基于GPSS的工廠生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)仿真

左常玲

（安徽三聯(lián)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，合肥 230601）

基于GPSS的工廠生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)仿真

左常玲

（安徽三聯(lián)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，合肥 230601）

企業(yè)的生產(chǎn)管理是否科學(xué)合理關(guān)系到該企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和未來(lái)發(fā)展。對(duì)北京某民辦企業(yè)的一條生產(chǎn)線的優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)地分析，給出了一個(gè)基于GPSS的生產(chǎn)線排隊(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化方法。找出影響生產(chǎn)線流水段運(yùn)行的瓶頸，改進(jìn)該瓶頸段的設(shè)備和工作安排，找出一個(gè)比較好的生產(chǎn)線優(yōu)化方案。

生產(chǎn)線；排隊(duì)系統(tǒng)；優(yōu)化；GPSS

一　引言

企業(yè)的生產(chǎn)管理是一門科學(xué)，生產(chǎn)管理是否科學(xué)合理關(guān)系該企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展成敗，尤其是小微型的民營(yíng)企業(yè)，沒(méi)有充裕的資金周轉(zhuǎn)以及購(gòu)買先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，這是小微型民營(yíng)企業(yè)的先天不足，這就要求這些小微企業(yè)要依靠自己的力量解決這一問(wèn)題，設(shè)法在生產(chǎn)科學(xué)管理上下工夫，幸好當(dāng)代有一些先進(jìn)的技術(shù)和科學(xué)的方法成為我們決策的輔助工具和可選手段。使用這些工具和手段有可能幫助我們解決問(wèn)題。在多變量系統(tǒng)中影響最后結(jié)果的因素很多，有這些變量的單獨(dú)作用，也有它們的組合作用，在實(shí)際運(yùn)行該系統(tǒng)前很難確定這些變量的影響強(qiáng)弱以及它們之間的關(guān)系。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為我們提供了解決問(wèn)題的輔助手段，利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型編出計(jì)算機(jī)程序，改變參數(shù)和條件，在計(jì)算機(jī)上反復(fù)實(shí)驗(yàn)，找出符合我們預(yù)期的條件和變量參數(shù)，使系統(tǒng)朝著我們所期望的方向演變，最終得到較好的或符合我們要求的結(jié)果。通過(guò)使用GPSS程序?qū)Ω飨到y(tǒng)地多次仿真，決策者可得到大量的參考信息，這些信息可以幫助和指導(dǎo)他們做出正確的思考和決策。本文討論了北京某公司的一條生產(chǎn)線的技術(shù)問(wèn)題，給出了改善生產(chǎn)線生產(chǎn)能力的方法。

二　關(guān)于GPSS仿真語(yǔ)言

GPSS語(yǔ)言是面向?qū)ο髥?wèn)題的離散事件的專用仿真語(yǔ)言，1961年美國(guó)IBM公司的Geoffrey Gordon發(fā)表了第一個(gè)GPSS文本，1964年Efron和Gordon又發(fā)表了GPSS語(yǔ)言的著作“GPSS An Expanded General Purpose Simulation”，標(biāo)準(zhǔn)的版本包含52個(gè)模塊，微機(jī)上的GPSSR/PC略少些，有38個(gè)模塊。每個(gè)模塊用特定的名稱和相應(yīng)的圖形來(lái)表示其功能，且?guī)в幸粋€(gè)被稱為操作數(shù)場(chǎng)的數(shù)據(jù)信息組，一些條件和參數(shù)可在操作數(shù)場(chǎng)設(shè)置。GPSS仿真語(yǔ)言極其精煉，每個(gè)模塊以及操作數(shù)寫(xiě)在同一行里，如寫(xiě)不下可以換行，而如果用諸如高級(jí)語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)GPSS的功能，則每個(gè)GPSS模塊要用幾十條乃至幾百條語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。GPSS語(yǔ)言與時(shí)間有關(guān)的模塊有兩個(gè)，一個(gè)是generate，另一個(gè)advance。其它模塊具有處理包括隊(duì)列、存儲(chǔ)器、邏輯開(kāi)關(guān)以及輸出報(bào)表等功能。

這種語(yǔ)言尤其適用于排隊(duì)系統(tǒng)的仿真，社會(huì)上許多問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為排隊(duì)問(wèn)題，例如本文討論的生產(chǎn)線就可分解成一系列的排隊(duì)問(wèn)題，因此GPSS語(yǔ)言的使用范圍很廣，所以它是目前最常用的離散事件仿真語(yǔ)言之一。

三　浴缸生產(chǎn)線的分析與改進(jìn)措施

對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的排隊(duì)系統(tǒng)，它的到達(dá)模式為泊松分布，服務(wù)時(shí)間為指數(shù)分布，單服務(wù)臺(tái)單隊(duì)列，排隊(duì)規(guī)則為先進(jìn)先出，為了研究這一排隊(duì)系統(tǒng)的性能，常用下述指標(biāo)衡量：

