「 1. 软件基本框架 」

       目前，市面上有大量可用于生产系统建模与仿真的工业软件，其称谓包括离散事件仿真软件、系统仿真软件、工厂仿真软件、物流仿真软件等，它们中的大部分都是通用型仿真软件，除了用于生产系统外，还可用于服务系统、社会系统、管理系统等大量领域，少部分则是专用型软件，聚焦于工厂及物流过程的建模分析。

       有时候，生产系统建模仿真软件被归为工艺类软件，这种归类其实不够准确，针对生产系统的建模仿真，不但可用于工艺阶段的工厂布局、生产线平衡分析、物流设计等，还可用于工厂运行阶段的性能分析与改善、生产计划模拟执行与优化、车间数字孪生等环节，后者已属于生产运营阶段。

       生产系统建模仿真软件的基本功能框架如图1所示。主要功能包括：

       （1）建模平台。基于自带模型库的支持，通过人机交互或自动脚本方式，实现生产系统的图形化建模，根据图形化的表现形式，又可分为二维和三维两种方式；

       （2）仿真引擎。它是系统的核心所在，以离散事件仿真引擎为基础，以动画引擎和脚本引擎为辅助，解析并驱动仿真模型，模拟物理系统运行；

       （3）分析与优化工具。定义分析逻辑，分析仿真过程数据，评估性能指标，并优化模型参数设计。一些仿真软件集成了专业的分析软件，比如Arena、AnyLogic、FlexSim、Simio和QUEST都集成了OptQuest这一强大的分析优化工具；

       （4）数据与控制接口。实现仿真软件与外部环境或其他系统的集成，常见的接口方式包括数据库中间件访问、Excel数据接口、Socket通信接口、Web服务接口等。

       「 2. 主流仿真软件 」

       国际上主流的生产系统仿真软件有AnyLogic、PlantSimulation、Flexsim、Simio等，使用情况统计如图2所示（引自2020年Winter Simulation Conference）。

       AnyLogic是俄罗斯的一款独创的仿真软件，它以最新的复杂系统设计方法论为基础，是第一个将UML语言引入模型仿真领域的工具，也是唯一支持混合状态机这种能有效描述离散和连续行为的语言的商业化软件，它支持离散事件模型、基于智能体、基于系统动力学进行模型开发，可将三种建模方法任意组合，对任何复杂程度的业务系统进行仿真。在AnyLogic中，可以使用多样的可视化建模语言：过程流程图、状态图、行动图、存量及流量图。它的应用领域包括：物流、供应链、制造生产业、行人交通仿真、行人疏散、城市规划建筑设计、Petri网、城市发展及生态环境、经济学、业务流程、服务系统、应急管理、GIS信息、公共政策等。

       Simio是仿真领域学术领袖Dennis Pegden博士创造的、独特的多方法论的、基于“智能对象”内核的系统仿真模拟软件/高级计划调度软件，它提供了快速和灵活的模拟能力，能够同时支持离散系统、连续系统和基于智能主体（Agent-Based）的大规模行业应用。现已成功应用于：大型交通枢纽（如国际机场、港口）的仿真分析、供应链设计和优化、离散制造业、采矿业、医疗业、军事资源配备、智能制造等多个领域，是能够实现复杂流程应用而不需编写代码的创新性的仿真产品。

       Tecnomatix Plant Simulation是由eM-Plant发展过来的一款西门子公司旗下的软件，利用离散事件仿真的强大功能进行生产量分析和优化，进而改善制造系统性能。具体有以下功能：①2D和3D统计模拟分析生产系统：提供离散事件模拟和统计分析功能，以优化材料处理、物流、机器利用率和劳动力需求。使用具有面向对象和3D建模功能的随机工具，可以提高制造精度和效率，同时提高吞吐量和整体系统性能。强大的图形可视化、图表和报告功能、遗传算法和实验工具，能够评估生产系统的行为，以便做出快速、可靠的生产决策。②能够进行自动瓶颈检测、吞吐量、资源分析等，包含桑基图和甘特图等众多可用来评估生产系统性能的工具。③包括能量分析模块，可优化现有生产系统的性能和能源使用。④可以将工厂的虚拟模型与实际工厂控制联系起来，模拟实际生产。既可以连接虚拟（软件）可编程逻辑控制器（PLC），也可以连接真实环境中的实际（硬件）PLC。该调试方案灵活开放，可与任何PLC配合使用。

