官术网_书友最值得收藏!

2.1.1 建模仿真技術

1 模型和數字制造模型

模型是對現實系統有關結構信息和行為的某種形式的描述,是對系統的特征與變化規律的一種定量抽象,是人們認識事物的一種手段或工具。模型大致可以分為三類:

1)物理模型:指不以人的意志為轉移的客觀存在的實體,如飛行器研制中的飛行模型,船舶制造中的船舶模型等。

2)形式化模型:用某種規范表述方法構建的、對客觀事物或過程的一種表達。形式化模型實現了一種客觀世界的抽象,便于分析和研究。例如,數學模型,是從一定的功能或結構上進行抽象,用數學的方法來再現原型的功能或結構特征。

3)仿真模型:指根據系統的形式化模型,用仿真語言轉化為計算機可以實施的模型。

模型的構建,一般都會有一套規范的建模體系,包括模型描述語言、模型描述方法、模型構建方法等。數學就是一種表達客觀世界最常用的建模語言。在軟件工程里面常用的統一建模語言(UML)也是一種通用的建模體系,支持面向對象的建模方法。

在制造行業,數字制造模型是數字制造全生命周期中的一個不可缺少的工具。數字制造全生命周期包括數據處理、數字傳輸、執行控制、事務管理和決策支持等,它是由一系列有序的模型構成的,這些有序模型通常為:功能模型、信息模型、數據模型、控制模型和決策模型,有序通常指這些模型分別是在數字制造的不同生命周期階段上建立的。

數字制造模型有多種分類方式。從形式上分,有全局結構模型(如制造系統體系結構)、局部結構模型(如柔性制造系統模型)、產品結構模型和生產計劃調度模型等;從方法上分,有數學解析模型(如狀態空間模型)、圖示概念模型(如集成計算機輔助制造定義模型)及圖示-解析混合模型(如Petri網模型)等;從功能上分,有結構描述模型、系統分析模型、系統設計實施模型和系統運行管理模型等[36]

在數字制造中,需要用模型加以描述的對象包括:

1)產品:產品的生命周期需要采用各種產品模型和過程模型來描述。

2)資源:機器設備、資金、各種物料、人、計算設備、各種應用軟件等制造系統中的資源,需要用相應模型描述。

3)信息:對數字制造全過程的信息的采集、處理和運用,需要建立適當的信息模型。

4)組織和決策:將數字制造的組織和決策過程模型化是實現優化決策的重要途徑。

5)生產過程:將生產過程模型化是實現制造系統生產、調度過程優化的前提。

數字制造建模就是運用適當的建模方法將數字制造全生命周期的各個對象、過程等抽象地表達出來,并通過研究其結構和特性,進行分析、綜合、仿真及優化。

2 仿真的基本概念

對于仿真,人們一般先進行一些數學處理,然后,通過計算來推理和研究。后來,電子計算機技術產生和發展,人們發現可以利用模擬電路去研究工業控制過程中的實際問題,由此產生了現代控制理論。而這個模擬電路就是工業控制系統的一個模型,通過在這個模型上進行實驗,就可以解決實際控制過程中產生的問題。例如,在飛機設計過程中,由于飛機造價的昂貴,用真實的飛機進行實驗是不現實的。為了獲得飛機外形的氣動數據,尤其是飛機機翼的氣動數據,必須制作各種不同形狀的機翼模型放到風洞中進行實驗。風洞實驗的結果改進了飛機的設計理論,而利用這個理論又可以去設計新型的飛機。諸如解決這些問題的方法,就是現代仿真技術,在這個時期,人們在利用仿真方法研究或求解問題時,都是利用實物去構造與實際系統成比例的物理模型,在這個模型上進行實驗。因此,從一般意義上講,在對一個已經存在或尚不存在但正在開發的系統進行研究的過程中,為了了解系統的內在特性,必須進行一定的試驗,由于系統不存在或其他一些原因,無法在原系統上直接進行實驗,只能設法構造既能反映系統特征又能符合系統實驗要求的系統模型,并在該系統模型上進行實驗,以達到了解或設計系統的目的,于是,仿真技術就產生了[36]

根據ISO(國際標準化組織)定義,模擬(Simulation)即選取一個物理的或抽象的系統的某些行為特征,用另一系統來表示它們的過程。仿真(Emulation)即用另一數據處理系統,主要是用硬件來全部或部分地模仿某一數據處理系統,使得模仿的系統能像被模仿的系統一樣接收同樣的數據,執行同樣的程序,獲得同樣的結果。從這個意義上講,在計算機中構建真實系統的模型,進行分析的過程應該稱為“計算機模擬”,但是目前習慣上還是稱為“計算機仿真”。在不引起歧義的情況下,本書統一用習慣用語“仿真”來表述上述的“模擬”和“仿真”的概念。

仿真就是建立系統的模型(數學模型、物理模型或數學-物理效應模型),并在模型上進行實驗。仿真是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術和計算技術等理論基礎之上的,以計算機和其他專用物理效應設備為工具,利用系統模型對真實或假想的系統進行實驗,并借助于專家經驗知識、統計數據和資料對實驗結果進行分析研究并做出決策的一門綜合性和實驗性的學科。

3 仿真模型

建模與仿真是指構造現實世界實際系統的模型和在計算機上進行仿真的復雜活動,它主要包括實際系統、模型和計算機三個基本部分,同時考慮三個基本部分之間的關系,即建模關系和仿真關系。建模關系是通過對實際系統觀測和檢測,在忽略次要因素及不可監測變量的基礎上,用規范表述方法(如數學的方法)進行描述,從而獲得實際系統的簡化近似模型。仿真關系主要研究計算機程序的實現與模型之間的關系,其程序能為計算機所接受并在計算機上運行。

