生产线快速建模与仿真系统关键技术研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1课题来源本课题来源于“十一五”国防基础科研重大专项。1.2课题背景1.市场竞争促使扩散制造生产模式应运而生随着当前市场竞争的日益激烈，面对不可预测、快速多变的市场需求，企业必须具备快速响应能力，在较短时间内完成制造资源的配置，规划出生产线实施生产以应对瞬息万变的市场需求[1]。企业针对生产任务的快速响应能力[2~3]主要表现在生产能力方面，即如何针对不同的生产任务，实现生产能力的柔性变化。企业生产能力的强弱主要是由所拥有的制造资源数量的多少决定的。当企业在自身制造资源数量不变的情况下，往往只能通过优化生产线的调度最大程度地提

2、高设备利用率实现生产能力的提高[3]。然而，这仅仅只能在一定程度上提高企业的生产能力，企业生产能力并未因此得到实质性的大幅提高。因此，企业在自身制造资源有限的情况下，须要联合社会上其他企业，利用外部企业制造资源，实现企业间制造资源的共享和生产组织的合作，从而得以更大程度地提高企业的生产能力[4]。针对目前社会存在部分企业生产任务重、生产能力不足，与此同时其他企业开工不足、设备得不到充分利用的情况，扩散制造生产模式[5]应运而生。扩散制造是为了最大限度地实现社会制造资源的整合，提高社会效益，它通过企业间生产合作，由主生产企业针对自身生产能力的不足以及对外部企业（扩散企业

3、）制造资源的了解，将产品部分生产任务进行外包，实现企业间制造资源的共享、生产组织合作，不仅提高制造资源的利用率，而且获得相当好的社会效益。扩散制造是通过主生产企业计划实施的。主生产企业在获得生产订单后，根据生产要求（产品型号、进度、成本、批次、批量等）估算出企业所应达到的生产能力以及所需要的各种制造资源的数量等，然后对比自身生产能力和制1生产线快速建模与仿真系统关键技术研究造资源拥有量。如果自身生产能力和制造资源拥有量没有达到任务所需要求，主生产企业需要将产品部分生产任务外包给具备生产条件的扩散企业。从这一过程可以看出，扩散制造生产模式实施的关键和前提是获知生产任务所

4、需企业具备的最弱生产能力和各种制造资源的最小数量。2.建模仿真技术已经成为企业进行生产线规划的一个新的方法系统建模仿真[6~8]是上世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐渐形成的一门新型学科。建模仿真就是通过建立实际系统模型并利用所建模型对实际系统进行试验研究的过程。生产线的规划设计是根据产品类型、生产纲领、工艺规程等特性选择加工设备、输送设备，并结合车间场地、空间的结构特点以及工艺约束对设备进行合理配置，充分考虑设备之间在空间位置上的协调性，以确保整个系统的物流畅通以及各个设备的充分利用率。生产线的规划设计是一个高投资、高风险的过程。据报道，国外已运行的复杂制

5、造系统（特别是FMS）约有80%都没有完全达到设计要求，其中60%都是由于初期规划不合理或失误而造成的[9~10]。生产线系统[8]和系统的运行受随机因素的影响，表现出离散、随机、并发和递归的特点，是一种典型的离散事件系统。离散事件系统[11~15]是指受事件驱动、系统状态跳跃式变化的动态系统。离散事件系统的系统状态仅在离散的时间点上发生变化，而且这些离散时间点一般是不确定的。生产线系统的状态无法用常规的数学方法来描述[16]。用传统的方法[16~17]对生产线的设计、实施与控制很难达到预期的效果。计算机仿真作为一种行之有效的实验方法已经广泛深入地应用在制造系统的设计

6、、运作和优化中。就生产线的规划设计而言，可对生产线的不同的规划设计方案进行建模，动态地运行模型，找出系统方案可能存在的问题，通过修改和调整参数、运行并进行比较，可寻求出一个较优的规划方案[18]。1.文献综述1.3.1国外生产线建模仿真技术发展情况国外对离散事件系统仿真进行了大量的研究，也提出了不少针对制造系统领域应用的离散事件仿真方法或体系结构，并在此基础上开发了大量的商品化2南京航空航天大学硕士学位论文的仿真语言和仿真软件[11,14,19~22]。在英国，第一个离散系统仿真语言是由Tocker等人在1960年开发出的GSP仿真软件包（GeneralSimulat

7、ionPackage），它首先被应用于钢铁工业。80年代以后，由于图形技术的发展，图形建模及动画输出的功能被增加到仿真语言中，如SEE-WHY、OPTIKSIMON/G、FORSSIGHT及HOCUS等。在美国的情况与英国相似，在六七十年代出现了Q-GERT、GASPII、SIMSCRIPT及SLAM等仿真语言。80年代产生了SIMAN，它增加了很多制造领域建模的功能。研究离散事件系统建模的方法很多，实体流图法、活动周期图法、各种扩展的Petri网方法、Euler网方法等系统建模方法得到了广泛的应用。系统建模是系统仿真的前提。其中，Petri网是一种