FMS计算机仿真优化策略

4.3.4.1　仿真基本概念

仿真就是通过对系统模型进行实验去研究一个存在的或设计中的系统。这里的系统是指由相互联系和相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体。

根据仿真与实际系统配置的接近程度，将其分为计算机仿真、半物理仿真和全物理仿真。在计算机上对系统的计算机模型进行实验研究的仿真称为“计算机仿真”。用已研制出来的系统中的实际部件或子系统去代替部分计算机模型所构成的仿真称为“半物理仿真”。采用与实际系统相同或等效的部件或子系统来实现对系统的实验研究，称为“全物理仿真”。一般说来，计算机仿真较之半物理、全物理仿真在时间、费用和方便性等方面都具有明显优势。而半物理仿真、全物理仿真具有较高的可信度，但费用昂贵且准备时间长。

图4-32　计算机仿真、半物理仿真和全物理仿真关系及其在工程系统研究各阶段的应用

图4-32给出了计算机仿真、半物理仿真和全物理仿真的关系及其在工程系统研究各阶段的应用。由于计算机仿真具有省时、省力和省钱的优点，除了必须采用半物理仿真或物理仿真才能满足系统研究要求的情况外，一般都应尽量采用计算机仿真。因此计算机仿真得到了越来越广泛的应用。

4.3.4.2　FMS 计算机仿真的作用

柔性制造系统的投资往往较大，建造周期也较长，因而具有一定的风险，其设计和规划就显得十分重要。计算机仿真是一种省时、省力和省钱的系统分析研究工具，在FMS的设计、运行等阶段可以起着重要的决策支持作用。

计算机仿真有别于其他方法的显著特点之一：它是一种在计算机上进行实验的方法，实验所依赖的是由实际系统抽象出来的仿真模型。由于这一特点，计算机仿真给出的是由实验选出的较优解，而不像数学分析方法那样给出问题的确定性的最优解。

计算机仿真结果的价值和可信度，与仿真模型、仿真方法及仿真实验输入数据有关。如果仿真模型偏离真实系统，或者仿真方法选择不当，或者仿真实验输入的数据不充分、不典型，则将降低仿真结果的价值。但是仿真模型对原系统描述得越细越真实，仿真输入数据集越大，仿真建模的复杂度和仿真时间都会增加。因此，需要在可信度、真实度和复杂度之间加以权衡。

在柔性制造系统的设计和运行阶段，通过计算机仿真能够辅助决策的主要有以下几个方面。

1）确定系统中设备的配置和布局

（1）机床的类型、数量及其布局。

（2）运输车、机器人、托盘和夹具等设备和装置的类型、数量及布局。

（3）刀库、仓库和托盘缓冲站等存储设备容量的大小及布局。

（4）评估在现有的系统中引入一台新设备的效果。

2）性能分析

（1）生产率分析。

（2）制造周期分析。

（3）产品生产成本分析。

（4）设备负荷平衡分析。

（5）系统瓶颈分析。

3）调度机作业计划的评价

（1）评估和选择较优的调度策略。

（2）评估合理和较优的作业计划。

4.3.4.3　计算机仿真的基本理论

1）计算机仿真的一般过程

如前所述，仿真就是通过对系统模型进行实验去研究一个真实系统，这个真实系统可以是现实世界中已存在的或正在设计中的系统。因此，要实现仿真，首先要采用某种方法对真实系统进行抽象，得到系统模型，这一过程称为建模；其次对已建的模型进行实验研究，这个过程称为仿真实验；最后要对仿真的结果进行分析，以便对系统的性能进行评估或对模型进行改进。计算机仿真的一般过程可以概括为以下几个步骤：

（1）建模就是构造对客观事物的模式，并进行分析、推理和预测。即针对某一研究对象，借助数学工具来加以描述，通过改变数学模型的参数来观察所研究的状态变化。建模包含下面几个步骤：①收集必要的系统实际数据，为建模奠定基础；②采用文字（自然语言）、公式、图形对模型的功能、结构、行为和约束进行描述；③将前一步的描述转化为相应的计算机程序（计算机仿真模型）。

