制造系统的建模方法汇总
基于工业工程的智能制造系统建模与仿真
基于工业工程的智能制造系统建模与仿真智能制造系统是当今工业领域的热门话题，其通过应用先进的技术，如物联网、人工智能、机器学习等，实现了工业生产的自动化、智能化和高效性。
在实际应用中，建模与仿真是智能制造系统设计与优化的重要手段。
本文将探讨基于工业工程的智能制造系统建模与仿真方法，旨在提供一种全面且深入的分析。
一、智能制造系统建模智能制造系统建模是对实际生产过程进行抽象和描述的过程，目的是为了理解和优化生产系统的运作。
在工业工程领域中，有许多建模方法可供选择，如离散事件建模、连续系统建模、面向代理的建模等。
根据具体情况，可以选择合适的建模方法。
1. 离散事件建模离散事件建模是将生产系统中的事件抽象成离散的状态转换，通过事件的顺序和时间推进来描述系统的运作。
这种建模方法适用于具有离散事件和决策的系统，如流水线生产、物流运输等。
通过离散事件建模，可以定量评估系统的性能指标，如生产能力、等待时间、工作效率等。
2. 连续系统建模连续系统建模是将生产系统中的参数和变量表示为连续的函数或方程，通过数学模型来描述系统的行为。
这种建模方法适用于涉及连续过程和物流的系统，如化工生产、供应链等。
通过连续系统建模，可以优化系统的参数配置，提高生产效率和资源利用率。
3. 面向代理的建模面向代理的建模是将生产系统中的各个组成部分抽象成独立的代理，通过模拟代理之间的互动来描述整个系统的行为。
这种建模方法适用于多智能体系统中的智能制造系统，如机器人协作、自动化装配等。
通过面向代理的建模，可以研究不同代理的行为和决策对整个系统性能的影响。
二、智能制造系统仿真智能制造系统仿真是通过建模方法来模拟和观察系统的运作，以评估不同策略和决策对系统性能的影响。
仿真可以帮助工程师和决策者更好地理解和改进生产系统，减少风险和成本。
1. 离散事件仿真离散事件仿真是通过运行离散事件模型来模拟生产系统中的事件和决策。
仿真过程中，可以观察系统的各种指标，如生产率、生产能力、资源利用率等。
生产计划与控制--制造系统的建模方法
▪ 容量函数K表示库所的容量。有时，允许某些库所的容量为无 穷，表示这些库所的容量不会对系统的行为构成限制。
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4.4.2 Petri的基本概念
▪ 权函数W规定每个变迁发生一次引起的相关资源数量的变化。 一般地，对于任何（x，y）∈F，0<W<∞。
T={t1，t2，…，tn}为变迁（transition）的集合； F =（P×T）∪（T×P）为输入函数和输出函数集，称为
流关系。
▪ 三元组N=（P，T；F）构成网（net）的充分必要条件：
① P∩T=ф，规定了库所和变迁是两类不同的元素；
② P∪T≠ф，表示网中至少有一个元素；
③ F=（P×T）∪(T×P)，建立了从库所到变迁、从变迁到库所
p)
M ( p)
若p* t t *
若p t * *t 若p* t t * 若p* t *
M’为M之后继（successor）的事实记作M[t>M’。
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4.4.3 Petri网的运行规则
下图是一个petri网系统中变迁t激发前和激发后的标识。
例：根据Petri网的运行规则，按照t1t2t3t4的顺序，依次 对图1中变迁发生进行检查。
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4.4.2 Petri的基本概念
（2）定义2：库所/变迁网系统
六组元∑=（P，T；F，K，W，M0 ）构成库所/变迁网系统 （place/transition system，P/T_系统）的条件是：
