智能物流仿真系統(tǒng)分析與應(yīng)用＊

魏逍逍，王 亮，馮天宇，董 安，劉金雨

（大連科技學(xué)院，遼寧 大連 116052）

工業(yè)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)物流工藝布局涉及到地面使用率、工藝流程布局、通道模擬、物品擺放的位置、各個(gè)區(qū)域的劃分、合理布局的計(jì)算、設(shè)備投資使用率等方面，相較于傳統(tǒng)工藝布局模式，工程技術(shù)人員通過結(jié)合工程實(shí)際，運(yùn)用已經(jīng)建好的標(biāo)準(zhǔn)化模型或?qū)嶋H需要的自建模型，展現(xiàn)出區(qū)域布局的動(dòng)態(tài)模擬并進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，縮短設(shè)計(jì)和投產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，高效地完成透明可視的工廠建設(shè)[1]。

1 建模

1.1 作用

工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)往往具有離散、復(fù)雜的特性，整個(gè)大系統(tǒng)由于生產(chǎn)過程的不確定性會(huì)受到各種約束，因而無法采用運(yùn)籌學(xué)的方法進(jìn)行優(yōu)化。利用智能化物流仿真技術(shù)可有效地分析和解決上述問題，其優(yōu)勢和特點(diǎn)能夠促使離散問題得到優(yōu)化，進(jìn)而使企業(yè)生產(chǎn)效率得到最大提升[2]。

如圖1 所示，智能工廠流水線仿真設(shè)計(jì)通過數(shù)據(jù)庫式電子表格，利用2D/3D 物料及產(chǎn)品虛擬特征，建立一個(gè)基于廠房實(shí)際生產(chǎn)狀況的應(yīng)用場景報(bào)告。

圖1 虛擬生產(chǎn)線

1.2 特點(diǎn)

如圖2 所示，虛擬物流系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①較低的物資流動(dòng)頻次強(qiáng)度，確保各個(gè)區(qū)域內(nèi)的半成品與物料保持基本平衡，減少區(qū)域間物資流動(dòng)頻次，促使物流強(qiáng)度降低；②較低的物資流動(dòng)成本，通過合理匹配各設(shè)備間物資物料流動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到低成本運(yùn)營的目的，同時(shí)兼顧合理的投資效益回報(bào)率；③較高的空間利用率，充分合理化利用工廠內(nèi)空間，提高單位面積產(chǎn)出效益，合理布局物流線及各個(gè)設(shè)備設(shè)施；④透明可視化物流即時(shí)信息，操作可視板可以清楚反映物料、半成品、成品等的瞬時(shí)狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)狀和異常，并實(shí)時(shí)處理，以方便服務(wù)生產(chǎn)[3]。

圖2 智能物流仿真模塊

1.3 模型舉例

帶式輸送機(jī)在煤炭、電力、建材、鋼鐵、物流等領(lǐng)域逐漸被廣泛地應(yīng)用，運(yùn)量越來越大、運(yùn)距越來越遠(yuǎn)將會(huì)成為其發(fā)展的趨勢和使用的優(yōu)勢。輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置是一種利用電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)使傳送速度達(dá)到所需求的裝置，常見的皮帶輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置有懸掛式減速機(jī)、硬齒面減速機(jī)、空心軸減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)、Ⅴ帶傳動(dòng)等，如圖3 所示。其中懸掛式減速機(jī)Ⅴ帶傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)式對(duì)傳動(dòng)滾筒和減速機(jī)沖擊都更小，因此傳動(dòng)更加平穩(wěn)[4]。

圖3 輸送機(jī)模型

2 分析功能

2.1 功能開發(fā)

通常采用面向?qū)ο蟮姆椒ú⒔Y(jié)合Petri 網(wǎng)，對(duì)制造業(yè)企業(yè)廠房進(jìn)行車間物流系統(tǒng)建模，以解決車間內(nèi)部大量離散事件仿真問題。通過對(duì)仿真模型運(yùn)作行為的觀測，利用可視化技術(shù)，直觀地檢測仿真畫面，或者對(duì)仿真數(shù)據(jù)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)圖表等進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)測，分析其所存在的問題，進(jìn)而找出問題原因，以便對(duì)車間物流系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)改善和調(diào)整[5]。

2.2 空間分析

如圖4 所示，工廠廠房內(nèi)的空間工藝布局主要基于周轉(zhuǎn)用具的運(yùn)行，生產(chǎn)物料的擺放以及半成品、成品的放置等。通過智能物流仿真技術(shù)對(duì)相關(guān)承載用具、工具、產(chǎn)品等的基本信息進(jìn)行輸入，并且涵蓋相關(guān)物流的運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行位置，能夠有效地對(duì)廠房空間模型進(jìn)行虛擬運(yùn)行管理，便于設(shè)備的安裝及預(yù)留空間的布置[6]。

