Имитационное моделирование работы сборочного цеха

НЕГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

  «СМОЛЕНСКИЙ ГУМАНИТАРНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет Компьютерных Технологий Экономики и Дизайна

Кафедра информационных технологий  
 

ИМИТАЦИОННОЕ  МОДЕЛИРОВАНИЕ 

РАБОТЫ  СБОРОЧНОГО ЦЕХА 

Курсовой  проект 

Исполнитель: Ксюнин И.С.

                                                (ФИО студента)

Студент группы:   41

                                                (номер группы, подпись)

Научный руководитель: Игнатов  В.Д.

                                                      (ФИО, ученая степень,  ученое звание)

                                                      (подпись)

Зав. кафедрой:   

                                                      (ФИО, ученая степень,  ученое звание)

                                                      (подпись)

Дата  допуска к защите:  «    »                   2008 г.

                                                               Смоленск

                                                                                2008

План-график выполнения курсового  проекта 

Студент: Ксюнин Игорь Сергеевич

                41 группа

Тема  курсового проекта: Имитационное моделирование работы сборочного цеха

Закреплена на заседании кафедры от 28 сентября 2007 года протокол №2 

Заключение  научного руководителя по предзащите______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Курсовой  проект допускается  к защите:

Дата       Подпись научного руководителя______________ 
 
 
 

CОДЕРЖАНИЕ.

Введение…………………………………………………………………………..3

1. Обзор современного состояния, задачи и проблемы  имитационного моделирования………………………………………………………………..5
1. Исторические сведения развития имитационного моделирования…..5
2. Современные задачи и проблемы имитационного моделирования….9
2. Анализ ТЗ и формализация задачи моделирования…………………….….13
1. Анализ ТЗ курсового проекта, начальные представления о данных...13
2. Построение концептуальной структуры модели объекта. Формализация модели в виде Q-схемы и описание ее работы с позиции основных потоков и потоков управления…………………………….15
3. Построение имитационной модели объекта исследования………………17
1. Блок-диаграмма имитационной модели………………………………17
2. Спецификация и описание используемых блоков, операндов, СЧА в имитационной модели…………………………………………………..19
3. Исходный текст модели………………………………………………..21
4. Анализ процессов экономики в объекте исследования…………………..26
5. Заключение………………………………………………………….……….30
6. Список литературы………………………………………………………….31

ВВЕДЕНИЕ.

   Имитационное  моделирование — это метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности. Такую модель можно «проиграть» во времени как для одного испытания, так и заданного их множества. При этом результаты будут определяться случайным характером процессов. По этим данным можно получить достаточно устойчивую статистику. Имитационное моделирование — это метод исследования, основанный на том, что изучаемая система заменяется имитатором и с ним проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе. Экспериментирование с имитатором называют имитацией (имитация — это постижение сути явления, не прибегая к экспериментам на реальном объекте).

   Имитационное  моделирование — это частный  случай математического моделирования. Существует класс объектов, для которых по различным причинам не разработаны аналитические модели, либо не разработаны методы решения полученной модели. В этом случае математическая модель заменяется имитатором или имитационной моделью.

   Имитационная  модель — логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта.

   Имитация, как метод решения нетривиальных  задач, получила начальное развитие в связи с созданием ЭВМ в 1950х — 1960х годах.

   Можно выделить две разновидности имитации:

• Метод Монте-Карло (метод статистических испытаний);
• Метод имитационного моделирования (статистическое моделирование).

   Моделирование экономических процессов – очень  важная и актуальная тема. Достигнуть максимального экономического эффекта на производстве довольно сложно. Необходимо учитывать множество факторов, большинство из которых случайны. Рассчитать деятельность таких организаций – длительный и трудоемкий процесс. Смоделировав необходимые процессы можно, изменяя некоторые параметры, прослеживать поведение всей системы в целом.

   В курсовой работе будут рассмотрены  процессы работы сборочного цеха, а так же отчеты и схемы моделей. Моделирование будет осуществлено при помощи GPSS World Student Version 4.3.5. Целью моделирования является достижение максимальной эффективности работы цеха исходя из различных данных. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.  ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ, ЗАДАЧИ И ПРОБЛЕМЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

   1.1. Исторические сведения развития имитационного моделирования.

