Witness物流系统解决方案

1   需求分析

现代物流在中国的发展现状是比较多地关注和侧重企业外部(供应、销售)物流,而不太重视生产过程中工厂内部的生产物流;比较关注和侧重宏观、中观物流的研究和发展,不太重视微观物流研究和发展;比较关注和侧重知识、概念性的东西,而不太重视具体的、操作性的东西。

物流概念的提出最早始于1930年代初。物流系统是指在一定的时间和空间里,由物资、包装设备、装卸搬运机械、运输工具、仓储设施、人员和通信联系等若干相互制约的动态要素所构成的具有特定功能的有机整体。其目的是实现物资的空间效益和时间效益,在保证社会再生产顺利进行的前提条件下,实现各种物流环节的合理衔接,并取得最佳的经济效益。物流系统是一个可分的、动态的、跨地域跨时域的“人机系统”。

一般来说,企业生产物流系统是一个复杂的动态系统,可根据实际情况分解为单服务台排队系统、库存系统、生产线物流路径系统、配送中心系统、供应链系统、人员调度系统、单品种流水线系统、混合流水线系统、逆向回收物流系统、看板生产系统等子系统。

物流系统规划涉及设施布置、线路规划、设备选择等诸多方面,是一个复杂系统工程。其多样性和复杂性决定了很难通过建立物理模型或采用实际运行实验的方法对其进行检验和评价。借助于计算机模拟技术建立生产物流系统模型并进行模拟,可以在脱离真实系统的环境下,获得接近于真实系统的运行结果,是对生产物流系统进行设计、分析和评价的有效的方法。对现代生产物流系统进行仿真,其目的是通过仿真了解物料运输、存储动态过程的各种统计、动态性能。如各种设备的处理能力配套是否满足实际要求,运输设备的利用率是否合理,输送路线是否通畅,物料流经系统的周期是否过长等。但由于现代生产物流系统具有突出的离散型、随机性的特点,因此人们希望通过对现代物流系统的计算机辅助设计及仿真的研究,将凭经验的猜测从物流系统设计中去除,使物流合理化进而提高企业生产效率。

仿真技术的优势在于可以对规划中的系统或现有配置提出各种假设并建立合理的仿真模型,在计算机中运行仿真系统,可测试和检验仿真模型在各种运行状态下的绩效。利用系统仿真技术可以在短时间内、在各种不同条件下对各种不同的解决方案进行多次测试,以此对决策提供最有说服力的决定性依据。Witness仿真软件是一个面向于生产、运输、规划等方面的仿真软件。先用该软件建立起一个抽象的模型,然后在计算机上进行生产过程的模拟运行,就可以得到模型的生产产量、生产设备利用率、物料配送及生产瓶颈问题的报告,仿真得到的数据为实际生产线的规划、运行提供了量化的依据,可以预先测算出生产线运行中可能发生的生产调度、生产管理等方面的问题。Witness软件的特点之一就是可以显示生产系统仿真的整个过程,让使用者可以清楚地了解到生产过程中发生的问题,及时地对模型的参数(对应的生产参数)进行调整,实现对物流系统的优化配置。

2   国内外研究现状

随着计算机软硬件的快速发展、离散事件系统仿真和虚拟现实技术相关理论研究的进步,系统仿真软件在近十年来获得了飞速发展。国内外各个知名大学,研究机构以及各个知名企业都已经在实际的生产运营、设计优化过程中引入了系统仿真技术。国内外也已发表了相当一部分的研究文献。现阶段系统仿真技术主要集中在:物流系统设计与优化、供应链分析、仓库管理、多产品混流生产系统设计优化等方面。

2010年,徐工集团开始装载机新工厂的建设项目。考虑到投资规模以及多品种混线生产带来的生产运营管理的复杂性,新工厂建设的规划与决策部门需要选用优化的工程方案,使得新工厂的建设具备良好的性能以及效率。在新工厂规划阶段,仅依据传统经验、书面推演进行等此类方式很难完全把握生产线实际运转的状况。为此,徐工科技的规划设计部门,结合装载机制造智能化升级新工厂扩建项目,导入更为客观与科学的生产流程仿真优化技术,用于新工厂项目的规划评估与产能验证,通过使用系统模拟仿真技术,徐工建立了新工厂的具有丰富运作细节的仿真模型,经过仿真运行可以获得对新工厂运行的直观理解,涉及到工厂运作流程的众多变量及其相互依赖性关系。新工厂仿真模型涵盖了原材料的切割下料、薄板件生产、结构焊接、涂装、总装车间运营的各种生产环节,并集成为一个完整的工厂仿真模型,从单一车间到整个工厂的产线性能来分析各种不同的作业规则、计划安排。新工厂项目的决策部门,从仿真结果数据输出可以清晰的从不同的侧面来了解与评估新工厂的规划。

