制造物联网系统动力学建模与分析

第ｌ８卷第３期　２０１５年６月　工业工程　

Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ　Ｖ０１．１８　Ｎｏ．３　

Ｊｕｎｅ　２０１５　

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７・７３７５．２０１５．０３．００１　

制造物联　网系　统动力学建模与分析　

屈　挺　一，陈　艳　，王宗忠　，陈新度　，戴青云　，黄国全　，２　（１．广东工业大学广东省计算机集成制造重点实验室，广东广州５１０００６；２．香港大学工业及制造系统工程系，中国香港）　

摘要：动态因素影响生产系统的运作表现，而相应的流程再造和信息共享机制使得充满动态性的生产系统达到统计　学意义上的运作最优化。随着系统动力学广泛应用于系统结构和参数的控制与仿真，物联网技术为广泛、实时、精　确采集生产系统的动态性提供了使能手段，使得系统动力学可以在实时信息环境下对生产系统的运作表现进行全　面、敏捷、精确的仿真和分析，使得制造物联网系统的运作达到最优。本文采用系统动力学构建仿真模型，对比分析　物联网技术应用前后的生产系统运作差异，并通过投资回报率分析不同方案的经济可行性，为企业决策提供参考依　据。　关键词：生产系统；物联网；系统动力学　中图分类号：Ｆ２２４．３３　文献标志码：Ａ　文章编号：１００７—７３７５（２０１５１０３．０００１．０９　

Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｆｏｒ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ・－ｏｆ－Ｔｈｉｎｇｓ－－ｂａｓｅｄ　Ｒｅａｌ—Ｔｉｍｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　

Ｑｕ　Ｔｉｎｇ‘・　，Ｃｈｅｎ　Ｙａｎ　，Ｗａｎｇ　Ｚｏｎｇ—ｚｈｏｎｇ　，Ｃｈｅｎ　Ｘｉｎ　ｄｕ　，Ｄａｉ　Ｑｉｎｇ．ｙｕｎ　，Ｈｕａｎｇ　Ｇｕｏ—ｑｕａｎ　，　（１．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０００６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｔｈｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｈｏｎｇ　Ｋｏｎｇ，Ｈｏｎｇ　Ｋｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ａ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｆａｃｔｏｒｓ．　Ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｌｙ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｈａｒｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ￣Ｏ—　ｖｅｒａｌｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃａｎ　ｍａｉｎｔａｉｎ　ａ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｓｔａｔｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃｓ．Ｓｙｓｔｅｍ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｉｓ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｙｅｔ　ｍａｉｎｌｙ　ｆｏｃｕｓｉｎｇ　ｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｒｅａｌ－　ｔｉｍｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃａｐｔｕｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ　ｂｒｏｕｇｈｔ　ｂｙ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ—ｏｆ－Ｔｈｉｎｇｓ（ＩｏＴ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ＩｏＴ－－ｂａｓｅｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｈａｒｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｆｏｒ　ａ　ｆｉｘｅｄ－・ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｒｅｇａｒｄｅｄ　ａｓ　ａｎ　ｃｏｓｔ—ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｗａｙ　ｔｏ　ｐｕｒｓｕｅ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎ　ａ　ｄｙｎａｍｉｃａｌ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｆｏｒ　ｔｈｉｓ　ｐｕｒ－　ｐｏｓｅ　ａ　ＳＤ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｆｏｒ　ａ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ　ＩｏＴ—ｂａｓｅｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．Ａｐａｒｔ　ｆｒｏｍ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａ—　ｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ＩｏＴ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ，ｒｅｔｕｒｎ　ｏｎ　ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｐｒｏ—　ｖｉｄｅｓ　ａ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔ　ｌｏＴ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ａ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ｉｎｔｅｒｎｅｔ—ｏｆ—ｔｈｉｎｇｓ；ｓｙｓｔｅｍ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　

