林立霖，郭舒雋

(1.閩江學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)管理中心，福建 福州 350108；2.閩江學(xué)院海洋學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

大型科學(xué)儀器設(shè)備是高校開展教學(xué)和科研活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是吸引高端人才、取得高水平成果、培養(yǎng)高素質(zhì)學(xué)生、提升綜合競(jìng)爭(zhēng)力的必要條件[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，大型科學(xué)儀器設(shè)備的更新速度不斷加快，因此，合理、高效地利用大型科學(xué)儀器設(shè)備，才能使其價(jià)值真正得到充分發(fā)揮。場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡是高校中通用性和使用率最高的大型科學(xué)儀器設(shè)備之一，其運(yùn)行過程具有很好的代表性和研究?jī)r(jià)值。

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(field emission scanning electron microscope，F(xiàn)ESEM)具有放大倍數(shù)可調(diào)范圍寬、分辨率高、景深大、圖像細(xì)節(jié)豐富立體感強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)成為顯微分析的主要方法，在化學(xué)、生物、材料、機(jī)械、地質(zhì)學(xué)等研究領(lǐng)域中得到了廣泛運(yùn)用[2]。場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡的運(yùn)行過程具有復(fù)雜性和隨機(jī)性，為了實(shí)現(xiàn)其合理、高效的利用，可以通過系統(tǒng)仿真的方法對(duì)其進(jìn)行研究分析。系統(tǒng)從仿真實(shí)現(xiàn)的角度可分為連續(xù)系統(tǒng)和離散事件系統(tǒng)，其中離散事件系統(tǒng)是指系統(tǒng)狀態(tài)在某些隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生離散變化的系統(tǒng)。離散事件系統(tǒng)的時(shí)間是連續(xù)變化的，而系統(tǒng)的狀態(tài)只在一些離散的時(shí)刻由隨機(jī)事件的驅(qū)動(dòng)而發(fā)生變化[3]。絕大多數(shù)生產(chǎn)制造系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、服務(wù)系統(tǒng)都屬于離散事件系統(tǒng)，而場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程是典型的離散事件系統(tǒng)。研究這類系統(tǒng)的主要目標(biāo)不是行為的點(diǎn)軌跡而是系統(tǒng)行為的統(tǒng)計(jì)性能。本文以某高校的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程為研究對(duì)象，在Flexsim環(huán)境下進(jìn)行建模、仿真，對(duì)仿真得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出優(yōu)化方案并進(jìn)行驗(yàn)證。

Flexsim是一款面向生產(chǎn)制造、交通運(yùn)輸、物流配送、服務(wù)管理等領(lǐng)域的離散事件系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)、制作與分析工具軟件。該軟件集仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)三維圖像處理技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和人工智能技術(shù)為一體，提供三維圖形化建模環(huán)境，具有高度可視、界面友好、操作便捷、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)[4]。Flexsim提供了發(fā)生器、暫存區(qū)、處理器、吸收器等多種業(yè)務(wù)單元，可以快速建立系統(tǒng)的運(yùn)行模型。使用Flexsim建模，可以模擬和觀察實(shí)際生產(chǎn)中的各種狀況，方便對(duì)不同策略進(jìn)行模擬運(yùn)行和對(duì)比分析，確定優(yōu)化方案。

1 基本理論

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程可以視為一種特殊的服務(wù)系統(tǒng)排隊(duì)過程，對(duì)其研究要綜合考慮服務(wù)機(jī)構(gòu)(場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡機(jī)組)和顧客(測(cè)試任務(wù))的利益。對(duì)服務(wù)機(jī)構(gòu)而言，其主要的期望是獲得最大的效益及合理的工作強(qiáng)度；對(duì)顧客而言，其主要的期望是盡可能短的服務(wù)等待時(shí)間和盡可能高的服務(wù)質(zhì)量[5]。場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程的主要指標(biāo)如下：

1)運(yùn)行效益指標(biāo)，包括儀器年測(cè)試樣品總量N、儀器年實(shí)際使用有效機(jī)時(shí)數(shù)Ha以及儀器年使用效率η，其中，

(1)

式中，Hr為儀器年額定機(jī)時(shí)數(shù)。由于場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡為多學(xué)科公共服務(wù)用儀器，Hr=1 000 h(5 h×200 d)[6]。

2)等待時(shí)間指標(biāo)，包括測(cè)試任務(wù)平均等待時(shí)長(zhǎng)Wavg和測(cè)試任務(wù)最大等待時(shí)長(zhǎng)Wmax，其中：

(2)

Wmax=max{Wi}

(3)

