8面向生产系统的仿真软件.ppt

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1、8 面向生产系统的仿真软件,2,本章主要内容,8.1 概述8.1.1 仿真语言与仿真软件的发展8.1.2 常用生产系统仿真软件介绍8.2 Arena的工作环境8.2.1 Arena的系统要求8.2.2 Arena用户界面8.2.3 Arena中的模块8.3 Arena基本建模分析8.3.1 流程图模块8.3.2 数据模块8.3.3 动画效果与图形绘制,3,8.3.4 设置仿真运行条件8.3.5 仿真运行与仿真报告输出8.4 Arena输入/输出分析8.4.1 输入分析器（Input Analyzer）8.4.2 输出分析器（Output Analyzer）8.5 Arena在生产系统仿真中的应

2、用8.5.1 仿真问题描述8.5.2 仿真模型构建8.5.3 仿真运行结果8.5.4 对生产能力的仿真分析,4,8.1 概述,8.1.1 仿真语言与仿真软件的发展系统仿真语言与仿真软件的发展，可以概括为如下的6个阶段：（1）1955年1960年（探索阶段）（2）1961年1965年（仿真语言出现阶段）（3）1966年1970年（仿真语言形成阶段）（4）1971年1978年（仿真语言发展阶段）（5）1979年1986年（仿真语言巩固和改进阶段）（6）1987年现在（仿真集成环境阶段）综合来说，可以将应用于仿真模型开发的软件概括为三大类型：第一类是通用编程语言，如C、C+和Java等。第二类是仿真

3、编程语言，如GPSS/H、SIMAN V和SLAM II等。第三类是仿真环境。,5,8.1.2 常用生产系统仿真软件介绍目前，市场上已有大量面向生产系统的商业化仿真软件。其中应用较为广泛的主要有：美国Systems Modeling公司开发的Arena英国Lanner公司开发的Witness美国Flexsim Software Products公司开发的Flexsim美国Brooks Automation公司开发的AutoMod美国ImagineThat公司开发的Extend美国ProModel公司开发的ProModel以色列Tecnomatix 公司开发的eM-Plant,8.1 概述,6,

4、（1）ArenaArena是由美国Systems Modeling公司于1993年开始基于仿真语言SIMAN及可视化环境CINEMA研制开发并推出的一款可视化、交互集成式的商业化仿真软件，目前属于美国Rockwell Software公司的产品。Arena在仿真领域具有较高的声誉。其应用范围十分广泛，覆盖了包括生产制造过程、物流系统及服务系统等在内的几乎所有领域。Arena软件的主要特点：,可视化柔性建模。输入/输出分析器技术。定制与集成。,8.1 概述,7,8.1 概述,8,（2）WitnessWitness是由英国Lanner公司开发的一款功能强大的仿真软件系统，它既可以应用于离散事件系统

5、仿真，同时又可以应用于连续流体（如液压、化工、水力等）系统的仿真，应用领域包括了汽车工业、食品、化学工业、造纸、电子、银行、财务、航空、运输业及政府部门等。Witness软件的主要特点包括：采用面向对象的交互式建模机制。直观、可视化的仿真显示和仿真结果输出。灵活的输入/输出方式。建模功能强大，执行策略灵活。,8.1 概述,9,（3）FlexsimFlexsim是由美国Flexsim Software Products公司推出的一款主要应用于对生产制造、物料处理、物流、交通、管理等离散事件系统进行仿真的软件产品。该软件提供了输入数据拟合与建模、图形化的模型构建、虚拟现实显示、仿真结果优化、生成3

6、D动画影像文件等多种功能，并提供了与其他工具软件的接口。Flexsim软件采用面向对象编程和Open GL技术，具有如下几个突出的特点：使用对象来构建真实世界的仿真模型。突出的3D图形显示功能。开放性好、扩展性强。,8.1 概述,10,（4）AutoModAutoMod是由美国Brooks Automation公司推出的一款主要应用于离散事件系统3D仿真的比较成熟的软件之一，它由仿真包AutoMod、用于实验和分析的AutoStat模块、用于制作内置3D动画的AutoView模块以及一些辅助模块组成。AutoMod适用于大规模复杂系统的计划、决策及其控制实验，主要面向各类制造和物料储运系统的建

