基于eM-Plant 的異型煙分揀系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用＊

蒲睿強(qiáng)，吳封斌，王 璐，岳洪吉

（1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.貴州省煙草公司貴陽市公司，貴州 貴陽 550002）

煙草物流行業(yè)的發(fā)展正在由相對(duì)落后的半自動(dòng)化分揀向先進(jìn)的全自動(dòng)高速分揀轉(zhuǎn)變，需要軟件和硬件設(shè)備方面同時(shí)創(chuàng)新。在標(biāo)準(zhǔn)煙自動(dòng)化分揀領(lǐng)域，中國(guó)已經(jīng)基本達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，但因?yàn)楫愋蜔煹摹巴庑沃悺保移贩N規(guī)格眾多，對(duì)基于傳統(tǒng)卷煙設(shè)計(jì)的分揀設(shè)備而言，異型煙分揀的難點(diǎn)亟需解決[1]。同時(shí)異型煙銷量的崛起必然要推動(dòng)其物流設(shè)備自動(dòng)化的發(fā)展，但異型煙分揀多品種、小批量的特點(diǎn)會(huì)表現(xiàn)得越來越明顯，同時(shí)分揀需求越來越大，目前有公司已經(jīng)研發(fā)出柔性分揀設(shè)備，可以在高效率處理的情況下同時(shí)分揀異型煙，而計(jì)算機(jī)仿真在此異型煙分揀系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展空間[2-3]。

1 系統(tǒng)仿真技術(shù)

計(jì)算機(jī)模擬仿真是一種模型實(shí)際運(yùn)行的仿真實(shí)驗(yàn)，能夠顯示該調(diào)查系統(tǒng)相關(guān)要素的變化情況，模擬系統(tǒng)的狀態(tài)和時(shí)間的變動(dòng)規(guī)律，其中，模擬實(shí)際情況的系統(tǒng)模型運(yùn)行狀態(tài)是核心過程。在計(jì)算機(jī)仿真中，包括系統(tǒng)、模型和計(jì)算機(jī)三大要素[4]，三者關(guān)系如圖1所示。

圖1 三大要素關(guān)系

煙草分揀系統(tǒng)的不同狀態(tài)變化一般在離散事件點(diǎn)，而且這些離散事件點(diǎn)一般是不確定的，而且數(shù)學(xué)模型很難利用數(shù)學(xué)公式來表現(xiàn)。此煙草分揀系統(tǒng)屬于離散事件。

建立離散事件系統(tǒng)的仿真模型的目標(biāo)是要建立與系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型有同構(gòu)或同態(tài)關(guān)系的模型，同時(shí)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行良好。同樣的仿真精度下，采用混合時(shí)間推進(jìn)機(jī)制的效率高于采用固定步長(zhǎng)時(shí)間推進(jìn)機(jī)制的效率。由于離散事件系統(tǒng)是隨著時(shí)間離散變化的，因此采用混合時(shí)間推進(jìn)機(jī)制。

離散事件系統(tǒng)要轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)仿真模型，首先要分析其仿真策略，選取仿真模型的控制邏輯和仿真時(shí)鐘推進(jìn)機(jī)制。仿真模型的本質(zhì)是仿真策略，不僅是仿真模型的核心內(nèi)容，也決定了仿真模型的結(jié)構(gòu)模式。

