[科普中國]-制造系統(tǒng)建模

相關(guān)概念

1.系統(tǒng)模型：系統(tǒng)模型是實際系統(tǒng)理想化的抽象或簡化的表示，它反映了系統(tǒng)的主要紕成和各組成部分的相互聯(lián)系和作用。制造系統(tǒng)建模就是運用適當?shù)慕７椒▽⒅圃煜到y(tǒng)抽象地表達出來，通過研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性，以便對制造系統(tǒng)進行分析、綜合和優(yōu)化。

**2.制造模型:**制造系統(tǒng)是一個包含制造理論、制造技術(shù)、制造過程、制造資源和組織體系等組成的復雜工程系統(tǒng)。對這樣復雜系統(tǒng)的建模，吸引了眾多的學者和有志之士為之付出了畢生精力，獲得了許多行之有效的建模方法和手段，從制造系統(tǒng)的不同側(cè)面建立了一個個系統(tǒng)模型，如制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述模型、系統(tǒng)運行管理模型、系統(tǒng)分析模型、系統(tǒng)設(shè)計實施模型、系統(tǒng)生產(chǎn)計劃調(diào)度模型等。然而，由于制造系統(tǒng)的復雜性，就目前階段而言還難以對系統(tǒng)整體，或者說難以用某單一方法來建立一個完整的制造系統(tǒng)模型。1

發(fā)展真正意義上的制造系統(tǒng)建模始于19世紀70年代。柔性制造系統(tǒng)(FMS)在這期間開始發(fā)展起來。對于中小批量生產(chǎn)而言，F(xiàn)MS具有其它加工系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點。但另一方面它的復雜程度也大為增加。因此關(guān)于FMS的計劃、調(diào)度、控制等問題引起了研究者們的極大興趣?，F(xiàn)在很多方法如排隊論、數(shù)學規(guī)劃、Petri網(wǎng)理論、擾動分析法(Perturbation Analysis)、計算機模擬等都是隨著FMS的發(fā)展而逐漸應用于制造系統(tǒng)建模的。

排隊論于50年代漸漸發(fā)展起來。60年代開始零星地用于描述制造系統(tǒng)的某些問題，如著名的Little定律。在70年代和80年代以排隊論方法分析FMS頗為盛行。

從70年代末起，數(shù)學規(guī)劃開始用于制造系統(tǒng)建模，人們用整數(shù)規(guī)劃解決FMS中的任務(wù)分派問題，用動態(tài)規(guī)戈Ⅱ解決FMS運行中的問題，尤其是在某機器出現(xiàn)故障時FMS的運行問題。

同樣從70年代末開始，以Y.C.HO為首的研究者們創(chuàng)立擾動分析法，對DEDS(離散事件動態(tài)系統(tǒng))進行分析。機械制造系統(tǒng)都可視為DEDS。

Petri網(wǎng)理論是Petri在60年代初提出來的。它適合于分析非同步并發(fā)系統(tǒng)(Asynchronous Concurrent System)。70年代它開始被用于計算機系統(tǒng)分析，其用于制造系統(tǒng)建模始于80年代初期，也主要是針對FMS。

制造系統(tǒng)的計算機模擬也是伴隨著FMS而發(fā)展起來的。現(xiàn)在已有商品化的模擬系統(tǒng)可用于模擬制造系統(tǒng)的運行。

80年代開始，人們試探建立計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)。CIMS一般應覆蓋制造活動的主要環(huán)節(jié)，如設(shè)計、工藝、生產(chǎn)計劃、加工、裝配、銷售等等。它不僅包含物流自動化，還涉及信息自動化問題，因此其復雜程度可想而知。要設(shè)計這種復雜的大系統(tǒng)沒有科學的方法指導是不可思議的i正是由于這種需求，一些新的方法應運而生，如OSA(Open System Architecture)等這些模型都是用圖形從某個側(cè)面去描述制造系統(tǒng)。在系統(tǒng)的總體設(shè)計階段，也稱概念設(shè)計(Conceptual Design)，初步設(shè)計(Preliminary Design)階段，這些模型是非常有用的。

