基于離散事件的串并混合流水生產線系統仿真平臺設計

胡明明，楊根科，潘常春

0 引言

隨著鋼鐵工業的發展，在產品的二次生產中獲得更多的效益，已經成為各大鋼廠重要的效益增長點。為此，國內各大鋼廠紛紛在全國范圍內建立鋼材加工配送中心，對各加工中心的管理要求也逐步提高，原來利用管理和生產經驗對加工中心進行資源配置以及生產安排已不符合精細化管理要求[1]。現有的解決辦法一般是采用一些商業仿真軟件，如Arena、Witness及Extend等[2,3]。這些軟件雖然功能強大，但設計復雜，價格昂貴，在應用到特定場合時的效果不理想[4]，尤其是對生產線仿真的二次開發困難。一些仿真軟件如AutoMod和Extend等都是基于業務流(Transaction-Flow World View)的建模思想[5],這種思想側重于動態實體在系統中的流動處理過程，與用戶感知最為接近，但底層類庫結構設計復雜，在需要定制或者拓展功能時困難；另一種基于(Resource View)的建模思想[6]，側重于對資源實體的屬性和行為描述以及資源實體與動態實體的關系定義，雖然在仿真軟件如QNAP2和DESP-C++中很好的體現，但是對于串并混合型的加工作業線的流程控制比較復雜，應用靈活性不夠。

本文以國內某鋼鐵企業典型串并混合加工中心為背景進行了研究，將加工車間的仿真系統抽象為基于事件業務流和資源實體的整體。結合面向對象和模塊化思想，通過對對象屬性、對象行為和對象之間的交互關系的直觀描述，對一類系統進行功能和行為上的仿真建模，開發了加工中心作業線仿真平臺軟件，通過該平臺，用戶可以對此類加工作業線進行快速建模，快速的仿真速率將會給用戶帶來極大的方便。

1 仿真策略及整合框架下仿真建模思想

生產線系統和系統的運行受隨機因素的影響，表現出離散、隨機、并發和遞歸的特點，是一種典型的離散事件系統[7]。組織、調度和處理離散事件以及仿真時鐘的推進和更新是離散事件仿真的核心。本文采用調度靈活的事件調度法，但采用了雙事件隊列表，在當前仿真時刻，將傳統意義上的事件表中滿足發生條件的事件一次性的讀取到另一個新建的事件表中進行統一處理，避免了循環掃描事件表，在一定程度上提高仿真效率。

生產線仿真平臺在系統建模設計思想上分析了業務流和資源實體的思路，對基于業務流和基于資源實體這兩種設計思想進行抽象整合，充分利用了業務流思想在仿真運行過程中主體對象驅動推進的簡單直觀性，以及利用資源實體思想以對象類別劃分的面向對象的機制。將整個生產線仿真系統的對象類型分為仿真模型結構對象和仿真模型支持對象。其中，仿真模型結構對象又可分為動態實體、資源實體(主動資源實體如加工機器，被動資源實體如人)和邏輯連接實體；仿真支持對象沒有對應的實際系統對象，例如生產過程監視器、加工規則解析器、隨機數生成器以及仿真數據的采集器等。由于被動資源實體不能直接對動態實體進行處理，主動資源實體在被動資源實體的協助下對動態實體進行處理，故仿真平臺將主動資源實體作為研究的主體對象，彼此通過邏輯連接接口形成串并混合的實體結構模型。針對以往仿真模型的控制邏輯常隱含、分散于整個程序代碼里的情形，仿真中涉及的不同控制功能不能明確區別開，仿真平臺將控制結構分為仿真邏輯控制和主動資源實體局部控制兩個部分。

仿真邏輯控制負責仿真的主控制流程，也稱為業務流邏輯控制器；主動資源實體局部控制包括主動資源實體對事件產生和響應以及信息或動態實體傳遞路由決策控制。仿真平臺的仿真模型結構，如圖1所示：

圖1 系統仿真模型結構圖

動態實體產生進入系統，在業務流邏輯管理器的控制下，在系統中流動，競爭各種資源的使用，主動資源實體在被動資源實體的協作下處理事件，處理完畢后，新產生的動態實體離開系統。