2010年,尼桑汽车引入系统模拟仿真技术,对他们位于英国森德兰的LEAF车型电池生产线进行产能验证并改进生产线配置与设计,与位于日本的原型生产线相比节省成本1000万欧元。

2010年,可口可乐公司引入系统模拟仿真技术对他们位于英国北安普敦郡的生产厂进行库存优化设计,使吞吐量上升18%,节省成本17万英镑。

3   离散事件系统解决方案简介

3.1      系统仿真的基本原理

生产与物流系统运营是现代企业运行中必不可少的环节,而生产与物流系统属于离散的事件系统。所谓离散事件系统是指系统的状态变化只发生在一些离散的时间点上而在相邻两个时间点之间系统状态保持不变。离散事件系统的仿真就是按照实际的工作流程,在规定时间内顺序地改变实体或设备的状态。

离散事件系统仿真实质上是对那些由随机系统定义的、用数值方式或逻辑方式描述的动态模型的处理过程。从处理手段上看,离散事件系统仿真方法可分为两类:

1) 面向过程的离散事件系统仿真

面向过程的仿真方法主要研究仿真过程中发生的事件以及模型中实体的活动,这些事件或活动的发生是顺序的,而仿真时钟的推进正是依赖于这些事件和活动的发生顺序。在当前仿真时刻,仿真进程需要判断下一个事件发生的时刻或者判断触发实体活动开始和停止的条件是否满足,在处理完当前仿真时刻系统状态变化操作后,再将仿真时钟推进到下一事件发生时刻或下一个最早的活动开始或停止时刻。仿真过程就是不断按照发生时间排列事件序列并处理系统状态变化的过程。

2) 面向对象的离散事件系统仿真

在面向对象仿真中,组成系统的实体以对象来描述。对象有三个基本的描述部分,即属性、活动和消息。每个对象都是一个封装了对象的属性及对象状态变化操作的自主的模块,对象之间靠消息传递来建立联系以协调活动。对象内部不仅封装了对象的属性还封装了描述对象运动及变化规律的内部和外部转化函数。这些函数以消息或时间来激活,在满足一定条件时产生相应的活动。消息和活动可以同时发生,即所谓的并发。但是在单CPU计算机上,仍须按照一定的仿真策略进行调度。而在并行计算机和分布式仿真环境中,方针策略则可以更加灵活、方便。面向对象的仿真尤其适用于各个实体相对独立、以信息建立相互联系的系统中,如航空管理、机械制造加工系统等等。

离散事件系统仿真方法适用于状态变量是离散变化或时间连续变化的一类系统的仿真问题。随机时刻上发生的时间引起系统中实体的状态变化。描述这类系统的模型一般不是一组数学表达式,而是一幅表述数量关系和逻辑关系的流程图。离散事件系统的算法体现在其建模和仿真的策略中。有三种仿真策略:

1)  事件调度法

按照这种策略建立模型时,所有事件都放在事件表中,模型设有一个时间控制成分,该成分从事件表中选择具有最早发生时间的事件,并将仿真钟修改到该事件发生的时间,再调用与该事件相应的事件处理模块,该事件处理完后返回时间控制成分。这样,事件的选择与处理不断地进行,直到仿真终止的条件或程序事件产生为止。

2)   活动扫描法

在此方法中,系统由部件组成,而部件包含着运动,这些活动的发生应当满足规定事件发生的条件。每一个成分均有一个激活条件,若条件满足,则激活该成分的活动例程。仿真过程中,活动的发生时间也作为条件之一,而且较之其他条件具有更高的优先权。即在判断激活条件时首先判断该活动发生的时间是否满足,然后再判断其他条件。对活动的扫描循环进行,直到仿真终止为止。

3)   进程交互法

这种方法的特点是系统仿真钟的控制采用两张事件表,其一是当前事件表(Current Events ListCEL),它包含了从当前时间开始有资格执行的事件记录,但是该事件是否发生的条件尚未判断。其二是将来事件表(Future Events ListFEL),它包含在将来某个仿真时刻发生的事件记录。每一个事件记录中包含该事件的若干属性,其中必有一个属性,说明该事件在过程中所处位置的指针。进程交互法首先按照一定的分布产生到达实体并置于FEL中,实体进入排队等候。然后对当前事件表CEL进行扫描,判断各种条件是否满足,再对满足条件的活动进行处理。仿真钟推进到服务结束并将该实体从系统中清除,最后将未来事件表FEL中为当前事件的实体移动到当前事件表CEL中。

