基于Witness的物流实验室仿真与建模

学号：A07111049基于Witness的物流实验室生产物流系统建模与仿真学生姓名：指导教师：所在院系：所学专业：研究方向：东北农业大学中国·哈尔滨2023年6月NEAUB.A.DegreeThesisRegisteredNumber：A07111049MODELINGANDSIMULATINGONLOGISTICSLABORATORYPRODUCTIONLOGISTICSSYSTEMBASEDONWITNESSNameofStudent：WangJiananSupervisor:WangYijiaoCollege：EngineeringCollegeSpecialty:IndustrialEngineeringResearchField:LogisticsManagementNortheastAgriculturalUniversityHarbin·ChinaJune2023摘要随着科学技术的迅猛开展和计算机技术的广泛应用，以往利用数学模型来描述系统特征并进行求解的方式，正在逐步开展成为以现代计算机技术为根底的仿真建模方式，这种技术有很强的优越性，可以用来解决许多无法用数学手段进行求解的问题。生产物流系统是一个非常复杂并且开放的系统，由于它的复杂性以及生产物流系统所处环境的不确定性，使得要找出影响生产物流系统运行效率的瓶颈环节是非常困难的。经验说明，计算机仿真建模的方法是辅助改良和优化生产物流系统的有效工具。本文以我校物流实验室的生产物流系统为研究对象，在对国内外物流系统仿真的研究与开展现状进行了比拟详细了解的根底上，确定了整个论文的研究目标，同时介绍了仿真系统的相关理论知识，探讨了生产物流系统仿真建模的方法，并介绍了Witness建模与仿真工具，应用Witness建模仿真软件，结合生产物流系统的理论知识，针对物流实验室生产物流系统进行仿真建模，通过Witness仿真软件的运行及其仿真结果的分析，运用路径优化等原那么，提出了可行的优化措施，为物流实验室的优化方案提供了决策参考。关键词：生产物流系统；仿真建模；Witness；路径优化ModelingandSimulatingonLogisticsLaboratoryProductionLogisticsSystemBasedonWitnessAbstractWiththeextensiveapplicationofscienceandtechnologyandtherapiddevelopmentofcomputertechnology,inthepasttheuseofmathematicalmodelstodescribethesystemcharacteristicsandthewaytosolveisgraduallydevelopedintoamoderncomputertechnology-basedsimulationmodeling.Thistechnologyhasastrongadvantagethatitcanbeusedtosolvemanyproblemswhichcannotbesolvedbymathematicalmeans.Productionlogisticssystemisaverycomplexandopensystem,becauseofitscomplexityanduncertaintyofproductionlogisticssystemisexposed,sotofindouttheimpactofproductionlogisticssystemefficiencybottlenecksisverydifficult.Experienceshowsthatcomputersimulationsmodelingmethodisaneffectivetooltoimproveandoptimizethesecondaryproductionlogisticssystem.Inthispaper,theproductionlogisticssystemoflogisticslaboratoryinourschoolwasusedastheresearchobject.BasedontheresearchanddevelopmentofthesimulationoflogisticssysteminChinaandabroad,theresearchobjectofthewholethesisisdetermined.Atthesametime,therelevanttheoreticalknowledgeofthesimulationsystemisintroduced,andthesimulationmethodoftheproductionlogisticssystemisdiscussed,andtheWITNESSmodelingandsimulationtoolsarealsointroduced.UsingWITNESSmodelingandsimulationsoftware,combinedwiththetheoreticalknowledgeoftheproductionlogisticssystem,thelogisticslaboratoryproductionlogisticssystemwassimulationmodeling.ThroughtheWITNESSsimulationsoftwarerunningandsimulationresultsanalysis,usingtheprincipleofoptimalpathofproposedthefeasibleoptimizationmeasures,providethedecisionreferencefortheoptimizationoflogisticslaboratory.Keywords:ProductionLogisticsSystem;ModelingandSimulating;WITNESS;PathOptimization目录摘要IAbstractII1引言11.1本研究的目的与意义11.2国内外相关研究及应用现状11.2.1国内研究现状11.2.2国外研究现状21.3研究的内容及技术路线41.3.1主要研究内容41.3.2技术路线42生产物流系统仿真技术根底理论52.1系统仿真概述52.1.1系统仿真的概念52.1.2系统仿真的分类62.1.3系统仿真的一般步骤72.1.4生产物流系统仿真的优化82.2WITNESS仿真系统92.2.1Witness仿真软件简介92.2.2Witness仿真软件提供的根本元素92.2.3Witness的规那么103物流实验室生产物流系统的模型建立113.1物流实验室简介113.2生产物流系统流程的分析113.3仿真模型的建立123.3.1数据调研与元素定义123.3.2元素可视化的设置143.3.3各个元素细节设计153.4模型运行和数据分析193.4.1模型运行193.4.2结果输出与数据分析194物流实验室生产物流系统的模型优化234.1建立优化模型234.2优化模型的运行和数据比照235结论28参考文献29致谢311引言1.1本研究的目的与意义随着市场经济的快速开展，市场竞争日益剧烈。据相关资料统计，在生产车间里，零件在机床上的时间仅占生产时间的5%，而剩余95%的时间消耗在原材料、工具、零件的搬运、等待上，也就是属于物流活动所占用的时间[1]。在剧烈的市场竞争中，企业需要重新利用或分配资源，来增加生产系统的柔性，以到达降低制造本钱，提高效益的目的。因此，如何缩短生产周期，加速资金的周转，降低在制品等物料的占用，从而实现生产物流更加合理，就成为了企业生存与开展，所必须要解决的关键问题。生产物流系统是一个十分复杂并且开放的系统，它的高度动态性、高度变化性，使得对整个系统进行优化变得非常困难。计算机仿真技术作为一门新兴的高新技术，正在被越来越广泛地应用于各行各业，已经成为战略研究、系统分析、运筹规划、预测决策、宏观及微观管理等领域的有效工具[2]。同时计算机仿真技术也是研究生产制造系统的一种十分有效的手段，是对生产系统进行分析和评价的最简单、最经济的一种方法。通过对生产物流系统的仿真研究，有助于找出生产系统潜在的作业“瓶颈〞和关键路径，优化生产运行方案，找出物流制约环节，为生产实际改善提供决策依据，并最终实现提高设备利用率、降低本钱的目标。因此，具有较强的理论研究和实际应用意义。本文针对物流实验室所模拟的生产物流系统在运行过程中存在的运输时间消耗较长、工位空闲率高致使每次实验的生产周期过长的现象进行研究，将实验课所模拟的生产物流系统，运用Witness软件进行建模与仿真。通过运用Witness仿真软件，对实验室所模拟的物流系统进行仿真研究，有助于找出生产系统存在的问题，并提出优化方案，进而到达减少时间浪费，并最终实现提高实验课效率的目标。1.2国内外相关研究及应用现状生产物流系统是一个复杂的综合性系统，如何提高其效益是至关重要的，系统仿真作为一项用于系统分析和研究的技术，已经被广泛用来对生产物流系统进行规划设计、运输调度和物料控制等方面。1.2.1国内研究现状早在1930年代初，物流概念就已经被提出。我国的学者、研究人员已经对物流的开展历史与内涵等内容做了大量的研究，在理论知识等方面虽进行了相关的探索与研究，但关于生产物流方面的研究还是比拟少，目前我国还是缺乏相对完整的理论体系。而对生产物流系统的仿真，主要采用建立基于Petri网的网络模型的方式，我国关于生产物流系统仿真的研究现状见表1-1。表1-1国内研究现状相关人物具体事件吴耀华、颜永年[3]在1996年，提出了一种基于Perti网动态模型的物流系统，这套系统真实地反映了物流系统的动态特性。张丹羽等[4]在1999年，提出了一种面向对象和基于图形的建模仿真环境的技术方案，解决了柔性制造系统中的模型复杂性高和可重用性差的问题。戴晓明等[5]在2001年，基于面向对象方法开发了离散事件动态系统仿真工具DEDSSim。周立新等[6]在2003年，针对某物流企业的具体案例，利用VB6.0设计开发了仿真程序，实现了第三方物流企业运作中的仓库选址、车辆配置和库存策略等功能。张正祥等[7]在2003年，建立了一个具有不确定需求的多周期合作型二级网络的库存控制模型。郑顺水[8]在2004年，基于生产线仿真与优化技术，建立了应用对象、类库、仿真模型，进行了物流和生产调度仿真。张晓萍[9]在2005年，主编了《物流系统仿真原理与应用》一书，该书结合4种常用的仿真软件〔AutoMod、Flexsim、Arena、Extend〕介绍了系统仿真原理与方法及其在物流系统中的应用。吴锡源等[10]在2006年，提出绿色供给链管理的根本思想和过程，初步建立了企业绿色供给链运作参考模型。王亚超、马汉武[11]在2006年，全国多家高校教师参与编写了《生产物流系统建模与仿真--Witness系统及应用》一书，该书系统的介绍了Witness仿真软件在生产物流建模的过程中的应用，并结合了许多实用案例。赵刚等[12]在2007年，编写了《仿真技术在物流管理中的应用》一书，从物流配送中心的建模出发，介绍了仿真技术在配送中心内部规划、企业物流系统规划等方面的应用。詹跃东[13]在2007年，基于Petri网建模理论，分析了烟草行业的卷接包车间的AGVS，并对其构造了Petri网模型。嵇振平等[13]在2007年，提出了一种基于Perti网动态模型的物流系统，这套系统真实地反映了物流系统的动态特性。陶红表、邹志强[14]在2023年，应用e-Mpower软件对包装企业的生产物流进行建模仿真，降低了瓦楞纸箱的生产本钱，使企业更具竞争力。1.2.2国外研究现状研究物流的关键是找到可以对物流系统进行建模的工具，对于物流系统的研究，国外的开展比拟早，相对的理论根底与实践应用也比拟成熟，而且现今常用的大局部物流仿真软件均由国外研制开发，例如美国Rockwell公司开发的Arena、英国Lanner集团开发的Witness、以色列Tecnomatix开发的eM-Plant等物流软件，这些软件已经被广泛地应用于各国的汽车工业、运输业、电子等行业。