   Исторически имитационное моделирование (simulation modeling) родилось еще в докомпьютерную эпоху. Название оно получило чуть позднее, по аналогии с моделированием физическим. Последнее, начавшись с макетов  дворцов и соборов, создаваемых оперативными масонами, достигло зрелости в бассейнах, где исследовались гидродинамические характеристики моделей кораблей. Так вот, параллельно с исследованием обводов броненосцев проводилось и исследование их боевых характеристик, то есть способности одержать верх над вражеским кораблем, имеющим ту или иную толщину брони, схему бронирования, калибр и скорострельность артиллерийских орудий и пр. Конечно, расчеты были на удивление просты. Весь инструментарий составляли бумага, перо, таблица логарифмов да игральные кости в качестве генератора случайных чисел. Тем не менее, цели своей они достигали. Конечно, если к ним относились серьезно. Как было, к примеру, с проектированием британского броненосца «Dreadnought», давшего название целому классу кораблей.

   Имитационное  моделирование, как новое научное  направление в прикладной математике и кибернетике начало интенсивно развиваться в конце 60-х годов, когда стали широко внедряться и  использоваться сложные технические  системы в самых разнообразных отраслях человеческой деятельности (космос, транспорт, биология, медицина, экономика, новые технологии на производстве и др.).

   Такие системы базируются на средствах  вычислительной техники, включают в  свой состав сложные измерительные  и управляющие комплексы, технологическое оборудования, людей-операторов. Их исследование традиционными математическими средствами стало невозможным или же они описываются настолько большим количеством математических соотношений, что найти решения возникающих задач практически невозможно в приемлемое время даже с помощью мощных ЭВМ. Законы функционирования подобных систем не всегда известны, либо имеют вероятностную природу. Поведение систем во многом определяется человеческим фактором, создающим дополнительную неопределенность при попытке его учета.

   В СССР отечественная школа имитационного моделирования сложилась в послевоенные годы. Ее глава, академик Н. Н. Моисеев, хоть и руководил ВЦ АН СССР, внес весомый вклад в оптимизацию параметров советской военной техники. Имитационное моделирование (теперь уже полноценно компьютерное) позволяло, учитывая технические ограничения и характеристики систем оружия вероятного противника, выбрать такие тактико-технические характеристики изделия, чтобы в максимальном числе смоделированных боев оно успешно выполняло задачу. Известные специалисты в области имитационного моделирования Р. Нэнси и Ф.Кивиат в своих работах определяли несколько этапов в практике развития имитационного моделирования:

   Этап 1 (1955-1960). Программы для задач моделирования разрабатывались на основе таких общеизвестных универсальных языков как FORTRAN и ALGOL.

   Этап 2 (1961-1965). Появились первые языки  моделирования: GPSS, SIMSCRIPT, SIMULA, CSL, SOL. Была разработана так называемая концепция  взгляда на мир (world view).

   Этап 3 (1965-1970). Появилось второе поколение  языков моделирования GPSS V, SIMSCRIPT II.5, SIMULA 67.

   Этап 4 (1971-1978). Развитие уже разработанных  языков и средств моделирования, ориентированное на прежде всего  повышение эффективности процессов  моделирования и превращение моделирования в более простой и быстрый метод исследования сложных систем.

   Работы  Зейглера (Zeigler) и Ёрена (Oren) сыграли  важную роль в решении проблемы таксономии имитационных моделей (они ввели  мета концепции модели и схемы  эксперимента).

   Этап 5 (1979-1984). Годы перехода от программирования к развитию моделей. Основной акцент был перенесен на идентификацию  интегрированных средств имитационного  моделирования.

   Процесс моделирования включает такие этапы, как создание модели, программирование, проведение имитационных экспериментов, обработку и интерпретацию результатов моделирования. Однако традиционно предпочтение отдавалось этапу программирования. Возникающая при этом схема моделирования во многом повторяет схему проведения натурных испытаний и сводится лишь к имитации траекторий изученных моделей. С появлением имитационных моделей изменилась концепция моделирования, которая теперь рассматривается как единый процесс построения и исследования моделей, имеющий программную поддержку. Теперь во главу угла ставится формальное понятие модели, которое не только поясняет динамику системы, но и служит предметом математических исследований. Становится возможным достоверный анализ многих практически важных свойств модели (стационарных распределений, малых вероятностей, чувствительности, надежности и достоверности результатов моделирования). Эти свойства особенно существенны при исследовании высокоответственных и крупно масштабных систем, где цена ошибки особенно высока.

