基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)優(yōu)化研究

盧步

摘?要：結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)優(yōu)化需求，本文提出了基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的物流系統(tǒng)優(yōu)化方法，對系統(tǒng)仿真建模原理、軟件選擇和建模過程展開了分析。結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)例對物流系統(tǒng)仿真優(yōu)化問題進(jìn)行探討，可以發(fā)現(xiàn)采用witness軟件對系統(tǒng)各工序設(shè)備利用率展開分析，得到原材料進(jìn)入系統(tǒng)的最佳頻率，能夠使生產(chǎn)資源得到高效利用，繼而使系統(tǒng)充分發(fā)揮流轉(zhuǎn)能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù);物流系統(tǒng);仿真建模

在市場競爭日漸加劇的背景下，企業(yè)還應(yīng)不斷提高生產(chǎn)效率，以便使企業(yè)生產(chǎn)能力得到提高。而企業(yè)生產(chǎn)效率，與生產(chǎn)物流系統(tǒng)規(guī)劃情況密切相關(guān)。但就目前來看，企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)未能得到足夠重視，造成企業(yè)物料流轉(zhuǎn)無法滿足生產(chǎn)資源高效利用要求。引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行模擬分析，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，繼而為推動企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有效技術(shù)手段。

一、企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)優(yōu)化需求

企業(yè)生產(chǎn)物流與生產(chǎn)工藝密切相關(guān)，需要負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程的物品流轉(zhuǎn)。從生產(chǎn)物流系統(tǒng)組成上來看，包含采購、生產(chǎn)、倉庫、財(cái)務(wù)等各子系統(tǒng)，需要加強(qiáng)緊密聯(lián)系，構(gòu)成完整物流系統(tǒng)。將物品流轉(zhuǎn)當(dāng)成是各系統(tǒng)間的紐帶，能夠保證生產(chǎn)活動的延續(xù)。所以在生產(chǎn)物流系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，需要將生產(chǎn)流轉(zhuǎn)的物料當(dāng)成是研究對象進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定原材料從倉庫發(fā)出到完成產(chǎn)品最后一道工序的過程是否存在不合理的因素，確保物料搬運(yùn)時(shí)間與工序生產(chǎn)、等待時(shí)間等相互協(xié)調(diào)，促使生產(chǎn)設(shè)備與生產(chǎn)批次數(shù)量能夠相互匹配。但按照傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，企業(yè)僅按照生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃或?yàn)檠a(bǔ)充庫存實(shí)施采購，容易造成庫存積壓。在物料流轉(zhuǎn)方面，也容易忽視工序間協(xié)調(diào)性問題，造成設(shè)備利用無法滿足產(chǎn)能需求。為對企業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行細(xì)致規(guī)劃，需要運(yùn)用合理方法對物流活動和生產(chǎn)活動進(jìn)行仿真模擬，通過實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)優(yōu)化提高活動一體化程度，繼而推動企業(yè)生產(chǎn)流程的精細(xì)化發(fā)展。

