生产系统活动建模

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2023-08-15 来源: 智造苑
对象模型和数据模型所描述的只是仿真模型的静态结构部分,要让生产系统仿真模型最终能够动起来,还必须进行活动建模(activity modeling)。活动建模的基本目的是定义仿真系统中的各类活动,描述活动的执行逻辑,建立“对象-对象”“对象-数据”之间的动态联系,为仿真运行时各类活动提供执行脚本。
按照逻辑规则,将多个对象在先后时刻发生的多个原子操作连接起来,就形成了活动。
「 1. 生产活动 
生产活动是生产系统的基本活动,生产活动的执行以生产订单为基本驱动,以订单工件的工艺流程为基本约束,按照生产工序依次推进工件的生产。在生产活动执行过程中,还需要考虑设备可用能力、工厂日历、资源/工人就绪状态、物流调度、质量异常、设备故障、停机计划等诸多因素,是一个非常复杂的过程。
通过连接线(connector)来定义生产活动顺序是最简单的方式,如图1所示,入口位置依据订单表,每间隔1min产生1个工件A,共10次。工件A沿连接线,先进入缓冲区1等待,一旦3台并行设备(设备1-1、1-2和1-3)中有1台空闲,就进入该设备加工,加工时间5min,完成后进入缓冲区2等待,当设备2空闲后再进入加工,加工时间8min,最后流入出口,工件生产任务完成。


图1 通过连接线定义生产活动的示例

然而,连接线只能定义非常简单的活动(如图1),如果订单表包括3类工件A、B、C,A工件在设备1-1上加工,时间为5min,B工件在1-2上加工,时间为6min,C工件在1-3上加工,时间为10min,在设备2上加工时,3类工件的加工时间分别为4、8、5min,显然,通过连接线难以描述该生产活动,需要通过下面的控制逻辑来定义活动。
如图2所示,当工件离开缓冲区1之前,将执行预定义的“路由控制逻辑”,依据工件类型确定目的位置,当工件进入设备后,读取“加工时间表”,正确设置工件加工加工时间。


图2 通过控制逻辑定义生产活动的示例
 
本例只是一个很简单的例子,对于复杂的仿真模型,通常有大量的生产活动逻辑需要定义,仿真软件一般也都提供了脚本定义功能,用户通过自定义脚本来实现灵活的生产活动逻辑控制。值得说明的是,活动模型和数据模型是紧密联系的,定义活动逻辑时,需要频繁访问数据模型中的数据。
 
「 2. 物流活动 
 
在图1和图2中,由于没有考虑物流,工件从当前位置对象到下一个位置对象的移动是瞬时发生的,这是简化的处理,实际情况下,需要通过物流设施来实现工件的转序。生产系统中各类在制工件、零配件和成品的流动统称为物流活动。在建模阶段,物流活动的定义包括如下步骤:
 
(1)确定物流的方式。即定义工件从一个位置到另外一个位置的移动通过何种方式来实现。常见的物流方式包括AGV、RGV、天车、叉车、传送线、工人搬运等。
 
(2)定义物流呼叫的时机。即定义在什么时候呼叫物流服务。常见的物流呼叫时机包括:1)工件进入缓冲区之后;2)工件离开设备之前;3)到达规定的时间;4)仓库接到配送指令,工件已出库;5)设备发生故障,需将在制工件移走,等等。
 
(3)定义物流任务处理策略。即定义物流设施执行物流任务的顺序,物流设施一般是共享资源,如果服务请求数>当前可用设施数,就需要进行调度,调度的策略包括先来先服务(FIFS),后来先服务(LIFS),高优先级先服务,等等。

(4)定义物流路径和避让策略。一般情况下,物流任务按照最短距离路径来执行,然而,最短路径是静态的,在运输过程中,如果物流车辆的碰撞不能忽略,则必须考虑避让策略,这时候,物流路径的选择就是动态生成的。
「 3. 资源活动 
仿真开始前,所有资源一般初始位于资源池和工人池中,仿真开始后,随着生产活动和物流活动的开展,生产对象和物流对象不断呼叫资源服务,在资源调度系统的控制下,资源离开资源池和工人次,进入工作场所,执行生产和物流任务,任务完成后返回资源池和工人池。资源活动包括如下子活动:
(1)资源的呼叫。比如某设备加工过程需要工装和工具等资源,当工件任务到达后,呼叫资源服务,设备处于“准备”状态,在资源就绪之后,设备状态变为“工作中”。
(2)资源的调度。当“资源请求数>可用资源数”时,需要进行资源调度,资源调度策略和物流设施的任务调度策略类似。
(3)资源的使用与释放。默认情况下,资源的占用时长和任务处理时长相同,比如工件加工需要10min,作业工人也占用10min,也可以灵活定义资源的使用方式。
「 4. 维修活动 
生产系统中存在两类维修策略:一类是故障维修;一类是主动维修。前者是当故障发生后,才被动进行维修;后者是先制定维修计划,可能是定期维修,也可能是视情维修,到达维修时刻即启动维修。两类维修策略对应两类维修活动。维修活动包括如下子活动:
(1)设备停机和任务转移。如果工作中状态的设备突发故障,可能需要将在制工件转移到其他设备上,这是就需要执行任务转移活动。
(2)呼叫维修资源。见资源活动。
(3)维修结束和任务重启。如果故障前设备有未完工任务,并且该任务未曾转移,就需要重启任务,这又涉及到工人呼叫等一系列活动。
「 5. 其他活动 
除了上述几类活动外,可能还存在其他一些活动,比如质检活动(随机抽取一些工件进行质检)、缺陷工件的返工返修活动等,也都需要在活动建模阶段来定义。
将生产系统中客观存在的各种物理实体(entity)以及逻辑实体进行抽象描述并实现图形化表达,称为对象建模(object modeling),每个实体都有其特征和功能,在对象模型中统称为属性(property)。生产系统仿真模型中的对象主要包括生产设施对象、物流设施对象、工件对象、资源对象和逻辑对象。它们的特点如下:
(1)生产设施、物流设施、工件、资源是物理实体的抽象描述,而逻辑对象不对应物理实体;
(2)生产设施、物流设施是永久对象,仿真建模时即存在,仿真结束后也不消失。它们也是静态对象,仿真过程中几何位置保持不变;
(3)工件、资源是临时对象,仿真运行时才创建,仿真结束后就消失。它们还是流动对象,仿真过程中几何位置不断发生变化。
 
引自:《生产系统建模与仿真》(作者:朱海平)
 

  

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