| 系統(tǒng)（system）是由若干部分相互聯(lián)系、相互作用，形成的具有某些功能的整體。根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)變化的時間連續(xù)性與否，可將系統(tǒng)分為連續(xù)系統(tǒng)（continuous system）和離散系統(tǒng)（discrete system）。其中，離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的全部或關(guān)鍵組成部分的變量具有離散信號形式，系統(tǒng)的狀態(tài)在時間的離散點發(fā)生突變的系統(tǒng)。 描述系統(tǒng)的基本要素包括對象（object）、屬性（property）、活動（activity）、輸入輸出（I/O）。“對象”又稱為“實體（entity）”，它確定了系統(tǒng)的構(gòu)成和邊界，可區(qū)分為臨時對象與永久對象，在系統(tǒng)中只存在一段時間的對象叫臨時對象，比如顧客、工件、工人等，它們一般是流動的，永久駐留在系統(tǒng)中的對象則叫永久對象，比如服務(wù)臺、設(shè)備等，它們一般是靜止的?！皩傩浴泵枋隽嗣恳粋€對象的基本特征，“活動”定義了對象之間的相互作用，從而確定了系統(tǒng)狀態(tài)隨時間發(fā)生變化的過程，“輸入輸出”描述了系統(tǒng)與外部環(huán)境的物質(zhì)和信息交互。在生產(chǎn)系統(tǒng)建模領(lǐng)域，有許多經(jīng)典的分析與優(yōu)化問題，比如車間布局規(guī)劃與重構(gòu)、生產(chǎn)線平衡分析、車間計劃調(diào)度、物流路徑規(guī)劃、物流調(diào)度、故障分析與維修決策等等，大量學者利用運籌學（operations research,OR）方法對這些問題進行了深入研究，取得了許多重要的理論成果，然而由于實際生產(chǎn)系統(tǒng)的復雜性，這些成果往往難以直接用于解決工程問題。通過建模仿真手段對生產(chǎn)系統(tǒng)進行分析，由于更容易模擬實際生產(chǎn)過程，并且分析手段全面，越來越受到企業(yè)的重視。生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真的根本目的在于：（1）在系統(tǒng)布局設(shè)計階段，通過生產(chǎn)與物流活動的仿真，對系統(tǒng)運行性能進行定量分析，提前發(fā)現(xiàn)問題，為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、資源分配、方案比選等提供數(shù)據(jù)決策支持，以保證系統(tǒng)設(shè)計的科學性、經(jīng)濟性、魯棒性；（2）在系統(tǒng)運行與持續(xù)優(yōu)化階段，建立物理生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生，通過基于數(shù)字空間的仿真試驗與優(yōu)化，識別生產(chǎn)瓶頸，優(yōu)化運行參數(shù)，評估系統(tǒng)在不同調(diào)度策略下的性能，確定高效的作業(yè)計劃和調(diào)度方案，輔助生產(chǎn)決策，提高物理系統(tǒng)的綜合運行效率。對于現(xiàn)有或預(yù)期建設(shè)的生產(chǎn)系統(tǒng)，為了評價其性能的優(yōu)劣，進而找到改善的方向，必須量定量化分析系統(tǒng)的性能指標，常見的性能指標有以下幾種。（1）生產(chǎn)率（productivity）：它是一個相對指標，通常表示為產(chǎn)出和投入之比，根據(jù)投入要素的數(shù)量，分為單要素生產(chǎn)率、多要素生產(chǎn)率和總生產(chǎn)率，比如，投入要素為工人，則表示為勞動生產(chǎn)率；（2）生產(chǎn)能力（production capacity）：簡稱產(chǎn)能，指生產(chǎn)系統(tǒng)在一定時間內(nèi)，在合理的技術(shù)條件下，生產(chǎn)某類產(chǎn)品或零部件的平均數(shù)量和最大數(shù)量。比如一條加工生產(chǎn)線，如果工件投入充足，運行一段時間后，生產(chǎn)線單位時間產(chǎn)出的工件數(shù)量會穩(wěn)定到一個最高水平值，這就是生產(chǎn)線的最大能力（極限能力），實際情況下，未必能滿負荷投入工件，平均產(chǎn)量一般小于最大產(chǎn)量。