IT技术在物流工程中的应用.ppt

第10章 IT技术在物流工程中 的应用 1 本章主要内容 计算机辅助设施设计CAFD CAFD的发展、作用和地位、CAFD的研究对象。 生产系统布置模型 计算机化布置方法和软件 CORELAP、CRAFT、MultiPLE、布置设计的其他 算法、典型软件介绍。 生产和物流系统仿真 系统仿真的基础、系统仿真软件、仿真的优缺点。 计算机仿真与建模应用案例 2 10.1 计算机辅助设施设计CAFD 随着计算机技术的飞速发展和广泛应用，计算 机辅助设施设计（Computer Aided Facilities Design, CAFD）技术也有了长足的发展， 各种计算机辅助设计技术开始应用于设施设计 的各个领域和各个阶段， 从学科的学术研究部门到从事设施设计的工程 咨询部门，无不以计算机技术发展作为推动设 施规划与设计的主导技术， CAFD的应用越来越广。 3 10.1.1 计算机辅助设施设计的发展 设施规划与设计是项复杂的工作，要考虑众多 的复杂因素，计算机辅助设计规划或计算机辅 助设施布置是必然的发展方向。 20世纪70年代以来，推出了一些计算机辅助工 厂布置程序，较著名的有CRAFT（位置配置法 ）、CORELAP（相互关系法）、ALDEP（自 动设计法）、PLANET(分析评价法)等。 经过一二十年的发展，CAFD软件已经发展成 两类， 一类是纯粹进行设施规划与设计的软件，如 FactoryCAD、FactoryPLAN、STORM和 SPIRAL等，可以方便用来进行计算机辅助设 施规划与设计。 4 另一类是在规划设计的基础之上还包含仿真和 性能分析的系统，如 FactoryFlow、 FactoryOPT、ARENA、ProModel等，尤其是 FactoryPrograms族软件在国际上应用较普遍 。 20世纪末到21世纪初，FMS 、CIMS 、JIT等 出现了“数字化工厂”的概念，Delmia Solution和eMPower之类的数字化工厂软件， 不仅能完成设施规划设计和仿真评价，而且还 包括制造规划、控制和供应链等功能，能与企 业的产品数据管理（PDM）和企业资源计划（ ERP）相连接 5 10.1.3 计算机辅助设施规划的研究对象 设施规划与设计包括厂址选择的位置问 题和布置问题，即工厂总平面布置与车 间设备布置。针对上述两类问题，计算 机辅助设施规划重点研究厂址选择 最佳位置问题以及设施平面布局最优化 问题。 1最佳位置问题 2设施平面布局最优化问题 6 10.2 生产系统布置模型 7 10.3 计算机化布置方法和软件 计算机软硬件技术的迅速发展给CAFL带来了很大的进 步。 著名的如ALDEP、CORELAP、CRAFT及MultiPLE等 ，这些方法可以分为两大类：构造型及改进型。 构造型是由物流、非物流信息出发，从无到有，生成 一个布置图，如CORELAP、ALDEP； 改进型则是对已有布置的改进，寻找一种更好的布置 图，如CRAFT、MultiPLE。 还可以按照这些布置的信息基础来分，有的基于物流 从至表，如CRAFT、MultiPLE，有的基于关系图，如 ALDEP、CORELAP； 8 10.3.1 CORELAP CORELAP（Computerized Relationship Layout Planning）是1967年提出的一种 构造算法， 它以作业单位之间的相关图REL为基础 ， 布置的目标是实现作业单位之间最大密 切度，可以说是SLP的计算机化。 9 CORELAP用矩形的作业单位构造布置， 根据对作业单位密切程度的权重赋值，即A=6, E=5, I=4, O=3, U=2, X=1。 对每一作业单位所有的关系值求和，得到作业 单位总密切程度等级TCR(Total Closeness Rating)。 选择TCR最大的部门作为最先进入布置的作业 单位。若最大TCR值有多个作业单位，取面积 最大的，若还有相同，任取一个。 第二个作业单位选择与第一个有A级关系的， 依次选E级、I级。 如果在同一关系级中有多个作业单位，选择 TCR值最大的。在布置中作业单位形状尽可能 设计为正方形。 10 确定了布置顺序后，开始向布置图中放 置。 