生产系统建模
仿真课程设计
研究课题：湖南大学图书馆借书系统仿真
优化研究
学院：机械与运载工程学院
专业班级：工业工程1101班
小组成员：陈圣峰、宋寒梅、田博鑫、张臣、
邓秦剑
指导教师：刘坚、任莹晖
二〇一五年一月二十四日
目录
1 绪论 (3)
1.1课题研究目的及意义 (4)
1.2国内外研究现状 (5)
1.3全文主要工作及组织结构 (6)
2车间设备布局仿真技术基础与工具软件 (6)
2.1计算机仿真概述 (6)
2.1.1基本概念 (6)
2.1.2仿真要素 (7)
2.2离散事件系统仿真 (8)
2.2.1离散事件系统的基本要素 (8)
2.2.2离散事件系统仿真的基本步骤 (8)
2.3计算机仿真技术在车间布局中的研究 (9)
2.3.1计算机仿真技术在车间布局中的应用 (9)
2.3.2仿真软件介绍 (10)
3图书馆设备布局建模分析方法及其改进 (10)
3.1 图书馆借书流程 (10)
3.2 图书馆的设施布置 (11)
3.3 图书馆仿真模型的建立 (12)
3.3.1 图书馆仿真系统模型的确立 (12)
3.3.2图书馆仿真系统方案 (12)
3.3.3 图书馆仿真系统的Simtalk语言实现 (14)
3.3.4 图书馆仿真改善方案 (15)
4 数据收集检验 (15)
5 模型检验 (15)
6 仿真结果分析 (16)
7 心得体会 (16)
附录 (17)
1 绪论
纵观图书馆事业的发展,它始终与经济发展相关联。
经济繁荣,图书馆就兴旺,经济萧条,图书馆就冷落,可以说图书馆的发展反应了经济的发展,但它并不按经济规律运行,也不属于任何产生经济效益的部门。
图书馆不是经济现象,它是一种文化现象,也是一种科学现象。
它既是文化,科学,技术的集散地,也是新文化,新科学,新技术的发祥地,图书馆的产生使知识可以较为完整,系统的传授给后人。
图书馆具有保存知识,传递信息,促进科技发展的重要功能。
现今,知识已经成为经济发展的资本,而高校作为传递知识的最前沿,其各方面建设也在快速发展,其中高校图书馆更是得到了长足发展。
高校图书馆在大学教育中具有重要作用,世界上任何一所知名高校都拥有优秀的图书馆资源,高校图书馆是衡量一个大学办学实力的重要标志。
如何加强图书馆的建设,更好的发挥图书馆的作用,使图书馆成为大学建设的坚实基础和有力保障是各所大学一直在探讨的重要课题。
图书馆的发展建设必须要有与之相匹配的管理系统来支撑。
图书馆管理具有几个主要特征,包括总合性,依附性,协调性,组织性,变革性,科学性,艺术性,经济性。
总合性,贯穿在一切图书馆活动和一切领域,还与图书馆共始终。
未来,图书馆的形态可能会发生一些变化,传统的纸质图书馆可能会逐渐萎缩,虚拟图书馆,电子图书馆,数字图书馆或网络图书馆将成为主流,但只要存在图书馆活动,不管形式如何,都离不开管理。
依附性指图书馆管理必须以其他一种、几种或全部业务活动作为自己的“载体”。
协调性是指调节人们活动的状态和过程,使图书馆各种业务活动要素建立某有序的优化结构。
图书馆管理的组织性,一方面指管理活动总是通过一定的组织进行的；另一方面,它指管理活动本身就是一种组织活动,这种活动将分散的资源如人力,物力,财力,信息等资源组合起来,形成根据客观环境的变化而进行调整的物质和社会双重结构的过程。
科学性体现在管理的规律性上。
图书馆管理主体对管理技巧的运用和发挥,体现了管理主体设计和操作管理活动的艺术性。
经济性首先反映在图书馆资源配置的机会成本上,其次反映在管理方式方法选择上的成本比较，再次,图书馆管理是对资源有效整合的过程,因此选择不同资源供给和配比,就有成本大小的问题,这是经济性的另一种表现。
