基于ED軟件的物流系統(tǒng)仿真研究

彭瓊瓊，羅紅恩,2，葉 勇,2，繆桂根,2，高羽佳,2

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院,安徽 合肥 230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)信息學(xué)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230036)

仿真方法已經(jīng)成為解決復(fù)雜物流系統(tǒng)問(wèn)題的重要方法之一[1-2]。當(dāng)新建、改建和擴(kuò)建物流工程項(xiàng)目時(shí),由于缺乏充足和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),容易造成項(xiàng)目建設(shè)的盲目性和效益不佳[3]。借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)物流系統(tǒng)進(jìn)行仿真,可以得到各種條件下物流系統(tǒng)的運(yùn)行情況,為企業(yè)工程項(xiàng)目建設(shè)的決策提供科學(xué)依據(jù)。

本文使用ED軟件對(duì)某物流配送中心的配送過(guò)程進(jìn)行了仿真，通過(guò)確定合適的停車位、叉車的數(shù)量、卸載區(qū)域的面積等，提出提高系統(tǒng)效率的改進(jìn)建議。

1 主要仿真軟件簡(jiǎn)介

1.1 eM-Plant軟件

eM-Plant是一款的關(guān)于生產(chǎn)、物流和工程的仿真軟件，又稱為SiMPLE++，是一個(gè)面向?qū)ο蟮?、圖形化的、集成的建模和仿真工具,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)施都滿足面向?qū)ο蟮囊骩4-6]。eM-Plant可以對(duì)各種規(guī)模的工廠和生產(chǎn)線,包括大規(guī)模的跨國(guó)企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和優(yōu)化，分析和優(yōu)化生產(chǎn)布局、資源利用率、產(chǎn)能和效率、物流和供需鏈等。

1.2 Flexsim軟件

Flexsim是的一款采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，具有三維顯示功能的離散事件系統(tǒng)仿真軟件，它是迄今為止世界上唯一在圖形建模環(huán)境中集成了C++IDE和編譯器的仿真軟件[7-9]。Flexsim能應(yīng)用于建立離散事件過(guò)程，如制造業(yè)、物料處理、辦公室工作流等，并實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程可視化。

1.3 ED軟件

ED(enterprise dynamics)是一款面向?qū)ο蟮姆抡孳浖梢杂糜诮?、仿真、可視化和?duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的控制[10]。使用者可以從標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中選取元素來(lái)建立自己的模型，每一個(gè)元素可以代表一個(gè)機(jī)器、計(jì)數(shù)器或產(chǎn)品，也可以代表沒(méi)有物理形態(tài)的對(duì)象。元素按照類型分類，可以分成基礎(chǔ)元素(通常包括產(chǎn)品、發(fā)生器、吸收器、服務(wù)器和隊(duì)列)、運(yùn)輸元素(傳送帶、運(yùn)輸裝置)、結(jié)果元素等。高級(jí)建模者還可以建立并使用自己的元素。目前ED大約包括100個(gè)標(biāo)準(zhǔn)元素，而且這個(gè)數(shù)量在不斷增長(zhǎng)。ED也有自己的編程語(yǔ)言——4D Script語(yǔ)言，它可以用來(lái)在模型中描述現(xiàn)實(shí)中的具體條件。

1.4 其他軟件

除了以上軟件外，還有Witness[11-12]、Arena[13-14]、Automod[15]等仿真軟件，每種軟件都各有特色，應(yīng)該根據(jù)研究?jī)?nèi)容和研究目的的不同，選擇適合的軟件。

2 物流系統(tǒng)仿真模型的建立

配送中心是對(duì)貨物進(jìn)行檢測(cè)、儲(chǔ)存、保管、加工、分揀的重要場(chǎng)所，是構(gòu)成供應(yīng)鏈和物流系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)[16]。一個(gè)好的配送中心可以減少配送時(shí)間和不必要的工作流程。通過(guò)對(duì)配送中心不斷優(yōu)化，能夠節(jié)省成本，在更短時(shí)間內(nèi)完成更多任務(wù)量。

2.1 配送中心的作業(yè)流程

當(dāng)貨車載著托盤(pán)到達(dá)配送中心后，司機(jī)要把貨車停入車位(如果暫時(shí)沒(méi)有停車位則需等待)。貨物托盤(pán)被卸載到卸載區(qū)后，貨車離開(kāi)配送中心。然后，叉車把卸載區(qū)的托盤(pán)搬運(yùn)到倉(cāng)庫(kù)(可以有多臺(tái)叉車同時(shí)作業(yè))。當(dāng)卸載區(qū)域的托盤(pán)已經(jīng)搬運(yùn)完，叉車將一直等待新的托盤(pán)到來(lái)，這期間管理人員不會(huì)為空閑的叉車安排其他任務(wù)。

2.2 模型數(shù)據(jù)

配送中心運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 配送中心運(yùn)行參數(shù)

由表1可知：貨車數(shù)量服從平均值為40的負(fù)指數(shù)分布；每臺(tái)貨車裝載的托盤(pán)數(shù)量符合6到16的離散平均分布，平均值為11；那么平均每小時(shí)有55只托盤(pán)到達(dá)配送中心(40×11÷8)；每只托盤(pán)卸載的平均時(shí)間為2.5 min，每個(gè)停車位每小時(shí)能卸載24只托盤(pán)(60÷2.5)；同理，一臺(tái)叉車每小時(shí)搬運(yùn)20只托盤(pán)(60÷3)。

如果在單位時(shí)間內(nèi)卸載和搬運(yùn)的托盤(pán)數(shù)量比來(lái)到配送中心的托盤(pán)數(shù)量少，那么卸載區(qū)域的托盤(pán)將越積越多，因此停車位和叉車的數(shù)量不能少于3臺(tái)(3×24>55，3×20>55)。

