生产系统仿真软件知多少
主流市场观点认为，数字化工厂主要涉及产品设计、生产规划与生产执行三大环节，数字化建模、虚拟仿真、虚拟现实/加强现实（VR/AR）等技术包含在其中。而生产系统仿真则关注在生产规划这一环节，生产规划环节通过利用虚拟仿真技术，可以对于工厂的生产线布局、设备配置、生产制造工艺路径、物流等进行预规划，并在仿真模型“预演”的基础之上，进行分析、评估、验证，迅速发现系统运行中存在的问题和有待改进之处，并及时进行调整与优化，减少后续生产执行环节对于实体系统的更改与返工次数，从而有效减低成本、缩短工期、提高效率。”
生产系统仿真示例
这也就是说，生产系统仿真侧重于对生产线、工艺、物流等的仿真，在虚拟环境中对其进行优化。随着现代产品的复杂性增加，其工艺更加复杂，传统的流水线形式无法满足很多特定产品的生产过程，这就需要对产线的布局、工艺、物流进行设计，以避免出现效率及成本的浪费。
生产系统仿真包含内容
本文侧重于介绍生产系统仿真在产线布局、工艺过程仿真及生产物流仿真。
产线布局，即是按照厂房的空间情况，设置产线布局。产线布局应该解决生产加工区、缓存区、物料堆放区等作业单元，解决设备与设备之间的相对位置、通道的横向面积，同时解决物料搬运流程及运输方式。
产线布局就遵循以下原则：
符合工艺过程要求。即充分考虑每首工序的生产效率与时间定额，满足各工序的生产平衡，充分利用设备产能。
物流搬运时间短。在满足工艺的前提下，使得物流运输路径方便快捷，尽量避免物料交叉搬运与逆向流动，做到物流运输时间最短。
保持生产柔性。车间在制品暂存区、原料存放区、缓存区等作业单位适中，不宜过多、复杂，以免造成加工混乱和空间的严重浪费。
空间利用率高。生产区域及存储区域的空间设计都应该合理，最大限度的利用空间。
工艺过程仿真，即是按照产品的加工工艺，在虚拟环境下重现产品的加工过程。工艺仿真主要解决工艺过程中的碰撞、干涉、运动路径、人员操作的宜人性等问题。
工艺过程需要遵循以下原则：
工艺过程无碰撞、干涉。主要通过模拟装配工艺过程，及时发现装配过程中存在的干涉、碰撞等问题，提升装配工艺过程的可操作性。
人机工程。主要考虑在工艺加工过程中，工人的视线范围不被遮挡，肢体可以达到要求位置，空间大小方便工人操作，承受的负荷及操作时间不易使工人疲劳，同时在危险环境中要有安全防护措施。
装配路径最优。主要考虑减少无效的零件移动、无效的人员运作，提升装配工艺效率。
生产流程仿真，即是对物料的流动过程进行仿真，包括原材料、半成品、返修品、合格品、报废品等的流转过程进行仿真。主要解决在生产过程中物料的运输的经济性，时效性，流动路线优化，缩短搬运时间、减少路径干涉等问题。
生产流程仿真需要遵循以下原则：
优化空间利用率。即物料在流动过程中，就避免重复、冗余路线。降低库存，减少在制品数量。
生产系统能力平衡。即生产资源与人员等的合理匹配。
优化物流中的瓶颈环节与关键路径。
2 生产系统仿真过程
生产系统仿真过程可以分为三个部分，仿真规划、建模、仿真优化。在仿真规划阶段，需要明确仿真要解决的问题，搜集需要的资料；建模阶段则包括设备及流程的建模；仿真优化则是对整个生产系统进行调整优化。
生产系统仿真过程
生产系统的仿真是个复杂过程，不仅需要掌握仿真软件的操作技术，还需要对工厂的工艺、生产、流程等有相当的了解。生产系统仿真需要收集大量的资料，包括厂区布局图、设备清单与设备规格说明、生产线产品及零部件清单，零部件三维模型、厂区效果图、线边仓对应零部件或半成品数量、产品模型、工艺说明书、工艺布局图、工装夹具、工时定额、物料信息表，各工位上人员和设备的动作顺序、动作时间、动作路径信息等。
布局仿真的建模主要是厂区、厂房、生产线、物料等对象的3D 建模或模型处理，其要点在于模型的几何精度、精细度、数据量、纹理贴图效果等要符合预定要求。
物流仿真的建模则包括不同类型的设备与生产资源的实现逻辑建模；生产线流程的时序逻辑建模等；
