智能制造系统建模与仿真

智能制造——制造业的数字化、网络化、智能化，是我国制造业创新发展的主要技术路线，是我国制造业转型升级的主要技术路径，是加快建设制造强国的主攻方向。
新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇，智能制造是一个关键的交汇点。中国制造业要抓住这个历史机遇，创新引领高质量发展，建设现代化产业体系，实现从“制造大国”向“制造强国”转变。坚持把发展经济的着力点放在实体经济上，推进新型工业化，加快建设制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国、数字中国。实施产业基础再造工程和重大技术装备攻关工程，支持专精特新企业发展，推动制造业高端化、智能化、绿色化发展。
智能制造系统是利用现代数字技术实现自动化、优化生产过程的一种系统，与传统的生产系统相比具有众多的优势，因此，其迅速地被作为制造企业绩效提升的一种策略而得到了广泛的应用。新一代智能制造人才有必要全面理解和掌握建模与仿真这一基本技术，并能在智能制造系统实践中灵活运用。我们要坚持教育优先发展、科技自立自强、人才引领驱动，加快建设教育强国、科技强国、人才强国，坚持为党育人、为国育才，全面提高人才自主培养质量，着力造就拔尖创新人才，聚天下英才而用之。
随着计算机科学的不断发展，建模与仿真技术可以再现复杂系统动态行为、分析系统配置及参数是否合理、预测瓶颈工位、判断系统性能是否满足规定要求，为智能制造系统的设计和运行提供决策支持。目前，智能制造系统建模与仿真技术已经广泛用于企业选址、制造系统设计、产品研发与性能优化、生产计划与调度、供应链管理等领域，成为提升智能制造系统性能的有效手段。
本书以离散型智能制造系统为研究对象，在分析智能制造系统定义和特征的基础上，阐述智能制造系统建模与仿真的概念、原理和方法，介绍主流系统建模与仿真软件的功能、特点及其应用。本书既提供了完整的智能制造系统建模与仿真体系架构，也注重理论方法与工程应用的结合。在各个章节，给出了多个建模与仿真研究及应用案例。全书共分为9章。 第1章讨论了智能制造技术的产生及发展，包括：我国制造业的发展趋势，智能制造的概念、特征及关键技术，推进智能制造对制造企业的价值，等等。第2章介绍了智能制造系统的发展过程，智能制造系统特征、基本架构以及智能生产系统的组成和功能。第3章介绍了系统、模型与仿真的相关概念及关系，指出了系统仿真的必要性，讨论了离散事件系统建模与仿真中的共性问题，分析了离散事件系统的模型分类、元素组成以及仿真程序结构，阐述了系统仿真的调度策略，并给出了离散型智能制造的特点，以及建模与仿真理论和应用案例。第4章以制造系统为对象，介绍了系统建模的主要方法，包括面向对象技术、IDEF建模与设计、Petri 网建模理论、排队系统模型、库存系统模型以及基于Agent的智能制造系统中的应用，并给出制造系统建模与分析案例。第5章介绍了建模与仿真的概念、特点，在制造系统中的作用，以及仿真模型的校核、验证与确认的概念和基本方法等。第6章介绍了虚拟制造的定义、特点以及分类，虚拟制造系统体系结构、组成和建模方法，虚拟样机的概念以及关键使能技术。第7章介绍了信息物理系统的定义、特征、体系结构，以及在智能制造系统中的建模与仿真。第8章介绍了数字孪生的概念、模型、构建准则以及理论体系等；分析了数字孪生车间的概念模型、运行机制和特点；探讨了数字孪生在智能制造系统中的应用及制造企业数字孪生模型的组成和在装配线的应用；讨论了数字孪生和CPS，以及虚拟仿真的关联与区别。第9章阐述了仿真语言和仿真软件的分类及其发展历程，介绍了主流系统建模与仿真软件的功能、特点及其应用领域；以Witness软件为重点，分析了软件的建模元素和建模、仿真流程，并以柔性生产线建模与仿真案例为例，根据仿真结果分析优化方案。
本书内容结构完整、脉络清楚，主体内容深入浅出、好学易懂，同时配有大量智能制造（生产）系统建模与仿真案例和丰富的练习题，以满足读者的需求。
本书由上海工程技术大学机械与汽车工程学院周俊编著，教材的编写工作得到了学院智能制造工程专业张海峰、张立强等的大力支持。研究生薛梓明、李奥、贾宁、王宙彪等在智能制造系统建模与仿真案例整理等方面做出了贡献，在此谨表感谢。在教材编写过程中参考了大量文献，在此谨向原文献作者表示感谢。
由于笔者水平有限，书中难免有不足之处，敬请读者批评指正。

