仿真模拟

仿真简介及其应用

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1.1仿真的定义

我们这里所述的仿真，并不是针对一些设备的机械的动作的仿真，而是指系

统仿真。系统仿真是评估对象系统（例如制造系统、物流仓储、生产计划等）的

整体能力等为目的的一门专业技术。（备注：计算机没有普及以前,进行物流系

统仿真,普遍采用数学方法建立数学模型。）

系统仿真的发展基本上是伴随着仿真软件和优化算法的发展而成长的。而随

着技术的发展和成熟，以及与其他信息技术的集成，而这种集成化的仿真技术也

是未来发展的主要方向，目前，我们将集成化的系统仿真在制造行业的应用称之

为数字工厂。

数字工厂的定义如下：在仿真环境中构建与现实工厂相对应的、完整的数字

工厂，实现对实际生产过程的实时动态监测；同时基于仿真分析系统，可实现对

规划方案前期的验证和优化，实现生产数据的多维分析，支持资源配置方案评估、

多层次计划验证和优化等业务决策。

1.2仿真的发展

仿真，也称为模拟,通俗来讲,它就是按照客观的实际情况,把所要研究的问

题或对象构造成模型,然后在模型上进行实验或试验,以观察一项设计或计划方

案,在接近于实际的条件下,其工作或运行情况是否合乎主观的意图或要求,或

者是同时分析比较几个设计或计划方案,以确定其中哪一个方案更符合主观的

意图或要求,具有更好的技术性能或经济效果,从而确定选择其中一个较好的设

计或计划方案。

仿真技术是在世纪年代末以来,伴随着计算机技术的发展,仿真技术最初主

要应用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试

验难以实现的少数领域,后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些

主要工业部门,并进一步扩大到今天的社会系统、经济系统、交通运输系统等一

些非工程系统领域。现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为复杂系统,特

别是高技术产业中不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段,

其应用范围还在不断扩大。

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随着全球范围内市场竞争的加剧，缩短产品的设计周期、生产周期、上市周

期，降低开发成本已成为企业追逐的目标。多功能性、高独立性和产品的短期设

计制造都给制造系统的规划和设计提出更高的要求。

资料表明：国外已运行的复杂的制造系统约有80%的都没有完全达到设计要

求，其中存在的问题60%都可以归结为初期规划不合理或失误。一个以批量方式

进行生产的制造系统，要把生产设备、刀具、夹具、工件、生产计划、调度有机

地组织在一起是一项非常艰巨的工程。因此，在制造系统建立之前必须进行充分

的分析论证和合理的规划设计，这就要求对所研究的制造系统进行合理的建模和

分析。

制造企业在进行新的生产线规划设计过程中，规划人员大多是依靠传统的数

学分析方法和积累的经验进行规划设计。但是由于系统的复杂性，常使得设计实

施很难达到预期效果。随着计算机广泛应用而发展起来的计算机仿真技术，为生

产系统的规划设计提供了一个理想的工具。它可以把所有的资源（设备、人员、

原材料等）与制造过程控制(产品、工艺、生产周期、库存、在制品等)动态地结

合起来，被认为是解决现代制造过程中复杂问题的理想方法。正是由于仿真技术

在制造系统的规划设计及运行中能实现以上功能，促使了计算机仿真技术在制造

业中有着越来越强的应用需求，使得仿真技术在制造业中的应用变得越来越广

泛。目前，制造业已成为计算机仿真技术的主要应用领域。

数字工厂是仿真技术在先进制造领域应用的重要体现，并是实现敏捷制造及

网络化协同制造的关键技术。数字化生产系统以建模和仿真作为实现手段，以数

字化信息形式在计算机上全面实现生产线的生产制造过程，是制造系统设计及实

际生产系统运行控制的有效辅助工具。

目前数字工厂技术在汽车、航空航天、能源、制药、重型设备、电子和家用

电器、机器人等行业得到了广泛应用并创造了可观效益，一大批著名企业和部门，

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如BMW、Ford、H容易的反义词 onda、波音公司、欧洲航天局、ABB、Robotics等等。国内