二、基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)優(yōu)化方法

1.仿真建模原理

在工業(yè)4.0時(shí)代，智慧工業(yè)打造離不開高效物流支撐。而在對物流系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)完成自動化物流系統(tǒng)規(guī)劃，將信息化當(dāng)成是仿真模型構(gòu)建支撐，促使物流系統(tǒng)運(yùn)行效率和作業(yè)能力得到提高，為企業(yè)創(chuàng)造更多利潤。在實(shí)際分析時(shí)，需要利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對物流系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、物流流通量等進(jìn)行監(jiān)測和評估，發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，以便提出優(yōu)化建議。運(yùn)用動態(tài)仿真技術(shù)進(jìn)行建模，可以對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行模擬和演練。將自動化物流系統(tǒng)看成是離散事件，需要加強(qiáng)事件調(diào)度、仿真時(shí)鐘、隨機(jī)變量等仿真技術(shù)的運(yùn)用，完成系統(tǒng)中各離散不連續(xù)物流操作點(diǎn)的鏈接和處理。針對大型物流機(jī)電系統(tǒng)，運(yùn)行周期往往較長，還要對物流動態(tài)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，才能實(shí)現(xiàn)動作機(jī)制的分解，完成軟件程序和現(xiàn)實(shí)物流的科學(xué)規(guī)劃。在真實(shí)物流系統(tǒng)中，對各環(huán)節(jié)工件動作、行為等進(jìn)行虛擬化，可以得到影響物流系統(tǒng)運(yùn)作的隨機(jī)變量，用于完成模型建構(gòu)。結(jié)合變量對系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響程度，可以實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)修改，最終得到最佳的系統(tǒng)優(yōu)化方案。作為現(xiàn)代物流系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能夠完成系統(tǒng)規(guī)劃方案模擬分析，找出其中存在的問題，并通過預(yù)先修改縮短系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)間，促使系統(tǒng)運(yùn)行效率得到提高，避免企業(yè)出現(xiàn)生產(chǎn)浪費(fèi)。

2.仿真軟件選擇

運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，需要將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和流程當(dāng)成是基礎(chǔ)，合理進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述，以便采取適合方法完成系統(tǒng)給模擬分析。所以在仿真軟件選擇上，需要根據(jù)仿真對象和目的確定。在物流系統(tǒng)仿真中，包含物料運(yùn)輸、各種工序設(shè)備等元素，需要采用動態(tài)仿真方法進(jìn)行模型組織?，F(xiàn)階段，可供選擇的軟件主要包含AutoMod、Witness、Arena和Flexsim等，都屬于專業(yè)仿真軟件。其中，AutoMod功能相對完善，屬于計(jì)算機(jī)模擬物流軟件，能夠?qū)χ圃煜到y(tǒng)、車站、港口等不同場景物流進(jìn)行模擬，可以實(shí)現(xiàn)精確三維建模。運(yùn)用軟件虛擬現(xiàn)實(shí)建模功能，可以在物料操作中進(jìn)行系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)參數(shù)變化后完成持續(xù)化模擬分析。軟件側(cè)重于從進(jìn)程交互方面提出仿真策略，能夠完成不同物流系統(tǒng)劃分，建模較為繁瑣，需要利用編程語言輸送作業(yè)流程控制指令。Witness屬于離散型系統(tǒng)仿真軟件，對硬件要求較低，在數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)無需大型集成計(jì)算機(jī)。軟件配備基本的仿真模擬功能，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用能力拓展，并進(jìn)行三維立體顯示，因此應(yīng)用范圍較廣，得到了用戶一致好評。Arena軟件能夠?qū)τ?jì)算機(jī)仿真和可視化功能進(jìn)行集成，在物流系統(tǒng)仿真中能夠?qū)r(jià)值鏈進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對從原材料供應(yīng)到商品配送整個(gè)過程的仿真分析，能夠?yàn)閹旆抗芾?、物流分銷等工作開展提供支撐。采用Flexsim，能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)流程的可視化處理，利用各項(xiàng)數(shù)據(jù)對包裝箱、人員等現(xiàn)實(shí)事物數(shù)據(jù)進(jìn)行直接反映，使系統(tǒng)內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。

