面向生產線物流系統優化的軟件仿真技術綜述

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文章出處：作者：人氣：-發表時間：2024-09-24 08:11:00

隨著“中國制造2025”戰略的提出及實施，制造業的智能化水平不斷提高，中國逐步實現從制造大國向制造強國的轉型[1]。生產線物流系統作為確保生產效率和供應鏈暢通的核心要素，涉及到生產設備、物料搬運設備、生產人員等面臨著生產工序高度耦合、制造資源占用沖突、市場需求動態變化，以及人員設備難以協同等更復雜的問題[2]。為了解決上述問題，研究人員開始嘗試采用各種方法對生產線物流系統進行優化。

軟件仿真技術是一種通過計算機模擬現實世界的技術。它可以在不影響實際生產和無需實際投入大量資源進行試驗情況下，幫助決策者觀察整個系統并評估不同決策對系統性能的影響。該技術具有成本低、靈活性高、可重復性強等優點，逐漸成為解決生產線物流系統優化問題的強大工具[3]。

因此，本文面向生產線物流系統優化對軟件仿真技術進行全面梳理，并深入探討不同物流仿真軟件的特點、應用領域以及它們在生產線物流系統設計與管控過程中的實踐范式。通過對這些技術的深入分析，有助于更好地把握制造業和物流技術的發展脈搏，為構建更靈活、高效的生產線物流系統提供有力支持。

1軟件仿真技術概述

1.1仿真技術發展歷程

在20世紀初，仿真技術已在水域等方面進行了初步應用。隨后在40～50年代，航空航天技術和原子能技術的發展再一次推動了仿真技術的進步。而60年代計算機技術的飛速發展為仿真技術提供先進的工具，進一步推動了仿真技術的進步。計算機仿真技術的出現，推動了新的信息技術和相關產業的發展，而計算機硬件和信息處理技術的突飛猛進，又使得計算機仿真技術發展的速度不斷加快，出現了嵌入式仿真、分布式仿真、高性能仿真等[4]?，F如今，計算機仿真軟件作為一種通用工具，已成為解決現實情況中復雜NP難問題的常用方法。

1.2生產物流軟件仿真

計算機軟件仿真技術已成為物流企業科技化管理和智能化分析的關鍵手段。軟件仿真技術的核心是將研究對象模型化，并將整個物流過程中的各個環節進行細分，通過對不同環節的分別研究來完成對整個物流系統的綜合分析，從而能夠較為直觀地體現出評估對象系統（倉儲系統、運輸系統以及配送中心等方面）的整體能力。因此，軟件仿真技術能夠對生產線中的生產過程、倉儲布局、物流運輸、供應鏈網絡、運營決策進行仿真，有助于系統地規劃、設計、評估與改進生產線物流系統，從而提高企業的生產效率和靈活性。

1.3常用物流仿真軟件

由于物流仿真過程中的側重點不同，不同國家、公司針對不同應用背景和發展階段，推出了許多物流仿真軟件，如美國的Flex Sim物流仿真軟件、英國的Witness工業工程仿真軟件、德國的e M-Plant生產系統仿真軟件。上述軟件在生產線物流仿真中各有較廣泛應用。因此，本文將基于這三款仿真軟件，研究面向生產線物流系統優化的軟件仿真技術。

2軟件仿真技術

2.1基于Flex Sim的軟件仿真技術

Flex Sim是美國Flex Sim Software Production公司開發的一款專門針對物流系統設計和優化的三維仿真軟件。因其具有多樣化的模型資源庫、層次化軟件結構、面向對象的開發思路，Flex Sim可實現離散事件系統建模、生產線作業仿真以及業務流程可視化。該軟件可用于生產線優化、物流系統規劃以及供應鏈管理，幫助預測生產線瓶頸及產能問題，進而制定有效的解決方案；在優化生產物流系統設計的同時，幫助企業在物流管控方面做出更高效的決策，從而降低生產成本，提高系統效率。

利用Flex Sim優化生產資源配置。文獻[5-7][5-7][5-7]利用Flex Sim軟件構建了仿真模型，通過大量仿真實驗確定了生產線中最優機器人配置數量方案，在保證方案合理性的同時提高系統效率。同時，國外研究人員也利用Flex Sim獲得單位時間的最優產出結果，進而實現工廠生產工藝時間與生產目標數量的最優配置[8]。

利用Flex Sim優化流程/布局設計。文獻[9]基于自動化倉庫物流系統的Flex Sim仿真模型，設計了物流節拍，驗證了設備利用率。文獻[10]在涂裝車間輸送系統設計過程中，利用Flex Sim實現設計目標的最優規劃。

