多阶段离散制造系统的数字化仿真（简易版）

本文介绍基于SimPy搭建简易多阶段离散制造系统数字化仿真。系统含2台加工单元（效率不同可并行）和1个检测单元，加工后零件送检，合格入库，不合格返工（合格率80%）。文中分步说明用SimPy构建并行加工、串联检测及返工流程的仿真过程，展示了各环节运行情况。

多阶段离散制造系统的数字化仿真（简易版）

作者：陆平

假设一个简易的多阶段离散流程生产制造系统，包含生产、检测两阶段。系统里部署了2台加工单元和1个检测单元。2个加工单元的工作效率是不一样的，但可以同时并行开工。经过加工单元，加工后的零部件会被传送至检测单元进行质量检测，检测不合格的零部件需要返工，检测合格的零部件进入仓库。

1. 开源离散事件仿真库（SimPy）搭建

本项目中的模拟环境搭建将主要采用SimPy离散事件仿真库。它是一个开源框架，SimPy源文件已经在external-libraries文件夹之中。我们使用sys.path.append方法可以把external-libraries添加至路径，方便调用。

我们首先要把现实世界中的连续生产过程进行离散化，变成一个个的离散事件。接着，把事件进行分类，可以分为持续性事件、中断事件等。持续性事件如“某生产设备持续加工某零部件”、“设备需要等待员工操作”等。中断事件如“某生产设备故障”等。

!mkdir /home/aistudio/external-libraries

mkdir: cannot create directory ‘/home/aistudio/external-libraries’: File exists

import sys sys.path.append('/home/aistudio/external-libraries') #一定得加载external-libraries至路径，否则会报错“找不到simpy”

2.并行加工事件：加工单元可以同时加工

接下来，我们构建2台可以并行运转的加工单元。加工单元的输入是in_put，它是一个store，可以理解从传送带或仓库中获取待加工的零部件。加工单元的输出是out_put, 它也是一个store，可以理解为把已经加工完毕后的零部件放入队列，然后供后续生产事件（比如检测）调用。

#导入simpy模块from simpy.core import Environment #环境，所有的事件都在环境中from simpy.resources.store import Store #存储，用它可以模拟队列、仓库from simpy.resources.resource import Resource #资源，用它可以模拟资源占用

#零部件类--调用它可以生成零部件实例class Part:    #初始化方法    def __init__(self, env, name):        self.env = env        self.name = name        self.finished = "待加工"        self.action = self.env.process(self.do())    def do(self):        yield self.env.timeout(0) #设置延迟时间为0，相当于产品自己不会发生什么变化。def process_unit1(env, in_store, out_store):    i = 0    while True:        p = yield in_store.get() #从输入仓库中获取待加工的零部件        yield env.timeout(10) #加工零部件时间流逝，生产设备1的生产效率为每隔10个单位时间，加工1个零部件        p.finished = "已加工" #设置为已加工        print('%s 在时刻%d加工完毕, 加工设备1' % (p.name, env.now))        out_store.put(p) #把已经加工后的零部件放入输出仓库        i = i+1def process_unit2(env, in_store, out_store):    i = 0    while True:        p = yield in_store.get() #从输入仓库中获取待加工的零部件        yield env.timeout(20) #加工零部件时间流逝，生产设备2的生产效率为每隔20个单位时间，加工1个零部件        p.finished = "已加工" #设置为已加工        print('%s 在时刻%d加工完毕, 加工设备2' % (p.name, env.now))        out_store.put(p) #把已经加工后的零部件放入输出仓库        i = i+1env = Environment() #生成环境实例in_store = Store(env) #生成输入仓库out_store = Store(env) #生成输出仓库#假设输入仓库中有20个待加工的零部件for i in range(20):    p = Part(env, 'part %d' % i) #创建一个待加工零部件实例    in_store.put(p) #把待加工零部件放入输入仓库env.process(process_unit1(env, in_store, out_store))env.process(process_unit2(env, in_store, out_store))env.run()

