制造系统建模与仿真学习心得
一、制造系统建模与仿真的含义
1．制造系统
制造系统是制造过程及其所涉及的硬件、软件和人员所组成的一个将制造资源转变为产品或半成品的输入／输出系统，它涉及产品生命周期(包括市场分析、产品设计、工艺规划、加工过程、装配、运输、产品销售、售后服务及回收处理等)的全过程或部分环节。其中，硬件包括厂房、生产设备、工具、刀具、计算机及网络等；软件包括制造理论、制造技术(制造工艺和制造方法等)、管理方法、制造信息及其有关的软件系统等；制造资源包括狭义制造资源和广义制造资源；狭义制造资源主要指物能资源，包括原材料、坯件、半成品、能源等；广义制造资源还包括硬件、软件、人员等。随着科技的进步，制造系统的发展也经历了传统手工生产、机械化、自动化孤岛、集成制造、并行工程和敏捷制造等几个阶段。
2．模型与仿真
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。系统模型并不是对真实系统的完全复现，而是对系统的抽象，而仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的目的，当制造系统尚未建立或者研究时间长成本高以及从安全性考虑我们有必要对制造系统预先进行建模并仿真以确定系统的最佳结构和配置方案、防止较大的经济损失、确定合理高效的作业计划，从而提高经济效益。
制造系统建模与仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型参与已有或设想的制造系统进行研究、分析、设计、加工生产、试验、运行、评估、维护、和报废(全生命周期)活动的一门多学科的综合性技术。
二、系统建模与仿真的发展及类型
1． 系统建模与仿真的发展大致经历了这么几个阶段：1600—1940年左右，这一时期的建模仿真主要是在物理科学基础上的建模；20世纪40年代，由于电子计算机的出现，建模仿真技术开始飞速发展；20世纪50年代中期，建模仿真开始应用与航空领域；20世纪60年代，这一阶段主要是工业控制过程中的仿真；20世纪70年代，开始出现了包括经济、社会和环境因素的大系统仿真。到70年代中期，出现了系统与仿真的结合，如用于随机网络建模的SLAM仿真系统。在这一时期，系统仿真开始与更高级的决策结合，出现了决策支持系统DSS；20世纪80年代中期，出现了如美国Pritsker公司TESS建模仿真系统的集成化建模与仿真环境；20世纪90年代开始，建模仿真开始朝着可视化建模仿真、虚拟现实仿真和分布式交互仿真的方向发展。
2． 系统建模与仿真的类型：
根据模型的种类分为：
a.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。（静态、动态，如房屋建筑模型，输送系统模型） b.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。理论上讲，数学仿真可以全面解决实际问题，但实际上数学模型的描述很难实现。
c.半物理仿真：将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。（简单部分建数学模型，复杂部分建物理模型）
根据系统模型的特性分类：
a.连续系统：指系统状态随时间连续变化的系统。例：电路系统、机械动力系统、生态系统、物理和工程领域的场问题。这类问题一般可以用微分方程来进行描述。
b.离散系统：指系统状态在某些随机时间点上发生离散变化的系统。如理发馆（顾客、理发师）系统的内部状态变化是随机的，因此很难用函数形式来描述系统内部状态的变化，更关心系统内部状态变化的统计规律。制造和物流领域的大多数系统属于离散事件系统。
三、制造系统建模与仿真的建立方法
1． 基于框图的系统逻辑建模
这种方法具有结构简单，可视性强的特点框图基本构成主要有：框架（表示生产活动的区域，如生产系统的生产单元、储存仓库、办公室区域）、连线、菱形框（表示生产运作的判断控制，如质量检验、设备检查、作业控制等），对于庞大、结构复杂的系统这种方法会暴露出能力有限的缺点。
