生产系统建模与仿真

智能工厂概念方兴未艾，智能工厂建设如火如荼。智能工厂始于科学的规划设计，该阶段的任务包括设施布局设计、物流设计、资源配置、运行参数设计等。生产系统建模与仿真是智能工厂的重要使能技术，其目的在于： 建立系统级仿真模型，通过模拟、验证、优化等手段，实现低成本、快速、科学的工厂设计，当产品、工艺或物流发生变化时，在物理工厂调整之前，针对虚拟工厂先进行重构分析，从而找到最佳改善方案，持续保障工厂效能。如果将工厂视为一个“产品”，生产系统仿真(production system simulation, PSS)和计算机辅助工程(computer aided engineering, CAE)具有类似的作用，其目的是基于虚拟环境进行定量分析与优化，从而让未来的物理“产品”性能更佳。因此，新一代智能制造人才有必要全面理解和掌握生产系统建模与仿真这一基本技术，并能在智能工厂实践中灵活运用。
大多数生产系统是结构和行为异常复杂的离散事件系统，其基本的建模和仿真方法已形成了较为成熟的理论。这个专业领域现有的教材大致可分为两类： 一类教材偏重理论，对于离散事件仿真方法、概率论和随机过程等基础知识介绍较多，但较少提及仿真引擎的实现原理、分析方法和工程应用； 另一类教材偏重应用，但主要是介绍国外仿真软件的使用。目前，还没有一本教材能够围绕智能工厂的性能分析需求，以国产仿真软件为对象，详细讲解生产系统仿真建模、仿真引擎、仿真分析和仿真优化方法，这也是作者撰写本书的动机。
本书作者一直从事智能工厂与数字化车间相关技术的研究，并对标国外先进软件，自主研发了一套生产系统建模与仿真软件——FactorySimulation。在该软件的研发与应用过程中，作者对于生产系统建模与仿真的基本原理和实现技术有了较为透彻的理解，这些经验也将在本书中进行介绍。
本书共分为5章，各章内容如下： 
第1章为生产系统建模与仿真概述。介绍了生产系统的基本概念，概述了虚拟建模与仿真的基本目标、相关理论技术和软件产品，并总结了生产系统建模与仿真的基本过程。
第2章为生产系统仿真建模。提出了生产系统仿真模型的三个子模型： 对象模型、数据模型和活动模型，然后针对这三个子模型的建立过程进行了详细阐述。
第3章为生产系统仿真引擎。从仿真软件的实现角度出发，介绍了生产系统仿真引擎的基本实现框架，阐述了离散事件基础仿真引擎的实现原理，并讨论了仿真动画和数据显示引擎、脚本解析执行引擎两项关键支持技术。
第4章为生产系统仿真分析与优化。提出了生产系统仿真分析与优化的基本任务，从生产系统性能评估分析、基于仿真实验的系统参数优化、与算法相结合的仿真优化三个方面详细介绍了生产系统仿真分析与优化的实现过程。
第5章为生产系统建模与仿真软件。以自主研发的FactorySimulation仿真软件为对象，综合介绍了仿真软件的功能和具体应用过程。
本书中FactorySimulation软件的研发过程得到了国防领域工业软件项目和湖北省科技重大专项（2021AAB001）的经费支持，以及“国家智能设计与数控技术创新中心”平台的支持，在此表示衷心感谢； 另外，感谢关辉工程师、甄国辉和沈洌政等研究生在本书撰写过程中提供的协助。
由于作者水平有限，书中难免有一些错误或不当之处，恳请广大读者批评指正。

作者2022年4月

生产系统建模仿真的目的是定量分析工厂性能并进行优化改善。生产系统建模仿真软件是智能工厂建设和运行阶段不可缺少的关键工具软件，也是我国“卡脖子”的工业软件。本书作者根据自研工厂仿真软件的经验，系统性介绍了生产系统建模仿真的原理和关键技术，以FactorySimulation软件为对象，对生产系统建模与仿真要要点进行了全面解读，并结合工程案例，介绍了工厂仿真的应用过程。本书可用于机械类专业本科生的智能制造专业教材，以及相关专业（如机械、工业工程、自动化、计算机、仪器仪表、管理科学与工程等）的学生学习生产系统建模与仿真课程。