part 0 在时刻10加工完毕, 加工设备1part 1 在时刻20加工完毕, 加工设备2part 2 在时刻20加工完毕, 加工设备1part 4 在时刻30加工完毕, 加工设备1part 3 在时刻40加工完毕, 加工设备2part 5 在时刻40加工完毕, 加工设备1part 7 在时刻50加工完毕, 加工设备1part 6 在时刻60加工完毕, 加工设备2part 8 在时刻60加工完毕, 加工设备1part 10 在时刻70加工完毕, 加工设备1part 9 在时刻80加工完毕, 加工设备2part 11 在时刻80加工完毕, 加工设备1part 13 在时刻90加工完毕, 加工设备1part 12 在时刻100加工完毕, 加工设备2part 14 在时刻100加工完毕, 加工设备1part 16 在时刻110加工完毕, 加工设备1part 15 在时刻120加工完毕, 加工设备2part 17 在时刻120加工完毕, 加工设备1part 19 在时刻130加工完毕, 加工设备1part 18 在时刻140加工完毕, 加工设备2

3.串联的检测事件

接下来，我们构建1台可以检测的设备。检测设备的输入是in_put，它是一个store，可以理解从传送带或仓库中获取待检测的零部件。检测设备的输出是out_put, 它也是一个store，可以理解为把已经检测完毕后的零部件放入队列（FIFO仓库），准备出库。

#零部件类--调用它可以生成零部件实例class Part:    #初始化方法    def __init__(self, env, name):        self.env = env        self.name = name        self.finished = "待加工"        self.check="未检测"        self.action = self.env.process(self.run())    def run(self):        yield self.env.timeout(0) #设置延迟时间为0def process_unit1(env, in_store, out_store):    i = 0    while True:        p = yield in_store.get() #从输入队列中获取待加工的零部件        yield env.timeout(10) #加工零部件时间流逝，生产设备1的生产效率为每隔10个单位时间，加工1个零部件        p.finished = "已加工" #设置为已加工        print('%s 在时刻%d加工完毕, 加工设备1' % (p.name, env.now))        out_store.put(p) #把已经加工后的零部件放入输出队列        i = i+1def process_unit2(env, in_store, out_store):    i = 0    while True:        p = yield in_store.get() #从输入队列中获取待加工的零部件        yield env.timeout(20) #加工零部件时间流逝，生产设备2的生产效率为每隔20个单位时间，加工1个零部件        p.finished = "已加工" #设置为已加工        print('%s 在时刻%d加工完毕, 加工设备2' % (p.name, env.now))        out_store.put(p) #把已经加工后的零部件放入输出队列        i = i+1def test_unit(env, in_store, out_store):    i = 0    while True:        p = yield in_store.get() #从输入仓库中获取待检测的零部件        yield env.timeout(2) #检测时间流逝，每隔2个单位时间，检测1个零部件        p.check = "检测通过" #设置为检测通过        print('%s 在时刻%d检测完毕, 检测设备1' % (p.name, env.now))        out_store.put(p) #把已经检测后的零部件放入输出仓库        i = i+1env = Environment() #生成环境实例store1 = Store(env) #生成仓库1，待加工零部件储存队列store2 = Store(env) #生成仓库2，加工后的零部件储存队列store3 = Store(env) #生成仓库3，检测后的零部件储存队列#假设输入仓库中有20个待加工的零部件for i in range(20):    p = Part(env, 'part %d' % i) #创建一个待加工零部件实例    store1.put(p) #把待加工零部件放入输入仓库env.process(process_unit1(env, store1, store2))env.process(process_unit2(env, store1, store2))env.process(test_unit(env, store2, store3))env.run()