式中，Wi為測(cè)試任務(wù)i的等待服務(wù)時(shí)長(zhǎng)，為便于統(tǒng)計(jì)，Wi以工作日為單位。通常情況下，為保障科研效率，Wmax應(yīng)小于5個(gè)工作日為宜。

3)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡結(jié)構(gòu)精密，操作復(fù)雜，對(duì)操作人員要求較高，因此操作人員的工作強(qiáng)度對(duì)測(cè)試質(zhì)量有較大的影響。為評(píng)價(jià)工作強(qiáng)度，定義工作時(shí)長(zhǎng)大于1.4倍日額定工作時(shí)長(zhǎng)或小于0.6倍日額定工作時(shí)長(zhǎng)的工作日為非正常強(qiáng)度日，則有非正常強(qiáng)度日比例pu：

(4)

式中，du為非正常強(qiáng)度日天數(shù)，D為儀器總工作天數(shù)。pu越大，機(jī)組工作強(qiáng)度越不穩(wěn)定，越可能對(duì)測(cè)試質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

2 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程仿真

2.1 仿真模型的建立

通過對(duì)某高校的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡機(jī)組調(diào)研，獲得其運(yùn)行流程如下。

該機(jī)組工作時(shí)間為工作日的8∶30—16∶30，測(cè)試任務(wù)采用人工登記管理。測(cè)試任務(wù)到達(dá)時(shí)，若機(jī)組空閑，則進(jìn)入測(cè)試流程，否則進(jìn)入等待隊(duì)列，待機(jī)組空閑時(shí)，將優(yōu)先為等待時(shí)間最長(zhǎng)的一個(gè)測(cè)試任務(wù)提供服務(wù)，即先到先服務(wù)原則(FCFS)。

進(jìn)入測(cè)試流程后，機(jī)組會(huì)根據(jù)樣品自身的導(dǎo)電性采取不同操作。導(dǎo)電性較好的樣品可以直接使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行觀測(cè)；不導(dǎo)電的樣品需要使用離子濺射儀蒸鍍導(dǎo)電膜后進(jìn)行掃描電鏡顯微結(jié)構(gòu)表征[7]。該機(jī)組測(cè)試任務(wù)中約50%的樣品為不導(dǎo)電樣品，離子濺射儀蒸鍍導(dǎo)電膜的樣品制備時(shí)間為20 min。測(cè)試任務(wù)的難易不同，場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡所需的測(cè)試服務(wù)時(shí)長(zhǎng)也不同，沒有固定值。

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡機(jī)組運(yùn)行流程如圖1所示。

圖1 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡機(jī)組運(yùn)行流程圖

根據(jù)以上信息，選擇Flexsim固定資源實(shí)體中的“Queue”代表等待隊(duì)列，“Processor”代表離子濺射儀和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，移動(dòng)資源實(shí)體中的“Operator”代表機(jī)組實(shí)驗(yàn)員。按照測(cè)試任務(wù)的流動(dòng)路徑將模型內(nèi)各固定資源實(shí)體的輸入輸出端口用“Connect Objects(A)”連接，建立模型的臨時(shí)實(shí)體流，再根據(jù)調(diào)用關(guān)系將相應(yīng)的固定資源實(shí)體和移動(dòng)資源實(shí)體的中間端口用“Connect Center Ports(S)”連接。圖2為建立的仿真模型。設(shè)置等待隊(duì)列“Flow”中的“Send To Port”為“Conditional Port”，根據(jù)測(cè)試任務(wù)的類型分別發(fā)送到“場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡”或“離子濺射儀”。

圖2 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程仿真模型

為實(shí)現(xiàn)模型時(shí)間控制，需要引入一組“Source”“Conveyor”“Sink”組成計(jì)時(shí)器。“Source”設(shè)置為“Inter Arrival Time”“Arrival at time 0”“86400”，同時(shí)設(shè)置其“Triggers”中的“On Creation”為“Send Message”，按照工作時(shí)間編寫消息發(fā)送機(jī)制，消息發(fā)送對(duì)象為各固定資源實(shí)體。設(shè)置各固定資源實(shí)體“Triggers”中的“On Message”為“Close and Open Ports”，當(dāng)“msgparam == 0”時(shí)為“Closeinput”，當(dāng)“msgparam == 1”時(shí)為“Openinput”。

