WITNESS环境下基于改进型IDEF3方法的离散事件仿真建模

第38卷第6期　2004年6月上海交通大学学报JOU RNAL O F SHAN GHA I J I AO TON G UN I V ER S IT YV o l .38N o.6　Jun .2004　投稿日期:2003204212基金项目:上海市自然科学基金资助项目(02ZH 14060)作者简介:夏守长(19742),男,湖北省红安县人,博士生,研究方向为物流供应链、离散事件仿真.电话(T el .):021*********;E 2m ail :buildself 66@vi p .sina .com . 文章编号:100622467(2004)0620892205W ITN ESS 环境下基于改进型I D EF 3方法的离散事件仿真建模夏守长,　奚立峰,　王炬香,　胡宗武(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030)摘　要:针对W ITN ESS 仿真环境下,复杂离散事件仿真建模过程中出现的大量顺序、并行、同步、冲突及因果依赖等关系,提出采用改进型I D EF 3方法进行仿真建模.采用仿真规则与交汇点集成、行为单元与仿真信息数据集成的原则进行建模;同时在I D EF 3方法的基础上,建立新的行为单元,达到了仿真单元的可重用和可重构性,大大提高了仿真建模的速度,减少了建模难度.最后,给出了在改进型I D EF 3方法下进行离散事件仿真的框架,并在仿真软件W ITN ESS 的基础上,通过实例详细描述了建模过程.关键词:改进型I D EF 3方法;离散事件;仿真建模中图分类号:TH 166 文献标识码:AS i m ula tion M ode ling of D is c re te Eve nt B a s e d on theI m p rove d I D EF 3M e thod Us ing W ITNES S S oft w a reX IA S hou 2chang ,　X I L i 2f eng ,　W A N G J u 2x iang ,　H U Z ong 2w u(Schoo l of M echan ical Eng .,Shanghai J iao tong U n iv .,Shanghai 200030,Ch ina )Abs tra c t :A n i m p roved I D EF 3m ethod w as p resen ted to describe a great lo t sequence ,p aralleling ,syn 2ch ron izati on ,conflict and con sequence relati on du ring discrete even t si m u lati on u sing W ITN ESS softw are .In tegrated p rinci p les of sem an tic m ethods and si m u lati on ru les of juncti on along w ith in tegrated m ethods of info rm ati on data and un its of behavi o r w ere p u t fo rw ard fo r the reconfigu rati on and reu se of si m u lati on u 2n its .N ew behavi o r un its w ere also advanced to si m p lify the m odeling p rocess .A t last ,a fram ew o rk of si m u lati on and disp atch ing ru les w ere given based on the i m p roved I D EF 3m ethod .T he detailed m odeling p rocess w as dem on strated th rough W ITN ESS si m u lati on softw are .T he m ethods cou ld i m p rove greatly the sp eed of si m u lati on m odeling and decrease the difficu lty of m odeling .Ke y w o rds :i m p roved I D EF 3m ethod ;discrete even t ;si m u lati on m odeling I D EF 的基本概念是在20世纪70年代提出的结构化分析方法基础上发展起来的.I D EF 方法提供了一种可视化建模的工具,即将模型中的信息用标准图形元素直观地表达.