智能制造系統建模與仿真第5章建模與仿真技術5.1建模與仿真的概念5.2制造系統建模與仿真的作用5.3建模與仿真技術的特點5.4建模與仿真的關鍵技術5.5仿真模型的校核、驗證與確認5.5.1校核、驗證與確認的基本概念5.5.2校核、驗證與確認的基本原則5.5.3校核、驗證與確認的實施過程5.5.4校核、驗證與確認的技術與方法

5.5建模與仿真技術的發展趨勢2思維導圖4機器人的建模包括運動學建模、動力學建模、力與環境的物理交互建模等，建模是控制和仿真的基礎。典型的運動學建模仿真平臺有MATLAB、Gazebo、V-REP等MATLAB機器人運動仿真V-REP機器人運動仿真InteRobot仿真軟件進行機器人打磨過程離線編程5InteRobot仿真軟件的產線布局與規劃ROS系統下的機械臂運動規劃5.1建模與仿真的概念“仿真”一詞最早出現于20世紀50年代，并與計算機一詞共同使用，當時被稱為計算機仿真。在仿真技術發展的初期，人們大多把仿真定義為計算機或數學模型的一種實驗活動。計算機仿真一度成為仿真的代名詞。仿真是以建立模型為基礎的，所以為了突出建模的重要性，建模和仿真常常一起出現，即Modeling&Simulation，常縮寫為M&S。建模與仿真技術及其構建的仿真系統具有以下明顯的特征：(1)動態性；(2)系統性；(3)分布性；(4)交互性；(5)實時性；(6)一致性；(7)可信性案例1：6圖5-1

建模與仿真在倉儲物流管理中的應用7案例2：圖5-2

建模與仿真在流程型制造業的應用案例3：圖5-3

建模與仿真在航空設計領域的應用8案例4：圖5-4

建模與仿真在智能生產中的應用總之，建模與仿真技術在智能制造中有著廣泛的應用和潛力，在不斷地推動智能制造技術的創新和發展5.2制造系統建模與仿真的作用制造系統類型眾多、性能要求各異，使得此類系統建模與仿真研究的目標具有多樣性，下表給出了制造系統建模與仿真常用的建模元素。9表5-1

制造系統建模與仿真常用的建模元素系統類型建模元素車間布局(Layout)車間，面積，距離，加工設備類型和數量，物流設備類型和數量，成本，時間物料處理系統(MaterialHandlingSystem)ACV，堆垛機，輸送帶，存儲裝置，托盤，貨架，叉車，小車，距離，速度停靠點，存料、取料時間，行駛時間系統維修(SystemMaintenance)故障類型，故障時間分布，維修設備，維修人員，維修時間分布，維修工具維修調度策略生產制造(ProductManufacturing)產品類型，工藝流程，時間，數量，工裝夾具，設備，物料清單(BOM)生產調度(ProductionScheduling)調度目標(時間、成本、效益)，任務構成，設備，調度規則生產控制(ProductionControl)加工任務，加工設備，操作人員，任務分配，控制規則供應鏈(SupplyChain)供應商名稱，等級，價格，數量，訂單，交貨期，交貨方式庫存(Storage)庫存容量，庫存成本，備件數，在制品，產品，貨格數量配送銷售(DistributionandMarketing)配送中心，批發商，零售商，訂單，距離，運輸方式，運輸時間，成本10雖然制造系統仿真研究的目標眾多，其中還是存在一些常用的術語。如下表術語含義操作(Operation)操作是指在工位對實體的一次作業活動。常見的操作包括裝夾、切削加工、裝配拆卸、檢測等。通常，操作會改變實體的物理狀態或結構工位(Workstation)工位是完成操作的場所或區域。工位可以是一臺或幾臺設備以及相關操作人員加工設備(MachiningEquipment)對加工對象完成指定加工操作(如切削、裝配、拆卸、檢測等)的裝備操作人員(Operator)制造系統中用于完成一定操作或決策的工人或技術人員。他們常位于某個工位，或同時服務多個工位工件(Workpiece)設備和操作人員所服務的對象，如毛坯、零件、元件、子裝配體等托盤(Pallet)用來收集、存放和運輸工件的平板或箱體主生產計劃(MasterProduction

