現代包裝印刷生產物流系統建模與仿真

王小慧，杜艷平，張文姣，楊源鑫，張 媛

（北京印刷學院 機電工程學院，北京 102600）

現代包裝印刷生產物流系統建模與仿真

王小慧，杜艷平，張文姣，楊源鑫，張 媛

（北京印刷學院 機電工程學院，北京 102600）

首先應用AnyLogic軟件中的方法對簡要的現代生產物流系統的生產工藝流程圖和生產布局圖進行仿真；其次通過改變系統中所涉及參數的值觀察系統的變化，研究系統的參數對流程的影響；最后經過M公司的相關專業技術人員對結果進行觀察，得出該模型的結果符合實際。

包裝印刷；生產物流系統；混合模型；參數

1 引言

目前“工業4.0”已經成為各行各業的話題，作為中國排位前15的包裝印刷工業，受到新的工業革命浪潮的推動。關國平指出包裝印刷企業的兩條發展線，即：智能工廠、智能制造[1]。建立現代包裝印刷生產物流系統不僅減少了在包裝工序中的勞動力和勞動強度，而且也減少了在整個包裝生產物流系統中工人的職業病發病率（比如：由于長期的重復動作或者一些低溫條件的工作，工人容易患上關節炎等癥狀），同時也提高工廠的生產效益等。

目前，國內外研究者對相關情況做過研究，文獻[2]運用解釋結構模型法（ISM）和層次分析法（AHP）構建了卷煙生產物流系統的優化模型。文獻[3]借助計算機輔助工藝過程設計（CAPP）思想，設計出類似生產工藝卡片指導工藝過程的物流卡，用于指導企業生產運作過程中生產物流系統的管理和控制。文獻[4]對精益物流系統進行了深入的研究，文獻[5]將Witness仿真技術應用到汽車零件生產物流系統中，提出了優化方案提高了生產效益等。前人的研究主要集中在生產物流系統的管理、系統某一環節的優化和仿真等方面，并沒有對整個生產物流系統的進行仿真及對環節中參數的改變后對系統產生的影響進行研究。因此，本文依據包裝印刷的生產工藝流程、布局圖等基本要素，應用AnyLogic軟件中的三種建模方法，設計該實驗室自動化包裝印刷生產物流系統的模型，并進行模型仿真，并分析通過對某一環節中的參數值的變化，觀察對系統中日產量函數及相關設備使用率等因素的影響。

2 現代印刷包裝生產物流系統

國家標準GB4122.1-2008給出的包裝定義為：為在流通過程中保護產品，方便儲運，促進銷售，按一定技術方法而采用的容器、材料及輔助物等的總體名稱。與傳統的包裝不同，現包裝不僅用于保護商品，而且也用于美化、介紹、宣傳商品和方便流通等。實現這些功能的最重要技術就是包裝印刷技術。包裝印刷是指以包裝材料、包裝制品、標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[6]。包裝印刷是印刷技術領域的一個分支，屬于特種印刷范疇，是在一般印刷技術的基礎上發展起來的一種新的印刷工業體系。包裝設計的最后工序是印刷和后期的加工工藝，是包裝由設計方案變為實物的最為重要的環節，同時也使得包裝印刷生產物流系統的生產工藝和生產布局圖成為模擬和仿真的關鍵因素。

通過對M公司的生產工藝流程與車間的布局進行相關的分析與調研，簡化設計出該生產物流系統的工藝布局圖，如圖1所示。

圖1 M公司簡化的設施布局圖

簡化后的布局圖的特點是沒有將環節的設備進行分區，物流量的流向（也即產品的生產過程）在該布局圖中用箭頭表示，即：①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧，箭頭的末端和起點均為一個生產工藝環節，相應的生產物流系統的工藝流程為：生產工藝流程，原材料供應流程，包裝印刷工藝流程，半成品檢驗流程，表面處理工藝流程，模切工藝流程，成品清廢及檢驗工藝流程，成品打包裝箱工藝流程，成品入庫工藝流程等。