的数字工厂的应用还处于初级阶段，主要应用于汽车行业和电子行业。在汽车行

业中，上海大众采用数字工厂系统成功进行了发动机生产线的设计并优化；一汽

大众则成功完成了其车身解决方案软件设计，底盘装配生产线设计，规划，优化，

物流分析，工艺布置，工艺设计生成等。在电子行业，深圳华为股份有限公司用

eM-Power系统成功完成了通讯设备生产线优化设计。在重工企业和船舶行业，

数字工厂的应用也被逐渐采纳并推广。在重工企业中，三一集团将数字工厂技术

应用于新厂房的规划和设计阶段，以达到缩短工厂建设周期、降低建设成本、优

化工艺布局和优化物流方案的目的。在船舶行业，江南造船采用数字工厂技术，

对原有的生产能力进行评估，找出制约生产进程的瓶颈，为计划制定和进一步拓

展生产能力提供依据。

传统的工厂规划方案都是借助二维CAD工程图进行评审，这种二维评审平

台既不形象也不直观，不能发现空间不足、干涉、布局不合理等问题，传统的规

划理念已不能适应今天的发展速度。在数字工厂没有出现以前，一般是根据产品大蟹

设计方案来决定生产流程，并按序生产，一旦产品发生变化，工厂里的一切都需

要改变。数字工厂利用CAD等数字化技术能够根据市场需求，实现产品设计、

制造工艺设计、产品仿真、虚拟试生产等多个环节的数字化。也就是说，无需投

资制作样品，也可模拟未来产品，并预见生产这件产品时可能遇到的问题，这可

以在最大限度上节约研发的时间和费用。

21世纪的工厂规划应是以信息为主导，集网络化、虚拟化、智能化于一体

的计算机集成数字化规划系统，能够更好地优化资源、技术和人员配置，提高效

率、降低风险，使工厂规划适应企业的快速发展。数字工厂技术在信息时代的工

厂规划中便应运而生并不断得到完善。

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3.1数字工厂的应用特点

对生产中动态因素的关联性及其交互作用的评估

识别潜在的瓶颈并推导出优化措施

将整个复杂流程变得透明化

可以进行更为弹性和更加可靠的规划

对投入和产出进行无风险的测试

3.2数字工厂应用的方向

3.2.1在营销方面（数字营销）

根据产品的特点，在前期的投标过程中，数字工厂解决方案将起到极强的投

标辅助作用，通过数字工厂的实施将

对产品本身的特性进行全面的介绍，

提升产品的核心竞争力；通过数字工

厂全方位、多维度的展示企业的生产

资源和生产能力；同时通过对比分

析，构建未来产品的应用场景，充分

凸显应用产品的效果；针对关键大型

产品，通过虚拟仿真的手段，将其未

来的生产工艺及制作方案进行阐述，进一步展示企业的生产能力。

通过项目的实施，在投标过程中，全面、细致的展现该产品复杂的设计和生

产过程等核心技术，招标方将会提前“看”到产品的生产制造过程和产品完工的

情景，同时投标方神经的英文 将会全面展示自己的生产能力和技术能力。另一方面，在投标

文件的载体方面，将通过ODM独有的可交互式平台进行沟通，有别于传统投标

过程中使用的视频、PPT、动画等方式，更为直接、有效。

在投标结束后，通过ODS生命周期的延展，该平台可进一步成为甲乙双方

的沟通工具和生产过程的可视化看板。

（1）产品的展示

通产我们关于产品的展示定义为

产品自身的特性展示和产品应用的

展示两个方面。在以往的产品展示

中，我们往往着重于产品的特性和技

术特点，缺少对产品未来应用场景的

考虑、对比以及分析。而通过数字工

厂技术能够较好的解决这个问题。例

如在“南通中远船务启东中远110kV

新建工程”项目中，我们可以提前

展示给客户使用我们产品后的场

景、技术方案等等，是客户能够提

前看到产品使用的效果。

➢产品特性的展示

➢未来产品应用的展示

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（2）投标辅助

在投标过程中，我们往往会给客

户描述我们产品是什么样的，但经常

缺乏我们的产品是怎么制造出来的，

往往忽略系统的说明我们完善的质量

体系和成熟的生产工艺，同梦见和朋友吵架 时对我们

非常具有竞争实力的设备、场地、物

流等关键生产资源的阐述过于简单和

单一。通过数字工厂的实施，将会很好的解决上述的问题和不足

➢产品库/设备库的构建

➢大型关键产品生产工艺的展示

➢工厂生产资源及能力的展示

3.2.2在规划方面

上文已经着重介绍了数字工程在规划方面的具体应用，这里在加以总结，主

要应用于以下借个方面：

①.总体初步规划

根据生产纲领和工艺内容，确定生产节拍，选择合适的加工设备和加工参数，

采用预设计的物流策略和控制规则，合理安排空间布局以符合现场空间限制，这

是生产线规划的第一步，其他规划内容都要依据初步规划后的模型运行数据进行

分析判断。

②.设备配置分析

判断机床等设备的加工参数设置、服务优先级机制、装夹方式是否合理；分

析设备发生故障的频率、故障的修复时间、设备的维护成本对生产线产能和生产

任务进度的影响，重新设置设备参数乃至更换设备。

③.生产线物流规划

判断物流分流策略和控制规则是否合理，验证自动导向小车（AGV）和机

械手等运送设备的路径、数量、速度以及服务机制的合理性，分析缓冲站容量和

仓库容量是否过大或过小。

