中国矿业大学矿业工程学院
实验报告
课程名称 系统建模与仿真
姓名 陈成亮 班级 工业工程11-1
学号 01110266 日期 2014-10
成绩 教师 李贤功
前言
生产系统建模与仿真是以制造型生产企业为核心，研究离散事件建模与仿真技术在生产企业分析中的应用原理和方法，旨在使学生对计算机仿真技术在生产系统的研究和分析方法上有一个正确的认识。内容包括：计算机仿真技术在生产系统分析中的作用和原理；针对生产系统组成的基本元素的各种建模方法；输入、输出和系统评价的方法；以及一个应用Witness 仿真软件对生产系统仿真和分析的实例。
第一部分 绪论
本实验指导书根据《生产系统建模与仿真》课程实验教学大纲编写，适用于工业工程专业。
一、本课程实验的作用与任务
培养用专用软件进行系统仿真的能力，熟悉Witness 软件的基本使用方法：
1、熟悉Witness的启动、熟悉Witness2003用户界面、熟悉Witness建模元素、熟悉Witness建模与仿真过程；
2、掌握Witness仿真软件的基本功能、掌握排队系统建模方法和运行的特点、了解影响排队系统效率的因素，对比不同排队模型（M/M/1和M/M/C）的优缺点；
3、熟悉多品种少批量生产方式的特、了解影响多品种少批量生产方式生产效率的因素及其优缺点。
二、本课程实验的基础知识
Witness 是由英国lanner公司推出的功能强大的仿真软件系统。它可以用于离散时间系统的仿真，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、BAE SYSTEMS 电气公司的流程改善、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、Trebor Bassett 公司的分销物流系统规划等。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个国家和地区设立的代理，负责软件的推广和技术支持等工作。
第二部分 基本实验指导
实验1 Witness 仿真软件认识
一、实验目的
熟悉Witness 的启动；熟悉Witness2006用户界面；熟悉Witness 建模元素；熟悉Witness 建模与仿真过程。
二、实验内容
1、运行witness软件，了解软件界面及组成；
2、以一个简单流水线实例进行操作。小部件（widget）要经过称重、冲洗、加工和检测等操作。执行完每一步操作后小部件通过充当运输工具和缓存器的传送带（conveyer）传送至下一个操作单元。小部件在经过最后一道工序“检测”以后，脱离本模型系统。
三、实验步骤
1、了解Witness2006的硬件和软件必备环境；
2、启动Witness2006；
3、熟悉标题栏、菜单栏、工具栏、元素选择窗口、状态栏、用户元素窗口以及系统布局区；
4、学习建模元素：离散型元素、连续型元素、运输逻辑型元素、逻辑元素、图形元素；
5、学习建模与仿真过程。
6、仿真实例操作。
模型元素说明：widget 为加工的小部件名称；weigh、wash、produce、inspect 为四种加工机器，每种机器只有一台；C1、C2、C3 为三条输送链；ship 是系统提供的特殊区域，表示本仿真系统之外的某个地方；
各个元素的输入输出规则
仿真运行：运行一周（5 天*8 小时*60 分钟=2400 分钟），得到统计结果。
四、实验报告
1、写出Witness 系统界面的各个构成，以及系统布局区的组成，以及每一部分的功能；
（1）Witness系统界面的各个构成：
Witness系统界面是由标题栏、菜单栏、工具栏、元素选择窗口、状态栏、用户元素窗口和系统布局区组正。其中：
标题栏位于屏幕界面的第一行，它包括系统程序图标、主屏幕图标、最小化按钮、最大化按钮和关闭按钮5个选项；
菜单栏位于屏幕的第二行，它包括：File（文件）、Edit（编辑）、View（显示）、Model（模型）、Elements（元素）、Reports（报表）、Run（运行）、Windows（窗口）、Help（帮助）九个菜单选项；
Witness系统提供了不同环境下的八种常用的工具栏，它们是：Standard、Model、Element、Views、Run、Reporting、Assisant、Display Edit；
