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第5章Witness仿真系统5.1Witness综述Witness是由英国lanner公司推出的功能强大的仿真软件系统。它可以用于离散事件系统的仿真,同时又可以用于连续流体(如液压、化工、水力)系统的仿真。目前已被成功运用于国际3000多家知名企业的解决方案项目,如Airbus公司的机场设施布局优化、BAA公司的机场物流规划、BAESYSTEMS电气公司的流程改造、Exxon化学公司的供应链物流系统规划、Ford汽车公司的工厂布局优化和发动机生产线优化、TreborBassett公司的分销物流系统规划等。目前,Lanner公司已经在包括澳大利亚、巴西、法国、德国、中国、意大利、日本、韩国、南非、美国、英国等25个国家和地区设立代理,负责软件的推广和技术支持等工作。5.2Witness元素——模型的重要组成部分现实的生产或物流系统总是由一系列相互关联的部分组成。比如制造系统中的原材料、机器设备、仓库、运输工具、人员、加工路线或运输路线等;服务系统中的顾客、服务台、服务路线等。Witness软件使用与现实系统相同的事物组成相应的模型,通过运行一定的时间来模拟系统的行为。模型中的每个部件被称之为“元素(Element)”。该仿真软件主要通过如下五类元素来构建现实系统的仿真模型:离散型元素、连续型元素、运输逻辑型元素、逻辑型元素、图形元素等。5.2.1离散型元素离散型元素是为了表示所要研究的现实系统中可以看得见的、可以计量个数的物体,一般用来构建制造系统和服务系统等,主要包括:零部件(Part);机器(Machine);输送链(Conveyor);缓冲区(Buffer);车辆(Vehicle);轨道(Track);劳动者(Labor);路径(Path);模块(Module)等。1零部件(Part)零部件是一种最基本的离散型元素,它可以代表在其他离散型元素间移动的任何事物。如产品、电话交流中的请求、微型电子元件、超市中川流不息的人、医院中的病人、机场中的飞机及行李等。零部件进入模型主要有两种方式。第一种方式是被动式的,只要有需要,零部件可以无限量进入模型。如在制造企业中,一些零部件堆放在仓库中,当生产需要时,可以随时把它取出来供应生产。第二种方式是主动式的,零部件可以间隔一定时间(例如,每隔10分钟)进入模型;也可以按照一定的随机分布进入模型,如顾客到达商店的时间间隔服从均匀分布;也可以以不规则的时间间隔(例如,10分钟,20分钟,30分钟)到达模型;还可以以重复的不规则的方式进入模型。2机器(Machine)机器是获取、处理零部件并将其送往目的地的离散元素。不同的机器代表不同类型的处理过程。一台机器可建立不同的模型,它可以代表有装载、旋转、卸载、空闲和维护这五个状态的一台车床;也可以代表有空闲、工作、关闭三个状态的一个机场登记服务台(将旅客与他们的行李分开,并发放登机卡);还可以代表有焊接、空闲和维护三个状态的机器人焊接工等。3缓冲区(Buffer)缓冲区是存放部件的离散元素。例如存放即将焊接的电路板的储藏区、盛放产品部件的漏斗型容器等都称为缓冲区。缓冲区是一种被动型元素,既不能像机器元素一样主动获取部件,也不能主动将自身存放的部件运送给其他元素;它的部件存取依靠系统中其他元素主动地“推”或“拉”。我们通过利用缓冲区规则,使用另一个元素把部件送进缓冲区或者从缓冲区中取出来。部件在缓冲区内还按一定的顺序整齐排列(例如,先进先出,后进先出)。4劳动者(Labor)劳动者是代表资源(例如,工具或操作工人)的离散元素。它一般负责对其它元素进行处理、装配、修理或清洁。如从事精密工作的机器人、一台选矿机或一个固定装置都是劳动者。我们可以对各种类型的劳动者设置不同的班次,可以在模型中加入班次的构成。假如另外一个元素要完成更重要的任务,我们可以从元素中撤离劳动者到该元素中去。这就是劳动者使用的优先权。