① N=（P，T；F）是构成∑的基网； ② K，W，M0分别为N上的容量函数、权函数和初始标识。
制造系统建模与仿真知识点
知识点21. 结合具体制造系统或服务系统，分析离散事件动态系统的基本特征。
2. 什么叫“状态空间爆炸”？产生状态空间爆炸的原因是什么？它给系统性能分析带来哪些挑战？3. 常用的离散事件系统建模方法有哪些，它们是如何分类的？4. 什么是马尔可夫特性？它在离散事件系统建模与分析中有什么作用？5. 根据功能不同，仿真模型（程序）可以分为哪三个层次？分析三个层次之间的关系。
6. 分析事件调度法、活动循环法、进程交互法和消息驱动法等仿真调度方法的特点，在分析每种调度方法基本原理的基础上，阐述几种仿真调度方法之间的区别与联系，并绘制每种仿真调度方法的流程图。
7. 结合具体的离散事件系统，如银行、理发店、餐厅、超市、医院、作业车间等，采用事件调度法、活动循环法或进程交互法分析建立此类系统的仿真模型，试分析仿真模型中的建模元素以及仿真调度流程。
8. 从系统描述、建模要点、仿真时钟推进机制等层面，比较事件调度法、活动循环法和进程交互法的异同之处。
9. 什么叫仿真时钟，它在系统仿真中有什么作用？什么叫仿真时钟推进机制？常用的仿真时钟推进机制有哪些？它们的主要特点是什么，分别适合于怎样的系统？10.结合具体的离散事件系统，分析若采用固定步长时间推进机制、下次事件时间推进机制或混合时间推进机制时，分别具有哪些优点和缺点，以图形或文字等形式分析时钟推进流程。
11.什么叫仿真效率？什么叫仿真精度？分析影响仿真效率和仿真精度的因素？12.从仿真效率和仿真精度的角度，分析和比较三种仿真时钟推进机制的特点，并分析三种仿真时钟推进机制分别适合于什么样的系统？13. 什么是蒲丰投针试验？绘制蒲丰投针试验原理图，通过推导蒲丰投针试验中针与任一直线相交的概率，分析采用随机投针试验方法来确定圆周率π的原理。
14. 按照蒲丰投针试验的条件和要求，完成投针试验，在统计投针次数、针与直线的相交次数的基础上，求解π的估计值，并以报表或图形等形式表达试验结果。
华中科技大学 生产系统建模仿真 复习要点(知识点)
1、什么是仿真？什么是离散系统的仿真？仿真（Simulation），即使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目仿真项目整体的层次上表示的。
项目仿真利用计算机模型和某一具体层次的风险估计，一般采用蒙特卡洛法进行仿真。
系统的状态只在离散时间点上发生变化，而离散时间点一般是不确定的、随机的。
对这种系统的仿真就是离散系统的仿真。
2、为什么需要做仿真？人们对复杂事物和复杂系统建立数学模型并进行求解的能力有限。
计算机仿真技术可以可以预演或再现系统的运动规律或运动过程，利用它可以对无法直接进行实验的系统进行仿真试验研究，从而节省大量的能源和费用。
3、仿真要做那些准备工作？1．阻抗控制2．分配器件模型系统的输入：边界以外对系统的作用系统的输出：系统对边界以外的环境的作用。
系统“三要素”：实体Entity：组成系统的具体对象。
确定系统的构成；属性property （描述变量）：描述每一实体的特征，指实体所具有的每一项有效特性。
活动Activity：指随着时间的推移，在系统内部由于各种原因而发生的变化过程。
试验的方法：真实系统法－构造模型法（物理－沙盘模型、数学模型）为什么采用构造模型法：真实系统尚未建立。
破坏和故障、风险。
试验条件的同一性。
时间和费用问题。
模型是系统的代表，同时也是对系统的简化。
系统模型的性质：相似性、简单性、多面性建立模型的原则：清晰性、相关性、准确性、可辨识性、集合性仿真基于模型系统、模型与仿真三者之间的关系：系统是研究对象。
模型是系统特性的描述。
