計(jì)算機(jī)建模仿真在實(shí)際工程中的應(yīng)用

摘要：文章介紹了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在實(shí)例中的應(yīng)用，總結(jié)了Pro model軟件在仿真技術(shù)中起到的重要作用。在此基礎(chǔ)上利用Pro model 6.0軟件構(gòu)建了一個簡單的模型進(jìn)行模擬分析，建立致力于提高該程序的最好的系統(tǒng)，結(jié)果顯示，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能有效地提高管理水平。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；建模仿真；Pro model；仿真技術(shù)；模擬分析 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2015）14-0064-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.031

1 概述

計(jì)算機(jī)仿真是利用數(shù)值方法，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行約束，然后在計(jì)算機(jī)上描述出其運(yùn)行狀態(tài)的一種重要方法。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)際模擬技術(shù)的范圍不斷擴(kuò)大，如飛機(jī)設(shè)計(jì)、在線自動流量的分析等，都屬于仿真應(yīng)用領(lǐng)域。在本文中，從仿真的基本理論入手，對模型構(gòu)建、數(shù)值計(jì)算等方面進(jìn)行闡述，最后以特定實(shí)例證明仿真技術(shù)在工程實(shí)踐中

的價值。

2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的基本理論概述

計(jì)算機(jī)仿真是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對物理模型各種狀態(tài)進(jìn)行描述的一種高端科學(xué)，它是各個學(xué)科以及領(lǐng)域的知識經(jīng)驗(yàn)積累。

圖1 計(jì)算機(jī)仿真流程

由圖1可知，計(jì)算機(jī)仿真流程主要有三個步驟：模型構(gòu)建、約束條件設(shè)置和數(shù)值計(jì)算，本文將分別對這三個步驟進(jìn)行簡述。

2.1 模型構(gòu)建

作為計(jì)算機(jī)仿真的對象，理論模型是否能夠精確描述實(shí)際狀態(tài)，具有舉足輕重的作用，這一步主要通過計(jì)算機(jī)繪圖軟件對系統(tǒng)進(jìn)行三維繪圖來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)踐中，仿真的精度更加精確，因此，在模型構(gòu)建這個步驟中，必須將系統(tǒng)的尺寸、條件等設(shè)置保持和現(xiàn)實(shí)情況一致或接近。

2.2 約束條件設(shè)置

模型的約束條件，即模型在計(jì)算時所處于的狀態(tài)，這是數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵。例如：對一個流場模型進(jìn)行計(jì)算時，在一個瞬間，輸入速度、進(jìn)口質(zhì)量和出口壓力以及在固體邊界等具體處于何種狀況，都需要進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)置，精確地計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)的仿真結(jié)果。

2.3 數(shù)值計(jì)算

數(shù)值計(jì)算是在大多數(shù)的數(shù)字仿真過程中的最后一步，數(shù)值計(jì)算主要是零方程模型，具有兩個方程的標(biāo)準(zhǔn)模型等，構(gòu)建離散模型，模擬仿真進(jìn)行迭代計(jì)算，它包括差分法、有限元法等方式。

3 生產(chǎn)系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用

3.1 主要功能

生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真，可以進(jìn)行建模和實(shí)驗(yàn)分析，能夠整合資源、產(chǎn)品路線、庫存管理等信息，動態(tài)地生成系統(tǒng)活動的進(jìn)程，充分體現(xiàn)了生產(chǎn)過程和系統(tǒng)的優(yōu)越性，軟件驗(yàn)證和操作提供了用于管理的便捷方案，近年來，運(yùn)用廣泛的依然是在廣大中國市場的制造業(yè)，具體使用情況如下：（1）比較明顯的是在生產(chǎn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程再造方案方面，為可行性驗(yàn)證做出了突出貢獻(xiàn)；（2）先在制造單元分析方面提供了基礎(chǔ)制造單元程序的有效數(shù)據(jù)和依據(jù)，對物理仿真模型、設(shè)備、數(shù)量等提供了有效驗(yàn)證，保證了物理系統(tǒng)在運(yùn)行中的合理可行性，還可以對資源進(jìn)行檢查配置，并整合資源進(jìn)行核算設(shè)立和運(yùn)作，同時估算系統(tǒng)容量和生產(chǎn)周期，對預(yù)防設(shè)備故障、生產(chǎn)系統(tǒng)的影響做了有效保障；（3）在生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型建立后，生產(chǎn)管理人員可以在生產(chǎn)系統(tǒng)上調(diào)整策略，預(yù)先掌握決策，對結(jié)果進(jìn)行決策和科學(xué)管理完成。

