0    引言

        现代物流泛指原材料、产成品从起点到终点以及相关信息有效流动的全过程。它将运输、仓储、装卸、加工、整理、配送、信息等方面相结合,形成完整的供应链,为用户提供多功能、一体化的综合性服务。随着科学技术的进步和市场竞争的日益加剧,现代物流在现代企业运作中的作用越来越重要的同时,物流系统自身的复杂性和需求也相应地持续快速增加。对供应商和消费者之间的关系进行最优化设计至关重要。物流供应过程要保证正确地将物资按时保质地送到正确的消费者手中,这就需要物流和信息流紧密配合。

        调整和控制物流过程,需要对物料和信息的更换进行规划、执行和监督管理,并且使之能够适应相应的生产计划以及后勤服务或者交通条件的变化。因此,通过计算机仿真对这些过程进行监控、优化和交互来事先评价这些变化对物流过程的影响以及物流过程可能产生的反映和结果是极为必要的。

1    物流系统层次结构

        注塑机企业物流系统由间接供应商(钢材供应商)、直接供应商(原材料供应商、电机供应商和射胶导杆加工企业)、核心企业(注塑机制造企业)、运输商和各地销售商组成。按照层次结构思想,整个注塑机物流系统分为三个层次:企业外部物流层、企业内部物流层和车间物流层。

        企业外部物流层指注塑机供应链组成成员之间的物流运转,涉及的实体对象主要包含原材料供应商、电机供应商两个直接供应商、注塑机制造企业以及各地销售客户代理。企业内部物流层反映注塑机的生产过程,主要由原材料仓库、零配件仓库、铸造车间、零件生产车间、装配车间和成品库等实体对象组成。按照不同的物流路径,注塑机的零配件可分为三类:①直接用于装配的成品零部件,如电机、射胶导杆和标准连接件等,这类零件的物流路经是配件仓库->装配车间;②原材料经过机械加工形成的零部件,如过胶头、射胶螺丝、机架等,这类零件的物流路径是原材料仓库->零件生产车间->装配车间;③铸造成形后经过简单的机械加工形成的零部件,如头板、机绞等,它们的物流路经是原材料仓库->铸造车间->零件生产车间->装配车间。装配得到的注塑机成品临时存放于成品仓库中。车间物流层反映的是整个车间加工、运输、存储设备之间的物流运转过程。如加工过胶头的生产线物流为原材料投放下料开始,按照车端面->铣坑->抛光->氮化的加工工艺路线运行。

        各层物流过程具有相似性。其结构都是由供应实体、运输实体、接收实体、存储实体组成,其关系可以看成是供需关系。

        在企业外部物流层,其供应实体可为供应商,相应的运输实体为运输商,接收实体为制造企业,存储实体为靠近供应商的外部仓库。在企业内部物流层,其供应实体可为企业内部原材料仓库,相应运输实体为企业内部运输部门(运输工具有拖车、叉车、货车等),接收实体为车间,存储实体为企业内部仓库。在车间物流层,其供应实体可为资源输入站,相应运输实体为车间运输工具(如自动导引车、传送带等),接收实体为加工设备,储存实体为缓冲区或者车间内部小仓库。当然供需实体的角色并非固定不变,不同的活动会导致实体不同的功能,如对于供应商供应原材料给制造企业,制造企业是需方,而对于制造企业发送成品给销售商,制造企业变为供方。各层物流过程的相似性可以使物流系统的建模保持一致性,从而简化模型的复杂度,提高建模效率。

2    物流系统层次对象模型

        现代物流系统是一个复杂的离散事件动态系统,具有复杂性、递阶性、并发性、随机性等特点。而面向对象的技术具有分解、抽象、递阶等特性,非常适用于复杂问题的求解。传统的面向过程的系统主要是由一些算法构成,对每一种算法,输入输出关系是确定的,这种描述与实际系统有较大的差距;而面向对象则将系统的属性映射为一组数据结构,将系统与外界的交互映射为一组操作,系统外部对系统状态的访问必须经过操作进行,这种描述更接近客观实际,更有利于进行系统集成。