离散系统仿真实例—工作流程某精神病医院有15张床位。患者每天求医的频率服从整数均匀分布[1,3]。来者想要进行一项测试,测试结果为(30,45)的均匀分布,如果分数高于42分,则不住院。如果一个患者来入住,病床不足,若住院病人中有分数高于47分的,则该病人出院让患者入住,否则,无法收治该患者。住院病人的医治效果为测试分数按(-0.2,1.2)均匀分布每天变化,分数达49则出院。现要求对该医院进行为期1000天的仿真,计算系统中各病人的平均住院时间,病房利用率,无法收治患者数量,挤出系统的患者数量。离散系统仿真实例—实体元素定义元素名称类型个数说明PatientsPart1系统中病人QueueBuffer1进入检查模块的队列CheckMachine1医生测试患者初始分数ScoreAttribute1病人的分数属性StraightoutMachine1办理直接出院手续SickbedsBuffer15医院病床CureffectVariable1医生每天对患者的治疗效果CuringMachine1每天为患者治病AheadoutMachine1提前出院NormaloutMachine1正常出院BuffBuffer1提前出院前的缓冲离散系统仿真实例—运行效果图Transport元素页面5输送链(Conveyor)输送链是一种可以实现带传送和滚轴传送的离散性元素。如机场里运送行李的传送带、将卡车车体沿生产线移动的传送装置、将空纸盒送往包装操作的滚轴传送装置等都可以称为输送链。Witness提供了两种输送链:固定式(Fixed)和队列式(Queuing):1.固定式(Fixed):这是一种保持部件间距不变的输送链。假如该输送链停止了,它上面的部件间的距离仍保持不变。2.队列式(Queuing):这种输送链允许部件的累积。假如该输送链上的部件被阻塞,部件会不断地滑在一起,直到这个输送链被塞满。6路径(Path)路径是设定部件和劳动者(或者其它资源)从一个元素到达另一个元素所经路径的离散元素。我们在模型中可以用它来代表现实系统中行程的长度和实际路线。当运动时间对于两项操作非常重要时,路径对于提高模型的精确性是特别有用的。在一个制造单元的模型里,一个操作制数台机器的操作者要控,在各台机器之间的走动时间是完成整个任务总时间的重要组成部分。此时,路径就起到了作用。路径还有其它用途,例如,仓库贮存的模型、机场或医院的规划等。只有在必要时我们才使用路径。假如模型中的元素有很长的周期时间而且它们间的行程很短,那就不必采用路径。路径的使用应基于建模对象,在某些情况下用轨道或车辆代替路径可能会更合适。7车辆(Vehicle)车辆是一种离散元素,我们用它来建立的装置模型可以将一个或多个部件从一个地点运载到另一个地点。例如,卡车,起重机,铲车等。车辆沿着轨道(track)运动。虽然车辆实际上自身在移动,但却是轨道定义了物理布置图,并包含了使系统运行所需的逻辑关系。在Witness里建立运输系统应按照如下两个步骤:1.设计轨道布置图和运载路线。这需要创建所需的轨道和车辆,并且详细说明车辆在轨道之间移动所需的细节。这一步不需要考虑部件怎样装上车辆或怎样从上面卸载下来。2.详细说明我们所定义的车辆怎样来满足运输的需要。它有两种方式,可能是被动式的,也可能是主动式的。8轨道(Track)轨道是一种代表车辆运输部件时所遵循的路径的离散元素。它也定义了车辆装载,卸载或停靠的地点。车辆所走的路径是由一系列轨道组成的。每条轨道都是单向的,假如你需要一条双向的轨道,只需定义两条沿相同线路但方向相反的轨道就可以了。车辆在“尾部”(rear)进入轨道,并向“前部”(front)运动。一旦到达前部,该车辆可以进行装载,卸载或其它的操作。9模块(Module)模块是表示其他一些元素集合的离散元素。有了模块,我们就可以在模块内部建立具有自处理功能的模型。例如,一家工厂的油漆店可能由许多Witness的元素构成。我们可以定义一个包括所有这些元素的“PSHOP”模块。