圖4 空間工藝布局

2.3 數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)接口

建立設(shè)備數(shù)據(jù)庫并與相關(guān)CAD 模型形成相互連接，可以在數(shù)據(jù)庫中得到類似于動(dòng)力作用情況等報(bào)告，并能把圖片和文檔等其他類型文件連接在設(shè)備中。如圖5 所示，專業(yè)技術(shù)人員逐步調(diào)整并完善模型，就可在產(chǎn)品生產(chǎn)前期迅速地進(jìn)行生產(chǎn)布置，同時(shí)對(duì)工廠內(nèi)布局的設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化和優(yōu)化，并插入相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)和其他的3D 視圖生成ASCII 形式的文件來描述制造信息和位置信息[7]。

圖5 3D 仿真視圖

3 優(yōu)化仿真

智能工廠物流仿真設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)最合理的工廠布局并得以實(shí)施[6]。通過綜合考量零部件輸送距離、加工單元的面積規(guī)格、物料庫存水平等因素，使生產(chǎn)能力得到釋放，在減少生產(chǎn)成本的同時(shí)，協(xié)調(diào)了各個(gè)生產(chǎn)過程，形成了溝通與互連。交互式的自動(dòng)生產(chǎn)圖表能節(jié)省投產(chǎn)布置時(shí)間，并能與更接近的實(shí)際狀況進(jìn)行驗(yàn)證，大幅縮短工程分析時(shí)間，解決了由于缺少必要的技術(shù)合理性評(píng)估帶來的工程浪費(fèi)，降低開發(fā)成本。注重團(tuán)隊(duì)合作與溝通，形成分布式開發(fā)能力，降低工程冗余并能及時(shí)預(yù)見更具潛力的布局方案[8]。

如圖6 所示，智能工廠能自動(dòng)生成一些布局選項(xiàng)，只需要根據(jù)輸入特征便可完善設(shè)計(jì)質(zhì)量，并能根據(jù)物流的工作區(qū)域和其他的重要信息，運(yùn)用一定的運(yùn)算法則能快速進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，得到最佳的布局方案。所有增加的交互式的關(guān)系圖表都具備查詢功能，具備快速地評(píng)估和布局方案對(duì)比能力，并且通過篩選最佳的評(píng)估方案和最經(jīng)濟(jì)的協(xié)作設(shè)計(jì)方法，以到達(dá)減少設(shè)計(jì)時(shí)間、加快布置效率和提升產(chǎn)能的目的[9]。

圖6 點(diǎn)到點(diǎn)式物流圖表

3.1 優(yōu)化手段

布局優(yōu)化面向生產(chǎn)物資，以生產(chǎn)全過程所需的產(chǎn)品、設(shè)備、工具等為工程優(yōu)化載體，注重預(yù)測與分析能力。同時(shí)以合理有效的工藝作業(yè)流程作為串接，以完整的生產(chǎn)計(jì)劃作為指引，通過評(píng)價(jià)再評(píng)價(jià)的優(yōu)化設(shè)計(jì)體系驗(yàn)證，結(jié)合信息數(shù)字化技術(shù)，使得工程技術(shù)人員能夠從專業(yè)技術(shù)角度充分完善工藝布局狀態(tài)，同時(shí)即使面對(duì)非專業(yè)人士，亦能通過視覺化輸出方案進(jìn)行常識(shí)驗(yàn)證[10]。

3.2 優(yōu)化功能

建立起以產(chǎn)品總組裝結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品機(jī)械制造工藝流程為路徑的流程圖，并賦予產(chǎn)品相關(guān)屬性信息，完成生產(chǎn)過程層次架構(gòu)設(shè)計(jì)，并使得該層次架構(gòu)具備可編輯性。同時(shí)在流程或裝配層次結(jié)構(gòu)中集合進(jìn)工具、設(shè)備等相關(guān)屬性信息并可進(jìn)行操作模擬。廠房信息中重點(diǎn)進(jìn)行工作區(qū)域劃分，并形成工作活動(dòng)區(qū)域，進(jìn)行工作目標(biāo)與工作區(qū)域結(jié)合串聯(lián)。利用顏色識(shí)別功能用以區(qū)分材料信息、設(shè)備信息、操作者信息和通道路徑，顏色的深度代表不同的相關(guān)參數(shù)，使得相關(guān)生產(chǎn)信息如成本、距離、時(shí)間、存放情況等得到有效的信息反饋，確保各種條件下工藝布局的合理性。通過對(duì)生產(chǎn)物料的相關(guān)流量參數(shù)進(jìn)行合理估算及預(yù)測，對(duì)流量較大的區(qū)域進(jìn)行有效識(shí)別進(jìn)而調(diào)整，解決通道擁堵并提高運(yùn)輸承載能力。采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)流程設(shè)計(jì)方案，集成層次結(jié)構(gòu)中預(yù)先設(shè)定的屬性信息和數(shù)據(jù)信息，結(jié)合相關(guān)工具、用具的實(shí)際需求狀況，完成自動(dòng)組裝和加工的模擬優(yōu)化，同時(shí)建立空間利用率報(bào)告，形成區(qū)域標(biāo)記。初始化的工藝布局模擬通過預(yù)定時(shí)間的驗(yàn)證，在相關(guān)區(qū)域內(nèi)如物流存放區(qū)或產(chǎn)品生產(chǎn)區(qū)（通道、設(shè)備和工具等）生成空間利用率報(bào)告、庫存需求報(bào)告、運(yùn)輸能力評(píng)價(jià)等文件，用以評(píng)估優(yōu)化過程的準(zhǔn)確性，并通過對(duì)空間環(huán)境狀況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和補(bǔ)充，最終完成最佳布局路徑[11]，如圖7 所示。