④.生产线布局规划

规划生产线布局，建立生产线的三维视图。对特定工位进行三维的装配操作

接近性分析和装配干涉检查。

⑤.人机工程分析

通过对生产线上的工作人员进行仿真模拟，对人员工作的空间和劳动强度进

行分析，优化工人的动作和行走路线。

⑥.产能评估及生产平衡性和瓶颈分析

评估生产线最大产能，判断生产线上的各种随机因素对平衡性的影响，找出

瓶颈工序，通过参数的重新配置和工序的优化消除瓶颈，提高生产能力。

⑦.生产流程及关键资源优化

虚拟环境下的生产线规划，首先参照生产计划和工艺内容等相关资料，在虚

拟环境中建立参数化的生产线模型运行仿真，分析仿真结果以判断瓶颈工序所

在，重新配置相关参数并做必要的调整，再次运行仿真，如此反复直至得到最优

的生产线规划方案。

3.2.3物流系统的应用

物流系统的应用主要集中在三个方面：供应链仿真、生产物流系统仿真、物

流配送系统仿真。

这里不再一一展开说明。

3.2.3生产系统的应用

制造过程仿真系统主要针对工

厂存在的生产能力未能精确评估，资

源能力未能充分发挥，以及生产计划

的制定缺乏可靠依据的问题，运用离

散事件仿真理论和系统仿真软件工

具，对生产制造过程进行运行仿真与

分析，对产品的工艺过程、生产和作业计划、生产调度、物流等生产活动进行模

拟，达到验证作业计划，找出制约生产进程的瓶颈，为计划制定和进一步拓展生

产能力提供依据的目的。

数字工厂一般分为两个部分：

①.“数字作业单元”——建立覆盖建造全过程所有作业单元的三维数字化

仿真模型，提供各个作业单元的独立的仿真运行分析环境，支持作业单元生产瓶

颈分析、生产能力负荷检测，实现更准确的工时预测。在MES实施基础上，实

现车间层作业情况的实时在线仿真，通过调度策略的预演，支持作业计划的动态

调整，实现快速响应。

②.“数字工厂”——在仿真环境中构建形成完整的数字工厂，支持生产能

力的准确评估，资源配置方案以及多层次计划的验证与优化，能够对未来工厂生

产状况进行更为准确的预测，实现制造加工能力和生产战略上的重大飞跃。

生产物流优化主要包含一下6大模块，可以广泛的应用于企业的规划、生产、

技术改造等多个不同的阶段，现就主要技术特点进行简要的说明。

➢车间布局优化

通过车间布局优化技术，提供三

维可视化、多视角规划漫游平台，可

以分析得到车间布局在空间上和逻

辑上合理化建议，通过分析这份报告

可以对车间布局的不合理性提出优

化建议，并且通过仿真模型对这个优

化方案作出可行性的分析。

➢物流方案优化

通过物流方案优化技术，可以得到物流设备在使用上和数量上或者是种类

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上、多种工况下的物流分析报告，通过分析这样的报告可以对物流逻辑进行优化，

提出一个较为良好的物流方案，并且通过物流方案技术反过去验证优化过的物流

方案，为优化方案提供科学的可行的数据支撑。

➢生产能力测算、评估及平衡分析

通过生产能力平衡分析技术对

生产线和生产车间的分析，可以得到

各条生产线和各个生产作业区之间

的生产节拍报告。通过对这份报告的

分析可以得到各个车间生产节拍的

匹配程度，并对匹配程度低的环节提

供相应的解决方案，同时提出合理设

备配置清单。生产能力分析技术可以分析出在不同的进料模式和出料模式下，单

个独立车间或作业区的最大产能。模型可以通过变化进料模式和出料模式等方式

来验证生产车间的产能是否符合预期，并且可以通过调整来选取最优的进料模式

和出料模式。

➢设备工作状况分析

设备工作状况分析技术可以分析出每一台设备的使用情况和忙闲程度，通过

对各台设备使用情况和忙闲程度的分析可以得到设备故障发生的可能性的分布

情况。通过分析这些数据可以对相应的设备进行使用逻辑的优化，使设备的使用

趋于合理和平衡。最后通过仿真模型来验证优化的科学性和可行性。

➢人员负荷分析

通过人员负荷分析技术对车

间内部人员负荷进行分析，可以

得到车间内部人员负荷的合理性

报告，且对不合理的人员负荷进

行优化，提出合理的人员配置方

案。最后通过仿真模型来验证优化方案的科学性和可行性。

➢生产计划的验证

通过内在核心优化算法。平台支持对三大配套系统生产计划的分析和验证功

能，通过该功能可以确保制定的生产计划满足产品生产制造的节点要求。

其中在生产计划的验证和决策方面有较为突出的效益。配合生产计划系统的

开发与实施，使用动态决策规则,模拟加工任务的处理过程,构建可行的计划解,

存在多种用户可选的启发式优化规则,刀鱼扒白菜 用于在仿真运行过程中产生较优解。实现

完善资源能力的“计划-仿真-改进计划-仿真”的闭环规划系统，实现仿真系统与

计划系统的衔接，以支持实现能力与负荷的均衡，提高计划戒酒 的合理性，提升工厂

的生产效率。

3.3数字工厂的最新应用成果简述

往往企业通常将仿真作为一个工具来使用，那样解决的问题只能是一个

“点”，如果将仿真作为系统来使用，将会解决“面”的问题。例如数字工厂ATOM

系统在系统仿真的基础上进一步与整合和优化，真正将仿真技术与生产实际相结

合，全方位服务于企业。

3.3.1灵活的软件架构

3.3.2开放的外部系统接口

3.3.3仿真数据的挖据和分析