基于MATLAB的車間物流系統(tǒng)的建模與仿真

1、基于MATLAB的車間物流系統(tǒng)的建模與仿真摘要：現(xiàn)代企業(yè)制造過程中的原材料、加工設備、人工、廠房等成本基本已經(jīng)確定，要想再從生產(chǎn)過程中取得明顯的效益提升、降低生產(chǎn)成本相當困難。企業(yè)里的車間物流是物流里面重要環(huán)節(jié)之一，根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計在整個制造過程中有大約95%的時間是用在存儲、裝卸、搬運、等待加工等物流環(huán)節(jié)上。所以，從企業(yè)車間物流方面去入手，對于企業(yè)保障產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提升企業(yè)的競爭力則有很大的機會去提升生產(chǎn)效率、減低生產(chǎn)成本、增強市場競爭力。本文針對某工廠的車間物流的現(xiàn)狀，并結(jié)合企業(yè)車間物流系統(tǒng)的離散性，采用了計算機仿真技術(shù)，應用MATLAB仿真軟件，依據(jù)車間實際布局測定車間物流的搬運距

2、離及搬運批量，建立了基于MATLAB的車間物流的仿真模型。對車間未來布局的優(yōu)化及搬運批量的定義提供了快速、準確的參考數(shù)據(jù)，對降低車間物流成本、減少生產(chǎn)用地、配合配置機器數(shù)量的研究有重要的意義。為企業(yè)在車間物流分析、優(yōu)化、預測及生產(chǎn)管理提供有效、直觀的依據(jù)。關(guān)鍵詞：車間物流，仿真，物流成本，MATLAB，車間布局。ABSTRACT：Inmanufacturingprocess,therelevantcostisalmostfixedforthemainlyelementssuchasrawmaterial,processmachine,humanresourceandplantfacilitie

3、s.Itisverydifficulttoreducethemanufacturingcostonsuchaspects.Butaccordingtoonerelatedreport,about95%ofmanufacturingleadtimeisusedonlogisticssuchasstoring,handling,transportationandprocesswaiting.Therefore,studyingonmanufacturinglogisticssystemisveryimportanttoreducetheentiremanufacturingcostandthene

4、nhancetheenterprise'scompetition.Baseonthecurrentworkshopmanufacturinglogisticsconditionandconsideringthemanufacturingsystemisonekindofdiscretesystem.ItisverysuitabletoapplyingsimulationtechnologysuchasMATLABsoftware.SotheelementsassociatedwithworkshoplogisticsaredefinedinMATLABprogram.Thisisone

5、kindofvisuallydynamicdisplayinterfacemodel,wecaneasilytoevaluateanddiagnosistheworkshoplogisticsandfindoutthepotentialoptimizingopportunityonlogisticscost.Itisverysignificanceforreducingmanufacturingcost,spaceandoptimizingequipment'squantityandprovidetherightorientationforimprovingtheworkshop

6、9;slogisticsystem.KEYWORDS:WorkshopLogistics,Simulation,Logisticcost,MATLAB,Layout.1引言隨著全球化、市場化程度的不斷提高，競爭的日益加劇，為了生產(chǎn)與發(fā)展，企業(yè)必須降低自身成本，提高自身效率。因此越來越多的企業(yè)意識到降低物流成本、實施物流系統(tǒng)優(yōu)化勢在必行。改革開放的幾十年間我國已成為制造業(yè)大國，但針對制造型企業(yè)的物流管理現(xiàn)狀、尤其是車間物流管理卻存在著諸多亟待解決的問題。車間物流是指從原材料進入車間、物料在車間各個工位加工直至加工成成品的全部物流環(huán)節(jié)以及相對于的物流信息等活動。貫穿了企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的全過程，是物流鏈