3.仿真建模過程

實(shí)際在系統(tǒng)仿真建模時(shí)，需要在實(shí)際物流系統(tǒng)中建立系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的計(jì)算機(jī)仿真模型，對系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行模擬。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際數(shù)據(jù)，可以確定各種運(yùn)行參數(shù)。從模型構(gòu)成上來看，主要包含操作域、變量和約束條件，完成企業(yè)物流相關(guān)數(shù)據(jù)搜集，保證數(shù)據(jù)正確性和及時(shí)性，可以確定運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸距離等參數(shù)，為模型約束條件和操作域設(shè)定提供支持。在物流系統(tǒng)中，擁有多種物料流轉(zhuǎn)途徑，建模時(shí)還要明確系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)，就是找出效率最高和成本最低的物流路徑。根據(jù)目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)定義，完成搜集到的數(shù)據(jù)劃分，能夠確定模型輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)學(xué)建模知識，可以完成系統(tǒng)仿真模型的建立，然后利用數(shù)學(xué)軟件和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，保證建模的模型具有合理性。在模型得到確立后，需要完成邏輯控制程序的編寫，結(jié)合物流系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行流程進(jìn)行物料狀態(tài)運(yùn)行模擬程序的編寫，然后進(jìn)行系統(tǒng)仿真。按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)流量，確定物料進(jìn)入系統(tǒng)的頻率，然后在模型中輸入?yún)?shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)正常狀態(tài)的運(yùn)行模擬。結(jié)合系統(tǒng)優(yōu)化需求進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，可以對仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)各環(huán)節(jié)流量需求確定系統(tǒng)運(yùn)行情況，促使物流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)得到進(jìn)一步優(yōu)化。將得到結(jié)果以簡易語言和格式顯示出來，可以生成物流系統(tǒng)優(yōu)化簡易報(bào)告。根據(jù)報(bào)告提出的最佳系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)合理規(guī)劃，最終能夠使物流系統(tǒng)作業(yè)能力得到提高。

4.系統(tǒng)優(yōu)化評價(jià)

作為復(fù)雜的系統(tǒng)，企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)建設(shè)投資約占企業(yè)成本30%-40%，意味著系統(tǒng)建設(shè)效果將直接影響企業(yè)運(yùn)營水平，關(guān)系到企業(yè)能否取得穩(wěn)健發(fā)展。應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行物流系統(tǒng)優(yōu)化，能夠?yàn)槠髽I(yè)生產(chǎn)物流管理提供技術(shù)支撐，通過提出優(yōu)化的物料流轉(zhuǎn)方案提高企業(yè)生產(chǎn)效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，促使企業(yè)核心競爭力得到提升。相較于傳統(tǒng)物流管理需要消耗大量人力，運(yùn)用仿真技術(shù)對物流運(yùn)輸路線進(jìn)行計(jì)算和建立數(shù)據(jù)庫，能夠避免物流管理中出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，并且使企業(yè)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)管理過程得到簡化，減少人員管理費(fèi)用開銷，繼而使系統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)能力得到提高。利用仿真技術(shù)完成物流系統(tǒng)合理規(guī)劃，能夠?qū)ζ髽I(yè)生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化管理，并且對生產(chǎn)操作人員提出了物料運(yùn)轉(zhuǎn)要求，促使企業(yè)生產(chǎn)物流運(yùn)輸?shù)玫胶喕?。在現(xiàn)代物流體系建設(shè)中，將會遭遇存儲空間預(yù)測、貨品可用預(yù)算等各種問題，需要對多種因素進(jìn)行綜合考慮。應(yīng)用仿真技術(shù)進(jìn)行眾多問題的協(xié)調(diào)，通過對比多個(gè)仿真模型提出最優(yōu)解決方案，對系統(tǒng)規(guī)劃缺陷進(jìn)行不斷修正，能夠?yàn)槠髽I(yè)物流系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，保證物流系統(tǒng)運(yùn)行效能得到持續(xù)提高，因此能夠滿足企業(yè)未來發(fā)展要求。

三、企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)優(yōu)化仿真分析

1.企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)概述

A企業(yè)按照客戶訂單要求對某型號法蘭盤進(jìn)行生產(chǎn)，采用09MnNiD鋼材為原料，經(jīng)過下料→熱處理→車削→打孔→鉗工五個(gè)工序，得到產(chǎn)品質(zhì)量約30kg。在各道工序需要完成相應(yīng)設(shè)備和人員配備，而設(shè)備和人員一次僅能完成一個(gè)零部件或半成品加工。實(shí)際采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，考慮到僅對一個(gè)零件生產(chǎn)流轉(zhuǎn)過程進(jìn)行仿真，而復(fù)雜系統(tǒng)難以通過建模得到全面反映，還要對模型進(jìn)行合理假設(shè)和簡化。具體來講，就是將各工序抽象為一個(gè)機(jī)器，操作過程解釋為時(shí)間延遲，并假設(shè)生產(chǎn)期間無故障或人員疲勞、換班等問題發(fā)生。此外，需要將加工區(qū)周轉(zhuǎn)箱看成是緩存區(qū)，假設(shè)各工序之間只需較短物料運(yùn)輸距離，每個(gè)工序加工完的工件能夠直接進(jìn)入下一工序緩存區(qū)。

