現(xiàn)代包裝印刷生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模與仿真

王小慧，杜艷平，張文姣，楊源鑫，張 媛

（北京印刷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京 102600）

現(xiàn)代包裝印刷生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模與仿真

王小慧，杜艷平，張文姣，楊源鑫，張 媛

（北京印刷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京 102600）

首先應(yīng)用AnyLogic軟件中的方法對簡要的現(xiàn)代生產(chǎn)物流系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝流程圖和生產(chǎn)布局圖進(jìn)行仿真；其次通過改變系統(tǒng)中所涉及參數(shù)的值觀察系統(tǒng)的變化，研究系統(tǒng)的參數(shù)對流程的影響；最后經(jīng)過M公司的相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員對結(jié)果進(jìn)行觀察，得出該模型的結(jié)果符合實(shí)際。

包裝印刷；生產(chǎn)物流系統(tǒng)；混合模型；參數(shù)

1 引言

目前“工業(yè)4.0”已經(jīng)成為各行各業(yè)的話題，作為中國排位前15的包裝印刷工業(yè)，受到新的工業(yè)革命浪潮的推動(dòng)。關(guān)國平指出包裝印刷企業(yè)的兩條發(fā)展線，即：智能工廠、智能制造[1]。建立現(xiàn)代包裝印刷生產(chǎn)物流系統(tǒng)不僅減少了在包裝工序中的勞動(dòng)力和勞動(dòng)強(qiáng)度，而且也減少了在整個(gè)包裝生產(chǎn)物流系統(tǒng)中工人的職業(yè)病發(fā)病率（比如：由于長期的重復(fù)動(dòng)作或者一些低溫條件的工作，工人容易患上關(guān)節(jié)炎等癥狀），同時(shí)也提高工廠的生產(chǎn)效益等。

目前，國內(nèi)外研究者對相關(guān)情況做過研究，文獻(xiàn)[2]運(yùn)用解釋結(jié)構(gòu)模型法（ISM）和層次分析法（AHP）構(gòu)建了卷煙生產(chǎn)物流系統(tǒng)的優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[3]借助計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)（CAPP）思想，設(shè)計(jì)出類似生產(chǎn)工藝卡片指導(dǎo)工藝過程的物流卡，用于指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作過程中生產(chǎn)物流系統(tǒng)的管理和控制。文獻(xiàn)[4]對精益物流系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，文獻(xiàn)[5]將Witness仿真技術(shù)應(yīng)用到汽車零件生產(chǎn)物流系統(tǒng)中，提出了優(yōu)化方案提高了生產(chǎn)效益等。前人的研究主要集中在生產(chǎn)物流系統(tǒng)的管理、系統(tǒng)某一環(huán)節(jié)的優(yōu)化和仿真等方面，并沒有對整個(gè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)的進(jìn)行仿真及對環(huán)節(jié)中參數(shù)的改變后對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究。因此，本文依據(jù)包裝印刷的生產(chǎn)工藝流程、布局圖等基本要素，應(yīng)用AnyLogic軟件中的三種建模方法，設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化包裝印刷生產(chǎn)物流系統(tǒng)的模型，并進(jìn)行模型仿真，并分析通過對某一環(huán)節(jié)中的參數(shù)值的變化，觀察對系統(tǒng)中日產(chǎn)量函數(shù)及相關(guān)設(shè)備使用率等因素的影響。

2 現(xiàn)代印刷包裝生產(chǎn)物流系統(tǒng)

國家標(biāo)準(zhǔn)GB4122.1-2008給出的包裝定義為：為在流通過程中保護(hù)產(chǎn)品，方便儲運(yùn)，促進(jìn)銷售，按一定技術(shù)方法而采用的容器、材料及輔助物等的總體名稱。與傳統(tǒng)的包裝不同，現(xiàn)包裝不僅用于保護(hù)商品，而且也用于美化、介紹、宣傳商品和方便流通等。實(shí)現(xiàn)這些功能的最重要技術(shù)就是包裝印刷技術(shù)。包裝印刷是指以包裝材料、包裝制品、標(biāo)簽等為承印物的印刷，是以美化、介紹、宣傳商品為主要目的而采用的印刷方式和印后加工處理技術(shù)[6]。包裝印刷是印刷技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)分支，屬于特種印刷范疇，是在一般印刷技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的印刷工業(yè)體系。包裝設(shè)計(jì)的最后工序是印刷和后期的加工工藝，是包裝由設(shè)計(jì)方案變?yōu)閷?shí)物的最為重要的環(huán)節(jié)，同時(shí)也使得包裝印刷生產(chǎn)物流系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)布局圖成為模擬和仿真的關(guān)鍵因素。