编著者

本书是“高等院校智能制造人才培养系列教材”之一，面向智能制造相关专业，以培养适应智能制造发展需求的人才。本书以离散型智能制造系统等作为主要研究对象，在分析智能制造的定义、特点与关键技术的基础上，介绍智能制造系统的发展过程、智能制造系统建模与仿真的概念和原理，阐述智能制造系统建模与仿真的模型元素、建模方法及其应用步骤，分析智能制造系统建模与仿真中的关键技术，介绍主流仿真软件的功能、特点及其使用过程。书中提供了多个智能制造（生产）系统建模与仿真的研究案例，通过案例展现了智能制造系统建模与仿真技术的功能及应用。本书不仅配有丰富的思考题和习题，还配套相关电子资源，以满足读者需求。本书是高等院校智能制造相关专业的教材，也可供智能制造系统设计、新产品研发、企业运营管理、设施规划等领域的技术人员和管理人员参考。

周俊，上海工程技术大学，副教授。2007 年3 月日本琦玉大学理工学研究科生产科学专攻，博士毕业，获工学博士学位，主要从事知识工程在生产领域的应用，企业信息化管理，以及复杂产品创新设计的知识融合理论研究；随后在日本富士通株式会社担任研究员，从事PDM/PLM开发，和企业信息化共享等研究；2007 年9 月-2009 年5 月，日本大阪大学人工智能研究所知识工程研究室助教，在完成教学工作的同时，从事基于本体、语义网在生产科学、及医学领域中的应用研究；2009 年10 月至今，上海工程技术大学机械工程学院教师，结合自己的教学方向主要从事生产系统建模与仿真、企业资源计划（ERP）研究，以及产品创新的研究；2012 年7 月-2013 年7 月，日本首都大学东京系统工程研究科客员研究员，主要从事系统工程中产品服务系统的研究，为企业可持续化生产和制造提供方法和理论依据。在智能制造工程专业担任《智能制造基础》《生产系统建模与仿真》《智能生产线实训技术》等多门主干课程教学，多次参加、中国互联网研究院和标准化研究所、高等研究院等主办的各类智能制造技术培训。参与校企（海尔数字科技有限公司）合作智能制造实训线技术方案的设计；主持上海电气集团自动化锂电池智能产线的建模与仿真优化项目，项目中标获得好评。近年带领研究生从事智能设备故障诊断研究，在国际会议及核心期刊多次发表论文。

第1章  智能制造技术的产生及发展 1
1.1  智能制造的产生 3
1.1.1  智能制造的发展历程 3
1.1.2  我国制造业的发展形势 5
1.1.3  智能制造是建设制造强国的主攻方向 6
1.2  智能制造的概念及特征 7
1.2.1  智能制造的定义 7
1.2.2  智能制造的特征 9
1.2.3  智能制造的关键技术 11
1.3  推进智能制造对制造企业的价值 12
本章小结 13
思考题与习题 13

第2章  智能制造系统基础 14
2.1  先进制造系统的发展 16
2.1.1  计算机集成制造系统（CIMS） 16
2.1.2  敏捷制造系统（AMS） 20
2.1.3  智能制造系统（IMS） 24
2.2  智能制造系统架构 25
2.2.1  智能制造系统的综合特征 25
2.2.2  智能制造系统基本架构 26
2.2.3  智能制造系统研究的支撑技术 30
2.3  智能生产系统 31
2.3.1  智能生产系统的组成 31
2.3.2  智能生产系统的功能 36
2.3.3  智能工厂 39
本章小结 46
思考题与习题 46