在生产物流系统仿真的方面也有一定的应用与研究成果，国外关于生产物流系统仿真的研究现状见表1-2。表1-2国外研究现状相关人物具体事件M.EricJohnson等[15]在1994年，采用SIMAN仿真语言对所要设计的Hewlett-Packard公司的北美新配送中心建模，为中心的设计提供了指导性的意见，极大地加速了配送中心的建设。WolfgangKreutzer[16]在1998年，将面向对象的概念引入到离散事件系统的建模与仿真，并给出了一个系统实现框架BetaSIM。RotabKhan等[17]在1999年，提出运用计算机仿真实现对纺织制造系统的管理和方案优选。AntonioReyes等[18]在2000年，将Petri网和人工智能技术相结合用于解决柔性加工生产系统的规划问题，加强了Petri网对实际系统行为的推理能力。Yang[19]在2000年，建立仿真模型研究了不同控制策略和环境因素对一个SWMR〔SingleWarehouseMulti-Retailer〕系统运行绩效的影响。Anglani[20]在2002年，基于UML建模语言和ARENA过程仿真语言，利用面向对象的技术建立了柔性制造系统的仿真模型开发环境―UMSIS，从而将概念模型转化为实际模型。FellxT.S.Chan等[21]在2002年，采用商业的仿真软件包Simprocess建立了一个供给链的仿真模型。ScottJ.Mason等[22]在2003年，应用仿真软件Arena对一个汽车企业内部的供给链建立了包括库存管理和交通管理的仿真模型。IvanFerretti等[23]在2005年，在其论文中主要研究基于ANT系统的启发式算法解决钢铁连续铸造企业的工业生产库存问题。Fung.S.H[24]在2005年，提出了能够简化库存方案的虚拟库存系统〔VWS〕，以使得在生产需求突发变化时使流线型生产方案得以实施和控制。C.Saygin[25]在2006年，利用RFID数据对时限材料的库存管理进行仿真。HartwigBaumgärtel等[26]在2006年，结合Multi-agent〔多代理〕技术和分布约束理论开发了Fakos生产方案仿真系统，直观地表现汽车制造设备生产线物流，并具备本钱优化功能，满足客户的决策支持要求。1.3研究的内容及技术路线1.3.1主要研究内容〔1〕通过査阅文献对国内外生产物流系统的建模与仿真的应用现状进行调查研究，明确建模与仿真的理论和实践意义；〔2〕通过学习掌握了研究生产物流系统的根本理论及方法，了解Witness软件的特点，学习Witness软件的建模方法；〔3〕通过对验室生产物流系统的现状进行分析，对其进行仿真建模，研究其存在的问题，并运用物料搬运的路径优化等原那么，对其进行改善，提出改良模型。1.3.2技术路线本文的技术路线不仅反映了研究的总体思路,，也是指导本研究有序进行的根本依据。具体技术路线如图1-1所示。否否是开始査阅文献、收集资料，确定研究内容分析国内外研究现状，明确研究目的和意义对物流实验室进行调研，收集原始数据对物流实验室现有系统进行仿真建模运用路径优化原那么，对系统进行优化建模比照优化前后模型是否满意结束图1-1技术路线图2生产物流系统仿真技术根底理论2.1系统仿真概述2.1.1系统仿真的概念系统仿真是建立在数学逻辑模型的根底上，用数学和图形的方法来演示系统行为过程的一种方法，然后通过计算机实验，对一个特定的系统按照一定的原那么规律由一个状态变换为另一个状态的行为进行动态描述和分析。计算机仿真包括三个要素：系统、模型以及仿真[27]。〔1〕系统存在于世界上的系统是千差万别的，但人们总结出描述系统的“三要素〞，即实体、属性和活动。实体确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；属性也称为描述变量，描述每一实体的特征；活动定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变化的过程。〔2〕模型所谓模型，就是对实际系统的一种抽象、本质的描述。首先，模型必须是对现实系统的一种抽象，它是在一定假设条件下对系统的简化。其次，模型必须包含系统中的主要因素。第三，为了进行定量分析，模型中必须反映出各主要因素之间的逻辑关系和数学关系，使模型对系统具有代表性。〔3〕仿真仿真就是通过建立实际系统模型并利用所建模型对实际系统进行试验研究的过程。综上所述，“系统、模型、仿真〞三者之间有着密切的关系。系统仿真有三个根本的活动，即系统建模、仿真建模和仿真实验。计算机仿真的三个要素可以通过系统模型的建立、仿真模型的建立和仿真实验这三个根本活动来联系。这三个要素和三个活动的关系如图2-1所示。系统系统仿真模型建立系统模建立仿真模仿真实验图2-1计算机仿真三要素及其关系系统仿真是针对真实系统而建立相关的模型，用模型代替真实的系统进行各项试验，从而对系统的性能进行研究的方法。要了解系统仿真，还需要了解与系统仿真相关的另一些根本概念，现分别描述如下：〔1〕实体实体是描述仿真系统的三要素之一，是组成系统的物理单元，分为临时实体和永久实体两种类型。在仿真过程中，永久实体始终都存在，而只存在一段时间的实体叫临时实体。〔2〕事件事件是引起系统状态发生改变的一种行为，可以说系统是由事件来驱动的。在一个系统中，有许多类的事件，事件的发生一般与某一类实体有关，某一类事件的发生还可能会引起别的事件发生，或者是另一类事件发生的条件等等。〔3〕活动把两个相邻发生的事件衔接起来的过程叫做活动。它标志着系统状态所发生的转移，表示系统从一个状态改变为另一个状态。〔4〕进程活动和活动之间的间隔时间所组成的过程叫做进程，进程描述了它所包括的事件及活动间的相互逻辑关系及时序关系。事件、活动、进程三者之间的关系如图2-2所示。事事件1事件n事件2事件3事件4“t〞进程活动n-1活动2活动3活动1图2-2事件、活动与进程之间的关系〔5〕仿真钟仿真时间变化用仿真钟来模拟。仿真钟可以跳过离散事件之间系统状态不变的这个阶段，使整个系统一直模拟整个事件的变化过程，而跳过不变的状态，这样可以用很短的时间来模拟很长一段时间[28]。