通過對M公司的生產(chǎn)工藝流程與車間的布局進(jìn)行相關(guān)的分析與調(diào)研，簡化設(shè)計(jì)出該生產(chǎn)物流系統(tǒng)的工藝布局圖，如圖1所示。

圖1 M公司簡化的設(shè)施布局圖

簡化后的布局圖的特點(diǎn)是沒有將環(huán)節(jié)的設(shè)備進(jìn)行分區(qū)，物流量的流向（也即產(chǎn)品的生產(chǎn)過程）在該布局圖中用箭頭表示，即：①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧，箭頭的末端和起點(diǎn)均為一個(gè)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，相應(yīng)的生產(chǎn)物流系統(tǒng)的工藝流程為：生產(chǎn)工藝流程，原材料供應(yīng)流程，包裝印刷工藝流程，半成品檢驗(yàn)流程，表面處理工藝流程，模切工藝流程，成品清廢及檢驗(yàn)工藝流程，成品打包裝箱工藝流程，成品入庫工藝流程等。

3 現(xiàn)代包裝印刷生產(chǎn)物流系統(tǒng)的模型

根據(jù)生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)布局圖，將生產(chǎn)物流系統(tǒng)分為管理和設(shè)備兩大部分，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化印刷包裝生產(chǎn)物流系統(tǒng)。其中管理是指任務(wù)的接收、加工工藝、生產(chǎn)任務(wù)的調(diào)度、相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的提取與改進(jìn)、設(shè)備的運(yùn)行管理；設(shè)備包括AGV、印刷機(jī)、打包機(jī)、糊盒機(jī)、裝卸機(jī)器人和機(jī)器臂、倉庫、緩沖區(qū)等。采用現(xiàn)代仿真技術(shù)AnyLogic中的三種建模方法進(jìn)行模擬和仿真，相關(guān)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[7]。

3.1 模型的假設(shè)

由于設(shè)計(jì)該系統(tǒng)平臺的目的是為了研究現(xiàn)代生產(chǎn)物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)的影響作用，主要是對系統(tǒng)的日產(chǎn)量及設(shè)備使用率等的影響分析，故對系統(tǒng)做如下假設(shè)：

（1）由于系統(tǒng)中每一個(gè)Agent都有相關(guān)的參數(shù)、時(shí)間、變量等，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的參數(shù)很多。因此選出主要參數(shù)進(jìn)行分析，本文選擇影響物流量的最基本的因素，即P（Products）、Q（Quantity）、R（Routing）、S（Service）、T（Time）、S（Speed）[9]。

（2）成品均為正品，在生產(chǎn)的各個(gè)工序中不存在殘次品或者廢品及廢料等情況；

（3）實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的生產(chǎn)情況或者能力基本一致，不出現(xiàn)故障或者產(chǎn)品滯留等情況；

3.2 模型的建立

該生產(chǎn)物流系統(tǒng)模型的建立分為三大步，分別簡介如下：

第一步：建立各環(huán)節(jié)的Agent及各Agent的參數(shù)、變量等

在整個(gè)生產(chǎn)物流過程中，有原材料供應(yīng)Agent、印刷機(jī)印刷Agent、半產(chǎn)品檢驗(yàn)Agent、表面處理Agent、模切Agent、糊盒Agent、打包Agent、AGVA-gent等智能體的建立。由于篇幅所限，這里給出系統(tǒng)中部分Agent的設(shè)計(jì)。

圖2 原材料補(bǔ)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)圖及參數(shù)

工作原理是：通過觸發(fā)事件提供原材料紙和原材料油墨實(shí)現(xiàn)紙張和油墨的供應(yīng)，到達(dá)印刷機(jī)器后，開始產(chǎn)品的印刷，一定時(shí)間后，通過事件到達(dá)原材料紙和到達(dá)原材料油墨對原材料進(jìn)行補(bǔ)給作業(yè)，同時(shí)通過變量紙張大小和油墨用量對循環(huán)流程進(jìn)行控制，見表1。

表1 相應(yīng)參數(shù)類型及值

圖3 模切過程的工作流程圖及控制變量參數(shù)

模切的工作原理：已被檢驗(yàn)后的半成品在等待一段時(shí)間之后，待半成品到達(dá)模具位置時(shí)，模具開始模切作業(yè)，半成品成為有形狀包裝產(chǎn)品并進(jìn)入下一道工序，而模切復(fù)位等待下一個(gè)半成品的到來，該狀態(tài)是一個(gè)循環(huán)過程。所涉及的部分參數(shù)值見表2。

