系统建模与仿真实验指导书ⅠARENA二维仿真建模实验.docx
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系统建模与仿真实验指导书ⅠARENA二维仿真建模实验
系统建模与仿真实验指导书
ⅠARENA二维仿真建模实验
一、实验目的：
1简单流水线建模实验
掌握ARENA二维仿真软件的基本操作，掌握ARRIVE、DEPART、SEVER、INSPECT、SIMULATION等模块的应用与连接，学会采用该软件建立一条简单的生产流水线，并进行逻辑模块的参数设置和物理模块的界面设计，建成的仿真系统能运行并返回需要的统计数据。
2生产制造过程仿真建模实验
借助工业工程综合实验——装配线设计实验的成果——装配线的结构与布局以及各主要工位的操作数据，通过ARENA软件进行仿真建模，比较系统运行的结果，对综合实验的设计方案进行验证实验，调整参数，寻求优化方案，进行优化设计实验。
二、实验步骤
主要解决的四个问题：
1）模型的建立,确定该系统需要的模块类型和数量：
输入（Arrive），输出（Depart），加工操作（Sever），检验操作（Inspect）以及他们的先后顺序和连接关系
2）参数设置：
包括模块内参数设置和系统参数设置
3）统计分析功能的建立：
成品及废品平均流程时间、成品率、废品率以及其方差设置和实现，并能对此进行分析和评价，重新调整参数以实现系统优化；
4）界面优化，利用系统工具或者画图工具，对仿真运行界面进行优化，体现更清晰的运动状态和物流路径，模拟加工过程的实现
附：
上机操作指导
软件工具介绍
一、Arena软件工具的特点
Arena是一个MicrosoftWindows下的工具，所以它的基本界面你应该早已熟悉,但是由于Arena仿真软件是属于专业软件，并不常见，国内对该软件的操作方面的资料甚少，而且还都是外文版，所以有必要对Arena的操作界面以及相关的仿真建模操作和模块进行介绍。
（一）、操作界面
图3-1Arena的界面
1File菜单
在这个菜单里，你可以新建Arena模型文件，打开现有模型，关闭窗口，存储模型或创建一个只许观看的模型，你也可以引进CAD图形，将AUTOCAD作为Arena的支持工具，而在一些情况下，活动元素将允许你使用现有的详尽的机器设备的图形。
当你改变了Arena所使用的颜色，你可以把它们存储为Arena的颜料板，当然，你也可以打开最新存储的颜料板进行编辑。
Arena的打印功能也在这一菜单下。
传送命令允许你将Arena里的或相关的活动模型邮寄出去。
像其他在MicrosoftWindows系统下软件工具一样，Arena对最近用到的文件具有记忆功能，你可以很快打开它们，最后，退出命令是退出Arena软件的方法之一。
2Edit菜单
在该菜单下，你可以找到对Arena模型中各种对象的常用操作，你可以撤消前一个操作或恢复撤消。
你可以剪切或者复制选定的对象到剪切板并放置在任何地方，包括当前模型，其他模型，有时候甚至是另一个软件里的。
粘贴命令允许你将剪贴板里的内容输入到一个模型中；粘贴连接则能创造一个指向当前剪贴板中源文件的连接。
重复命令将对选中的对象进行复制，并放置在它旁边。
删除命令将对你所选中的对象进行暂时移除，通过全选和全部删除命令你可以将一个模型中的全部内选中或删除。
Arena中的寻找功能可以借助对全文搜索和条件灵敏度来寻找所有的模块和动态对象；你也可以展示附加的对象属性，比如说它独特的对象标签；如果你将一些文件连接到模型里，连接命令将告诉你它们的存在并允许你对它们进行修改；插入新对象命令使你能够对来自其他工具里的东西，例如图形和多媒体，进行安放，而对象命令则能够让你对所引进的对象进行编辑。
3View菜单
通过该菜单，你将能够完全控制如何将你的模型显示在屏幕上，也能将你所需要的工具栏放置在屏幕上，zooming命令让你可以放大或缩小模型，如同是在不同的海拔高度观看你的模型一样；zoomfactor允许你设置每一次放大或缩小的比例；views命令使你能对模型的视图进行设定；namedviews则能使你能够定义，改变和使用你自己的视图；如果你想突出某一个部分，你可以用grid和snap；layers使你能控制在编辑和运行期间要显示哪些类型的对象；toolbars能让你设置一系列可以在屏幕上显示的操作按钮；使用statusbar，你可以决定是否在屏幕的底端显示水平工具条。
4Tools菜单
Arena不仅具有仿真建模的功能，也有一套相关的软件工具。