基于業務流和資源實體整合框架的建模思想將模型的建模結構與邏輯控制完全分離開。

2 軟件架構設計及主要實現

2.1 軟件框架設計圖

軟件架構，如圖2所示：

圖2 軟件架構示意圖

對于圖2中仿真模型的模型元素的設計，本仿真平臺充分利用了面向對象的方法，結合仿真模型重用的思想[8]以及在對實體對象進行共性特征抽象的基礎上[9]，采用了完全模塊化的設計，并將對象分為三維結構，即物性面、信息面和控制面。對實際對象的抽象主要決定于仿真系統對具體對象的關重點，由此可以將對象分為物理對象、信息對象和決策控制對象3類，考慮到平臺類庫設計的通用性和可擴展性，為模型結構對象保留了以上三維結構的類屬性。再根據具體的模型結構對象側重點的不同進行模塊構造，例如主動資源實體是系統研究的主體對象，對應于實際的物理對象，包含物性屬性，同時又具有容納被加工對象的能力和對條件路徑判斷的決策過程，應包含信息面和控制面，故為三維結構；又如邏輯連接實體如網絡圖中的方向弧，沒有對應的實際物理對象，側重于信息面。

通過將對象3個方面的分離，大大提高了仿真模型的重用性，一個對象某一方面屬性的變化不會影響到其他方面的變化。這種思想，不僅使模型的重用性大大提高，而且使仿真模型更加簡單，易于后期維護。同時利用窗口界面技術，基于可視化模型元素建立網絡圖模型界面的思想[10]，將仿真模型以圖形的形式進行拖曳建模，不僅增強了仿真模型的直觀性，而且用戶可以很容易發現邏輯上的錯誤。

2.2 軟件架構主要設計及實現

生產線仿真平臺庫的總體UML類圖，如圖3所示：

2.2.1 仿真模型圖形界面的實現

充分利用高級語言C#提供的基礎控件庫，利用圖形界面技術，將生產線模型模塊控件化，將仿真模型以可視化方式顯示出來。圖形界面主要分為主窗口和子窗口兩種。分別由類MainCanvas和類ChildCanvas實現，這兩個類分別繼承于接口 View，該接口包含有各個模型元素的圖形接口IChartObject，而該接口被表示資源實體圖形的類ChartResource和表示邏輯連接關系圖形的類ChartLinkLine所繼承。這兩個圖形類可以通過引入圖形用戶接口 GUI定義模型元素的圖形顯示，包括圖形形狀、圖片表示和連接位置等。

2.2.2 數據輸入及仿真結果輸出的分析處理

將仿真輸入數據和仿真結果統計輸出數據的分析處理模塊獨立出來，只提供與生產線仿真模型的接口。數據采集采用多種數據源獲取方式以提高仿真軟件的適用性。仿真實驗輸入數據與仿真運行結果均存儲于數據庫中。其中類DataLoader獲取數據，定義了處理類InDataProcess對獲取的數據進行相應的處理，最后生成仿真模型中動態實體對象類SteelItem。而輸出則由專門的統計分析類Statistic進行處理。

2.2.3 模型元素的三維結構設計

類ChartResEntity作為模型元素三維結構中的物性維類；類 InfoResEntity作為模型元素三維結構中的信息維類，封裝了模型元素的基本屬性，如：名稱、ID、編號、邏輯關系管理等；類ContrResEntity作為模型元素中三維結構中的控制維類，封裝了模型元素事件條件判斷機制函數EventJudgeCondition()、事件處理與調度機制函數EventsHandler()、動態實體傳遞路徑決策機制函數DecisionRoute()、占有資源釋放函數 ReleaseResource()等。平臺類庫提供對象接口Entity繼承于以上三維接口。

資源實體類 BaseResEntity和邏輯連接關系類 LinkLine均繼承于接口Entity。BaseResEntity作為資源實體對象的模塊基類，主動資源實體類ActiveResEntity、被動資源實體類InActiveResEntity都是繼承于BaseResEntity，并且由于被動資源實體包括小車等設備資源和人力資源，故EquimentResource類和HumanResource類繼承于InActiveResEntity。

