基于WITNESS的生产系统仿真实验 精品.docx
《基于WITNESS的生产系统仿真实验 精品.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于WITNESS的生产系统仿真实验 精品.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于WITNESS的生产系统仿真实验精品
实验项目名称
基于WITNESS的生产系统仿真实验
实验学时
24
指导教师
张帅
实验地点
航空楼B101
实验对象
工业工程本科生
可选人数
10
“基于WITNESS的生产系统仿真实验”实验教学大纲
实验名称：
基于WITNESS的生产系统仿真实验
实验学时：
24
适用专业：
工业工程专业
开课学院：
机电学院
开课学期：
第6学期
一、实验课程简介
流水线生产是现代工业企业很重要的一种生产方式，它是指生产对象按照一定的工艺路线顺序的通过各个工作地，并按照统一的生产速度完成工艺作业的生产过程。
流水生产线能够满足合理组织生产过程的要求，使企业生产的许多技术经济指标得到改善。
本实验通过Witness仿真软件建立一个流水生产线系统来模拟流水生产的过程，以找出影响流水生产效率的因素。
二、实验课前思考题
1、简述一下仿真技术的产生和发展。
2、计算机仿真技术的优点是什么？
3、现有的仿真软件都有哪些？
都有哪些优缺点？
4、系统仿真的三要素是什么？
5、系统的三要素是什么？
6、系统模型是什么？
7、什么是仿真？
8、什么是离散事件系统仿真？
9、什么是系统仿真中的事件？
10、什么是仿真鈡？
三、实验目的
1、学习、掌握Witness仿真软件的使用与主要功能；
2、熟悉流水生产线的特点；
3、了解影响流水线生产效率的因素和基本的改善方法。
基于WITNESS的生产系统仿真实验
一、实验介绍
下面描述如何通过WITNESS系统提供的DesignerElements模板，快速的建立WITNESS模型。
这个过程仅仅展示了采用WITNESS建模的思想，它并不代表真正的工业系统。
通过本节的学习，要能够掌握：
part、machine、conveyor、labor实体元素、variable逻辑元素的使用；
掌握可视化输入、输出关系的建立；
掌握report工具栏的使用和分析，并根据分析，进行系统优化设计。
WITNESS提供了如下14种标准随机分布函数：
（1）BETAβ分布；
（2）NORMAL正态分布；
（3）BINOMIAL二项分布；（4）POISSON泊松分布；
（5）ERLANG爱尔朗分布；（6）RANDOM0-1均匀分布；
（7）GAMMAγ分布；（8）TNORMAL截断正态分布；
（9）IUNIFORM整数均匀分布；（10）TRIANGLE三角分布；
（11）LOGNORML对数正态分布；（12）UNIFORM均匀分布；
（13）NEGEXP负指数分布；（14）WEIBULL威伯分布
1）LOGNORML（对数正态分布）
该函数提供服从对数正态分布的样本值，返回值为实数。
如果某一变量的样本数据的对数服从正态分布，那么该变量就是服从对数正态分布。
语法结构：
LOGNORMAL（Mean，SD，prns）
参数：
Mean:
分布均值，实数；SD：
标准差，实数；Prns：
为随机数流，整数。
函数调用示例：
当mean=1.65,SD=2.16时，R=LOGNORML（1.65,2.16,1）
适用情况：
完成一项服务所需的时间，例如：
完成一名顾客的服务时间或修理好一台机器的时间。
注：
该函数不会产生负值，其均值也不可能等于零
2）NEGEXP（负指数分布）
该函数提供服从负指数分布的样本值，返回值为实数。
可以认为它是泊松分布的补集。
语法结构：
NEGEXP（mean，prns）
参数：
mean:
均值，实数；Prns：
为随机数流，整数。
