仿真模擬

仿真簡介及其應用

1

1.1仿真的定義

我們這里所述的仿真，并不是針對一些設備的機械的動作的仿真，而是指系

統仿真。系統仿真是評估對象系統（例如制造系統、物流倉儲、生產計劃等）的

整體能力等為目的的一門專業技術。（備注：計算機沒有普及以前,進行物流系

統仿真,普遍采用數學方法建立數學模型。）

系統仿真的發展基本上是伴隨著仿真軟件和優化算法的發展而成長的。而隨

著技術的發展和成熟，以及與其他信息技術的集成，而這種集成化的仿真技術也

是未來發展的主要方向，目前，我們將集成化的系統仿真在制造行業的應用稱之

為數字工廠。

數字工廠的定義如下：在仿真環境中構建與現實工廠相對應的、完整的數字

工廠，實現對實際生產過程的實時動態監測；同時基于仿真分析系統，可實現對

規劃方案前期的驗證和優化，實現生產數據的多維分析，支持資源配置方案評估、

多層次計劃驗證和優化等業務決策。

1.2仿真的發展

仿真，也稱為模擬,通俗來講,它就是按照客觀的實際情況,把所要研究的問

題或對象構造成模型,然后在模型上進行實驗或試驗,以觀察一項設計或計劃方

案,在接近于實際的條件下,其工作或運行情況是否合乎主觀的意圖或要求,或

者是同時分析比較幾個設計或計劃方案,以確定其中哪一個方案更符合主觀的

意圖或要求,具有更好的技術性能或經濟效果,從而確定選擇其中一個較好的設

計或計劃方案。

仿真技術是在世紀年代末以來,伴隨著計算機技術的發展,仿真技術最初主

要應用于航空、航天、原子反應堆等價格昂貴、周期長、危險性大、實際系統試

驗難以實現的少數領域,后來逐步發展到電力、石油、化工、冶金、機械等一些

主要工業部門,并進一步擴大到今天的社會系統、經濟系統、交通運輸系統等一

些非工程系統領域?，F代系統仿真技術和綜合性仿真系統已經成為復雜系統,特

別是高技術產業中不可缺少的分析、研究、設計、評價、決策和訓練的重要手段,

其應用范圍還在不斷擴大。

2

隨著全球范圍內市場競爭的加劇，縮短產品的設計周期、生產周期、上市周

期，降低開發成本已成為企業追逐的目標。多功能性、高獨立性和產品的短期設

計制造都給制造系統的規劃和設計提出更高的要求。

資料表明：國外已運行的復雜的制造系統約有80%的都沒有完全達到設計要

求，其中存在的問題60%都可以歸結為初期規劃不合理或失誤。一個以批量方式

進行生產的制造系統，要把生產設備、刀具、夾具、工件、生產計劃、調度有機

地組織在一起是一項非常艱巨的工程。因此，在制造系統建立之前必須進行充分

的分析論證和合理的規劃設計，這就要求對所研究的制造系統進行合理的建模和

分析。

制造企業在進行新的生產線規劃設計過程中，規劃人員大多是依靠傳統的數

學分析方法和積累的經驗進行規劃設計。但是由于系統的復雜性，常使得設計實

施很難達到預期效果。隨著計算機廣泛應用而發展起來的計算機仿真技術，為生

產系統的規劃設計提供了一個理想的工具。它可以把所有的資源（設備、人員、

原材料等）與制造過程控制(產品、工藝、生產周期、庫存、在制品等)動態地結

合起來，被認為是解決現代制造過程中復雜問題的理想方法。正是由于仿真技術

在制造系統的規劃設計及運行中能實現以上功能，促使了計算機仿真技術在制造

業中有著越來越強的應用需求，使得仿真技術在制造業中的應用變得越來越廣

泛。目前，制造業已成為計算機仿真技術的主要應用領域。

數字工廠是仿真技術在先進制造領域應用的重要體現，并是實現敏捷制造及

網絡化協同制造的關鍵技術。數字化生產系統以建模和仿真作為實現手段，以數