仿真则包含建立模型及对模型进行试验两个过程。
仿真的要素和活动：仿真的依据：相似原理、系统仿真系统仿真：以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合性和试验性学科。
仿真的分类：【物理仿真、数学仿真/计算机仿真、物理－数学仿真（半实物仿真）】或【实时仿真、亚实时仿真、超实时仿真】或【连续系统仿真、离散事件系统仿真】系统仿真的步骤：系统建模与形式化仿真建模程序设计仿真输出分析概率论（Probability Theory）概率与统计（Probability and Statistics）频率（frequency）确定事件(certain event)随机事件(stochastic event)随机变量(random variable)概率（Probability）离散型随机变量(discrete random variable)连续型随机变量(continuous random variable)数学期望Expected value方差：Variance泊松分布（Poisson distribution）均匀分布（Uniform）指数分布(exponential)正态分布(Normal)标准正态分布(standard normal distribution)贝塔分布（Beta）三角分布（triangular）爱尔朗分布（Erlang）离散型随机变量、连续型随机变量分布假设检验：第一类错误（弃真）、第二类错误（存伪）离散事件系统仿真随机数的特性：均匀性、独立性伪随机数：运用某种算法产生的随机数可能会破坏随机的基本性质。
基于仿真的单元化制造系统层次建模技术研究
层和设备层 ， 降低 了模 型 的 复 杂性 ． 立 了基 于 Ｐ ｔｉ 的 层 建 ｅｒ 网 次模 型 ， 其 转 化 为 ｅ Ｐａｔ 真 模 型 ， 高 了模 型 的 重 用 将 Ｍ— ｌｎ 仿 提 性 ． 某 生产 车 间 ， 立 了层 次化 的仿 真模 型 ， 用不 同 的 调 对 建 使 度 策 略 进 行 仿 真 ， 验 证 明 了模 型 的 高效 性 和 合 理 性 ． 试 关 键 词 ： 单 元 化 制 造 系 统 ； 真 ； 层 建 模 ； ｅｒ 仿 分 Ｐ ｔ ｉ
收 稿 日期 ： Ｏ ０ ｊ ２ ２ 作 者简 介 ：Ｋ 彦 （（ ｌ ） 舅 ． 手伦 １８ 一 ＿ 汀 人 ， ｉ研 究 牛 ， 要 从 事 元 ］ 顾 ： 主 化、 制造 执 行 系 统 、 真心 度 等的 椰 究 ． 仿 ｆ
各层 模 型都 可 以看 作 由一 个 输 入 、 个 完工 输 一
文献标识码 ： Ａ
立 单元 化 制造 系统 的仿真 模 型． 目前 ， 元化 制 造 系 统 的规 划 设计 和 运 行控 制 单
面临着许 多 的问题 ， 系 统 的 复 杂性 使 得 在 规 划设 如 计 时难 以准确和 全 面地 评 估 系 统 的性 能 ； 设计 与运 １ １ Ｐ ｔｉ 的层次 化建模 ． ｅ 网 ｒ 美 国 国 家 标 准 局 （ Ｓ Ｎａｉｎ ｌｂ ｒａ ｆ ＮＢ ， ｔ ａ ｕ ｅｕ ｏ ｏ
１ 单 元 化 制 造 系统 的 层 次 化 建 模
行 的脱节 使得制 造 系统难 以适应 由多变 的市场 需求
所 引发 的频 繁重 构 ； 统 运 行 的 复杂 性 和 多 变 性使 系 得 生产计 划 和 调 度 难 以做 到 真 正 的合 理 和 优 化 等
等… ．
快速成形网络化制造系统的IDEFO建模
基于IDEF0的快速成形系统功能建模ID EF方法是一套对复杂系统进行建模分析和设计的系统方法，它是在结构化分析方法的基础上发展起来的，其含义是集成计算机辅助制造(Integrated Computer Aided Manufacturing ,ICAM)，IDEF是ICAM DEFinition Method 的缩写，后来称为Integration DEFinition Method[1]。
