系統(tǒng)建模與仿真是利用模型來分析、評價和優(yōu)化系統(tǒng)性能的相關(guān)技術(shù)。目前，該技術(shù)已經(jīng)在產(chǎn)品研發(fā)、制造系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、企業(yè)選址、車間布局、生產(chǎn)計劃與調(diào)度、供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本書以機(jī)械制造系統(tǒng)、物流系統(tǒng)等為對象，在分析系統(tǒng)和制造系統(tǒng)定義、組成與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹系統(tǒng)建模與仿真的基本概念及原理，闡述系統(tǒng)建模與仿真的基本元素、常用方法及其應(yīng)用步驟，分析離散事件系統(tǒng)建模與仿真的關(guān)鍵技術(shù)，簡要介紹主流制造系統(tǒng)仿真軟件的功能、特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域，并以ProModel軟件重點(diǎn)，介紹仿真軟件的建模元素及其使用步驟。書中提供了大量制造（生產(chǎn)）系統(tǒng)建模和仿真的研究案例，并配有思考題和習(xí)題。書中既有系統(tǒng)建模與仿真基本原理、概念和方法的闡述，也有典型仿真案例的構(gòu)建與應(yīng)用。
制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),而制造系統(tǒng)是制造業(yè)的基本構(gòu)成單元｡在制造系統(tǒng)數(shù)量､從業(yè)人員數(shù)量以及產(chǎn)業(yè)規(guī)模等層面,我國已經(jīng)成為世界制造業(yè)大國｡但是,由于在制造系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計､性能參數(shù)設(shè)置以及運(yùn)營管理等方面存在諸多問題,眾多制造系統(tǒng)的運(yùn)行效率低下､經(jīng)濟(jì)效益不高,在經(jīng)濟(jì)全球化環(huán)境下缺乏足夠的競爭力｡近年來,實(shí)現(xiàn)從“制造大國”向“制造強(qiáng)國”轉(zhuǎn)變成為各級政府､企業(yè)和學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的話題｡
仿真是一種基于模型的活動,它通過對系統(tǒng)模型的試驗(yàn)達(dá)到分析與研究系統(tǒng)的目的｡建模與仿真技術(shù)可以再現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)行為､分析系統(tǒng)配置及參數(shù)是否合理､預(yù)測瓶頸工位､判斷系統(tǒng)性能是否滿足規(guī)定要求,為制造系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行提供決策支持｡目前,系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛用于企業(yè)選址､制造系統(tǒng)設(shè)計､產(chǎn)品研發(fā)與性能優(yōu)化､生產(chǎn)計劃與調(diào)度､供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域,成為提升制造系統(tǒng)性能的有效手段｡
本書以機(jī)械制造系統(tǒng)､物流系統(tǒng)和服務(wù)系統(tǒng)等離散事件系統(tǒng)為研究對象,在分析系統(tǒng)定義和特征的基礎(chǔ)上,闡述系統(tǒng)建模與仿真的概念､原理和方法,介紹主流系統(tǒng)建模與仿真軟件的功能､特點(diǎn)及其應(yīng)用｡本書既提供了完整的系統(tǒng)建模與仿真體系架構(gòu),也注重理論方法與工程應(yīng)用的結(jié)合｡在相關(guān)章節(jié),分別以制造系統(tǒng)､物流系統(tǒng)以及服務(wù)系統(tǒng)為對象,給出了多個仿真研究案例｡