这些图书馆管理的特征可以认为是一般社会实践所共有的客观性,能动性和社会历史性等特性的具体表现形式。
1.1课题研究目的及意义
传统的布局方法主要依靠设计者的直观感觉和艺术水平，随着计算机水平的快速发展，这种凭直观经验的设计已经无法满足布局问题中逐渐增加的定量的约束了，传统布局方法的缺陷也逐渐暴露出来。
提高图书馆运行效率最主要的方法就是减少不必要的走动，消除不必要的流程，使得借还书环节简洁化和信息化。
实践证明，制造企业生产中有20%-50%的总运营成本是物料搬运成本，而通过有效的设备布局设计可以使该成本降低到10%-30%，也就是说，如果都采用了有效的布局设计，制造业的生产效率将会比过去十几年效率高的多。
1955 年开始，美国每年将约8%的国民生产总值（GNP）投入到购置新设备与重新布局上，许多欧美国家也开始加大对设备布局的资金投入，由此可见，制造企业车间设备布局设计已经得到了工业界的充分重视，并开始在学术界掀起一股研究热潮。
学生进入图书馆借还书的过程也可以看作是一个加工过程，各类书籍好比是工作站，书架布置不合理同样导致走动路线过长，从而浪费大量的时间。
传统的布局方法主要根据生产资料对实体设备进行简化，将空间布局问题抽象为数学模型，通过一定的求解算法进行求解，这里存在很多问题。
首先，数学模型的建立是在简化了很多面积信息和几何形状信息的基础上，这就与实际环境有所差距；其次，由于系统具有动态性，会产生许多的约束条件，而过多的约束可能使数学模型无法求解，所以只有选取重要的约束条件而忽略其他次要的进行求解，这样的结果则可能出现不满足实际情况的解；最后，传统的布局设计模型一旦建立，修改起来会十分复杂，动一处则要动全局，十分影响设计效率。
所以，传统的车间设备布局方法已经不能满足现代制造业柔性化、敏捷化、智能化等要求，新的设备布局方法的研究势不可挡。
论文通过实地调查法获得了所需的第一手数据，之后对数据进行了整理和统计分析。
然后利用概率论与数理统计和Minitab软件对系统运行的参数进行了统计分析，并通过假设检验检验出参数所服从的分布，为系统的优化奠定了理论基础。
然后以所得数据和图书馆运行现状利用Plantsimulation9.0软件进行建模仿真运行，对运行结果进行分析，发现关键问题，并针对问题及所要达到的改善目标提出改进策略。
继而优化当前模型，进行优化验证，最终从实证的角度来确定图书馆系统的最佳布置方案，从而提高图书馆的管理效率。
1.2国内外研究现状
系统布局问题已经不是一个新问题了，传统的布局设计一般通过流程图、样片排列组合等方法，对操作者经验要求较高。
经过多年发展，布局问题得到了运筹学和管理科学等领域的共同重视，被看作是在满足一定约束条件下通过优化某些性能指标以得到最优解的一类组合优化问题，成为多学科研究的热点。
随着计算机技术的迅猛发展，虚拟技术（VR，Virtual Reality）、增强现实技术（AR，Augmented Reality）和仿真技术（Simulation）等一些可视化计算机技术与车间设备布局设计结合起来，产生了一批基于计算机技术的布局设计优化成果。
Tiziana Calamoneri 等提出在互联网络中的三维布局可以减少搬运的物料体积以及缩短布线长度，节约成本，并实验分析了在蝶型网络结构和X树型结构下的三维布局优化结果，最终是网络布线长度的上限值接近最佳布线距离下限值。
K.L. LEE和S.D.Noh等利用Internet、专家系统外壳和网上数据管理系统建立了一个虚拟制造车间模型，所有的制造过程（如加工、搬运、调度、控制等）都可以在此模型中进行重现，结果验证在多样化工程作业中，虚拟制造系统可以作为一个很好的工作试验台。
