建模就是系 统模型的构建过程。建模技术是仿真技术的基础，两 者是同步发展的。从上世纪 90 年代起，各种先进制造 模式的出现对快速建模和模型重用提出了更高要求， 对此研究人员在系统控制结构、智能建模和数据驱动 建模等方面进行了大量研究（表 3）。
Table 3. Sample literatures on DMS modeling 表 3. DMS 建模技术研究文献列表
Huawei CHEN1, Guoping LIU1, Haining TU1, Aimin WANG2, Ruxin NING2
1School of Mechatronics Engineering, Nanchang University, Nanchang, China, 330031 2School of Mechanical Vehicular Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing, China, 100083