Modeljump-startwizard能建立起一个基于输入的Arena简单模型，它能帮你快速地启动一项工程，inputanalysis能对特殊化模型输入的观察数据的概率分布进行适配；outputanalysis将可以帮你对仿真结果进行合适的统计分析；scenariomanager能够使你运行一批仿真模型，比如你想要对多个仿真模型进行比较，可以在这里边进行设置并分析他们各自的运行结果；licensesummary一项将向你展示你安装的Arena产品的商业信息；紧接着的一项是NOadd-Ins它能列出所有安装在add-ins文件里的可执行程序的清单，这些都是应用程序，如在Arena里的自动演示任务；showvisualbasiceditor将打开一个编辑窗口，在这个编辑窗口里你可以编写与仿真模型相应的visualbasic代码;这个功能将在第十章里详细地谈到。
最后，option这一项，你可以根据个人需要或爱好来改变或个性化Arena中的任务。
5Arrange菜单
该菜单下的各条项是有关建模模块和图形的定位。
只有最上面和最下面的两个命令是用来构建模块的，Bringtofront和SendtoBack是用来将选中对象定位在顶层或底层的，这是考虑到在有比较多对象的模型里，这些对象可能会叠合在一起而使人混淆；Group和Ungroup两个命令则是在不影响对象的物理属性的条件下，将各种对象按某种逻辑组合在一起或者将其拆散；如果你要对一个复杂的，由各个单一对象组合起来的图形进行移动和复制的操作，那么你将用到Grouping命令，Flip命令将会对选中的对象（或者对象的集合体）按所指定的方向，排列在一条直线上；而Rotate则能将对象顺时针转过90度；
6Module菜单
该菜单主要介绍模型的逻辑模块以及它们所属的模板。
Connect能够在模块间建立起可视化的连接路线，并使实体按该路线运动；Auto-connect则允许你在一个新建的模块和另一个已选中的模块间进行自动连接；Smart-connect则可以在三个水平/垂直方向上将新建连接画出来，而不仅仅是一条直线；模块面板能使你把建摸的结构体粘贴到模板工具栏上，或者把不再需要的模型集拆散。
命令可以决定在屏幕上是否显示模块的名字或者只显示它的动态过程；我们可以对一个模块进终态设定，也就是说当有实体到达它的时候，它能对整个仿真产生干扰，以便调试程序。
7Run菜单
该菜单包括运行仿真的输入，检查，暂停，或则按演示和DEBUG的需要慢慢加速，这里提供了一些观看运行过程，观测运行结果，启动和控制如何运行以及在屏幕上怎么显示的命令，对于这一些功能我们将在后面更详细地谈到。
8Window菜单
如果你同时打开了几个模型窗口，你能将他们以层叠的形式Cascade组合起来，也可以选择不重叠的形式Tile,如果你将模型窗口都最小化，通过每个窗口左上角的最小化按钮，你可以选择ArrangeIcons来组织它们；UseSystemBackgroundColor这一项能使模型的背景颜色变成你所指定的任何颜色而非Arena默认的。
如果你想恢复Arena默认的背景色，再选中该项一次就可以了。
最后，你可以通过选中菜单栏底端的模型窗口清单激活某一个已经打开着的窗口。
9Help菜单
这是进入Arena在线帮助系统的一种方法。
如果你选中Topic，你将进入一个文本框，里面有关于Arena的内容，索引，和为方便用户查找所要的话题的一个查询系统。
UsingHelp将描述在通常情况下如何使用Windows操作系统的帮助.你粘贴到模板工具条上的建摸面板也将被罗列出，选中它们中的一个你就能直接进入对该面板的帮助系统。
Introduction,TipofDay和AboutArena都将带你回到的初始界面，在该界面里你能够得到各种各样的帮助和信息，比如说快速预览启动，用与展示特定模型建模功能的SMARTS小模型库，全比例的模型例子，用户联系信息，你所用软件的系列号等。
（二）、Common模板中的模块
图3-2Common模板的主要模块
·Arrive：
实体到达。
用于产生实体，设定实体到达的参数，例如到达时间间隔，批次，最大实体量，与下一个模块的连接等。
·Depart：
实体离开。
用于消除实体，并统计离开实体数目。
·Sever：
工作机或服务台。
用于对实体进行一定的操作，产生一定的时延，可统计其忙闲状态，队列中的实体数目。
·Inspect：
检验。
对Sever出来的实体进行检验，以判定实体是否达到预定要求；通常拥有一个输入，两个输出——合格品和不合格品输出，并可根据需要设定合格率。
·Animate:
对某一个设置的数据进行实时动态显示;显示的形式可以是直方图,散点图,或者数字变量形式,可以同时显示三种形式或者只显示一种或两种.