（1） 穩(wěn)態(tài)平均延遲時(shí)間d

其中為第i 個(gè)任務(wù)的延遲時(shí)間（即在隊(duì)中排隊(duì)的時(shí)間），n為已接受服務(wù)的任務(wù)總數(shù)，d也就是n個(gè)任務(wù)的平均等待時(shí)間。

（2） 任務(wù)通過(guò)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平均滯留時(shí)間W

其中Wi為第i個(gè)任務(wù)通過(guò)系統(tǒng)時(shí)的滯留時(shí)間，它等于任務(wù)在隊(duì)中的等待時(shí)間Di與接受服務(wù)的時(shí)間Si之和。

（3）穩(wěn)態(tài)平均隊(duì)長(zhǎng)Q

其中Q（t）為t時(shí)刻的隊(duì)列長(zhǎng)度，T為系統(tǒng)仿真時(shí)間。

（4）系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)平均任務(wù)數(shù)L

其中L（t）為t時(shí)刻系統(tǒng)中的任務(wù)個(gè)數(shù)，它為隊(duì)列中的Q（t）與正在服務(wù)的S（t）之和。

對(duì)于一條k段的生產(chǎn)流水線，如果要完成n個(gè)任務(wù)，該流水線的吞吐率（thoughput rate）為：

其中，為每段消耗的時(shí)間。

生產(chǎn)不同型號(hào)的浴缸的流水線方案是不同的，本文以1.70公尺的某型浴缸為例深入分析和討論其流水線的優(yōu)化方案。如何對(duì)浴缸生產(chǎn)流水線進(jìn)行分段，從不同的角度看有不同的分段方法，本文采用的方法從生產(chǎn)線實(shí)際情況出發(fā)，盡量按段數(shù)少以及各段時(shí)間長(zhǎng)短比較接近、且與習(xí)慣操作相差不大這幾點(diǎn)考慮，將其流水線分成五段，表1給出了該型浴缸各流水段的耗時(shí)數(shù)據(jù)。

表1　某型浴缸各流水段的耗時(shí)數(shù)據(jù)

從表1看到，加熱成形所花時(shí)間最少，冷卻段耗時(shí)最多，是該流水線的瓶頸段。要提高流水線的生產(chǎn)效率，就要先從第二段（冷卻段）開(kāi)始，考慮流水線的改進(jìn)方案。

四　浴缸生產(chǎn)線的仿真優(yōu)化

浴缸生產(chǎn)線是一個(gè)典型的排隊(duì)系統(tǒng)，采用GPSS語(yǔ)言編程，對(duì)表1各流水段組成的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)進(jìn)行多次仿真.本系統(tǒng)的部分GPSS仿真程序和仿真結(jié)果如下：

圖1是按照表1的數(shù)據(jù)仿真后，該流水線5個(gè)流水段設(shè)備和5個(gè)隊(duì)列的仿真結(jié)果。

圖1　表1數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果

從圖2數(shù)據(jù)可看出，第二段設(shè)備2（冷卻）很忙，利用率高，且2號(hào)隊(duì)中滯留的浴缸實(shí)體數(shù)最多，3-5號(hào)設(shè)備利用率很低或極低，3-5號(hào)隊(duì)列中沒(méi)有等待加工的浴缸實(shí)體，且5號(hào)設(shè)備和5號(hào)隊(duì)列僅有8個(gè)浴缸進(jìn)入和加工完成。由此可見(jiàn)2號(hào)設(shè)備是該流水線的一大瓶頸，它滯留了大量的浴缸實(shí)體，從而使這些浴缸實(shí)體不能流暢地進(jìn)入3號(hào)隊(duì)列進(jìn)行加工。如果從此處著手進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)2號(hào)設(shè)備并縮短2號(hào)設(shè)備的服務(wù)時(shí)間，一定能提高此流水線的生產(chǎn)效率。

目前該企業(yè)的冷卻降溫均采用自然冷卻，這是在生產(chǎn)任務(wù)不緊急時(shí)普遍采用的方法，而一旦生產(chǎn)任務(wù)飽和和急于交貨時(shí)就要采用其它輔助手段加速冷卻降溫過(guò)程，例如較大功率的風(fēng)冷就是可選辦法之一。假設(shè)風(fēng)冷能使冷卻時(shí)間下降一半，即20—30分鐘，其它條件不變，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2　風(fēng)冷降溫仿真結(jié)果