part 0 在时刻10加工完毕, 加工设备1part 0 在时刻12检测完毕, 检测设备1part 1 在时刻20加工完毕, 加工设备2part 2 在时刻20加工完毕, 加工设备1part 1 在时刻22检测完毕, 检测设备1part 2 在时刻24检测完毕, 检测设备1part 4 在时刻30加工完毕, 加工设备1part 4 在时刻32检测完毕, 检测设备1part 3 在时刻40加工完毕, 加工设备2part 5 在时刻40加工完毕, 加工设备1part 3 在时刻42检测完毕, 检测设备1part 5 在时刻44检测完毕, 检测设备1part 7 在时刻50加工完毕, 加工设备1part 7 在时刻52检测完毕, 检测设备1part 6 在时刻60加工完毕, 加工设备2part 8 在时刻60加工完毕, 加工设备1part 6 在时刻62检测完毕, 检测设备1part 8 在时刻64检测完毕, 检测设备1part 10 在时刻70加工完毕, 加工设备1part 10 在时刻72检测完毕, 检测设备1part 9 在时刻80加工完毕, 加工设备2part 11 在时刻80加工完毕, 加工设备1part 9 在时刻82检测完毕, 检测设备1part 11 在时刻84检测完毕, 检测设备1part 13 在时刻90加工完毕, 加工设备1part 13 在时刻92检测完毕, 检测设备1part 12 在时刻100加工完毕, 加工设备2part 14 在时刻100加工完毕, 加工设备1part 12 在时刻102检测完毕, 检测设备1part 14 在时刻104检测完毕, 检测设备1part 16 在时刻110加工完毕, 加工设备1part 16 在时刻112检测完毕, 检测设备1part 15 在时刻120加工完毕, 加工设备2part 17 在时刻120加工完毕, 加工设备1part 15 在时刻122检测完毕, 检测设备1part 17 在时刻124检测完毕, 检测设备1part 19 在时刻130加工完毕, 加工设备1part 19 在时刻132检测完毕, 检测设备1part 18 在时刻140加工完毕, 加工设备2part 18 在时刻142检测完毕, 检测设备1

4.零部件返工

经过质量检测，如果检测不合格，则需要返回加工单元进行返工，加工后的产品再进行质量检测，直到检测合格入库。为示意，假设零部件质量检测合格的概率为80%。

import random#零部件类--调用它可以生成零部件实例class Part:    #初始化方法    def __init__(self, env, name):        self.env = env        self.name = name        self.finished = "待加工"        self.check="未检测"        self.action = self.env.process(self.run())    def run(self):        yield self.env.timeout(0) #设置延迟时间为0def process_unit1(env, in_store, out_store):    i = 0    while True:        p = yield in_store.get() #从输入队列中获取待加工的零部件        yield env.timeout(10) #加工零部件时间流逝，生产设备1的生产效率为每隔10个单位时间，加工1个零部件        p.finished = "已加工" #设置为已加工        print('%s 在时刻%d加工完毕, 加工设备1' % (p.name, env.now))        out_store.put(p) #把已经加工后的零部件放入输出队列        i = i+1def process_unit2(env, in_store, out_store):    i = 0    while True:        p = yield in_store.get() #从输入队列中获取待加工的零部件        yield env.timeout(20) #加工零部件时间流逝，生产设备2的生产效率为每隔20个单位时间，加工1个零部件        p.finished = "已加工" #设置为已加工        print('%s 在时刻%d加工完毕, 加工设备2' % (p.name, env.now))        out_store.put(p) #把已经加工后的零部件放入输出队列        i = i+1def test_unit(env, in_store, out_store1, out_store2):    i = 0    while True:        p = yield in_store.get() #从输入仓库中获取待检测的零部件        yield env.timeout(2) #检测时间流逝，每隔2个单位时间，检测1个零部件        if random.random() < 0.8: #如果生成的随机数小于0.8，则检测通过            p.check = "检测合格" #设置为检测合格            print('%s 在时刻%d检测合格, 检测设备1' % (p.name, env.now))            out_store1.put(p) #把已经检测后的零部件放入输出仓库        else:            p.check = "检测不合格" #设置为检测不合格            print('%s 在时刻%d检测不合格, 检测设备1' % (p.name, env.now))            out_store2.put(p)        i = i+1env = Environment() #生成环境实例store1 = Store(env) #生成仓库1，待加工零部件的储存队列store2 = Store(env) #生成仓库2，加工后的零部件的储存队列store3 = Store(env) #生成仓库3，检测后的零部件的储存队列#假设输入仓库中有20个待加工的零部件for i in range(20):    p = Part(env, 'part %d' % i) #创建一个待加工零部件实例    store1.put(p) #把待加工零部件放入输入仓库env.process(process_unit1(env, store1, store2))env.process(process_unit2(env, store1, store2))env.process(test_unit(env, store2, store3, store1))env.run()