7、模与仿真，并可借助于其Tanks和Pipes等模块，提供对液体和散装材料流等连续系统建模与仿真的支持。AutoMod软件的主要特点包括：采用内置的模板技术；具有强大的统计分析工具；提供了灵活的动态场景显示方式。,8.1 概述,11,（5）其他仿真软件ExtendProModeleM-Plant除上述产品之外，在生产系统中常用的其它仿真软件还有Simul8、Quest以及Matlab/Simulink等。在实际的应用中，需要结合建模与仿真分析的目的、仿真运行的环境要求、供应商支持和产品文档等具体情况，并考虑各类仿真软件的自身特点与功能，来进行合适的选择。,8.1 概述,12,8.2 Arena的

8、工作环境,8.2.1 Arena的系统要求运行Arena 7.0版本所需要的最低系统要求如下：Microsoft Windows 95（OSR-2）、Windows 98、Windows ME、Windows NT 4.0（Service Pack 5或更新的版本）、Windows 2000或Windows XP操作系统；带有Service Pack 2的Microsoft Internet Explorer 4.01或更高的版本；用于阅读文件的Adobe Acrobat Reader 5.0或者更新的版本；不少于75MB 250MB的可用磁盘空间；64MB RAM或者更高；300MHz或以上

9、的微处理器；分辨率至少为1024768的显示器屏幕配置。,13,8.2.2 Arena的用户界面Arena是一种典型的Windows操作系统应用软件。其标准化的界面风格、一般特征和操作等都与Windows操作系统相一致，因此非常便于为使用者所熟悉。在完成Arena7.0的安装后（这里我们使用Arena7.0教学版），单击“开始”菜单中的“Rockwell Software”“Arena7.0”“Arena7.01”项目（图8-2）或双击桌面上的Arena7.01快捷方式，即可启动进入Arena软件的用户界面，如图8-3所示。,8.2 Arena的工作环境,14,工具栏,模型窗口中的流程图视图,

10、模型窗口中的电子数据表格视图,状态栏,项目栏,8.2 Arena的工作环境,15,8.2.3 Arena中的模块在Arena中，用来构建仿真模型的基本单元称之为模块（Module）。它们存放在项目栏的各种面板中，用于定义仿真的流程和数据。模块又可分为流程图模块（Flowchart Module）和数据模块（Data Module）两大类。流程图模块用于描述仿真模型的动态过程。如在基本操作面板中，可用的流程图模块主要有创建（Create）、清除（Dispose）、操作（Process）、决策（Decide）、赋值（Assign）、批量（Batch）、分离（Separate）和记录（Record）

11、等。数据模块定义了各种操作元素（如实体、资源和队列等）的属性。如在基本操作面板里，包含的数据模块有实体（Entity）、队列（Queue）、资源（Resource）、变量（Variable）、调度（Schedule）和集合（Set）等。,8.2 Arena的工作环境,16,8.3 Arena基本建模分析,17,8.3.1 流程图模块（1）Create模块Create模块是一个仿真模型的起始点，用于产生到达系统的实体（这里代表零件毛坯）。,8.3 Arena基本建模分析,18,（2）Process模块Process模块代表机器，包括资源、队列和实体延时（本例中指零件的加工处理）。,8.3 Are

12、na基本建模分析,19,（3）Dispose模块Dispose模块代表着实体从仿真模型中离开。,8.3 Arena基本建模分析,20,（4）Connecting模块为了使零件从一个流程图模块流向另一个流程图模块，必须采用连接线将它们按特定的逻辑顺序连接起来，以建立起所有零件流经的序列。单击工具栏上的连接（Connect）按钮（）或选择菜单Object Connect，鼠标指针将变为十字线，单击源模块的出口点（Exit Point）（）和目标模块的入口点（Entry Point）（），即可进行连接。但需要说明的是，在默认设置下，这些动画传输并不占用任何时间，即传输的时间默认为0（瞬时传输）。,8