利用Flex Sim優化系統規劃/調度。文獻[11]基于倉儲物品入庫的Flex Sim仿真模型，改進倉儲入庫策略，為真正倉儲入庫系統的建立提供實質性指導。文獻[12]基于Flex Sim建立了自動化立體倉庫模型，通過改進AGV調度和路徑規劃策略，提高了系統作業效率。

此外，文獻[13]基于Flex Sim開發了一種自定義參數的四向穿梭車三維自動建模系統，提高了建模的效率和方便性，降低了Flex Sim的使用難度，擴展了其在智能制造仿真中的應用。

2.2基于Witness的軟件仿真技術

Witness(SDX）是英國Lanner集團根據數十年系統仿真經驗所開發的生產系統規劃與運營仿真平臺。它是一款面向工業/商業系統流程的離散型動態系統建模與仿真軟件。Witness集成了高度逼真的三維圖形、仿真技術以及強大的仿真引擎，可將二維的工業流程仿真模型快速地生成三維逼真的虛擬生產場景。

利用Witness優化生產資源配置。文獻[14]以機加車間單元物流系統規劃為例，利用Witness仿真模型進行數據分析，為生產線設備資源配置提供量化依據。文獻[15]使用Witness軟件分析了企業生產車間的物流人員配置，為優化車間物流人員提供了參考。

利用Witness優化流程/布局設計。文獻[16]利用Witness驗證了軸承廠生產物流系統優化措施的有效性。文獻[17]利用Witness調節生產參數優化鋼鐵企業BF-BOF區域生產過程。

利用Witness優化系統規劃/調度。文獻[18]使用Witness優化企業生產物流運輸路徑方案，以提高生產物流效率和企業競爭力。文獻[19]采用Witness研究了逆向物流網絡設計、模型優化及策略制定，對企業建立逆向物流提供了幫助。

此外，文獻[20]基于Witness模型仿真驗證了表面貼裝生產線的維修策略對每臺機器可用性和系統可用性的影響，確定了最優的維修策略。

2.3基于e M-Plant的軟件仿真技術

e M-plant是一款由Aesop、Tecnomatix和KG公司聯合開發的生產流程與物料搬運系統仿真軟件，能對生產線物流系統進行建模和仿真，幫助用戶識別生產線瓶頸、優化生產過程并提高生產效率。e M-plant軟件具有強大的建模能力、直觀的用戶界面、豐富的分析工具以及高度的可定制性，被廣泛應用于生產線規劃、物流系統設計、生產計劃生成及調度優化。

利用e M-plant優化生產資源配置。文獻[21]基于e M-plant仿真模型分析線體緩存數量與產能的關系，供前期規劃人員參考。文獻[22]利用e M-plant分析汽車公司裝配車間的生產節拍與AGV數量、速度的匹配關系，得出合適的AGV配置，并優化配送流程。

利用e M-plant優化流程/布局設計。文獻[23]基于e M-plant構建了虛擬倉儲物流作業系統，驗證了調度系統的可行性。文獻[24]利用e M-plant軟件進行了某乘用車沖壓車間生產物流流程的仿真模擬，為實際物流運轉工作提供了方案基礎。

利用e M-plant優化系統規劃/調度。文獻[25]使用e M-plant分析多種消防車的應急調度調度策略的應急效率，提高了消防車的應急性能。文獻[26]針對軍工行業彈藥生產問題，利用e M-plant軟件構建仿真模型，優化車間布局和AGV路徑，確定最優配送方案。

此外，在企業進行生產線改造或增加生產設備前，先通過e M-plant對調整后的生產過程進行建模仿真，預先發現生產線改造過程中可能存在的問題，從而降低企業的生產線改造或設備購置成本[27]。

2.4其他軟件仿真技術

除了上述三種典型物流仿真軟件，還有其他一些軟件也被應用于生產線物流系統仿真中。例如，文獻[28]通過Auto Mod優化了自動化物流系統框架設計，加速了智能化物流系統發展。文獻[29]基于Anylogic軟件構建了AGV運行仿真環境，設計并實現了物料路徑規劃的優化方案，確定了最優料車選型、AGV數量配置和速度設置，降低了物流系統成本，提高了系統工作效率。文獻[30]利用Demo3D軟件建立了AGV系統、輸送線、AS/RS系統等設備模型，組成了整個卷煙成品配送物流系統，通過仿真分析評估了AGV系統的可行性。