北京科技大学

精益管理与系统仿真实验室

经过多年积累,中心已拥有如下技术资源:

1. 数字化虚拟工厂设计与制造系统运行仿真实验平台

2. 以人为中心的产品开发过程建模及仿真实验平台

3. 动态制造环境下生产单元组织柔性仿真研究平台

4. 钢铁企业轨梁万能生产线仿真及物流管理系统

5. 公路勘察设计院网络化项目管理系统

 

1. 数字化虚拟工厂设计与制造系统运行仿真实验平台

        该实验平台由离散制造系统仿真软件Flexsim、动作分析及时间测量软件TimePro构成。
        Flexsim 是工程师、管理者和决策人对提出的“关于操作、流程、动态系统的方案”进行试验、评估、视觉化的仿真工具。它具有完全的 C++ 对象指定性,超强的 3D 虚拟现实(3D 动画),直观的、易懂的用户接口,卓越的柔韧性。 Flexsim 是世界唯一的在图形的模型环境中应用 C++ IDE 和编译程序的仿真软件。定义模型逻辑时,可直接使用 C++ ,而且可立刻编译到软件中。因为 Flexsim 具有高度的开放性和柔韧性,所以能为几乎所有产业定制特定的模型。Flexsim仿真软件的技术特性包括:
       (1)面向对象的高效建模方式
       Flexsim 采用经过高度开发的部件(Object)来建模。部件表示商业过程中的活动、行列,即代表着时间、空间等信息。建立模型时,只需要将相应的部件从部件库拖放到模型视图中。
       (2)层次结构
       Flexsim 可以让建模者使模型构造更具有层次结构。建立模型的时候,每一部件都使用继承的方法(即采用继承结构),可以节省开发时间并让用户充分利用 Microsoft Visual  C++ 的层次体系特性。
       (3)开放及交互性良好
       FlexSim的所有可视窗体都可以向定制的用户公开。建模人员可以自由地操作部件、视窗、图形用户界面、菜单、选择列表和部件参数,可以在部件里增加自定义的逻辑、改变或删掉既存的编码,也可以从零开始完全建立一个新的部件。
       (4)高效的仿真
       Flexsim 具有一个非常高效的仿真引擎,该引擎可同时运行仿真和模型视图(可视化),并且可以通过关闭模型视图来加速仿真的运行速度。仿真运行时利用该引擎和 Flexscript 语言可以准许用户在仿真进行期间,改变模型的部分属性。
       (5)强大的3D可视化结果浏览
       (6)丰富的输入输出接口
       (7)数据拟合及优化算法
       Flexsim整合了数据分析拟合软件ExpertFit,对于现实世界中发生的离散事件的概率函数ExpertFit能迅速自动找出合适分布函数,极大地提高了模型仿真的真实性。并捆绑了知名的第三方优化软件——OptQuest。为了执行优化操作,需要定义最大化或最小化的目标变量,比如需要实验的许多决策变量,需要达到的条件变量,需要满足的线性约束等。
       TimePro是服务于系统仿真基础数据采集的动作分析及时间测量软件,其功能包括:
       (1)基于视频的时间和动作研究:视频时间研究精确地记录下每个任务,并分别测时,同时区分出无效增值内容。基于视频的分析清晰地描述出当前的生产状态。每一个任务的录像都可以即时回放,以便分析。
       (2)时间和动作研究:Timer Pro专业版中的时间和动作研究模块可以应用在所有当前通用的PDA设备,平板电脑和你自己的个人电脑上。Timer Pro的模块使用户可以迅速、精确的得到每一个工艺过程的标准时间。
       (3)视频时间研究中搜集的数据可以直接用于线平衡模块:整个过程中,只需要点击元素图像来确定需要执行的任务。任何观测都可以添加操作员评分,备注和支持数据。软件支持最多10个任务同时测时。在PDA和Excel中可以即刻用柏拉图、甘特图和方法改进分析技术对时间分析进行总结。
       (4)标准数据库:Timer Pro专业版可以将时间研究的结果保存到基于Excel的自定义标准数据库中。保存在标准数据库中的数据可以由数据应用专家模块调用,并在根据需求特制的Excel模版中生成新的标准。

 

2. 以人为中心的产品开发过程建模及仿真实验平台

       该平台是采用Visual C++程序语言开发的面向设计者的产品开发过程仿真系统D-PDPS(Designer-oriented Product Development Process Simulation System, DPDP-S),该系统具有面向主体的程序结构,实现了面向设计者的产品开发过程建模与仿真。该系统由三大分系统组成:模型定义分系统、仿真运行分系统、数据处理分系统。

