1、物流系统建模与仿真,制造系统建模与仿真,制造与工业工程系 栾飞 ,2006 Fall,物流系统建模与仿真,TextBook,齐欢，系统建模与仿真，清华大学出版社，2004。 张晓萍，现代生产物流及仿真，清华大学出版社，1998。 肖田元，系统仿真导论，清华大学出版社，2000。 邓子琼，柔性制造系统建模及仿真，国防工业出版社，1993。,物流系统建模与仿真,Prerequisites,程序设计语言C、C+等 概率随机、数理统计知识,物流系统建模与仿真,仿真的背景,远古以来，人们总是幻想着事物能够推倒重来已获得更好的结果。然而事与愿违，于是便有了世上没有后悔药一说。各种非科学或科学的预测手段和技
2、术作为一种解决方案就出现了，如占卜、统计预测等。可结果还是不尽如人意。直到电子仿真技术出现，才部分地解决了这个问题。人们可以通过在计算机中构造模拟现实的环境来获得结果，不满意就重新调整变量，进而改变虚拟的现实环境，再来一次，直到获得满意解，然后把这个解决方案移植到现实环境中完成实物的构建，并能得到最佳满意效果。,物流系统建模与仿真,仿真的背景,仿真一般是指使用计算机建立和运行系统模型，是对真实系统的一种模仿活动。从建立仿真模型的目的出发，通过计算机程序语言，对真实系统进行一种抽象的、本质的描述，这种描述与人们为系统建立模型紧密联系在一起。系统仿真技术作为一门新兴的技术，已经被广泛应用于各行各业
3、，成为战略研究、系统研究、运筹规划、预测决策、宏观及微观管理等领域的有效工具。同时也被证明是研究制造系统的一种十分有效的手段。,物流系统建模与仿真,课程安排,第一章 概述 2 第二章 离散事件系统仿真 4 第三章 随机数与随机变量 2 第四章 输入数据建模 2 ERP沙盘模拟企业运作管理实验 14 工业工程综合实验 6 Flexsim 上机实验 6 Petri网上机实验 4,物流系统建模与仿真,第一章 概述,基本概念：系统、模型与仿真 系统仿真的发展历史 系统仿真的类型 系统仿真的应用 系统仿真在物流领域的应用 系统仿真的相关技术,物流系统建模与仿真,一. 系统、模型与仿真,1.系统 系统定义
4、： Wayne C.Turner:A system can be defined as a set of component which are related by some forms of interaction ,and which act together to achieve some objective or purpose.- Introduction to industrial and system engineering,物流系统建模与仿真,系统定义（续）： 系统是由两个以上有机联系、相互作用的要素所组成，具有特定功能、结构和环境的整体。（汪应洛） 根据定义，可将现实中的事
5、物定义为一个系统（例：理发馆）。 注意两点： （1）系统边界（区分系统与环境） （2）描述系统的“三要素”（实体、属性、活动）,物流系统建模与仿真,系统的结构,系统三要素：输入、处理、输出,物流系统建模与仿真,系统性质 自然 vs. 人造系统 (Natural vs. Man-made ) 静态 vs. 动态系统(Static vs. Dynamic) 物理系统 vs. 抽象系统 （physics vs. Abstract) 开环 vs. 闭环系统 （open vs. Closed),物流系统建模与仿真,系统的特征 (1) 系统的目的性 式中，G表示系统的总目标；gi是系统的任意一个分目标；p
6、表示系统的分目标数。,物流系统建模与仿真,(2) 系统的集合性式中，X表示元素的集合，表征某个系统； xi是集合中的某一个元素；n表示集合中的元素数。,物流系统建模与仿真,(3) 系统的相关性 系统的相关性是用来说明组成元素之间相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的关系的。 (4) 系统的层次性 (5) 系统的整体性 (6) 系统对环境的适应性,物流系统建模与仿真,系统分析的过程,物流系统建模与仿真,2.模型 模型定义：模型是对真实对象和真实关系中那些有用的和让人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本质方面的描述。它以各种可用的形式描述被研究系统的信息。 注意：系统模型并不是对真实系统的完全复现