圖7 布局優(yōu)化設(shè)計(jì)模擬

4 應(yīng)用能力

某大型汽車生產(chǎn)廠商應(yīng)用智能流水線裝配用具仿真模塊和組件，對(duì)工廠進(jìn)行布局和分析。如圖8 所示，工程技術(shù)人員可以運(yùn)用智能流水線用具仿真模塊優(yōu)化生產(chǎn)實(shí)際問題，極大縮短了新建工廠的設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了分析和預(yù)測的速度和效率，加快了廠房建設(shè)速度和節(jié)約了投資成本。

圖8 汽車裝配流程模擬

智能化物流仿真應(yīng)用過程充分結(jié)合崗位現(xiàn)場作業(yè)及定置管理技術(shù)要求，使得宏觀布局工藝系統(tǒng)按照裝配結(jié)構(gòu)層次和制造工藝流程被合理且有效地組織，增強(qiáng)設(shè)計(jì)信息溝通性，減少設(shè)計(jì)系統(tǒng)分析方案調(diào)整時(shí)間，緩解了設(shè)計(jì)工程成本冗余浪費(fèi)等問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)某些缺乏系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性因素的整體技術(shù)價(jià)值的評(píng)估預(yù)測，降低工藝系統(tǒng)總體開發(fā)成本。有效地促進(jìn)企業(yè)管理人員或工程設(shè)計(jì)人員精準(zhǔn)性的評(píng)估自身或合作伙伴整體工作流程，使人為干擾降至最低。解決工程冗余問題，促使投產(chǎn)或生產(chǎn)過程的布局質(zhì)量得到明顯提升，同時(shí)有針對(duì)性、定制化的設(shè)計(jì)過程使得無論面向整體還是面向局部的優(yōu)化過程更加吻合實(shí)際運(yùn)用，運(yùn)用評(píng)估性獲得極大的提升[12]。

在智能化物流仿真應(yīng)用優(yōu)化過程中，可以根據(jù)部分質(zhì)量因素相關(guān)性進(jìn)行優(yōu)化和組合，進(jìn)而形成生產(chǎn)活動(dòng)關(guān)聯(lián)性圖表架構(gòu)，模擬出更貼切的實(shí)際應(yīng)用場景。例如，利用物料密度數(shù)據(jù)優(yōu)化區(qū)域劃分，獲得最佳的設(shè)計(jì)平衡算法；估算物料傳輸路徑和傳送頻率，劃分工作區(qū)域邊界，形成任務(wù)工作流串接，測算由重量或密度關(guān)系形成的空間容量分析；形成優(yōu)先級(jí)布局選項(xiàng)，利用輸入輸出特性，結(jié)合區(qū)域管理和需求分析，指定優(yōu)化算法，獲得最佳組合；利用OPT 算法，初始化布局配置，建立面向精細(xì)生產(chǎn)的操作流程聚合體系；建立反饋評(píng)價(jià)設(shè)置，利用協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。

5 結(jié)論

綜上所述，智能化物流仿真應(yīng)用技術(shù)通過實(shí)施建模、仿真、優(yōu)化等過程，展現(xiàn)了更加貼近實(shí)際生產(chǎn)過程的技術(shù)應(yīng)用，加快了工業(yè)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)投產(chǎn)周期，淘汰了工程冗余，促進(jìn)了投資回報(bào)，以及解決了企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)能力不足的問題。智能化物流仿真應(yīng)用技術(shù)極大地提升了企業(yè)內(nèi)部運(yùn)行效率，并促使企業(yè)完善創(chuàng)新與協(xié)作機(jī)制。