生产系统由人和机器构成，并将资源、设备、人　力、信息等生产要素（简称要素）转换为产品或服务　的有机整体，转换过程一般包括采购、加工、仓储、运　输、服务和信息处理等环节¨Ｊ。要素的固有特性及　其输入、输出过程存在大量动态性，如设备运行状态　异常、物料供给速率波动、工人工作效率差异等。独　立要素的动态性因工序间关联作用而对系统表现产　生复杂的耦合效应，如物料供给速度不仅制约工序　生产效率，连带影响前后工序及物料缓存量　引。因　此，为实现系统的协同运作和高效控制，各类生产信　息化系统在企业计划层面（ＥＲＰ）、生产计划层面　（ＭＲＰ）和执行计划层面（ＭＥＳ）得以普及应用；而动　

收稿日期：２０１４—０５—１２　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１４７５０９５，５１１０５０８１）；广东省自然科学基金资助项目（￥２０１２０１００１００１６）；广州市科技　和信息化局“广州市珠江科技新星专项”（２０１１Ｊ２２０００１７）；广东省教育厅“２０１１广东省高等学校人才引进项目”；国　家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＦ１２Ｂ１０）；广东省教育部产学研结合项目（２０１１Ｂ０９０４００４０９）　作者简介：屈挺（１９７９．），陕西省人，教授，博士，主要研究方向为制造物联网、物流及供应链管理．　２　工业工程　第１８卷　态性却干扰运作信息的可靠性，影响既定计划的执　行力度，增加生产安排、人员配备、设备维护等工作　难度　Ｊ。因而，为维持系统良好运行，需要从系统的　观点出发了解动态特征与系统运行的关系，并寻求　各环节间信息流的最优交互策略。　系统动力学（ｓｙｓｔｅｍ　ｄｙｎａｍｉｃｓ）为解决动态性复　杂问题提供了一种可行的理论、观点、方法和工　具　ｊ。基于对生产系统结构的认知及各要素／环节　间动态关系的构建，系统动力学现已被广泛应用于　企业层面的建模及仿真，包括企业管理　、生产运　营ｌｌ　、流程重组　８］、库存控制　Ｊ、供应链／物流的牛鞭　效应［１叫等方面，在改变原系统的行为模式、优化动　态策略的效果和定量分析模型有效性的研究中起到　有效的作用。其中，仿真对象包括系统结构（物流）　和信息结构（信息流）。当发生动态性时，可改变系　统结构来控制系统的鲁棒性，但是难免增加变动成　本及引发内外结构的重配置。从改变系统信息流的　角度来看，基于信息流的系统建模仿真的灵活性程　度更高，并能在维持系统内部结构设计不变的前提　下，促使物质流能更快速、便捷地向信息流的转换，　高效控制和反馈供应链的动态运作过程，在减少供　应链变动成本的同时协调好内外部关系。　应用ＲＦＩＤ（ｒａｄｉｏ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）等物联　网技术的生产系统称为制造物联网系统（ｍａｎｕｆａｃ．　ｔｕｒｉｎｇ　ｉｎｔｅｍｅｔ　ｏｆ　ｔｈｉｎｇｓ，ＭＩＯＴ）…　。在运作方面，简　化数据记录和物料清点等人力操作，提高运作透明　化和管理精益化程度。在信息方面，提高了信息传　递速度和精度，确保系统的快速、准确的响应¨ｌ　；扩　大了信息采集范围、缩小了信息采集数据粒度，扩大　了协同广度和深度　；将“点对点”单向信息传递扩　展为“多对多”的信息交互网络，提高系统控制能　力¨　。