·Simulate:
仿真运行控制器.定义仿真开始时间,终止时间,仿真动画中用户自定义的图形,一次仿真中副本仿真（replication）的数目;同时也设定了仿真结果输出的表头结构,即执行仿真的日期,仿真的执行者,仿真模型名称等.
·Variables:
定义仿真系统中所需要的系统变量.
·Statistics:
定义仿真结束后,系统根据用户需要而输出的数据.具有一定的统计分析功能,例如能从中得出均值,标准差等概率特征.
第二节应用Arena仿真建模
主要解决的四个问题：
4）模型的建立
5）参数设置：
包括模块内参数设置和系统参数设置
6）流程时间、成品率、废品率以及其方差设置和实现
7）界面优化
我们现在已经对Arena仿真软件有一定了解，下面我就演示一下用它来完成一个简单生产制造过程的仿真建模过程。
考虑一条简单的自动化流水线，零件以一定时间间隔到达t=2，经过一道加工工序，加工时间服从负指数分布t=expo
（1），后经过一道检验t=expo（0.5）概率：
合格品0.95,不合格品0.05，合格品进入成品库，不合格品进入废品库,中间传输流程均为t=2，如何完成仿真建模和参数设置？
生产制造过程
已知零件到达时间间隔为4s，到达粗加工车间需要4s，
研究的问题：
1、零件从源点B到达节点1（废品）和节点2（成品）的概率；这相当于生产过程的废品率和成品率；
2、零件从源点B到达节点1（废品）和节点2（成品）的时间是随机变量，其平均时间相当于生产过程的平均废品工时和平均生产周期,其方差表明该生产阶段的稳定程度；
经过解析算法得到:
合格品的平均加工工时为E（t）=20.383s，方差为1.432，概率为0.87
废品的平均加工工时为E（t）=14.637s，方差为4.8572,概率为0.13
一、建模:
1、从图上可知，该系统需要1个输入（Arrive），两个输出（Depart），中间有4道加工操作（Sever），4道检验操作（Inspect）,据此，我们建立系统模型
2、从图上各模块之间的相互关系建立他们之间的联系
3、画出加工路线以便观察
二、参数设置：
包括模块内参数设置和系统参数设置
1、模块内参数：
依据所给时间参数设置模块内参数
2、系统参数设置：
关系到仿真运行的参数设置，仿真量、数目、时间、速度
三、我们所需要计算分析的成品、废品流程时间，方差，概率等的设置
四、美化：
工具画图
作业
已知材料达到时间间隔t=2
经过解析算法得到:
合格品的平均加工工时为E（t）=2.255hour，方差为0.632，概率为0.895
次品的平均加工工时为E（t）=2.11hour，方差为0.632,概率为0.063
废品的平均加工工时为E（t）=2.06hour，方差为0.602,概率为0.042
要求：
1）模块连接正确，仿真运行符合预定指标
2）参数设置无误，结果分析中应该有题干要求的数据
3）可视化效果好
存在的几个问题：
1、Processtime：
由于操作所带来的时间延迟，例如加工、检验所需要的操作时间
Routetime：
路程时间，由于传输距离的存在，在制品需要在节点之间耗费的时间
两者的含义是不一样的，只有Processtime，而没有Routetime，产生的结果就是我们看不见材料的移动过程；但是，如果只有Routetime，没有Processtime，我们却还可以看见材料的移动路径，所以，更多的时候，在系统没有给出Routetime的情况下，我们更倾向于将Processtime