可视化建模的思想主要目的就是让用户、分析人员、测试人员、管理人员及其他涉及项目人员之间进行有效地沟通.这样,建模的过程既可以跟踪从业务需求→要求→模型→代码的过程,也可跟踪相反的过程,而不会在建模过程中迷失方向.在仿真建模方面,I D EF3方法是一个很有效的工具[1～3].W ITN ESS是A T&T IST EL公司开发的一种功能强大、主要用于离散事件仿真的工具软件,该软件既适用于生产系统的仿真,又能适用于其他领域的仿真.W ITN ESS工具软件的使用既可以为企业生产系统的规划与实施提供模拟环境,又可以为生产系统的资源合理利用、生产调度决策提供一种良好的策略[1,2,4].由于离散事件仿真过程中存在大量的顺序、并行、同步、冲突及因果依赖等关系,故仿真建模过程中很容易出现局部或整体调度的问题,这就需要一种强有力的工具去支持离散事件仿真的建模.I D EF3方法能够部分地解决以上所提到的仿真过程中的顺序、并行、同步、冲突及因果依赖等逻辑关系[2,4],但对于复杂仿真过程的建模,I D EF3提供的方法首先是功能欠缺,所提供的行为单元有限.其次是建模过程烦琐,需要对每一个简单的过程都提供流程,这样在建模过程中,不需要详细的地方非常详细,而需要详细的地方又表达得不完整.最后是建模功能与仿真语言之间表达存在间隔,即模型的语义逻辑关系还不能立即为仿真语言所表达.本文基于COM的思想,以制造单元仿真为例,扩充了I D EF3方法的行为单元的类型,使得I D EF3表达的建模过程更完整简洁;同时,提出仿真规则与交汇点集成、行为单元与仿真信息数据集成的原则能更完整清晰地描述建模过程,以便行为单元的重用和重构.1　改进型I D EF3的仿真建模实现1.1　I D EF3的行为单元和交汇点语义规则I D EF3通过一些基本元素的组合描述复杂的问题.I D EF3弥补了I D EF0不能反映时间和时序的问题,因此它可以和仿真软件相结合,检验过程的合理性并指导过程重构,实现优化.I D EF3采用以过程为中心和以对象为中心的方法进行建模.I D EF3描述语言的主要语法元素有:(1)行为单元(un it of behavi o r,U OB);(2)交汇点(juncti on);(3)联接(link).每个U OB代表着现实世界的过程.U OB之间的箭头称为顺序联接,它表明了过程之间时间上的先后顺序.I D EF3中引入交汇点说明各过程分支之间的逻辑关系.它借助类型多样的交汇点获得现实世界过程中各分支的语义.交汇点完成过程的描述有:(1)一个过程可分叉或分为两个以上的过程路径;(2)两个或两个以上的分叉汇合为一个过程的路径.交汇点简化了对各多路径间顺序或时间关系的描述获取.交汇点按照逻辑语义含义可分为:与(&)、或(O)及异或(X).基于过程描述中逻辑描述上的分叉或汇合,又可进一步划分为“扇入”或“扇出”型交汇点.同时,又可以根据所关联行为单元时间上的同步或异步关系进行分类.交汇点逻辑语义的表示形式如图1所示.图1　交汇点逻辑语义关系图F ig.1　L ogic sem an tic relati on chart of juncti on 通过U OB和交汇点就可以描述仿真建模中大量的并行、同步、冲突及因果依赖关系,而这些关系在离散事件中很常见.对这些事件的描述和解决是仿真建模中最关键的地方.在建模过程中,通过交汇点语义能定义其调度规则,而通过U OB则能定义仿真信息数据.但是,仅上述的几种逻辑语义和U OB是不够的,仿真过程中出现一些其他逻辑关系并不能为上述语义关系所反映,同时缺乏建立语义关系、仿真规则、仿真数据同U OB之间的桥梁.1.2　改进型I D EF3的仿真实现及规则的封装1.2.1　顺序逻辑关系　仿真过程中,经常出现大量的顺序过程,中间没有交叉、并行、冲突等关系,该过程的仿真调度规则很简单,但在建模型过程中,如果完全描述这一系列的过程,将使得建模非常烦琐.I D EF3方法并没有提供这一单元,本文在I D EF3方法的基础上,设计了一个新的行为单元,如图2所示.图中:M表示U OB的编号,N表示加工工序的个数.