离散事件系统的仿真方法和仿真策略如上所述,随着计算机技术的发展,逐渐出现了各类成熟的专门用于离散事件系统仿真的仿真工具。英国Lanner集团推出的Witness软件就是其中的佼佼者之一。Witness可以用于离散事件系统仿真同时又可用于连续流体(如液压、化工和水力)系统的仿真。目前已被成功运用于国际3000多家知名企业的解决方案项目中。

4   Witness物流系统解决方案应用案例

生产物流指从企业的原材料、外购件购进入库起,直到企业成品库的成品发送为止,这一全过程的物流活动称为生产物流。它包括从原材料和协作件的采购供应开始,经过生产过程中半成品的存放、装卸、输送和成品包装,到流通部门的入库验收、分类、储存、配送,最后送到客户手中的全过程,以及贯穿于物流全过程的信息传递。

企业生产物流系统规划是一项往复次数多的复杂任务,要考虑众多的复杂因素,包括定性因素、定量因素、建筑物限制、效率要求、环保要求、消防的措施及法规等。随着市场需求的不确定性以及设施布置的动态化设计,一般在发达国家中,每年总有约1/4的生产(服务)面积要重新布置。如此频繁的重新布置,尤其是大型项目,无论是人力还是财力都难以支撑。对企业生产物流系统规划设计的方案的优选采用手工方式难以达到预期目标,本方案针物流系统规划,采用Witness仿真进行优化和优选。

4  生产物流路径系统及物流成本仿真

物流路径在实际生产中有着非常高的利用率。物流路径的合理选择对物流成本及生产线的运行效益有着重要的影响。路径是一个单元,部件和劳动力(或其他资源)能沿着它从一个单元到另一个单元。在模型中它用来表示真实世界中路径的长度和物理性质。当两个操作的时间间隔相当重要时,路径在增加模型准确度上是十分有用的。

零部件A、B、C组装完成后沿着一个路径被送到喷漆部门,随机喷成红绿黄三种颜色,然后送去检查,有的部件由于喷漆不合格由工作人员送回重新喷漆,其他的被送去包装,相同颜色的4个成品达成一包发货。

4.1     生产物流系统Witness仿真模型

                 Witness仿真软件建立的模型模拟一周的运行情况如下图所示:

                通过仿真系统的模拟,可以看出在一周之内,此生产系统产出为217套成品,物流总花费为6042元。以下为生产系统各个元素的工作状态统计表。

通过以上报表可以看出,流水线上的机器利用率越来越低,工人的劳动时间比例也较低,以path1-path3-path2的顺序来看,路径上零部件通过量也是逐步减少,这是由于零部件加工时间和在路径上的行进时间较长造成的结果。物流成本的统计也为流水线的改善提供了科学的依据。该类数据的提供,对物流系统、生产系统以及商业流程的设计或再造具有重要的价值意义。

4.2      垃圾回收物流系统仿真

城市某一区域,共有7个居民小区,每个小区有一个固定垃圾投放处,两个垃圾箱分别投放完全废弃垃圾和可回收利用垃圾;每天有专门公司(垃圾处理公司)派运输车收集垃圾,将垃圾从居民区运送之中转站,再由中转站运至目的地—垃圾处理中心。

仿真程序研究如何设计物流系统,能够使收集系统在满足时间约束、载重约束的条件下,使垃圾处理公司的物流总成本最低。系统配置的项目主要有车辆载重量、随车工作人员数、客户满意度。

4.2.1      系统基础数据说明

各收集点之间以及停车场和转运站之间的距离信息如表1所示。

4.2.2  收集车辆相关信息

n  固定成本:收集车辆的购买费用;

n  可变成本:车辆的行驶费用、维护费用和雇员工资;

n  行驶速度:分为空车行驶速度和载重行驶速度;

n  收集时间:在垃圾收集点收集垃圾所需的时间

n  卸载时间:在转运站卸载垃圾所需的时间

说明:

车1用来收集不可回收垃圾;车2用来收集可回收利用垃圾;

X1,X2为现有两种车的吨位数,X1取值:3,4,5;X2取值:1.5;2;2.5;

y为每次收集的垃圾量,单位--吨;