看作Routetime，而将Processtime设为0，这样的好处就是可以清晰看见材料的移动路径，又不改变系统的时间属性（考虑流程时间，标准差，概率不会因此而改变）
2、系统中所有函数默认的是标准差（St.d），而没有方差（D）,所以输入函数的时候要注意。
3、我们做的只是生产系统的一部分，我们可以把这一部分打包起来，有一个框架把它围起来，形成一个车间或分厂，再把多个车间或分厂首尾相接连起来（后车间的Arrive与前车间的Depart相连接）可以了，通过这样一个一个模块、车间的堆叠，最终形成完整的企业生产模型
ⅡTARA三维系统仿真实验
TARA建模仿真实验指导书
本次实验是运用taraVRbuilder软件来进行一次物流规划仿真模拟设计，taraVRbuilder是一款运用虚拟现实技术进行三维建模和模拟基于时间的传输、物流和保管、仓储物资的软件工具。
它的应用领域包括销售支持、计划、工程规划以及档案整理等。
它的特色在于用户可以再不具备特别的编程和三维设计技能的情况下，简便快捷的创造虚拟、三维的动画场景。
学会运用此软件，将方便我们对物流系统的规划和设计。
1实验名称：
出入库系统设计及仿真
2实验目的：
1）通过实际操作物流规划仿真软件（TaraVRBuilder）使学生掌握采用物流仿真软件对物流系统进行规划和优化的方法；
2）加深学生对物流系统分析、规划与设计相关理论、方法和步骤等知的理解；
3）并进一步培养学生从物流实际业务运营管理中发现问题、提炼问题、构造模型、实验测试、分析评价方案等一体化的解决问题的能力；
4）兼顾提升学生总结研究成果，撰写科技论文的能力。
3实验任务：
根据所学到的物流系统知识，以出入库系统设计和配送方案设计为重点内容进行课程设计。
具体任务：
在对物流布局、作业流程、设备了解的基础上，利用软件（TaraVRBuilder）来模拟和仿真实现配送中心各个作业子系统的规划和设计，包括：
（1）入库作业系统规划与仿真
（2）出库作业系统规划与仿真
（3）微型工厂三维仿真建模实验
4、实验器具
TaraVRbuilder建模仿真软件，自动化立体仓库及堆垛机系统，看板式生产线，分拣式货架，辊子输送机，物流小车
一、货物入库模型
1、添加传送带
步骤一：
点击如下图所示红色框圈住的按钮，传送带就被添加到3D视图中了，传送带如下图黑色框圈住的图案显示。
步骤二：
在输入区，选择模型选项卡，如下图绿色框所圈图案显示。
对象框中显示添加模块的名称、类型、物件编号、承载装置及颜色。
您可以通过承载装置的下拉菜单选择不同的承载装置，也可以通过点击显示颜色的小方块来更改模块颜色。
上图所示的传送带承载装载为输送带，若如下图所示，将承载装置选为滚轮，传送带图形就改变为如下图所示：
步骤三：
对照3D视图和连接选项，可以看到传送带一共两个连接点，对应俩视图中同一个点处于激活状态。
可以在3D视图或者连接选项中点击不同的点，观察两个视图的变化。
选择不同的点激活，对下一步更改传送带位置及尺寸不同影响。
步骤四：
激活入口点，如下图所示，左边入口点变为浅绿色。
再将黄色框框住的几何结构中的长度值改为4000mm（4米），传送带则往出口方向变为4米长。
如果激活的是出口点（右边那个点），改变传送带长度为4米，则传送带是往左变长为4米，如下图所示：
因此，连接点的选择对您改变模块的参数，会有直接性的影响，在建模过程中要注意选择您所需要的连接点。
步骤五：
如下图所示，在蓝色框框住区域，有两个选项卡，一个是侧面，另一个是支撑腿。
在侧面选项卡中，我们可以通过类型的下拉菜单选择有无侧部护栏等类型。
