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1、第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,引言,在工业生产中，物流装备系统和商业流程系统多种多样，如何快速有效建立起准确描述行为和运行逻辑是系统仿真的重要目标。,Witness提供了大量描述工业系统和商业流程的可视化模型元素，入生产线上的加工中心、传送设备、缓冲存储装置等，以及逻辑控制元素，如流程的倒班机制、时间发生的时间序列、统计分析等，用户可方便地将这些可视化的模型元素托拉到屏幕中，快速建立起物流系统或商业流程的规划设计。,引言,工作循环时间、故障措施等来完成我们所研究的物流系统和商业流程的规划设计。然后，通过定义模型元素之间的输入输出关系，完成对物流系统和商业流程的逻辑行为建模，从而建立起物
2、流系统和商业流程仿真模型。通过其内置的仿真引擎，可快速地进行模型的运行仿真，展示流程的运行规律。,引言,在整个建模与仿真过程中，用户可根据不同阶段的仿真结果，随时地修改系统模型，如添加和删除必要的模型元素，动态地提高模型的精度。可方便地设计与测试新设计的工厂和流程方案，平衡服务与花费，简化换班模式，评测可选的设计方案。,引言,WITNESS界面一览,菜单、工具栏、窗口一览,使用Witness软件包进行物流与供应链系统的建模与仿真，同样要遵循建模与仿真的一般步骤。在使用它进行计算机模型的建立时，有其特定的步骤：,7.1 Witness建模与仿真过程,.元素定义（Define）.元素可视化（Dis
3、play）的设置.细节（Detail）设计.运行（Run）.报告（Report）.归档（Documentor）.优化（Optimizer）,可以通过在布置窗口中点鼠标右键，选定快捷菜单中的“define”菜单项，跳出Define对话框，在该对话框中Name下输入模型基本元素的名称，在Element Type下拉菜单中选定基本元素的类型，在Quantity下输入模型基本元素的数量，然后点击Create完成一个模型基本元素的定义。用同样的方法定义模型的其他基本元素，所有模型基本元素定义结束后点击Close回到布置窗口。,（1）定义系统元素,witness 软件是一套优秀的可视化建模与仿真工具，它可
4、以将被仿真系统的可视实体以二维或三维的图形显示出来；在仿真运行时，它可以显示原材料、零部件、人员、运输车辆在系统中的运动状况。所以在定义了元素的基础上，要定义元素在各种状态下的现实图形。本步骤可以通过右击要定义显示特征的元素，通过选定弹出式菜单中的“display”菜单项，来进行设定。,（2）元素可视化（Display）的设置,元素显示工具栏中一共有九个对象，下面从左到右，分别介绍这九个对象如下：,1）显示设计模式下拉列表框：有两个选项Draw和Updata，第一次设计建模元素的某一显示属性时，选择Draw项；对已经设计了的显示属性进行修改设计时，选择Updata项。,（2）元素可视化（Dis
5、play）的设置,2）属性下拉列表框：选择用于Draw或Updata的元素的属性项，该列表框中的属性项目随着元素类型的不同而有所不同。可以通过更改属性项的“Lable”来更改属性项的名称，当我们多次使用同一类型的显示属性项时，通过改变它们的名称以便于识别。例如，一个元素可能有多个Icon显示属性项，可以通过改变其名称来加以辨认。,（2）元素可视化（Display）的设置,3）Draw按钮，用于激活显示设计对话框来进行显示属性的绘制和更改。,4）Erase按钮，用于激活删除显示属性项对话框来进行属性项的删除。,5）Layers是按钮，用于激活层设计对话框来进行层的可移动性和可视性设计。,6）Lo
6、ck是按钮，用于设定元素显示属性项的锁定状态，该按钮将在三种状态之间切换（Lock、Unlock和Superlock）。,（2）元素可视化（Display）的设置,Unlock:在此状态下,元素的可视性显示属性项可以在系统布局区单独移动。Lock: 在此状态下,元素的可视显示属性项将作为一个整体在系统布局区移动;只有显示属性项在同一层时,才能够锁定。Super Lock:当设计的元素类型为模块Module时,在此状态下,该模块内的多有的元素的显示属性项将作为一个整体在系统布局区移动。,（2）元素可视化（Display）的设置,7)Grid按钮:用于设定显示对象的位置是否捕捉屏幕上的风格,以便进
7、行精确的定位。,8)Help按钮:激活Witness帮助文件。,9)OK按钮:当对一个元素的显示属性设置完毕,点击该按钮关闭显示工具栏。,（2）元素可视化（Display）的设置,在进行元素显示属性设计的时候,一般步骤如下:1)从显示设计模式下拉列表框中选择Draw或Updata.2)在属性下拉列表框中选择所要设计的属性项,如及其的”Name”、“Icon”、“Part Queue”等。3）点击 按钮进入显示项目的细节设定对话框，进行设定即可。,（2）元素可视化（Display）的设置,元素图标的移动和删除可以使用鼠标来完成。用鼠标左键选中要删除的图标，在图标上点击右键进入弹出式菜单，选择De