   Этап 6 (1985-1994). Перенос программного обеспечения для имитационного моделирования на персональные ЭВМ с использованием средств графического интерфейса (для визуализации и анимации процессов моделирования).

   Этап 7 (1995-1998). Разработка средств технологической поддержки процессов распределенного имитационного моделирования на мультипроцессорных ЭВМ и сетях. 

   1.2. Современные задачи и проблемы имитационного моделирования.

   Технологические возможности современных систем моделирования во многом определяют сегодня оживление интереса к имитационному моделированию не только в области государственного, глобального моделирования, но и в коммерческой сфере. Потребителями такого рода аналитической продукции выступают аналитические отделы банков, промышленные компании, финансово-промышленные группы, страховые и инвестиционные компании, консультационные, проектные организации, региональные органы власти, отрасли и др. С помощью имитационного моделирования эффективно решаются задачи самой широкой проблематики, - в области стратегического планирования, бизнес-моделирования и реинжиниринга , менеджмента и управления производством, цепочками поставок.

   Область приложения методов имитационного  моделирования столь обширна, что  заслуживает отдельного изложения, так же как и вопросы применимости различных подходов и средств в разных задачах и бизнес-решениях. На рис. 1. демонстрируются основные приложения имитационного моделирования.  
 
 
 
 
 
 
 

   Рис.1 Приложения имитационного моделирования.

   Технологические возможности современных систем моделирования характеризуются:

   • универсальностью и гибкостью базовой  и альтернативной к базовой концепций  структуризации и формализации моделируемых динамических процессов, заложенных в  систему моделирования. Сегодня  популярны среди систем моделирования  дискретного типа процессно-ориентированные концепции структуризации, основанные на сетевых парадигмах, автоматном подходе и некоторые другие; среди систем моделирования непрерывного типа – модели и методы системной динамики;

   • наличием средств проблемной ориентации, когда система моделирования содержит наборы понятий, абстрактных элементов, языковые конструкции из предметной области соответствующего исследования;

   • применением объектно-ориентированных  специализированных языков программирования, поддерживающих авторское моделирование и процедуры управления процессом моделирования;

   • наличием удобного и легко интерпретируемого  графического интерфейса, когда блок-схемы  дискретных моделей и системные  потоковые диаграммы непрерывных  реализуются на идеографическом уровне, параметры моделей определяются через подменю;

   • использованием развитой двух- и трех-мерной анимации в реальном времени;

   • возможностью для реализации нескольких уровней представления модели, средствами для создания стратифицированных описаний. Современные системы моделирования применяют структурно-функциональный подход, многоуровневые иерархические, вложенные структуры и другие способы представления моделей на разных уровнях описания;

   • наличием линеек и инструментов для  проведения и анализа результатов сценарных, вариантных расчетов на имитационной модели;

   • математической и информационной поддержкой процедур анализа входных данных, анализа чувствительности и широкого класса вычислительных процедур, связанных  с планированием, организацией и проведением направленного вычислительного эксперимента на имитационной модели;

   • Экспериментальные исследования на имитационной модели информативны, поэтому  необходима реализация подхода Simulation Data Base, основанного на доступе к  базам данных моделирования. Технологически это решается при помощи собственных специализированных аналитических блоков системы моделирования или за счет интеграции с другими программными средами;

   • исполнительный модуль может функционировать  вне среды для разработки модели;

   • применением многопользовательского режима работы, интерактивного распределенного  моделирования, разработками в области  взаимодействия имитационного моделирования  со Всемирной паутиной и др. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. АНАЛИЗ ТЗ И  ФОРМАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧИ  МОДЕЛИРОВАНИЯ.

2.1. Анализ ТЗ курсового проекта, начальные представления о данных.

      Задание 15

      В сборочном цеху из агрегатов двух типов монтируются готовые изделия. Агрегаты первого (второго) типа поступают  в цех через интервалы времени, распределенные нормально.

      Агрегаты  первого типа поступают на операцию настройки (ОН1) с длительностью операции Т₁ минут. Агрегаты второго типа поступают на операцию настройки (ОН2) с длительностью T₂ минут. Монтирование агрегатов для получения готового изделия может начаться только при наличии одного агрегата первого типа и двух агрегатов второго типа и только после монтирования предыдущего изделия. Монтирование агрегата первого типа занимает T₃ минут, двух агрегатов второго типа - Т₄ и Т₅ минут, соответственно. Операции монтирования производятся параллельно. Длительность каждой операции зависит от количества задействованных на ней рабочих.