2.1.2系统仿真的分类〔1〕根据模型种类根据模型种类的不同，系统仿真可以分为三种：物理仿真、数学仿真、半实物仿真。按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验过程，称为物理仿真；对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到的系统数学模型，对数学模型进行试验的过程称为数学仿真；将数学模型和物理模型甚至实物联合起来进行实验，称之为半实物仿真[29]。〔2〕根据计算机的类型根据仿真中所用计算机的不同，又可分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真。模拟仿真是基于数学模型相似原理上的一种方法，主要工具是模拟计算机；数字仿真是基于数值计算原理，主要工具是仿真软件和数字计算机；混合仿真是将模拟仿真和数字仿真相结合的一种方法，主要工具是混合计算机系统。〔3〕根据仿真的研究对象根据仿真研究对象，仿真可以分为连续系统仿真和离散事件系统仿真。这类系统的数学模型包括连续模型〔微分方程〕，离散时间模型〔差分方程〕以及连续——离散混合模型[30]。2.1.3系统仿真的一般步骤物流系统仿真是研究物流系统的一种具有极强的实用性的重要技术手段，在实施过程中应该遵循一定的步骤，以保证仿真过程能顺利进行并得到合理的仿真数据和结果。一般要进行如下9步[31]：否否是统计数据并输入修改模型并确认系统抽象模型是否有效建立模型模型检验运行模型分析结果仿真结束图2-3系统仿真的根本步骤〔1〕问题定义一个模型不可能呈现出被模拟的现实系统的所有方面，因此比拟好的做法就是：先对问题进行定义，后针对问题制定目标，然后构建一个能够完全解决问题的模型。这样才能保证模型能够解决问题。〔2〕制定目标没有目标的仿真研究是毫无用途的。系统的定义是基于系统目标的，目标决定了该做出怎样的假设，决定了应该收集的信息和数据。目标需要做到清楚、明确和切实可行。〔3〕描述系统并列出假设描述系统就是要实现现实系统向模型的转化，这比模型转化为计算机模型要困难得多，因为这意味着你必须对现实非常了解，并且能够根据目标将其描述出来，在这一过程中，列出所做的假设是非常必要的。〔4〕列出所有可能替代方案在仿真研究中，确定模型早期运行的可置换方案是很重要的，它将影响模型的建立。在初期阶段考虑替代方案，模型应设计为非常易于转换到替换系统的形式。〔5〕收集数据和信息收集数据和信息，除了可以作为模型参数和输入数据外，在验证模型阶段还可以提供实际数据与模型的运行结果之间的比拟。〔6〕建立计算机模型在构造计算机模型的过程中，仿真研究目标要放在首位。一般建模过程是分阶段进行的，即在进行下一阶段建模之前要对本阶段的模型进行验证，以确保正常。〔7〕验证和确认模型验证即确认模型的功能是否与设想的系统功能相符，而确认的范围更加广泛，包括：确认模型是否能够正确反映现实即评估模型仿真结果的可信度有多大。〔8〕运行模型在模型得到验证和确认之后，就可以运行模型进行仿真试验了。可以根据不同的需运行模型，可以改变某一参数，来确定其对模型的影响，可以运行替代模型，以查看比拟其结果。〔9〕结果输出在进行了所需的仿真实验后，就需要对仿真结果进行分析输出，这一局部主要是根据模拟的目标来解释仿真的结果[32]。2.1.4生产物流系统仿真的优化系统经过仿真，可以直观的了解其运行情况，经过分析，对其存在的问题进行优化改善需要遵照一定的根底原那么。对于生产物流系统的优化，选择适宜的物流路径十分重要，本研究将会从物料搬运方面对原有系统进行优化改良。物料搬运是指在物流过程中，对各类物资所进行的装卸、搬运、堆垛、协助取货和理货等相关的作业[33]。选择适宜的搬运路径以及装卸搬运方法对降低本钱、节约时间等起着不容无视的作用。首先，物料如果不能适时、适地、适量地送至生产场所或工作地，会增加机器设备、人员的闲置时间，影响机器设备和人员的利用，甚至造成生产过程中断，影响产品生产进度和交货时间；其次，搬运不良或搬运缓慢，会造成生产现场混乱，打乱正常的工作地布置，影响平安生产和工人操作，导致工人易疲劳，降低生产效率；再次，搬运不良，物料搬运次数过多或过少，都会增加搬运费用，导致生产本钱的提高；最后，大量资料说明，物料搬运不良，还是导致产品质量不良的原因之一[34]。路径优化是研究搬运系统的关键环节，从起点到终点往往有几条可选择路径，选择任意一条路径，选择任意一种搬运工具，不管搬运工具的速度是多少，都能够实现货物送达的目的，但是却不能实现消耗能源最少、搬运时间最短和本钱最低。路径优化的原那么主要有以下几点：〔1〕近距离原那么运输与装卸搬运只能增加产品本钱。因此，在条件允许的情况下，应使物料流动距离最短，以减少运输与装卸搬运强度和频数。〔2〕优先原那么在进行物流系统规划和设计时，应将彼此之间物流量比拟大的设施布置得近一些，而将物流量小的设施与设备布置得远一些。〔3〕尽量防止迂回和倒流原那么迂回和倒流现象严重影响物流系统的效益，甚至影响生产过程的顺利进行，必须使其减少到最低程度。〔4〕整体化和系统化原那么任何系统的优化应将整体化和系统化放在第一位，使得物流系统的整体性能和整体效益最好。2.2WITNESS仿真系统2.2.1Witness仿真软件简介WITNESS是由英国Lanner公司推出的功能强大的仿真软件系统。它可以用于离散事件系统的仿真，同时又可以用于连续流体〔如液压、化工、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工程，如Airbus公司的机场设施布局优化、BAA公司的机场物流规划、BAESYSTEMS电气公司的流程改善、Exxon化学公司的供给链物流系统规划、Ford汽车公司的工厂布局优化和发动机生产线优化和发动机生产线优化、TreborBassett公司的分销物流系统规划等。Lanner公司已经在包括澳大利亚、巴西、法国、德国、中国、意大利、日本、韩国、南非、美国、英国等25个国家和地区设立的代理，负责软件的推广和技术支持等工作[11]。