8、lete Graphics选项，图标被删除。元素图标尺寸大小的改变通过鼠标+Ctrl键来完成。用左键选中图标，按住Ctrl键，拖动图标周围可改变大小的小方框，小方框只出现在可以改变大小的图标上，也可以用View/Graphical Editing菜单项编辑图标。,（2）元素可视化（Display）的设置,本步骤详细定义模型基本元素工作参数以及各元素之间的逻辑关系，如系统结构、被加工对象在各台机床及其上的加工时间分布、加工对象的工艺路线，以及其他规则等。可以双击鼠标左键，通过弹出的Detail对话框来设定。,（3）细节（Detail）设计,通过试运行和修改模型，重复前三步得到正确的仿真模型之后，
9、对系统进行一定时间范围的运行，并在屏幕上动画显示系统运行的过程，运行方式可以是单步的、连续的和设定时间的。本步骤通过Witness提供的“Run”工具栏 来进行操作。Witness内置安全系统，在运行模型时，如果缺少重要数据，将弹出提示和数据输入对话框，从而保护模型。,（4）运行（Run）,系统运行一段时间后，通过Reporting工具栏 显示系统中元素的运行状态统计报告 。通过该报告，可以分析系统中可能存在的各种问题；或通过某项指标来比较可选方案的优缺点。如机器的利用率、产品的通过时间、在制品库存等。,（5）报告（Report）,Witness还提供了“Documentor”模块，通过Mod
10、el工具栏 ，显示系统中选中Documentor ，可以让我们提取计算机模型的各种信息，生成Word文档或直接打印出来。主要包括生产报告模块没有包含的有关元素的说明型文字、规则、活动、中断和基本信息。,（6）归档（Documentor）,Witness还提供了系统优化“Optimizer”。如果一个系统的绩效将因其构成元素的配置不同而得到不同的结果，并不需要建立多种配置的计算机模型。我们可以直接使用同一个计算机模型，然后通过“Optimizer”模块来设定每一元素的可变属性值的取值范围，得到一个取值范围集合，并设定表示绩效的目标函数是最大值还是最小值进行优化仿真运行，就可以得到前n个最优绩效的
11、系统配置（n可自行设定。）,（7）优化（Optimizer）,7.2 简单流水线仿真系统举例,下面通过一个实例来描述使用Witness进行计算机模型建立的步骤。在该实例中，小部件（Widget）要经过称重（Weigh）、冲洗（Wash）、加工（Produce）和检测（Inspect）等操作。执行完每一步操作后小部件通过充当运输工具和缓存器的传送带（conveyer）传送至下一个操作单元。小部件在经过最后一道工序“检测”以后，脱离本模型系统。,本模型系统的流程图如图7-12所示,模型元素定义说明：Widget为加工的小部件名称；Weigh、Wash、Produce和Inspect为四种加工机器，
12、每种机器只有一台；C1、C2和C3为三条输送链；SHIP是系统提供的特殊区域，表示本仿真系统之外的某个地方。,图7-2 加工系统模型流程图,通过Define菜单，分别定义各个元素名称、类型、数量，如表7-1表示。,表7-1 元素名称、类型、数量信息表,7.2.2 元素可视化（Display）的设置,由于是动画仿真系统，因此对系统的每一个对象要进行可视化定义。系统提供了图形库和颜色集，用户可以根据自己的想象选择合适的图形和颜色；同时，用户还可以自己绘制系统中各个对象的图形。本步骤需要选定各个对象，然后可视化对象并进行定位。,（1）Part元素可视化的设置,在元素选择窗口选择“Widget”元素，
13、鼠标右键点击Display，跳出Display对话框。在Display对话框显示设计模式下拉列表框有两个选项Draw和Update，选择Draw项，在属性下拉列表框中选择“Name”， 点击 按钮进入Display Name对话框。在Display Name对话框中分别设置颜色和字体，点击 Draw鼠标呈现“+”形，把鼠标移动到适当位置点击左键即可。,在属性下拉列表框中选择“Style”，点击 按钮进入Display Style对话框 。在Display Style对话框中分别设置Style和选择合适的图标，点击Apply即可。,（2）Machine元素可视化的设置,在元素选择窗口选择Weig
14、h元素，鼠标右键单机Display，跳出Display对话框。在Display对话框显示设计模式下拉列表框中选择Draw项，在属性下拉列表框中选择“Name”，点击 按钮进入Display Name对话框。在Display Name对话框分别设置颜色和字体，点击Drew鼠标呈现“+”形，把鼠标移动到适当位置点击左键即可。,在属性下拉列表框中选择“ICON”，点击 按钮进入Display Icon对话框。在Display Icon对话框中选择合适的图标，点击Drew鼠标呈现“+”形，把鼠标移动到适当位置点击左键即可。在属性下拉列表框中选择“Icon”，点击 按钮进入Display Icon对话框
15、。在Display Icon对话框中选择白色的图标，选中Color下的Show Status，点击Drew鼠标呈现“+”形，把鼠标移动到适当位置点击左键即可。,在属性下拉列表框中选择“part Queue”,点击 按钮进入Display Part Queue对话框。在Queue Type对话框中选择Queue，在Queue Direction对话框中选择Right，在Display Size对话框中设置为8，点击Drew鼠标呈现“+”形，把鼠标移动到适当位置点击左键即可。,在属性下拉列表框中选择“Labor Queue”，点击 按钮进入Display Part Queue对话框。在Queue