（2）进行仿真实验输入必要的数据，在计算机上运行仿真程序，并记录仿真的结果数据。

（3）结果数据统计及分析对仿真实验结果数据进行统计分析，以期对系统进行评价。

在自动化制造系统中，通常评价的指标有系统效率、生产率、资源利用率、零件的平均加工周期、零件的平均等待时间和零件的平均队列长度等。计算机仿真的一般过程如图4-33所示。

图4-33　计算机仿真的一般过程

2）仿真建模模型的基本概念及分类

（1）模型是集中反映系统信息的整体。模型是对真实系统中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象化。模型在所研究系统的某一侧面具有与系统相似的数学描述和物理描述。其具有下述特点：①它是客观事物的模仿或抽象；②它由与分析问题有关的因素构成；③它体现了有关因素之间的联系。从另一侧面来看，当把系统看成是行为数据源时，那么模型就是一组产生行为数据的指令的集合。(www.xing528.com)

（2）模型分类。根据模型与实际系统的一致程度，把模型分为以下四类：

①实物模型。如地球仪、原子核模型和人体模型等。它是实际系统在保持本质特征的条件下经缩小或放大而成的。

②图形模型。如生产流程图、控制系统框图等以图形的形式来表示系统的功能及其相互关系。

③数学模型。通过系统的相互影响因素的数量关系，采用数学方程式来描述系统的方式。

④仿真模型。能够直接转化为计算机仿真程序的系统描述方式，如仿真中用于描述系统的逻辑流程图、活动循环图等。

3）仿真建模过程中的信息来源

建模就是对真实系统在不同程度上的抽象。这种抽象实际上是对真实系统的信息以某种适当的形式加以概括和描述，从而具体地确定出模型的结构和参数。建模过程有三类主要的信息来源：目标和目的、先验知识和实验数据。

（1）目标和目的。对同一真实系统，由于研究的目的不同，建模目标也不同，由此形成同一系统的不同模型。因此，建模过程中准确地掌握建模目的和目标信息，对建模是至关重要的。

（2）先验知识。建模过程是以过去的知识为基础的。在某项建模工作的初始阶段，所研究的过程常常是前人经历过的，已经总结出了许多定论、原理或模型。这些先验知识可作为建模的信息源加以利用。

（3）实验数据。建模过程来源，还可通过对现象的实验和观测来获取。这种实验或观测，或者来自于对真实系统的实验，或者来自于在一个仿真器上对模型的实验。由于要通过数据来提供模型的信息，故要考虑使数据包含尽可能丰富的合适信息。并且要注意使实验易于进行，数据采集费用低，实验直截了当，可用少数几个原则来达到预期目的。