(1)模型定义分系统

       由于以人为中心的集成仿真模型具有多视图的复杂结构,因此所开发的系统支持可视化的交互建模过程,如下图所示。该界面由主体模型定义和环境对象定义两部分组成。主体模型包括主体属性和主体间关系。环境对象定义由对象属性定义和关系定义两部分组成。其中,环境对象包括设计任务,任务输入输出信息,设计资源等类。环境关系定义包括设计主体与设计任务的关系,任务的输入输出关系,以及反馈输入输出与任务的关系,通过对象之间的连接线类型体现。

(2)仿真运行分系统

       仿真的运行以仿真时钟等步长推进的离散时间仿真方法描述整个产品开发过程。设计主体在每一仿真步长检查自身任务箱,选择任务,按照行为协议作出反应,改变环境状态,驱动整个系统不断向目标发展。

(3)数据处理分系统

       仿真将生成大量过程数据,用于众多评价指标的计算。为此,开发了数据处理分系统,实现评价指标的自动计算、统计分析以及可视化的仿真结果输出,从而有效支持影响机理及规律的发掘,减少数据分析的工作量。
       该仿真实验平台在某公路设计院企业进行的测试及应用表明,该系统实现了公路设计过程的动态仿真和定量分析,能够使协同设计过程中任务、组织和资源优化运行,设计效率有效提高,具有广阔的推广应用价值,具体表现在:(1)该系统在项目设计过程的仿真中,基于以设计者主体模型为核心的集成模型,客观地反映了产品开发过程的复杂性和不确定性,经实践检验,所预测的项目周期比网络计划法等传统方法更加准确。(2)在项目的计划阶段,该系统能够对项目的组织结构、团队成员的配置、任务的分配方案进行优化,突破了传统项目管理方法中以经验为主的组织管理方式。(3)该系统采用了面向设计者的设计任务管理与调度算法,设计者可以对并行设计任务进行合理调度,从而促进设计成员之间的密切协作,有效缩短设计周期。(4)针对产品设计时间预测问题,系统采用了一种基于拟正交试验与支持向量机的设计时间预测新方法。该方法对设计时间的预测有效、可靠,为设计院标准时间资料的建立以及设计人员的评价考核发挥了重要作用。

 

3. 动态制造环境下生产单元组织柔性仿真研究平台

       自治生产单元组织柔性仿真研究平台用于对生产系统中的人因及组织因素进行研究。该平台基于多智能主体与制造过程模型共同构建的人机协同工作模型,采用Visual C++编程语言和Flexsim开发,其中Visual C++编程实现仿真平台用户窗口、主菜单及其他窗口操作,通过操作调用Flexsim仿真模型,实现仿真模型参数设置、生产团队的选择、模型运行等操作。
       仿真平台主要由模型操作、交互仿真、实验设置、实验运行、实验分析和优化策略6个模块组成,下面对其主要模块做简要的介绍。
       (1)模型操作模块:模块的设置主要是在Flextime中完成,包括模型参数输入、设备参数、工艺参数、生产状态、生产模式、组织团队、成员角色、成员行为等。
       (2)交互仿真:训练智能主体,通过智能体的学习能力不断提升其技能水平,从而提升其决策能力、维修能力和换线能力。
       (3)实验设置。完成动态环境下的实验设置,选择动态环境类型、生产团队和生产决策模式,主要有动态环境下团队技能配置方案比较实验、动态环境下团队组织模式比较实验、动态环境下团队层次比较实验和动态环境下组织决策方法比较实验。
       (4)实验运行。运行实验方案,获取数据并保存于数据库。
       (5)实验分析。分析仿真数据,获得实验结果、生产分析图表,输出相关的数据。
       (6)策略优化。对各种仿真模型进行优化,得到最优的生产方案。

 

4. 钢铁企业轨梁万能生产线仿真及物流管理系统

       万能生产线仿真与物流管理系统包括仿真初始化子系统、仿真运行子系统、仿真结果统计子系统、生产分析子系统、三维仿真示教子系统、远程协同子系统、物流制度子系统、用户管理子系统等八个子系统。
各个子系统的功能如下:
       (1)仿真初始化子系统:生产饱和初始化、新产品参数输入、窗口刷新
       (2)仿真运行子系统:定型产品仿真参数配置、新产品仿真参数配置、暂停/重启、仿真运行、仿真结束
       (3)仿真结果统计子系统:需要统计的关键设备选择、设备产能统计表、设备产能统计图、生产线产能统计、设备负荷统计表、设备负荷统计图
       (4)生产分析子系统:新产品调试、生产中辊道调速、生产故障分析、生产瓶颈分析、生产预测分析、生产分析报告
       (5)三维仿真示教子系统:流程示意图、重轨二维演示、型钢二维演示、重轨三维演示、型钢三维演示
       (6)远程协同子系统:远程仿真操作、远程专家协作
       (7)物流制度子系统:原料库物料管理制度、轧辊物料管理制度、中间库物料管理制度、成品库物料管理制度
       (8)用户管理子系统