日本大阪大学的岩田一明教授研究了面向虚拟制造的过程仿真集成化，进行了虚拟环境下车间布局设计的一些探索。
M.Iqbal和Hashmi利用VR 详细介绍了如何设计和分析3D 可视化条件下的一个车间布局，得到了比二维CAD软件设计更优的新布局和新过道系统，并验证了可交互性等方面的更大优势和在深度上的显示优势，避免了一些安全问题。
针对单元内机器布局问题，Korves和Loftus在1999年就针对二维和三维建模系统不能提供人机交互的情况，提出了一个完全化的VR 沉浸式虚拟布局设计框架，使人们可以在虚拟的空间中感受与真实世界相同的环境，同时使布局设计具有更高的质量。
M.Iqbal 和Hashmi 利用VR详细介绍了如何设计和分析3D可视化条件下的一个车间布局，得到了比二维CAD 软件设计更优的新布局和新过道系统，并验证了可交互性等方面的更大优势和在深度上的显示优势，避免了一些安全问题。
G. Duffy等提出的基于Internet的虚拟车间布局系统（Internet-based Virtual Reality Facility Layout System），采用基于Internet的C/S 框架，主要研究了人们在虚拟布局系统中面对潜在危险时的反应，这样就可以及时发现并避免现实环境中可能会出现的风险。
增强现实技术（AR）是虚拟现实技术和现实环境的一个桥梁，使虚拟物体和真实物体在视觉上互存。
F.Doil 等研究了增强现实制造规划系统，以缩短设计时间和提高设计质量为目标，该系统基于web 平台，易于与现有的不同规划系统进行集成。
通过AR技术可以省
去对真实环境的建模，只用建立内部布局模型，大大减少了建模人员的工作量，提高了模拟效率，它提供了四大布局设计功能：交互式桌面系统布局、车间实时环境可视化布局、人机工程学分析以及辅助测量计算。
卢桂萍等研究了基于VR技术的三维可视化车间设备布局优化问题，应用了Multigen-Paradigm公司的Vega 环境下的虚拟车间系统，实现了设备布局优化三维可视化。
武汉理工大学的邹世伟采用了C++Builder6.0开发改进遗传算法的二进制编码方式，实现了基于GA的布局收敛过程的仿真，并且研究了设备布局中的虚拟漫游、碰撞检测等技术，建立了基于OpenGL的交互式三维仿真环境。
陈希等研究了车间设备虚拟布局问题，使用块树（Block Tree）布局表达工具，设计了基于块树的分割线有效性检验算法，给出了相应的遗传算法解码方法，最后以虚拟现实技术验证算法的有效性和可靠性。
车间设备布局问题是一个NP难问题，实际中的设备布局存在复杂性和多样性等特点，理论上的数学模型很少能完全反映出实际问题，因此，采用计算机技术对布局问题进行仿真重现，是对理论模型的一个很好的直观的辅助设计，可以更加快速高效的求解和修改设备布局，但是想要寻求一种适用于求解所有布局问题模型方法也几乎是不可能的。
1.3全文主要工作及组织结构
本文以图书馆书架布局为主要研究对象，简单介绍了计算机仿真方法及仿真软件，通过对现有布置模型的物流分析设计了改进的书架布置模型以表示复杂的图书馆系统，选用F-D 图等物流模型，得到较优的初始布局方案，最后根据车间具体参数和流程建立仿真模型，分析并改进初始布局方案以求得到最优方案。
2车间设备布局仿真技术基础与工具软件2.1计算机仿真概述
2.1.1基本概念
计算机仿真（Computer Simulation）又称系统仿真（System Simulation），是研究和分析系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的重要手段[28] 。