在元素选择窗口中，有五项内容：Simulation、Designer、System、Type、SystemFunction；
状态栏位于屏幕的最底部，用于显示某一时刻的工作状态或鼠标光标位置的工具栏按钮的作用；
系统提供的默认用户元素窗口中提供了各种元素的可视化效果的定义，不过在建模过程中，等这些缺省设置并不能很好的表示实际系统，用户可以在该窗口定义自己的相关元素的名称、可视效果等，保存以便日后的使用。
（2）及系统布局区的组成，以及每一部分的功能：
Witness一共提供了八个窗口，可以通过这些窗口，使得仿真项目以不同的角度显示其可视化效果，对系统布局窗口的设置主要有三项内容：添加元素、设置窗口名称以及窗口背景色。
2、分析Witness 完成仿真模型所必须的五类元素；
五类元素：
离散型元素
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：零部件或实体（Part or Entitle）；机器（Machine）；输送链（Conveyor）；缓冲区或仓库（Buffer）；车辆（Vehicle）；轨道（Track）；劳动者（Labor）；路径（Path）；模块（Module）等。
连续型元素
同离散型元素相对应，这种类型的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。主要包括：流体（Fluid）；管道（Pipe）；处理器（Processor）；容器（Tank）等。
运输逻辑型元素
用于构建物料运输系统。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）等。
逻辑元素
用来处理数据、制定报表、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。主要包括：属性（Attribute）；变量（Variable）；分布（Distribution）；函数（Function）；文件（File）；零部件文件（Part file）；班次（Shift）等。
图形元素
图形元素可以将模型的运行绩效指标在仿真窗口形象的表现出来。主要包括：时间序列图（Timeseries）；饼状图（Pie chart）；直方图（Histogram）等。
3、仿真过程应用举例。
五、 实验结果
实验2 单品种流水线生产计划设计
实验目的
理解系统元素route的用法。
了解优化器optimization的用法。
了解单品种流水线生产计划的设计。
找出高生产效率、低临时库存的方案。
实验内容
某一个车间有5台不同机器，加工一种产品。该种产品都要求完成7道工序，而每道工序必须在指定的机器上按照事先规定好的工艺顺序进行。
假定在保持车间逐日连续工作的条件下，仿真在多对象平准化种生产采用不同投资计划的工作情况。在不同投资计划组合中选出生产高效、低临时库存方案，来减少占用资金。
产品工艺路线如图所示。
产品的计划投产方案批量：10,20,30。
产品计划投产间隔（min）：10,20,30,40,50,60。
如果一项作业在特定时间到达车间，发现该机器组全都忙着，该作业就在该组机器处排入一个FIFO规则的队列，如果有前一天没有完成的任务，第二天继续加工。
实验步骤
1. 阅读上面的混合流水线系统信息，熟悉产品的加工流程、加工时间等；
2. 选择计算加工时间的模型；
3. 打开物流仿真软件Witness；
4. 使用Witness建立仿真模型；
5.进行模型的初步运行；
6.模型运算和数据分析
7．研究方案的改善。
实验报告
按照上述实验内容，设计出仿真模型、在witness上实现计算机模型，设置仿真周期和各项参数，编写事件代码，进行仿真，分析仿真结果并尝试进行分析和优化。
\
实验3 排队系统的仿真实验
一、实验目的
1、掌握Witness 仿真软件的基本功能；
2、熟悉排队系统运行的特点；
3、了解影响排队系统效率的因素，对比不同排队模型（ M/M/1 和 M/M/C ）的优缺点。
二、实验内容
单服务台排队系统
三、实验步骤
1、打开计算机，进入Witness 仿真系统；
2、建立一个单服务台 M/M/1 模型的排队系统，并运行；
3、建立一个单队多服务台 M/M/C 模型的排队系统，并运行；
4、建立一个多队多服务台 M/M/C 模型的排队系统，并运行。
四、实验报告
写出实验目的；