數(shù)據(jù)表明，單純地縮短一半冷卻時(shí)間對(duì)生產(chǎn)改善的效果并不明顯。第二段的滯留浴缸實(shí)體依然很多，同時(shí)第三段的鋪氈時(shí)間太長(zhǎng)的矛盾就顯現(xiàn)出來(lái)了（3號(hào)隊(duì)列中有7個(gè)浴缸粗坯等待處理）。如果將鋪氈段分成兩組或三組并行工作，就可以消除第三段阻礙正常流水線的不良影響。表2和圖3是基于這種考慮的一種方案，給出了其各段的時(shí)間安排及仿真結(jié)果。

表2　鋪氈段分組并行工作

圖3　表2仿真結(jié)果

從本次仿真結(jié)果看出各設(shè)備的利用率明顯提高，加工完成的浴缸數(shù)也達(dá)到了42件，工作效率提高了很多。

計(jì)算機(jī)仿真就是在確定了被研究對(duì)象的系統(tǒng)模型后，編寫(xiě)出該系統(tǒng)的仿真程序，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)后研究或檢查本次的仿真結(jié)果，找出影響仿真結(jié)果的參數(shù)和關(guān)鍵之處，進(jìn)行修改后再上機(jī)仿真。通過(guò)一次次的修改參數(shù)和仿真，人們可以找到一個(gè)比較好的方案和符合預(yù)期的結(jié)果。

五　結(jié)語(yǔ)

使用GPSS仿真語(yǔ)言對(duì)工廠生產(chǎn)線系統(tǒng)的仿真是有效的，能解決因盲目安排造成的效率低下的問(wèn)題。通過(guò)多次修改各隊(duì)列和設(shè)備的數(shù)據(jù)場(chǎng)參數(shù)，使這些數(shù)值在合理和可控的范圍變動(dòng)，進(jìn)行多次的仿真實(shí)驗(yàn)，一定能夠找到適合該型浴缸的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案。

以下給出了三次仿真的方案，這三次仿真僅改變冷卻流水段的時(shí)間，其它各段時(shí)間不變（見(jiàn)表3），三次仿真的結(jié)果列在表4、表5和表6中，表3中只列出前兩段的時(shí)間，后三段時(shí)間安排與表2相同。

表3　三次仿真方案

表4　風(fēng)冷12，3，分3組，加工時(shí)間15，3

表5　風(fēng)冷13，3，分3組，加工時(shí)間15，3

表6　風(fēng)冷14，5，分3組，加工時(shí)間15，3

從以上三次仿真結(jié)果看，只要解決好第二段的冷卻瓶頸問(wèn)題，五段流水線的設(shè)備利用率都可以提高很多，加工完成的浴缸數(shù)也會(huì)增加不少，都在50個(gè)左右。而目前這條生產(chǎn)線按照仿真方案組織，其一天的生產(chǎn)能力與仿真結(jié)果是一致的，加工完成的浴缸數(shù)達(dá)50多個(gè)，從而可以看到GPSS仿真程序能為企業(yè)生產(chǎn)“出謀劃策”，在企業(yè)的生產(chǎn)決策中發(fā)揮其獨(dú)特的作用。

［1］王明亮.GPSSWorld模擬仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

［2］姜林奇.管理系統(tǒng)模擬與GPSS語(yǔ)言［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］范炳健.管理仿真系統(tǒng)GPSS/C的進(jìn)一步研究與開(kāi)發(fā)［D］.北京工業(yè)大學(xué)，2002.

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［5］張芳，王喜成.基于GPSS的庫(kù)存管理系統(tǒng)模擬［J］.物流技術(shù). 2007（02）.

［6］楊曌，趙紅澤，溫曉可，等.基于GPSS/H的露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)仿真優(yōu)化研究［J］.煤炭工程，2015（02）.

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［責(zé)任編輯 張燦邦］

The Computer Simulation of Factory Production Lines Based on GPSS

ZUO Chang-ling
（Institute of Elechronics and Electrical Engineering ，AnHui Sanlian University，Hefei 230601，China）

It is of great significance to its economic benefits and future development whether the production management of an enterprise is scientific and rational. Through the investigation of a production line of a private enterprise in Beijing，the optimization process is analyzed in detail，and an optimization method based on GPSS production lines queuing system is proposed in this paper. The bottlenecks of affecting the running of production lines water segments are identified，equipments and working arrangements of the bottleneck segments are improved，and a better production lines optimization scheme is given.

Production lines； Queuing system； Optimization； GPSS

TP3

A

1008-9128（2016）05-0057-03

10.13963/j.cnki.hhuxb.2016.05.016

2015-11-05

安徽三聯(lián)學(xué)院科研項(xiàng)目：基于視頻的自動(dòng)摔倒檢測(cè)算法研究（2013Z012）；安徽省高等教育振興計(jì)劃新專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（2013ytz082）

左常玲（1987-），女，安徽舒城人，助教，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)仿真，模式識(shí)別、圖像處理。