朱海平,华中科技大学机械学院工业工程系教授、博士生导师，“制造装备数字化”国家工程研究中心和广东省“智能制造工业大数据创新团队”核心成员。研究方向为制造系统建模与优化、质量可靠性与维修决策、智能制造和数字化车间应用等。作为负责人先后主持完成国家级科研项目十余项，发表学术论文100余篇，为几十家制造企业提供了智能工厂咨询与实施服务，研究成果获4项国家和省部级科技奖励。

第1章生产系统建模与仿真概述

1.1生产系统概述

1.1.1系统

1.1.2离散事件系统

1.1.3生产系统

1.2系统建模与仿真的基本概念

1.2.1模型与仿真

1.2.2离散事件系统仿真

1.3生产系统建模与仿真的目标

1.3.1生产系统的性能指标

1.3.2建模与仿真的意义

1.4生产系统建模与仿真的相关理论与技术

1.4.1概率论与统计分析

1.4.2随机过程

1.4.3排队论

1.4.4Petri网方法

1.4.5离散事件系统仿真方法

1.4.6调度问题及其优化算法

1.5生产系统建模与仿真软件

1.5.1软件基本框架

1.5.2主流仿真软件

1.5.3仿真软件的现状小结

1.6生产系统建模与仿真的基本过程

1.6.1仿真目标定义

1.6.2基础数据收集

1.6.3仿真建模

1.6.4仿真分析与优化

第2章生产系统仿真建模

2.1生产系统仿真模型的三个子模型

2.2对象建模

2.2.1生产设施对象

2.2.2物流设施对象

2.2.3工件对象

2.2.4资源对象

2.2.5逻辑对象

2.2.6对象建模示例

2.3数据建模

2.3.1对象属性数据

2.3.2生产基础数据

2.3.3仿真输入数据

2.3.4仿真过程数据

2.3.5仿真输出数据

2.4活动建模

2.4.1生产活动

2.4.2物流活动

2.4.3资源活动

2.4.4维修活动

2.4.5其他活动

第3章生产系统仿真引擎

3.1生产系统仿真引擎的基本实现框架

3.2离散事件基础仿真引擎

3.2.1基本概念

3.2.2任务调度策略

3.2.3随机时间的模拟

3.2.4仿真引擎的工作流程

3.2.5仿真引擎工作示例

3.3仿真动画和数据显示引擎

3.3.1仿真动画的基本原理

3.3.2普通仿真和超实时仿真

3.3.3仿真数据的可视化显示

3.4脚本解析执行引擎

3.4.1仿真脚本语言

3.4.2脚本的作用

3.4.3脚本的解析与执行过程

3.5并行仿真

第4章生产系统仿真分析与优化

4.1生产系统仿真分析与优化的基本任务

4.2生产系统性能评估分析

4.2.1生产能力分析

4.2.2工件通过时间分析

4.2.3缓冲区容量分析

4.2.4物流效率分析

4.2.5设备利用率分析

4.2.6资源效率分析

4.2.7生产瓶颈分析

4.3基于仿真实验设计的系统参数优化

4.3.1实验设计的基本概念

4.3.2仿真实验设计的过程

4.3.3仿真实验示例

4.4与算法相结合的仿真优化

4.4.1生产计划仿真优化

4.4.2设施布局仿真优化

4.4.3机器学习方法

第5章生产系统建模与仿真软件

5.1生产系统建模与仿真软件概述

5.1.1FS的基本应用流程及技术特点

5.1.2FS模型构成元素的类图

5.1.3FS的主界面

5.2FS的使用过程

5.2.1建立仿真模型

5.2.2产生随机时间

5.2.3依据规则投入工件

5.2.4运行仿真

5.2.5记录仿真过程数据

5.2.6结束仿真

5.2.7查看仿真结果

5.2.8仿真分析与优化

5.3脚本编程

5.4生产系统建模与仿真示例

5.4.1装配生产单元仿真示例

5.4.2加工生产线系统仿真示例

参考文献

名词缩略语中英文对照

本书作者根据自研工厂仿真软件的经验，系统性介绍了生产系统建模仿真的原理和关键技术，以FactorySimulation软件为对象，对生产系统建模与仿真要要点进行了全面解读，并结合工程案例，介绍了工厂仿真的应用过程。