WITNESS Simulation

第五讲 生产物流系统建模与仿真

王建华

jiannywang@126.com

培训主题

• Witness 软件介绍• 基本元素、输入输出规则、复杂流程设计• 数据类型、随机分布函数• WITNESS 建模与仿真基本过程

• 生产物流系统建模与仿真• 生产物流系统描述• 定义元素 Define

• 可视化元素 Display

• 细节设计 Detail

• 仿真实验 Run Simulation

• 统计报告分析 Report

Witness介绍：建模元素• 三类建模元素：

1. 实物元素 : 代表实际系统中看得见的实体，如 :

原材料 part/fluid 、加工设备 machine/processor

作业员 labor 、运输工具 conveyer/track/vehicle/pipe

仓库 buffer/tank2. 逻辑元素：用来处理数据，实现复杂流程和逻辑的建模要素，如 :

属性 attribute 、变量 variable 、经验分布 distribution

函数 function 、班次 shift 、文件 file 、模组 module;3. 图形元素 : 形象化表示实体的运行特征。如：

时间序列图形 timeseries, 饼状图 piechart, 直方图histogram

Witness软件：输入 /输出规则

Witness 提供了两类规则用于控制仿真系统中的物料流：输入规则和输出规则

输入规则 Input Rule：BUFFERMATCHPERCENTPULLSELECTSEQUENCE LEASTMOSTWAIT FLOWRECIPE

输出规则Output Rule：BUFFERPERCENTPUSHSELECTSEQUENCE DESTINATIONLEASTMOSTWAITCONNECTFLOWRECIPE

离散

离散连续

连续

离散

离散连续

连续

Witness软件：复杂流程控制

• 使用基本的输入 / 输出规则不能对复杂流程进行建模时，可以使用条件判断规则结合基本 IO 规则实现流程的建模。• IF 条件 1

¶ IO 规则 1• ELSEIF 条件 2

¶ IO 规则 2• …

¶ …• ENDIF

例：IF time<200

Connect with pipe1Elseif time<300

Flow to tank1 rate(100)Else

Waitendif

witness 提供了四种类型的变量，用来进行数据处理：整型、实型、名型、字符型。

• 整型（ integer ）变量：用来存储不包含小数点部分的数字。在 witness 中，可以是 -2 147 483 648 到＋ 2 147 483 647 之间的整数。

• 实型（ real ）变量：可以存储由数字（ 0 ～ 9 ）、小数点和正负号组成的数据。范围为（ 3.4E-38 ， 3.4E38 ）；

• 名型（ name ）变量：用来存储 witness 仿真系统组成元素的名称。例如：

Widget miller （ 3 ）• 字符型（ string ）变量：用来存储不具有计算能力的字符型数据。字符型数据是

由汉字和 ASCII 字符集中可打印字符（英文字符、数字字符、空格以及其他专用字符）组成，长度范围是 0 ～ 4095 个字符。

Witness软件：数据类型

（ 1 ） BETA β 分布； （ 2 ） NORMAL 正态分布；（ 3 ） BINOMIAL 二项分布； （ 4 ） POISSON 泊松分布；（ 5 ） ERLANG 爱尔朗分布； （ 6 ） RANDOM 0-1 均匀分布；（ 7 ） GAMMA γ 分布； （ 8 ） TNORMAL 截断正态分布；（ 9 ） IUNIFORM 整数均匀分布； （ 10 ） TRIANGLE 三角分布；（ 11 ） LOGNORML 对数正态分布； （ 12 ） UNIFORM 均匀分布；（ 13 ） NEGEXP 负指数分布； （ 14 ） WEIBULL 威伯分布