全書共分為七章｡第1章介紹系統(tǒng)與制造系統(tǒng)的定義､組成與特點(diǎn),系統(tǒng)建模與仿真的相關(guān)概念,并給出系統(tǒng)建模與仿真應(yīng)用案例｡第2章討論離散事件系統(tǒng)建模與仿真中的共性問題,分析離散事件系統(tǒng)的模型分類､元素組成以及仿真模型結(jié)構(gòu),闡述系統(tǒng)建模中常用的思維方法｡第3章介紹系統(tǒng)建模與仿真中隨機(jī)變量､隨機(jī)分布､隨機(jī)分布的數(shù)字特征等概念,論述隨機(jī)數(shù)和隨機(jī)變量的生成原理｡第4章以制造系統(tǒng)為對象,介紹系統(tǒng)建模的主要方法,包括馬爾可夫過程､Petri網(wǎng)建模理論､排隊(duì)系統(tǒng)模型以及庫存系統(tǒng)模型等,并給出系統(tǒng)建模與分析案例｡第5章分析仿真程序和仿真軟件架構(gòu),介紹常用的仿真調(diào)度策略和仿真時鐘推進(jìn)機(jī)制,闡述蒙特卡洛仿真和系統(tǒng)動力學(xué)仿真的基本原理,給出仿真應(yīng)用案例｡第6章簡要介紹系統(tǒng)建模與仿真的校核､驗(yàn)證與確認(rèn)的概念和基本方法｡第7章闡述仿真語言和仿真軟件的分類及其發(fā)展歷程,介紹主流系統(tǒng)建模與仿真軟件的功能､特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域;以ProModel軟件為重點(diǎn),分析軟件的模型元素和建模､仿真流程,并以板材加工柔性制造系統(tǒng)､汽車發(fā)動機(jī)再制造生產(chǎn)線､柔性作業(yè)車間生產(chǎn)調(diào)度､再制造系統(tǒng)動態(tài)瓶頸分析為例,給出多個制造系統(tǒng)建模､仿真與優(yōu)化研究案例｡
本書由東南大學(xué)蘇春編著,由南京理工大學(xué)李小寧教授主審｡教材的編寫工作得到了東南大學(xué)教務(wù)處立項(xiàng)支持,并入選國家新聞出版廣電總局“十三五”國家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目｡部分研究內(nèi)容受到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和江蘇省“六大人才高峰”項(xiàng)目資助,研究生沈戈､王圣金､黃茁､盧山､鄒小勇､王勝友､安政､曹白雪､許愛娟､付葉群､施楊梅等在制造系統(tǒng)建模與仿真案例研究中做出了貢獻(xiàn),在此謹(jǐn)表感謝｡在教材編寫過程中參考了大量文獻(xiàn),在此謹(jǐn)向原文獻(xiàn)作者表示感謝｡
系統(tǒng)建模與仿真研究領(lǐng)域?qū)拸V､研究內(nèi)容豐富,并且是一門快速發(fā)展中的新興學(xué)科｡由于作者水平有限,書中難免有不足和錯誤之處,敬請讀者批評指正｡
蘇春
前 言
第 1 章 緒論 1
1.1 系統(tǒng)與制造系統(tǒng) 1
1.1.1 系統(tǒng)的定義 1
1.1.2 制造系統(tǒng)及其組成 3
1.2 系統(tǒng)､ 模型與仿真 5
1.3 系統(tǒng)建模與仿真的步驟 10
1.4 制造系統(tǒng)建模與仿真概述 12
1.4.1 制造系統(tǒng)的特征分析 12
1.4.2 制造系統(tǒng)建模與仿真的功用 14
1.5 制造系統(tǒng)建模與仿真案例 17
思考題及習(xí)題 21
第 2 章 離散事件系統(tǒng)建模與仿真的基本原理 24
2.1 系統(tǒng)與系統(tǒng)模型分類 24
2.2 離散事件系統(tǒng)的建模元素 25
2.3 離散事件系統(tǒng)仿真程序的結(jié)構(gòu) 27
2.4 系統(tǒng)建模的常用方法 28
2.4.1 分析與綜合 29
2.4.2 抽象與概括 30
2.4.3 歸納與總結(jié) 32
2.4.4 演繹與推理 33
2.4.5 比較與類比 34
2.4.6 概率統(tǒng)計法 35
2.4.7 層次分析法 37
2.4.8 模糊綜合評價 40
思考題及習(xí)題 46
第 3 章 隨機(jī)變量和隨機(jī)分布 47
3.1 隨機(jī)變量和隨機(jī)分布概述 47
3.1.1 離散型隨機(jī)變量 47
3.1.2 連續(xù)型隨機(jī)變量 50
3.1.3 隨機(jī)變量的數(shù)字特征 52
3.1.4 常用隨機(jī)分布類型及其特性 55
3.1.5 隨機(jī)變量的經(jīng)驗(yàn)分布 68
3.1.6 隨機(jī)分布的參數(shù)估計 71
3.1.7 隨機(jī)分布的假設(shè)檢驗(yàn) 76
3.2 隨機(jī)數(shù)生成方法 77
3.2.1 隨機(jī)數(shù)的特性 77
3.2.2 隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的設(shè)計 78
3.3 隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的檢驗(yàn) 81