计算机仿真始于20 世纪40 年代末期，是随着计算机技术、系统研究理论、相似原理和控制理论的发展而
迅速发展起来的一门新兴学科。
计算机仿真的本质是对真实物理系统的抽象，在计算机
屏幕上建立真实物理系统的模型，对真实系统的再现。
从一开始只应用于大型的工程领
域如航空、航天、原子反应试验等，到现在石油、机械、化工、物流、经济各个领域的
普遍运用，计算机仿真技术已经成为现代工业发展不可或缺的重要辅助手段。
2.1.2仿真要素
仿真是一种基于模型的活动，涉及多方面的知识和经验[29] ，这里的“活动”是指系统抽象、仿真建模和计算机实验，也是仿真活动的三大要素：“系统”、“模型”和“计算机”。
三者之间的关系如图2.1所示：
图2.1 仿真活动三要素
（1）系统
系统包括实体、属性、活动。
实体表达了系统的构成；属性是描述实体特征的变量，每个实体都具有属性；活动表示实体间的相互作用和联系，从而可以看出系统内部的运作过程。
（2）模型
模型就是对真实物理系统的抽象表示。
对于要研究的系统，计算机是不能直接认知和处理的，因此需要建立一个既能反映所研究的对象同时又能被计算机处理的数学模型。
模型是现实系统的代表，也是现实系统的简化，模型的精确程度直接影响了计算机仿真结果的精确程度。
（3）仿真
模型建立以后，需要对模型对象中各参数进行设置，再通过仿真时钟推进模拟运行，通过计算机对仿真结果进行分析，达到研究真实系统的目的。
计算机是仿真活动的必要工具，同时计算机软硬件水平也决定了仿真的效率。
可见，系统是需要研究的对象，模型是对系统
的抽样，仿真就是通过计算机工具来建立模型并实验以达到研究系统的目的。
2.2离散事件系统仿真
2.2.1离散事件系统的基本要素
离散事件系统仿真模型一般包括以下基本要素：
(1) 实体（Entity）：分为临时性实体和永久性实体。
按一定规律不断地产生，在整个仿真过程中只存在一段时间，仿真结束后最终离开系统的是临时性实体；在仿真期间自始至终都存在于系统中的实体是永久性实体。
临时性实体是靠事件驱动进入系统的，永久性实体为临时性实体提供活动的场所和条件，保证系统动态过程的连续进行。
(2) 属性（Attribute）：即实体所特有的特征。
单个实体可以具备多种属性，不同实体可以具备同一属性。
(3) 事件（Event）：是指引起系统状态发生改变的一系列行为，系统是由事件驱动的。
事件一般分为两种：一是系统固有的事件，如产品下线；二是专门定义的事件，由编程实现。
仿真过程中一般都建有事件记录表，记录每一种已发生或即将发生的事件类型、时间以及相关属性等。
(4) 活动(Activity)：表示两个不同事件之间的过程，占用一定的时间和资源，是导致系统状态发生变化的过程。
(5) 进程(Process)：由一组按发生时间排列的事件和活动组成。
(6) 仿真时钟(Simulation Clock)：表示仿真时间的变化，与实际时钟存在很大差别。
实际时钟是连续运转的，仿真时钟是跳跃式运转的，表示从一个事件发生时刻跳跃到下一事件的发生时刻，所有离散系统都是靠仿真时钟推进的。
2.2.2离散事件系统仿真的基本步骤
离散事件系统仿真的基本步骤如图2.2所示。
图2.2 离散事件系统仿真基本步骤图
2.3计算机仿真技术在车间布局中的研究
2.3.1计算机仿真技术在车间布局中的应用
20世纪70年代，计算机仿真软件己经在设备布置和物流优化中被广泛应用，很多大型制造企业和物流公司都采用计算机仿真技术来预测和完善生产规划和物流系统，如美国的通用汽车（GM）、福特汽车公司在V6发动机工厂的设施布置优化中应用仿真技术，产值提高了3%，Motorola公司也通过仿真软件优化物流中心的配送作业，仅6个月时间就使工作效率翻番，其他还有韩国现代以及日本丰田等公司，这些企业在应用了仿真技术以后，生产和物流效率都有了显著的提高，投资成本和运行周期都得到了很好的改善。