创建之初，开发3种DEF方法分别是：功能建模（IDEF0）、信息建模（IDEF1）、动态建模（IDEF2）[2]。
后来，又在此基础上开发了一系列的IDEF方法[3]。
IDEF0是IDEF方法之一,用于描述系统的功能及其相互关系的结构分析，它能清楚地表达系统的活动、数据流以及它们之间的关系，建立系统的功能模型[4]。
快速成形网络制造系统的功能活动复杂，信息之间联系密切，传递频繁[5]。
为了有效地实现功能与信息的集成，在系统的开发阶段，需要准确把握组成系统的功能活动及相互关系，理清复杂的信息活动及信息联系，因此建立系统的功能模型既十分必要，又至关重要[6]。
1. 用IDEFO建立快速成形网络化制造系统模型(1)IDEF0方法 IDEF0的基本思想是结构化分析方法，来源于SADT方法。
它具有以下一组基本特色：①全面地描述系统，通过建立模型来理解一个系统一般地说，一个系统可以被认为是由对象物体（用数据表示）和活动（由人、机器和软件来执行）以及它们之间的联系组成。
数据流图只反映了一个侧面，很难说明系统的全貌。
IDEF0能同时表达系统的活动（用盒子表示）和数据流（用箭头表示）以及它们之间的联系。
所以IDEF0模型能使人们全面描述系统。
②目的与观点目的是指建模的意义，为什么要建立模型。
观点是指从哪个角度去反映问题或者站在什么人的立场上来分析问题。
功能模型是为了要进一步做好需求分析，要实现预定的技术要求（不论是对已有系统的改造还是新建系统），所以要明确是对功能活动进行分析（逐步分解），而不是对组织机构的分解。
柔性制造系统的建模设计
根据实际生产情况和突发状况，实时调整生产计划和调度安排。
调度系统开发
利用信息技术和自动化技术，开发高效、智能的生产调度系统。
06 柔性制造系统的未来发展 与挑战
未来发展趋势
智能化
绿色环保
随着人工智能和机器学习技术的不断 发展，柔性制造系统将更加智能化， 能够自主完成更复杂的生产任务。
生产过程优化
通过柔性制造系统实现对 生产过程的优化，提高生 产效率和产品质量。
03 柔性制造系统的建模方法
建模的基本原则
完整性
模型应完整地反映柔性制造系统的所 有相关要素，包括硬件、软件、人员 和环境等。
准确性
模型应准确地描述柔性制造系统的运 行状态和性能，以便进行有效的分析 和优化。
可扩展性
模型应具备可扩展性，以便适应未来 柔性制造系统的发展和变化。
通过合理安排设备和工位的相对位置，减 少物料搬运距离和时间。
设备布局再设计
设备布局仿真与优化
通过重新设计设备布局，实现紧凑、有序 和高效的生产环境。
利用计算机仿真技术对调整后的设备布局 进行模拟和优化。
生产调度优化
生产计划制定
根据市场需求、产品特性和生产能力制定合理的生产计划。
调度算法选择
选择适合生产环境和需求的调度算法，如遗传算法、模拟退火算法等。
通过实验和仿真，优化工艺参数以提 高生产效率。
设计步骤与流程
选择合适的设备
根据工艺流程和生产需求，选择合适的制造设备和检测设备。
布局规划
合理规划设备布局，确保生产流畅，提高工作效率。
设计步骤与流程
选择控制系统
根据系统需求，选择合适的控制系统，如PLC、工业PC等。
【系统】生产系统建模与仿真
【关键字】系统《建模与仿真》课程教学大纲(Modeling and Simulation)课程编码：学分：2.5总学时：40适用专业：工业工程先修课程：生产计划与控制、工程统计学、工程数学、运筹学、计算机编程技术一、课程的性质、目的和任务《建模与仿真》是面向工程实际的应用型课程，是工业工程系的主导课程之一。