       FlexSim是美国FlexSim公司开发的，迄今为止世界上第一个在图形环境中集成了C++ IDE和编译器的仿真软件。在这个软件环境，C++不但能够直接用来定义模型，而且不会在编译中出现任何问题。这样就不再需要传统的动态链接库和用户定义变量的复杂链接。FlexSim应用深层开发对象，这些对象代表着一定的活动和排序过程。要应用模板里的某个对象，只需要用鼠标把该对象从库里拖出来放在模型视窗即可。每一个对象都有坐标、速度、旋转以及一个动态行为（时间）。对象可以创建、删除，而且可以彼此嵌套移动，它们都有自己的功能或继承来自其他对象的功能。这些对象的参数可以把任何制造业、物料处理和业务流程快速、轻易、高效的描述出来。同时FlexSim的资料、图像和结果都可以与其他软件公用，而且它可以从Excel表读取资料和输出资料（或任何ODBC DATABASE），可以从生产线上读取现时资料以作分析功能。FlexSim也允许用户建立自己的实体对象（Objects）来满足用户自己的要求。

       Arena是一种管理系统模拟软件，是美国System Modeling公司于1993年开始研制开发的新一代可视化通用交互集成模拟环境，后被Rockwell公司收购。Arena很好地解决了计算机模拟与可视化技术的有机集成，兼备高级模拟器易用性和专用模拟语言柔性的优点，并且还可以与通用过程语言，如VB，Fortran，C/C++等编写的程序连接运行。自1993年推出1.0版本之后，目前已更新到16.1版本。Arena在全球拥有20多个行业、7000多个大型客户，35万多个终端许可证用户，广泛应用于制造业、物流、供应链、服务、医疗、军事、日常生产作业等行业。Arena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（如时间资源、设备资源、人力资源、空间资源）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功能，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已经成为业界领先的离散仿真软件。

       ExtendSim系统仿真软件是由美国Imagine That公司开发的通用仿真平台，支持离散系统、连续系统、混合系统，系统动力学和基于智能主体的仿真模拟。ExtendSim仿真环境为不同层次的建模者提供了多种工具，用这些工具可以高效地建立精准、可信、有用的模型。ExtendSim包含了当代仿真软件必须包含的特色：可以重复使用的建模模块、终端用户界面开发工具、灵活的自定义报告图表生成机制和与其他应用系统集成的方法。此外，ExtendSim包含一个基于消息传递的仿真引擎，提供一种迅速的模型运行机制和灵活建模机制。ExtendSim的模块可以很容易地搭建并组合在一起，这一点使得ExtendSim在众多行业得到广泛认可，包括通讯、制造、服务、卫生、物流和军事等。形象的动画、有效的调试工具和建模的透明性能够帮助校验、确认模型。ExtendSim建模的透明性可以使建模者非常容易地看到模型是怎样运行的。建模者看到模型运行的每一个细节，包括事件触发、资源分配甚至还可以更细微到每个事件的时间分配是如何解决的。这些工具缩短了确认模型所需要的时间。建模者通过拖拉的方法可以非常容易地创建完全交互式的界面模块，这些可以被保存到自己创建的模块库中，可以在将来任何建模的过程中重复使用。

       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。它基于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；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，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。此外，ProModel软件还提供基于进化算法的优化功能。