3.2 仿真分析的一般步驟

計(jì)算機(jī)仿真分析的一般方法，大致可分為三個主要步驟：第一步是通過相關(guān)的系統(tǒng)概念和操作的要求，對系統(tǒng)變量中存在的主要問題，例如運(yùn)行規(guī)則、系統(tǒng)變量、系統(tǒng)元件關(guān)聯(lián)關(guān)系等進(jìn)行論證；第二步是收集相關(guān)的數(shù)據(jù)，并初始化仿真模型，然后根據(jù)數(shù)據(jù)輸入運(yùn)行，最后收集輸出的數(shù)據(jù)報表作為結(jié)果統(tǒng)計(jì)好；第三步是對仿真分析的決策內(nèi)容，并對生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平進(jìn)行有效提高。

4 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)例

4.1 仿真工具

目前，在生產(chǎn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真工具的應(yīng)用中大致分為三類：第一類如C/C++、FORTRUN，是通用的計(jì)算機(jī)語言；第二類如SLMAN、GASP-II等，是通用的仿真程序語言；第三類則是計(jì)算機(jī)仿真軟件。

前兩種工具對設(shè)計(jì)人員的編程能力要求較高，但是在建模的同時編程周期長、易出錯的缺點(diǎn)展露無遺。第三種工具是最容易學(xué)習(xí)和掌握的，而所需的數(shù)據(jù)都在交互式圖形界面里完成，不像前兩種工具費(fèi)時、復(fù)雜，因此在實(shí)際操作中應(yīng)用最為廣泛。在此簡單說明一下Pro model軟件，Pro-model是美國Pro model Corporation公司推出的一款功能強(qiáng)大、操作簡單的系統(tǒng)仿真軟件。它提供了由物理單元和邏輯單元兩類基本單元構(gòu)造的系統(tǒng)仿真模型，該軟件被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)系統(tǒng)性能的評估以及生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行管理和決

策中。

4.2 模擬實(shí)例

實(shí)例探析：在某呼叫中心，需要雇傭客戶服務(wù)人員來接聽客戶的呼入咨詢。如果平均一小時內(nèi)有10人次呼入，則每兩次呼叫之間，符合平均值為6分鐘的指數(shù)分布。而所雇傭服務(wù)人員接聽呼叫的時間大概為最低2分鐘/次到最高10分鐘/次，也同樣符合均值為6的平均分布。如果公司出臺相應(yīng)如下政策：（1）接聽每位客戶的平均時長少于6分鐘，那么公司需要雇傭多少名客戶服務(wù)人員？（2）若不能超過5的等待顧客數(shù)，那么這時公司需要雇傭多少名客戶服務(wù)人員？

下面我們利用Pro model軟件模擬這個系統(tǒng)：

第一，如若只雇傭一名客戶服務(wù)人員，能滿足結(jié)果（1）、（2）嗎？

經(jīng)過仿真，我們得出的結(jié)論是：顧客的平均等待時間為18.92分鐘，并且排隊(duì)等待的人數(shù)峰值達(dá)到了18人，均不符合公司政策的要求，故方案不可行。

第二，那么如若雇傭2名客戶服務(wù)人員，結(jié)果會怎樣呢？

運(yùn)行結(jié)果如圖2和圖3所示：

圖2

圖3

結(jié)果顯示為，2名客服人員情況下，平均等待時間為5.9分鐘，排隊(duì)等待的人數(shù)峰值是5，符合公司的要求。故此方案可行。

因此我們建議雇用2名客戶服務(wù)人員。憑借輸出報告結(jié)果輸出，還可以看出在整個過程中，等待人數(shù)為5人的情況僅僅出現(xiàn)了3次。

圖4

5 結(jié)語

伴隨我國制造業(yè)信息化的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)將越來越凸顯它的重要性，尤其是對于解決在制造系統(tǒng)應(yīng)用中復(fù)雜的機(jī)械問題有著廣闊的前景，不僅在自動化制造（如FMS）中，同時在用來優(yōu)化決策和一般的機(jī)械加工車間的生產(chǎn)車間生產(chǎn)體系中同樣適用。計(jì)算機(jī)普及已經(jīng)是現(xiàn)代化的標(biāo)志，針對工廠的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，后者顯得更具有現(xiàn)實(shí)的意義。本文即是在系統(tǒng)總結(jié)生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，對該領(lǐng)域的研究做了初步的探討和嘗試。

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作者簡介：馮霖（1986-），女，重慶人，南京揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司助理工程師，研究方向：化工

機(jī)械。

（責(zé)任編輯：陳 倩）