2.2.2Witness仿真软件提供的根本元素Witness元素是模型的重要的组成局部，现实中的事物或商务系统一般是由一系列相关联的局部组成，比方制造系统中的人员、加工路线、原材料、仓库、设备等等。Witness软件的模型与现实系统的事物相同，通过运行一定时间来模拟系统。其中，系统中的每个部件被称为“元素〔Element〕〞。Witness主要通过五类元素构建系统仿真模型：离散型元素、连续型元素、运输逻辑型元素、逻辑型元素和图形元素。〔1〕离散型元素离散型元素主要表示现实系统中可以计数的，能够看得见的物体，主要包括：零部件〔PART〕、输送链〔CONVEYOR〕、缓冲区〔BUFFER〕、车辆〔VEHICLE〕、机器〔MACHINE〕、路径〔PATH〕、模块〔MODULE〕、劳动者〔LABOR〕、轨道〔TRACK〕。〔2〕连续型元素连续型元素用来表示加工或效劳对象是流体的系统，如饮料、液化气等。主要包括：容器〔TANK〕、处理器〔PROCESSOR〕、流体〔FLUID〕、管道〔PIPE〕。〔3〕逻辑运输型元素逻辑运输单元是建立物料运输系统所需要的。它包括：工作站〔STATION〕、路线集〔SECTION〕、单件运输小车〔CARRIERS〕、运输网络〔NETWORK〕。〔4〕逻辑元素通过逻辑元素，可以对数据、报表、复杂的逻辑结构的元素进行处理，这样有助于提高模型的质量，更有利于实现结构比拟复杂的模型的建立。它主要包括：变量〔VARIABLE〕、属性〔ATTRIBUTE〕、函数〔FUNCTION〕、分布〔DISTRIBUTION〕、文件〔FILE〕、班次〔SHIFT〕和零部件文件〔PARTFILE〕。〔5〕图形元素模型的运行绩效指标可以用图形元素放在仿真窗口动态的表示出来，主要包括：直方图〔HISTOGRAM〕、饼状图〔PIECHART〕和时间序列图〔TIMESERIES〕。2.2.3Witness的规那么一旦在模型中创立了元素，就必须说明零部件、流体、车辆和单件运输小车在它们之间是怎样流动以及劳动者是怎样分配的，这就要用到规那么。Witness有几类不同的规那么：〔1〕输入规那么〔INPUTRULE〕输入规那么控制零部件或者流体进入在系统中的流动过程。例如，一台空闲机器要启动的话会按照输入规那么输入零部件直到有足够的零部件启动它；一台尾部有空间的输送链在每向前移动一个位置时，按照输入规那么输入零部件。〔2〕输出规那么〔OUTPUTRULE〕输出规那么控制着当前元素中的零部件、流体、车辆和单件运输小车输出的目的地和数量等。例如，一台机器在完成对零部件的加工后按照一个输出规那么将零部件输出到另一台机器上，要是它出了什么故障不能这样做，那将会出现堵塞现象。〔3〕劳动者规那么机器、输送链、管道、处理器、容器、路线集和工作台都需要劳动者才能完成任务。劳动者规那么可以让我们详细说明实体元素为完成任务所需要的劳动者类型和数量。劳动规那么主要有三类：NOTE规那么、MATCH规那么、WAIT规那么。3物流实验室生产物流系统的模型建立3.1物流实验室简介我校物流实验室于2023年投入使用，主要包括自动化立体仓储系统、U型可重构柔性生产流水线、搬运及运输系统、实验实训软件系统等几大局部。可以模拟由生产装配企业、仓储配送中心、供给商、批发商、零售商等单位构成的实验实训系统，此系统主要承当工业工程、物流工程专业的实验课程，可以以生产装配企业为中心或仓储配送为中心开设相关实验，例如生产线平衡实验、生产过程时间组织分析实验、ERP实验等，模拟完成企业生产经营过程以及物料搬运与运输过程管理。物流实验室既能实现以配送中心为中心的供给商、仓储、零售商组成相应的供给链，又能实现以生产制造企业为中心、以配送中心为平台的原材料供给、输送、仓储功能，同时也能实现生产制造企业的产品输入、存储以及销售功能，并且供给商、零售商可以针对不同情况角色而变化。整个实验室具有配送中心及生产制造企业两个核心，可以实现商业物流/供给链和企业生产物流/供给链，通过相关软件能够真正实现各中心的物流、信息流、资金流正确、实时畅通传输、汇总、输出等功能。实验室内的生产线节拍具有自动可人工设定的功能，人工设定时每工位允许有不同节拍，生产线传输设备为分体控制，支持灵活组合布置生产线的功能，并且生产及实验可以顺利进行。自动化仓储包括立体仓库和电子标签仓库，既可以作为物流配送中心的物料的存储空间，又可以作为生产制造企业原材料及产品的存储空间。实验室内的相关软件可以支持实验室所有功能，相关软件可以适应并支持生产线的改变。软件能很容易适应并给用户留有相关接口，允许用户对相关局部进行控制和调整。3.2生产物流系统流程的分析本模型主要研究我校物流实验室所模拟的组装流水线生产物流系统，对该系统的一次实验内容的物流过程进行建模仿真，根据以往实验课的内容，一次实验装配大约六个电脑主板。当实验开始后，首先由AGV小车从立体仓库装载第一批零部件，然后将第一批零部件按照各工位所需数量，依次卸载到倍速链输送机一侧的各个工位上，运送完毕后AGV小车返回起点，装载第二批零部件，并且再次将所需数量的零部件，卸载到皮带式输送机一侧的各个工位上。当最后一个工位上有零部件后，装配流水线开始运行，AGV小车按原定路线同时返回起点并停车。当所有成品进入立体仓库后，该系统结束运行。具体的生产物流过程如图3-1所示。否否是最后工位是否有零件AGV小车取零件零件运送至各工位开始进行装配成品入库开始结束图3-1生产物流过程3.3仿真模型的建立3.3.1数据调研与元素定义本文以物流实验室生产物流系统为研究对象，经过查阅学生以前做过的实验报告，得到各工位装配零部件所用的时间数据，将这些数据作为系统建模的根底调研数据，工位作业时间见表3-1。表3-1工位作业时间工位号作业内容观测时间〔s〕标准工时〔s〕1装CPU+质检27322装风扇+质检42443装内存条+质检22274装复原卡+质检12155装数据线+质检13166装显卡+质检15197装网卡+质检11158安电池+质检711经过查阅物流实验室相关采购文件，得到AGV小车速度等数据见表3-2。