13、.3 Arena基本建模分析,21,8.3.2 数据模块（1）Entity模块在上述Create模块中已经定义了一个实体类型为Part。此时，在项目栏单击数据模块Entity，就可以在电子数据表格视图中看到“Entity”列表中已经有了“Part”实体类型，如图8-12所示。,8.3 Arena基本建模分析,22,（2）Resource模块在上述Process模块中定义了资源（本例中为钻床设备）后，单击项目栏中的Resource模块就可以查看“资源”数据表格，如图8-13所示。在该数据表格中可对资源进行相应的设置，如对资源容量（Capacity）和资源故障（Failures）等进行定义。,8.

14、3 Arena基本建模分析,23,（3）Queue模块如果实体Part进入Process模块而钻床设备（Drill Press）处于忙碌状态，则该实体就必须进入队列等待。设置好Process模块后，在项目栏中点击Queue数据模块，“队列”数据表格就会出现在电子数据表格视图中，如图8-14所示。在该数据表格中可以定义队列的各种属性，如本例中我们定义规则的类型（Type）为先进先出规则。,8.3 Arena基本建模分析,24,8.3.3 动画效果与图形绘制（1）制作资源与队列动画在流程图视图中，位于Process模块上方的符号 即是显示队列动画的地方。当在Process模块中指定某类实体需要“占

15、用”（Seize）资源时，在该模块的上方就会出现这个图形。在Process模块的右上方有一个符号，就是资源动画。在仿真运行的过程中，该动画图像将根据钻床设备处于“空闲”还是“忙碌”的状态的不同而改变。,8.3 Arena基本建模分析,25,资源动画是通过动画（Animate）工具栏中的资源（Resource）按钮（）添加到仿真模型中来的。单击“Resource”按钮，就会弹出资源图形设置（Resource Picture Placement）对话框，我们可以从图形库（扩展名为.plb的文件，通常位于Arena7.0文件夹内）中根据资源的状态选出合适的图形来表示资源的不同动画，如图8-15所示。

16、,8.3 Arena基本建模分析,26,（2）动态散点图本例中的两个散点图是通过动画（Animate）工具栏中的散点图（Plot）按钮（）创建的。它们将在仿真运行的过程中被自动绘制出来，并且在仿真结束图像会消失。单击散点图（Plot）按钮（），打开散点图的对话框，如图8-16所示。,8.3 Arena基本建模分析,27,8.3.4 设置仿真运行条件通过菜单Run Setup，可打开“Run Setup”对话框，设置仿真运行的周期和重复仿真运行次数。,8.3 Arena基本建模分析,28,在该选项卡中，用户可以定义项目标题、分析员姓名、项目描述和选择通过仿真运行要求输出的各种性能参数。该对话框的

17、“Replication Parameters”选项卡，用于控制仿真的运行。,8.3 Arena基本建模分析,29,8.3.5 仿真运行与仿真报告输出通过菜单Run Go，或单击标准（Standard）工具栏中的运行（Go）按钮（）可以开始仿真模型的运行。在第一次运行仿真模型时，Arena会自动对仿真模型进行错误检查（也可以通过菜单Run Check Model或单击Run Interaction工具栏中的()按钮或按F4键来检查仿真模型错误）。如果存在错误，系统会发出警告，并给出一些查找和纠正错误的帮助信息。检查无误后，再次开始运行，即可观察到仿真模型运行的动态过程，如图8-19所示。,8.