Scheduling，MPS)一個產品在某一個給定時間段的生產計劃，通常為企業季度、半年度或年度擬生產(或銷售)的產品類型及其數量生產計劃(ProductionPlan)以主生產計劃為基礎，所制定的針對具體產品及其零部件的詳細作業安排物料清單(BillofMaterial，BOM)也稱為產品結構樹。由主生產計劃和物料清單，用于確定零部件、原材料的采購計劃和生產計劃表5-2制造系統建模與仿真的常用術語11表5-3制造系統建模與仿真的常用術語術語含義路徑(Path)加工對象在制造系統中的操作流程和流動軌跡。路徑定義了工件的加工流程與設備之間的關系，并影響車間布局和系統性能瓶頸(Bottleneck)制造系統中利用率最高的工位或加工時間需求與可用時間比值最高的設備。也泛指影響制造系統性能改善的關鍵工序或限制性因素決策(Decision)根據制造系統的狀態和資源狀況，所做出的關于系統運行的決定。系統的決策點數量越多，柔性就越大。制造系統性能受各決策點調度策略的共同影響規則(Rule)為各工位、設備以及其他系統資源預先定義的規定和準則。仿真時，系統將根據資源的當前狀況為規則覆蓋范圍內的問題進行控制、調度或決策，如先進先出(FirstInFirstOut，FIFO)、后進先出(LastInFirstOut，LIFO)等初始化(Setup)為完成新作業，各工位、設備或其他系統資源所做的準備工作及其準備時間作業(Job)制造系統需要完成的活動和生產任務，如待加工零件、來自顧客的訂單等班次(Shift)各工位、設備、操作人員等系統資源上班的時間安排，包括休息及故障停機時間的設置等12表5-4制造系統建模與仿真的常用術語故障停機時間(Downtime)工位或設備等因故障、維修、保養、待料等造成的停產時間，可以是仿真時鐘、工位(設備)使用時間、完成加工零件數或實體類型的函數能力(Capacity)加工設備、物流設備和服務臺重要的性能指標，表示工位一次能接受實體的數量或用于表征設備的生產效率可靠度(Reliability)一般以平均故障間隔時間(MeanTimeBetweenFailures，MTBF)表示維修性(Maintainability)一般以故障后的平均修復時間(MeanTimeToRepair，MTTR)表示可用度(Availability)資源實際可用時間與仿真調度總時間的比值。可用度是可靠度與維修性的函數預防性維修(PreventiveMaintenance)預防性維修是針對系統資源有計劃、有針對性地維護與修理，如潤滑、清洗、保養，以保證資源的可靠度和可用度5.3建模與仿真技術的特點虛擬化虛擬化是建模與仿真技術的最本質特點，利用建模與仿真技術可得到被研究對象的虛擬鏡像。(2)數值化數值化是建模與仿真技術的必要特點,是仿真、計算、優化的前提。(3)可視化可視化是建模與仿真技術的直觀特點，是建模與仿真技術人機交互與友好性的體現。(4)可控化可控化是建模與仿真技術通往終極目標的必要手段。建模與仿真技術目的是對被研究對象進行分析和優化。另外,隨著制造業的轉型升級,從傳統制造到數字制造,從數字制造到數字化網絡化制造,再到數字化網絡化智能化制造，建模與仿真技術又表現出一些新的特點：(1)集成化；(2)模塊化；(3)層次化；(4)網絡化；(5)跨學科化；(6)虛實結合化；(7)計算高速化；(8)人工智能化；(9)數據驅動化135.4建模與仿真的關鍵技術1、建模/仿真支撐環境建模/仿真的支撐環境是進行建模與仿真的基礎性問題。2、先進分布仿真從單元化制造到集成化網絡化制造,也呈現出分布式建模與仿真的新模式。3、仿真資源庫仿真資源庫是仿真技術的依賴性技術,包括數據庫、模型庫、工具軟件庫。4、圖形圖像綜合顯示技術圖形圖像綜合顯示技術一直都是建模與仿真技術的關鍵核心技術，也是最根本的一項技術，是計算機圖形學、數據處理等基礎技術的綜合應用等。14圖5-6鍛造操作機設計與仿真支撐平臺體系結構圖5-5模擬數控加工全過程5.5仿真模型的校核、驗證與確認155.5.1校核、驗證及確認的基本概念在系統建模與仿真中，校核、驗證與確認(VV&A)技術的主要功用包括：（1）有利于盡早發現系統模型與仿真程序中存在的缺陷和錯誤，以便設計開發人員及時采取措施修改模型設計和程序結構，避免或減小給實際系統帶來的風險和損失。（2）有利于降低仿真系統開發的費用。（3）校核與驗證工作貫穿于仿真系統設計、開發、測試和應用的全生命周期。（4）保證所建立的模型具有足夠精度，能夠替代真實系統進行試驗、分析系統動態行為和預測系統性能。（5）為系統模型與仿真程序的可信度評估提供依據，增強系統模型與仿真程序創建者、用戶對應用仿真系統解決工程實際問題的信心，促使決策者利用模型完成相關決策。圖5-7

