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物流仿真技术是借助计算机技术、网络技术和数学手段，采用虚拟现实方法，对物流系统进行实际模仿的一项应用技术，它需要借助计算机仿真技术对现实物流系统进行系统建模与求解算法分析，通过仿真实验得到各种动态活动及其过程的瞬间仿效记录，进而研究物流系统的性能和输出效果。物流仿真技术在复杂物流系统的分析和决策中的巨大价值已成为不争的事实，每年都创造数以千亿美元的经济效益。 本文将从工业4.0出发，着眼于智能制造、智能工厂、数字化工厂，通过物流仿真技术在多个行业领域的实例，说明物流仿真技术的意义。 背景 工业4.0 2011年德国汉诺威工业博览会上，德国相关协会提出工业4.0的初步概念，此后德国机械设备制造联合会等协会牵头，来自企业、政府、研究机构的专家成立了“工业4.0工作组”进一步加强工业4.0的研究并向德国政府进行报告，2013年发表了工业4.0标准化路线图，组建了由协会和企业参与的工业4.0平台（Platform-i4.0），德国政府也将工业4.0纳入《高技术战略2020》中，工业4.0正式成为一项国家战略。由此产生的德国“工业4.0”战略，旨在通过充分利用信息通讯技术和信息物理系统（CPS）相结合的手段，推动制造业向智能化转型。 工业4.0主要表现在几个方面：互联、集成、数据、创新和转型。 互联就是要把设备、生产线、工厂、供应商、产品以及客户紧密地连接在一起。集成就是将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施通过CPS形成一个智能网络，使人与人、人与机器、机器与机器以及服务与服务之间能够互联，从而实现横向、纵向和端对端的高度集成。 数据是区别于传统工业生产体系的本质特征，在工业4.0时代，制造企业的数据将会呈现爆炸式增长态势，随着信息物理系统（CPS）的推广、智能装备和终端的普及以及各种各样传感器的使用，将会带来无所不在的感知和无所不在的连接，所有的生产装备、感知设备、联网终端，包括生产者本身都在源源不断地产生数据，这些数据将会渗透到企业运营、价值链乃至产品的整个生命周期，是工业4.0和制造革命的基石。 “工业4.0”的实施过程实际上就是制造业创新发展的过程，制造技术、产品、模式、业态、组织等方面的创新将会层出不穷。 在“工业4.0”时代，物联网将渗透到工业的各个环节，形成高度灵活、个性化、智能化的产品与服务的生产模式，推动生产方式向大规模定制、服务型制造、创新驱动转变。 智能工厂 工业4.0的目标是智能制造，智能制造实现在工厂中，就是智能工厂。 智能工厂是当今工厂在设备智能化、管理现代化、信息计算机化的基础上达到的新的阶段，其内容不但包含上述的智能设备和自动化系统的集成，还涵盖了企业管理信息系统(MIS)的全部内容，包括人事系统、财务系统、销售系统、调度系统等方面。 智能工厂有三大特征： 第一个特征是信息基础设施高度互联，包括生产设备、机器人、操作人员、物料和成品； 第二是制造过程数据具备实施性，生产数据具有平稳的节拍和到达流，数据的存储与处理也具实时性； 第三是可以利用存储的数据从事数据挖掘分析，有自学习功能，还可以改善优化制造工艺过程。 智能工厂的发展趋势是从柔性化到敏捷化到智能化再到信息化。 数字化工厂 数字化工厂是在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式，是现代数字制造技术与计算机仿真技术结合的产物，主要作为沟通产品设计和产品制造之间的桥梁。 数字化工厂的本质是实现信息的集成，物流仿真技术的实施成果是数字化工厂的一部分。 物流仿真技术 物流仿真的价值 从客户公司层面来说：
从规划员层面来说