思考題及習(xí)題 84
第 4 章 制造系統(tǒng)的建模方法 89
4.1 系統(tǒng)建模方法概述 89
4.2 馬爾可夫過程 90
4.3 Petri 網(wǎng)建模理論 92
4.3.1 Petri 網(wǎng)的基本概念 93
4.3.2 Petri 網(wǎng)的擴(kuò)展形式 96
4.3.3 Petri 網(wǎng)中的事件關(guān)系 104
4.3.4 基于 Petri 網(wǎng)的系統(tǒng)性能分析 107
4.3.5 案例研究: 基于 Petri 網(wǎng)的液壓系統(tǒng)可靠性建模與評估 114
4.4 排隊(duì)系統(tǒng)模型 121
4.4.1 排隊(duì)系統(tǒng)概述 121
4.4.2 排隊(duì)系統(tǒng)的分類符號 126
4.4.3 排隊(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo) 126
4.4.4 顧客到達(dá)時間間隔和服務(wù)時間分布 129
4.4.5 案例研究: 基于排隊(duì)論的制造系統(tǒng)建模與手工仿真 133
4.5 庫存系統(tǒng)模型 136
4.5.1 庫存及庫存系統(tǒng)的定義與功能 136
4.5.2 庫存系統(tǒng)模型 138
4.5.3 案例研究: 汽車 4S 店庫存系統(tǒng)建模與仿真 142
思考題及習(xí)題 145
第 5 章 制造系統(tǒng)的仿真方法 150
5.1 系統(tǒng)仿真的調(diào)度策略 150
5.1.1 事件調(diào)度法 151
5.1.2 活動掃描法 152
5.1.3 進(jìn)程交互法 155
5.1.4 消息驅(qū)動法 158
5.2 仿真時鐘推進(jìn)機(jī)制 160
5.3 蒙特卡洛仿真 163
5.3.1 蒙特卡洛仿真的基本概念 163
5.3.2 案例研究: 基于蒙特卡洛仿真的系統(tǒng)動態(tài)可靠性評估 166
5.4 系統(tǒng)動力學(xué)仿真 181
5.4.1 系統(tǒng)動力學(xué)仿真的基本概念 181
5.4.2 系統(tǒng)動力學(xué)仿真的應(yīng)用步驟 182
5.4.3 案例研究: 基于系統(tǒng)動力學(xué)仿真的供應(yīng)鏈庫存優(yōu)化 183
思考題及習(xí)題 191
第 6 章 系統(tǒng)建模與仿真的校核､ 驗(yàn)證與確認(rèn) 193
6.1 校核､ 驗(yàn)證與確認(rèn)概述 193
6.1.1 校核､ 驗(yàn)證與確認(rèn)的基本概念 194
6.1.2 校核､ 驗(yàn)證與確認(rèn)的基本原則 195
6.1.3 校核､ 驗(yàn)證與確認(rèn)的實(shí)施過程 196
6.2 建模與仿真校核､ 驗(yàn)證的基本方法 197
6.2.1 建模與仿真的校核與驗(yàn)證技術(shù) 197
6.2.2 模型驗(yàn)證的常用方法 201
思考題及習(xí)題 206
第 7 章 仿真技術(shù)發(fā)展與仿真案例研究 207
7.1 仿真技術(shù)起源及其發(fā)展現(xiàn)狀 207
7.2 常用仿真軟件簡介 209
7.2.1 Arena 210
7.2.2 ProModel 212
7.2.3 Flexsim 213
7.2.4 Extend 214
7.2.5 Witness 216
7.2.6 AutoMod 217
7.2.7 SIMUL8 218
7.3 系統(tǒng)仿真軟件的選用 219
7.4 ProModel 仿真軟件及其使用步驟 220
7.4.1 ProModel 軟件的建模元素 220
7.4.2 ProModel 軟件的使用步驟 243
7.5 制造系統(tǒng)建模與仿真案例研究 244
7.5.1 板材加工柔性制造系統(tǒng)配置與參數(shù)的優(yōu)化 244
7.5.2 汽車發(fā)動機(jī)再制造生產(chǎn)線瓶頸工序分析與性能優(yōu)化 250
7.5.3 基于仿真和規(guī)則的多機(jī)并行作業(yè)車間生產(chǎn)調(diào)度 263
7.5.4 考慮質(zhì)量不確定性的再制造系統(tǒng)動態(tài)瓶頸分析 267
7.5.5 基于分派規(guī)則和人工蜂群算法的再制造系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度仿真 275
思考題及習(xí)題 285
參考文獻(xiàn) 290
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