7、。如果M能够用来回答关于系统（S)的问题，并且在精度范围A之内，那末M就是系统A的模型。,物流系统建模与仿真,模型的特点 (1) 它们都是被研究对象的模仿和抽象； (2) 它们都是由与研究目的有关的、反映被研究对象某些特征的主要因素构成的； (3) 反映被研究对象各部分之间的关联，体现系统的整体特征。,物流系统建模与仿真,模型的作用首先，客观实体系统很难作试验，或者根本不能作试验；其次，对象问题虽然可以作试验，但是利用模型更便于理解；第三，模型易于操作，利用模型的参数变化来了解现实问题的本质和规律更加经济方便。因此，在系统分析中模型被广泛地应用。,物流系统建模与仿真,模型分类： （1）物理模型
8、：采用一定比例尺按照真实系统的样子制作的模型。 （例：沙盘、风洞、楼宇模型） （2）数学模型：用数学表达式形式来描述系统内在规律的模型。例: E=MC2,物流系统建模与仿真,为什么要使用模型？ 真实系统尚未建成（登月） 真实系统的不可逆性 多次试验时的初始条件保证 科学研究时间过长、投资大 安全性考虑（系统故障给人带来的伤害） 诸如武器、核试验。 解释“What if” (首先必须解释”what is.”,物流系统建模与仿真,常用的建模方法 （1）直接分析法 （2）数据分析法 （3）实验分析法 （4）主观想象法 （5）人工实现法 （6）模拟分析法,物流系统建模与仿真,系统建模的一般步骤,（1）
9、弄清问题，掌握真实情况。要清晰准确地了解系统的规模、目的和范围以及判定准则，确定输出输入变量及其表达形式。 （2）搜集资料。搜集真实可靠的资料， 对资料进行分类，概括出本质内涵，对已研究过或成熟的经验知识和实例进行挑选作为基本资料，供新模型选择和借鉴。 （3）确定因素之间的关系。确定本质因素之间的相互关系，列出必要的表格，绘制图形和曲线等。（4）构造模型。 构造一个能代表所研究系统的数量变换数学模型。这个模型可能是初步的、简单的，如初等函数模型。（5）求解模型。用解析法或数值法求解模型最优解。对于较复杂的模型，有时需编出框图和计算机程序来求解。（6）检验模型的正确性。 检验模型是否在一定精确度
10、的范围内正确地反映了所研究的问题，同时进行必要修正和反复订正后投入使用。,物流系统建模与仿真,3.仿真 1961年G.W.Morgenthater给出仿真的技术性定义：“仿真指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现”。 1978年Korn在连续系统仿真一述中将仿真定义为“用能代表所研究的系统的模型做实验”； 1984年Oren提出“仿真是一种基于模型的活动”，被认为是现代仿真技术的一个重要概念。仿真是对真实世界的模拟。 基本共同观点是：仿真是基于模型进行的。,物流系统建模与仿真,第一章 概述,基本概念：系统、模型与仿真 系统仿真的发展历史 系统仿真的类型 系统仿真的应用 系统仿真在
11、物流领域的应用 系统仿真的相关技术,物流系统建模与仿真,第一章 概述,基本概念：系统、模型与仿真 系统仿真的类型 系统仿真的一般过程 系统仿真的应用 系统仿真在物流领域的应用 系统仿真的相关技术,物流系统建模与仿真,1. 根据模型的种类分类： 物理仿真：按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行实验的过程称为物理仿真(军事演习对抗沙盘)。 数学仿真：对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到系统的数学模型，对数学模型进行实验的过程称为数学模型 半实物仿真：将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。（简单部分建数模，复杂部分建物理模型）,物流系统建模与仿真,2.