7、中一個核心環(huán)節(jié)，它貫穿產(chǎn)品從原材料到最終成品的全部過程，是企業(yè)里面物流和生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)合環(huán)節(jié)。本文著重研究企業(yè)的車間物流系統(tǒng)，對車間服務系統(tǒng)進行數(shù)學建模并通過MATLAB進行仿真，為企業(yè)在車間物流分析、優(yōu)化、預測及生產(chǎn)管理提供有效、直觀的依據(jù)。仿真就是通過建立實際系統(tǒng)模型并利用所建模型對實際系統(tǒng)進行試驗研究的過程。由此可見，系統(tǒng)、模型、仿真三者有密切的關(guān)系，系統(tǒng)是研究的對象，模型是系統(tǒng)的抽象，仿真是通過對模型的試驗以達到研究系統(tǒng)的目的。由于現(xiàn)代仿真技術(shù)都是在計算機支持下進行的，因此，系統(tǒng)仿真也被稱為計算機仿真。系統(tǒng)仿真有三個基本的活動，即系統(tǒng)建模、仿真建模和仿真試驗，聯(lián)系這三個活動的是系統(tǒng)仿真的

8、三要素，即系統(tǒng)、模型、計算機。它們的關(guān)系如圖1.1所示。1.1仿真的三要素機器關(guān)系2離散事件系統(tǒng)仿真基本特點車間物流系統(tǒng)是典型的離散系統(tǒng)，所以在研究車間物流系統(tǒng)事，首先需了解離散事件系統(tǒng)仿真的基本特點。離散事件系統(tǒng)的基本特點是:作為系統(tǒng)邊界的對象(實體)屬性狀態(tài)不可能用時間函數(shù)進行描述，事件活動具有隨機性。針對離散事件系統(tǒng)的計算機仿真所存在的基本特點是：(a) 在構(gòu)造和確認系統(tǒng)仿真模型方面具有較大難度，而圍繞系統(tǒng)模型編程設計仿真程序則應反復計算與修改，因此要求總控程序的結(jié)構(gòu)框架不僅具有良好通用性，且應具有強力模塊化結(jié)構(gòu)特征；(b) 針對系統(tǒng)需求分析階段提出的系統(tǒng)設備技術(shù)指標(包括系統(tǒng)軟件平臺與

9、硬件平臺)，以及系統(tǒng)集成初期所提仿真模型，由于人所對系統(tǒng)認識深度所限，仿真結(jié)果往往脫離系統(tǒng)實際，因此要求系統(tǒng)建模人員必須在模型抽象及其創(chuàng)建條件具有清晰而規(guī)范的工程標準依據(jù)（包括規(guī)定內(nèi)容與格式的技術(shù)文檔資料等）；（C）離散系統(tǒng)仿真結(jié)果只能是某種參數(shù)規(guī)定條件下的特解，而不可能是系統(tǒng)仿真的通解，為能取得仿真結(jié)果的最優(yōu)解，應對模型描述活動（造成系統(tǒng)狀態(tài)變化的過程）、環(huán)境（存在于系統(tǒng)周圍的對象和活動），實體與實體屬性等反復進行技術(shù)研討，包括相關(guān)性度量技術(shù)研討等；（d）系統(tǒng)仿真時，模型中隨機變量描述只能以有限樣本數(shù)據(jù)為依據(jù)，顯然，仿真結(jié)果的可用度與樣本量及其輸入數(shù)據(jù)精度密切相關(guān)。因此，系統(tǒng)仿真決不可脫離樣

10、本數(shù)據(jù)。綜上所述認為:離散系統(tǒng)仿真應堅持分層設計和逐步展開的基本設計思想。其中分層設計是兩個技術(shù)層次的相互銜接，即底層仿真主要針對系統(tǒng)關(guān)鍵設備或者通用功能子系統(tǒng)（諸如通信子網(wǎng)中的文電傳輸技術(shù)分系統(tǒng)），該層仿真是要定量解決為用戶直接服務的技術(shù)應用計算；頂層仿真是要定性/定量解決系統(tǒng)集成的各種宏觀應用服務，諸如控制策略的可靠度計算與分析等。3.以機器修理車間為例進行系統(tǒng)建模3.1機器修理車間問題描述機器修理車間如圖已知：（1）等待區(qū)足夠大;等修機器入口隊列等待區(qū)（2）排隊規(guī)則先進先出;修理區(qū)修一理臺出口機器修理車間示意圖（3）到達間隔服從指數(shù)分布入1=1/10（臺/天）;（4）修理時間服從負指數(shù)分

