智能制造关键技术与工业应用丛书--智能制造系统规划与仿真

本书全面系统介绍智能制造系统规划与仿真的相关理论，并通过实例应用诠释理论，适合从事智能制造系统设计的工程技术人员与高等院校相关专业的师生参考、阅读。本书具有以下两大特色： （1）技术前沿，体系完整：本书主要介绍智能制造系统规划与仿真的相关理论，是当前的前沿技术，前六章介绍相关理论，后面介绍实例，内容体系完整。 （2）结合实例，应用性强：本书通过智能制造系统规划与仿真的实例系统地诠释了前面所介绍的理论，理论与实战相结合，应用性强。

随着“中国制造2025”智能制造战略不断深化，企业纷纷开始自身的智能制造系统建设。智能制造系统涵盖了原材料、产品设计、产品加工、质检等产品制造全生命周期的活动，其目标是面向产品制造全生命周期实现所有制造环节的高效运作。在制造系统的运行过程中，运营管理是对产品的整个生产制造过程进行管理，包括组织管理、布置设备、设计分工、生产计划、库存管理、物流管理和质量控制等， 是提高制造系统效率、降低运营成本、增强竞争力的核心因素。
在此背景下，本书借鉴和吸收智能制造系统建模与优化领域近几年的研究发展成果，既重点介绍了智能制造系统建模与仿真的基本理论与方法，也兼顾了以上技术在智能制造企业中的实际应用。本书共分为8 章，第1 章主要对制造系统、智能制造的概念和特征，智能制造的发展现状进行了概述性介绍；第2 章介绍了制造系统建模与仿真的基础知识，包括模型的概念、系统建模与仿真的方法、制造系统模型的特征等；第3 章介绍了在制造系统业务流程建模时常用的模型及其建立过程，该部分模型主要针对企业业务流程优化、智能制造信息系统建模领域，主要包括业务活动、业务功能、业务流程等模型，还介绍了基于本体的制造系统建模方法；第4 章介绍了制造系统设施布局的建模与算法仿真方法，包括设施布局优化数学模型建模和智能化算法数值仿真；第5 章介绍了生产计划与调度模型的建模方法，包括计划调度问题分析与基于模板技术的计划调度建模技术；第6 章介绍了制造系统物流配送路径优化模型与仿真算法；第7 章介绍了Plant Simulation 仿真软件的基础知识，并以装配线平衡和物流优化为案例进行应用说明；第8 章采用面向对象的建模方法介绍了制造系统建模案例，便于读者直观理解基于面向对象方法的制造系统模型的内容。
本书由河南科技大学李亚杰编排、设计和统稿，并负责编写第1、2、4、6、7章全部内容和第3、8 章部分内容，西安工业大学董蓉负责编写第3 章部分内容和第5 章，河南科技大学吕锋负责编写第8 章部分内容。
本书可以作为高等院校智能制造工程、工业工程等专业的教材，也可以作为相关专业工程技术人员和管理人员的参考书。
本书从策划到成稿得到了河南科技大学机电工程学院各位老师的无私帮助，编写过程中参考了同行的大量著作、论文等文献和研究成果，在此一并表示真诚感谢。
限于编者水平有限，书中纰漏和不妥之处在所难免，敬请各位专家和读者批评指正。

编者

李亚杰，男，河南洛阳人，博士，高工，毕业于西北工业大学航空宇航制造工程专业，参加国家863计划（数字化制造管理与执行关键技术研究及应用）与多项国防基础研究项目（敏捷化虚拟制造技术、制造执行软件系统、面向数字化生产线的制造执行系统研究及应用等）、山东省重点研发计划（安全可控调心滚子轴承智能制造关键技术研究及应用）等项目，在计算机集成制造系统等杂志上发表论文10余篇，出版专著1本。主要从事企业智能制造系统建设、厂房布局规划、物流规划、生产线平衡与仿真等方面的的理论与应用研究。

本书介绍了在智能制造环境下，企业运营管理优化过程中用到的模型建立与仿真技术，内容涵盖智能制造的概念、制造系统建模与仿真的基础知识、制造系统业务流程建模时常用的模型及其建立过程、制造系统设施布局的建模与算法仿真、生产计划与调度模型的建模方法、制造系统物流配送路径优化模型与仿真算法、Plant Simulation仿真软件的基础知识，并以装配线平衡和物流优化为案例进行说明，最后采用面向对象的建模方法介绍了智能制造系统建模案例。本书可以为企业运营管理中开展业务流程优化、设施布局优化、计划调度优化、物流配送路径优化等环节的建模与仿真工作提供参考。
本书适合从事企业运营管理优化的技术人员和高等院校智能制造工程专业的师生等阅读参考。