進一步還可考慮設(shè)備故障、工件缺陷、工人離崗等因素，定義有效生產(chǎn)能力；（3）在制品數(shù)量（number of work in process，WIP）：指已投產(chǎn)未完工的工件數(shù)量，包括處于工作、等待、運輸?shù)葼顟B(tài)的工件數(shù)量之和。根據(jù)著名的Little公式，單位時間投入系統(tǒng)的工件越多，并且工件通過系統(tǒng)的時間越長，則在制品數(shù)量越多。在保證生產(chǎn)能力的情況下，在制品數(shù)量當然越少越好，因此，工件的投產(chǎn)時機選擇和生產(chǎn)調(diào)度策略都很重要；（4）通過時間T：指工件進出系統(tǒng)（設(shè)備、產(chǎn)線或車間）的時間差，也稱系統(tǒng)逗留時間，它由加工時間、運輸時間和等待時間構(gòu)成。一般統(tǒng)計一類工件的平均通過（逗留）時間；（5）工件加工/運輸/等待時間占比：指工件通過時間中，加工/運輸/等待時間的比例，顯然，如果加工時間占比偏低，則說明物流效率低或生產(chǎn)調(diào)度不合理；（6）等待隊長：指在等待加工或搬運任務(wù)的緩沖區(qū)中，最大和平均等待的工件個數(shù)。等待隊列決定了緩沖區(qū)的容量設(shè)計大小，并且，隊列越長，說明緩沖區(qū)之后的設(shè)備是瓶頸；（7）訂單按期完成率：訂單即生產(chǎn)作業(yè)計劃，在訂單下發(fā)時一般會給定期望完成時間。由于生產(chǎn)異常因素，或者生產(chǎn)負荷過重、調(diào)度不合理，部分訂單可能無法按期完成，導致訂單按期完成率達不到100%。實際情況中，訂單提前太長時間完成可能也不合理，這時可以設(shè)定期望完工時間區(qū)間，并計算訂單準時完成率；（8）直通率（first pass yield rate）：指產(chǎn)品從第一道工序開始一次性合格到最后一道工序的比例，與每道工序的合格率相關(guān)；（9）設(shè)備利用率（utilization ratio）：指設(shè)備實際工作時間占總時間或有效時間的比例；（10）設(shè)備（OEE）：指設(shè)備綜合效率，OEE=可用率?表現(xiàn)指數(shù)?質(zhì)量指數(shù)；（11）資源利用率：指物流車輛、人、工裝、工具的利用率；（12）能源效率：指單位產(chǎn)品能耗或單位能耗產(chǎn)出；（13）生產(chǎn)線平衡率（line balance rate）：指各工序作業(yè)時間和/（工序數(shù)?瓶頸工序時間）；（14）物流運輸距離/成本：指單位時間內(nèi)的物流運輸距離/成本或者產(chǎn)品的平均物流運輸距離/成本；（15）平均故障間隔時間（mean time between failure，MTBF）；（16）平均故障維修時間（mean time to repair，MTTR）；（17）設(shè)備可用率（availability）：MTBF/(MTBF+ MTTR)。如果生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)存在并運行了一段時間，理論上講，通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以計算出上述性能指標，但分析過程一般非常復雜；如果生產(chǎn)系統(tǒng)尚不存在，或者雖存在但亟待重構(gòu)，新系統(tǒng)性能如何往往難以測算?，F(xiàn)實中一般靠經(jīng)驗估計或者簡單計算來分析生產(chǎn)系統(tǒng)性能，結(jié)果難以令人信服，此時，建立生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型，通過仿真運行來計算上述指標，并給出定量評價，就非常必要了。從某種程度上講，生產(chǎn)系統(tǒng)仿真和產(chǎn)品設(shè)計仿真（computer aided engineering，CAE）具有類似的含義。產(chǎn)品設(shè)計過程中，為了提前驗證產(chǎn)品的性能，需要利用CAE軟件，建立有限元分析模型，對產(chǎn)品的功能、性能與安全可靠性進行計算，對產(chǎn)品的工作狀態(tài)和預(yù)期行為進行模擬仿真，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，改進和優(yōu)化設(shè)計方案，證實未來產(chǎn)品的可用性與可靠性。