（3）其他的Agent。在調(diào)度的時(shí)候產(chǎn)生的Agent有：AdditionalTraverse、BackoriginalTiltTable、LiftingCrane、MutltifunctionalCrane、PackageTraverse、TiltCrane、Traverse、Unloading、UnloadingCrane.等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)。

第二步：主函數(shù)Main的設(shè)計(jì)。Main是控制整個(gè)流程的運(yùn)行，是將前面設(shè)計(jì)的所有智能體聯(lián)系起來的關(guān)鍵界面，設(shè)計(jì)該Main從以下兩個(gè)方面：

表2 模切模塊的參數(shù)和變量

（1）生產(chǎn)工藝流程圖及部分參數(shù)和變量如圖4所示。設(shè)計(jì)Main函數(shù)的目的是將系統(tǒng)中所有模塊進(jìn)行連接，依據(jù)圖1箭頭所示的方向?qū)崿F(xiàn)物流量的移動(dòng)。如果要建立系統(tǒng)中Agent之間的交流，就需要設(shè)置Main函數(shù)的參數(shù)、變量、函數(shù)、Java語言等參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各Agent之間信息和數(shù)據(jù)的傳遞，見表3。

圖4 生產(chǎn)工藝流程圖及部分參數(shù)和變量

表3 主函數(shù)Main的參數(shù)和變量

數(shù)據(jù)集（states、datasetCakesInProcess、datasetPrintEn、data-setOutput）是用來顯示觀察整個(gè)系統(tǒng)的智能體的運(yùn)行狀態(tài)及包裝產(chǎn)品的印刷量、輸出量等。統(tǒng)計(jì)（statisticsDowntime，statisticsTimewaitForNextService、statisticsDowntimeCut、taskWaiting-Time等）是用來了解系統(tǒng)的隱形參數(shù)，比如：生產(chǎn)中的紙的存儲量，AGV小車的使用量等。

第三步：相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)的作用是便于分析系統(tǒng)的運(yùn)行情況及收集運(yùn)行過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)者可以依據(jù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的分析和再優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文給出兩個(gè)部分的數(shù)據(jù)或者狀態(tài)圖顯示設(shè)計(jì)，即：各環(huán)節(jié)利用率情況和系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)。

（1）各環(huán)節(jié)利用率情況設(shè)計(jì)。采用面板下面的分析圖表—條形圖對各環(huán)節(jié)的設(shè)備利用率情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)因素是對應(yīng)機(jī)器的值（本文給出部分），見表4。

表4 部分條形圖值的設(shè)計(jì)

（2）系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)。本文采用直方圖收集產(chǎn)品的輸出量，采用時(shí)間折線圖收集包裝磨具隨時(shí)間的變化情況，具體屬性的設(shè)定方式如圖5和圖6所示。

圖5 產(chǎn)品輸出量的直方圖屬性設(shè)計(jì)

圖6 包裝品磨具的時(shí)間折線圖屬性設(shè)計(jì)

4 仿真結(jié)果分析

設(shè)定整個(gè)模型運(yùn)行的時(shí)間單位為分鐘（Minutes），總時(shí)間為30天內(nèi)，運(yùn)動(dòng)速度為分鐘（Minutes）*500，在系統(tǒng)變化后的48小時(shí)后開始收集并記錄數(shù)據(jù)及產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)圖，運(yùn)行模型后可以得到如下結(jié)果：

（1）各環(huán)節(jié)利用率情況。通過條形圖（Chart）記錄在不同的工位，產(chǎn)品及設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)度情況如圖7所示。

圖7 流程各環(huán)節(jié)的利用率情況

圖7顯示的是系統(tǒng)的設(shè)備在不同時(shí)刻、不同設(shè)備的整個(gè)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行狀況。比如：傾斜式起重機(jī)在day4:1:10:25時(shí)刻的利用率為89%，因此從圖中可以實(shí)時(shí)知道機(jī)器在某時(shí)刻的工作情況，依據(jù)情況可以判斷是否開啟或者關(guān)閉相應(yīng)的機(jī)器，避免空閑機(jī)器運(yùn)行所帶來的能源等的浪費(fèi)，比如在該時(shí)刻的模切機(jī)的利用率為10%，說明在該時(shí)刻所需開啟的模切機(jī)數(shù)量應(yīng)該減少。

（2）程序運(yùn)行的數(shù)據(jù)結(jié)果。變化的參數(shù)主要為：Q{Quantity(level)}，S{Speed(meter/minute）)、T{Time(minutes)}，包裝產(chǎn)品的Quantity等級為：1～7。通過對改變各個(gè)起重機(jī)（Crane）、軌道（traverse）、AGVs運(yùn)行的速度和時(shí)間，觀察分析產(chǎn)品的輸出量及包裝品的模具使用情況，見表5。