第1章绪论001
1.1系统的概念001
1.2制造系统的概念及组成002
1.3制造系统与制造模式的发展002
1.3.1敏捷制造003
1.3.2网络化制造003
1.3.3服务型制造004
1.3.4云制造005
1.4智能制造概述006
1.4.1美国智能制造的发展006
1.4.2德国智能制造的发展007
1.4.3中国智能制造的发展007
1.5智能制造的定义008
1.5.1美国对智能制造的定义008
1.5.2德国对智能制造的定义010
1.5.3中国对智能制造的定义011
1.6智能制造的内涵012
1.7智能制造系统014

第2章制造系统建模与仿真基础016
2.1模型与建模016
2.2制造系统仿真016
2.3系统建模与仿真的步骤017
2.4制造系统模型的特征018
2.5面向对象的系统建模方法019

第3章制造资源与流程建模027
3.1生产对象层建模028
3.2业务活动层建模031
3.3业务功能层建模034
3.4生产组织层建模038
3.5制造系统本体模型040
3.5.1本体的概念041
3.5.2制造系统领域本体构建过程042
3.5.3制造系统领域本体044
3.5.4制造系统本体模型语义描述051
3.6制造系统业务活动模型建模057
3.6.1业务活动领域知识模型057
3.6.2业务活动领域本体元模型060
3.6.3业务活动领域本体建模062
3.6.4业务活动参考模型建模与存储067
3.7制造系统流程建模069
3.7.1业务活动模型069
3.7.2业务事件模型070
3.7.3建模规则071
3.7.4建模过程073

第4章制造系统设施规划建模076
4.1设施规划的概念076
4.2车间设施布置建模077
4.2.1概述077
4.2.2目标函数078
4.2.3约束与假设条件078
4.2.4数学建模079
4.3改进遗传算法在车间布局优化中的应用083
4.3.1遗传算法概述084
4.3.2改进遗传算法085
4.3.3车间布局案例090

第5章计划调度建模与仿真091
5.1概述091
5.2车间计划调度问题分析094
5.2.1车间计划调度业务流程095
5.2.2车间计划调度业务流程分析096
5.2.3车间计划调度模板建模098
5.2.4模板在计划调度管理中的应用102
5.3基于模板技术的计划调度建模102
5.3.1动态调度模板过程模型建立102
5.3.2动态调度模型及其实现机制104
5.3.3动态调度策略建模105

第6章基于蚁群算法的物料配送路径建模与优化108
6.1蚁群算法概述108
6.2装配车间物料配送路径优化概述110
6.3数学建模112
6.3.1问题描述与假设112
6.3.2数学模型113
6.4改进蚁群算法求解114
6.5应用案例116

第7章Plant Simulation 仿真基础121
7.1Plant Simulation 仿真软件简介121
7.2离散事件仿真121
7.3Plant Simulation 的基本对象123
7.3.1事件控制器123
7.3.2移动对象124
7.3.3框架125
7.3.4界面接口126
7.3.5物料源127
7.3.6物料终结128
7.3.7单处理128
7.3.8并行处理130
7.3.9装配站130
7.3.10机器人131
7.3.11存储132
7.3.12暂存区132
7.3.13传送器132
7.3.14轨道133
7.3.15工人134
7.4Plant Simulation 仿真建模流程136
7.5仿真案例137
7.5.1装配线平衡优化137
7.5.2车间物流优化141

第8章面向对象的制造系统建模案例148
8.1计划调度系统建模148
8.1.1计划调度系统活动图148
8.1.2计划调度系统时序图152
8.1.3计划调度系统类图154
8.2加工任务管理系统建模156
8.2.1加工任务管理系统活动图156
8.2.2加工任务管理系统时序图157
8.2.3加工任务管理系统类图158
8.3过程管理系统建模159
8.3.1过程管理系统活动图160
8.3.2过程管理系统时序图160
8.3.3过程管理系统类图161
8.4质量管理系统建模162
8.4.1质量控制系统活动图162
8.4.2质量控制系统时序图163
8.4.3质量控制系统类图165
8.5物料管理系统建模169
8.5.1物料管理系统活动图169
8.5.2物料管理系统时序图170
8.5.3物料管理系统类图172
8.6设备管理系统建模173
8.6.1设备管理系统活动图173
8.6.2设备管理系统时序图174
8.6.3设备管理系统类图175
8.7文档管理系统建模176
8.7.1文档管理系统活动图177
8.7.2文档管理系统时序图178
8.7.3文档管理系统类图180

参考文献182