函数调用示例：
R=NEGEXP（1.0,1）
适用情况：
相邻事件发生的时间间隔，例如：
顾客到达时间间隔，及其故障时间间隔。
二、实验目的
1、学习、掌握Witness仿真软件的使用与主要功能；
2、熟悉流水生产线的特点；
3、了解影响流水线生产效率的因素和基本的改善方法。
三、实验内容
流水线生产是现代工业企业很重要的一种生产方式，它是指生产对象按照一定的工艺路线顺序的通过各个工作地，并按照统一的生产速度完成工艺作业的生产过程。
流水生产线能够满足合理组织生产过程的要求，使企业生产的许多技术经济指标得到改善。
本实验通过Witness仿真软件建立一个流水生产线系统来模拟流水生产的过程，以找出影响流水生产效率的因素。
四、实验步骤
1、启动Witness软件系统
2、定义模型元素，建立一个包含机器和传送装置的简单模型：
在模型中可设为某零件（Widget）要经过称重（Weigh）、冲洗（Wash）、加工（Produce）和检测（Inspect）四个工序的操作。
3、可视化模型元素
4、详细定义模型元素
5、运行模型与统计分析
模型的建立采用一种循序渐进的方法，这种建模方法可以在确保本阶段正确无误的基础上继续进行下一阶段的建模，而且能够清楚地看到在做任何改变产生的效果。
第一阶段：
建立Widgets的零部件、一台称重机器（Weigh）运行时间为5分钟和一条输送链（C1），输送带长度为10倍于零部件尺寸，链速为0.5，即每分钟输送带移动0.5个零部件长度。
第二阶段：
添加机器为清洗（Wash）、加工（Produce）、检测（Inspect）添加的输送带为C2、C3，同时添加一个逻辑变量output，用于动态显示模型中加工完成的小零件数量。
其中清洗（Wash）的加工时间为4分钟，C2的链速为0.5，加工（Produce）的加工时间为3分钟，C3的链速为0.5，检测（Inspect）的加工时间为3分钟。
变量output用来计算从Inspect中输出的Widgets的量，将计数结果显示在屏幕上。
Output=output+1。
模型运行时间为100分钟。
第一阶段（stage1.mod）和第二阶段（stage2.mod），可以建立一个包含机器和传送装置的简单模型，可以从这一模型计算出此模型系统的输出和性能。
第三阶段：
为了使上述模型更有现实意义需要对其赋予更多的特性和功能。
在本阶段中，将假设Produce机器每加工完五个零部件就需要进行一次刀具的调整，调整时需要人员来参与，调整时间为12分钟。
构建本阶段模型需要在stage2的基础上，向模型中添加Labor元素，设置Produce机器的调整属性。
观察在相同运行时间下完成加工的数量，机器的使用率及输送链的使用情况。
第四阶段：
在本阶段中，考虑将随机分布函数应用到机器的故障发生时间间隔和劳动者维修机器的故障所需要的维修时间中。
假设Produce机器在工作一定的时间后，可能会发生意外的抛锚，通过以往机器两次抛锚时间间隔的统计发现，其时间间隔服从均值为60分钟的负指数分布；每当机器抛锚时，都需要人员对它进行维修，维修过程所持续的时间受到故障诊断时间、故障排除的难易程序、维修人员的生理和心理状态的影响，呈现随机波动性，统计数据表明维修时间服从均值为10分钟、标准差为2分钟的对数正态分布。
构建本阶段模型需要在stage3的基础上，设置Produce机器的故障breakdown属性。
通过双击机器图标，得到机器的详细设计对话框，选择breakdown页框。
运行500mins，这样才能够很清楚地看出在模型运行的整个过程中操作者和建模元素之间的相互影响。
第三阶段（stage3.mod）和第四阶段（stage4.mod），可以加入更多的功能元素（例如机器故障、劳动者、设备调整等）使模型更符合实际。
即使对模型增加一点点复杂性，人工计算生产量和设备利用率也将变的很困难，而使用WITNESS的仿真技术可以很轻松的解决这一问题。
