智能制造系統(tǒng)建模與仿真第5章建模與仿真技術(shù)5.1建模與仿真的概念5.2制造系統(tǒng)建模與仿真的作用5.3建模與仿真技術(shù)的特點(diǎn)5.4建模與仿真的關(guān)鍵技術(shù)5.5仿真模型的校核、驗(yàn)證與確認(rèn)5.5.1校核、驗(yàn)證與確認(rèn)的基本概念5.5.2校核、驗(yàn)證與確認(rèn)的基本原則5.5.3校核、驗(yàn)證與確認(rèn)的實(shí)施過程5.5.4校核、驗(yàn)證與確認(rèn)的技術(shù)與方法

5.5建模與仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢2思維導(dǎo)圖4機(jī)器人的建模包括運(yùn)動學(xué)建模、動力學(xué)建模、力與環(huán)境的物理交互建模等，建模是控制和仿真的基礎(chǔ)。典型的運(yùn)動學(xué)建模仿真平臺有MATLAB、Gazebo、V-REP等MATLAB機(jī)器人運(yùn)動仿真V-REP機(jī)器人運(yùn)動仿真InteRobot仿真軟件進(jìn)行機(jī)器人打磨過程離線編程5InteRobot仿真軟件的產(chǎn)線布局與規(guī)劃ROS系統(tǒng)下的機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃5.1建模與仿真的概念“仿真”一詞最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，并與計算機(jī)一詞共同使用，當(dāng)時被稱為計算機(jī)仿真。在仿真技術(shù)發(fā)展的初期，人們大多把仿真定義為計算機(jī)或數(shù)學(xué)模型的一種實(shí)驗(yàn)活動。計算機(jī)仿真一度成為仿真的代名詞。仿真是以建立模型為基礎(chǔ)的，所以為了突出建模的重要性，建模和仿真常常一起出現(xiàn)，即Modeling&Simulation，?？s寫為M&S。建模與仿真技術(shù)及其構(gòu)建的仿真系統(tǒng)具有以下明顯的特征：(1)動態(tài)性；(2)系統(tǒng)性；(3)分布性；(4)交互性；(5)實(shí)時性；(6)一致性；(7)可信性案例1：6圖5-1

建模與仿真在倉儲物流管理中的應(yīng)用7案例2：圖5-2

建模與仿真在流程型制造業(yè)的應(yīng)用案例3：圖5-3

建模與仿真在航空設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用8案例4：圖5-4

建模與仿真在智能生產(chǎn)中的應(yīng)用總之，建模與仿真技術(shù)在智能制造中有著廣泛的應(yīng)用和潛力，在不斷地推動智能制造技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展5.2制造系統(tǒng)建模與仿真的作用制造系統(tǒng)類型眾多、性能要求各異，使得此類系統(tǒng)建模與仿真研究的目標(biāo)具有多樣性，下表給出了制造系統(tǒng)建模與仿真常用的建模元素。9表5-1

制造系統(tǒng)建模與仿真常用的建模元素系統(tǒng)類型建模元素車間布局(Layout)車間，面積，距離，加工設(shè)備類型和數(shù)量，物流設(shè)備類型和數(shù)量，成本，時間物料處理系統(tǒng)(MaterialHandlingSystem)ACV，堆垛機(jī)，輸送帶，存儲裝置，托盤，貨架，叉車，小車，距離，速度?？奎c(diǎn)，存料、取料時間，行駛時間系統(tǒng)維修(SystemMaintenance)故障類型，故障時間分布，維修設(shè)備，維修人員，維修時間分布，維修工具維修調(diào)度策略生產(chǎn)制造(ProductManufacturing)產(chǎn)品類型，工藝流程，時間，數(shù)量，工裝夾具，設(shè)備，物料清單(BOM)生產(chǎn)調(diào)度(ProductionScheduling)調(diào)度目標(biāo)(時間、成本、效益)，任務(wù)構(gòu)成，設(shè)備，調(diào)度規(guī)則生產(chǎn)控制(ProductionControl)加工任務(wù)，加工設(shè)備，操作人員，任務(wù)分配，控制規(guī)則供應(yīng)鏈(SupplyChain)供應(yīng)商名稱，等級，價格，數(shù)量，訂單，交貨期，交貨方式庫存(Storage)庫存容量，庫存成本，備件數(shù)，在制品，產(chǎn)品，貨格數(shù)量配送銷售(DistributionandMarketing)配送中心，批發(fā)商，零售商，訂單，距離，運(yùn)輸方式，運(yùn)輸時間，成本10雖然制造系統(tǒng)仿真研究的目標(biāo)眾多，其中還是存在一些常用的術(shù)語。如下表術(shù)語含義操作(Operation)操作是指在工位對實(shí)體的一次作業(yè)活動。常見的操作包括裝夾、切削加工、裝配拆卸、檢測等。通常，操作會改變實(shí)體的物理狀態(tài)或結(jié)構(gòu)工位(Workstation)工位是完成操作的場所或區(qū)域。工位可以是一臺或幾臺設(shè)備以及相關(guān)操作人員加工設(shè)備(MachiningEquipment)對加工對象完成指定加工操作(如切削、裝配、拆卸、檢測等)的裝備操作人員(Operator)制造系統(tǒng)中用于完成一定操作或決策的工人或技術(shù)人員。他們常位于某個工位，或同時服務(wù)多個工位工件(Workpiece)設(shè)備和操作人員所服務(wù)的對象，如毛坯、零件、元件、子裝配體等托盤(Pallet)用來收集、存放和運(yùn)輸工件的平板或箱體主生產(chǎn)計劃(MasterProduction