对该类顺序过程的描述,直接使用W ITN ESS 仿真语言进行表达:{pu ll from前一加工机器名称at fron t o r rear}或者398　第6期夏守长,等:W ITN ESS环境下基于改进型I D EF3方法的离散事件仿真建模图2　顺序逻辑关系图F ig.2　L ogic relati on chart of sequence1.2.2　分支逻辑关系　所谓分支主要是多个或同一产品在生产线上经过一道工序后,下一个加工点可以往多个工序进行加工,分支点语义的实现关键是调度规则要保证不同的产品送到下一个希望送到的工序.在建模过程中,分支逻辑关系可以使用异步与、同步与或者异或型的交汇点表示,其仿真调动规则可以使用以下仿真语句(其中的条件设置可以根据不同的要求进行):{IF零件属性=设定值1 PU SH to设备1EL SE IF零件属性=设定值2 PU SH to设备2EL SE IF零件属性=设定值3 PU SH to设备3…END IF}同时,分支语义也可以表示零部件在加工过程中有一定的废品产生或者加工零部件的一部分送往工序M,一部分送往工序N,这时,可以运用下列调度规则:PERCEN T stream设备1at R ear percen tage1,设备2at R ear percen tage2,…,1.2.3　同步逻辑关系　同步语义要表示的仿真调度规则的定义是在某一个工序进行之前所有的加工零部件必须同时到达或者加工完后同时离开,这个过程的建模可以使用异步与或者同步与交汇点表示,而调度规则可以使用以下仿真语句:SEQU EN CE W ait　零部件位置1,零部件位置2根据需要,IF语句可以实现更复杂的同步要求.1.2.4　因果逻辑关系　因果逻辑关系主要出现在产品加工过程中,出现两个或者多个零件在经过某一工序后组成一个部件或组件.因果逻辑关系的表达,借助于异步与、同步与或者异或型的交汇点即可以表示,它不需要任何调度规则.1.2.5　冲突逻辑关系　冲突在制造过程中经常出现,主要包括资源冲突、人力冲突、设备冲突、路径冲突和库存冲突.对这些冲突,在建立模型过程中,并不需要设计专门的交汇点反映,良好的仿真规则是解决冲突逻辑关系的最佳方式.但是,通常调动规则非常复杂,这一方面依赖于仿真者对仿真语言的熟悉程度,另一方面也依赖建模者的经验.冲突语义的解决是仿真过程的难点,也是重点.资源冲突、设备冲突和库存冲突的解决,很多时候通过FO R语句、IF…END IF语句和PU LL以及P ISH语句进行实现.而路径冲突的解决则通过CALL以及V SEA RCH来实现.1.2.6　过程单元的定义及功能　所谓过程单元,在仿真建模过程中并不是真正地发挥作用,而是为了仿真建模的顺利进行而定义的.由于I D EF3方法本身对建模的要求,故模型的描述必须遵从I D EF3方法.引进新的过程单元见图3所示,对于建模者意思的表达更完整清晰.图3　过程行为单元F ig.3　P rocess UOB1.3　UOB与仿真数据的封装W ITN ESS提供了7种主要的仿真单元:En tity{Part,M ach ine,L abo r,Conveyo r,Buffer,V eh icle,T rack}其基本上可以表示所有的现实中的离散事件对象.在顺利地表达了各种仿真逻辑关系后,将U OB与仿真数据进行封装,便完成了建模过程.仿真需要的基本数据与U OB进行封装可以表示为: En tity{ N am e; 名称CycleT i m e; 加工时间N um ber; 实体个数Inpu tQ ty; 输入数量En tityK ind; 实体类型L abo r; 工人数量B reakdow nT i m e; 出故障时间R epairT i m e; 修理时间O u tpu tQ ty; 输出数量SetupT i m e; 准备时间Buffer; 缓冲量}对上面数据进行定义即可完成仿真数据的封装.1.4　离散事件仿真过程基于改进型I D EF3方法的离散事件仿真过程如图4所示.由于仿真规则与交汇点进行了集成,行为单元与仿真信息数据也进行了封装,故只需要改进型I D EF3方法建模的结果和其他必要的仿真数据,就可以进行方便地仿真.对于复杂过程的离散事498 上　海　交　通　大　学　学　报第38卷　件仿真,只需要改变改进型I D EF 3中的调度算法,如借助启发式搜索方法、分枝定界法、A 2T eam s 等优化方法,就可以进行仿真.图4　基于改进型I D EF 3方法的离散事件仿真过程F ig .4　T he si m u lati on p rocess of discrete even tsbased on i m p roved I D EF 3m ethod2　改进型I D EF 3方法在仿真建模中的应用 改进型I D EF 3方法将图形语言建模方法应用于离散事件建模过程中,它不仅解决了建模过程中自然语言表达的不精确性和二义性,又可以将建模同仿真语言的描述结合起来,大大地加快了仿真的过程.