第五阶段：
通过比较分析可以看出机器produce是生产线的“瓶颈”，严重制约了系统的产出率，大大增加了widget的系统通过时间，为了改进这种状态，考虑添加一台produce机器和一条C2输送带，这样生产线上将有两台Produce机器和两条C2输送链同时工作，应该能够提高系统的产量。
在添加元素之前，建议重新布局屏幕中建模元素，目的是给将要添加的第二台Produce和C2留出足够的空间，以免显得拥挤，为了节约空间以及符合实际情况，可以选择将新元素拖到原来建模元素的下方。
经过以上设定，模型系统中将有两条输送链C2
（1）和C2
（2），它们的名称、类型等明细是相同的，只是下标不同，分别为1和2；以及两台机器Produce
（1）和Produce
（2）。
系统的输入输出关系设定为Produce
（1）仅仅向C2
（1）“拉”零件来加工，Produce
（2）仅仅向C2
（2）“拉”零件来加工。
给每台Produce机器与相对应的输送链C2设定输入输出规则，需要使用到系统变量N。
系统变量N：
保存当前元素下标的整型变量。
例如，如果模型系统中有一个数量为3的机器MACH，当MACH
（1）恰好完成了一个加工周期（或即将开始一个加工周期时），则N被赋值为1；如果是MACH
（2），则N被赋值为2；如果是MACH（3），则N被赋值为3。
为了实现Produce
（1）仅仅向C2
（1）“拉”零件来加工，Produce
（2）仅仅向C2
（2）“拉”零件来加工，需要进行下面的步骤：
Produce机器图标显示generaldetail对话框；输入规则“PULLfromC2（N）atFront”；同时WASH机器上零件清洗完毕之后，将输出到C2两条链上队列较短的输送链上，规则设计操作如下：
“LEASTPARTSC2
（1）atRear,C2
（2）atRear”。
运行500时间单位（运行前要复位），观察改进后的产量，比较为增加产量的所需的花费是否值得？
生产零件的个数？
工作人员的工作效率？
第六阶段：
通过stage5，添加瓶颈设备，可以有效地提高系统的产量，但是widget的在制品库存与平均通过时间仍然比stage2要高很多，我们试图在stage6中加以改善。
下面尝试增加produce机器抛锚的维修时间Repairtime，观察模型维修时间值的改变对产量的的敏感性。
将Repairtime的均值由原来的10增加到20，即：
LOGNORML（20,2,2）。
运行500时间单位（运行前要复位），观察改进后的产量，生产零件的个数？
工作人员的工作效率？
将Repairtime的均值由原来的20增加到30，即：
LOGNORML（30,2,2）。
运行500时间单位（运行前要复位），观察改进后的产量，生产零件的个数？
工作人员的工作效率？
从结果中观察Produce机器的repairtime在多少时间以内变化时，产量相应变化不敏感？
当超过多少时间时，repairtime的变化将引起产量的较大变动？
所以repairtime范围应该尽量控制在多少分钟以下？
第五阶段（stage5.mod）和第六阶段（stage6.mod）为了增加产量和更有效的利用资源可以调整模型的运行方式和参数。
五、实验报告要求
1、写出实验目的
2、写出简要实验步骤
3、将模型的不同参数运行得出的结果进行对比，找出影响流水生产线效率的因素。
4、比较分析原系统和改善后的系统运行结果。
六、思考题
1、流水生产线的主要特点是什么？
2、流水线是否有缺点，为什么？
综合实验基本知识介绍
1．WITNESS用户界面
当正常启动WITNESS系统后，首先进入的是WITNESS系统的主屏幕界面。
如图1所示。
图1WITNESS系统主屏幕界面
从图上可以看出，WITNESS系统的界面，是由标题栏、菜单栏、工具栏、元素选择窗口、状态栏、用户元素窗口和系统布局区组成的。