同樣，在生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計過程中也需要開展仿真分析，基于虛擬工廠模型，通過模擬、驗證、優(yōu)化手段，實現(xiàn)低成本、快速、科學的工廠設(shè)計，當產(chǎn)品、工藝或物流發(fā)生變化時，基于虛擬工廠先進行重構(gòu)和優(yōu)化，持續(xù)保障工廠效能。因此，生產(chǎn)系統(tǒng)仿真分析可認為是針對工廠所開展的“CAE”工作。具體而言，生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真的實際意義在于：（1）基于虛擬環(huán)境，可以較為真實地模擬生產(chǎn)與物流過程，從而快速、全面地獲得生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)。在物理生產(chǎn)系統(tǒng)中，能獲取的數(shù)據(jù)往往是不全面的，盡管各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、生產(chǎn)管控技術(shù)（MES）等逐步在推廣應(yīng)用，但生產(chǎn)過程中有價值的數(shù)據(jù)仍然欠缺，這個時候，仿真技術(shù)就為數(shù)據(jù)的獲取提供了另外一個手段。通過工廠建模，模擬設(shè)施、工藝、物流、人、控制與調(diào)度邏輯，導入或模擬生產(chǎn)計劃，模擬各種隨機因素，然后進行仿真運行，可以在較短時間內(nèi)得到大量的運行過程數(shù)據(jù)，比如，在1分鐘內(nèi)完成1年生產(chǎn)訂單的運行模擬，得到幾千萬條數(shù)據(jù)。（2）基于數(shù)據(jù)分析，定量評估分析工廠的性能，包括能力分析和效率分析。通過對生產(chǎn)系統(tǒng)性能指標的分析，可以迅速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中存在的問題和有待改進之處，并及時進行調(diào)整與優(yōu)化，減少后續(xù)生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)對于物理系統(tǒng)的更改與返工次數(shù)，從而有效減低成本、縮短工期、提高效率。（3）通過指導性數(shù)據(jù)分析（prescriptive analysis），主動尋找優(yōu)化方案并仿真驗證。仿真分析和優(yōu)化算法可以進行各種形式的融合，比如仿真分析與試驗設(shè)計的結(jié)合，仿真分析與遺傳算法的結(jié)合等等，算法提供了基本的優(yōu)化邏輯，而仿真則為算法中的一些關(guān)鍵步驟提供了“黑箱”式計算方式，比如，遺傳算法中需要計算個體的適應(yīng)度，然而對于復雜問題，很難給出適應(yīng)度計算的解析公式，這時候就可以通過仿真來得到適應(yīng)度值。針對現(xiàn)實應(yīng)用，生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真的基本過程主要包括5個階段。在建模仿真之前，首先要明確仿真的目標，即為什么要進行仿真，要分析哪些指標等。物理生產(chǎn)系統(tǒng)存在與否、實際運行狀況如何、有哪些改善需求或愿景等因素都會影響仿真的目的。比方說，物理車間尚未建設(shè)，此時的仿真目的就是科學預(yù)知未來車間的性能，如果車間已存在但物流性能不佳，此時的仿真目的就是通過分析物流效率，找出瓶頸原因，然后提出改善方案并進行驗證。根據(jù)性質(zhì)的不同可將仿真分析的目的分為4類。（1）描述性分析（descriptive analysis）：通過仿真，模擬物理系統(tǒng)的運行，分析運行數(shù)據(jù)，計算統(tǒng)計值，繪制圖表，得到各項性能指標的量化值。描述性分析多用于對現(xiàn)有方案的模擬再現(xiàn)和驗證，是最基礎(chǔ)的分析；（2）診斷性分析（diagnostic analysis）：基于描述性分析結(jié)果，分析生產(chǎn)系統(tǒng)的性能瓶頸并尋找原因，比如資源不足、生產(chǎn)線不平衡等等，嘗試改變生產(chǎn)布局和結(jié)構(gòu)參數(shù)，多次運行仿真，尋找更優(yōu)方案。