離散事件系統(tǒng)有以下3 種基本仿真策略：①事件調(diào)度法（Event Schedule，ES）。事件調(diào)度法由蘭德公司在1963 年提出，在美國(guó)被廣泛采用。它是一個(gè)面向事件的方法，首先通過定義事件，按照一定時(shí)間順序?qū)κ录M(jìn)行處理。②活動(dòng)掃描法（Activity Scanning，AS）。活動(dòng)掃描法的基本思想是以各主體時(shí)間要素的最小單位來推進(jìn)仿真時(shí)鐘，同時(shí)優(yōu)先激活對(duì)應(yīng)實(shí)體，以測(cè)試通過的事件，并通過更改系統(tǒng)狀態(tài)確定相關(guān)事件發(fā)生的時(shí)間。③進(jìn)程交互法（Process Ⅰnteraction，PⅠ）。過程交互法作用的基本思想是通過整個(gè)過程中時(shí)間值最小的無條件延遲恢復(fù)點(diǎn)來推進(jìn)仿真時(shí)鐘。當(dāng)時(shí)鐘前進(jìn)到新的時(shí)間點(diǎn)后，如果某個(gè)實(shí)體在進(jìn)行中解除鎖定狀態(tài)，則該實(shí)體將從當(dāng)前的恢復(fù)節(jié)點(diǎn)前進(jìn)到下一個(gè)延遲節(jié)點(diǎn)。最終在此次煙草分揀系統(tǒng)仿真中選擇活動(dòng)掃描法。按照優(yōu)先激活實(shí)體的活動(dòng)，掃描最早事件，實(shí)行內(nèi)部處理事件條件。

2 eM-Plant 簡(jiǎn)介

eM-Plant 是由以色列公司Tecnomatix 搭建的物流、工廠、生產(chǎn)軟件工具，也稱為SⅠMPLE。此工具適用于離散式系統(tǒng)建模和模擬分析。在面向?qū)ο蟮募夹g(shù)中，可以生成系統(tǒng)外部和內(nèi)部的供應(yīng)鏈、生產(chǎn)資源以及與生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)過程相關(guān)的環(huán)節(jié)，可以建立所有鏈接的結(jié)構(gòu)合理的階層模型。

eM-Plant 專用于項(xiàng)目研發(fā)規(guī)劃、物流仿真優(yōu)化、工藝生產(chǎn)系統(tǒng)的模擬，在這些方面都有極為優(yōu)秀的實(shí)用性和創(chuàng)新性。

對(duì)象導(dǎo)向仿真軟件和常見程序語言的差別在于面對(duì)對(duì)象式仿真軟件提供了一些具有屬性（attribute）及操作方法（operation）的基本組件，除非此組件提供的屬性或操作方法不正確，否則不需要重新定義和設(shè)計(jì)組件。

另外，為了用程序語言模擬模型的構(gòu)筑，有必要定義模擬系統(tǒng)的對(duì)象、等級(jí)、屬性、操作方法，在設(shè)計(jì)后可以重復(fù)利用。不同的面向?qū)ο螅M軟件和模擬語言能提供不同的基本組件，在應(yīng)用程序組件分析和設(shè)計(jì)階段創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)圖和行為圖也存在差異。

3 基于eM-Plant 的異型煙分揀作業(yè)仿真模型

3.1 仿真原型及目標(biāo)

仿真針對(duì)某大型煙草配送中心，該異型煙分揀系統(tǒng)位于分揀平面，含三層子線分揀處理模式。

配置：1 套件煙補(bǔ)貨線、2 套劃箱機(jī)、4 套開箱機(jī)、4 套自動(dòng)補(bǔ)貨小車、72 個(gè)臥式機(jī)、72 個(gè)立式機(jī)、40 個(gè)電子標(biāo)簽（用于分揀不進(jìn)煙倉的特異型煙或極小品規(guī)標(biāo)準(zhǔn)卷煙）、2 套精準(zhǔn)識(shí)別系統(tǒng)、2 套打碼機(jī)、2 套標(biāo)異一體包裝機(jī)、2 套自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)、多層復(fù)合子線、1 套空箱回收線；2 臺(tái)包裝機(jī)，利用剛性吸盤高效碼垛，4組吸盤可以根據(jù)條煙寬度、厚度自動(dòng)調(diào)整；2 臺(tái)高速柔性核數(shù)機(jī)構(gòu)，用于分揀合流、包裝前段的核數(shù)識(shí)別；與雙層、三層煙倉相比，四層子線分揀短煙倉排放長(zhǎng)度使煙倉排布更為集中，減小了分揀線的占地面積，縮短了補(bǔ)貨路徑。

本次仿真的目標(biāo)是通過模擬現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案[5]，找出限制分揀效率的瓶頸，提升煙草分揀效率，為煙草配送中心的流程優(yōu)化提供依據(jù)。