建模與仿真及其VV&A過程5.5.1校核、驗證及確認的基本概念16對于建模與仿真系統的設計開發人員而言,需要直接參與的是校核與驗證(V&V)工作。下表中列出了校核與驗證工作的主要內容表5-5

校核與驗證工作的內容校核驗證文本評價(documentassessment)靈敏度分析(sensitivityanalysis)需求跟蹤(requirementtrace)表象驗證(facevalidation)方法論審查(methodologyreview)校準(benchmarking)代碼審查(codewalkthrough)仿真/實測數據對比(test/fielddatacomparison)數據證實(datacertification)同事間互評(peer/redreview)5.5.1校核、驗證及確認的基本概念17另外，常用的與VV&A相關的概念還包括：（1）模型測試（modeltesting）。檢驗模型中是否存在錯誤或者不精確、不準確的性質或情況。（2）仿真精度（simulationaccuracy）。仿真系統能夠達到的靜、動態技術指標與規定或期望的靜、動態性能指標之間的誤差。（3）仿真置信度（simulationfidelity）。在特定的建模/仿真的目的和條件下，模型逼近原型的程度。5.5.2校核、驗證與確認的基本原則18在由美國國防部發表的VV&A建議規范中,對仿真模型的VV&A活動進行了系統的歸納和總結,給出了具有普遍適用性的VV&A12條基本原則。OsmanBalci基于對VV&A問題的研究，提出了仿真模型VV&T的15條原則，這15條原則可以作為仿真VV&A的重要參考原則1：VV&A活動必須貫穿于系統建模與仿真的整個生命周期。原則2：在模型系統中，不存在絕對意義上的正確或錯誤，不應將VV&A活動的結果看做是一個非對即錯的二值變量。原則3：仿真模型是根據建模與仿真的目標而建立的，其可信度也應由建模與仿真的相應目標來評判。原則4：應在一定的程度上保證仿真模型VV&A活動的獨立性，以避開模型開發人員對VV&A結果的影響。原則5：仿真模型的VV&A活動需要評估人員具備足夠的創造力和洞察力。原則6：仿真模型的可信度僅僅是針對VV&A活動的特定條件而言的。原則7：完全的仿真模型測試是不可能的。5.5.2校核、驗證與確認的基本原則19原則8：必須制訂仿真模型VV&A計劃并進行相應的文檔記錄。原則9：在VV&A活動中,應盡力避免三類錯誤的發生。原則10：應盡可能早地發現仿真生命周期中存在的錯誤。原則11：必須認識到多響應問題的存在并加以恰當地解決。原則12：所有子模型(模塊)的成功測試并不意味著整個模型的可信度。原則13：必須認識到雙驗證問題的存在并加以恰當解決。原則14：仿真模型的驗證并不能保證仿真結果的可信度和可接受性。原則15：問題描述的準確性會大大影響仿真結果的可接受性和可信度。5.5.3校核、驗證與確認的實施過程20VV&A的過程指的是開展VV&A活動的流程，VV&A活動的實施過程歸納概括為如下9個階段：