仿真研究就是把構建好的形式化模型(如數學模型)放在計算機上運行求解。數學模型是人類用數學語言描述客觀事物的一種表達,它不能直接在計算機上進行運算。一個真實系統的數學模型往往相當復雜,依靠人工計算來求解,是非常困難的,必須借助于計算機的高速運算來進行求解。因此,人們就需要把數學模型轉換成計算機可以理解的模型,即按照計算機語言和計算機運算的特點(或者說按照一定的算法)進行重新構造模型,這個過程被稱為仿真建模。至此,根據仿真模型就可以利用計算機語言編寫程序了,再把編寫好的程序在計算機上運算求解,并用數字或圖形等方式表示計算結果,這就是計算機仿真的基本過程。

根據仿真建模技術的基本原理,建模與仿真分別代表了兩個不同的過程,建模是指根據被仿真的對象或系統的結構構成要素、運動規律、約束條件和物理特性等,建立其形式化模型的過程,仿真則是利用計算機建立、校驗、運行實際系統的模型,以得到模型的行為特征,從而分析研究該系統的過程。圖2-2表示了這個過程,整個過程有兩個抽象和轉換的過程,其一是從物理系統到形式化模型(如數學模型),這個是物理空間到信息空間的一個抽象,其二是形式化模型(如數學模型)到計算機仿真模型的轉換,這個過程是為了保障仿真能順利開展。建模是仿真的基礎,仿真是建模的目的。在仿真技術的實際應用中,人們總是追求兩者之間具有清晰的關系,主要表現為建模框架和仿真框架的分離,這樣便于實現通用的仿真控制和實驗環境,使得研究人員可以集中精力于對仿真對象系統的建模研究上,同時實現較高的建模靈活性、可維護性以及代碼可重用性。仿真框架則主要提供對仿真系統的控制功能的描述。在傳統的面向過程的仿真建模方法中,仿真系統的控制功能被嵌入描述模型的過程,代碼中仿真涉及的各種控制功能與模型的建模元素不能明確地區分開,這種建模結構與控制結構混為一體的方式使得模型結構復雜,缺乏可擴展性,難于維護和修改,代碼可重用性低。

圖2-2 建模和仿真的一般過程

在選擇建模方法時,應該考慮被討論的系統的特征,以及所要跟蹤問題的性質。常用的仿真建模方法包括靜態/動態建模方法、連續/離散建模方法、隨機/確定性建模方法以及面向對象和多智能體仿真建模方法。

4 仿真建模方法

仿真建模已經在廣泛而多樣的應用領域中積累了眾多的成功案例。隨著新的建模方法和技術的涌現,以及計算機性能的快速增長,仿真建模技術將應用到更加廣泛的領域中。以生產系統為例,仿真建模的應用如圖2-3所示。

圖2-3列出了生產系統各個層次對應的仿真建模應用。底層是設備級建模,表示在現實世界中具有最大細節化的實體。在這個層面的仿真,很多是多學科的,包括機械、電子/電氣、液壓/氣動以及控制系統的建模和仿真,用于分析某個產品或某個設備的運行情況,驗證設計方案。

圖2-3中最上面的是企業層高度抽象的仿真,針對企業宏觀決策、應對策略等方面的建模與仿真,例如,針對社會、經濟因素的系統仿真,供應鏈仿真等。這些模型往往定性和定量結合,建模涉及的周期長,是針對一個較長時間范圍內的仿真。

圖2-3 生產系統各個層次對應的仿真建模應用[36]

在這兩個層面之間的,是一個中間規模和中等細節的建模。例如,物流仿真、生產過程仿真、工藝仿真等。

選擇合適的抽象層,對于建模至關重要。前面說過,模型是對實際系統的一個抽象,只有明確了模型所需要包含和舍棄的部分,才能構建出復雜程度適合、能真正解決實際問題的仿真模型。

仿真建模方法,就是一個映射真實世界的常規模型框架。仿真建模方法給出了適用于仿真的建模語言與一系列術語和條件,目前為止,在生產系統領域,主要建模方法包括:離散事件建模、基于智能體建模和系統動力學建模。

每一種建模方法都適用于其特定的抽象層級范圍。系統動力學建模適合較高的抽象層級,其在決策建模中已經得到了典型應用;離散事件建模支持中層和偏下層的抽象層級;基于智能體建模適合多抽象層級的模型,既可以實現較低抽樣層級的物理對象細節建模,也可以實現公司和政府等較高抽象層級的建模。仿真建模方法的選擇要基于所需模擬的系統和建模的目標來決定。

主站蜘蛛池模板: 汉川市| 邯郸市| 寿光市| 萨嘎县| 陕西省| 玛多县| 古丈县| 高平市| 保山市| 竹溪县| 新巴尔虎左旗| 昌图县| 儋州市| 奉新县| 武威市| 莎车县| 和龙市| 固原市| 木兰县| 简阳市| 前郭尔| 西贡区| 上杭县| 江永县| 永福县| 黑水县| 纳雍县| 错那县| 库尔勒市| 金门县| 永春县| 临湘市| 汤阴县| 石门县| 肥东县| 卓资县| 黄陵县| 合山市| 修水县| 兴仁县| 舒兰市|