智能物流仿真系統分析與應用＊

魏逍逍，王 亮，馮天宇，董 安，劉金雨

（大連科技學院，遼寧 大連 116052）

工業企業的實際生產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、各個區域的劃分、合理布局的計算、設備投資使用率等方面，相較于傳統工藝布局模式，工程技術人員通過結合工程實際，運用已經建好的標準化模型或實際需要的自建模型，展現出區域布局的動態模擬并進行改進和優化，縮短設計和投產準備時間，高效地完成透明可視的工廠建設[1]。

1 建模

1.1 作用

工業企業生產物流系統往往具有離散、復雜的特性，整個大系統由于生產過程的不確定性會受到各種約束，因而無法采用運籌學的方法進行優化。利用智能化物流仿真技術可有效地分析和解決上述問題，其優勢和特點能夠促使離散問題得到優化，進而使企業生產效率得到最大提升[2]。

如圖1 所示，智能工廠流水線仿真設計通過數據庫式電子表格，利用2D/3D 物料及產品虛擬特征，建立一個基于廠房實際生產狀況的應用場景報告。

圖1 虛擬生產線

1.2 特點

如圖2 所示，虛擬物流系統具有以下特點：①較低的物資流動頻次強度，確保各個區域內的半成品與物料保持基本平衡，減少區域間物資流動頻次，促使物流強度降低；②較低的物資流動成本，通過合理匹配各設備間物資物料流動狀態，達到低成本運營的目的，同時兼顧合理的投資效益回報率；③較高的空間利用率，充分合理化利用工廠內空間，提高單位面積產出效益，合理布局物流線及各個設備設施；④透明可視化物流即時信息，操作可視板可以清楚反映物料、半成品、成品等的瞬時狀態，實時監控現狀和異常，并實時處理，以方便服務生產[3]。

圖2 智能物流仿真模塊

1.3 模型舉例

帶式輸送機在煤炭、電力、建材、鋼鐵、物流等領域逐漸被廣泛地應用，運量越來越大、運距越來越遠將會成為其發展的趨勢和使用的優勢。輸送機驅動裝置是一種利用電動機和減速機使傳送速度達到所需求的裝置，常見的皮帶輸送機的驅動裝置有懸掛式減速機、硬齒面減速機、空心軸減速電機驅動、Ⅴ帶傳動等，如圖3 所示。其中懸掛式減速機Ⅴ帶傳動的驅動式對傳動滾筒和減速機沖擊都更小，因此傳動更加平穩[4]。

圖3 輸送機模型

2 分析功能

2.1 功能開發

通常采用面向對象的方法并結合Petri 網，對制造業企業廠房進行車間物流系統建模，以解決車間內部大量離散事件仿真問題。通過對仿真模型運作行為的觀測，利用可視化技術，直觀地檢測仿真畫面，或者對仿真數據生產的數據圖表等進行系統預測，分析其所存在的問題，進而找出問題原因，以便對車間物流系統進行實時改善和調整[5]。

2.2 空間分析

如圖4 所示，工廠廠房內的空間工藝布局主要基于周轉用具的運行，生產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對相關承載用具、工具、產品等的基本信息進行輸入，并且涵蓋相關物流的運行時間、運行位置，能夠有效地對廠房空間模型進行虛擬運行管理，便于設備的安裝及預留空間的布置[6]。

圖4 空間工藝布局

2.3 數據庫及數據接口

建立設備數據庫并與相關CAD 模型形成相互連接，可以在數據庫中得到類似于動力作用情況等報告，并能把圖片和文檔等其他類型文件連接在設備中。如圖5 所示，專業技術人員逐步調整并完善模型，就可在產品生產前期迅速地進行生產布置，同時對工廠內布局的設計進行細化和優化，并插入相應的仿真數據和其他的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 優化仿真

智能工廠物流仿真設計能夠實現最合理的工廠布局并得以實施[6]。通過綜合考量零部件輸送距離、加工單元的面積規格、物料庫存水平等因素，使生產能力得到釋放，在減少生產成本的同時，協調了各個生產過程，形成了溝通與互連。交互式的自動生產圖表能節省投產布置時間，并能與更接近的實際狀況進行驗證，大幅縮短工程分析時間，解決了由于缺少必要的技術合理性評估帶來的工程浪費，降低開發成本。注重團隊合作與溝通，形成分布式開發能力，降低工程冗余并能及時預見更具潛力的布局方案[8]。