本文以W ITN ESS 为仿真平台,以某工厂的生产制造过程仿真为例,将改进型I D EF 3方法用于仿真过程的建模.某工厂生产2种变速箱设备,分别称之为三档轴和四档轴.这2种产品计划的年产量均为10万台.由于在生产过程中需要使用大量的昂贵设备,这些昂贵设备一方面生产效率高,不充分使用会造成设备产能很低;另一方面,机床布局按流水线布置,若干道工序需使用同样的设备,故厂方希望采用共用昂贵设备的方式进行生产.但大量设备共用会导致物流的不顺畅而使年产量达不到计划要求,同时还需要解决:生产过程中是否存在严重的堵塞,即瓶颈问题;暂存地的设立是否合理,缓冲站的空间是否满足要求;生产设备(包括昂贵设备)的数量是否能满足生产的要求;人员的安排是否合理,是否可以一人多机的管理模式;设备利用率是否合理.因此,在进行投资建设之前,希望通过仿真的方式进行模拟整个生产过程,以提前发现问题和解决问题.在利用W ITN ESS 进行仿真时,可以借助于改进的I D EF 3方法进行仿真建模,这样可以容易地解决生产过程中的并行、同步、冲突、因果依赖关系以及仿真数据的封装.采用改进的I D EF 3方法建立的仿真模型如图5所示.图5　基于改进型的I D EF 3方法的仿真实例F ig .5　T he si m u lating examp le based on i m p roved I D EF 3m ethod598　第6期夏守长,等:W ITN ESS 环境下基于改进型I D EF 3方法的离散事件仿真建模 图5中出现的逻辑语义关系采用前面所对应的仿真规则,行为单元则可以实现仿真数据的封装,所以整个建模过程很顺利.由图可见,利用顺序单元表示一系列加工工序,如U OB编号6、8、9、10、11、12、15、17和18;利用过程单元表示虚加工工序,如过程1～过程5;零件加工表示某一具体加工工序,如U OB编号7、13、16和19;交汇点异步或型表示前面或后面的加工过程不需要同时完成;交汇点异或型表示过程分支只有一个加工过程可以完成;交汇点同步与型表示交汇点前面的加工过程必须同时完成;交汇点同步或型表示交汇点前面或后面的加工过程一条或多条同时完成. 利用W ITN ESS仿真软件仿真,可以得到如下的结果:(1)一天可以生产三档轴和四档轴的产量分别为412和405个,每年按250个工作日计,年产量可分别达到10.3万台套和10.125万台套,超过计划产量,昂贵设备的生产能力可以满足产量的要求.(2)生产过程中,最高的设备(昂贵设备)利用率为100%,最低设备利用率为26%,通过仿真报告,可以得出未出现瓶颈问题,设备利用恰当.实际使用过程中设备的利用率比较接近仿真结果.(3)工人的最大利用率为45%,最小为21%,劳动力分配合理,在某些连续工位可以实现一人多机的管理模式.(4)缓冲站未出现堵塞的现象,故缓冲的大小和位置设置合理.3　结　论(1)改进的I D EF3方法可大大提高仿真建模速度,防止建模过程的疏漏和语义规则定义所出现的错误.(2)交汇点逻辑关系和仿真规则的集成、新的行为单元的提出以及仿真数据与行为单元的集成可大大简化仿真建模过程,提高了建模效率,实现了仿真单元的可重构和可重用,即仿真单元的“即插即用”.(3)改进型I D EF3的离散事件建模方法对大型复杂离散事件仿真的解决,是一个行之有效的方法,对仿真单元的进一步开发和扩充将使仿真过程变得更加灵活和容易.参考文献:[1]　Jeong K i2Young.Concep tual fram e fo r developm en tof op ti m ized si m u lati on2based schedu ling system s[J].Expert Syste m s with Applica tion s,2000,18(1):299-306.[2]　陈禹六.I D EF建模分析和设计方法[M].北京:清华大学出版社,1999.[3]　Bu tler Keith A,Bah ram i A li,E spo sito Ch ris,et a l.Concep tual models fo r coo rdinating the design of u ser w o rk w ith the design of info rm ati on system s[J].Da ta&Knowledge Eng i neer i ng,2000,33(2):191-198. 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