18、3 Arena基本建模分析,30,8.3 Arena基本建模分析,31,在仿真运行结束后，会弹出对话框询问是否查看结果报告，如图8-20所示。,8.3 Arena基本建模分析,32,通过单击目录树中的“+”和“-”，可以查看一些具体的报告。例如，若要查看仿真运行中队列的变化情况，可通过在目录树中单击一系列的“+”进入到报告的“队列”（Queue）部分（Simple Processing Queue Time Waiting Time Drilling Center.Queue），得到钻床设备的等待时间信息，如图8-21所示。,8.3 Arena基本建模分析,33,8.4 Arena输入/输出分

19、析,8.4.1 输入分析器（Input Analyzer）我们在第五章中已经介绍了仿真输入数据采集和分析的基本内容。显然，对于输入数据进行分析，需要相当多地依赖于数理统计的知识，而且也是一个比较费时的过程。在Arena软件中，利用其内置的输入数据分析功能模块输入分析器（Input Analyzer），可以较为方便地完成这一繁琐的工作。使用Arena输入分析器对输入数据进行拟合的一般步骤如下：创建一个包含原始数据的文本文件。将该文本文件载入到输入分析器，对这些数据拟合出一个或者多个分布。从中选取一个最为适用的分布。将输入分析器生成的表达式复制到Arena模型中的某一区域，以应用于之后的Arena

20、仿真与建模分析中。,34,例如，对前面例5-2中表5-3的219个零件到达间隔时间数据，我们利用Arena输入分析器进行拟合操作如下：首先，将表5-3中的原始数据以纯文本的格式保存到文本文件中，并命名为“PartBPrp.dst”（Arena输入分析器默认的文件扩展名为.dst），如图8-22所示。,图8-22 零件到达间隔时间数据的dst文本文件,8.4 Arena输入/输出分析,35,然后，运行输入分析器。通过菜单File New或单击工具栏中的新建（New）按钮（），新建一个数据拟合窗口。通过菜单File Data File Use Existing或单击工具栏中的使用现有数据文件（Us

21、e Existing Data File）按钮（），将该数据文件加载到数据拟合窗口中。此时，Arena输入分析器就会自动地显示出这些数据的直方图，并在窗口的下方给出这些数据的汇总信息，如图8-23所示。,图8-23 Arena输入仿真器中的数据直方图及其汇总信息,8.4 Arena输入/输出分析,36,通过输入分析器中相应的菜单选项，可将数据拟合成某个概率分布（按给定的分布来估计相应的参数）。例如，我们通过菜单Fit Exponential来对上述的数据进行指数分布拟合，可得到分布函数表达式为EXPO(0.399)，如图8-24所示。,图8-24 输入数据的指数分布拟合结果,8.4 Arena

22、输入/输出分析,37,我们也可以通过菜单Fit Fit All，让输入分析器自动计算选择“最佳”（即平方误差值最小）的拟合分布族及相应的参数。对于表5-3的这批数据，可得到拟合结果为贝塔分布，且分布函数表达式为2*BETA(0.682,2.74)，如图8-25所示。,图8-25 输入数据的“最佳”拟合结果,8.4 Arena输入/输出分析,38,8.4.2 输出分析器（Output Analyzer）Arena输出分析器（Output Analyzer）是一个独立于Arena的应用程序，它使用由Arena中的Statistic数据模块生成的输出文件（即.dat文件），可以完成对仿真得到的各类输

23、出数据的统计分析。本节中，我们仍然以第8.3节中的简单加工系统Arena仿真模型为例，介绍在终态仿真过程中如何生成期望输出值的置信区间以及对两种系统方案的统计比较。为了完成这一工作，通过菜单Run Setup，打开“Run Setup”对话框，在“Replication Parameters”选项卡中的“Number of Replications”编辑框中输入希望的重复仿真运行次数，这里可设定为“10”。并同时确定“Initialize Between Replications”编辑框中的两个复选框都是处于被选中的状态（默认值），以保证系统状态变量以及统计累加器在每次仿真运行结束后都被清零，