因此，物联网不仅提高仿真系统的真实性，　为系统动力学从基于统计数据的事后仿真工具向基　于实时数据的在线控制工具提供可能；同时，物联网　与生产系统的结合促使可仿真对象扩展为两个层　面，即原有的物质层和新引入的物联网设备层。当　系统发生动态性时，物联网结合相应的信息控制策　略可利用高效的信息流控制物联网设备层，从而降　低系统结构重新配置和调整产生的高额成本。　综上，基于系统动力学的仿真方法和手段，物联　网结合特定的信息控制策略为高效率、低成本地控　制系统运作动态性提供了解决方案。因此，本文基　于生产系统的运作分析，采用系统动力学对制造物　联网系统（ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ，　ＷＭＥ）¨　建模仿真，拟解决以下问题：１）物联网驱　动的生产系统的性能分析。对比物联网技术实施前　后的系统运作差异、关键性能，探讨物联网对生产系　统动态性的影响；２）物联网技术方案的决策分析。　结合信息控制策略模型化、定量化评价物联网方案　的经济可行性，构建生产系统动态性最佳控制的物　联网方案。　１　生产系统模型及运作分析　本文采用一个典型的生产系统作为ＲＦＩＤ技术　应用研究及动力学分析的模型。如图１上半部分所　示，系统由１个库存单元和３个加工单元（装配、包　装和装载）组成，库存单元具备零部件存储功能，装　配单元将多个零部件组合成产品，包装单元完成多　个产品的包裹整合，装载单元负责将多个包裹合成　一个运输批次。下半部分代表应用ＲＦＩＤ技术的制　造系统ＷＭＥ，ＲＦＩＤ及其相关设备的应用，实现车间　的制造资源与企业信息系统的关联，实时、准确的数　据历经处理、信息管理、网络传输等环节并最终为企　业决策层提供便利的决策支持；系统通过在每个加　工单元的缓存区（含一个Ｉｎ．Ｂｕｆｆｅｒ和Ｏｕｔ—Ｂｕｆｆｅｒ）安　装超高频的ＲＦＩＤ监控设备，捕获现场及库存的实时　信息。以装配单元的Ｐ　和Ｐ　为例，ＲＦＩＤ设备的应　用使得进出Ｉｎ—Ｂｕｆｆｅｒ的零部件的数量、时问都成为　已知，Ｏｕｔ．Ｂｕｆｆｅｒ亦然。而零部件进入Ｉｎ—Ｂｕｆｆｅｒ和离　开Ｏｕｔ—Ｂｕｆｆｅｒ时的两次时间记录构成了装配时间的　基础数据。同时，ＷＭＥ具有通用性和可扩展性，为　单元间组合成多种形式的生产过程提供可能。　同理，上半部分代表传统生产系统，由生产计划　推动各环节运作；下半部分表示制造物联网系统的　管理和控制向智能化、自主化转变，ＲＦＩＤ自动定位　和信息采集，简化检验、记录、清点等人力操作，大幅　度提高在制品、库存信息的准确性；生产计划与单元　问实时信息（ｉ－ｆｌｏｗ）精确、频繁交互增强了系统动态　反馈信息的能力，弥补信息断层的缺陷。基于信息　的管理策略对生产系统运作效率和成本的影响，以　不同配送策略对物料缓存区Ｐ　库存量的作用为例　予以说明，如图２所示。（Ａ）表示生产节拍（产量、　物料需求）平稳情况下采用定时定量配送策略的传　统生产系统，平准化运作要求在正确的时间内为生　产线补给正确数量的零件，因而物料储备较少、存储　空间需求较小。（Ｂ）为生产节拍波动情况下采用定　时定量配送策略的传统生产系统。因生产信息反馈　不灵敏或生产计划缺乏弹性的适应能力，传统生产　系统难以满足　生产动态实时变化的需求。当　需求超出计划，Ｑ仅能完成ｔ　（ｔ　＜Ｔ）时间内的生产　任务，生产线因缺料而停产；反之，Ｑ有剩余而致使　Ｐ，库存量累积。而（Ｃ）表示采用即时配送策略的制　造物联网系统。制造物联网系统对员工、工序、时　间、设备等信息的统一管理，有利于实时调控生产计　划、排班计划、进度跟踪、风险预测；而压缩ｉ－Ｆｌｏｗ信