第3章　离散事件系统基础 47
3.1　系统建模与仿真 49
3.1.1  系统、模型与仿真的概念 49
3.1.2  系统、模型与仿真的关系 51
3.1.3  系统仿真的必要性 52
3.2  离散事件系统 53
3.2.1  离散事件系统建模的基本元素 54
3.2.2  离散事件系统建模与仿真步骤 56
3.2.3  离散事件系统仿真程序的结构 59
3.3  系统仿真的调度策略 60
3.3.1  事件调度法 60
3.3.2  活动扫描法 64
3.3.3  进程交互法 66
3.3.4  消息驱动法 69
3.4  仿真时钟推进机制 71
3.5  离散型智能制造 76
3.5.1  离散型制造业的特点 76
3.5.2  离散型智能制造的发展 77
3.5.3　离散制造系统建模与仿真 86
本章小结 90
思考题与习题 90

第4章　制造系统的建模方法 91
4.1  面向对象技术 93
4.1.1  面向对象的基本概念 93
4.1.2  面向对象分析与设计 98
4.1.3  面向对象的建模语言 101
4.1.4  面向对象的建模技术 105
4.2  IDEF建模与设计 107
4.2.1  IDEF0建模方法 108
4.2.2  IDEF1x建模方法 114
4.2.3  IDEF1x建模步骤 118
4.3  Petri网建模理论 120
4.3.1  Petri网的基本概念 120
4.3.2  Petri网的运行规则 123
4.3.3  Petri网的事件关系分析 124
4.3.4  Petri网性能分析 127
4.4  排队系统模型 130
4.4.1  排队系统的基本概念 130
4.4.2  排队系统的建模方法 131
4.4.3  排队系统的仿真案例应用 135
4.5  库存系统模型 137
4.5.1  库存系统的基本知识 137
4.5.2  确定性库存模型 140
4.5.3  随机性库存模型 143
4.5.4  库存系统的仿真 145
4.6  基于Agent的智能制造系统中的应用 148
4.6.1  Agent及多Agent系统 149
4.6.2  基于Agent的智能制造车间设计 151
4.6.3  基于Agent的智能制造系统仿真 158
本章小结 162
思考题与习题 162

第5章　建模与仿真技术 165
5.1  建模与仿真的概念 168
5.2　制造系统建模与仿真的作用 171
5.3  建模与仿真技术的特点 174
5.4  建模与仿真的关键技术 176
5.5  仿真模型的校核、验证与确认 178
5.5.1  校核、验证与确认的基本概念 178
5.5.2  校核、验证与确认的基本原则 180
5.5.3  校核、验证与确认的实施过程 182
5.5.4  校核、验证与确认的技术与方法 185
5.6  建模与仿真技术的发展趋势 187
本章小结 188
思考题与习题 188

第6章　虚拟制造技术 189
6.1　虚拟制造概述 191
6.1.1　虚拟现实的概念 191
6.1.2  虚拟制造的定义及特点 192
6.1.3  虚拟制造的分类 193
6.1.4  虚拟制造在现代装备制造业的作用 195
6.2  虚拟制造系统 196
6.2.1  虚拟制造系统体系结构 197
6.2.2  虚拟制造系统的组成 199
6.2.3  虚拟制造系统的建模 201
6.3  虚拟样机技术 215
6.3.1  虚拟样机技术的基本概念 215
6.3.2  虚拟样机关键使能技术 217
本章小结 221
思考题与习题 221

第7章　信息物理系统基础 222
7.1  CPS的内涵 224
7.1.1  CPS的来源 224
7.1.2  CPS的定义 225
7.1.3  CPS的特征 225
7.2  CPS的体系结构 228
7.2.1  单元级CPS 229
7.2.2  系统级CPS 230
7.2.3  SoS级CPS 230
7.2.4  CPS体系结构的特点 232
7.3  智能制造系统中的CPS建模与仿真 232
7.3.1  CPS在智能制造系统中的框架 232
7.3.2  CPS的建模与仿真系统 235
本章小结 237
思考题与习题 237