选择有侧部护栏，同时再点下下图中红色框框住的“插入脚手架开/关”按钮，这样传送带的护栏及支撑腿就能显示出来。
您还可以选择无、无侧部护栏或者改变其他参数来观察其变化。
步骤六：
点击蓝色框内的支撑腿选项卡，数量用于选择传送带支撑腿，例如现在选择的是第3个支撑腿。
被选择的支撑腿相应参数显示在下面的距离、高度、颜色中。
最下面一行图标为支撑腿编辑按钮。
您可以把鼠标放在各按钮上面，各按钮的作用会自动提示出来。
各按钮作用从左到右依次为：
插入支撑腿、删除支撑腿、排列支撑腿左/右对齐、排列支撑腿左对齐、排列支撑腿居中、排列支撑腿右对齐。
可以通过这几个按钮增加删除支撑腿，同时排列支撑腿的位置。
排列支撑腿的位置还可以通过改变各支撑腿的距离。
如下图，我选择排列支撑腿左/右对齐，就是把第三个支撑腿的距离改为4000mm。
到这里为止，多堆积传送带需要改变的参数已经设置完毕，传送带添加完毕。
下一步进行叉车装卸载模块的添加。
2、添加叉车装卸载
步骤一：
激活传送带出口点（右边那个点），点击下图红色框框住的前部装载（回路）下拉菜单按钮，选择叉式装载车。
之后，叉车被添加到传送带的出口处，叉车的入口和传送带的出口重叠，这个点变为大红色，激活这个点时，变为粉红色，这样表示这个点被占用，不可再连接其他模块。
看到项目树，此时项目树多了一个分支——前部装载叉式装卸车。
输入区各项参数可以根据您的需要进行更改，这里我们不做什么改变。
步骤二：
点击输入区旁边的动画选项卡，这样您可以看到如下图所示的有关叉车空载时和负载时的各种运行速度。
根据您的需求更改速度。
步骤三：
点击“插入路径：
转向”按钮，如下图所示红色框框住的按钮。
一个转向路径就被添加到叉车后部，叉车将按照这个路径前进及后退。
观察项目树图，多了一个插入路径：
转向部分的分支。
同时，黄色框框住的输入区域可以根据您的需求进行相应的更改。
步骤四：
点击下图红色框框住的按钮下拉菜单，选择叉式装卸车。
这样叉车卸载区域就会被添加到3D视图中，如下图所示。
黑色框内是叉车卸载区域，黄色框内输入区域，可以根据您的需求进行更改。
3、添加传送装置
步骤一：
点击如下图红色框中的按钮——插入螺旋形输送设备，如图所示的螺旋形输送设备就会被添置到卸载区域的后方。
模型运行时，叉车会把货物卸载的这个螺旋输送设备的起点，接着货物会螺旋轨道被运送至终点。
这个螺旋输送设备需要更改黄色框中的高度及角度，高度是控制输送设备的终点高度，角度是指螺旋形输送设备在起点和终点间盘旋多少角度。
步骤二：
现在的高度为-1000mm，角度为90°，所以输送设备的终点通往地下去了，并且您可以观察到螺旋形输送设备旋转了90°，转向-y轴方向。
这里我们假设把高度改为1800mm，即螺旋输送设备输送高度达到2600mm，角度改为360°，使得终点和起点在同一个方向，货物最终仍然往+x轴方向输送。
螺旋形输送设备改变如下图所示：
步骤三：
添加一个传送带装置，激活传送带入口点，将传送带长度改为3000mm，如下图所示：
步骤四：
在传送带的终点添加一个下降装置，使货物从2600mm的高度下降运送至800mm，点击如下图红框内的插入下降装置按钮，如图所示的下降输送装置就被添加到传送带的末端了。
黄色框内的起重机高度可以改变装置运送高度差。
步骤五：
将起重机高度改为1800mm，如下图黄色框所示。
下降装置就改变为下图3D区域显示：
步骤六：
在下降装置的末端添加传送带，将传送带长度改为3000mm，使货物经下降运送后，传送到传送带上。
4、添加高架货仓