通過對(duì)該煙草企業(yè)物流分揀系統(tǒng)方面的仿真，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，研究提升柔性煙草系統(tǒng)分揀效率的方法，降低分揀流程故障率，提升設(shè)備利用率[6-8]。首先，對(duì)現(xiàn)有方案設(shè)計(jì)煙草分揀系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，了解各個(gè)子系統(tǒng)工序在運(yùn)行中的狀態(tài)以及分揀過程中煙草流動(dòng)情況。觀察運(yùn)行中的真實(shí)情景，對(duì)仿真結(jié)束后得到的數(shù)據(jù)輸出文件加以分析。然后，通過對(duì)現(xiàn)有方案的優(yōu)化改進(jìn)，改良現(xiàn)有仿真模型，再次進(jìn)行模擬仿真，從而達(dá)到效率更高、成本更低、利用率更高的目標(biāo)。

3.2 eM-Plant 仿真建模

此異型煙自動(dòng)化分揀系統(tǒng)按作業(yè)性質(zhì)的不同，從總體上可以分為幾大功能區(qū)域，包括分揀區(qū)、合單區(qū)、碼垛區(qū)、包裝區(qū)等。其中分揀區(qū)最能體現(xiàn)客戶訂單數(shù)據(jù)拆分優(yōu)化的合理性，是驗(yàn)證已優(yōu)化訂單合理性的關(guān)鍵。合單區(qū)包含多層傳送帶，能夠匯總輸送進(jìn)碼垛區(qū)域，在此過程中應(yīng)該遵循同步傳送、數(shù)量平均的原則[9]。碼垛區(qū)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是限制異型煙分揀的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。在整個(gè)環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)依據(jù)每個(gè)實(shí)體的屬性來識(shí)別、調(diào)用進(jìn)行操作。

基于以上設(shè)計(jì)，對(duì)異型煙分揀系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)體元素進(jìn)行定義，如表1 所示，并建立了如圖2 所示的異型煙分揀線模型圖。

圖2 分揀系統(tǒng)仿真模型

表1 實(shí)體元素定義

進(jìn)行仿真驗(yàn)證前，結(jié)合煙草分揀系統(tǒng)的分揀策略，運(yùn)用專門的訂單優(yōu)化軟件進(jìn)行了訂單數(shù)據(jù)優(yōu)化。選取一天的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，持續(xù)運(yùn)行仿真模型，并利用仿真軟件提供的功能對(duì)子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行觀察[10]。

根據(jù)柔性分揀方案建立初步的eM-Plant 仿真模型。首先將方案中的設(shè)備性能和控制方法轉(zhuǎn)化為模型中的實(shí)體設(shè)定與參數(shù)設(shè)置；然后把分割的訂單數(shù)據(jù)輸入已經(jīng)建立的仿真模型，運(yùn)行此柔性煙草分揀系統(tǒng)，得到輸出結(jié)果和設(shè)備的狀態(tài)[11]；最后發(fā)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)存在的主要問題，并對(duì)優(yōu)化自動(dòng)化分揀系統(tǒng)提供可改善的措施。結(jié)果表明，通過對(duì)某煙草物流中心獲得的實(shí)際銷售數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，模型仿真鐘取時(shí)間單位為l s，運(yùn)行15×60×60=54 000 仿真時(shí)間單位，仿真結(jié)果如表2 所示。

表2 分揀效率統(tǒng)計(jì)表

4 應(yīng)用效果

研究了基于Tecnomatix Plant Simulation 平臺(tái)的異型煙仿真建模方法，針對(duì)某煙草配送中心進(jìn)行模型分析，重點(diǎn)研究了分揀系統(tǒng)中的分揀機(jī)構(gòu)、合單機(jī)構(gòu)、碼垛機(jī)構(gòu)，分別從系統(tǒng)分析、設(shè)備選取、參數(shù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、流程優(yōu)化等方面建立仿真模型，為生產(chǎn)線的裝配提供有力的設(shè)計(jì)依據(jù)，減少了降低效率問題出現(xiàn)的可能性[12]。通過仿真可得到某大型煙草配送中心設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確分揀效率，為數(shù)字化煙草分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供決策的依據(jù)。