物流仿真技术实施案例 案例 一 某主机厂总装车间改造 对于生产车间来说，使用物流仿真技术可以进行产能验证与分析，瓶颈检查与消除，缓存区计算等。 相比新工厂规划，老工厂的改造会面临更多的约束条件，例如：场地、输送线走向、输送线长度、老生产线位置不可迁移、升降机等设备设施位置固定等等。工艺规划人员往往只关注工艺能否满足，而忽略了系统内部互相制约的因素影响，这就需要物流仿真技术来补充。 在该总装车间改造项目中，通过前期调研，以及建模之后和工艺规划人员的反复确认，最终保证仿真模型的准确性，在这个条件下，我们对总装车间的生产系统进行分析。 图1 某总装车间生产线仿真部分模型 图2 投入产出分析结果示例 A．单线体极限产能和载具投入数量分析 无故障下的极限产能分析，能帮助我们检查模型的正确性，分析发现工艺方案本身的瓶颈问题。 考虑故障的影响，更符合实际生产，分析结果也更加准确，这时候得出我们需要的极限产能和载具最优的投入数量范围。 图3 单线体产能汇总示例 将各条单线体产能汇总后，能直观的看到总装车间的瓶颈，以及各单线体是否满足产能。如果有某条线体的最大产能小于生产系统的目标产能，就必须优化这条线体。从物流仿真的角度，优化的方案可以是增加缓存容量、提高线体开通率数值、提高节拍，至于方案能否实现和采纳，需要从工艺角度去验证。 B．车间整体产能分析 在单线体分析结束后，我们得到了各类载具（除了车门吊具）最优的投入数量。在给定的载具投入数量下，通过改变车门吊具数量，分析总装车间整体的产能，从而得到满足产能的车门吊具投入数量范围。 C．最小缓存分析 两条线之间的缓存输送线较长，包含一些输送设备，最少缓存数量指车身或物料经过某段缓存段需要消耗的节拍数量，缓存小于这个数量，工艺线会发生停线。 D．缓存占用分析 所有载具数量都确定之后，在给定载具投入数量的前提下，运行模型，分析各段输送线缓存的占用情况。通过分析缓存的占用情况，得出该段缓存容量是长了还是短了。 图4 缓存占用分析示例 案例 二 某焊装车间物流仿真 通过物流仿真，可以对车间生产排产方案进行对比分析，实现生产过程控制策略，评估生产过程的效率，也可以对车间内部物流运输线路以及配载策略进行验证。 使用物流仿真技术可以对物流配送系统中的某些环节、功能区域等进行模块化建模，使这些模块可以在多种物流配送方案中重复、高效地使用，降低物流规划的时间成本，提高工作效率。除此之外，定制化的人机交互界面也为非专业人士提供了便捷的使用窗口。 在该焊装车间物流仿真项目中，我们通过仿真分析发现现有物流规划方案的风险点和问题，评估叉车数量、电瓶车数量、器具数量、存储区库存量和通道物流量等物流规划关键指标，对多种方案进行仿真分析后，提供分析报告和改善建议。 图5某焊装车间物流仿真项目部分仿真模型 图6 某焊装车间物流仿真项目部分仿真模型 图7 某焊装车间物流仿真项目部分仿真结果 案例 三 某实验室工厂三维建模 三维建模是数字化工厂的基础，通过物流仿真技术可以实现工厂、生产车间、生产设备等的三维建模。 静态的三维模型可供直观地查看工厂、生产设备等，动态的三维模型可以直观地查看设备之间、设备与人之间是否存在干涉、是否存在可行路径等，也可以成为企业宣传的良好素材。 图8 某生产车间三维模型 总结 物流仿真技术最大的优点就是不需要实际设备的安装，不管实际物流系统是否存在，均可通过建立系统研究模型，将实物数据输入仿真系统，通过数据运算和图形模拟，产生贴近实际物流系统的信息输出。仿真试验具有良好的可控性、无破坏性和可重复性。仿真过程经济安全，不受气象条件和场地环境的限制。仿真的实时性，使实时系统的仿真应用成为可能，为仿真应用奠定了良好的基础。 随着物流的发展，物流系统已经变得越来越复杂，内部的关联性也随之变得越来越强，仿真就成了企业检验其物流系统及决策是否有效或高效的一个重要途径，物流仿真对降低整个物流生产成本是不可或缺的。 |
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