11、布入2=1/15（臺/天）;求解：故障機器的平均等待時間；故障機器的平均等待隊長；3.2對機器修理車間進行仿真的目的求解：故障機器的平均等待時間;故障機器的平均等待隊長;提高修理平臺的利用率。3.3模型建立（1）修理車間服務系統(tǒng)模型。修理車間服務系統(tǒng)是一個典型的離散時間系統(tǒng)，屬于單服務臺、單隊列服務系統(tǒng)，采用實體流圖法建立其模型。修理車間服務系統(tǒng)共有三個實體，即故障機器、修理平臺及等待隊列。修理平臺是永久實體，其活動為“修理機器”，有“忙”和“閑”兩種狀態(tài)。故障機器是臨時實體，它與修理平臺協(xié)同完成修理活動，有“等待服務”、“接受服務”（與修理平臺“忙”狀態(tài)相對應）等狀態(tài)。等待隊列作為一類特殊實

12、體，其狀態(tài)以隊列長度標識。“機器到達”事件和“機器結(jié)束排隊”事件導致修理活動的開始，“機器修理完成后離去”事件導致“修理”活動的結(jié)束。圖2.1表示了臨時實體（故障機器）產(chǎn)生、在系統(tǒng)中流動、接受永久實體（修理平臺）“修理”以及離去的過程。3.1修理車間服務系統(tǒng)實體流程圖（2）仿真模型。根據(jù)修理車間服務系統(tǒng)實體流程圖，可以采用進程交互法進行仿真。由于它是一個單服務臺排隊系統(tǒng)，故只需要給出機器的進程就可以描述所有事件的處理過程。機器生命周期包括：機器到達；等待排隊，直到位于隊首；進入服務通道；停留于服務通道之中，直到接受服務完畢離開。單修理平臺排隊系統(tǒng)中的機器進程如圖2.2所示。圖中（*）表示無條件

13、延遲的復活點：故障機器到達，修理平臺修理預先確定的延遲期滿后才復活;+表示條件延遲的復活點：隊列中的機器等到修理平臺空閑而且自己處于隊列首時才能離開隊形接受修理。仿真模型中，最關(guān)鍵的是機器到達事件和修理完畢事件的處理。總控程序3.2但修理平臺排隊系統(tǒng)中的機器進程到達事件發(fā)生時，首先要執(zhí)行的操作是想未來時間表中插入下一機器到達事件，其事件發(fā)生的時間為當前時鐘時間加上間隔時間。接下來測試服務平臺當前的忙閑狀態(tài)。若忙，則機器實體進入隊列文件等待；否則，機器實體將通過置服務平臺為“忙”狀態(tài)而占用修理平臺，并將修理完成事件插入未來事件表，其執(zhí)行的時間為當前時鐘加上服務時間。到達事件將導致安排兩個事件。機

14、器到達事件處理過程如圖2.3所示。修理完畢事件的第一件事是收集統(tǒng)計數(shù)據(jù)。接下來要檢查一下隊列文件是否為空，如果為空，則閑置平臺；否則，從隊列表中選出了隊列頭實體并安排下一修理完成事件，事件發(fā)生的時間為當前時鐘時間加上修理時間。修理完畢事件處理過程如圖2.4所示。（3）負指數(shù)分布的隨機數(shù)。設u為o,i均勻分布，貝y：機器故障間隔時間的隨機數(shù)xl=-（l/入1）*lnu=T0lnu；每臺機器的修理時間的隨機數(shù)x2=-（1/入2）*lnu=T5lnu。到達事件圖3.3機器到達事件的處理框圖修理完成事件收集統(tǒng)計數(shù)據(jù)累計修理時間、修理次數(shù)從隊列鏈表中取出隊列頭實體累計等待時間并處理鏈表*安排下一修理完成