P1,P2为两种车可配备的随车工作人员数(可以是1,2,3)。

4.2.3   与垃圾相关信息

n  人均垃圾量:平均每人每天产生的垃圾数量;

n  垃圾比例:各种垃圾成分所占比例。

假设人均垃圾量服从均值为1.2kg/天的埃尔郎分布,垃圾成分分为两类:一类为可重复利用资源,一类为无用需销毁垃圾,两者比例为1:2。

4.2.4   收集垃圾的成本函数

现在假设仿真一年365天的垃圾回收工作,决定两种型号的车配置何种吨位以及随车工作人员数,垃圾回收物流成本(Total Logistic Cost,TLC)最低。

TLC=车1成本+车2成本

车I所耗成本=I的固定成本+I的可变成本+I的服务时间成本+I的人员成本

即:

TLC=CC1+CC2

CC[i]=X[i]+V[i]+S[i]+P[i]*365*60

S[i]=(runtime[i]-240)*m

S[i]为垃圾回收的服务时间成本,m为收集时间对服务时间成本的惩罚因子。垃圾回收公司在十二点之前收集完毕,社会效应好,给予奖励;在十二点后完成,社会满意度低,影响公司信誉,成本增加。

runtime[i]为垃圾车将垃圾全部回收完成的最终时间,也即垃圾车每天的运行时间。4.2.1 系统逻辑结构

此垃圾回收物流系统的逻辑结构分为五个子模块:垃圾产生模块、叫车模块、收集模块、收工模块、数据处理模块。

n  垃圾产生模块:每天收集工作开始时,系统根据小区的人数、人均垃圾量、两种垃圾量的比例,通过爱尔朗随机分布函数,随机产生各个小区的两种垃圾数量,分别放入各个小区的两个垃圾箱内。

n  叫车模块:在垃圾放入各个小区的两个垃圾箱过程中,根据每种垃圾的总量以及每种垃圾车的载重量,生成叫车的次数。

n  收集模块:叫车次数确定之后,车辆根据需求,沿着最短路径依次收集垃圾。在收集过程中,在一个垃圾点,如果垃圾车收集满了或当天的收集工作全部完成,车辆驶向垃圾中转站,进行卸载操作;如果垃圾车未满,则驶向下一最近垃圾收集点继续收集。

n  收工模块:当天的收集工作全部完成之后,车辆驶向公司停车场,当天收集工作完毕。

n  数据处理模块:每天车辆收工时。

5   技术优势与应用前景

5.1      技术优势

综上所述,以下总结了Witness的一些技术优势:

1)          Witness建模元素的能力与范围是无以伦比的,正确的模型结构和建模思想能快速组建有效的模型,基本建模元素的丰富功能给建模者提供了最大的灵活性。

2)          提供了迄今为止最为强大的逻辑规则比如PUSH, PULL, LEAST, MOST, PERCENT, SEQUENCE等等,此外IF和MATCH规则的加入更深化了这一点。

3)          Witness是少数几个提供层次建模的软件之一,通过不限层级的模块建造,用户可以很方便的克隆并重新使用整个模型。

4)          Witness提供了全面的报表功能,可以任意复制和粘贴报表到用户的文字编辑软件里面,提供HTML的输出模式并可以自定义自己的报表和输出。

5)          Witness的强大交互性能使得它从很多软件中脱颖而出,很少有产品能提供这样的功能:停止一个模型的运行,改变任何的参数继续运行;可以把模型与模型状态保存以便之后导入继续运行;打断流程中的某一环节观察系统的反应;可以倒回和从新播放模型运行的状况(类似于DVD倒带)。

6)          WITNESS 提供了类似于微软系列产品的操作界面使得初学者很容易上手和操作,很多软件操作习惯得以继承下来。

7)          Witness提供了广泛的数据接口——可以与EXCEL、任何OLE数据库(ORACLE, SQL Server, Access等),CAD系统,XML保存格式等等进行直接的联接。

8)          Witness提供了Quick 3D功能,可实现一键式地从2D布局到3D布局的转变,3D直接建立系统模型常常引入不必要的第三维参数从而限制了建模的速度,此外,纯3D建模的方式在建立大模型的时候会变得异常复杂。我们认为,2D模型足以表达系统的特征和工作流程特性,3D只是视觉辅助。

9)          Witness拥有独一无二的优化技术,Witness优化器模块提供了先进且易用的优化算法。

6.    系统仿真技术应用前景

一个理想的制造企业应该是一个数字化的企业,每一份资源都纳入系统,每一份资源都有其使用规划。如此,系统方显复杂,人为认定的简单才能消除,企业优化资源利用的行动才能持续下去。仿真最重大的任务就是建立具有足够问题承载力的现实问题的模型,并借助计算机的特异之处(高速运算能力),给出数学计算所无法给出的求解。仿真技术必定是未来数字化工厂必不可缺的技术方向;仿真是对“精确量化”的追求,对于“精确的系统的量化”的追求,是对于理想的数字的工厂的追求。