Witness软件：随机函数

Witness软件：界面介绍

运行控制工具栏统计报表工具栏

元素列表窗口 模型布局窗口

元素设计工具栏 视图控制工具栏

Witness软件：建模和仿真基本过程

元素定义

元素可视化

详细参数

仿真实验

结果分析

校验 验证

生产物流系统描述

• 使用 WITNESS 建立该系统的仿真模型，并进行仿真实验，研究在 480 分钟，该系统的产量和各设备的利用率。

10‘ 10‘ 10‘

定义元素Define

定义元素Define

• WITNESS 义元素的四种方式：1. 通过系统布局区（ layout window ）：在系统布局区点击鼠标

右键，在弹出菜单中选择 Define 菜单项，将弹出新建元素对话框，然后进行元素定义。

2. 通过元素选择窗口（ elements ） ：选择元素选择窗口中的simulation 项，单击鼠标右键，在弹出菜单中选择 Define 菜单项，将弹出新建元素对话框，然后进行元素定义。

3. 使用工具栏进行元素的定义：点击工具栏中的 新建元素图标 ，将弹出新建元素对话框，然后进行元素定义。

4. 通过用户元素窗口（ designer elements ） 元素模板：在该窗口中，鼠标选中所需建立的元素类型图标，然后在系统布局区中单击鼠标左键进行元素定义。

定义元素Define

定义：零件

定义：机器

定义：输送链

定义：变量

定义元素Define：初步界面

可视化元素Display

• 操作演示

细节设计Detail

• 操作演示

仿真实验 Run

• 操作演示

统计报告 Report

• 操作演示

备注： Pull 规则

• 1 Pull规则：输入规则 Pull 将从其它元素中拉动 Part 进入使用该规则的元素。如果 Pull 规则指定了几种输入的 part, 该规则将一次获取这些 Part ，直至条件满足。

• 语法： • PULL {from} location1 {, location2 ...}

• 其中，每个 location 的详细格式如下：• {part_name {from}} location_name {(index_exp)} {at

position_exp} {with labor_name {#labor_qty}} {using PATH}

备注： Pull 规则

• Location 参数： {part_name {from}} location_name {(index_exp)} {at position_exp} {with labor_name {#labor_qty}} {using PATH}• part_name ：名型，为模型中 part 的名称• location_name ：名型，可以是元素的名称，也可以是模块Module 的名称， part 将从

该元素被拉出。• index_exp ：整型，当输出 Part 的 Location 元素的对象数量多于 1 时，可以指定 Pull

规则具体的从该 Location 的第几个对象中提取 Part ，例如：如果 Location 的名称为Buffer001 ，那么 Buffer001 （ 2 ）表示 Buffer001 中的第二个对象。如果不指定Index_exp,Pull 规则将从该 Location 元素的所有对象中提取适当的 Part ，顺序为Location （ 1 ）， Location （ 2 ）， ...... ， Location(n).

• position_exp: 整型，当输出 Part 的 Location 为输送链时，可以指定 Part从输送链的具体位置上被取出，如果不指定该数值，则 Part 将从输送链的尾部 Rear被取出。

• with labor_name ：名型，指定输入规则是否需要 Labor 元素协助。• #labor_qty ：整型，需要 Labor 元素协助时，需要的 Labor 元素的数量。• using PATH ：名型，指定从一个 Location 中提取 Part 进入本元素，是否需要使用特定

的路径，让 part沿着该路径搬运至本元素。

备注： Pull 规则

• 示例 :• PULL WIDGET FROM WORLD• 在这个例子中，输入规则 Pull 从 World （模型之外）拉动一个 Part 元素 WIDGET

进入模型。• PULL FROM ASSEMBLY, STORE(1), STORE(2)• 在这个例子中， PULL 规则将从 ASSEMBLY, STORE(1), STORE(2) 中提取

Part ，如果 ASSEMBLY 元素中没有 Part 了，则从 STORE(1) 中提取，如果STORE(1) 中也没有 Part 了，则从 STORE(2) 中提取 Part ，如果这三个Location 中都没有 part 了，则等待。

• PULL FROM ASSEMBLY WITH ENGINEER#1 USING PATH• 在这个例子中， Pull 规则需要一个名为 ENGINEER 的 labor 从 ASSEMBLY 元素

中提取 Part ，然后使用合适的路径运送回该规则的作用元素。• PULL WIDGET FROM ASSEMBLY(3) WITH ENGINEER#2 USING PATH,