工艺过程建模是在布局模型基础上，依据工位操作内容建立人员和设备的运动模型（运动路径与速度等）、工位上运动时序模型等。
3 生产系统仿真软件
对于这一类进行生产系统仿真的软件尚无明确的定义，名称也不统一，有些称为生产系统建模与仿真软件，有些则称为生产系统规划与仿真软件，有些又称为生产仿真软件，还有称为数字化工厂仿真软件的，本文参考周金平于2011年所著的《生产系统仿真》一书，暂称相关软件为生产系统仿真软件。维基百科中则将这一类软件称为离散事件仿真（Discrete event simulation）软件。
目前相关软件数量较多，小编整理了以下软件名单。
Flexsim是美国FlexSim公司开发的三维物流仿真软件，能应用于系统建模、仿真以及实现业务流程可视化。Flexsim中的对象参数可以表示基本上所有的存在的实物对象,如机器装备、操作人员、传送带、叉车、仓库、集装箱等,同时数据信息可以用Flexsim丰富的模型库表示出来。Flexsim具有层次结构,可以使用继承来节省开发时间。而且它还是面向对象的开放式软件。由于Flexsim的对象是开放的,所以这些对象可以在不同的用户、库和模型之间进行交换,再结合对象的高度可自定义性,可以大大提高建模的速度。FlexSim具有完全的C++面向对象(object-oriented)性，超强的3D虚拟现实(3D动画)，直观的、易懂的用户接口，卓越的柔韧性(可伸缩性)。
Plant Simulation 是一款面向对象的集成建模物流仿真优化软件，是西门子PLM产品全生命周期解决方案中的一个不可或缺的组成部分。在规划阶段可透过Plant Simulation分析全厂之设施规划方案选择、设备投资评估、暂存区、生产线平衡、瓶颈分析、派工模拟及产能分析模拟及企业再造等模拟分析，基本上与Witness和Factor/AIM一样，同样属于平面离散系统生产线仿真器。齐备了周边的机器人仿真器群。可以与CAD、CAPE、ERP、DB等软件之间实时通信。与周边的机器人仿真器群之间有强有力的关联，面向大型制造业领域的仿真群中，和Delmia公司实力相当。其主要目的是整体系统的优化等，主要与周边系统联合起来灵活使用，但是价格昂贵。
DELMIA是达索公司的产品，包含面向制造过程设计的DPE、面向物流分析的QUEST、面向装配过程分析的DPM、面向人机分析的Human、面向机器人仿真的Robotics和面向虚拟数控加工仿真的VNC几个功能模块。Quest是针对设备建模、实验、分析设备分布和工艺流程的柔性、面向对象的、基于连续事件的专用模拟软件。2D图表和3D模型均可以通过按钮式界面，对话框，扩展标准库而得到，实时交互界面允许在运行期间对变量进行修改并观察各参数的演变。Quest可单独操作或从DENEB的其它产品中输入模型，准确的确定现有的或新的系统的优化车间布置、成本、工艺流程。在周边的机器人仿真器群等方面的功能也很齐备，适用于大型制造业生产线。
Witness由英国Lanner集团用数十年系统仿真经验开发出的离散型的仿真软件,它是面向工业系统,商业系统流程的动态系统建模仿真软件平台，是该领域的主流仿真软件之一。它提供了大量描述工业系统的模型元素,如生产线上的加工中心、传送设备、缓冲存储装置等。具有交互式面向对象的建模环境，灵活的执行策略，丰富的模型单元，工程友好性强，实时的彩色动画显示，灵活的输入/输出方式。作为可选项，还具备了三维立体显示功能(VR)，扩大了其适用范围，不过三维立体显示功能是后来添加的可选项，所以不适合模型从大致轮廓的概念设计开始依次建构下去的动态过程中使用。