2.2 仿真模型的參數(shù)設(shè)置

2.2.1 固定資源實(shí)體參數(shù)設(shè)置

因?yàn)閳?chǎng)發(fā)射掃描電鏡的測(cè)試任務(wù)服務(wù)時(shí)長(zhǎng)為連續(xù)隨機(jī)變量，設(shè)置“Process Time”需獲得其理論分布。通過對(duì)調(diào)研收集到的該高校場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡7 252個(gè)日志文件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，得到從2017年11月到2019年12月期間的共881組測(cè)試任務(wù)服務(wù)時(shí)長(zhǎng)原始數(shù)據(jù)。利用統(tǒng)計(jì)擬合軟件ExpertFit對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 測(cè)試任務(wù)服務(wù)時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行理論分布擬合，并通過Anderson-Darling檢驗(yàn)、Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)、卡方檢驗(yàn)以及Density-Histogram圖、Distribution-Function-Differences圖、P-P圖等圖形化檢驗(yàn)如圖4所示，得到該場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡的測(cè)試任務(wù)服務(wù)時(shí)長(zhǎng)服從皮爾遜VI型分布，該分布在Flexsim中的表達(dá)式如圖5所示，照此設(shè)置模型中“場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡”的“Process Time”?！半x子濺射儀”的“Process Time”設(shè)置為1 200 s(20 min)。

圖4 分布擬合圖形化檢驗(yàn)

圖5 服務(wù)時(shí)長(zhǎng)分布的Flexsim表達(dá)式

2.2.2 模型輸入?yún)?shù)設(shè)置

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程具有一定的柔性緩沖能力，因此通常選擇系統(tǒng)在η=100%(即Ha=1 000 h)且任務(wù)吞吐量動(dòng)態(tài)平衡情況下的指標(biāo)作為衡量其總體性能的標(biāo)準(zhǔn)。

將“任務(wù)發(fā)生器”設(shè)置為0時(shí)刻到達(dá)10 000個(gè)，設(shè)置模型的仿真停止時(shí)間為17 280 000 s(200個(gè)工作日)。運(yùn)行仿真，得到模型的輸出量為2 750個(gè)，每工作日(8 h)平均輸出量為13.75個(gè)，從而計(jì)算出平均輸出時(shí)間間隔為2 094.5 s。測(cè)試任務(wù)的到達(dá)過程服從泊松分布[8]，任務(wù)到達(dá)的時(shí)間間隔X服從指數(shù)分布，即X～E(λ)，其中，λ>0為常數(shù)。X的期望：

(5)

在Flexsim中，指數(shù)分布輸出函數(shù)為exponential(γ,β,getstream(current))，其中，γ即X可取的最小值，設(shè)為0，β即X的期望E(X)，考慮到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡及緩沖能力，將β設(shè)為2 100，getstream(current)為隨機(jī)數(shù)流，采用默認(rèn)值即可，因此，將“任務(wù)發(fā)生器”設(shè)置為“Inter-Arrivaltime”“exponential(0,2100,getstream(current))”。同時(shí)設(shè)置其“Triggers”中的“On Creation”為“Set Item Type”“duniform(1,2,getstream(current))”來模擬生成導(dǎo)電性不同的測(cè)試任務(wù)。

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

由于場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程具有的隨機(jī)性，為能全面測(cè)試系統(tǒng)的真實(shí)性能，因此將仿真停止時(shí)間設(shè)置為172 800 000s(2 000個(gè)工作日)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，測(cè)試任務(wù)等待服務(wù)時(shí)長(zhǎng)分布如圖6所示。

圖6 測(cè)試任務(wù)等待服務(wù)時(shí)長(zhǎng)分布圖

表1 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以求出，Wavg為1.8個(gè)工作日，Wmax為9個(gè)工作日，等待服務(wù)時(shí)長(zhǎng)方差為5.24。因采取固定工作時(shí)長(zhǎng)，工作強(qiáng)度穩(wěn)定，pu=0。從仿真結(jié)果來看，該場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程存在著系統(tǒng)穩(wěn)定性較差、等待服務(wù)時(shí)長(zhǎng)波動(dòng)較大、部分測(cè)試任務(wù)等待時(shí)間過長(zhǎng)等問題，限制了場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡科研價(jià)值的發(fā)揮，并可能影響到相關(guān)科研項(xiàng)目的進(jìn)度。

3 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程優(yōu)化

3.1 預(yù)約共享運(yùn)行模式介紹

預(yù)約共享運(yùn)行模式近年來陸續(xù)被一些高校、科研機(jī)構(gòu)所采用，其主要思想是利用信息化技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上展示儀器信息并提供預(yù)約服務(wù)，需要依靠?jī)x器預(yù)約共享系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。在預(yù)約共享運(yùn)行模式下，用戶需至少提前一個(gè)工作日進(jìn)行預(yù)約排號(hào)，待管理員審核后，在預(yù)定的工作日等待叫號(hào)，送樣測(cè)試；儀器預(yù)約共享系統(tǒng)根據(jù)預(yù)約排號(hào)的情況和儀器的工作特點(diǎn)向儀器機(jī)組發(fā)放測(cè)試任務(wù)；儀器機(jī)組每個(gè)工作日需完成系統(tǒng)當(dāng)日發(fā)放的測(cè)試任務(wù)。

