生产系统活动建模
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。
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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