字化信息形式在計算機上全面實現生產線的生產制造過程，是制造系統設計及實

際生產系統運行控制的有效輔助工具。

目前數字工廠技術在汽車、航空航天、能源、制藥、重型設備、電子和家用

電器、機器人等行業得到了廣泛應用并創造了可觀效益，一大批著名企業和部門，

3/8

如BMW、Ford、H容易的反義詞 onda、波音公司、歐洲航天局、ABB、Robotics等等。國內

的數字工廠的應用還處于初級階段，主要應用于汽車行業和電子行業。在汽車行

業中，上海大眾采用數字工廠系統成功進行了發動機生產線的設計并優化；一汽

大眾則成功完成了其車身解決方案軟件設計，底盤裝配生產線設計，規劃，優化，

物流分析，工藝布置，工藝設計生成等。在電子行業，深圳華為股份有限公司用

eM-Power系統成功完成了通訊設備生產線優化設計。在重工企業和船舶行業，

數字工廠的應用也被逐漸采納并推廣。在重工企業中，三一集團將數字工廠技術

應用于新廠房的規劃和設計階段，以達到縮短工廠建設周期、降低建設成本、優

化工藝布局和優化物流方案的目的。在船舶行業，江南造船采用數字工廠技術，

對原有的生產能力進行評估，找出制約生產進程的瓶頸，為計劃制定和進一步拓

展生產能力提供依據。

傳統的工廠規劃方案都是借助二維CAD工程圖進行評審，這種二維評審平

臺既不形象也不直觀，不能發現空間不足、干涉、布局不合理等問題，傳統的規

劃理念已不能適應今天的發展速度。在數字工廠沒有出現以前，一般是根據產品大蟹

設計方案來決定生產流程，并按序生產，一旦產品發生變化，工廠里的一切都需

要改變。數字工廠利用CAD等數字化技術能夠根據市場需求，實現產品設計、

制造工藝設計、產品仿真、虛擬試生產等多個環節的數字化。也就是說，無需投

資制作樣品，也可模擬未來產品，并預見生產這件產品時可能遇到的問題，這可

以在最大限度上節約研發的時間和費用。

21世紀的工廠規劃應是以信息為主導，集網絡化、虛擬化、智能化于一體

的計算機集成數字化規劃系統，能夠更好地優化資源、技術和人員配置，提高效

率、降低風險，使工廠規劃適應企業的快速發展。數字工廠技術在信息時代的工

廠規劃中便應運而生并不斷得到完善。

3

3.1數字工廠的應用特點

?對生產中動態因素的關聯性及其交互作用的評估

?識別潛在的瓶頸并推導出優化措施

?將整個復雜流程變得透明化

?可以進行更為彈性和更加可靠的規劃

?對投入和產出進行無風險的測試

3.2數字工廠應用的方向

3.2.1在營銷方面（數字營銷）

根據產品的特點，在前期的投標過程中，數字工廠解決方案將起到極強的投

標輔助作用，通過數字工廠的實施將

對產品本身的特性進行全面的介紹，

提升產品的核心競爭力；通過數字工

廠全方位、多維度的展示企業的生產

資源和生產能力；同時通過對比分

析，構建未來產品的應用場景，充分

凸顯應用產品的效果；針對關鍵大型

產品，通過虛擬仿真的手段，將其未

來的生產工藝及制作方案進行闡述，進一步展示企業的生產能力。

通過項目的實施，在投標過程中，全面、細致的展現該產品復雜的設計和生

產過程等核心技術，招標方將會提前“看”到產品的生產制造過程和產品完工的

情景，同時投標方神經的英文 將會全面展示自己的生產能力和技術能力。另一方面，在投標

文件的載體方面，將通過ODM獨有的可交互式平臺進行溝通，有別于傳統投標

過程中使用的視頻、PPT、動畫等方式，更為直接、有效。

在投標結束后，通過ODS生命周期的延展，該平臺可進一步成為甲乙雙方

的溝通工具和生產過程的可視化看板。

（1）產品的展示