總結(jié)上述數(shù)據(jù)圖與結(jié)果知：①隨著速度和時(shí)間越大，包裝產(chǎn)品設(shè)備調(diào)度與管理逐漸趨于平穩(wěn)，產(chǎn)品日產(chǎn)量的累計(jì)分布函數(shù)值區(qū)域面積增大，且趨于恒定。②從第二組試驗(yàn)中可知，一段時(shí)間后，設(shè)備的使用在下降并趨于平穩(wěn)，產(chǎn)品日產(chǎn)量的累計(jì)分布函數(shù)在分區(qū)域及分段。③從第一組和第二組試驗(yàn)中可知，速度和時(shí)間越小，日產(chǎn)量的函數(shù)分段及分區(qū)域時(shí)間越快。④如果速度太大，結(jié)果不符合實(shí)際，可知參數(shù)設(shè)置的極限。所以通過參數(shù)值的變化，可以分析系統(tǒng)的狀態(tài)，確定系統(tǒng)運(yùn)行的最佳時(shí)刻。

經(jīng)過M公司相關(guān)技術(shù)人員分析和觀察，得知該結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)過程偏差在0.001%—0.005%之間，可以用于指導(dǎo)現(xiàn)代包裝印刷生產(chǎn)物流系統(tǒng)。

5 結(jié)論和期望

本文針對目前包裝印刷企業(yè)需要大量勞動(dòng)力給勞動(dòng)者帶來的弊端及對智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)物流系統(tǒng)的需求，通過仿真軟件AnyLogic中的離散事件建模（DE）、基于智能體建模（AB）、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模（SD）方法，分析包裝印刷生產(chǎn)物流系統(tǒng)的現(xiàn)狀，基于M公司設(shè)計(jì)了簡易生產(chǎn)工藝流程圖及設(shè)施布局圖。最后通過改變參數(shù)，分析參數(shù)對整個(gè)系統(tǒng)的影響結(jié)果。通過M公司相關(guān)技術(shù)人員對結(jié)果的觀察和分析，與實(shí)際公司的運(yùn)行偏差在0.001%—0.005%之間，并且可以通過改變參數(shù)，使運(yùn)行達(dá)到最優(yōu)參數(shù)組合。

本文的不足之處在于，未考慮生產(chǎn)過程中殘次品、廢品等的處理過程，還需繼續(xù)研究。

表5 模型仿真結(jié)果對比

[1]佚名.包裝[EB/OL].http://baike.haosou.com/doc/5380778-5617060.html.2015-01-20.

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[3]張莉.離散制造企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2012.

[4]Nasser B A Optimizing a lean logistic system and the identification of its breakdown points[D].University of Southern California,2008.

[5]毛健,喬金友,王立軍,等.基于Witness的汽車零部件生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真研究[J].工業(yè)工程,2011,(3):124-127.

[6]霍李江.包裝印刷技術(shù)[M].北京:文化發(fā)展出版社,2011.

[7]llya Grigoryev,著.韓鵬,韓英華,李巖,等譯.Anylogic建模與仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2014.

[8]張蕾.基于SLP理論的D公司壓路機(jī)裝配車間布局規(guī)劃與評價(jià)[D].長春:吉林大學(xué),2012.

Modeling and Simulation of Modern Packaging and Printing Production Logistics System

Wang Xiaohui,Du Yanping,Zhang Wenjiao,Yang Yuanxin,Zhang Yuan
(School of Electro-mechanical Engineering,Beijing Institute of Graphic Communication,Beijing 102600,China)

In this paper,we first used the AnyLogic software to simulate the technical process and site layout of the modern production logistics system,then observed the changes in the system after adjusting the parameters of the system to understand their influence on the process of the system,and at the end,through applying the method to a company M,verified that the result of the model matched well with the actual situation of the company.

packaging and printing;production logistics system;hybrid model;parameter

N945.12；O141.4

A

1005-152X(2015)11-0098-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2015.11.028

2015-09-20

北京印刷學(xué)院博士啟動(dòng)資金（27170115005）；高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)變多狀態(tài)失效建模理論及解析方法（51175028）

王小慧（1988-），女，山西大同人，碩士生，研究方向：物流系統(tǒng)規(guī)劃與仿真；杜艷平（1977-），通訊作者，女，山西太原人，博士，教授，研究方向：物流系統(tǒng)規(guī)劃與仿真；張文姣（1991-），女，山東萊蕪人，碩士，研究方向：物流安全與信息化；張媛（1985-），女，山東德州人，博士，講師，研究方向：物流系統(tǒng)安全及診斷。