3 現代包裝印刷生產物流系統的模型

根據生產工藝和生產布局圖，將生產物流系統分為管理和設備兩大部分，設計出實驗室自動化印刷包裝生產物流系統。其中管理是指任務的接收、加工工藝、生產任務的調度、相關設備的運行狀態的提取與改進、設備的運行管理；設備包括AGV、印刷機、打包機、糊盒機、裝卸機器人和機器臂、倉庫、緩沖區等。采用現代仿真技術AnyLogic中的三種建模方法進行模擬和仿真，相關內容可參考文獻[7]。

3.1 模型的假設

由于設計該系統平臺的目的是為了研究現代生產物流系統實現后，系統參數對系統的影響作用，主要是對系統的日產量及設備使用率等的影響分析，故對系統做如下假設：

（1）由于系統中每一個Agent都有相關的參數、時間、變量等，導致整個設計系統的參數很多。因此選出主要參數進行分析，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，在生產的各個工序中不存在殘次品或者廢品及廢料等情況；

（3）實驗室設備的生產情況或者能力基本一致，不出現故障或者產品滯留等情況；

3.2 模型的建立

該生產物流系統模型的建立分為三大步，分別簡介如下：

第一步：建立各環節的Agent及各Agent的參數、變量等

在整個生產物流過程中，有原材料供應Agent、印刷機印刷Agent、半產品檢驗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，這里給出系統中部分Agent的設計。

圖2 原材料補給系統動力學圖及參數

工作原理是：通過觸發事件提供原材料紙和原材料油墨實現紙張和油墨的供應，到達印刷機器后，開始產品的印刷，一定時間后，通過事件到達原材料紙和到達原材料油墨對原材料進行補給作業，同時通過變量紙張大小和油墨用量對循環流程進行控制，見表1。

表1 相應參數類型及值

圖3 模切過程的工作流程圖及控制變量參數

模切的工作原理：已被檢驗后的半成品在等待一段時間之后，待半成品到達模具位置時，模具開始模切作業，半成品成為有形狀包裝產品并進入下一道工序，而模切復位等待下一個半成品的到來，該狀態是一個循環過程。所涉及的部分參數值見表2。

（3）其他的Agent。在調度的時候產生的Agent有：AdditionalTraverse、BackoriginalTiltTable、LiftingCrane、MutltifunctionalCrane、PackageTraverse、TiltCrane、Traverse、Unloading、UnloadingCrane.等實現產品的連續生產。

第二步：主函數Main的設計。Main是控制整個流程的運行，是將前面設計的所有智能體聯系起來的關鍵界面，設計該Main從以下兩個方面：

表2 模切模塊的參數和變量

（1）生產工藝流程圖及部分參數和變量如圖4所示。設計Main函數的目的是將系統中所有模塊進行連接，依據圖1箭頭所示的方向實現物流量的移動。如果要建立系統中Agent之間的交流，就需要設置Main函數的參數、變量、函數、Java語言等參數，進而實現各Agent之間信息和數據的傳遞，見表3。

圖4 生產工藝流程圖及部分參數和變量

表3 主函數Main的參數和變量

數據集（states、datasetCakesInProcess、datasetPrintEn、data-setOutput）是用來顯示觀察整個系統的智能體的運行狀態及包裝產品的印刷量、輸出量等。統計（statisticsDowntime，statisticsTimewaitForNextService、statisticsDowntimeCut、taskWaiting-Time等）是用來了解系統的隱形參數，比如：生產中的紙的存儲量，AGV小車的使用量等。

第三步：相關數據的設計。數據的作用是便于分析系統的運行情況及收集運行過程產生的數據，設計者可以依據實驗產生的數據對系統進行詳細的分析和再優化設計。本文給出兩個部分的數據或者狀態圖顯示設計，即：各環節利用率情況和系統運行的數據。