下面对每一部分的功能加以介绍。
1.1、标题栏
标题栏位于屏幕界面的第一行，它包括系统程序图标、主屏幕标题、最小化按钮、最大化按钮和关闭按钮5个对象。
（1）系统程序图标单击WITNESS系统程序图标，可以打开窗口控制菜单，在窗口控制菜单下，可以移动屏幕并改变屏幕的大小。
双击系统程序图标，可以关闭WITNESS系统。
（2）主屏幕标题主屏幕标题由两部分组成，前一部分是系统的名称，也既是“WITNESS”，后一部分是当前打开的模型的标题，可以根据不同的模型进行修改设置。
设置方法是打开“Model”菜单，选择“Title”选项，在弹出的标题设置对话框中进行设置。
标题对话框如图2所示。
在模型标题设置对话框的“General”页框下，设置模型的名称（name）、标题（Title）、作者（Author）等信息。
模型名称和标题将显示在主屏幕标题栏上。
（3）最小化按钮单击“最小化”按钮，可将系统的屏幕缩小成图标，并存放在Windows桌面的底部的任务栏中。
（4）最大化按钮单击“最大化”按钮，可将系统的屏幕定义为最大窗口。
（5）关闭按钮单击“关闭”按钮，可将关闭WITNESS系统。
图2模型标题设置对话框
1.2、菜单栏
菜单栏位于屏幕的第二行，它包含：
File（文件）、Edit（编辑）、View（显示）、Model（模型）、Elements（元素）、Reports（报表）、Run（运行）、Window（窗口）、Help（帮助）九个菜单选项。
当单击其中一个菜单选项时，就可以打开一个对应的“下拉式”菜单，在该“下拉式”菜单下，通常还有若干个子菜单选项，当选择其中一个子菜单选项时，就可以执行一个操作。
1.3、工具栏
Witness系统提供了不同环境下的八种常用的工具栏，它们是：
Standard、Model、Element、Views、Run、Reporting、Assistant、DisplayEdit。
激活其中一个工具栏，即在屏幕上显示出一行相应的工具栏，用鼠标将它拖放到合适的位置，就可以使用这个工具栏提供的相应的工具进行某些操作。
激活工具栏使用菜单View/Toolbars，然后选中相应的菜单即可。
1.4、元素选择窗口
在元素选择窗口中，有五项内容：
Simulation、Designer、System、Type、SystemFunction。
其中Simulation中将显示当前建立的模型中的所有元素列表；Designer中显示当前DesignerElements中的所有元素列表；System中显示系统默认的特殊地点；Type中显示Witness系统中可以定义的所有元素类型；SystemFunction中显示Witness系统中可以定义的所有函数类型。
该窗口的显示和隐藏可以使用菜单View/ElementSelector，或者使用element工具栏中的图标按钮。
1.5、状态栏
状态栏位于屏幕的最底部，用于显示某一时刻的工作状态或者鼠标光标位置的工具栏按钮的作用。
1.6、用户元素窗口（DesignerElements）
系统提供的默认用户元素窗口中提供了各种元素的可视化效果的定义，不过在建模过程中，当这些缺省设置并不能很好的表示实际系统，用户可以在该窗口定义自己的相关元素的名称、可视效果等，保存以便日后的使用。
定义方法可以鼠标右击页框标题，将出现弹出式菜单，其中具有菜单项“AddNewDesignerGroup”、“RenameDesignerGroup”、“DeleteDesignerGroup”、“LoadDesignerGroup”，可以进行添加新页框、重命名本页框、删除本页框、加载原有设计元素组。
向页框中添加自定义元素的步骤一般也分为Define、Display、Detail三步。
页框的背景色设置同系统布局窗口背景色的设置。