16、Type对话框中选择Queue，在Queue Direction对话框中选择Right，在Display Size对话框中设置为8，点击Drew鼠标呈现“+”形，把鼠标移动到适当位置点击左键即可。其他的Machine元素Wash、Produce、Inspect可视化设置与Weigh的可视化设置相同。,3、Conveyor元素可视化的设置,在元素选择窗口选择C1元素，鼠标右键点击Display，跳出Display对话框，在Display对话框显示设计模式下拉列表框中选择Drew项，在属性下拉列表框中选择“Name”，点击 按钮进入Display Name对话框，在Display Name对话框分
17、别设置颜色和字体，点击Drew鼠标呈现“+”形，把鼠标移动到适当位置点击左键即可。,在属性下拉列表框中选择“Parts On”，点击 按钮进入Display Part On对话框。在Queue Type对话框中选择Queue，在Queue Direction对话框中选择Right，在Display Size对话框中设置1，点击Drew鼠标呈现“+”形，把鼠标移动到适当位置点击左键即可。在属性下拉列表框中选择“Icon”，点击 按钮进入Display Icon对话框。在Display Icon对话框中选择合适的图标，点击Drew鼠标呈现“+”形，把鼠标移动到适当位置点击左键即可。,4、Varia
18、ble元素的可视化的设置,在元素选择窗口选择Output元素，鼠标左键点击Display，跳出Display对话框。在Display对话框显示设计模式下拉列表框中选择Draw项，在属性下拉列表框中选择“Name”，点击 按钮进入Display Name对话框。在Display Name对话框中分别设置颜色和字体，点击Drew鼠标呈现“+”形，把鼠标移动到适当位置点击左键即可。,在属性下拉列表框中选择“Value”，点击 按钮进入Display Value对话框。在Display Value对话框中分别设置颜色和字体及变量宽度，点击Drew鼠标呈现“+”形，把鼠标移动到适当位置点击左键即可。在属
19、性下拉列表框中选择“Icon”，点击 按钮进入Display Icon对话框。在Display Icon对话框中选择合适的图标，点击Drew鼠标呈现“+”形，把鼠标移动到适当位置点击左键即可。,5、模型的标志键图标（Displaying Status Keys For The Model）,通常为了用不同颜色显示元素的不同状态，在模型布局的边缘区域设置标志键，可以起到提示作用。设置步骤如下：1）选择View/Keys选项。2）选择Machine图标，改变背景颜色使之与窗口颜色相匹配，然后点击Draw按钮，当光标变成十字尖头的形状，将光标移动到屏幕左上角要设置键（key）位置处，点鼠标左键创建出
20、所需要的标志键。,7.2.3 元素细节（Detail）设计,本步骤要分别定义每个元素Detail对话框中的参数。机器的细节定义：本模型中对机器主要定义它们的机器类型、加工周期、进入规则和送出规则。,Witness提供了机器的类型有：Single（单流程）、Batch（批处理）、Assembly（组装）、Production（生产）、General（通用）、Multicycle（多周期）和Multistation（多站点）这七种。通过它们，可以很容易地对实际使用的机器建立模型。本例中四种机器类型都是单流程的。,加工周期（Cycle Time）：加工周期可以是固定的时间值，也可以是随机分布函数或表
21、达式。本例中四种机器的加工周期都采用固定时间值。进入规则（input Rule）:进入规则有主动（PUSH）和被动（PULL）两种方式。对零件的进入采用拉进规则。送出规则（Output Rule）：也有主动和被动两种方式。当零件加工完成后，采取主动送出规则。,各机器的加工周期、进入规则、送出规则如表所示。,变量Output用来计算从Inspect中输出的Widgets的量，将计数结果显示在屏幕上。可以通过设计Inspect机器的Detail来实现，具体步骤如下：1）选中Inspect机器，双击其图标。2）点击细节对话框中的Actions On Finish按钮。3）在规则编辑框中输入语句：Ou
22、tput=Output+14）点击OK确认。,Conveyor的细节定义：1）选中c1输送带，双击其图标。2）在输送带的移动速度Index Time（输送带将小零件向前移动一个零件按的长度所需要的时间）下输入语句：0.5。3）点击OK确认。其他Conveyor元素C2、C3的细节定义与c1的细节定义相同。,7.2.4 仿真运行,运行工具栏中的第一个按钮Reset进行仿真的复位操作，点击该按钮，系统仿真时钟和逻辑型元素（变量、属性、函数）的值将置零；Step按钮控制模型以步进的方式运行，同时在Interact Box窗口中显示仿真时刻所发生的事件，便于理解和调试模型；RUN按钮控制模型的连续运行