（1）各環節利用率情況設計。采用面板下面的分析圖表—條形圖對各環節的設備利用率情況進行設計，主要設計因素是對應機器的值（本文給出部分），見表4。

表4 部分條形圖值的設計

（2）系統運行的數據設計。本文采用直方圖收集產品的輸出量，采用時間折線圖收集包裝磨具隨時間的變化情況，具體屬性的設定方式如圖5和圖6所示。

圖5 產品輸出量的直方圖屬性設計

圖6 包裝品磨具的時間折線圖屬性設計

4 仿真結果分析

設定整個模型運行的時間單位為分鐘（Minutes），總時間為30天內，運動速度為分鐘（Minutes）*500，在系統變化后的48小時后開始收集并記錄數據及產品達到穩定生產時的數據圖，運行模型后可以得到如下結果：

（1）各環節利用率情況。通過條形圖（Chart）記錄在不同的工位，產品及設備的運行進度情況如圖7所示。

圖7 流程各環節的利用率情況

圖7顯示的是系統的設備在不同時刻、不同設備的整個系統連續運行狀況。比如：傾斜式起重機在day4:1:10:25時刻的利用率為89%，因此從圖中可以實時知道機器在某時刻的工作情況，依據情況可以判斷是否開啟或者關閉相應的機器，避免空閑機器運行所帶來的能源等的浪費，比如在該時刻的模切機的利用率為10%，說明在該時刻所需開啟的模切機數量應該減少。

（2）程序運行的數據結果。變化的參數主要為：Q{Quantity(level)}，S{Speed(meter/minute）)、T{Time(minutes)}，包裝產品的Quantity等級為：1～7。通過對改變各個起重機（Crane）、軌道（traverse）、AGVs運行的速度和時間，觀察分析產品的輸出量及包裝品的模具使用情況，見表5。

總結上述數據圖與結果知：①隨著速度和時間越大，包裝產品設備調度與管理逐漸趨于平穩，產品日產量的累計分布函數值區域面積增大，且趨于恒定。②從第二組試驗中可知，一段時間后，設備的使用在下降并趨于平穩，產品日產量的累計分布函數在分區域及分段。③從第一組和第二組試驗中可知，速度和時間越小，日產量的函數分段及分區域時間越快。④如果速度太大，結果不符合實際，可知參數設置的極限。所以通過參數值的變化，可以分析系統的狀態，確定系統運行的最佳時刻。

經過M公司相關技術人員分析和觀察，得知該結果與實際生產過程偏差在0.001%—0.005%之間，可以用于指導現代包裝印刷生產物流系統。

5 結論和期望

本文針對目前包裝印刷企業需要大量勞動力給勞動者帶來的弊端及對智能化、自動化生產物流系統的需求，通過仿真軟件AnyLogic中的離散事件建模（DE）、基于智能體建模（AB）、系統動力學建模（SD）方法，分析包裝印刷生產物流系統的現狀，基于M公司設計了簡易生產工藝流程圖及設施布局圖。最后通過改變參數，分析參數對整個系統的影響結果。通過M公司相關技術人員對結果的觀察和分析，與實際公司的運行偏差在0.001%—0.005%之間，并且可以通過改變參數，使運行達到最優參數組合。

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

表5 模型仿真結果對比

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

[2]楊啟成.卷煙生產物流系統的優化設計及管理研究—以紅塔生產物流為例[D].昆明:昆明理工大學,2008.

[3]張莉.離散制造企業生產物流系統設計研究[D].濟南:山東大學,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的汽車零部件生產物流系統仿真研究[J].工業工程,2011,(3):124-127.

[6]霍李江.包裝印刷技術[M].北京:文化發展出版社,2011.

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

[8]張蕾.基于SLP理論的D公司壓路機裝配車間布局規劃與評價[D].長春:吉林大學,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

北京印刷學院博士啟動資金（27170115005）；高速動車組制動系統時變多狀態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：物流系統規劃與仿真；杜艷平（1977-），通訊作者，女，山西太原人，博士，教授，研究方向：物流系統規劃與仿真；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：物流系統安全及診斷。