2.系統(tǒng)模型仿真數(shù)據(jù)分析

在系統(tǒng)仿真采用了物理描述方法，并且無需進(jìn)行整個(gè)生產(chǎn)鏈的仿真分析，所以可以選用Witness計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立近似模型，利用define對系統(tǒng)中各元素進(jìn)行定義，利用part表示鋼板，用machine表示各機(jī)器組，緩沖區(qū)定義為buffers，各工序定義為machine元素，完成可同時(shí)處理在制品的批量設(shè)置，得到產(chǎn)成品統(tǒng)計(jì)元素vreal。采用display完成元素可視化分析，能夠完成單元模塊設(shè)計(jì)，得到各元素實(shí)體的細(xì)節(jié)，如Name、Queue等屬性。以machine元素為例，包含Name（下料）、Quantity（數(shù)量）、Cylce?time（工序時(shí)間）、Input?rules（物料來源）等細(xì)節(jié)。在模型仿真時(shí)，需要將時(shí)間基準(zhǔn)單位設(shè)定為1min，仿真運(yùn)行時(shí)間能夠達(dá)到10080min個(gè)仿真時(shí)間單位，即一個(gè)周期。點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕后，軟件可以進(jìn)行模型運(yùn)行。

對仿真得到的數(shù)據(jù)展開分析，如表1所示，各工序機(jī)器閑置時(shí)間較多，如打孔環(huán)節(jié)機(jī)器將閑置約57%的時(shí)間，鉗工閑置時(shí)間甚至能夠達(dá)到71%左右。而產(chǎn)線加工得到的成品數(shù)量為148件，期間淘汰了12件半成品。在工位閑置率較高的情況下，最終造成企業(yè)生產(chǎn)資源嚴(yán)重浪費(fèi)，無法滿足企業(yè)高效生產(chǎn)要求。

表?企業(yè)各生產(chǎn)工序機(jī)器運(yùn)行數(shù)據(jù)

3.物流系統(tǒng)優(yōu)化分析結(jié)果

結(jié)合仿真分析結(jié)果可知，企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)的資源閑置問題嚴(yán)重，還要從“加工件”進(jìn)入系統(tǒng)開始進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。針對機(jī)器閑置率較高的問題，可以降低元此類到達(dá)時(shí)間間隔，促使加工件進(jìn)入系統(tǒng)頻率得到提高。原材料到達(dá)時(shí)間間隔從18min開始取值，每次仿真縮短2min，直至達(dá)到4min。通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)產(chǎn)成品數(shù)量不斷增加，從148件逐步提升到205件，然后保持穩(wěn)定。在時(shí)間間隔縮短至10min時(shí)，產(chǎn)成品數(shù)量就達(dá)到了205件，說明為工件進(jìn)入企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)的最佳臨界時(shí)間。按照這一數(shù)值對各工序機(jī)器運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)閑置時(shí)間最長的為鉗工工序，占比約19%，最短的為下料工序，占比約8%，已經(jīng)達(dá)到理想范圍，能夠使生產(chǎn)物流系統(tǒng)的能力得到充分發(fā)揮。

綜上所述，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，能夠?qū)?shí)際物流系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行模擬分析，為物流系統(tǒng)的合理規(guī)劃提供科學(xué)指導(dǎo)。在實(shí)踐生產(chǎn)中，還應(yīng)結(jié)合企業(yè)生物物流模式合理進(jìn)行系統(tǒng)建模，選取適合的仿真軟件進(jìn)行模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，繼而使復(fù)雜物流系統(tǒng)的優(yōu)化問題得到順利解決。

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