Scheduling，MPS)一個產(chǎn)品在某一個給定時間段的生產(chǎn)計劃，通常為企業(yè)季度、半年度或年度擬生產(chǎn)(或銷售)的產(chǎn)品類型及其數(shù)量生產(chǎn)計劃(ProductionPlan)以主生產(chǎn)計劃為基礎(chǔ)，所制定的針對具體產(chǎn)品及其零部件的詳細(xì)作業(yè)安排物料清單(BillofMaterial，BOM)也稱為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。由主生產(chǎn)計劃和物料清單，用于確定零部件、原材料的采購計劃和生產(chǎn)計劃表5-2制造系統(tǒng)建模與仿真的常用術(shù)語11表5-3制造系統(tǒng)建模與仿真的常用術(shù)語術(shù)語含義路徑(Path)加工對象在制造系統(tǒng)中的操作流程和流動軌跡。路徑定義了工件的加工流程與設(shè)備之間的關(guān)系，并影響車間布局和系統(tǒng)性能瓶頸(Bottleneck)制造系統(tǒng)中利用率最高的工位或加工時間需求與可用時間比值最高的設(shè)備。也泛指影響制造系統(tǒng)性能改善的關(guān)鍵工序或限制性因素決策(Decision)根據(jù)制造系統(tǒng)的狀態(tài)和資源狀況，所做出的關(guān)于系統(tǒng)運(yùn)行的決定。系統(tǒng)的決策點(diǎn)數(shù)量越多，柔性就越大。制造系統(tǒng)性能受各決策點(diǎn)調(diào)度策略的共同影響規(guī)則(Rule)為各工位、設(shè)備以及其他系統(tǒng)資源預(yù)先定義的規(guī)定和準(zhǔn)則。仿真時，系統(tǒng)將根據(jù)資源的當(dāng)前狀況為規(guī)則覆蓋范圍內(nèi)的問題進(jìn)行控制、調(diào)度或決策，如先進(jìn)先出(FirstInFirstOut，F(xiàn)IFO)、后進(jìn)先出(LastInFirstOut，LIFO)等初始化(Setup)為完成新作業(yè)，各工位、設(shè)備或其他系統(tǒng)資源所做的準(zhǔn)備工作及其準(zhǔn)備時間作業(yè)(Job)制造系統(tǒng)需要完成的活動和生產(chǎn)任務(wù)，如待加工零件、來自顧客的訂單等班次(Shift)各工位、設(shè)備、操作人員等系統(tǒng)資源上班的時間安排，包括休息及故障停機(jī)時間的設(shè)置等12表5-4制造系統(tǒng)建模與仿真的常用術(shù)語故障停機(jī)時間(Downtime)工位或設(shè)備等因故障、維修、保養(yǎng)、待料等造成的停產(chǎn)時間，可以是仿真時鐘、工位(設(shè)備)使用時間、完成加工零件數(shù)或?qū)嶓w類型的函數(shù)能力(Capacity)加工設(shè)備、物流設(shè)備和服務(wù)臺重要的性能指標(biāo)，表示工位一次能接受實(shí)體的數(shù)量或用于表征設(shè)備的生產(chǎn)效率可靠度(Reliability)一般以平均故障間隔時間(MeanTimeBetweenFailures，MTBF)表示維修性(Maintainability)一般以故障后的平均修復(fù)時間(MeanTimeToRepair，MTTR)表示可用度(Availability)資源實(shí)際可用時間與仿真調(diào)度總時間的比值。可用度是可靠度與維修性的函數(shù)預(yù)防性維修(PreventiveMaintenance)預(yù)防性維修是針對系統(tǒng)資源有計劃、有針對性地維護(hù)與修理，如潤滑、清洗、保養(yǎng)，以保證資源的可靠度和可用度5.3建模與仿真技術(shù)的特點(diǎn)虛擬化虛擬化是建模與仿真技術(shù)的最本質(zhì)特點(diǎn)，利用建模與仿真技術(shù)可得到被研究對象的虛擬鏡像。