通產我們關于產品的展示定義為

產品自身的特性展示和產品應用的

展示兩個方面。在以往的產品展示

中，我們往往著重于產品的特性和技

術特點，缺少對產品未來應用場景的

考慮、對比以及分析。而通過數字工

廠技術能夠較好的解決這個問題。例

如在“南通中遠船務啟東中遠110kV

新建工程”項目中，我們可以提前

展示給客戶使用我們產品后的場

景、技術方案等等，是客戶能夠提

前看到產品使用的效果。

?產品特性的展示

?未來產品應用的展示

5/8

（2）投標輔助

在投標過程中，我們往往會給客

戶描述我們產品是什么樣的，但經常

缺乏我們的產品是怎么制造出來的，

往往忽略系統的說明我們完善的質量

體系和成熟的生產工藝，同夢見和朋友吵架 時對我們

非常具有競爭實力的設備、場地、物

流等關鍵生產資源的闡述過于簡單和

單一。通過數字工廠的實施，將會很好的解決上述的問題和不足

?產品庫/設備庫的構建

?大型關鍵產品生產工藝的展示

?工廠生產資源及能力的展示

3.2.2在規劃方面

上文已經著重介紹了數字工程在規劃方面的具體應用，這里在加以總結，主

要應用于以下借個方面：

①.總體初步規劃

根據生產綱領和工藝內容，確定生產節拍，選擇合適的加工設備和加工參數，

采用預設計的物流策略和控制規則，合理安排空間布局以符合現場空間限制，這

是生產線規劃的第一步，其他規劃內容都要依據初步規劃后的模型運行數據進行

分析判斷。

②.設備配置分析

判斷機床等設備的加工參數設置、服務優先級機制、裝夾方式是否合理；分

析設備發生故障的頻率、故障的修復時間、設備的維護成本對生產線產能和生產

任務進度的影響，重新設置設備參數乃至更換設備。

③.生產線物流規劃

判斷物流分流策略和控制規則是否合理，驗證自動導向小車（AGV）和機

械手等運送設備的路徑、數量、速度以及服務機制的合理性，分析緩沖站容量和

倉庫容量是否過大或過小。

④.生產線布局規劃

規劃生產線布局，建立生產線的三維視圖。對特定工位進行三維的裝配操作

接近性分析和裝配干涉檢查。

⑤.人機工程分析

通過對生產線上的工作人員進行仿真模擬，對人員工作的空間和勞動強度進

行分析，優化工人的動作和行走路線。

⑥.產能評估及生產平衡性和瓶頸分析

評估生產線最大產能，判斷生產線上的各種隨機因素對平衡性的影響，找出

瓶頸工序，通過參數的重新配置和工序的優化消除瓶頸，提高生產能力。

⑦.生產流程及關鍵資源優化

虛擬環境下的生產線規劃，首先參照生產計劃和工藝內容等相關資料，在虛

擬環境中建立參數化的生產線模型運行仿真，分析仿真結果以判斷瓶頸工序所

在，重新配置相關參數并做必要的調整，再次運行仿真，如此反復直至得到最優

的生產線規劃方案。

3.2.3物流系統的應用

物流系統的應用主要集中在三個方面：供應鏈仿真、生產物流系統仿真、物

流配送系統仿真。

這里不再一一展開說明。

3.2.3生產系統的應用

制造過程仿真系統主要針對工

廠存在的生產能力未能精確評估，資

源能力未能充分發揮，以及生產計劃

的制定缺乏可靠依據的問題，運用離

散事件仿真理論和系統仿真軟件工

具，對生產制造過程進行運行仿真與

分析，對產品的工藝過程、生產和作業計劃、生產調度、物流等生產活動進行模

擬，達到驗證作業計劃，找出制約生產進程的瓶頸，為計劃制定和進一步拓展生

產能力提供依據的目的。

數字工廠一般分為兩個部分：

①.“數字作業單元”——建立覆蓋建造全過程所有作業單元的三維數字化

仿真模型，提供各個作業單元的獨立的仿真運行分析環境，支持作業單元生產瓶