        采用面向对象的思想,将物流实体的数据和操作结合起来形成物流对象。把整个注塑机物流链分为三大基本类族:物流基础设施类族、物流运动要素类族、物流运输网络类族。这三大类族也可以按照企业外、企业内、车间层次化。以注塑机企业外部物流为例,三大基本类族分布表示如下:

        (1)物流基础设施类族  这些类包含了供应商、核心企业(制造商)、销售商、配送中心和客户等的物理地点属性,同时它还包含了各个地点之间的相互路线关系和地域上的组合,如装运路线、设施之间的任务分派以及客户区域等。

        (2)物流运动要素类族  这些类包含了所有装运信息,包括装运货物的类型、货物需求时间以及装运所需要素和特殊指令等。

        (3)物流运输网络类族  这些类包含运输基础设施的物理要素(包括公路、铁路网络,港口、站点、联运地点、运输交接点等)、人员(包括司机、驾驶员等)、交通工具(包括汽车、火车、轮船、飞机等)及其所处位置和运输能力(包括最大载运量、运输速度等)。

        这三个基本类族中的对象通过层次化组织,为企业外部物流系统提供了直观的表示。这些类通过成员变量Hierachical_flag来标志其所属的层次。

        层次对象建模为物流模型的层次细节的表现提供了系统化的方法。通过层次对象模型,既可以对物流系统的整体进行研究也可以集中于某些局部细节的研究。同时,层次对象模型也为物流模型以后的扩展提供了良好的接口。

3    物流系统层次优化策略

        目前,现代物流系统的设计过程经常面临着多学科、多领域的严峻挑战。由最优组件或子系统组成的产品,并不一定是全局的最优产品,同样,由各个最优物流子系统组成的物流链也不一定是全局最优的物流链,各个物流子系统之间必然存在着矛盾,如库存最优即零库存必然导致运输频率的增加,从而导致运输成本的增加,反之运输最优也会导致库存成本的增加,这些冲突会影响整个全局物流性能的最优化。可见,物流系统的设计过程已经成为一个多目标优化决策的过程,是一个多学科、多领域交叉综合设计的优化过程。

        注塑机物流系统既存在层次特征,需要对系统进行分解优化,同时也存在并行特征,需要对系统进行并行优化,即上层物流系统的目标作为下层物流系统的约束条件,而下层物流系统的优化结果也将反馈给上层物流系统。以注塑机制造企业内物流系统即工厂物流系统为例,设工厂物流系统全局优化变量为Z,局部设计变量为X,工厂物流系统下分为原材料仓库物流子系统、装配车间物流子系统、铸造车间物流子系统和半成品成品库物流子系统。整个优化过程由系统分析、子系统敏感性分析、系统敏感性分析、子系统优化、系统优化组成。

        ΔXopt和ΔZopt分别为初始变量X、Z经过优化后的偏差值。在该优化模型中,可以通过专家系统从优化策略库中为某个特定的子系统提供一种优化技术甚至一系列优化技术。

4    物流系统层次可视化策略

        由于物流系统的复杂性,如何实现物流仿真中的3D可视化显示是一个值得探讨的问题。本文提出基于三维几何模型的可视化方法和层次细节策略,通过三维视觉建模和模型简化处理,实现物流系统的可视化仿真。

        物流系统仿真是由基于几何模型的实时动态显示来实现的。几何建模方法应用于物流系统仿真中,为组成物流系统的各个实体,如厂房、设备、产品、零部件等建立几何模型和运动学模型,然后用这些三维模型元件代替物流系统中的各个实体,并将之组合起来,创建拟实的仿真模型,并在仿真运行中用动画方式显示仿真过程以及结果。

        可视化物流系统包含虚拟对象的浏览、可视化的仿真模型交互式建立、仿真运行的动画显示和仿真统计结果的图标显示四个部分。虚拟对象模型是可视化物流仿真模型的前提条件,是可视化物流系统的重要内容,按照在仿真运行中的情况可以分为三类:静态环境对象、与运动对象相关的资源对象和可运动对象。