自定义元素设定完毕之后，需要保存成*.des文件，通过菜单File/SaveAs，然后选定文件类型为DesignerElementFiles（*.des），输入文件名即可。
1.7、系统布局区
系统布局区也叫系统布局窗口，在布局窗口中，设置实际系统构成元素的可视化效果以及它们的二维相对位置，可以清楚的显示实际系统的平面布局图。
Witness一共提供了八个窗口，可以通过这些窗口，使得仿真项目以不同的角度显示其可视化效果。
图3窗口控制对话框
对系统布局窗口的设置主要有三项内容：
添加元素、设置窗口名称以及窗口背景色。
如何添加元素将在后面本章最后一部分内容；设置窗口名称以及窗口背景色可以通过选择菜单项Window/Control…，将弹出如图3所示的窗口。
在Name下的文本框中输入窗口的名称；点击BackgroundColor下的颜色按钮，在弹出的调色板中选定背景颜色；选择Zoom中的比例可以放大或缩小布局窗口中元素的尺寸。
2．WITNESS建模元素
现实的商务或事物系统总是有一系列相互关联的部分组成的，比如制造系统中的原材料、机器设备、仓库、运输工具、人员、加工路线或运输路线等，服务系统中的顾客、服务台、服务路线等。
Witness软件使用与现实系统相同的事物组成相应的模型，通过运行一定的时间来模拟系统的绩效。
模型中的每个部件被称之为“元素（Element）”。
该仿真软件主要通过如下五类元素来构建现实系统的仿真模型：
离散型元素、连续型元素、运输逻辑型元素、逻辑型元素、图形元素。
2.1离散型元素
表示所要研究的现实系统中可以看得见的、可以计量个数的物体，一般用来构建制造系统和服务系统等。
主要包括：
零部件或实体（PartorEntitie）；机器（Machine）；输送链（Conveyor）；缓冲区或仓库（Buffer）；车辆（Vehicle）；轨道（Track）；劳动者（Labor）；路径（Path）；模块（Module）
2.2连续型元素
同离散型元素相对应，这种类型的元素用来表示加工或服务对象是流体的系统，比如化工、饮料等。
主要包括：
流体（Fluid）；管道（Pipe）；处理器（Processor）；容器（Tank）
2.3运输逻辑型元素
用于构建物料运输系统。
主要包括：
运输网络（Network）；单件运输小车（Carriers）；路线集（Section）；车辆站点（Station）
2.4逻辑元素
用来处理数据、定制报表、建立复杂逻辑结构的元素，通过这些元素可以提高模型的质量和实现对具有复杂结构的系统的建模。
主要包括：
属性（Attribute）；变量（Variable）；分布（Distribution）；函数（Function）；文件（File）；零部件文件（Partfile）；班次（Shift）；
2.5图形元素
图形元素可以将模型的运行绩效指标在仿真窗口形象的表现出来。
主要包括：
时间序列图（Timeseries）；饼状图（Piechart）；直方图（Histogram）。
3离散型元素
离散型元素是为了表示所要研究的现实系统中可以看得见的、可以计量个数的物体，一般用来构建制造系统和服务系统等。
主要包括：
零部件（Part）、机器（Machine）、输送链（Conveyor）、缓冲区（Buffer）、车辆（Vehicle）、轨道（Track）、劳动者（Labor）、路径（Path）、模块（Module）。
3.1零部件（Part）
零部件是一种最基本的离散型元素，它可以代表在其他离散型元素间移动的任何事物。
如产品、大公司全程处理的项目、电话交流中一个的请求、微型电子元件、超市中川流不息的人、医院中的病人、机场上的行李等等。
在模型中，零部件的使用方法有很多种。
我们可以单独使用零部件，可以将多个零部件组装成一个零部件，也可以将一个零部件分成许多零部件。
零部件可以被同批处理，可在同一时间被批量或单个创建，在模型的处理过程中还可以转变为另一些零部件。
零部件进入模型主要有两种方式。