目前，仿真方面相关的研究热点主要在于多物体引起的约束求解、数字化工厂平台的建立、仿真软件与现有系统的集成、虚拟环境下建模和场景构造等。
仿真在车间设备布局的应用主要体现在以下三个
方面：
（1）仿真前可行性分析。
通过仿真模型可以对初始布局方案进行分析，根据初始参数，观察方案的可行性，为后续布局优化节约成本。
（2）仿真中实验实时观测。
通过一段时间的仿真运行，可以发现该布局方案下的生产瓶颈，多次仿真运行可以提高方案的可信度，降低随机因素，通过改变不同输入参数，可以统计相应的生产数据，寻找生产布局的技术与经济的最佳结合。
（3）仿真后方案评价。
通过前续步骤中统计到的数据信息，对该布局方案进行优劣性评估，给决策者提供定量的决策帮助。
同时，当面对相似需求时，只需改变少量参数即可验证可行性，大大地降低了设计成本，提高了设计效率和质量。
2.3.2仿真软件介绍
现今，随着计算机软硬件技术的高度发展，出现了一批成熟的布局优化设计软件，这些软件都有不同的应用背景和目的，各有优势。
论文模型仿真运用的是eM-Plant，现对此进行简要介绍：eM-Plant又称为SiMPLE++，是用C++实现的关于物流、生产线和工厂布局的仿真软件，它是面向对象的、图形化的、集成的建模仿真工具，可以使用户对物流系统和工艺流程进行仿真优化，详细信息将在下文介绍。
3图书馆设备布局建模分析方法及其改进
3.1 图书馆借书流程
湖南大学图书馆的借书流程如图3.1所示。
借书人进入图书馆二楼的借阅室后，首先用电脑查阅想要借阅书籍的相关信息，包括图书的书名、索书号、馆藏位置及是否在馆等信息。
然后进入图书馆找书。
取出需要借阅的图书后去自助服务终端进行借阅登记，将打印出的借书小票给图书管理员审查，方可离开。
图3.1 图书馆书籍借阅流程图
3.2 图书馆的设施布置
图书馆（一层）的设施布局图如图3.2所示。
图中正门即图书馆的借书出入口，该处放置了RFID扫码机，为了防止图书被误带出图书馆。
门的左侧为自助借书终端服务系统，共放置了3台自助借书服务终端；门的右侧为自助还书借书终端服务系统，放置了3台自助还书服务终端。
从门进入后，从左至右能看到有3个小门。
为了管理方便，将图书馆（一层）的书籍按类别划分为六个区域，以供建模仿真分析。
图3.2 图书馆（一层）设施布置图
3.3 图书馆仿真模型的建立
3.3.1 图书馆仿真系统模型的确立
本次课程设计中，为了减少借阅者在图书馆内的借阅时间，进行仿真设计。
将图书馆的书籍视做entity，将借阅者视作transporter。
通过测量分析行走路线、行走距离、借阅者的实际行走速度、借阅者的到达时间分布以及借阅者的借阅时间分布，可以构建出与实际相符的仿真系统模型。
3.3.2图书馆仿真系统方案
为了实现图书馆借书流程的仿真，设计出两套方案，如图3.3和图3.4。
该系统设定的条件是假设每个借阅者都了解借阅的流程，且每个借阅者对图书的需求不同，借阅者按照其需求，都能经由最短路可实现跨区取书。
方案一：对4个区域进行仿真实验，为了计算借阅者在区域内耗费的时间，在每个区域内添加了SingleProc。
这样既可以实现计算找书耗费的时间，又能将其直观的表示在仿真系统上。
但该方案的缺点在于不能对一个区域内多个借阅者的同时找书活动进行仿真分析，每个区域只能同时存在一个人。
图3.3 图书馆仿真模型一