表3-2具体参数名称数量〔长度或个数〕速度〔cm/s〕AGV小车1台约为4倍速链输送机5m约为7皮带式输送机5m约为10要对现有生产系统进行仿真建模，就必须创立仿真模型中的各个元素，创立模型元素的具体步骤为：定义元素〔Definingelements〕、可视化元素〔Displayingelements〕及详细定义元素〔Detailingelements〕。本系统的元素定义见表3-3。表3-3实体元素定义元素名称类型数量说明主板Part1电脑主板第一批零件Part1倍速链输送机一侧所需零部件第二批零件Part1皮带式输送机一侧所需零部件安装CPUMachine1CPU安装工序安装风扇Machine1风扇安装工序安装内存条Machine1内存条安装工序安装复原卡Machine1复原卡安装工序安装数据线Machine1数据线安装工序安装显卡Machine1显卡安装工序安装网卡Machine1网卡安装工序安装电池Machine1电池安装工序AGV小车Vehicle1AGV小车C1Conveyor1第一段倍速链输送机C2Conveyor1第二段倍速链输送机C3Conveyor1第三段倍速链输送机C4Conveyor1分拣输送机C5Conveyor1第一段皮带式输送机C6Conveyor1第二段皮带式输送机C7Conveyor1第三段皮带式输送机主板缓存Buffer1放在流利式输送链上的电脑主板电子标签库Buffer1电子标签库立体仓库Buffer1立体仓库B1Buffer1CPU安装工序的缓存续表3-3元素名称类型数量说明B2Buffer1风扇安装工序的缓存B3Buffer1内存条安装工序的缓存B4Buffer1复原卡安装工序的缓存B5Buffer1数据线安装工序的缓存B6Buffer1显卡安装工序的缓存B7Buffer1网卡安装工序的缓存B8Buffer1电池安装工序的缓存成品路径Path1成品的运输路径T1Track1AGV小车运输路径1T2Track1AGV小车运输路径2T3Track1AGV小车运输路径3T4Track1AGV小车运输路径4T5Track1AGV小车运输路径5T6Track1AGV小车运输路径6T7Track1AGV小车运输路径7T8Track1AGV小车运输路径8T9Track1AGV小车运输路径9T22Track1AGV小车返回路径1T66Track1AGV小车返回路径23.3.2元素可视化的设置各个实体元素的显示特征定义设置如图3-2所示。图3-2各个实体元素的显示特征Witness仿真软件提供实时动画仿真功能，它有助于系统确实认，因为系统确实认包括确认系统的行为〔从系统的输入到它的运行逻辑〕被正确地再现，并且有一定的精度。Witness仿真软件为元素提供了图库及外部图形文件输入接口，用户可以根据元素的外部特征自己绘制图形或选择图片，然后将它们导入图库。显示元素的对话框如图3-3所示，显示元素设计页如图3-4所示。图3-3显示元素对话框图3-4显示元素设计页通过显示元素对话框与显示元素设计页，可以将模型中的各个实体元素的名称、图示、排队方式等属性根据实际需求进行可视化设置。3.3.3各个元素细节设计〔1〕对Part元素细节设计第一批零件与第二批零件的Type属性均为Passive。主板的详细定义：1〕属性定义主板.Type=Active！部件主板为主动型部件；主板.Maximum=6！部件主板本次实验的最大容量为6个；主板.InterArrival=1.0！部件主板的到达间隔为1秒；主板.LotSize=1！部件主板的到达批量为1个；2〕规那么定义主板.InputtoModelRules(To):IFNPARTS(B5)>0 PUSHto主板缓存ELSE WaitENDIF〔2〕对Machine元素细节设计以Machine元素安装CPU为例，对Machine元素的详细设计：1〕属性设计安装CPU.Type=Assembly！机器安装CPU为组装类型的机器；安装CPU.CycleTime=32.0！机器安装CPU组装用时为32秒；安装CPU.Quantity=1！机器安装CPU的数量是1个；2〕规那么定义安装CPU.InputRules(From)：SEQUENCE/Wait主板缓存#(1),B1#(1)安装CPU.OutputRules(To):PUSHtoC1atRear其他Machine元素的详细定义过程与Machine元素安装CPU类似，同样按照属性定义和规那么定义来逐一实现。只是各个Machine元素的参数有所不同，需要按照实际系统中各个生产元素的实际数据分别进行相应的详细定义。〔3〕对Vehicle元素细节设计对Vehicle元素AGV小车的详细设计：1〕属性设计AGV小车.Quantity=1！AGV小车的数量为1个；AGV小车.Capacity=30！AGV小车的容量为30；AGV小车.UnloadedSpeed=4.0！AGV小车的空载速度为4.0厘米/秒；AGV小车.LoadedSpeed=4.0！AGV小车的满载速度为4.0厘米/秒；2〕规那么定义AGV小车.EntryRules(To):PUSHtoT1〔4〕对Conveyor元素细节设计1〕以Conveyor元素C1为例，对Conveyor元素的详细设计：①属性设计C1.Type=Queuing！C1传送链的类型为队列型；C1.Lengthinparts=4.0！C1传送链的长度为4个单元长度；C1.MaximumCapacity=3.0！C1传送链的最大容量为3个单元长度；C1.MovementIndextime=6.0！C1传送链的移动速度为6秒一个单元长度；②规那么定义C1.InputRules(From):WaitC1.OutputRules(To):Wait2〕以Conveyor元素C5为例，对Conveyor元素的详细设计：①属性设计C5.Type=Fixed！C5传送链的类型为固定型；C5.Lengthinparts=4.0！C5的长度为4个单元长度；C5.MaximumCapacity=3.0！C5的最大容量为3个单元长度；C5.MovementIndextime=3.0！