      На  участке может быть задействовано  не более N рабочих. Заработная плата одного рабочего составляет Z единиц стоимости за 1 час. Стоимость хранения одного агрегата каждого типа в цеху на протяжении 1 часа составляет S единиц стоимости.

      Определить  наилучшее с экономической точки  зрения распределение рабочих между операциями. 
 
 

      Входные параметры модели приведены в  таблице. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   2.2. Построение концептуальной структуры модели объекта. Формализация модели в виде Q-схемы и описание ее работы с позиции основных потоков и потоков управления.

   Рассмотрим  Q-схему данной модели. Она изображена на рис.2.

   Описания  функционирования структурной схемы.

   Рассмотрим  подробнее элементы Q-схемы:

1. Г - поток агрегатов.
2. ОП1, ОП2 – проверка параметров агрегата, с временем Т1 и Т2 зависящих от количества рабочих на пунктах N1 и N2. ОЖИД – условие перехода агрегатов на сборку (ожидает 2 агрегата первого типа и один агрегат второго типа).
3. МА1-3 – монтирование агрегатов на изделие (сборка), с временем Т3-5 зависящих от количества рабочих на пунктах N3-5.

   Рисунок 2 - Q-схема разрабатываемой модели 
 
 
 
 

3. ПОСТРОЕНИЕ ИМИТАЦИООНОЦ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЕЯ.

1. Блок-диаграмма имитационной модели.

   3.2. Спецификация и описание используемых блоков, операндов, СЧА в имитационной модели.

   В модели были использованы следующие  блоки:

   GENERATE A,B – генерирует транзакты с интервалом А±В.

   SPLIT A,B – создает А копий транзакта и направляет копии в метку В.

   TEST E A,B,C – условие, если А=В (так как символ отношения Е, обозначающий равенство), то перейти к следующему оператору, иначе перейти к оператору с меткой С.

   SEIZE A – занимает устройство с именем А, другие транзакты становятся в очередь до освобождения устройства.

   ADVANCE A,B – время обработки (задержки) транзакта А±В единиц времени.

   RELEASE A – освобождение устройства с именем А.

   TRANSFER ,B – безусловный переход транзакта к оператору с меткой В.

   ASSEMBLE A – соединяет А транзактов в один.

   Met1 MATCH Met2 – ожидание транзактов на метках Met1 и Met2 одновременно.

   GATE NU A,B – если объект А находится в заданном состоянии (NU – устройство свободно), то транзакт переходит к следующему оператору, иначе транзакт переходит к оператору с меткой В.

   SAVEVALUE A,B – присваивает переменной А значение В. Если после А есть + (-), значит значение В будет прибавлено (вычтено) к переменной А.

   TERMINATE A – уничтожает А транзактов. Моделирование завершается, когда содержимое счетчика транзактов станет равно 0 или меньше 0.

   A EQU В – присваивает переменной А значение В.

   А VARIABLE B – присваивает переменной А значение выражения В.

   В модели были созданы переменные DOHOD – экономическая эффективность работы цеха, STIME – счетчик времени, ZP – заработная плата всех рабочих за изготовление единицы изделия, NN1, NN2, NN3, NN4, NN5 – количество рабочих на каждой из операций.

3.3     Исходный текст модели 

         NN1 EQU 3  ;кол-во рабочих на ОП1

      NN2 EQU 1  ;кол-во рабочих на ОП2

      NN3 EQU 1  ;кол-во рабочих на МА1 

      NN4 EQU 1  ;кол-во рабочих на МА2

      NN5 EQU 2  ;кол-во рабочих на МА3

          SMENA EQU 480

      ;DOHOD EQU 0 ;доход за смену

      ;ZP EQU 0  ;зарплата рабочим

      ;STIME EQU C1 ;прошедшее время

;***************************************************************************

      GENERATE 1  ;каждую минуту агрегат

      SPLIT 1,TT2  ;на ОП1 или на ОП2

TT1 TEST E NN1,1,M12 ;если кол-во рабочих =1

      SEIZE 1  ;занять устройство 1