学生通过本课程的学习能够初步运用仿真技术来发现生产系统中的关键问题，并通过改进措施的实现，提高生产能力和生产效率。
本课程的目的是要求学生通过学习、课堂教育和上机训练，能了解如何运用计算机仿真技术模拟生产系统的布置和调度管理。
并熟悉和掌握计算机仿真软件的基本操作和能够实现的功能。
使学生了解计算机仿真的基本步骤。
结合本课程的特点，使学生掌握或提高系统化分析问题和解决问题的能力,为系统化管理生产打下根底。
二、教学基本要求具体在教学过程中要求学生应该达到：1.全面了解本课程的性质与任务、框架内容以及理论和方法；2.掌握仿真的概率统计根底知识。
3.掌握供理论模型建模方法。
4.掌握仿真模型的设计与实现方法。
5.熟练应用建模理论,对排队系统、库存系统、加工制造系统进行建模仿真。
三、教学内容与学时分配离散事件系统仿真是仿真技术的重要领域，在规划论证、方案评估、计划调度、加工制造、产品试验、生产培训、训练模拟、管理决策等方面得到广泛应用。
本课程深入地介绍了离散事件系统建模仿真的理论、方法和技术，突出对理论建模方法和计算机实现技术的讲解，对离散事件系统建模仿真的发展和应用情况做了比较详尽的介绍。
具体教学内容如下：第一章绪论 4学时本章分析了系统和制造系统定义、组成与特点，介绍了系统建模与仿真的基本概念和使用步骤，并给出应用案例。
本章教学目标：本章教学基本要求：了解常用术语及常用的仿真软件，了解仿真技术的的发展状况及应用。
理解系统与制造系统的定义及系统建模与仿真的概念及系统、模型与仿真之间的关系。
掌握制造系统建模与仿真的基本概念及基本步骤。
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制造系统的建模方法汇总
制造系统建模是指对制造系统进行各个方面的分析和描述，以便更好
地理解和优化制造系统的运作。
制造系统建模方法的选择和应用对于提高
制造系统的效率和质量非常重要。
下面是几种常见的制造系统建模方法：
1.传统流程建模方法：这种方法主要通过流程图来描述制造系统中各
个环节的流程和协作关系。
常见的传统流程建模方法有程序流程图（PFD）、数据流程图（DFD）等。
这些方法适用于简单的制造系统，但对
于复杂的制造系统来说，往往无法全面地反映系统的运作情况。
2. 离散事件建模方法：离散事件建模方法是指通过建立事件驱动的
模型来描述制造系统中各个事件的发生和相互作用。
常见的离散事件建模
方法有Petri网和时序图等。
这些方法适用于对制造系统的状态和转换进
行详细分析的场景，能够准确地描述系统的行为和动态变化。
3.概率建模方法：概率建模方法是指通过建立概率模型来描述制造系
统中各个环节的随机变化和相互影响。
常见的概率建模方法有马尔可夫链
和排队论等。
这些方法适用于对制造系统的性能和可靠性进行分析的场景，能够帮助评估系统的效率和稳定性。
4. 系统动力学建模方法：系统动力学建模方法是指通过建立动态系
统模型来描述制造系统中各个环节的相互作用和反馈效应。
常见的系统动
力学建模方法有肯尼斯·福斯特的系统动力学模型和斯特拉塞的Viable System Model（VSM）等。
这些方法适用于对制造系统的结构和行为进行
综合分析的场景，能够揭示系统的内在机制和潜在问题。
5.仿真建模方法：仿真建模方法是指通过建立计算机模型来模拟制造
系统的运作情况和效果。
常见的仿真建模方法有离散事件仿真（DES）和
连续系统仿真（CSS）等。
这些方法适用于对制造系统进行定量分析和优化的场景，能够验证系统的设计和改进方案。
综上所述，制造系统建模方法因其适用的场景和目的的不同而有多种选择。
在实际应用中，可以根据系统的特点和需求选择合适的建模方法，以提高制造系统的运作效率和质量。
此外，还可以结合不同的建模方法进行综合分析，以获得更全面和准确的描述和优化结果。