方案二：该方案在方案一的基础上进行修改完善和补充，首先对跨6个区域的借书活动进行仿真，其次将多个SingleProc替换成Buffer，对仿真系统进行精简，同时可视性也有了显著地提高。
图3.4 图书馆仿真模型二
3.3.3 图书馆仿真系统的Simtalk语言实现
由于方案二的可视性要明显优于方案一，且每个区域之间的代码实现大同小异，故以方案二中A区域的Simtalk代码举例。
(1)传感器的代码实现
(sensorID : integer)
is
do
@.stop;
@.move(a1);
if copy(@.name,1,1)/="G" then
store.cont.move(@);
@.name:=omit(@.name,1,1);
@.destination:=copy(@.name,1,1);
else
@.destination:=drain;
end;
aa:=aa+1;
end;
(2)Buffer的代码实现
is
do
@.backwards:=false;
@.move(A.A,8);
end;
(3)计算处在系统内的时间代码实现
is
a:integer;
do
a:=ll.ydim+1;
ll[1,a]:=time_to_str(@.statavglifespan);
end;
3.3.4 图书馆仿真改善方案
根据统计出的顾客到达分布时间、借阅时间等数据，运用F-D的方法计算路径，对区域的距离进行改善，从而尽可能缩短借阅者的借阅时间。
图3.5为4个区域的图书馆改善方案的仿真系统。
对仿真系统进行仿真运行，得到的平均借书时间节约约20秒。
详见第4章。
图3.5 图书馆的改善方案仿真系统
4 数据收集检验
5 模型检验
6 仿真结果分析
7 心得体会
确定课程设计之初，我们小组选择了图书馆作为仿真目标。
第一天我们组内不仅明确了设计的题目，更是对图书馆的借还书流程进行了多方面的了解。
由于我们对图书馆的工作流程并不熟悉，而且图书馆人流量的信息并不容易获取，所以导致了我们小组花费了很多人力和时间在数据的收集整理以及验证上。
第二天起，小组内就有了明确的分工，由两个人去和馆内工作人员沟通，设法获取图书馆内的大数据资料；其他三人记录图书馆的借书到达时间、查找图书信息的时间、寻找图书的时间以及在自助服务终端扫码借书的时间。
在此期间，我们也同时对图书馆的设施布局进行了测量。
我们进行数据采集持续了三天，然后对获得的数据进行整理。
整理的过程中发现了一些问题。
由于有很大一批人是没有经过查询的流程而直接进入图书馆内浏览图书然后借阅的，导致了不同流程的数据数量不同。
在处理这些数据的问题上，组内的意见产生了分歧。
经过大家的讨论及征求指导老师的意见后，组内对这些数据的处理方法最终趋于一致。
对获得的数据进行筛选整理后，得出了借书人到达时间、查询时间、寻找图书时间、自助借阅书时间等因素的时间分布。
接下来我们开始设计仿真系统。
由于我们组的成员对Simtalk语言并不很熟悉，导致系统的实现过程出现了很多困难。
起初我们设计的系统使用了很多简单的逻辑，导致系统的可视性不高，十分繁杂。
在我们的不懈努力下，一方面查阅相关书籍，一方面向指导老师询问Simalk语言的结构，最终实现了图书馆借阅系统的仿真。
在仿真分析的过程中，我们也对借阅的流程提出了很多改善的方案，最终组内统一了意见，建立了改善后新的仿真系统。
对改善后的仿真系统仿真，可以看出新系统是比旧系统有着明显优越性的。
在整个课程设计的过程中，我们遇到了很多逻辑上的困难，也遇到了很多技术上的挫折。
但经过这次课程设计，我们的程序设计能力得到了极大的提升。
在获取数据的过程中，我们的沟通交际能力也得到了很大的锻炼。
总之，这次课程设计使我们受益匪浅。