C5传送链的移动速度为4秒一个单元长度；②规那么定义C5.InputRules(From):WaitC5.OutputRules(To):Wait其他Conveyor元素的详细定义过程与Conveyor元素C1和Conveyor元素C5类似，同样按照属性定义和规那么定义来逐一实现。只是各个Conveyor元素的参数有所不同，需要按照实际系统中各个生产元素的实际数据分别进行相应的详细定义。〔5〕对Buffer元素细节设计Buffer元素的详细定义界面如图3-5所示。图3-5详细定义元素〔6〕对Track元素细节设计1〕以Track元素T1为例，对Track元素的详细设计：①属性设计T1.DurationDisplayLength=1000！TrackT1的长度为1000厘米；②规那么定义T1.FrontRules(Outputto)：IFNPARTS(B1)=0ORNPARTS(B2)=0ORNPARTS(B3)=0ORNPARTS(B4)=0 PUSHtoT2ELSE PUSHtoT6ENDIF③Loading定义:T1.TimetoLoad=10.0！AGV小车在T1的装载时间为10.0秒；T1.InputLoadingRule：IFNPARTS(B1)=0ANDNPARTS(B2)=0ANDNPARTS(B3)=0ANDNPARTS(B4)=0 PULLfrom第一批零件outofWORLDELSEIFNPARTS(B5)=0ANDNPARTS(B6)=0ANDNPARTS(B7)=0ANDNPARTS(B8)=0 PULLfrom第二批零件outofWORLDELSE WaitENDIF2〕以Track元素T2为例，对Track元素的详细设计：①属性设计T2.DurationDisplayLength=250！TrackT2的长度为250厘米；②规那么定义T2.FrontRules(Outputto)：PUSHtoT3③Unloading定义:T2.TimetoUnload=2.0！AGV小车在B1的卸载时间为5.0秒；T2.Quantityto=6！AGV小车在B1的卸载数量为6个；T2.OutputLoadingRule：PUSH第一批零件toB1其他Track元素的详细定义过程与Track元素T1和Track元素T2类似，同样按照属性定义和规那么定义来逐一实现。只是各个Track元素的参数有所不同，需要按照实际系统中各个生产元素的实际数据分别进行相应的详细定义。〔7〕对Path元素细节设计对Path元素成品路径的详细设计：成品路径.PathTraverse=20.0!成品经过Path路径的时间为20秒；成品路径.PathUpdate=0.01!成品路径的图像刷新率为0.01秒一次；成品路径.SourceElement=安装电池!成品路径上的部件来自于Machine元素安装电池；成品路径.Destination=立体仓库!成品路径上的部件发给Buffer元素立体仓库；3.4模型运行和数据分析3.4.1模型运行模型仿真钟取系统默认的1的时间单位为1秒钟，当系统运行至定义事件完成后结束，共运行1881仿真时间，约为30分钟。运行之中某时刻如图3-6所示。图3-6模型运行界面3.4.2结果输出与数据分析模型运行结束后，对仿真结果进行分析，输出各个工位闲忙所占比例如图3-7所示，各段传送链闲忙所占比例如图3-8所示，各段路径闲忙所占比例如图3-9所示，AGV小车闲忙所占比例如图3-10所示。图3-7各个工位闲忙所占比例图3-8各段传送链闲忙所占比例图3-9各段路径闲忙所占比例图3-10AGV小车闲忙所占比例分析具体数据，得到各工位装配工作情况见表3-4，各段传送链工作情况见表3-5，各段路径工作情况见表3-6，AGV小车工作情况见表3-7。表3-4各工位装配工作情况名称空闲时间%工作时间%装配数量安装CPU89.7910.216安装风扇85.9614.046安装内存条91.398.616安装复原卡95.224.786安装数据线94.905.106安装显卡93.946.066安装网卡95.224.786安装电池96.493.516表3-5各段传送链工作情况名称空闲时间%工作时间%排队时间〔s〕运输数量平均运输时间〔s〕C187.243.519.25654.00C292.347.660.00624.00C392.347.660.00624.00C485.3314.670.00656.00C594.905.100.00616.00C694.905.100.00616.00C794.905.100.00616.00表3-6各段路径工作情况名称空闲时间%运输时间%T172.3627.64T296.573.43T397.902.10T497.902.10T597.902.10T698.561.44T797.902.10T897.902.10T997.902.10T2276.7423.26T6668.3721.2表3-7AGV小车工作情况名称空闲时间%载物时间%AGV小车49.8448.25由以上数据可以看出，各个工位的空闲时间占全部时间的比例很大，均到达80%以上，传送链和路径的利用率也很低，这是由于AGV小车搬运物料所用的时间过长造成的，而AGV小的载物时间不到50%。由于AGV小车的速度限制，大约为4厘米/秒，当所有工位都有零部件时整个装配流水线才开始运行，装配流水线开始运行的时间很晚，使得整个生产周期变得很长，各个工位的等待时间所占百分比就会很大，其他设备的利用率很低，各工位的实际有效工作时间相对变短，导致生产效率很低。4物流实验室生产物流系统的模型优化4.1建立优化模型根据路径优化的原那么，由于AGV小车的速度很小，为了使AGV小车在搬运物料的过程中尽量减少占用时间，应该尽可能的考虑路径最近原那么。从上文数据可以看出，T1这段路径的利用率最大，T1为关键路径，因此要尽可能的缩短T1的长度。由于电子标签库内存放的物料不经常使用，根据优先原那么，考虑到AGV小车优先从立体仓库内取物料，故将其移动到如图4-1所示的位置。由于进行路径优化，故除Track元素的长度发生改变，其他元素的具体细节均不变，模型优化布局如图4-1所示。图4-1AGV小车路径优化4.2优化模型的运行和数据比照路径优化后，将具体优化路径数据输入模型，当模型运行至定义事件完成后结束，共运行1276仿真时间，约为21分钟。