23、，如果没有设定运行时间，模型将一直运行下去，直到按Stop按钮，如果设定了运行时间，模型连续运行到终止时刻；,Stop Run At包括一个按钮和一个输入框，用来设定仿真运行时间，按钮决定仿真是否受到输入框中的输入时间点控制，输入框输入时间点；Walk On/Off包括一个按钮和一个滑动条，用来设定仿真连续运行时的速度。本例中欧冠，在运行工具栏RUN Tool Bar中按下Stop RUN At按钮，在输入框中输入模型运行终止时间100，然后点击RUN按钮开始运行模型。,7.2.5 报告（report）,在布局窗口中框选所有的模型元素，点击Reporting工具栏中的Statistics Re
24、port按钮，将弹出按照元素类型分类的统计报表，要想查看其他类别元素的统计情况，使用右边的“”或“”键进行转换。仿真分析：通过仿真运行的结果可以看出，称重机器满负荷运转，是本系统的瓶颈。小部件的产出量为15个。每个部件通过时间为24.83min，由于实际被加工时间是：5+4+3+3=15min，所以它的输送与排队时间占了较大的比率（49%）。归档（Documentor）和优化（Optimizer）的过程在以后相关章节中做具体描述。,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,7.3 垃圾回收物流系统7.3.1 垃圾回收物流系统介绍7.3.2 系统框架7.3.3 数据信息7.3.4 仿真系统逻辑结构7
25、.3.5 WITNESS仿真模型的建立7.3.6 仿真运行与结果分析7.3.7 系统优化,城市某一区域，共有7个居民小区，每个小区有一个固定垃圾投放处，两个垃圾箱分别投放完全废弃垃圾和可回收利用垃圾；每天有专门公司（垃圾处理公司）派运输车收集垃圾，将垃圾从居民区运送至中转站，再由中转站运至目的地垃圾处理中心。,7.3.1 垃圾回收物流系统介绍,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,仿真研究如何设计物流系统，能够使收集系统在满足时间约束、载重约束的条件下，使系统的物流总成本最小。通过对多种系统配置方案(收集方式、车辆载重、人员数等)的仿真，寻求达到最低系统总成本的最优系统配置。,第7章 生产系统
26、仿真软件及其应用举例,该回收系统中可以分解为两个子系统，一个为从居民小区回收至中转站；一个为从中转站回收至处理中心。这两个子系统具有一定的相似性，都是从固定点收集物料，在车辆容量限制、工作时间限制下，用最短路径完成运输任务，因此，研究收集子系统具有一定代表性。,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,7.3.2 系统框架,(1) 地理及需求信息(2) 与收集车辆有关的信息(3) 与垃圾相关的信息 (4) 收集垃圾的成本函数,7.3.3 数据信息,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,(1) 地理及需求信息 收集点信息,点间距离,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,(2) 与收集车辆有关的信息,
27、第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,(3) 与垃圾相关的信息,人均垃圾量：平均每人每天产生的垃圾数量；垃圾比例：各种垃圾成分所占比例。假设人均垃圾量服从均值为1.2kg/天的埃尔郎分布ERLANG(MEAN，3，PRN)，垃圾成分分为两类：一类为可重复利用资源，一类为无用需销毁垃圾，两者比例即垃圾比例为1：2。,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,(4) 收集垃圾的成本函数,TLC=ccost(1)+ccost(2) ccost(i)=price(i)+cost(i)+timecost(i)+p(i)*365*60timecost(i)=(runtime(i)-240)*timeweigh
28、,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,7.3.4 仿真系统逻辑结构,系统逻辑结构图,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,实体元素列表 逻辑元素 仿真运行与结果分析,7.3.5 WITNESS仿真模型的建立,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,实体元素列表,逻辑元素变量列表,垃圾回收物流仿真系统可视化界面,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,方案参数配置表,7.3.6 仿真运行与结果分析,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,仿真统计数据表,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,垃圾回收物流系统仿真优化参数设置,7.3.7 系统优化,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,垃圾回收系统最优方案数据表,第7章 生产系统仿真软件及其应用举例,