（1）掌握Witness 仿真软件的基本功能；
（2）熟悉排队系统运行的特点；
（3）了解影响排队系统效率的因素，对比不同排队模型（ M/M/1 和 M/M/C ）的优缺点。
2、写出实验步骤；
（1）元素定义；
（2）元素可视化设置；
（3）元素细节设置；
（4）模型运行及数据统计；
（5）分析与改善。
3将具有相同输入参数的 M/M/1 和 M/M/C 模型运行得出的结果对比，找出影响排队系统效率的因素。
影响因素：服务台的数目，且数目越多，服务台效率越高。
4、对比 M/M/C 模型的两种排队方式的优缺点，找出不同排队方式对 M/M/C 模型排队系统效率的影响。
实验4 供应链系统的仿真设计与改善
实验目的
了解供应链仿真系统的设计与优化
熟悉Timeseries的用法
熟悉Max和Min的用法
试图对供应链系统进行改善，以缓解“牛鞭效应”
实验内容
当钢材服务中心的库存小于15批时钢铁公司开始组织生产，每生产一批原钢卷材需要的时间服从1～3小时的均与分布。
当部件生产商的库存小于6批时，钢材服务中心开始配货，每配一批货需要的时间服从～1小时的均匀分布。
当三个汽车厂商中库存量最小的小于3时，4个部件生产商开始组织生产，每生产一批部件需要的时间服从2～6小时的均匀分布。
汽车生产商每耗用一批部件需要4小时。
供应商每两个环节之间的路程需要5小时。
实验步骤
1.阅读上面的供应链物流系统信息，熟悉供应链中的物流量及时间；
2.选择计算物流成本和利润的模型；
3.打开物流仿真软件Witness；
4.使用Witness建立仿真模型；
5.进行模型的初步运行；
6.研究方案的改善。
实验报告
1.实验目的：
（1）了解供应链仿真系统的设计与优化；
（2）熟悉Timeseries的用法；
（3）悉Max和Min的用法；
（4）试图对供应链系统进行改善，以缓解“牛鞭效应”。
2.实验步骤：
（1）阅读上面的供应链物流系统信息，熟悉供应链中的物流量及时间；
（2）选择计算物流成本和利润的模型；
（3）打开物流仿真软件Witness；
（4）使用Witness建立仿真模型；
（5）进行模型的初步运行；
（6）研究方案的改善。
实验5 多品种少批量生产系统的仿真实验
一、实验目的
1、熟悉多品种少批量生产方式的特点；
2、了解影响多品种少批量生产方式生产效率的因素，及其优缺点。
二、实验内容
按照用户的订货需要组织生产，是现代工业企业的一种比较流行的生产组织方式。这种生产组织方式是企业所生产的产品品种多、产量少，产品的结构与工艺有较大的差异，生产的稳定性和专业化程度很低。本实验将建立一个多产品多阶段的生产系统仿真模型来探讨多品种少批量生产方式的优缺点及其影响因素。
三、实验步骤
1、打开计算机，进入Witness 仿真系统；
2、建立一个由 5 组机器组成的制造车间，利用该车间来加工 3 种产品。每种产品分别要求完成 4、3 和5 道工序。
表 1 产品加工工艺路线与各工序加工时间参数
产品类型
机器组别
相继工序平均服务时间/MIN
1
3,1,2,5
30,36,51,30
2
4,1,3
66,48,45
3
2,5,1,4,3
72,15,42,54,60
3、设置模型中各元素的属性及参数；
(1)元素定义define
本系统的元素定义如表 2 所示。
表 2 实体元素定义
元素名称
类型
数量
说明
A
Part
1
产品A
B
Part
1
产品B
C
Part
1
产品C
Machine1
machine
3
机器组１
Machine2
Machine
2
机器组2
Machine3
Machine
4
机器组3
Machine4
Machine
3
机器组4
Machine5
machine
1
机器组5
Buffer1
Buffer
1
机器组1的输入缓冲区
Buffer2
Buffer
1
机器组2的输入缓冲区
Buffer3
Buffer
1
机器组3的输入缓冲区
Buffer4
Buffer
1
机器组4的输入缓冲区
Buffer5
Buffer
1
机器组5的输入缓冲区
（2）元素显示display 的设置
各个实体元素的显示特征定义设置如图 1 所示。
图 1 显示特征界面
（3）各个元素细节（detail）设计
表 3 产品的general 页细节设计
产品名称
Arrivals type
Inter arrival
To
A
Active