        静态环境对象是指在仿真运行期间具有固定位置的对象,如供应商、核心企业、生产线等。在建立虚拟场景时,这类对象中供应商、核心企业、用户等对象的位置可以从相关信息中获得,并借助地图信息对其宏观定位,这些对象在虚拟环境中只起渲染效果的作用,没有动态特性,可以充分利用纹理贴图技术建立虚拟模型,以减少三维模型所占资源。

        与可运动对象有关的资源对象包含运动对象流经的生产线、生产设备等。它们在虚拟环境中有固定的位置,但在仿真运行时可能产生与运动对象有关的动作。例如,当有需要加工的零件经过加工设备时,加工设备要产生相应的加工动作,这类加工动作经过运动学建模并产生运动脚本,然后将运动脚本赋给相应的加工过程实现。这类对象在虚拟场景中的位置可以从打印的厂区布局图上捕捉,也可以从现场中测量得到。

        可运动的对象包含体现物流运转的原材料、零件、半成品、产成品、用于运输的托盘和运输设备等。这类对象的位置和状态在仿真运行中随着事件的变化而不断发生变化,它们的运动由动画脚本驱动,而动画脚本根据仿真文件转换的数据创建。

        物流系统是一个复杂的大系统,分层显示是物流可视化的最自然的设计方式。因为一条典型的物流链由多个相互关联的生产厂构成,每个生产厂都包含原材料的输入、产成品的输出及从原材料到产成品的加工处理过程,而产品的每个环节又要涉及相关的工艺和设备。按照物流链的层次结构显示,由宏观到具体,既能有效地表达物流链的各个环节,也能满足用户的不同需求。因此分层显示非常有利于有效的物流链可视化表达。

        面向产品的物流链以顾客需求为主导,以生产企业为核心,其可视化显示可分三层:外部供应层、核心企业层、零件制造工艺层。外部供应层显示的信息包含物流链的构建及其各成员之间的物流运转;核心企业层表达产品的生产组织;零件制造工艺层显示主要零件的加工流程。下一层显示是对上一层某一部分的细化,集成后可通过点击上一层相应图标得到下一层的详尽显示。

        分层显示可以满足用户的不同需求。企业中总经理、生产经理、车间主任等关注的范围和侧重点各不相同。供应层便于总经理从总体上把握整个供应链环节;核心企业层让生产经理更容易组织和优化生产过程;零件制造工艺层不仅生产者可以一目了然,工程人员也可据此设计和改进产品的加工工艺。分层显示可以让用户把精力和时间充分用于分析和解决自己关心的核心问题,大大提高效率。

5    原型系统实现

        一个多层次注塑机物流仿真原型系统已经初步实现。它采用基于HLA的分布式对象仿真技术,将不同层次的对象模型聚合,形成企业外物流联邦、核心企业物流联邦和车间物流联邦,实现模型间的相互通讯。仿真模型采用离散事件仿真软件QUEST开发,其中企业外物流系统使用贴图和低层次细节模型组建,核心企业物流系统使用低层次细节模型组建,车间物流系统使用高层次细节模型组建,系统的数据驱动既可以是历史数据输入也可以由用户实时交互输入。系统集成matlab的优化函数库,由基于多学科优化方法的层次优化模块根据不同的优化对象从优化策略库获取相应的优化方法,并调用Matlab函数库进行局部和全局相结合的层次优化,优化数据输入到仿真模型中进行可视化仿真。

6    结论

        现代物流系统是一个由若干个制造商、批发商和零售商以及企业内部的各个部门、设施、设备等组成的网状物流链,是一个复杂的离散事件系统,对现代物流系统的层次化研究既可以简化系统的复杂度,降低系统建模和系统分析的难度,又有利于系统的整体性研究。本文分析了现代物流系统的层次结构,分别从建模、分析和可视化三个方面进行了研究,分别提出了相应的物流系统的层次对象建模、层次分析策略和层次可视化方法,并通过原型系统得以实现。