输出优化后各工位闲忙比方图4-2所示，优化后各段传送链闲忙比方图4-3所示，优化后各路径闲忙比方图4-4所示，优化后AGV小车闲忙比方图4-5所示。图4-2优化后各工位闲忙比图4-3优化后各段传送链闲忙比图4-4优化后各路径闲忙比图4-5优化后AGV小车闲忙比分析具体数据，得到优化后各工位装配情况见表4-1，优化后各段传送链工作情况见表4-2，优化后各段路径工作情况见表4-3，优化后AGV小车工作情况见表4-4。表4-1优化后各工位装配情况名称空闲时间%工作时间%装配数量安装CPU84.9515.056安装风扇79.3120.696安装内存条87.3012.706安装复原卡92.957.056安装数据线92.487.526安装显卡91.078.936安装网卡92.957.056安装电池94.835.176表4-2优化后各段传送链工作情况名称空闲时间%工作时间%排队时间〔s〕运输数量平均运输时间〔s〕C181.195.1713.64654.00C288.7111.290.00624.00C388.7111.290.00624.00C477.4322.570.00668.00C592.487.520.00616.00C692.487.520.00616.00C792.487.520.00616.00表4-3优化后各段路径工作情况名称空闲时间%运输时间%T192.557.45T295.924.08T396.903.10T496.903.10T596.903.10T692.997.01T796.903.10T896.903.10T996.903.10T1184.3315.67T2252.7819.59表4-4优化后AGV小车工作情况名称空闲时间%载物时间%AGV小车21.5575.63比照优化前后的数据可以看出，各个工位及设备的空闲时间所占比例均有下降，各工位优化情况见表4-5，各段传送链优化情况见表4-6，各段路径优化情况见表4-7，AGV小车优化情况见表4-8。表4-5各工位优化情况名称优化前空闲时间%优化后空闲时间%优化量%安装CPU89.7984.954.84安装风扇85.9679.316.65安装内存条91.3987.304.09安装复原卡95.2292.952.27安装数据线94.9092.482.42安装显卡93.9491.072.87安装网卡95.2292.952.70安装电池96.4994.831.66表4-6各段传送链优化情况名称优化前空闲时间%优化后空闲时间%优化量%C187.2481.196.05C292.3488.713.63C392.3488.713.63C485.3377.437.9C594.9092.482.42C694.9092.482.42C794.9092.482.42表4-7各段路径优化情况名称优化前运输时间%优化后运输时间%优化量%T127.647.45-20.19T23.434.080.65T0T0T0T61.447.015.57T0T0T0T1123.2615.677.59T2221.219.591.61表4-8AGV小车优化情况名称优化前载物时间%优化后载物时间%优化量%AGV小车48.2575.6327.38由以上比照数据可以看出：各工位和设备的空闲率均有所下降，工作时间所占比例均有所上升，AGV小车的载物时间所占比例到达75%以上，小车的利用率变高，并且由于路径T1的距离减少，T1的运输量时间减少，说明等待的时间所占比例下降了，而有效的作业时间占据更多的比例，并且整个生产周期由原来的30分钟缩短至21分钟，生产周期减少30%，生产效率得到了显著的提升，优化方案可行。5结论本论文的研究是在生产物流理论和系统仿真理论的指导下完成的。在对生产物流系统相关文献阅读的根底上，结合生产物流系统的特点，运用Witness系统仿真软件，以物流实验室的生产物流系统为例，研究使用仿真手段寻找系统生产瓶颈和设计优化方案的方法，这种方法对类似的实际生产企业的生产物流系统的规划和设计具有广泛的应用价值。本文的结论如下：在对物流实验室生产物流系统调研和分析的根底上，运用Witness仿真软件建立了物流实验室生产系统的仿真模型；通过仿真分析，确定了系统运行中瓶颈的具体环节；根据路径优化等原那么，提出了消除瓶颈的系统改良方案，为物流实验室的优化方案提供了决策参考。参考文献[1]杨堃.流水线型制造企业生产物流系统仿真与应用研究[D].重庆大学,2023,4.[2]孙单智,牟能冶,陈达强.仿真在生产物流系统巾的应用[J].物流科技,2006,29(3):36-37.[3]吴耀华,严永年.基于Petri网模型的物流系统建模[J].机械工业自动化,1996,18(3):6-8.[4]张丹羽,王莹,肖际伟.基于面向对象技术的物流系统的调度与仿真[J].机械工业自动化,1999,21(3):24-26.[5]戴晓明,张洪渊,程海光等.离散事件动态系统仿真工具DEDSSim及其应用研究[J].计算机仿真,2001,18(4):38-40.[6]周立新,陶瑞岩,汪菲.第三方物流工程仿真程序设计与实现[J].同济大学学报,2003,31(12):1426-1429.[7]于泳海,张正祥.基于供给链管理的多周期合作型随机库存控制模型与仿真[J].现代设计技术,2003,20(1):15-18.[8]郑顺水.生产线仿真技术研究[J].先进制造技术,2004,23(4):22-23.[9]张晓萍.物流系统仿真原理与应用[M].北京:中国物资出版社,2005,3.[10]吴锡源,张大亮.SCOR模型在绿色供给链管理中的应用研究[J].技术经济与管理研究,2006(2):81-82.[11]王亚超,马汉武主编.生产物流系统建模与仿真--Witness系统及应用[M].北京:科学出版社,2006.[12]赵刚.仿真技术与物流管理中的应用[M].上海:上海交通大学出版社,2007,5.[13]李永先,胡祥培,熊英.物流系统仿真研究综述[J].系统仿真报,2007(4),19(7):1411-1416.[14]陶表红,邹志强