第8章　面向智能制造的数字孪生 238
8.1  数字孪生建模技术 240
8.1.1  数字孪生的概念 240
8.1.2  数字孪生的模型 241
8.1.3  数字孪生模型构建准则 243
8.1.4  数字孪生模型构建理论体系 245
8.1.5  数字孪生的关键技术 248
8.2  数字孪生车间概念 253
8.2.1  数字孪生车间的概念模型 253
8.2.2  数字孪生车间运行机制 255
8.2.3  数字孪生车间的特点 256
8.3  数字孪生在智能制造中的应用 258
8.3.1  数字孪生在智能制造系统中的应用 258
8.3.2  制造企业数字孪生模型的组成 259
8.3.3  数字孪生在装配线上的应用 261
8.4  数字孪生和CPS的关联与区别 263
8.5  数字孪生和虚拟仿真的关联与区别 264
本章小结 265
思考题与习题 265

第9章　智能制造系统的仿真应用 266
9.1  仿真技术的发展状况 268
9.2  常用的仿真软件介绍 269
9.2.1  Flexsim 270
9.2.2  Arena 271
9.2.3  AutoMod 272
9.2.4  Plant Simulation 273
9.3  Witness仿真软件 274
9.3.1  Witness 用户界面 275
9.3.2  Witness 的建模元素 278
9.3.3  Witness仿真应用实例 294
本章小结 309
思考题与习题 310

参考文献 311

本书是“高等院校智能制造人才培养系列教材”之一，面向智能制造相关专业，以培养适应智能制造发展需求的人才。本书以离散型智能制造系统等作为主要研究对象，在分析智能制造的定义、特点与关键技术的基础上，介绍智能制造系统的发展过程、智能制造系统建模与仿真的概念和原理，阐述智能制造系统建模与仿真的模型元素、建模方法及其应用步骤，分析智能制造系统建模与仿真中的关键技术，介绍主流仿真软件的功能、特点及其使用过程。书中提供了多个智能制造（生产）系统建模与仿真的研究案例，通过案例展现了智能制造系统建模与仿真技术的功能及应用。本书不仅配有丰富的思考题和习题，还配套相关电子资源，以满足读者需求。本书是高等院校智能制造相关专业的教材，也可供智能制造系统设计、新产品研发、企业运营管理、设施规划等领域的技术人员和管理人员参考。

周俊，上海工程技术大学，副教授。2007 年3 月日本琦玉大学理工学研究科生产科学专攻，博士毕业，获工学博士学位，主要从事知识工程在生产领域的应用，企业信息化管理，以及复杂产品创新设计的知识融合理论研究；随后在日本富士通株式会社担任研究员，从事PDM/PLM开发，和企业信息化共享等研究；2007 年9 月-2009 年5 月，日本大阪大学人工智能研究所知识工程研究室助教，在完成教学工作的同时，从事基于本体、语义网在生产科学、及医学领域中的应用研究；2009 年10 月至今，上海工程技术大学机械工程学院教师，结合自己的教学方向主要从事生产系统建模与仿真、企业资源计划（ERP）研究，以及产品创新的研究；2012 年7 月-2013 年7 月，日本首都大学东京系统工程研究科客员研究员，主要从事系统工程中产品服务系统的研究，为企业可持续化生产和制造提供方法和理论依据。在智能制造工程专业担任《智能制造基础》《生产系统建模与仿真》《智能生产线实训技术》等多门主干课程教学，多次参加、中国互联网研究院和标准化研究所、高等研究院等主办的各类智能制造技术培训。参与校企（海尔数字科技有限公司）合作智能制造实训线技术方案的设计；主持上海电气集团自动化锂电池智能产线的建模与仿真优化项目，项目中标获得好评。近年带领研究生从事智能设备故障诊断研究，在国际会议及核心期刊多次发表论文。