基于GPSS的工廠生產線計算機仿真

左常玲

（安徽三聯學院電子電氣工程學院，合肥 230601）

基于GPSS的工廠生產線計算機仿真

左常玲

（安徽三聯學院電子電氣工程學院，合肥 230601）

企業的生產管理是否科學合理關系到該企業的經濟效益和未來發展。對北京某民辦企業的一條生產線的優化過程進行詳細地分析，給出了一個基于GPSS的生產線排隊系統的優化方法。找出影響生產線流水段運行的瓶頸，改進該瓶頸段的設備和工作安排，找出一個比較好的生產線優化方案。

生產線；排隊系統；優化；GPSS

一　引言

企業的生產管理是一門科學，生產管理是否科學合理關系該企業的經濟效益和發展成敗，尤其是小微型的民營企業，沒有充裕的資金周轉以及購買先進的技術和設備，這是小微型民營企業的先天不足，這就要求這些小微企業要依靠自己的力量解決這一問題，設法在生產科學管理上下工夫，幸好當代有一些先進的技術和科學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題。在多變量系統中影響最后結果的因素很多，有這些變量的單獨作用，也有它們的組合作用，在實際運行該系統前很難確定這些變量的影響強弱以及它們之間的關系。計算機仿真技術為我們提供了解決問題的輔助手段，利用系統的數學模型編出計算機程序，改變參數和條件，在計算機上反復實驗，找出符合我們預期的條件和變量參數，使系統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果。通過使用GPSS程序對各系統地多次仿真，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線的技術問題，給出了改善生產線生產能力的方法。

二　關于GPSS仿真語言

GPSS語言是面向對象問題的離散事件的專用仿真語言，1961年美國IBM公司的Geoffrey Gordon發表了第一個GPSS文本，1964年Efron和Gordon又發表了GPSS語言的著作“GPSS An Expanded General Purpose Simulation”，標準的版本包含52個模塊，微機上的GPSSR/PC略少些，有38個模塊。每個模塊用特定的名稱和相應的圖形來表示其功能，且帶有一個被稱為操作數場的數據信息組，一些條件和參數可在操作數場設置。GPSS仿真語言極其精煉，每個模塊以及操作數寫在同一行里，如寫不下可以換行，而如果用諸如高級語言的程序設計語言實現GPSS的功能，則每個GPSS模塊要用幾十條乃至幾百條語句實現。GPSS語言與時間有關的模塊有兩個，一個是generate，另一個advance。其它模塊具有處理包括隊列、存儲器、邏輯開關以及輸出報表等功能。

這種語言尤其適用于排隊系統的仿真，社會上許多問題可以轉化為排隊問題，例如本文討論的生產線就可分解成一系列的排隊問題，因此GPSS語言的使用范圍很廣，所以它是目前最常用的離散事件仿真語言之一。

三　浴缸生產線的分析與改進措施

對于一個簡單的排隊系統，它的到達模式為泊松分布，服務時間為指數分布，單服務臺單隊列，排隊規則為先進先出，為了研究這一排隊系統的性能，常用下述指標衡量：

（1） 穩態平均延遲時間d

其中為第i 個任務的延遲時間（即在隊中排隊的時間），n為已接受服務的任務總數，d也就是n個任務的平均等待時間。

（2） 任務通過系統的穩態平均滯留時間W

其中Wi為第i個任務通過系統時的滯留時間，它等于任務在隊中的等待時間Di與接受服務的時間Si之和。

（3）穩態平均隊長Q

其中Q（t）為t時刻的隊列長度，T為系統仿真時間。

（4）系統中穩態平均任務數L

其中L（t）為t時刻系統中的任務個數，它為隊列中的Q（t）與正在服務的S（t）之和。

對于一條k段的生產流水線，如果要完成n個任務，該流水線的吞吐率（thoughput rate）為：

其中，為每段消耗的時間。

生產不同型號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化方案。如何對浴缸生產流水線進行分段，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線實際情況出發，盡量按段數少以及各段時間長短比較接近、且與習慣操作相差不大這幾點考慮，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數據。