前面所提及的這些模型中，模擬模型在實際中應用最多，功能模型、信息模型也已用于實際CIMS的建立。其它的模型真正用于指導生產(chǎn)實際的并不多?？偟膩碚f制造系統(tǒng)建模還是一個正在發(fā)展中的遠未成熟的領(lǐng)域。制造系統(tǒng)模型或建模方法的不斷完善，需要眾多的理論研究者和實踐者的共同努力去完成。2

原則制造系統(tǒng)建模是一個復雜過程，還沒有形成一個標準化的建模過程以供建模人員使用。但是，以下建模原則對制造系統(tǒng)建模有重要參考意義。

1)定義模型的目的：建模為了什么。

2)定義模型的范圍：說明模型覆蓋的領(lǐng)域和范圍。

3)定義模型的視角：模型描述了現(xiàn)實世界哪些方面的特性，哪些特性被忽略掉。

4)定義模型的細致程度：模型的精度和顆粒度。

5)模塊化：類似于軟件工程中采用的模塊化編程方法，制造系統(tǒng)建模也需要采用模塊化的建模方法，方便模型的維護。

6)通用性：制造系統(tǒng)建模需要提高建模的通用化程度，通過定義通用構(gòu)件、部分通用模型等方法，將模型中通用的共性問題統(tǒng)一進行表示，這也是處理制造系統(tǒng)建模復雜問題的一種方法。

7)重用性：在模塊化與同性原則的基礎(chǔ)上，還要強調(diào)重用的概念和方法。尤其在新建一個制造系統(tǒng)模型時，應該盡可能重用已經(jīng)成熟的模型構(gòu)件和部分通用模型，這樣一方面可以顯著縮短建模周期，另一方面可以大大提高建模質(zhì)量。

8)一致性這個原則是制造系統(tǒng)建模中最重要的，同時也是最難以滿足的，因為它需要制造系統(tǒng)建模的不同組件在語義、語法上保持一致。

9)模型可視化：為了能夠迅速在不同人員之間交流模型信息，建模方法應該提供清晰明了的圖形建模機制。

10)管理復雜性：任何建模語言都應該能夠描述無論多么復雜的系統(tǒng)。

11)方便性與充分性折中：任何建模語言的重要特性是有足夠豐富的語義能夠表示復雜的制造系統(tǒng)。但過于復雜的語言要花相當多的時間進行學習和正確掌握。因此，在建模語言的充分性和方便性上需要折中考慮。

12)精確表示：模型必須無歧義、無冗余，并且能夠作為證實系統(tǒng)特性、分析系統(tǒng)性能、仿真系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)。

13)數(shù)據(jù)和事件分離：良好的建模語言應該能夠?qū)⒒顒邮褂玫臄?shù)據(jù)和觸發(fā)活動的事件分離?；顒硬粦撚蓴?shù)據(jù)觸發(fā)，而應該由事件觸發(fā)。3

評價準則制造系統(tǒng)建模是一項復雜工作，完成后對模型要進行全面評價，因此必須定義一組可操作的能夠反映模型優(yōu)劣程度的評價準則。一般評價準則包含以下內(nèi)容。

1)一致性：這是制造系統(tǒng)建模的最重要準則。一致性有兩層含義：一層是不同視圖之間的一致性，另一層是遞階建模中上下層模塊間的一致性。

2)完全性：完全性可以保證所建立的制造系統(tǒng)模型確實可以作為制造系統(tǒng)實施、改造的基礎(chǔ)。完全性是指建立的模型包括所有用來解決問題所需要的信息。通常采用向待解決問題領(lǐng)域的專家提問，來進行完全性檢驗。