如圖6 所示，智能工廠能自動生成一些布局選項，只需要根據輸入特征便可完善設計質量，并能根據物流的工作區域和其他的重要信息，運用一定的運算法則能快速進行設計優化，得到最佳的布局方案。所有增加的交互式的關系圖表都具備查詢功能，具備快速地評估和布局方案對比能力，并且通過篩選最佳的評估方案和最經濟的協作設計方法，以到達減少設計時間、加快布置效率和提升產能的目的[9]。

圖6 點到點式物流圖表

3.1 優化手段

布局優化面向生產物資，以生產全過程所需的產品、設備、工具等為工程優化載體，注重預測與分析能力。同時以合理有效的工藝作業流程作為串接，以完整的生產計劃作為指引，通過評價再評價的優化設計體系驗證，結合信息數字化技術，使得工程技術人員能夠從專業技術角度充分完善工藝布局狀態，同時即使面對非專業人士，亦能通過視覺化輸出方案進行常識驗證[10]。

3.2 優化功能

建立起以產品總組裝結構或產品機械制造工藝流程為路徑的流程圖，并賦予產品相關屬性信息，完成生產過程層次架構設計，并使得該層次架構具備可編輯性。同時在流程或裝配層次結構中集合進工具、設備等相關屬性信息并可進行操作模擬。廠房信息中重點進行工作區域劃分，并形成工作活動區域，進行工作目標與工作區域結合串聯。利用顏色識別功能用以區分材料信息、設備信息、操作者信息和通道路徑，顏色的深度代表不同的相關參數，使得相關生產信息如成本、距離、時間、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。通過對生產物料的相關流量參數進行合理估算及預測，對流量較大的區域進行有效識別進而調整，解決通道擁堵并提高運輸承載能力。采取點對點流程設計方案，集成層次結構中預先設定的屬性信息和數據信息，結合相關工具、用具的實際需求狀況，完成自動組裝和加工的模擬優化，同時建立空間利用率報告，形成區域標記。初始化的工藝布局模擬通過預定時間的驗證，在相關區域內如物流存放區或產品生產區（通道、設備和工具等）生成空間利用率報告、庫存需求報告、運輸能力評價等文件，用以評估優化過程的準確性，并通過對空間環境狀況進行適當調整和補充，最終完成最佳布局路徑[11]，如圖7 所示。

圖7 布局優化設計模擬

4 應用能力

某大型汽車生產廠商應用智能流水線裝配用具仿真模塊和組件，對工廠進行布局和分析。如圖8 所示，工程技術人員可以運用智能流水線用具仿真模塊優化生產實際問題，極大縮短了新建工廠的設計時間，提高了分析和預測的速度和效率，加快了廠房建設速度和節約了投資成本。

圖8 汽車裝配流程模擬

智能化物流仿真應用過程充分結合崗位現場作業及定置管理技術要求，使得宏觀布局工藝系統按照裝配結構層次和制造工藝流程被合理且有效地組織，增強設計信息溝通性，減少設計系統分析方案調整時間，緩解了設計工程成本冗余浪費等問題，同時實現對某些缺乏系統設計合理性因素的整體技術價值的評估預測，降低工藝系統總體開發成本。有效地促進企業管理人員或工程設計人員精準性的評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，促使投產或生產過程的布局質量得到明顯提升，同時有針對性、定制化的設計過程使得無論面向整體還是面向局部的優化過程更加吻合實際運用，運用評估性獲得極大的提升[12]。

在智能化物流仿真應用優化過程中，可以根據部分質量因素相關性進行優化和組合，進而形成生產活動關聯性圖表架構，模擬出更貼切的實際應用場景。例如，利用物料密度數據優化區域劃分，獲得最佳的設計平衡算法；估算物料傳輸路徑和傳送頻率，劃分工作區域邊界，形成任務工作流串接，測算由重量或密度關系形成的空間容量分析；形成優先級布局選項，利用輸入輸出特性，結合區域管理和需求分析，指定優化算法，獲得最佳組合；利用OPT 算法，初始化布局配置，建立面向精細生產的操作流程聚合體系；建立反饋評價設置，利用協調設計，進行持續優化改進。

5 結論

綜上所述，智能化物流仿真應用技術通過實施建模、仿真、優化等過程，展現了更加貼近實際生產過程的技術應用，加快了工業企業產品研發投產周期，淘汰了工程冗余，促進了投資回報，以及解決了企業擴產能力不足的問題。智能化物流仿真應用技術極大地提升了企業內部運行效率，并促使企業完善創新與協作機制。