SIMAnimation是美国3i公司设计开发的集成化物流仿真软件,其基于图象的仿真语言,用以简化仿真模型的建立。SIMAnimation具有多方面特点:建模能力强,具有精确性较高的建模功能;在仿真软件开发和终端用户实用方面,具有较高的灵活性;参数化建模是SIMAnimation较之其他软件的独特优势,它可以通过多元非线仿真,参数设置,建立精确度较高的三维实体;SIMAnimation仿真运行结束后可根据统计数据生成仿真报告,仿真报告以表格、直方图、饼状图等形式表示,显示了各个物流设备的利用率、空闲率、阻塞率等数据。用户可根据仿真报告提供的数据对物流系统的优缺点进行判断,做出科学决策。
ShowFlow仿真软件可为制造业和物流业提供建模、仿真、动画和统计分析工具。ShowFlow可以提供生产系统的生产量，确定瓶颈位置，估测提前期和报告资源利用率。ShowFlow还可以被用来支持投资决定，校验制造系统设计的合理性，通过对不同的制造策略进行仿真实验来找出最优解。建模:可以定义队列，缓冲器，等待区域，操作任务，运输工具，输送机，AGV,立体化仓库，自动存取设备，路径等基本元素的标准属性和特殊属性。仿真:采用优化的仿真运算法则技术(OSAT)，固定的或变化的时间仿真运行，可对离散事件进行仿真。统计:可对多种概率分布(均匀、正态、指数、爱尔朗、经验分布等)进行统计分析，并带有随机数生成器。分析:输入数据分析，包括数据设置分析、最合适建议等，并可导入微软的Excel的数据。输出数据分析，包括可输出队列曲线图、柱状图、饼状图等，动态图表显示，用户自定义图表格式，并可将数据输出到微软的Excel中。动画和文档:可产生二维、三维动画，可对摄像机进行移动，缩放，旋转。可按功能性或元素排序自动生成模型文档，产生仿真事件跟踪报告，输入参数值列表等。
Stream是日本三井造船股份有限公司开发的仿真软件，其最大特点是从日文命令组中选出并排列的形式记述每一个设备的控制逻辑，关于制作完成的模型，仍然沿袭使用了其前身MiFactory，由于是日本国产工具软件，所以非常适合日本国内的需求胃口，不仅可以当作物流生产线的仿真器使用，而且在单一个机械设备的仿真方面也可以用来变通使用，由于开发商身为实力强大的机械设备生产厂家，所以在周边的机器人仿真器等方面也很齐备;其开发基础是Sil-Tools ，所以与一般的Windows 应用程序相比，其操作上的感觉有些不同，且另外还需要特殊的开发环境，所以在扩展性和技术支持方面令人担忧。
Automod是目前市面上比较成熟的三维物流仿真软件,最初是由Brooks Software公司开发的，现属于Applied Materials公司。主要包括了三大模块:AutoMod、AutoStat和AutoView。AutoMod模块提供给用户一系列的物流系统模块来仿真现实世界中的物流自动化系统。主要包括输送机模块(辊道、链式)，自动化存取系统(立体仓库、堆垛机)，基于路径的移动设备(AGV等)，起重机模块等。AutoStat模块为仿真项目提供增强的统计分析工具，由用户定义测量和实验的标准，自动在AutoMod的模型上执行统计分析。主要特点是:基于发展策略运算法则的最优化分析，用户为得到更好的模型来定义输出审核，多CPU并行计算等。AutoView可以允许用户通过AutoMod模型定义场景和摄像机的移动，产生高质量的AVI格式的动画。用户可以缩放或者平移视图，或使摄像机跟踪一个物体的移动，如叉车或托盘的运动。AutoView可以提供动态的场景描述和灵活的显示方式。
Automod建立搬运机器设备等对象物体，对各个作业流程都要建立过程语言，通过编程序才能做出作业流程。全部配置结束后，编译源程序来执行模型。作为物流仿真器，为多数用户所采用。功能十分强，如果能灵活使用的话，就能够实现相当高难度的仿真。并多数模型之间可以进行通信(Op)。建模操作十分复杂;由于对全部机器设备等对象物都需要程序命令语言，所以操作人员必须要具备编程知识;价格昂贵。