part 0 在时刻10加工完毕, 加工设备1part 0 在时刻12检测不合格, 检测设备1part 1 在时刻20加工完毕, 加工设备2part 2 在时刻20加工完毕, 加工设备1part 1 在时刻22检测合格, 检测设备1part 2 在时刻24检测合格, 检测设备1part 4 在时刻30加工完毕, 加工设备1part 4 在时刻32检测合格, 检测设备1part 3 在时刻40加工完毕, 加工设备2part 5 在时刻40加工完毕, 加工设备1part 3 在时刻42检测合格, 检测设备1part 5 在时刻44检测不合格, 检测设备1part 7 在时刻50加工完毕, 加工设备1part 7 在时刻52检测不合格, 检测设备1part 6 在时刻60加工完毕, 加工设备2part 8 在时刻60加工完毕, 加工设备1part 6 在时刻62检测合格, 检测设备1part 8 在时刻64检测合格, 检测设备1part 10 在时刻70加工完毕, 加工设备1part 10 在时刻72检测合格, 检测设备1part 9 在时刻80加工完毕, 加工设备2part 11 在时刻80加工完毕, 加工设备1part 9 在时刻82检测合格, 检测设备1part 11 在时刻84检测合格, 检测设备1part 13 在时刻90加工完毕, 加工设备1part 13 在时刻92检测不合格, 检测设备1part 12 在时刻100加工完毕, 加工设备2part 14 在时刻100加工完毕, 加工设备1part 12 在时刻102检测不合格, 检测设备1part 14 在时刻104检测合格, 检测设备1part 16 在时刻110加工完毕, 加工设备1part 16 在时刻112检测不合格, 检测设备1part 15 在时刻120加工完毕, 加工设备2part 17 在时刻120加工完毕, 加工设备1part 15 在时刻122检测合格, 检测设备1part 17 在时刻124检测合格, 检测设备1part 19 在时刻130加工完毕, 加工设备1part 19 在时刻132检测合格, 检测设备1part 18 在时刻140加工完毕, 加工设备2part 0 在时刻140加工完毕, 加工设备1part 18 在时刻142检测不合格, 检测设备1part 0 在时刻144检测不合格, 检测设备1part 7 在时刻150加工完毕, 加工设备1part 7 在时刻152检测合格, 检测设备1part 5 在时刻160加工完毕, 加工设备2part 13 在时刻160加工完毕, 加工设备1part 5 在时刻162检测合格, 检测设备1part 13 在时刻164检测不合格, 检测设备1part 16 在时刻170加工完毕, 加工设备1part 16 在时刻172检测合格, 检测设备1part 12 在时刻180加工完毕, 加工设备2part 18 在时刻180加工完毕, 加工设备1part 12 在时刻182检测合格, 检测设备1part 18 在时刻184检测合格, 检测设备1part 13 在时刻190加工完毕, 加工设备1part 13 在时刻192检测合格, 检测设备1part 0 在时刻200加工完毕, 加工设备2part 0 在时刻202检测合格, 检测设备1