15、事件完成時間=TNOW+服務時間返回3.4修理完成事件處理框圖4.仿真結(jié)果及其分析4.1仿真結(jié)果仿真結(jié)果需要得出故障機器的平均等待時間、故障機器的平均等待隊長、以及曲線圖。因每次仿真的結(jié)果不一樣（隨機數(shù)的種子是每次運行時系統(tǒng)的時間，產(chǎn)生的機器故障間隔時間和修理時間不一樣，運行過程中等待、修理的機器數(shù)都不一樣），故在此采用平均值的方法，即讓程序運行N次，得到N次機器的平均等待時間、機器的平均等待隊長，然后再求它們的平均值。有關(guān)指標的計算公式如下：平均等待時間=（被修理機器的等待總時間+已到達還未修理的總等待時間）/（到達的機器數(shù)量）通過MATLAB進行仿真，仿真結(jié)果如下：請設定機器修理車間仿真系

16、統(tǒng)的已維修的機器數(shù)（默認值100）：150故障機器的平均等待時間如下AveWaitTime=845.2923故障機器的平均等待隊長如下AveQuLen=38.87764.2仿真結(jié)果分析由上述分析可知，u為0,1均勻分布機器故障間隔時間的隨機數(shù)x1=-（1/入1）*lnu=T0lnu;每臺機器的修理時間的隨機數(shù)x2=-（1/入2）*lnu=T5lnu?？梢姍C器故障間隔時間的隨機數(shù)x1V每臺機器的修理時間的隨機數(shù)x2,所以隨著時間的增加，隊長會呈現(xiàn)出增強的趨勢，Matlab仿真結(jié)果如圖4.1：4.1修理車間服務隊長分布圖由于修理車間服務系統(tǒng)隊長呈現(xiàn)增長的趨勢，所以需維修機器等待的時間會有所增加，故

17、各故障機器到來和離去的時間以及它們之間的差值也會逐漸增加。如下Matlab仿真圖，紅色曲線代表到來時間，藍色曲線代表離去時間，到來時間和離去時間都呈現(xiàn)增加的趨勢，且到來時間和離去時間的差值在逐漸加大。如圖4.24.2各故障機器到來和離去時間趨勢圖各故障機器在系統(tǒng)中的停留時間=等待時間+維修時間，故停留時間等待時間。在一開始時，車間有空余空間，隨著故障機器維修數(shù)目的增加，故障機器在系統(tǒng)中的停留時間和等待時間會隨之增加；當車間沒有空余空間時，隨著故障機器維修數(shù)目的增加，故障機器在系統(tǒng)中的停留時間和等待時間趨于穩(wěn)定，不再呈5結(jié)束語仿真技術(shù)具有安全性、經(jīng)濟性和可重復性等特點，已成為及理論研究、科學實驗

18、之后的第三種科學研究的有力手段。仿真科學是現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的基礎上形成的交叉學科。常見的系統(tǒng)仿真分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散系統(tǒng)仿真，其狀態(tài)變量是連續(xù)變化的，這類系統(tǒng)的仿真成為連續(xù)系統(tǒng)仿真。離散事件系統(tǒng)受事件驅(qū)動，系統(tǒng)的遷移發(fā)生在一系列離散事件點上，系統(tǒng)狀態(tài)是跳躍式變化的，在時間和空間上都是離散的，與連續(xù)系統(tǒng)在性質(zhì)上完全不同。比如：生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存系統(tǒng)、計算機通訊網(wǎng)絡等.離散事件系統(tǒng)往往是隨機的，具有復雜的變化關(guān)系，難于用常規(guī)的微分方程、差分方程等方程模型來描述，一般只能用流程圖或網(wǎng)絡圖來描述，如果應用理論分析方法難于得到解析解，甚至無法解決，仿真技術(shù)為解決這列問題提供了有效的手段°MATLAB是比較常用的仿真軟件，這里用MATLAB仿真，對車間未來布局的優(yōu)化及搬運批量的定義提供了快速、準確的參考數(shù)據(jù)，對降低車間物流成本、減少生產(chǎn)用地、配