第一种方式是被动式的，只要有需要，零部件可以无限量进入模型。
如在生产性企业中，一些零部件堆放在仓库中，当生产需要时，可以随时把它取出来供应生产。
第二种方式是主动式的，零部件可以间隔固定的一段时间（例如，每隔10分钟）进入模型；可以按照一定的随机分布进入模型，如顾客到达商店的时间间隔服从均匀分布；也可以以不规则的独特的时间间隔（例如，10分钟，20分钟，30分钟）到达模型中；还可以以重复的不规则的方式进入模型，例如，一个餐馆，有50位“顾客”（零部件）在上午8点到达那里，10位顾客在上午8：
01至11：
59到达那里，50位在中午12点到达，50位在12点半到达等等，每星期都如此。
在该方式中，我们可以对零部件达到模型的时间、时间间隔、到达最大数量等选项进行设置。
3.2机器（Machine）
机器是获取、处理零部件并将其送往目的地的离散元素。
不同的机器代表不同类型的处理过程。
一台机器可建立不同的模型，它可以代表有装载、旋转、卸载、空闲和保养这五个状态的一台车床，也可以代表有空闲、工作、关闭三个状态的一个机场登记服务台（将旅客与他们的行李分开，并发放登机卡），还可以代表有焊接，空闲和保养三个状态的一个机器人焊接工等等。
Witness提供了七类机器来建立不同类型处理过程的模型：
（1）单处理机（single）。
单处理机只能一次处理一个部件，单输入单输出。
（2）批处理机（batch）。
批处理机一次能处理多个部件，n个部件输入n个部件输出。
（3）装配机（assembly）。
装配机可将输入的多个零部件组装成一个组件输出，n个部件输入1个部件输出。
（4）生产机（production）。
一个原部件输入到生产机中能输出许多部件。
1个部件输入n个部件输出。
如单片钢板的切割，会得到一些成品和边角料。
我们要注意的是，生产机不仅输出原部件，而且输出带有规定生产数目的部件，就如相片的加洗，在复制的最后，我们得到了需要数目的复制品再加上原件。
（5）通用机（general）。
在通用机器中输入一批部件，输出的是相同数目或不同数目的一批部件，这个处理过程可能存在单个循环或多重循环。
（6）多周期处理机（multiplecycle）。
多周期处理机是一台特殊的通用机器，它模拟机器实行的是经过许多独立的处理周期来完成一次操作。
可以为每个周期指定不同的输入、加工时间、输出数量。
（7）多工作站机（multiplestation）。
一台多工作站机工作起来就像许多台联结在一起的机器。
它有多个不同的部件加工位置，每个部件将依次通过每一个工作站，完成一系列的工序。
3.3输送链（Conveyor）
输送链是一种可以实现带传送和滚轴传送的离散性元素。
如机场里运送行李的传送带，将卡车车体沿生产线移动的传送装置，将空纸盒送往包装操作的滚轴传送装置等等都可以称为输送链。
Witness提供了两种输送链：
（1）固定式（Fixed）。
这是一种保持部件间距不变的输送链。
假如该输送链停了，它上面的部件间的距离仍保持不变。
（2）队列式（Queuing）。
这种输送链允许部件的累积。
假如该输送链上的部件被阻塞，部件仍不断的滑向一起，直到这个输送链被塞满。
输送链通常把部件从一个固定点移到另一个固定点。
部件从输送链后段进入，并向前移动。
我们能确定部件在输送链上的特定位置，并可以将部件装载或卸载到特定的位置。
不管是固定式输送链还是队列式输送链都可能发生故障，需要工人来修理。
在设计输送链时，我们可以对它的长度、最大容量、部件移动每单位长度所需的时间等项进行设定。
3.4缓冲区（Buffer）
缓冲区是存放部件的离散元素。
例如存放即将循环焊接的电路板，即将用于旅行的真空包装食品的储藏区，位于加工区的盛放产品部件的漏斗形容器等等物体都称为缓冲区。
缓冲区是一种被动型元素，既不能像机器元素一样主动获取部件，也不能主动将自身存放的部件运送给其
升级会员 