頸分析、生產能力負荷檢測，實現更準確的工時預測。在MES實施基礎上，實

現車間層作業情況的實時在線仿真，通過調度策略的預演，支持作業計劃的動態

調整，實現快速響應。

②.“數字工廠”——在仿真環境中構建形成完整的數字工廠，支持生產能

力的準確評估，資源配置方案以及多層次計劃的驗證與優化，能夠對未來工廠生

產狀況進行更為準確的預測，實現制造加工能力和生產戰略上的重大飛躍。

生產物流優化主要包含一下6大模塊，可以廣泛的應用于企業的規劃、生產、

技術改造等多個不同的階段，現就主要技術特點進行簡要的說明。

?車間布局優化

通過車間布局優化技術，提供三

維可視化、多視角規劃漫游平臺，可

以分析得到車間布局在空間上和邏

輯上合理化建議，通過分析這份報告

可以對車間布局的不合理性提出優

化建議，并且通過仿真模型對這個優

化方案作出可行性的分析。

?物流方案優化

通過物流方案優化技術，可以得到物流設備在使用上和數量上或者是種類

7/8

上、多種工況下的物流分析報告，通過分析這樣的報告可以對物流邏輯進行優化，

提出一個較為良好的物流方案，并且通過物流方案技術反過去驗證優化過的物流

方案，為優化方案提供科學的可行的數據支撐。

?生產能力測算、評估及平衡分析

通過生產能力平衡分析技術對

生產線和生產車間的分析，可以得到

各條生產線和各個生產作業區之間

的生產節拍報告。通過對這份報告的

分析可以得到各個車間生產節拍的

匹配程度，并對匹配程度低的環節提

供相應的解決方案，同時提出合理設

備配置清單。生產能力分析技術可以分析出在不同的進料模式和出料模式下，單

個獨立車間或作業區的最大產能。模型可以通過變化進料模式和出料模式等方式

來驗證生產車間的產能是否符合預期，并且可以通過調整來選取最優的進料模式

和出料模式。

?設備工作狀況分析

設備工作狀況分析技術可以分析出每一臺設備的使用情況和忙閑程度，通過

對各臺設備使用情況和忙閑程度的分析可以得到設備故障發生的可能性的分布

情況。通過分析這些數據可以對相應的設備進行使用邏輯的優化，使設備的使用

趨于合理和平衡。最后通過仿真模型來驗證優化的科學性和可行性。

?人員負荷分析

通過人員負荷分析技術對車

間內部人員負荷進行分析，可以

得到車間內部人員負荷的合理性

報告，且對不合理的人員負荷進

行優化，提出合理的人員配置方

案。最后通過仿真模型來驗證優化方案的科學性和可行性。

?生產計劃的驗證

通過內在核心優化算法。平臺支持對三大配套系統生產計劃的分析和驗證功

能，通過該功能可以確保制定的生產計劃滿足產品生產制造的節點要求。

其中在生產計劃的驗證和決策方面有較為突出的效益。配合生產計劃系統的

開發與實施，使用動態決策規則,模擬加工任務的處理過程,構建可行的計劃解,

存在多種用戶可選的啟發式優化規則,刀魚扒白菜 用于在仿真運行過程中產生較優解。實現

完善資源能力的“計劃-仿真-改進計劃-仿真”的閉環規劃系統，實現仿真系統與

計劃系統的銜接，以支持實現能力與負荷的均衡，提高計劃戒酒 的合理性，提升工廠

的生產效率。

3.3數字工廠的最新應用成果簡述

往往企業通常將仿真作為一個工具來使用，那樣解決的問題只能是一個

“點”，如果將仿真作為系統來使用，將會解決“面”的問題。例如數字工廠ATOM

系統在系統仿真的基礎上進一步與整合和優化，真正將仿真技術與生產實際相結

合，全方位服務于企業。

3.3.1靈活的軟件架構

3.3.2開放的外部系統接口

3.3.3仿真數據的挖據和分析