(2)數(shù)值化數(shù)值化是建模與仿真技術(shù)的必要特點(diǎn),是仿真、計算、優(yōu)化的前提。(3)可視化可視化是建模與仿真技術(shù)的直觀特點(diǎn)，是建模與仿真技術(shù)人機(jī)交互與友好性的體現(xiàn)。(4)可控化可控化是建模與仿真技術(shù)通往終極目標(biāo)的必要手段。建模與仿真技術(shù)目的是對被研究對象進(jìn)行分析和優(yōu)化。另外,隨著制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,從傳統(tǒng)制造到數(shù)字制造,從數(shù)字制造到數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造,再到數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造，建模與仿真技術(shù)又表現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)：(1)集成化；(2)模塊化；(3)層次化；(4)網(wǎng)絡(luò)化；(5)跨學(xué)科化；(6)虛實(shí)結(jié)合化；(7)計算高速化；(8)人工智能化；(9)數(shù)據(jù)驅(qū)動化135.4建模與仿真的關(guān)鍵技術(shù)1、建模/仿真支撐環(huán)境建模/仿真的支撐環(huán)境是進(jìn)行建模與仿真的基礎(chǔ)性問題。2、先進(jìn)分布仿真從單元化制造到集成化網(wǎng)絡(luò)化制造,也呈現(xiàn)出分布式建模與仿真的新模式。3、仿真資源庫仿真資源庫是仿真技術(shù)的依賴性技術(shù),包括數(shù)據(jù)庫、模型庫、工具軟件庫。4、圖形圖像綜合顯示技術(shù)圖形圖像綜合顯示技術(shù)一直都是建模與仿真技術(shù)的關(guān)鍵核心技術(shù)，也是最根本的一項(xiàng)技術(shù)，是計算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)處理等基礎(chǔ)技術(shù)的綜合應(yīng)用等。14圖5-6鍛造操作機(jī)設(shè)計與仿真支撐平臺體系結(jié)構(gòu)圖5-5模擬數(shù)控加工全過程5.5仿真模型的校核、驗(yàn)證與確認(rèn)155.5.1校核、驗(yàn)證及確認(rèn)的基本概念在系統(tǒng)建模與仿真中，校核、驗(yàn)證與確認(rèn)(VV&A)技術(shù)的主要功用包括：（1）有利于盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)模型與仿真程序中存在的缺陷和錯誤，以便設(shè)計開發(fā)人員及時采取措施修改模型設(shè)計和程序結(jié)構(gòu)，避免或減小給實(shí)際系統(tǒng)帶來的風(fēng)險和損失。（2）有利于降低仿真系統(tǒng)開發(fā)的費(fèi)用。（3）校核與驗(yàn)證工作貫穿于仿真系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)、測試和應(yīng)用的全生命周期。（4）保證所建立的模型具有足夠精度，能夠替代真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)、分析系統(tǒng)動態(tài)行為和預(yù)測系統(tǒng)性能。（5）為系統(tǒng)模型與仿真程序的可信度評估提供依據(jù)，增強(qiáng)系統(tǒng)模型與仿真程序創(chuàng)建者、用戶對應(yīng)用仿真系統(tǒng)解決工程實(shí)際問題的信心，促使決策者利用模型完成相關(guān)決策。圖5-7

