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制造系统建模与仿真在工业工程中的应用

摘要：建模与仿真技术是21世纪信息技术和制造技术结合的桥梁，是使企业产生最大经济
效益的核心技术，也是21世纪制造业的一项关键支撑技术。本文阐述了仿真技术在制造业
的地位和作用，总结建模与仿真技术的特点，给出了制造业建模与仿真技术的方展方向。

关键词：制造系统建模仿真

仿真应用系统建模与仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及建模
与仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真
器为工具，利用模型参与已有或设想的系统进行研究、分析、设计、加工生产、试验、运行、
评估、维护、和报废(全生命周期)活动的一门多学科的综合性技术
1制造业建模与仿真技术的地位

制造业是国民经济和社会发展的物质基础，是国家综合国力的重要体现；21世纪的制
造业仍然是国家经济和国防建设的命脉，也是国家经济实现快速增长的重要因素。制造业是
所有与制造有关的企业机构的总体，是国民经济的支柱产业，它一方面创造价值，生产物质
财富和新的知识，另一方面为国民经济各个部门包括国防和科学技术的进步与发展提供先进
的手段和装备。现代制造的基本特点是大制造和全过程。“大制造”应包括光机电产品的制
造、工业流程制造、材料制备等，它是一种广义制造概念。“全过程”，不仅包括从毛坯到成
品的加工制造过程，还包括产品的市场信息分析，产品决策，产品的设计、加工和制造过程，
产品的销售和售后服务，报废产品的处理和回收，以至产品的全寿命过程的设计、制造和管
理。由于国内外市场竞争的加剧，科学技术发展迅速，产品更新换代速度加快及人们对产品
多样化的需求增加，先后出现了柔性制造，计算机集成制造、并行工程、虚拟制造、敏捷制
造、网络化制造、现代集成制造、下一代制造、综合制造等新的先进制造理念和哲理。但是，
从整体来看，制造业的发展离不开先进的信息与知识技术、全面的建模与仿真技术、精密的
工艺与装备技术和高效的企业集成技术共四大关键技术。建模与仿真作为一种重要手段，通
常可以渗透到先进制造当中去，并帮助先进制造实现集成，从而促进一些先进制造技术的发
展。建模与仿真（M＆S）技术在改进产品和过程，缩短市场响应时间，以及降低产品实现
的成本方面，具有其它技术
无法比拟的重要作用。

2制造业建模与仿真技术的作用

当今的制造系统是集现代机械制造、计算机科学和管理工程于一体的综合应
用，由于它技术复杂、投资巨大，采用建造实体系统进行研究显然是不合理的。
所以在制造系统的设计阶段，通过仿真可以选择系统的最佳结构和配置方案，以
保证系统既能完成预定的设计要求又能获得很好的经济性、柔性和可靠性，又能
有效防止较大的经济损失；在制造过程阶段，通过仿真可以预测系统在不同调度
下的性能，以确定合理的、高效的作业计划，找出系统的“瓶颈”环节，从而能
充分发挥制造系统的生产能力，提高经济效益。
在仿真中，建模是关键。模型是进行仿真的基础，仿真是模型在计算机上的
运行。基于这种原因，我们在分析产品制造中所涉及的模型，以模型分类为基础
描述仿真的内容。就产品制造中所涉及的模型大致可分为三类：产品模型、制造
系统模型和开发(包括设计、制造和测试)过程模型。它们之间的关系是：产品模
型是所有活动的目的和中心，制造系统模型则是产品开发受到的各种约束，开发
模型是产品开发的使能器，也是对产品开发活动进行管理和控制的基础。当今，
产品模型已从二维工程图到三维实体几何造型。针对三维产品集成定义模型，人
们可以对产品进行物理性能、可制造性、可装配性等方面的仿真。通过引入并行
工程，使得产品自设计开始就涉及到产品的概念设计到消亡整个产品生命周期里
的所有因素，包括质量、成本、作业调度和用户需求。开发过程的仿真已从起初
的加工对象在加工过程的仿真转移到对整个制造过程的建模和仿真，仿真内容包
括控制策略、库存水平、负载能力等。随着并行工程的应用，使得人们将注意力
从单纯的制造过程转移到设计过程方面来，更加注重设计过程和制造过程的一体
化。
仿真技术的应用正是以这三类模型为中心展开的。以产品模型为中心的仿真
包括：产品的静态、动态性能分析；产品的可制造性和可装配性分析。以制造系
统模型为中心的仿真包括：对于复杂制造装备的仿真；对于复杂制造系统的仿真。
以开发过程模型为中心的仿真包括：设计过程的仿真和制造过程的仿真。以上三
个方面的仿真是相互联系、相互影响的，有时在内容上也会交替重叠。
通过系统的建模与仿真，实现信息共享，借助于现代计算机网络技术和CAD、
CAM、STEP、MRPII等计算机辅助设计、制造及管理软件系统，可高效率地在一个
制造企业的设计、工艺、供销和管理部门之间，在各车间以及各生产设备之间，
在集团内的各企业之间乃至企业与用户