RaLC(乐龙)是上海乐龙人工智能软件有限公司(日本人工智能服务有限公司在华子公司)提供的。它是面向对象的,物流配送中心所使用的基本搬运器械设备即对象事物,包括各种传送带、自动立体仓库、平板车等,以及工作人员的装卸、分拣、叉车搬运等,全部以按钮的形式摆放在工具栏上,而且可以对对象物体的配置来进行设计,用于对各类对象物体的形状和规格建模也十分直观。RaLC乐龙系列软件在建模速度、建模操作简便性、模拟和仿真精确度等方面具有优势。
ProModel是由美国ProModel公司开发的离散事件仿真软件，它可以构造多种生产、物流和服务系统模型，是美国和欧洲使用最广泛的仿真系统之一。
ProModel基于Windows操作系统、采用图形化用户界面，并向用户提供人性化的操作环境。ProModel提供二维和3D建模及动态仿真环境场景。用户根据需求，利用键盘或鼠标选择所需的建模元素，就可以建立仿真模型。
在定义系统的输入输出、作业流程和运行逻辑时，ProModel提供了多种手段，既可以借助参数或利用条件变量进行弹性调整，也可以利用程序语言实现控制，从而改变系统的设置和运行逻辑。对制造和物流系统的人员、机器、物料、夹具、机器手、输送带等动态建模元素，可以设定元素的速度、加速度、容量、运作顺序、方向等属性。
Arena是由美国著名的Rockwell公司开发的仿真软件。通过对离散复杂系统的建模与仿真，对各种活动中涉及的有限资源分配、占用、释放方式进行研究，以实现预测分析、流程和操作评估、敏感性分析、方案/流程/决策优化、财务分析等管理研究目的。
Arena 提供简单快捷、灵活设置、弹性规模和专家建模所需的各个方面。通过提供相关特性（如流程图视图建模、层次化建模结构、可扩展的图形化资料库等）。
Arena是一种集成的仿真软件,在物流中的主要运用有:在生产过程中,进行设备布置,实现工件加工轨迹的可视化仿真等;在生产管理中,进行生产计划、库存管理、生产控制和产品市场的预测和分析等;在生产价值分析方面,可进行生产系统经济性、风险性分析,从而改进生产、降低成本或辅助企业投资决策;仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,系统仿真,流程。可实现企业流程再造可视化仿真优化,实现敏捷供应链管理的可视化仿真决策等。
Demo3D 是 Emulate3D公司开发的三款软件中的核心产品，主攻自动化系统的数字化敏捷设计、震撼展示、方案验证。
Demo3D 是唯一将摩擦力、重力、阻力、惯性等物理特性融入到物流运动过程中的仿真软件，细节更逼真，产生的效果更真实可信。支持双向导入导出AutoCAD 2D/3D DXF图纸。可以将在 AutoCAD Inventor, Solidworks, Pro/E, 3DS MAX, Google Sketchup等设计工具中的设备模型导入后，迅速制作成动态模型，并且和数字化流程结合起来，形成静态设计— 动态流程验证 — 动态流程展示 — 设计出图的良性循环。
Supply chain guru是来自美国的供应链战略规划仿真软件,它允许用户输入或导入供应链网络信息,并使用人工智能和嵌入的知识库,用以自动建立强大的离散事件仿真和网络优化模型。用户可以测定改变供应链结构或策略所带来的影响,优化模型以选择改进的供应源关联,仿真多个供应链设计方案以评估服务和费用之间的折中,预测库存投资、运输费用以及生产情况,为企业提供预算功能。
Classwarehouse是来自英国的仓库物流仿真软件,一种专门用于仓库设计的仿真软件。通过在虚拟的计算机环境来进行设计、改进和测试复杂的仓库解决方案。它还能帮助公司评估产品的产量、人员的组织以及设备情况,来量化成本、效率以及服务水平。Classwarehouse所解决的实际问题范围很广,从对新建仓库的设计、评估,到对已有仓库的某个具体生产工艺的改进,再到如何在改变供应链和客户需求时保证成本、服务和效率三者间的平衡和优化。