NEGEXP (50,11)
Push to route
B
Active
NEGEXP (30,11)
Push to route
C
Active
NEGEXP (75,11)
Push to route
产品A、B、C 的加工路径ROUTE 设计：通过双击各个产品图标，在弹出式页框中选择其ROUTE 页，如图 2 所示，分别进行设计。
图 2 ROUTE 页框界面
表 4 机器组 general 页细节设计
机器组名称
From
Cycle time
to
Machine1
PULL from Buffers1
ERLANG (R_CYCLE,1,1)
Push to route
Machine2
PULL from Buffers2
ERLANG (R_CYCLE,1,2)
Push to route
Machine3
PULL from Buffers3
ERLANG (R_CYCLE,1,3)
Push to route
Machine4
PULL from Buffers4
ERLANG (R_CYCLE,1,4)
Push to route
Machine5
PULL from Buffers5
ERLANG (R_CYCLE,1,5)
Push to route
表 5 产品加工路径 route 页细节设计
A
B
C
Stage
Destin_
ation
R_cycle
Stage
Destin_
ation
R_cycle
Stage
Destin_
ation
R_cycle
1
Buffer3
30
1
Buffer4
66
1
Buffer2
72
2
Buffer1
36
2
Buffer1
48
2
Buffer5
15
3
Buffer2
51
3
Buffer3
45
3
Buffer1
42
4
Buffer4
30
4
Ship
0
4
Buffer4
54
5
Ship
0
5
Buffer3
60
6
Ship
0
(4) 工艺流程图的显示
工艺流程图也称全局工艺流程图，是WITNESS 提供的模型简化图。在工艺流程图中，模型中的每个元素由一个方框和元素名称来表示，如果某一元素的数量多于1个，也仅仅显示一个框图；各元素之间的输入输出关系由有方向的箭线表示；不过它不显示元素中所包含的函数或变量等逻辑元素。
图 3 process view：Global
使用方法：选择VIEW 菜单－>Process Views…；得到process views 对话框，在该对话框中设定工艺流程图显示窗口、字体颜色、布局方式等内容。
设计完毕后，得到工艺流程图如图 3 所示。
4、运行模型，模型仿真钟取系统默认的1：1min，运行365×8×60＝175200 仿真时间单位，并记录相应的结果。
四、数据处理与分析
(1)使用系统提供的report 工具。得到下列统计报表。
表 6 产品统计信息
表 7 机器组统计信息
表 8 缓冲区统计信息
从表 8 可以看出，产品在系统中的时间平均在1000 多分钟，分别为A：，B：，C：，时间太长。再从表8 中可以看出机器组1、2、4 是瓶颈，开动率达到95％以上。
5、改善
对机器组1、2、4 再各添加一台机器，再运行改善后的模型，并记录相应参数。
五、实验报告
1、写出实验目的；
（1）熟悉多品种少批量生产方式的特点；
（2）了解影响多品种少批量生产方式生产效率的因素，及其优缺点。
2、写出实验步骤；
（1）根据改善建议，双击机器组1，将“Quantity”设为“4”，机器组2和4也分别加一；
（2）运行模型，模型仿真钟取系统默认的1:1min，运行365×8×60=175200仿真时间单位，并记录仿真结果；
3、将具有不同参数的模型运行得出的结果对比，找出影响多品种少批量生产方式效率的因素。
（1）加工工艺路线；
（2）加工设备的数量；
（3）加工设备的系统可靠性。
实验心得
通过本次实验让我们熟悉machine的setup设置和breakdown设置以及conveyor的使用，在这次实验中，我们使用Witness建立流水线生产系统仿真模型；对其运行一周时间，通过结果分析，我们找出瓶颈位置，对其转移，使流水线更加顺畅，大大提高线平衡率，这次的实验对我们日后的学习和工作做了很好的铺垫。
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