預(yù)約共享運(yùn)行模式可以使儀器信息和運(yùn)行狀態(tài)公開透明，測(cè)試任務(wù)等待時(shí)間明確可期，借助儀器預(yù)約共享系統(tǒng)還可有效提高儀器管理效率[9]，但是否能優(yōu)化場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程存在的問題，還需要通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步論證。

3.2 預(yù)約共享系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)與參數(shù)設(shè)置

在原場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程仿真模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，新增一個(gè)固定資源實(shí)體“Queue”代表儀器預(yù)約共享系統(tǒng)，原“等待隊(duì)列”修改為“當(dāng)日隊(duì)列”，如圖7所示。通過設(shè)置計(jì)時(shí)器用“Source”中的“Triggers”，按照延遲0秒發(fā)送信息“0”、延遲86 399 s發(fā)送信息“1”編寫消息發(fā)送機(jī)制，發(fā)送對(duì)象為“儀器預(yù)約共享系統(tǒng)”，在仿真模型中實(shí)現(xiàn)提前一個(gè)工作日預(yù)約排號(hào)的業(yè)務(wù)要求。

圖7 加入預(yù)約共享系統(tǒng)的仿真模型

在預(yù)約共享運(yùn)行模式下，儀器預(yù)約共享系統(tǒng)每日可向儀器機(jī)組發(fā)放測(cè)試任務(wù)數(shù)的最大值是影響儀器運(yùn)行過程的關(guān)鍵決策參數(shù)，即“當(dāng)日隊(duì)列”中的“Maximum Content”。因該場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡機(jī)組每工作日(8 h)平均輸出量為13.75個(gè)，分別設(shè)置“Maximum Content”為14、15、16、17，得到仿真模型的運(yùn)行情況見表2。

表2 不同最大任務(wù)數(shù)下仿真模型運(yùn)行情況

從表2可以看出，隨著系統(tǒng)每日可發(fā)放最大任務(wù)數(shù)的增大，Wavg和Wmax減小，測(cè)試任務(wù)排隊(duì)等待時(shí)間減少；同時(shí)pu增大，場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡機(jī)組的工作強(qiáng)度穩(wěn)定性變差。當(dāng)系統(tǒng)每日可發(fā)放最大任務(wù)數(shù)為15個(gè)時(shí)，Wmax小于5個(gè)工作日且pu較小可以接受，因此設(shè)置“當(dāng)日隊(duì)列”中的“Maximum Content”為15。

3.3 仿真結(jié)果與分析

將預(yù)約共享運(yùn)行模式的仿真模型仿真停止時(shí)間設(shè)置為172 800 000 s(2 000個(gè)工作日)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3，測(cè)試任務(wù)等待服務(wù)時(shí)長(zhǎng)分布如圖8所示。

表3 預(yù)約共享運(yùn)行模式的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 預(yù)約共享運(yùn)行模式的等待時(shí)長(zhǎng)分布圖

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以求出，Wavg為1.3個(gè)工作日，Wmax為4個(gè)工作日，等待服務(wù)時(shí)長(zhǎng)方差為0.27。從仿真結(jié)果來看，預(yù)約共享運(yùn)行模式下場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程的平均等待時(shí)長(zhǎng)減少27.8%，可能出現(xiàn)的最大等待時(shí)長(zhǎng)縮短到可以接受的范圍，等待服務(wù)時(shí)長(zhǎng)波動(dòng)大幅減少，系統(tǒng)穩(wěn)定性顯著提升。因此，采用預(yù)約共享運(yùn)行模式能有效優(yōu)化場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程。

4 結(jié)論

本文以場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程為研究對(duì)象，通過對(duì)某高校的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡機(jī)組調(diào)研獲得其運(yùn)行流程并對(duì)其測(cè)試任務(wù)服務(wù)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行理論分布擬合，在此基礎(chǔ)上利用Flexsim對(duì)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡運(yùn)行過程進(jìn)行建模、仿真，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過程存在等待服務(wù)時(shí)長(zhǎng)波動(dòng)大、部分測(cè)試任務(wù)等待時(shí)間長(zhǎng)等問題；通過仿真實(shí)驗(yàn)證明采用預(yù)約共享運(yùn)行模式能有效解決上述問題，優(yōu)化運(yùn)行過程，對(duì)大型科學(xué)儀器設(shè)備利用率優(yōu)化研究與實(shí)踐具有一定的參考價(jià)值。