建模與仿真及其VV&A過程5.5.1校核、驗(yàn)證及確認(rèn)的基本概念16對于建模與仿真系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)人員而言,需要直接參與的是校核與驗(yàn)證(V&V)工作。下表中列出了校核與驗(yàn)證工作的主要內(nèi)容表5-5

校核與驗(yàn)證工作的內(nèi)容校核驗(yàn)證文本評價(documentassessment)靈敏度分析(sensitivityanalysis)需求跟蹤(requirementtrace)表象驗(yàn)證(facevalidation)方法論審查(methodologyreview)校準(zhǔn)(benchmarking)代碼審查(codewalkthrough)仿真/實(shí)測數(shù)據(jù)對比(test/fielddatacomparison)數(shù)據(jù)證實(shí)(datacertification)同事間互評(peer/redreview)5.5.1校核、驗(yàn)證及確認(rèn)的基本概念17另外，常用的與VV&A相關(guān)的概念還包括：（1）模型測試（modeltesting）。檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭惺欠翊嬖阱e誤或者不精確、不準(zhǔn)確的性質(zhì)或情況。（2）仿真精度（simulationaccuracy）。仿真系統(tǒng)能夠達(dá)到的靜、動態(tài)技術(shù)指標(biāo)與規(guī)定或期望的靜、動態(tài)性能指標(biāo)之間的誤差。（3）仿真置信度（simulationfidelity）。在特定的建模/仿真的目的和條件下，模型逼近原型的程度。5.5.2校核、驗(yàn)證與確認(rèn)的基本原則18在由美國國防部發(fā)表的VV&A建議規(guī)范中,對仿真模型的VV&A活動進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納和總結(jié),給出了具有普遍適用性的VV&A12條基本原則。OsmanBalci基于對VV&A問題的研究，提出了仿真模型VV&T的15條原則，這15條原則可以作為仿真VV&A的重要參考原則1：VV&A活動必須貫穿于系統(tǒng)建模與仿真的整個生命周期。原則2：在模型系統(tǒng)中，不存在絕對意義上的正確或錯誤，不應(yīng)將VV&A活動的結(jié)果看做是一個非對即錯的二值變量。原則3：仿真模型是根據(jù)建模與仿真的目標(biāo)而建立的，其可信度也應(yīng)由建模與仿真的相應(yīng)目標(biāo)來評判。原則4：應(yīng)在一定的程度上保證仿真模型VV&A活動的獨(dú)立性，以避開模型開發(fā)人員對VV&A結(jié)果的影響。原則5：仿真模型的VV&A活動需要評估人員具備足夠的創(chuàng)造力和洞察力。原則6：仿真模型的可信度僅僅是針對VV&A活動的特定條件而言的。原則7：完全的仿真模型測試是不可能的。5.5.2校核、驗(yàn)證與確認(rèn)的基本原則19原則8：必須制訂仿真模型VV&A計劃并進(jìn)行相應(yīng)的文檔記錄。原則9：在VV&A活動中,應(yīng)盡力避免三類錯誤的發(fā)生。原則10：應(yīng)盡可能早地發(fā)現(xiàn)仿真生命周期中存在的錯誤。原則11：必須認(rèn)識到多響應(yīng)問題的存在并加以恰當(dāng)?shù)亟鉀Q。原則12：所有子模型(模塊)的成功測試并不意味著整個模型的可信度。原則13：必須認(rèn)識到雙驗(yàn)證問題的存在并加以恰當(dāng)解決。原則14：仿真模型的驗(yàn)證并不能保證仿真結(jié)果的可信度和可接受性。原則15：問題描述的準(zhǔn)確性會大大影響仿真結(jié)果的可接受性和可信度。5.5.3校核、驗(yàn)證與確認(rèn)的實(shí)施過程20VV&A的過程指的是開展VV&A活動的流程，VV&A活動的實(shí)施過程歸納概括為如下9個階段：

1、需求定義與校核2、啟動VV&A計劃3、數(shù)據(jù)的校核與驗(yàn)證4、概念模型驗(yàn)證5、設(shè)計過程的校核6、執(zhí)行過程驗(yàn)證7、結(jié)果驗(yàn)證8、對校核驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)9、VV&A過程信息整理并歸檔圖5-8