4）仿真建模方法

（1）仿真建模的一般方法有数学规划、图与网络方法、随机理论方法、通用仿真语言建模方法和图形建模方法五种。

①数学规划。采用排队论、线性规划等理论方法建立系统模型。

②图与网络方法。采用框图、信号流程图来描述控制系统模型。或者用逻辑流程图、活动循环图、关键路径法、组合网络、随机网络和Petri网等来描述离散事件系统模型。

③随机理论方法。对于随机系统，还必须采用随机理论方法来建立系统模型。值得注意的是，对于较大系统的建模，可能需要同时采用上述几种方法才能达到目的。

④通用仿真语言建模方法。通过某种通用仿真语言提供的过程或活动描述方法对系统动态过程进行描述，再将其转为仿真程序。

⑤图形建模方法。通过类似于CAD作业那样的方式直接在计算机屏幕上用图标给出某个系统（如制造系统）的物理配置和布局、活动体的运动轨迹及控制规则和运行计划。

这是一种不必编程即可运行的建模方式。

（2）模型的可信度。模型的可信度是指模型对真实系统描述的吻合程度。可信度可从三个方面加以考察：

①在行为水平上的可信度。这是指模型复现真实系统行为的程度。它体现了模型对真实系统的重复性的好坏。

②状态结构水平上的可信度。是指模型能否与真实系统在状态上互相对应，从而通过模型以对系统未来行为作唯一的预测。它体现了模型对真实系统的复制程度。

③在分解结构水平上的可信度。它不仅反映了模型能否表示出真实系统内部工作情况，而且可唯一地表示出来。它体现了模型对真实系统的重构性的好坏。

4.3.4.4　FMS 仿真研究的主要内容

1）总体布局研究

FMS在规划设计时，必须在明确制造对象和总体生产目标的基础上，确定系统的结构包括确定各种设备的类型和数量；确定各种设备的相互位置关系即系统布局；系统布局对既定的场地的利用情况；系统中最恰当的物流路径；研究系统在动态运行时是否会由于布局本身的不周全而发生阻塞和干涉，即系统瓶颈问题。

一般的方法是在按原则确定出系统的配置和布局后，首先通过仿真系统，按比较严格的比例关系，在计算机屏幕上设计出系统的平面域立体的布局图像；其次通过不同方位或不同运行情况下的图形变换来观察布局是否合理；最后通过系统的动态运行来研究是否存在动态干涉或阻塞问题。设计人员根据仿真结果对设计方案进行修改完善。值得指出的是，虽然在研究系统布局时涉及图形变换等动画处理，但从原理上来看仅仅是一种静态结构的仿真，不涉及制造系统本身的动态特性。只有在研究系统动态运行时发生干涉或阻塞问题时，才涉及系统的动态特性。而此时的系统的动态特性主要是着眼于移动设备和固定设备之间的关系以及物料运输路径的合理性。

图4-34是一个FMS的设计实例，其布局已按实际尺寸比例画出了仿真配置图，据此可以考察其场地利用和设备之间的相互关系。

图4-34　FMS的设计实例

此方案是由精密和通用加工中心混合组成的系统。每种类型的机床只要有一台就能满足生产率的计划要求。如果要求生产效率高，也可为每种类型的机床配置一台冗余机床。此方案装备了一条单轨环型托盘自动传送系统。在大型的由许多工作站组成的柔性制造系统中，单轨传送线（环型或更为复杂的网络）是最常用的。由于本系统（机床不多，在机床上的停留时间较长）托盘的运输频率不高和运输时间不长，因而不必要采用更为复杂的网络路径。根据仿真结果和经济性等综合因素考虑，所设计选定的方案是合理的。

2）动态调度策略的仿真研究

如前所述，在一个柔性制造系统中通常有许多决策点。在不同的决策点具有相应的多个决策规则。因此，根据系统的具体情况在各个决策点采用某些决策规则，就构成了系统的不同调度方案。

进行动态调度策略的仿真研究是为了研究或验证在实际的制造系统控制过程中的动态调度方案是否合理、高效，或通过实验提前消除原控制系统软件的潜在缺陷，属于对系统的比较详细、深入的仿真。为此在建立仿真模型时，必须使仿真系统中与原制造系统中有对应相同的决策点，每个对应的决策点均采用对应相同的决策方法（由决策规则和规则的适用优先顺序等方法来确定）。每个对应的决策点在相同的条件下应产生对应相同的活动。换言之，仿真系统中的控制逻辑图应与原制造系统的控制逻辑图相同。

3）作业计划的仿真研究

在柔性制造系统建成后，设备配置及调度策略就已经确定了。这时，影响系统运行效率的主要因素就是生产作业计划。由于在生产过程中考虑到后续工序的需求和系统总体效率，零件往往是以混合批次的方式在系统中进行加工的，通过仿真可以相当准确地预测不同加工计划的优劣，确定出最佳的混合配比值。当然，通过对作业计划的仿真，可以预测产品的交货期；是否能够按期完成任务；还可以预测在某个时期制造系统的产品产量。

对作业计划仿真的主要要素是根据实际作业计划抽象出零件类型和加工工艺路线及在每道工序上的加工时间。其中比较关键的数据是在同一工序上的加工时间。这一工序时间应是NC程序的运行时间及装卸工件时间之和。当然，一般在加工某一零件时，都对NC程序进行过试运行，对零件进行过预加工和调整，因此，在一个制造自动化系统建成后对作业计划进行仿真时，加工时间可以相当准确，从而也使加工计划仿真的结果具有更大的准确度。