這里值得注意的是，在類關系設計時，將緩存區類CacheModel也繼承于BaseResEntity類，主要是考慮到設計的統一性并且實際情況中，緩存區只是作為一個緩存中間加工品的容量的實體，與被動資源實體有某些相似之處。

根據以上設計思想，平臺庫中模型元素的主要類關系圖，如圖4所示：

圖4 平臺庫中模型元素類關系圖

2.2.4 仿真策略和底層驅動引擎的設計

Simulation類作為平臺庫仿真引擎的核心類，對整個仿真運行過程進行控制和管理。主要包括系統的初始化(模型中資源實體到對象管理器 ModelMannager的注冊以及所有模型元素的消息響應機制的初始化EventLogger)、時鐘的管理(Timer)、時間表的調度和管理(EventSchedule)、仿真終止條件以及運行次數設置以及對運行結果的統計(Statistic)控制等。該類提供了平臺庫的主要用戶接口，函數SetPriority()負責設置主動資源實體競爭被動資源實體時的優先級。

該類在平臺軟件的入口主函數處進行了初始化，用戶只要在軟件操作界面上啟動相應的命令，系統會自動調用Simulation類中封裝好的仿真主要控制邏輯成員函數Run(),即可觸發仿真過程的啟動程序。

軟件需要作為鋼材加工中心混合作業線流程控制的仿真平臺。平臺庫預定義了一些加工中心最常使用的功能對象模塊，這使得仿真建模方便且靈活，通用性好，而且還內嵌了仿真策略算法、仿真核心計算引擎等框架以及通用特性和底層代碼，具備代碼重用性和擴展性強等特點。

3 應用的實例

應用本軟件操作的主要步驟如下：

1）、對實際系統進行邏輯分析建模，根據仿真研究目的抽象出系統的邏輯結構。在采用網絡圖式的方式描述資源實體間的邏輯關系；

2）、搭建仿真模型。根據上述邏輯關系圖，從軟件提供的預定義模塊庫中，采用拖曳的方式連接各模塊，采用連線的方式連接各個模塊；

3）、設定各個資源實體的屬性，包括加工時間、對象名稱、加工規則等參數；

4）、從工廠MES系統中導出計劃單并導入到指定的數據庫中，設定仿真軟件與數據庫連接設置；

5）、運行仿真模型，得出最終仿真結果并分析統計數據。

利用該仿真軟件對寶鋼國際某鋼材加工中心作業線進行仿真建模并進行仿真實驗。該加工中心目前共有1條開卷落料線，5條剪切線，以及6條激光拼焊線，根據以上操作步驟，建立的仿真模型，如圖5所示：

圖5 作業線仿真模型

加工中心提出的仿真指標主要如下：

1)以一個班次的標準時間450min(7h30m)為基準，仿真時長與現場統計時長誤差限制在5%以內，即±22m30s；

2)提供資源的利用率情況；

3)提供各條作業線中各個作業點的等待時間。

從數據庫中導入某一班次的計劃，通過本軟件進行仿真實驗，得出各作業線仿真時長以及實際現場統計時長的對比結果，如表1所示：

表1 作業線仿真結果表

加工中心資源的利用率情況，如圖6所示：

圖6 繁忙率統計

各作業線作業點的等待時間，如圖7所示：

圖7 各作業線中作業點等待時長統計

（仿真模型中，橢圓包圍范圍內為一條獨立的作業線。共有12條并行作業線。）

從表1中可看出，仿真時長與實際現場數據的比較結果均在誤差之內。

繁忙率統計主要是包括人力資源和設備資源的工作時間統計。

仿真結果給出的資源利用率情況以及作業點的等待時長數據，對于加工中心進行資源的合理配置和分析生產過程中生產瓶頸以及確定關鍵資源均有著重要的意義。由于計算機仿真運行速度快，計劃人員可根據仿真結果調整工單，并再次仿真，從而還可以獲得滿意的計劃。

該仿真平臺軟件已經應用于該加工中心，并且取得了很好的應用效果。

4 結 論

本文設計了一類面向鋼材加工中心作業線的離散事件仿真平臺軟件。軟件使用方便，底層代碼重用性和擴展性強，可用于二次開發，便于維護，仿真效率高。該平臺軟件已經應用于寶鋼某加工中心，取得較好的仿真效果。

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