ExtendSim（原Extend）是美国 Imagine That Inc 公司开发的仿真软件，全球用户数量已超过25000家，在时间周期（包括制造周期、采购周期、配送周期、客服周期 、商业流程处理周期等等）、利用率（产能、设备、人员等等）、库存（在制库存、供应链库存分配、订货点/安全库存、冻结期、备品备件可靠性分析等等）、产出率（投料策略、OEE等）、生产方式（JIT、看板、CONWIP、精益制造、生产计划等等）以及其他和流程评价相关的指标 （BPR、6 西格玛等等），ExtendSim都能发挥积极的作用。
AVEVA公司在1967年从剑桥大学CAD中心的一个三维设计项目起步，在上世纪70年代末期的经济低迷时期转向商业化运作，开发出了世界上第一个三维工厂设计系统——PDMS（Plant Design Management System），该系统具备基于对象的工程数据库。现在，AVEVA Everything3D （简称AVEVA E3D）为所有 AVEVA PDMS项目提供了全面的升级支持，使用户能够在其现有的项目中充分利用 AVEVA E3D 的新增特性和功能。AVEVA E3D是 AVEVA 主要的多专业三维工厂设计解决方案。它把先进的三维图形和用户界面技术与先进的数据管理能力相结合，提供全面、高效、紧密集成的三维工厂设计解决方案。AVEVA E3D 引进了移动计算、云计算和激光扫描等最新技术创新，在工厂项目实施中采用精益方法。AVEVA E3D 与所有其他 AVEVA 工程、设计和管理产品都能完全互操作。
Factory Design Utilities软件是Product Design & Manufacturing Collection 软件包的解决方案之一，只支持软件包的整体购买。Factory Design Utilities可规划和验证工厂布局，有效放置设备。其功能包括实现创建，发布，共享和管理工厂布局的3D内容；将来自不同CAD系统的3D数据聚合到一个数字模型中进行设计和制造；实现设计设施布局，在可视化环境中检测大型设施布局中的冲突；使用流程分析来建模，研究和优化制造流程。
芬兰Visual Components是一家3D制造仿真和可视化的专业软件开发和实施公司，该公司现已被美的收购。它提供给自动化设备制造商，系统整合商，制造型公司简单、快速和具有高度成本有效性的方式构建工厂内部的整体可视化制造过程，快速设计3维设备/部件库，VC产品产生的3D动画能以PDF的形式保存和观看。Visual Components的仿真解决方案组件包括以下内容：中小企业数字化工厂 、工厂过程仿真 、设备制造商销售和营销演示 、控制器验证(PLC)和实时连接 、机器人和工作单元仿真 、应用开发（离线编程OLP）。其主要优势是VC提供的3D物流过程仿真和机器人仿真/PLC等是整合在同一个平台的，非常适合工业自动化设备制造厂商和其他设备制造商。
Bentley 成立于1984年，在50多个国家/地区拥有 3,500 余名员工，年营收超过 7亿美元。自 2012 年以来，公司在研发和收购方面已投入逾 10 亿美元。Bentley致力于为建筑师、工程师、地理信息专家、施工人员和业主运营商提供促进基础设施发展的综合软件解决方案。其覆盖的行业包括建筑设施、通讯、离散制造、电力及燃气公用事业、政府、测绘和勘测、采矿、石油天然气、发电、流程制造、轨道交通、公路和高速公路、给排水等。面对工业领域，具有多专业工厂设计和分析解决方案，其功能包括分析和模拟应力、执行三维干扰分析、设计工厂电气系统、设计工厂仪表系统、管理和解决三维碰撞检查、使用点云为改造工厂建模、执行多领域的工厂设计、参考结构模型以便进行管道应力分析。通过涵盖整个资产生命周期的集成工厂设计和分析解决方案促进项目交付和信息管理。充分利用综合数字协作设计环境中的协同设计、工作共享和虚拟化功能。通过集成设计和分析加快完成工厂基础设施项 目。