管理人員要求，改進(jìn)配送中心后，要保證每個(gè)貨車司機(jī)等待空閑停車位的時(shí)間不超過(guò)5 min。根據(jù)上述條件需要研究3～4個(gè)停車位和3～4臺(tái)叉車(3×3、3×4、4×3、4×4)的模型。如果某種模型的運(yùn)行結(jié)果使貨車等待時(shí)間、工作效率等指標(biāo)滿足要求，就沒(méi)有必要研究5×5的模型。

2.3 構(gòu)建原子模型

根據(jù)配送中心的運(yùn)作流程，模型原子設(shè)計(jì)及連接端口如圖1所示，原子與系統(tǒng)元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

圖1 配送中心仿真模型

表2 原子與系統(tǒng)元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.4 定義各種原子

(1) 產(chǎn)品原子：在模型中雙擊Product原子，打開(kāi)參數(shù)視窗。改變Visualization選項(xiàng)卡中的選項(xiàng)“3D icon”，選擇“Cube”。

(2) 源原子：每小時(shí)5輛貨車到達(dá)，所以平均到達(dá)間隔時(shí)間12 min(60÷5=12)。設(shè)置貨車到達(dá)時(shí)間間隔和第一個(gè)到達(dá)時(shí)間均服從均值為12 min的負(fù)指數(shù)分布negxp(mins(12))。

(3) 序列原子：序列原子參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 序列原子參數(shù)設(shè)置

(4) 代表停車場(chǎng)的4個(gè)服務(wù)器原子Dock1、Dock2、Dock3、Dock4的參數(shù)設(shè)置為：

預(yù)置時(shí)間：0

循環(huán)時(shí)間：0

離開(kāi)時(shí)觸發(fā)：icon(i):=IconByName([Pallet.bmp])

分批：duniform(6,16)

分批規(guī)則：1 in B out

(5) 代表卸載托盤(pán)的4個(gè)服務(wù)器原子Unload Pallets1、Unload Pallets2、Unload Pallets3、Unload Pallets4的參數(shù)設(shè)置為：

預(yù)置時(shí)間：0

循環(huán)時(shí)間：uniform(mins(2),mins(3))

(6) 代表叉車的4個(gè)服務(wù)器原子Forklift 1、Forklift 2、Forklift 3、Forklift 4的參數(shù)設(shè)置為：

預(yù)置時(shí)間：0

循環(huán)時(shí)間：uniform(mins(2),mins(4))

(7) 貨車停車位開(kāi)放時(shí)間的可用性控制器和時(shí)間表可用性原子。在貨車可用性控制器設(shè)置界面中勾選Inputs，以控制Queue2的輸入通道。在貨車時(shí)間表(見(jiàn)圖2)中，Down=1的列，0表示允許通過(guò)，1表示禁止通過(guò)。仿真時(shí)鐘開(kāi)始的0時(shí)到8時(shí)，Queue2的輸入通道允許通過(guò)。

圖2 貨車時(shí)間表可用性設(shè)置圖

(8) 叉車停車位開(kāi)放時(shí)間的可用性控制器和時(shí)間表可用性原子。仿真開(kāi)始1小時(shí)后，叉車才開(kāi)始工作。因?yàn)橄掳嘀?，叉車不停地搬運(yùn)，直到把所有的托盤(pán)搬運(yùn)完，叉車才停止工作，所以這里不必設(shè)置叉車的停止時(shí)間，方法同(7)。

2.5 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 定義實(shí)驗(yàn)設(shè)置。在界面對(duì)話框中設(shè)置仿真方法、觀察期、觀察次數(shù)和預(yù)熱期，對(duì)配送中心每個(gè)工作日工作12 h、獨(dú)立運(yùn)行100次(相當(dāng)于5個(gè)月)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)圖3)。

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

(2) 定義執(zhí)行方式

PFM1 貨車的平均等待時(shí)間，Avg Wait (in Min)，AvgStay(cs)/60；

PFM2叉車日工作時(shí)間，AvgWorkday(in Min)，Label([lastarrival],cs)/60-60；

PFM3卸載區(qū)域的平均托盤(pán)數(shù)量，Avg Stock，AvgContent(cs)；

PFM4 卸載區(qū)域托盤(pán)數(shù)量的最大值Max Stock，MaxinumContent(c)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

若生成標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告，設(shè)置置信度為95%，得到表4。

依照上述方法，分別研究停車位與叉車數(shù)量為3×3、3×4、4×3、4×4的情況(見(jiàn)表5)。

表4 標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告

表5 不同停車位與叉車數(shù)量情況比較

4 討論

(1) 貨車司機(jī)的平均等待時(shí)間與停車位的數(shù)量相關(guān)。設(shè)置3個(gè)停車位時(shí)，等待時(shí)間是8 min，比規(guī)定的目標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)。設(shè)置4個(gè)停車位時(shí)，平均等待時(shí)間是2 min，低于要求的5 min。

(2) 在所有組合的情況下，叉車的平均工作時(shí)間達(dá)到了480 min的要求。設(shè)置4個(gè)停車位比設(shè)置3個(gè)停車位，叉車的平均工作時(shí)間減少2 030 min。

(3) 只有4×3和4×4的設(shè)置才能滿足要求(貨車司機(jī)等待時(shí)間不超過(guò)5 min)，若設(shè)置3個(gè)叉車則司機(jī)工作量太大。在高峰期時(shí)，為了滿足托盤(pán)數(shù)量對(duì)卸載區(qū)域容量的要求，應(yīng)提供70個(gè)托盤(pán)存位。這種設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)是將來(lái)業(yè)務(wù)增加時(shí)，可增設(shè)第4臺(tái)叉車。

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