步骤一：
在传送带的后端添加一个带存货显示的高价货仓，使得货物最终运送至一个货架，完成一个简单的货物入库模型。
点击按钮插入高架货仓类型3，如下图所示的高架货仓就会被添加到传送带末端，这个货架是可以显示存货量的，模型运行起来以后，单击货架，就会有个表弹出，显示当前货架的货物量。
在黄色框内的显示货架勾选框前，您需要将此勾选框勾选上，这样进行下一步调整后，货架上就会显示货物图案。
步骤二：
在选中高架货仓的情况下，单击红色框内的自定义模型按钮，如下图的对话框弹出，您可以根据需求更改货架存储设施和通道的有关参数。
在通道设置中，需要注意一个地方，就是下图红色框内的源定义，通过这个项目的定义，我们就能将货物显示在货架上了。
点击源，弹出一个对话框，如下图，需要先勾选你要防止在货架中的货物，如红色框内的蓝红箱子，两种货物的参数在下面蓝色框内更改，比率（分批）定义此种货物占所有货物的比例大小，默认值为此种货物的总数。
设置完以后，点击确定，货架上就会有货物显示。
步骤三：
在高架货仓的输入区动画选项卡中，您可以根据您的需求更改各项速度。
值得注意的是优先/分配策略，这个区域分为分配和优先两个设置。
在分配设置中，策略可以选择替换、百分比和已分类三种类型。
替换策略可以规定入口点和出口点出入货物的分批大小。
百分比策略中，可以定义出口点运出货物的百分比，现在这个货架只有一个出口点。
换成别的装置，可能有几个出口点，这样就可以为不同点分配不同的出货比例。
已分类策略中，可以为出口点分配哪种类型的货物从哪个出口点出货，这个高架货仓只有一个出口，因此我们定义蓝红箱子都从这个出口出货。
5、运行模型
运行模型，需要先为模型定义一个最初的货物源，这个源必须定义在整个模型的起点，也就是我们最开始添加的传送带的入口，如下图所示3D视图中黑色框内的点。
定义源时，必须将这个点激活，如图这个点为浅绿色。
然后，再单击下图中红色框内的按钮——分配源按钮。
这样会弹出一个对话框。
在弹出的对话框中，如下图，首先需要勾选您需要的货物类型。
在这里我们勾选蓝色和红色的空箱子。
在选中某种货物种类时，可以在蓝色框内，进行一些参数的改变。
其中比率（分批）表示的是此中货物占总货物的百分比，定义其中一种，另一种货物会自动分配。
在循环时间中，您可以通过下拉菜单选择同步或者随机，选择同步时，可以定义货物循环产生的时间，单位为秒。
选择随机时，货物就会在2秒——30秒这个时间段随机产生货物。
确定以后，就可以点击按钮，这样模型就会运动起来。
在模型的运作中，您可以暂停，也可以停止运作模型。
您除了可以在单个模块中定义单个设备的运行速度，在这里您也可以控制整个模型的速度。
通过下拉菜单，您可以选择几倍的速度运行整个模型。
下图是模型运行界面，3D视图上的小对话框就是上面提到的高架货仓的存货显示对话框。
在这个对话框中我们可以看到这个货仓的总分配率、货物类型、数量及货物百分比。
课后作业
1、按照本章内容，做出一个相同的模型，使得模型能够运行起来。
2、此模型中指用到了几种设备，请更换设备，做出自己的一个入库模型。
二、货物出库模型
1、为模型添加初始源。
步骤一：
为了添加初始源，是模型运动起来，我们先在原点添加一个传送带。
步骤二：
在传送带的起点处定义源，可以根据您自己的需求定义货物种类数量，这里我们定
义蓝红空箱子各一半。
2、添加高架货仓
步骤一：
点击高架货仓按钮，如下图红色框内的按钮，这样
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