3)可伸縮性：已建立的模型，可以根據(jù)需要進行擴展或剪裁以適應具體問題的需要。

4)范圍和廣度：表示建立的模型所覆蓋的范圍。

5)粒度和深度：粒度和深度是與模型的范圍和廣度正交的特性，它們反映了模型分解的細致程度。

6)精度：精度是對模型里深度的補充，它在數(shù)量上給出了每個模型的元素的細致程度，如描述活動持續(xù)時間的屬性是精確到分鐘還是精確到小時。

7)通用性：通用性反映了模型的適應能力，通常人們希望建立的模型適用于不同的應用需求，而不僅僅是滿足某一特定的需求。

8)應用效能：應用效能用來定義模型在支持問題解決的方便性方面的效率如何。

9)易懂性：理想的制造系統(tǒng)模型應該非常容易被廣大工程技術(shù)人員所理解，而不是只有建模專業(yè)人員才能理解。

10)可轉(zhuǎn)換性：可轉(zhuǎn)換性表示制造系統(tǒng)模型從一個應用場景向另一個應用場景轉(zhuǎn)換的方便程度，其中還包括模型表示方式上的改變的便利性。3

意義制造系統(tǒng)模型是對制造系統(tǒng)某種本質(zhì)屬性的描述，在制造系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)、運行管理和作業(yè)調(diào)度過程中，使用系統(tǒng)模型具有如下的意義：

1)可縮短新系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)周期。在從事新制造系統(tǒng)的研發(fā)階段，由于實際系統(tǒng)尚未建立，無法直接進行系統(tǒng)的相關(guān)實驗，只能通過建造系統(tǒng)模型來對系統(tǒng)進行分析、優(yōu)化和評價，驗證系統(tǒng)的功能，識別系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題，減少設(shè)汁反復，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

2)可尋求最佳的決策或控制變量，獲取系統(tǒng)最佳的運行效率。在制造系統(tǒng)運行過程中，可通過模型實驗確定系統(tǒng)的最佳運行參數(shù)，進行優(yōu)化的運行控制。例如，通過制造系統(tǒng)投入產(chǎn)出模型實驗，可確定系統(tǒng)合理的生產(chǎn)批量，指導制造系統(tǒng)均衡平穩(wěn)地生產(chǎn)；通過制造系統(tǒng)物流模型實驗，可確定系統(tǒng)最佳的資源配置、最佳的物流運送路線，獲取最低的物流輸送成本。

3)可對制造系統(tǒng)非常狀態(tài)進行預測。這里所言的非常狀態(tài)是指系統(tǒng)的極限工作狀態(tài)，如系統(tǒng)的超速、超負荷狀態(tài)等。在實際系統(tǒng)運行過程中，可能會由于刀具的磨損使切削負荷加大，在這種工作狀態(tài)下對系統(tǒng)性能會有什么樣的影響?是否會發(fā)生嚴重的事故?可通過對所建系統(tǒng)模型的實驗，掌握系統(tǒng)在非常狀態(tài)下系統(tǒng)性能的變化規(guī)律，采取必要的保護措施，以保證系統(tǒng)的工作安全。

4)可降低實驗成本，提高實驗效率?，F(xiàn)代制造系統(tǒng)多屬于復雜大系統(tǒng)，對其直接進行實驗，實驗成本十分昂貴，利用系統(tǒng)模型進行系統(tǒng)實驗，可大大降低其成本。此外，在計算機上利用系統(tǒng)模型進行實驗，可在很短的時間內(nèi)取得所需的實驗數(shù)據(jù)，可大幅度提高制造系統(tǒng)分析和研究效率。

5)簡化操作，易于理解。用模型來研究制造系統(tǒng)要比實際系統(tǒng)的操作方便得多，易于改變系統(tǒng)參數(shù)；可側(cè)重描述系統(tǒng)某方面的本質(zhì)屬性，突出主要矛盾，易于排除不利的耦合因素干擾，可得到較為清晰的研究結(jié)果，易于進行系統(tǒng)性能的研究和分析。1