WIDGET FROM ASSEMBLY(5)• 在这个例子中， Pull 规则将使用两个工程师 ENGINEER从第三个 ASSEMBLY 中提

取 Part ，然后通过合适的路径运送到规则的作用元素，如果不能从 ASSEMBLY(3)中提取 part, 将直接从第五个 ASSEMBLY 中提取名为 WIDGET 的 Part 。

元素详解

• Part

• Machine

• Conveyor

Part

• 到达模式： 被动式（ Passive ） 主动式（ Active ） 特殊规则 的主动式 （ Active with profile ）

• 主动式细节设计项目 Maximum ： First Arrival ： Shift ： Inter Arrival ： Lot Size ： To... ： Actions on Create... ： Actions on Leave... ：

Machine

类型• （ 1 ）单处理机（ Single ）。• （ 2 ）批处理机 (Batch) 。• （ 3 ）装配机 (Assembly) 。• （ 4 ）生产机 (Production) 。 • （ 5 ）通用机（ General ）。 • （ 6 ）多周期处理机（ Multiple Cycle ）。• （ 7 ）多工作站机（ Multiple Station ）。

Conveyor

• 类型 固定式 Fixed ： 队列式 Queuing ： 固定式和队列式输送链比较 移位式 Indexed

连续式 Continuous

移位式和连续式输 送链的区别

练习题

1. 在超市入口有一台银行 ATM机，用于客户提取现金，假设需要提取现金的客户到达时间间隔服从均值为 2 分钟的负指数分布，客户提取现金所需的时间服从均值为 1.8分钟的负指数分布；模拟客户具有下列特性时的系统： 客户到达 ATM机，不论队列有多长，都会等待直至完成取款； 客户到达 ATM机，如果已近有 4 个人再排队了，他将自动离开，不再取款； 客户到达 ATM机，如果发现已经有 4 个人再排队了，他将先进入超市购物，购物时间服从 [3 ， 20]分钟的均匀分布，购物完毕后，他再来取款，此时他将不再考虑队列长度，直至完成取款；

客户在第（ 3 ）中情况下，购物完毕后，如果发现已经有 5 个人再排队，他将直接离开；

• 模拟一天 12小时的时间，以上四种情况下，完成取款的人数、取款顾客平均等待时间、最大队列长度、没有完成取款的人数，对第 3 和 4 种情况下，进入超市购物的人数等。

练习题

2. 在发动机装配线上，缸体 P 从点 A 上线，上线时间为 20s，然后通过输送链运行到组装工位 B ，花费 [17 ， 23]s装配，然后再通过输送链运行到组装工位 C ，花费 [16 ， 24]s时间装配，然后送出下道工序，每两个工位间滚轴输送链上可以放置 10个托盘，移位时间为 5s，试对该系统进行 8 小时的仿真，统计各工位的忙闲比率、缸体等待情况。

3. 某汽车生产厂，在车架、车身焊接完成，并手工修补车身之后，对汽车进行油漆。首先是底漆。将白皮车身通过滚动方式浸入糖浆般的漆槽，取出烘干底漆；然后送入无尘车间，用静电喷漆工艺喷上面漆，然后用 200度左右的温度烘干。试建立该工艺过程的仿真模型，其中时间量请自行设置。• （ 1 ）首先分析系统中的临时实体和永久实体；即加工对象和加工单元；• （ 2 ）假设加工单元特性，为了问题的简单化，假设每个加工单元只有一套设备，而且每次只对一个车身进行加工；

• （ 3 ）合理设计加工工序的节拍，即设计各加工单元的加工时间为围绕节拍具有一定的随机波动性，例如设计生产节拍为 60秒，而加工单元加工时间为 [60-a ， 60+a]的均匀分布，其中不同加工单元的 a 取值不同。

• （ 4 ）仿真结束，分析你设计的节拍和随机量 a 对系统运行绩效的影响，参考指标为：产出量、平均在制品库存、车身平均通过时间等；