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生产系统建模仿真分析

系统（system）是由若干部分相互联系、相互作用，形成的具

有某些功能的整体。根据系统状态变化的时间连续性与否，可将系

统分为连续系统（continuoussystem）和离散系统（discretesyste

m）。其中，离散系统是指系统的全部或关键组成部分的变量具有离

散信号形式，系统的状态在时间的离散点发生突变的系统。

描述系统的基本要素包括对象（object）、属性（property）、活

动（activity）、输入输出（I/O）。“对象”又称为“实体（entity）”，它确

定了系统的构成和边界，可区分为临时对象与永久对象，在系统中

只存在一段时间的对象叫做临时对象，比如顾客、工件、工人等，

它们一般是流动的，永久驻留在系统中的对象则叫永久对象，比如

服务台、设备等，它们一般是静止的。“属性”描述了每一个对象的基

本特征，“活动”定义了对象之间的相互作用，从而确定了系统状态随

时间发生变化的过程，“输入输出”描述了系统与外部环境的物质和信

息交互。

1生产系统建模仿真的目标

在生产系统建模领域，有许多经典的分析与优化问题，比如车

间布局规划与重构、生产线平衡分析、车间计划调度、物流路径规

划、物流调度、故障分析与维修决策等等，大量学者利用运筹学（O

R）方法对这些问题进行了深入研究，取得了许多重要的理论成果，

然而由于实际生产系统的复杂性，这些成果往往难以直接用于解决

工程问题。通过建模仿真手段对生产系统进行分析，由于更容易模

拟实际生产过程，并且分析手段全面，越来越受到企业的重视。生

产系统建模仿真的根本目的在于：

（1）在系统布局设计阶段，通过生产与物流活动的仿真，对系

统运行性能进行定量分析，提前发现问题，为系统结构设计、资源

分配、方案比选等提供数据决策支持，以保证系统设计的科学性、

经济性、鲁棒性；

（2）在系统运行与持续优化阶段，建立物理生产系统的数字孪

生，通过基于数字空间的仿真试验与优化，识别生产瓶颈，优化运

行参数，评估系统在不同调度策略下的性能，确定高效的作业计划

和调度方案，辅助生产决策，提高物理系统的综合运行效率。

2生产系统的性能指标

对于现有或预期建设的生产系统，为了评价其性能的优劣，进

而找到改善的方向，必须量定量化分析系统的性能指标，常见的性

能指标有以下几种。

（1）生产率（productivity）：它是一个相对指标，通常表示为产

出和投入之比，根据投入要素的数量，分为单要素生产率、多要素

生产率和总生产率，比如，投入要素为工人，则表示为劳动生产

率。

（2）生产能力（productioncapacity）：简称产能，指生产系统

在一定时间内，在合理的技术条件下，生产某类产品或零部件的平

均数量和最大数量。比如一条加工生产线，如果工件投入充足，运

行一段时间后，生产线单位时间产出的工件数量会稳定到一个最高

水平值，这就是生产线的最大能力（极限能力），实际情况下，未必

能满负荷投入工件，平均产量一般小于最大产量。进一步还可考虑

设备故障、工件缺陷、工人离岗等因素，定义有效生产能力。

（3）制品数量（numberofworkinprocess）：指已投产未完工

的工件数量，包括处于工作、等待、运输等状态的工件数量之和。

根据著名的Little公式，单位时间投入系统的工件越多，并且工件通

过系统的时间越长，则在制品数量越多。在保证生产能力的情况

下，在制品数量当然越少越好，因此，工件的投产时机选择和生产

调度策略都很重要。

（4）通过时间T：指工件进出系统（设备、产线或车间）的时

间差，也称系统逗留时间，它由加工时间、运输时间和等待时间构

成。一般统计一类工件的平均通过（逗留）时间。

（5）工件加工/运输/等待时间占比：指工件通过时间中，加工/

运输/等待时间的比例，显然，如果加工时间占比偏低，则说明物流

效率低或生产调度不合理。

（6）等待队长：指在等待加工或搬运任务的缓冲区中，最大和

平均等待的工件个数。等待队列决定了缓冲区的容量设计大小，并

且，队列越长，说明缓冲区之后的设备是瓶颈。

（7）订单按期完成率：订单即生产作业计划，在订单下发时一

般会给定期望完成时间。由于生产异常因素，或者生产负荷过重、