24、亦即各次重复仿真运行所使用的是独立同分布的数据。如图8-26所示。,8.4 Arena输入/输出分析,39,图8-26 重复仿真运行的参数设置,这样，对于每次重复仿真运行，Arena都将独立地产生该次仿真运行的输出报告，我们可以通过“Category by Replication”报告来进行查看，如图8-27所示。,8.4 Arena输入/输出分析,40,图8-27“Category by Replication”报告界面,8.4 Arena输入/输出分析,41,从该报告中，我们可以观察各次重复仿真运行所得到的一些性能指标统计量（如已加工完成的零件数、零件平均等待时间及最大逗留时间、系统平均队

25、长等）的均值、标准差、95%置信区间的半宽以及最大/最小值等。在仿真输出数据的采集过程中，经常要用到Statistic数据模块。例如，我们要观察该简单加工系统在每次重复仿真运行中加工完成的零件个数，可进行如下操作：在项目栏的“Advanced Process”面板中，单击Statistic数据模块，在相应的电子数据表格视图中双击鼠标左键添加新的数据行。如图8-28所示。,图8-28 Statistic数据模块的数据表格,8.4 Arena输入/输出分析,42,接下来，将对于上述简单加工系统当前的配置作为方案1；将资源的容量修改为2个，作为方案2。我们通过Arena输出分析器对这两个系统方案的平

26、均产出水平这一性能指标进行比较分析。首先，分别实现两个系统的仿真模型，各自执行重复仿真运行500次，并通过Statistic数据模块采集相应的数据，分别保存到输出文件Output1.dat和Output2.dat。然后，运行Arena输出分析器，通过菜单File New或点击工具栏上的新建（New）按钮（），选择新建一个数据组，通过单击“Add”按钮，将上述得到的两个数据文件Output1.dat和Output2.dat加载进来，如图8-29所示。,8.4 Arena输入/输出分析,43,图8-29 输出分析器的“数据文件加载”设置,8.4 Arena输入/输出分析,44,通过菜单Analyz

27、e Compare Means，对此两个文件中的数据的均值进行分析和比较，有关的对话框设置如图8-30所示。,图8-30 利用输出分析器进行方案比较的对话框设置,8.4 Arena输入/输出分析,45,利用Arena输出分析器得到两种系统方案比较的结果如图8-31所示。,图8-31 简单加工系统两种方案的比较结果,8.4 Arena输入/输出分析,46,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,8.5.1 仿真问题描述,图8-32 某生产线的工艺流程,47,接下来，我们将建立该生产系统的Arena仿真模型，对系统产出水平等性能指标进行仿真分析。主要目的在于：一是工艺流程设计，将各项工艺按照不同

28、的工序输入到仿真模型中，通过仿真运行发现工艺流程中存在的瓶颈环节；二是诊断和优化。通过对多个备选方案分别进行仿真分析和比较，根据仿真输出的结果来选择并确定生产率较高的、最符合企业要求的工艺流程。在此基础上，我们还将为产能分析提供多种有效的途径。,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,48,8.5.2 仿真模型构建在Arena中，将基础面板中的相应模块加载到流程图视图中，并按逻辑顺序进行连接，建立上述生产系统工艺过程的仿真模型，如图8-33所示。,图8-33 生产系统工艺流程的Arena仿真模型,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,49,在该仿真模型中使用到的几类主要的流程图模块包括：

29、1个Create模块，用来产生代表零件的实体，如图8-34所示。,图8-34 Create模块及其属性设置,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,50,1个Assign模块，用来对实体属性进行特定的赋值操作，如图8-35所示。,图8-35 Assign模块及其属性设置,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,51,4个Process模块，用来分别表示毛坯切割、车削、检验和返修四道工序，如图8-36所示。,（a）毛坯切割工序,（b）车削加工工序,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,52,（c）检验工序,（d）返修工序,图8-36 Process模块及其属性设置,8.5 Arena在生