表1　某型浴缸各流水段的耗時數據

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

四　浴缸生產線的仿真優化

浴缸生產線是一個典型的排隊系統，采用GPSS語言編程，對表1各流水段組成的生產線數據進行多次仿真.本系統的部分GPSS仿真程序和仿真結果如下：

圖1是按照表1的數據仿真后，該流水線5個流水段設備和5個隊列的仿真結果。

圖1　表1數據的仿真結果

從圖2數據可看出，第二段設備2（冷卻）很忙，利用率高，且2號隊中滯留的浴缸實體數最多，3-5號設備利用率很低或極低，3-5號隊列中沒有等待加工的浴缸實體，且5號設備和5號隊列僅有8個浴缸進入和加工完成。由此可見2號設備是該流水線的一大瓶頸，它滯留了大量的浴缸實體，從而使這些浴缸實體不能流暢地進入3號隊列進行加工。如果從此處著手進行改進，改進2號設備并縮短2號設備的服務時間，一定能提高此流水線的生產效率。

目前該企業的冷卻降溫均采用自然冷卻，這是在生產任務不緊急時普遍采用的方法，而一旦生產任務飽和和急于交貨時就要采用其它輔助手段加速冷卻降溫過程，例如較大功率的風冷就是可選辦法之一。假設風冷能使冷卻時間下降一半，即20—30分鐘，其它條件不變，仿真結果如圖2所示。

圖2　風冷降溫仿真結果

數據表明，單純地縮短一半冷卻時間對生產改善的效果并不明顯。第二段的滯留浴缸實體依然很多，同時第三段的鋪氈時間太長的矛盾就顯現出來了（3號隊列中有7個浴缸粗坯等待處理）。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，給出了其各段的時間安排及仿真結果。

表2　鋪氈段分組并行工作

圖3　表2仿真結果

從本次仿真結果看出各設備的利用率明顯提高，加工完成的浴缸數也達到了42件，工作效率提高了很多。

計算機仿真就是在確定了被研究對象的系統模型后，編寫出該系統的仿真程序，在計算機上進行仿真試驗，試驗后研究或檢查本次的仿真結果，找出影響仿真結果的參數和關鍵之處，進行修改后再上機仿真。通過一次次的修改參數和仿真，人們可以找到一個比較好的方案和符合預期的結果。

五　結語

使用GPSS仿真語言對工廠生產線系統的仿真是有效的，能解決因盲目安排造成的效率低下的問題。通過多次修改各隊列和設備的數據場參數，使這些數值在合理和可控的范圍變動，進行多次的仿真實驗，一定能夠找到適合該型浴缸的生產線設計方案。

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間，其它各段時間不變（見表3），三次仿真的結果列在表4、表5和表6中，表3中只列出前兩段的時間，后三段時間安排與表2相同。

表3　三次仿真方案

表4　風冷12，3，分3組，加工時間15，3

表5　風冷13，3，分3組，加工時間15，3

表6　風冷14，5，分3組，加工時間15，3

從以上三次仿真結果看，只要解決好第二段的冷卻瓶頸問題，五段流水線的設備利用率都可以提高很多，加工完成的浴缸數也會增加不少，都在50個左右。而目前這條生產線按照仿真方案組織，其一天的生產能力與仿真結果是一致的，加工完成的浴缸數達50多個，從而可以看到GPSS仿真程序能為企業生產“出謀劃策”，在企業的生產決策中發揮其獨特的作用。

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［責任編輯 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

安徽三聯學院科研項目：基于視頻的自動摔倒檢測算法研究（2013Z012）；安徽省高等教育振興計劃新專業建設項目（2013ytz082）

左常玲（1987-），女，安徽舒城人，助教，碩士，研究方向：計算機仿真，模式識別、圖像處理。