2． 基于petri网技术的系统仿真建模方法
Petri网理论是一种基于系统运行逻辑的仿真建模方法。最先用于控制技术，对控制的逻辑进行建模，现在逐步为生产系统的仿真建模所运用。Petri网的基本构成主要是：库所（相当于生产系统中的仓库或在制品缓冲区）、变迁（相当于生产系统中的生产加工）、流关系（相当于生产系统中的生产计划或调度指令）。它的优点是对系统进行逻辑上的理论分析，通过状态变量来表述系统的变化，因此可以对系统可达的状态、发生的冲突、并发等现象进行理论上的分析。但也存在系统建模较复杂，仿真运算较复杂等问题。
3． 基于多色集合的系统仿真建模方法
俄罗斯的V.V.Pavlov教授1988年提出了多色图的概念，1995年提出了多色集合的概念，2002年提出了多色集合的体系结构。以巴甫洛夫教授为代表的使用多色集合的表示性质的统一标准数学模型来进行系统的仿真，这些性质不取决于仿真对象的内容。仿真系统更加具有柔性，并且很方便用于编程。由于存在形式相同的数学模型，该方向在问题的形式化研究方面前进了一步，具有明显的优势，这是该方法的一个优点，也是它在理论上的一个贡献。现在该方向已成为了俄罗斯该领域研究的主流方向。多色集合理论是一种新的信息处理数学工具。目前欧美国家的学者对这一理论了解较少。对国内来说，多色集合理论既是一新的，又是非常有发展前途的信息处理数学工具。由于诞生时间不长，进一步研究和应用的空间很大。
4． 基于flexsim的系统建模仿真
Flexsim是一款实时三维仿真软件，它是一款完全面向对象的仿真软件。运用Flexsim系统仿真软件，可以在计算机内建立研究对象的系统三维模型，然后对模型进行各种系统分析和工程验证，最终获得优化设计和改造方案。目前，Flexsim软件已经在制造及物流领域里成功地进行了多种系统的建模与仿真分析，如配送中心的拣选仿真、仓库出入库的仿真、产品仓库分拣仿真、生产物流系统仿真、集装箱码头仿真和机场物流仿真等。
四、制造系统建模与仿真的意义
当今的制造系统是集现代机械制造、计算机科学和管理工程于一体的综合应用，由于它技术复杂、投资巨大，采用建造实体系统进行研究显然是不合理的。所以在制造系统的设计阶段，通过仿真可以选择系统的最佳结构和配置方案，以保证系统既能完成预定的设计要求又能获得很好的经济性、柔性和可靠性，又能有效防止较大的经济损失；在制造过程阶段，通过仿真可以预测系统在不同调度下的性能，以确定合理的、高效的作业计划，找出系统的“瓶颈”环节，从而能充分发挥制造系统的生产能力，提高经济效益。
在仿真中，建模是关键。模型是进行仿真的基础，仿真主要是对模型在计算机上进行试验。基于这种原因，我们在分析产品制造中所涉及的模型，以模型分类为基础描述仿真的内容。就产品制造中所涉及的模型大致可分为三类：产品模型、制造系统模型和开发(包括设计、制造和测试)过程模型。它们之间的关系是：产品模型是所有活动的目的和中心，制造系统模型则是产品开发受到的各种约束，开发模型是产品开发的使能器，也是对产品开发活动进行管理和控制的基础。当今，产品模型已从二维工程图到三维实体几何造型。针对三维产品集成定义模型，人们可以对产品进行物理性能、可制造性、可装配性等方面的仿真。通过引入并行工程，使得产品自设计开始就涉及到产品的概念设计到消亡整个产品生命周期里的所有因素，包括质量、成本、作业调度和用户需求。开发过程的仿真已从起初的加工对象在加工过程的仿真转移到对整个制造过程的建模和仿真，仿真内容包括控制策略、库存水平、负载能力等。随着并行工程的应用，使得人们将注意力从单纯的制造过程转移到设计过程方面来，更加注重设计过程和制造过程的一体化。
通过系统的建模与仿真，实现信息共享，借助于现代计算机网络技术和CAD、CAM、STEP、MRPII等计算机辅助设计、制造及管理软件系统，可高效率地在一个制造企业的设计、工艺、供销和管理部门之间，在各车间以及各生产设备之间，在集团内的各企业之间乃至企业与用户之间充分地、及时地沟通各类信息，并在此基础上保证企业系统内各环节、各部门的高度协调，以确保企业实现最优整体效益。