 

5. 公路勘察设计院网络化项目管理系统

       公路勘察设计院网络化项目管理的需求体现在分布式项目计划制订与发布、设计过程的动态监控与协调、协作化设计团队的组织及管理、集成化项目信息管理等四个方面。根据项目管理需求,基于Microsoft Project软件和NBA语言,开发了公路勘察设计院网络化项目管理,系统主要功能分为5大部分,即项目计划制定与发布、过程监控与协调、组织沟通与协作、集成化项目信息管理、系统管理。(1)项目计划制定与发布
       为项目管理人员提供项目立项、项目组成员确定、专业分工及进度安排等项目计划功能,最终将各设计任务下达给各专业设计人员。设计计划过程主要按照ISO9000所要求的工序任务逐步展开,充分贯彻ISO的质量控制要求。这些都被集中反映在公路设计模板中,创建项目计划时,项目负责人只需要输入基准时间、工作量、开始时间、资源名称、质量要求,就能建立一个新的公路设计管理文件。项目计划包含的内容有:
       a. 确定完成项目目标的项目范围或工作任务;
       b. 确定负责执行项目各项任务的全部人员;
       c. 制订项目和各工作任务的基准时间和时间进度表;
       d. 确定每项工作任务所需的人力、物力和财力;
       e. 确定项目总预算及每项工作的预算。
       制订完项目计划后,可以通过查看设计人员的工作分配情况以及当前的进度信息对项目计划进行优化改进和控制。本系统可通过下述方法进行计划调整:
       a. 系统可以自动生成关键路径,通过对关键路径的控制缩短工期;
       b. 对生产能力不足的任务增加设计人员;
       c. 安排设计人员加班;
       d. 分解不必一起完成的任务,合并简单任务,删除不必要任务,简化任务流程;
       e. 调整任务关系;
       f. 将项目计划通过网络进行发布。
       (2)项目监控与协调
       项目的监控与协调是在项目实施过程中将实际情况与原计划比较,及时发现问题,及时调整,控制项目的整个实施过程。公路设计项目管理系统的项目监控与协调功能包括:
       a. 将优化好的项目计划保存为比较基准,作为在项目实施过程中进行评价的基准线;
       b. 在项目实施开始后,项目成员及时将实际发生的项目信息输入到系统中,保持项目信息的不断更新;
       c. 项目负责人及时将实际项目信息与项目计划进行比较,找出差异,并对项目进行动态调整,包括重新分配任务资源、调整任务目标和内容、修改项目进度要求等;
       d. 项目信息的调整和变更通过网络发布给项目团队成员,经项目团队成员确认后,调整信息生效,作为指导项目工作的最新依据。
       (3)网络化项目协作
       a. 通过在网络环境下发布项目信息、项目计划、新建和更改的工作分配等,各设计人员及时地了解并接收到相应的设计任务;
       b. 在接收到各自的设计任务之后,设计人员根据任务需要进行图文档的设计或编制;
       c. 设计人员可定期对进度信息进行提交,管理人员通过请求和更新进度信息掌握最新的项目进展;
       d. 设置“文档”功能,通过设计文件和共享文件的浏览、上载及下载,实现专业间的互提资料管理,留下互提资料痕迹,明确专业协作间的责任;
       e. 设置“问题”功能实现项目小组内部成员的离线协同交流;
       (4)项目信息查阅功能
       a. 项目甘特图:项目甘特图主要描述了项目的进度信息。通过甘特图列表可显示和查询任务的详细数据,如任务名称、基准时间、工作量、工期、前置任务、质量要求等等;而条形甘特图以图形化方式表示每一个任务,更醒目地显示关键任务、里程碑任务、工时完成百分比等。
       b. 任务分配信息图:以任务为主线,查询负责每项任务的详细信息,如承担者、任务内容、工期等,以及各项任务在各个时段的信息。在该视图中可以查阅到每项具体任务对应的资源分配的具体情况。
       c. 资源工作状况图:资源视图以表格和条形图两种方式显示人力资源的基本信息。可以在这里进行人力资源使用情况的更新,了解资源使用程度,并根据需要进行资源调配。
       (5)报表功能
       提供包括总览、当前操作、成本、工作分配、工作量等5个方面的报表。在报表中设置筛选功能,以便从繁多的任务中快速查到所有任务、里程碑、已完成任务、未完成任务、关键任务等特定任务,形成新的报表并打印输出。