第2章 离散事件系统建模与仿真的基本原理
2.1 系统建模与仿真的基本步骤
2.2 离散事件系统建模的基本要素
离散事件系统建模与仿真中的基本元素包括： 1．实体（entity）：系统内的对象,构成系统模型的基本要素 临时实体 （temporary entity ） 永久实体 （permanent entity ） 2．属性（attribute）：实体的状态和特性 3．状态（state）：任一时刻，系统中所有实体的属性的集合 4．事件（event）：引起系统状态变化的行为和起因，是系统状态变化的驱动力。 5．活动（activity）：指两个事件之间的持续过程，它标志系统状态的转移。 6．进程（process）：与某类实体相关的若干有序事件及活动组成，它描述了相关事件及活动之间的逻辑和时序关系。
7．仿真时钟（simulation clock）：用于显示仿真时间的变化，是仿真模型运行时序的控制机
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构 。（ ！！！仿真时钟是指所模拟的实际系统运行所需的时间，而不是指计算机执行仿真程序所需的时间。）
常用的仿真时钟的推进机制：
① 固定步长时间推进机制（fixed-increment time advance mechanism） ② 变步长时间推进机制（variable-increment time advance mechanism）
8. 规则（rule） ：用于描述实体之间的逻辑关系和系统运行策略的逻辑语句和约定 。 常用的规则：① 先进先出（First In First Out，FIFO）② 后进先出（Last In First Out，LIFO）
③ 加工或服务时间最短（shortest time）④ 按优先级（highest priority） ⑤ 随机（random）选择
2.3 离散事件系统建模的常用方法
建立系统模型是复杂的思维过程，它要求建模者具备扎实的专业知识，了解研究对象的结构、参数、运行和性能特征，还要求建模者掌握系统建模的基本方法，熟练应用相关的数学工具和方法。
系统建模要求建模者具备以下能力：
① 对研究对象的分析和综合能力；② 抽象和概括能力；③ 洞察和想象能力； ④ 运用数学工具分析问题的能力；⑤ 设计试验验证数学模型的能力。 系统建模常用的方法有：
① 基于框图的系统逻辑建模方法（如流程程序图）
② 基于Petri网技术的系统仿真建模方法 逻辑上对系统可达到的状态、发生的冲突、
并发等现象进行理论分析
③ 基于系统结构重现的系统仿真建模方法。
2.4 离散事件系统仿真程序的基本结构
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离散事件仿真程序中的子程序：
1．变量、实体属性和系统状态：用来记录系统在不同时刻所处的工作状况。
2．初始化子程序：在仿真模型开始运行前完成模型的初始化工作，产生必要的初试参数。 3．仿真时钟：用于记录仿真模型的运行时间，可作为评价系统性能的依据，也可作为仿真调度和仿真程序是否结束的依据。
4．事件列表：按事件按发生的先后顺序建立的数据列表，是仿真模型运行和仿真时钟推进的依据。
5．定时子程序：根据事件表确定下一个将发生的事件，并将仿真时钟推进到下次事件发生的时刻。
6．事件子程序：根据实际系统抽象出的事件程序。
7．仿真数据处理与分析子程序：用于计算、显示、分析和打印仿真结果，并为系统的优化和改进提供依据。
2.5 系统建模与仿真案例分析
连杆生产线瓶颈环节分析、改进和优化 连杆是汽车发动机的重要组成部分。本案例中的连杆生产线主要由三台数控机床（一台数控铣床、两台数控车床）、两台钻床、一台磨床、一台自动测量、一个检验台和成品测量仪以及两个工作台等组成。
连杆生产线特点分析 ：
①各工位及设备之间具有串联关系。当工件到达的速率大于工位的加工速率或某个工位的加工速率较低时，工件将会出现排队现象。
②排队队列越长，工件等待时间就越长，工位和设备的利用率就会降低，生产线的效率也随之下降。
③为减少排队等待现象、提高生产线的效率，要调整各工位及其设备的性能参数，使各工位的节拍（cycle time）相同或相近。
④可以增加瓶颈工位设备的数量，形成并行工位。
但是，盲目地调整参数或增加设备会造成不仅会增加生产成本、造成设备闲置，还会形成新的瓶颈工位。通过仿真可以寻找连杆生产线的最合理配置，使生产线的配置和生产效率不断优化。
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造成系统效率低的原因分析：
（1）各工位的生产节拍相差较大； （2）由于生产线的工位呈串联方式，前几个工位服务能力的不足导致了零件的等待和堵塞，也使得后续工位处于等待、空闲状态；
（3）检验台、数控机床1、数控机床2、自动测量仪等工位不能提供有效服务的能力，是该生产线的瓶颈工位。
? 改进措施：
为消除生产系统的瓶颈、提高系统的效率，将检验台的容量增加到3个、添加与数控机床1同型号的机床一台，另外增加一名操作工，以分担操作工1的任务，新操作工承担工件在物料传送带、检验台、新数控机床的工作，而操作工1只负责工件在数控机床1、数控机床2、自动监测仪和托盘1的操作，仿真模型中的其它参数和设置保持不变。
再次运行仿真模型，得到各实体的状态指标如表1-7所示。与表1-5相比，由于在瓶颈位置增加了平行工位和资源，连杆在生产线中处于加工状态的比率大幅度增加，处于等待状
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态的比率大幅下降。显然，在调整系统设置后，生产线的性能得到很大改善。
对比两表可以发现：虽然生产线的效率得到改善，但工件在系统中的堵塞率并没有大的改变。原因在于：工件到达模式不合理，进入系统的节拍与各工位的生产节拍不一致。调整工件的到达模式，再次运行仿真模型，得到实体的性能指标如下表所示：
2.6 制造系统仿真的功能分析
根据仿真功能，可以将仿真技术在制造系统中的应用归结为“设计决策（design decision）”和“运行决策（operational decision）”两种类型。
“设计决策”关注制造系统结构、参数和配置的分析、规划设计与优化，它可以为下列问题的决策提供技术支持：
（1）在生产任务一定时，制造系统所需机床、设备、工具以及 操作人员的类型和数量。
（2）在配置给定的前提下，制造系统的生产能力、生产效率和 生产效益。
（3）加工设备或物料搬运系统的类型、结构和参数优化。 （4）缓冲区（buffer）及仓库容量的确定。 （5）企业及车间的最佳布局。
（6）生产线（装配线）的平衡分析及优化。 （7）企业或车间的瓶颈工位分析与改进。
（8）设备故障、统计及维修对系统性能的影响。
（9）优化产品销售体系，如配送中心选址、数量与规模等，降低销售成本。
“运行决策”关注制造系统运营过程中的生产计划、调度与控制，它可以为以下问题的决策提供技术支持：
（1）给定生产任务时，制定作业计划、安排作业班次。 （2）制定采购计划，使采购成本最低。 （3）优化车间生产控制及调度策略。
（4）企业制造资源的调度，以提高资源利用率，实现效益最大化。 （5）设备预防性维修周期的制定与优化。
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