30、产系统仿真中的应用,53,2个Decision模块，分别用来表示在检验工序和返修工序中的两个概率型决策过程，如图8-37所示。,（a）检验工序的合格率判断,（b）返修工序的合格率判断,图8-37 Decision模块及其属性设置,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,54,3个Record模块和3个Dispose模块。其中，3个Record模块用来记录通过的实体数量；3个Dispose模块分别用来表示检验合格品、返修合格品和报废品等三类产品从系统仿真模型中离开，如图8-38所示。,（a）检验合格品的Record模块和Dispose模块,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,55,（b）

31、返修合格品的Record模块和Dispose模块,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,56,（c）报废品的Record模块和Dispose模块,图8-38 Record模块与Dispose模块及其属性设置,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,57,8.5.3 仿真运行结果对上述仿真模型，执行仿真运行480分钟（1个工作日），得仿真运行过程如图8-39所示。,图8-39 生产系统工艺过程的仿真运行界面,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,58,仿真运行结束后，在弹出的对话框中单击“Yes”按钮，打开仿真结果的输出报告窗口，如图8-40所示。,图8-40 生产系统工艺过程的仿真结

32、果输出报告界面,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,59,从图8-40的输出报告中，我们可以得到该生产线系统各类统计性能指标的仿真运行结果，如系统平均等待时间、最大逗留时间、以及产出水平和设备利用率等，如图8-41所示。,（a）系统平均等待时间和最大逗留时间,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,60,（b）系统产出水平,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,61,（c）设备利用率,图8-41 生产系统工艺流程的仿真运行结果,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,62,8.5.4 对生产能力的仿真分析在上一节仿真模型的基础上，假设该生产线上检验工序的资源能力由原来的一个人固定

33、不变改为两班制：第一班（4小时）为一个人，而第二班（4小时）增加为两个人。并且车削加工工序的主要资源“Turning Machine”（车床）也允许有随机故障的发生：该设备的正常工作时间服从均值为120min的指数分布，而由故障造成的停工时间服从均值为4min的指数分布。我们在上一节给出的Arena仿真模型（见图8-33）的基础上，添加以下几个数据模块：,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,63,（1）Failure数据模块Failure模块用来对Arena中资源的随机故障模式进行定义。在这个模块中，我们确定故障的类型（基于时间或者是基于工作循环次数），选择合适的随机分布函数，并定义其分

34、布参数。这里，我们设定故障名称（Name）为“Turning Machine Failure”，故障类型（Type）为“Time”，设定正常运行时间（Up Time）和停机时间（Down Time）为服从均值分别是120min和4min的指数分布，如图8-42所示。（2）Schedule数据模块Schedule模块用来对资源调度进行定义。对检验工序的资源能力计划，我们设定该模块的属性参数如图8-43所示。,图8-42 定义车削机床故障的Failure模块,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,64,图8-43 定义资源能力计划的Schedule模块,其中，“Durations”一栏用来对“

35、持续时间”属性进行设置。在该栏中相应的位置上单击鼠标左键，可以打开图形调度编辑器（Graphical Schedule Editor）的图形界面，输入有关的调度数据，如图8-44所示。,图8-44 Schedule模块图形编辑界面,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,65,在设置好Failure模块和Schedule模块的属性参数后，还必须回到Resource模块，在相应的资源栏目中建立它们与该资源之间的联系，并选择当资源能力发生变化时的处理方法（Ignore-Wait-Preempt）。如图8-45所示。,图8-45 在Resource模块中定义Failure和Schedule模块相关

36、的资源,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,66,对上述这些数据模块进行设置好以后，对仿真模型重新行仿真运行480分钟（1个工作日），可得到该生产线系统在新的设计方案下各类统计性能指标的仿真运行结果，如系统平均等待时间、最大逗留时间、以及产出水平和设备利用率等，如图8-46所示。,（a）系统平均等待时间和最大逗留时间,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,67,（b）系统产出水平,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,68,（c）设备利用率,图8-46 生产系统产能分析的仿真运行结果,通过图8-41和图8-46，可以对两种系统方案下的各类性能指标进行详细地对比和分析。,8.5 Arena在生产系统仿真中的应用,