什么是过程建模与仿真？为何需要建模和仿真？

过程模型是实际系统或流程的计算机表示。图片来源 ：CRB

作者 | Philip Lyman

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过程仿真是一种非常有用的工具，可以用来比较备选方案并证明制造以及与制造相关过程成本的合理性。

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仿真，有时虽然可以与建模互换使用，但仿真其实是运行模型的成果。首先需要建模，然后利用所得的模型进行仿真研究。通常，过程模型可再现历史数据以用于验证，也可利用假设性研究来推断数据以预测未来。用户可以基于同一个模型进行多个仿真，探索替代方案或利用仿真来复制系统。

对于制造和与制造有关的过程，如批量文件、材料补充/仓储和质量测试实验室，计算机模型的主要目的是作为真实系统的替代方案（从行为的角度来看）。

在实际过程中进行试验可能成本过高或具有破坏性，也有可能实际过程还不存在，仍在设计之中。无论是哪种情况，计算机模型都可进行实验或“假设分析”研究，以加深对实际系统的了解，并识别和比较替代方 案，然后通过某种方式改进系统，这通常可以降低成本，提高产量。

使用基于计算机的建模的依据是：通常情况下，实际系统非常复杂，涉及变量之间的诸多交互作用，这些交互可能是未知的，也可能是定义不清的，而且具有明显的可变性，这往往会掩盖彼此之间的潜在关系。

好的模型是真实系统的简化，可以获得必要的彼此之间的联系，而忽略不重要的细节。如果存在可变性并且可以量化，则可以在模型中加以考虑，以获得更接近实际的结果。

 仿真的好处 

利用过程建模和仿真，我们可以从这项技术中获得哪些好处？在下面这两种情况下仿真能够更好的发挥作用 ：

设计阶段 ：设施正处于设计阶段或即将开始设计。最好是在设计初期就进行仿真，越早越好。在设计初期，根据过程仿真结果的反馈变更设计，成本要低的多。

改造 ：现有设施需要某些方面的改造。典型目标是提高产量，降低制造成本，降低库存或所有上述目标的结合。对现有设施进行研究，根据研究结果进行改造，可能需要、也可能不需要设备变更。有时，仅通过更改运行程序或生产计划，就可完成改造，非常简单。

 设计阶段中的仿真 

在新设计中，过程建模可以确定必要的工艺和支持设备的数量和规格。这对于多装置共享设备特别有用，例如就地清洁（CIP） 设 备、公用系统设计以及口服 固体药剂（OSD）设施中的粉末箱和片剂箱。某些设备可能是整个生产过程中的瓶颈，而过程模型可以识别瓶颈设备，并确保其产量限值不低于设施的业务目标。

▎在新设计中，过程建模可以确定必要的处理和支持设备的数量和规格。

该模型还将检查其它潜在的瓶颈。如果它们的约束条件接近于预期的瓶颈，那么调度中断或其它可变因素，可能会导致约束低于设计值，这样就可以有效地将更严格的瓶颈替换为期望的瓶颈。

在设计过程中，变更频繁发生。当工程师们发现更好的替代方案时，管理人员可能会改变该设施将要生产的产品数量组合。在这种情况下，设计的过程模型特别有用。该模型可用于评估备选方案，并确保变更具有成本效益，同时保持所需的产量。人员编制和轮班时间表也可以与模型进行比较。这有助于确定设计变更的成本论证。

 设施改造期间的建模 

现有设施模型的作用与设计过程中的模型类似，但有两个重要区别。

首先，有历史数据可资利用，从而可以创建更好的模型，并验证模型的性能。这有助于防止过程建模错误，并提高对模型结果的信心。其次，该模型更有可能用于运行决策，例如生产计划和轮班计划。

在这种情况下，仍然可以更换设备，但如果设施的占地面积是固定的，那么变更的规模可能就比较小。中间库存也可能因为同样的原因而被固定下来，为生产制造带来其他问题。现有设施的模型往往更接近实际、更详细，这需要更多的工程实施时间来构建、 验证和使用模型。

在正确的细节层面上，并经过适当验证的过程模型，是比较备选方案并证明其成本合理的有效工具。这些好处适用于设计阶段的新设施，以及需要改造或改进运营的现有设施。当每个设施都有其最新模型时，获益会进一步提升。

通常，在运营工业设施时需要迅速做出正确的决定，但只有事先在过程模型上投入了时间和精力，才有可能做到这 一点。