通過診斷性分析，給出診斷報告，達到知其然并且知其所以然的目的；（3）預(yù)測性分析（predictive analysis）：模擬各種隨機因素，設(shè)計大量仿真試驗，結(jié)合因果分析、回歸分析、相關(guān)分析等方法，對不同參數(shù)組合下生產(chǎn)系統(tǒng)性能的變化趨勢進行分析。通過預(yù)測性分析，建立響應(yīng)變量和輸入變量之間的關(guān)系，預(yù)知輸入變量改變以后的結(jié)果；（4）指導性分析（prescriptive analysis）：將仿真與運籌學方法相結(jié)合，對生產(chǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計方案和最優(yōu)運作方案給出建議，比如設(shè)施布局、物流路徑定義、計劃投產(chǎn)策略等等。通過指導性分析，提出生產(chǎn)系統(tǒng)的改善方案。根據(jù)業(yè)務(wù)的不同可將仿真分析的目的分為產(chǎn)能驗證、瓶頸識別、利用率分析、物流效率分析、工人效率分析、質(zhì)量影響分析、故障影響分析、訂單排序優(yōu)化、投產(chǎn)策略優(yōu)化等等。在仿真建模過程中，需要一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)量（全面性、真實性）對仿真結(jié)果的真實可信性有直接的影響，這些數(shù)據(jù)通常包括：（1）車間布局圖：描述了生產(chǎn)系統(tǒng)中的設(shè)施布局和物流路徑，一般為CAD模型，有精確的幾何數(shù)據(jù)；（2）工藝數(shù)據(jù)：車間中生產(chǎn)的每一類零件或部件的工藝路線，包含工序、工時、所需工具、所需設(shè)備、工人、毛坯等信息，如果是裝配工序，還需給定物料清單（bill of material, BOM）數(shù)據(jù)；（3）訂單數(shù)據(jù)：如果是進行產(chǎn)能分析，則根據(jù)經(jīng)驗估計，給出每年（月）預(yù)計投入的訂單數(shù)量、訂單的工件構(gòu)成、訂單的投放規(guī)律（間隔時間、批量）等，如果是進行生產(chǎn)計劃仿真，則需要給出詳細的生產(chǎn)計劃；（4）資源數(shù)據(jù)：工具類資源、工人（操作工、檢驗工、物流工等）類資源的類型、數(shù)量、使用規(guī)則等；（5）物流類數(shù)據(jù)：包括物流運輸路徑、物流配送策略、物流設(shè)施及工作參數(shù)等數(shù)據(jù)，以及緩沖區(qū)和倉庫的位置、容量、出入庫策略等數(shù)據(jù)；（6）故障類數(shù)據(jù)：設(shè)備的故障模式、失效分布、維修特征等數(shù)據(jù)；（7）質(zhì)量類數(shù)據(jù)：缺陷類型、缺陷發(fā)生的概率分布、缺陷處理策略等數(shù)據(jù)；（8）其他數(shù)據(jù)：比如工廠日歷、停機計劃、特殊生產(chǎn)規(guī)則等等。選擇一種生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件，建立生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型。主流仿真軟件一般都提供了圖形化的建模平臺，仿真建模的大致過程如下：（1）按照CAD布局，創(chuàng)建各類對象并準確擺放其位置；（3）導入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立對象和數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)；基于生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型，在離散事件仿真引擎和動畫引擎等的支持下，進行大量模擬運行，輸出仿真模型的運算結(jié)果統(tǒng)計，根據(jù)仿真結(jié)果，一方面用來驗證模型的有效性，另一方面用來指導生產(chǎn)物流規(guī)劃以及后期的運作管理，包括布局規(guī)劃、生產(chǎn)物流分析、參數(shù)優(yōu)化計算和瓶頸分析優(yōu)化等內(nèi)容。
|