然后对这家油漆店以外的其它元素定义一些规则来驱动“PSHOP”。5.2.2连续型元素同离散型元素相对应,连续型元素用来表示加工或服务对象是流体的系统,比如化工、饮料等。连续型元素主要包括:流体(Fluid);管道(Pipe);处理器(Processor);容器(Tank)。连续系统仿真实例---工作流程假定平均每小时下达一批120听的工作单,接到工作单后调度系统往车间发送空易拉罐,发送后进入冲洗组进行冲洗,冲洗完以后送到检验组,检验组对易拉罐进行检验,检验以二项分布BINOMIAL(0.97,1,1)为标准,检验不合格的返回冲洗组重新冲洗,合格的易拉罐送往灌装组,灌装组以10听/min(235ml/听)的速度往空易拉罐中灌装饮料,然后传往封装组,封装组用3min时间将24听饮料装为一箱,最后输送到仓库。饮料在灌装前要在一个100L的杀菌器中经过45min杀菌处理,然后经过管道输送到200L的存储容器中等待灌装,提取组根据该容器的饮料容量提取散装饮料,当存储容器中的饮料小于70L时,提取组以一分钟一批约10L的速度提取散装饮料,当杀菌器中的饮料多余80L时不再提取,杀菌器开始杀菌。连续系统仿真实例---实体元素定义元素名称类型数量说明DrumPart1散装饮料TinPart1易拉罐BufBuffer4临时库存EmptydrumMachine1散装饮料提取FilltinMachine3罐装WashMachine1钢材冲洗组中心InspectionMachine2检验组PackMachine1装箱/封装组ToinspectionConveyor2从冲洗组到检验组的输送系统TopackConveyor1从罐装组到装箱/封装组输送系统ToshipConveyor1从装箱/封装组到库存的输送系统BeansFluid1液体计量CookerTank1杀菌后饮料贮备容器ProcessProcessor1杀菌器PipePipe3饮料输送系统连续系统仿真实例—仿真运行效果5.2.3运输逻辑型元素运输逻辑型元素用于建立物料运输系统。主要包括:运输网络(Network);单件运输小车(Carriers);路线集(Section);车辆站点(Station)5.2.4逻辑元素逻辑元素是用来处理数据、定制报表、建立复杂逻辑结构的元素,通过这些元素可以提高模型的质量和实现对具有复杂结构的系统的建模。逻辑元素主要包括:属性(Attribute);变量(Variable);分布(Distribution);函数(Function);文件(File);零部件文件(Partfile);班次(Shift)等。5.2.5图形元素图形元素可以将模型的运行指标在仿真窗口动态地表现出来。主要包括:时间序列图(Timeseries);饼状图(Piechart);直方图(Histogram)。1时间序列图(TimeSeries)时间序列图是以图形方式来画出仿真随时间变化的值,从而表现仿真结果的图形元素。垂直的Y轴代表值,水平的X轴代表时间,可以选择以下的一种方式来表示X轴。仿真时间。当一个点在X轴上被标注时一个仿真的时间就被记录下来。表达式。不论何时,只要表达式被求值,一个标注点就被确定下来,而且标注该点的仿真时间被记录在X轴上。24小时制。X轴以24小时制列出小时数。12小时制。X轴根据12小时制列出小时数。8小时制。X轴根据8小时制列出小时数。1小时制。X轴以1,2,3等列出小时数。时间序列在预测模型的趋势和周期是非常有用的,因为它们提供了给定值的历史数据以及静态的平均值和标准差。2饼状图(PieChart)饼状图用来在仿真窗口表示仿真结果并可用于显示一个或一组元素的图形元素。例如,我们可以用一个饼状图来表示一个给定时间段的空闲时间、装配时间和工作时间。3直方图(Histogram)直方图是一种在仿真窗口用竖条式的图形来表示仿真结果的图形元素。在模型中适当的地方我们可以用“
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