       Witness是英国Lanner集团集数十年系统仿真经验开发出的面向工业系统、商业系统流程的动态系统建模与仿真软件平台。Witness提供了大量的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、缓冲存贮装置等，以及逻辑控制元素，用户可方便地使用这些模型元素建立起工业系统的运行的逻辑描述。Witness提供了直观的流程运行的动态的动画展示，使用户清楚和直观地了解系统的运行过程，可展示系统模型在三维空间的运行效果。Witness内置强大的仿真引擎，及模型元素运行状态的多种表示方法，如饼状图、柱状图等，可实时看到系统模型各个部分的运行状态，如忙闲等，清楚地展示出流程中的拥堵环节，找出问题所在，为系统的优化设计提供重要的依据。方便的图形界面操作功能，如多窗口显示，便捷的拖拉建模方法，多种仿真结果的报表及图示。强大的建模功能模组，层次建模策略，可定制的模型组件库，允许用户定制自己领域独特的建模元素。Witness采用面向对象的建模机制，让用户更方便和细致地建立和描述自己的系统模型和模型的行为，提供了丰富的模型运行规则和属性描述函数库。在整个建模与仿真过程中，用户可根据不同阶段的仿真结果，随时修改系统模型，如添加和删除必要的模型元素，动态提高模型的精度。可方便设计与测试新设计的工厂和流程方案，平衡服务与花费，简化换班模式，评测可选的设计方案。该软件广泛应用于生产和物流系统运营管理与优化、流程改进、工厂物流模拟与规划、供应链建模与优化等。

       QUEST是由法国DELMIA公司推出的，DELMIA成立2000年6月，是达索系统集团整合旗下Deneb、Delta和Safework三家软件公司的解决方案而合并组成的e-Manufacturing软件公司。QUEST是Delmia公司开发的一种面向生产过程物流仿真与分析的三维数字化工厂开发软件。它为用户提供了一个简便的协同开发环境，以便通过合理的生产系统设计来获得良好的制造系统物流过程。通过使用QUEST对生产系统的参数（如设备布局，资源分配，生产计划等）进行实验，生产系统设计者就能够评价他们的决策对生产率和成本的影响。特点：①具有较强的三维可视化仿真功能；②提供了基于对象的建模方法，它包含了丰富的集合对象资源库，使得用户可以方便地为生产设备建模；③提供了智能化的物料运输系统模板，综合了多个生产系统参数，例如长度，速度与设备布局情况等；④提供了分析生产率、人力需求、库存水平的工具，可以用数据表、饼状图、时间序列图等多种形式来显示分析结果；⑤运用OPTQUEST中的智能搜索算法来进行实验的自动化设计。

       Automod是美国Applied Materials公司的软件产品，它由AutoMod、AutoStat和AutoView三个模块组成。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、自动化存取系统、基于路径的移动设备、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。AutoView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。AutoView可以提供动态的场景描述和灵活的显示方式，是目前市面上比较成熟的三维物流仿真软件。

       「 3. 仿真软件的现状小结 」

       目前，生产系统仿真软件基本上都来自国外，它们已广泛应用于制造、物流及供应链、服务等各领域，一般都具备以下特点：

       （1）支持多种类型的建模与仿真，包括离散事件、流程、混合等类型，甚至多智能体建模、系统动力学建模等；

       （2）具有图形化用户界面和交互式的建模环境，提供了基于对象的建模方法，包含丰富的对象资源库，用户可以方便地完成生产系统的对象建模；

       （3）能通过交互界面定义各种系统执行逻辑，且能通过系统函数灵活控制仿真过程；

       （4）提供各种分析工具，可以用图表等多种形式来显示分析结果；

       （5）面对不同场景的智能优化模块；

       （6）多种形式和类型的软件接口；

       （7）仿真速度快；

       （8）具有较强的三维可视化仿真功能；

       （9）扩展性好，开放的接口。

       然而，国外软件价格昂贵、功能虽强但学习资料较少，学习曲线长，无法进行深度定制开发，因此，这些软件的用户虽多，但尚未像CAE软件一样形成大量有价值的成功应用。国产仿真软件基本为零，“卡脖子”现象较为严重。