1、需求定義與校核2、啟動VV&A計劃3、數據的校核與驗證4、概念模型驗證5、設計過程的校核6、執行過程驗證7、結果驗證8、對校核驗證結果進行確認9、VV&A過程信息整理并歸檔圖5-8

VV&A的一般過程5.5.4校核、驗證與確認的技術與方法211、非正式方法非正式方法是在VV&A活動中應用最為廣泛的方法。這里所謂的“非正式”并不是說這些技術的運用缺乏特定的組織性或正式的指導原則，而是指所利用的工具和方法比較多地依賴個人的主觀性和推理，而沒用很強的數學形式。2、正式方法正式方法主要基于對正確性的較為正式的數學證明。如果條件允許，數學證明是最有效的模型V&V之一。但由于當前的正式數學證明技術的局限性，這種方法只能應用到一些非常簡單的實際建模與仿真中。3、靜態方法靜態方法廣泛應用于評估靜態模型設計和源代碼的情況。該類方法可以校核和驗證大量的信息，如模型的結構、所采用的建模技術和操作、模型中的數據、控制流以及語法等。4、動態方法動態方法是一類在實際中相對較為有效的方法，主要應用于校核和驗證建模與仿真的動態方面。5.5.4校核、驗證與確認的技術與方法22常用的動態方法主要有自頂向下、自底向上、黑盒法、白盒法、執行追蹤、執行監測接受測試、回歸測試、統計技術和圖形比較等。下表為仿真模型VV&A方法的分類。

定性外觀驗證法、圖示比較法、圖靈法、檢驗法

靜態性能一致性驗證方法參數檢驗法正態分布法（F檢驗法、T檢驗法）、非正態總體分布法區間估計法假設檢驗法、點估計法分布擬合檢驗法非參數檢驗法Smirnov檢驗法、秩和檢驗法、游程檢驗法、Mood法自助法

穩健統計法均值和方差的穩健估計法、M檢驗法貝葉斯方法數據有效性檢驗法、檢驗分布參數法(正態總體的方差檢驗法、正態總體的均值檢驗法)

動態性能一致性驗證方法時城法一般時域法(判斷比較法、Theil不等式系數法、回歸分析法、誤差分析法、灰色關聯分析法、相似系數法、正態總體一致性驗證法、用貝葉斯理論法、自相關函數檢驗法)、時序建模比較法(平穩時序建模法)、非平穩時序建模法等頻域法經典譜估計法(直接法、間接法)窗譜估計方法(加窗譜估計法)最大熵譜估計(yule-Walker法、Burg遞推法)瞬時譜估計、交叉譜估計演譜估計等仿真系統驗證方法定量表5-6

仿真系統的驗證方法及分類5.5.4校核、驗證與確認的技術與方法23信息領域的各種新技術，如面向對象技術、人工智能技術、模糊技術、計算機網絡技術和虛擬現實/環境技術等在系統建模與仿真中的應用和發展，大大增強了仿真系統的功能和性能。但它們同時也對仿真系統的校核與驗證提出了更高的要求。表5-7各種因素對VV&A的影響影響因素仿真系統實際情況關鍵技術已知的關鍵技術未經驗的關鍵技術應用需求已知的確定需求經常變化的需求組成部件可重用的經過VV&A的部件絕大部分新開發的部件設計情況不變的設計方案變化的設計方案網絡結構確定的通信要求和網絡結構不確定的通信要求和網絡結構性能指標可預測的性能指標未知的性能指標工具庫強有力的工具庫支持零星的工具支持數據資源經過VV&C的數據來源未經過VV&C的數據來源操作要求已知的操作要求模糊的操作要求開發隊伍訓練有素的開發隊伍非專職的開發隊伍對VV&A工作要求最少最大