VV&A的一般過程5.5.4校核、驗(yàn)證與確認(rèn)的技術(shù)與方法211、非正式方法非正式方法是在VV&A活動中應(yīng)用最為廣泛的方法。這里所謂的“非正式”并不是說這些技術(shù)的運(yùn)用缺乏特定的組織性或正式的指導(dǎo)原則，而是指所利用的工具和方法比較多地依賴個人的主觀性和推理，而沒用很強(qiáng)的數(shù)學(xué)形式。2、正式方法正式方法主要基于對正確性的較為正式的數(shù)學(xué)證明。如果條件允許，數(shù)學(xué)證明是最有效的模型V&V之一。但由于當(dāng)前的正式數(shù)學(xué)證明技術(shù)的局限性，這種方法只能應(yīng)用到一些非常簡單的實(shí)際建模與仿真中。3、靜態(tài)方法靜態(tài)方法廣泛應(yīng)用于評估靜態(tài)模型設(shè)計和源代碼的情況。該類方法可以校核和驗(yàn)證大量的信息，如模型的結(jié)構(gòu)、所采用的建模技術(shù)和操作、模型中的數(shù)據(jù)、控制流以及語法等。4、動態(tài)方法動態(tài)方法是一類在實(shí)際中相對較為有效的方法，主要應(yīng)用于校核和驗(yàn)證建模與仿真的動態(tài)方面。5.5.4校核、驗(yàn)證與確認(rèn)的技術(shù)與方法22常用的動態(tài)方法主要有自頂向下、自底向上、黑盒法、白盒法、執(zhí)行追蹤、執(zhí)行監(jiān)測接受測試、回歸測試、統(tǒng)計技術(shù)和圖形比較等。下表為仿真模型VV&A方法的分類。

定性外觀驗(yàn)證法、圖示比較法、圖靈法、檢驗(yàn)法

靜態(tài)性能一致性驗(yàn)證方法參數(shù)檢驗(yàn)法正態(tài)分布法（F檢驗(yàn)法、T檢驗(yàn)法）、非正態(tài)總體分布法區(qū)間估計法假設(shè)檢驗(yàn)法、點(diǎn)估計法分布擬合檢驗(yàn)法非參數(shù)檢驗(yàn)法Smirnov檢驗(yàn)法、秩和檢驗(yàn)法、游程檢驗(yàn)法、Mood法自助法

穩(wěn)健統(tǒng)計法均值和方差的穩(wěn)健估計法、M檢驗(yàn)法貝葉斯方法數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)法、檢驗(yàn)分布參數(shù)法(正態(tài)總體的方差檢驗(yàn)法、正態(tài)總體的均值檢驗(yàn)法)

動態(tài)性能一致性驗(yàn)證方法時城法一般時域法(判斷比較法、Theil不等式系數(shù)法、回歸分析法、誤差分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、相似系數(shù)法、正態(tài)總體一致性驗(yàn)證法、用貝葉斯理論法、自相關(guān)函數(shù)檢驗(yàn)法)、時序建模比較法(平穩(wěn)時序建模法)、非平穩(wěn)時序建模法等頻域法經(jīng)典譜估計法(直接法、間接法)窗譜估計方法(加窗譜估計法)最大熵譜估計(yule-Walker法、Burg遞推法)瞬時譜估計、交叉譜估計演譜估計等仿真系統(tǒng)驗(yàn)證方法定量表5-6

仿真系統(tǒng)的驗(yàn)證方法及分類5.5.4校核、驗(yàn)證與確認(rèn)的技術(shù)與方法23信息領(lǐng)域的各種新技術(shù)，如面向?qū)ο蠹夹g(shù)、人工智能技術(shù)、模糊技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)/環(huán)境技術(shù)等在系統(tǒng)建模與仿真中的應(yīng)用和發(fā)展，大大增強(qiáng)了仿真系統(tǒng)的功能和性能。但它們同時也對仿真系統(tǒng)的校核與驗(yàn)證提出了更高的要求。表5-7各種因素對VV&A的影響影響因素仿真系統(tǒng)實(shí)際情況關(guān)鍵技術(shù)已知的關(guān)鍵技術(shù)未經(jīng)驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用需求已知的確定需求經(jīng)常變化的需求組成部件可重用的經(jīng)過VV&A的部件絕大部分新開發(fā)的部件設(shè)計情況不變的設(shè)計方案變化的設(shè)計方案網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定的通信要求和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不確定的通信要求和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)可預(yù)測的性能指標(biāo)未知的性能指標(biāo)工具庫強(qiáng)有力的工具庫支持零星的工具支持?jǐn)?shù)據(jù)資源經(jīng)過VV&C的數(shù)據(jù)來源未經(jīng)過VV&C的數(shù)據(jù)來源操作要求已知的操作要求模糊的操作要求開發(fā)隊伍訓(xùn)練有素的開發(fā)隊伍非專職的開發(fā)隊伍對VV&A工作要求最少最大