12、 根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类 实时仿真：即仿真时钟与实际时钟完全一致，当被仿真的系统中存在物理模型或实物时，必须进行实时仿真，有时又称在线仿真。 亚实时仿真：仿真时钟慢于实际时钟；对于仿真速度要求不苛刻的情况下均是亚实时仿真。例如大多数系统离线研究与分析，有时也称为离线仿真。 超实时仿真：仿真时钟快于实际时钟。大气环流的仿真以及交通系统的仿真。,物流系统建模与仿真,3.根据系统模型的特性分类 连续系统仿真 （Continuous System Simulation） 离散事件系统仿真 （Discrete Event System Simulation ）,物流系统建模与仿真,系统、模
13、型及仿真三者之间有着密切的关系：系统是研究对象，模型是系统抽象，仿真则是通过对模型的实验以达到研究系统的目的。,物流系统建模与仿真,第一章 概述,基本概念：系统、模型与仿真 系统仿真的类型 系统仿真的一般过程 系统仿真的应用 系统仿真在物流领域的应用 系统仿真的相关技术,物流系统建模与仿真,应用非常广泛，应用趋势：从传统的工程领域扩展到非工程领域。 在社会经济领域、环境生态领域、能源系统、生物医药系统、教育训练系统等得到广泛应用。,物流系统建模与仿真,第一章 概述,基本概念：系统、模型与仿真 系统仿真的发展历史 系统仿真的类型 系统仿真的应用 系统仿真在制造领域的应用 系统仿真的相关技术,物流
14、系统建模与仿真,系统仿真的一般过程,系统仿真的过程就是建立系统模型并通过模型在计算机上的运行来对模型进行检验和修正，使模型不断趋于完善的过程。,物流系统建模与仿真,物流系统建模与仿真,面向产品的仿真1. 产品的静态、动态性能的分析。产品的静态特性主要指应力、强度等力学特性；产品的动态特性主要指产品运动时，机构之间的连接与碰撞； 2. 产品的可制造性分析（DFM）。DFM包括技术分析和经济分析。技术分析根据产品技术要求及实际的生产环境对可制造性进行全面分析；经济分析进行费用分析，根据反馈时间、成本等因素，对零件加工的经济性进行评价。 3. 产品的可装配性分析（DFA）。DFA分析装拆可能性，进行
15、碰撞干涉检验，拟定出合理的装配工艺路线，并直观显示装配过程和装配到位后的干涉、碰撞问题。,物流系统建模与仿真,面向制造工艺和装备的仿真 面向制造工艺和装备的仿真主要指对加工中心加工过程的仿真和机器人的仿真。 加工过程仿真（MPS）：由NC代码驱动，主要用于检验NC代码，并检验装夹等因素引起的碰撞干涉现象。其具体功能包括： 1. 仿真加工设备及加工对象在加工过程中的运动及状态； 2. 加工过程仿真的每一步均由NC代码驱动； 3. 零件加工过程具有三维实时动画功能，当发现碰撞时，会发出报警。,物流系统建模与仿真,面向生产管理的仿真 生产管理的基本功能是计划、调度和控制。就仿真技术在生产管理中的应用
16、来说，大致有以下三个方面： 1. 确定生产管理控制策略； 2. 用于车间层的设计和调度； 3. 用于库存管理。,物流系统建模与仿真,面向制造企业其它环节的仿真1 计算机仿真在产品开发过程中的应用 产品开发过程可分为概念设计、详细设计、评审和再设计等阶段。每一阶段又可进一步细分，如详细设计可分为总体CAD、零部件CAD、计算机辅助工程、可制造性设计、可装配性设计等。为了减少产品开发时间，降低开发成本，需要将上述过程所用的各种工具集成起来，以实现并行作业。产品开发过程仿真就是用于模拟上述各种可行方案，从中选择集成的最优方案。仿真的指标包括进度、资源、成本等。清华大学开发了产品开发过程的建模和仿真工
17、具，作为并行工程实施的支撑软件之一。,物流系统建模与仿真,2 计算机仿真在供应链中的应用 产品价值链上商业伙伴间的合作和协调是虚拟企业的核心概念之一，因此供应链管理是其研究和开发的主要焦点。供应链管理涉及到整个产品价值链上事务过程的集成，包括供应商、制造商、销售商和用户。它被认为是虚拟企业业务流程集成的关键所在。,物流系统建模与仿真,第一章 概述,基本概念：系统、模型与仿真 系统仿真的发展历史 系统仿真的类型 系统仿真的应用 系统仿真在物流领域的应用 系统仿真的相关技术,物流系统建模与仿真,建模与仿真方法学 仿真算法 仿真软件 仿真计算机/仿真器 虚拟现实技术 分布仿真技术 面向对象仿真技术 人工智能技术 Internet网上仿真,