放置原则是保证进入布置图的作业单位 与前面进入的相邻作业单位的关系值的 和NCR (Neighbor Closeness Rating) 最 大。在图中作业单位1有3种放置方法。 其中放置在1a，则与3、4相邻， NCR1a=CR13+CR14，NCR1b=CR14 ，NCR1c=CR13，故选择1a位置。 11 例如以图所示的相关图说明 CORELAP的原理。15个 作业单位面积分别是20、40 、40、60和20。先求出 TCR表，如表10-1所示。 12 再根据TCR值和面积确定布置顺序。 表中作业单位2TCR值最高，故先布置它。 随后布置与1有A级关系的2，对作业单位2，4 和5均为I级关系，但4面积更大故先布置4，再 布置与2有O级关系的，故布置顺序为21453。 接下来，由各部门面积确定最终平面布置，布 置过程如图所示。 13 对布置图的评估方法是：任意两个作业单 位之间关系值两作业单位之间的最短直线 距离的积的总和最低的为最优。 应该注意的是，由于用的是确定性方法， CORELAP只产生一个最终布置方案。但可改 变关系值，例如设定A=200, E=100, I=50, O =10, U=0和X=-200得到新的方案。 评估布置方案如表10-2所示，其中2个作业单 位间的距离为到达公共边最少需要的距离。不 同方案的比较，以总得分最小为最优。 14 10.3.2 CRAFT CRAFT(Computerized Relative Allocation of Facilities Technique)法是 Buffa等人1964年提出的一个以各部门间 物料搬运费用逐步减少为优化原则的程 序。 和基于密切程度等级的ALDEP和 CORELAP相反，CRAFT使用物流信息 或从至表上累加的作业单位物流强度 (TTD)或物料搬运总费用。 为此，有时也称CRAFT为定量布置程序 ，而称ALDEP和CORELAP为定性布置 程序。 15 通过对现有各部门的平面布置，将某两个部门 两两相互交换位置，计算交换后的物料搬运总 费用，并进行比较，取总费用最小的布置为优 化候选方案，再考虑其它具体条件的各种限制 ，选择一个可行的优化方案。 在与其他设计方案比较决定某一布置设计是较 好的方案时，CRAFT用物流费用作为评价标准 ，此成本用移动距离的线性函数来表达。 所以，好的布置物流总费用较低，最优布置则 可能是物流总费用最低的。 16 CRAFT的算法以美国德克斯大学运筹学组Paul A. Jensen教授所编CRAFT方法的Excel加载宏 程序为例。 以第4章作业14题为基础的包括7个作业单位 D1D7的布置设计初始数据，因为原题未考虑成 本，故成本从至表各项单位距离成本均取1。 17 这里每个部门的矩心(centriod) 均以算出，它 们的距离以矩心的直角(rectilinear)距离来计算 （两概念含义请参见第4章例4-4）。 初始布置为系统自动给出，其中51760为总成 本，即先由直角距离乘相应运量后得到物流强 度，再乘以各自单位距离成本，得每一作业单 位对的搬运费用，最后全部加起来。 在给定上述初始布置后，CRAFT的解题过程是 ，用作业单位之间成对交换的方法来设法改进 设计，视成对交换的结果是否有更好的布置设 计出现，即使总费用最小。 然而CRAFT的这种两两交换只能在相邻的作业 单位之间或两等面积单位间进行。图10-8是5 和6交换后的效果。 18 10.3.3 MultiPLE MultiPLE(Multi-floor Plant Layout Evaluation)从字面 上看是多层楼房设施布置设计，当然也能用于单层设 施。 MultiPLE是CRAFT的改进型，它的输入数据也为从至 表，目标函数为基于距离的目标函数，距离计算矩心 的直角距离。 像CRAFT一样，MultiPLE使用物流信息、目标函数和 搜索程序。MultiPLE用优化程序产生改进的布置方案 ， 不像CRAFT，它没有在非邻接作业单位之间不能交换 的限制，所以允许任何作业单位位置作双向交换。 MultiPLE允许任意两作业单位位置互换的主要原因是 采用空间填充曲线（Space-filling Curves简写SFC） ，SPC是指填充一定空间的一条折线， 19 如图10-11所示的Hilbert 曲线。对于图中的64个 单元，该曲线对每个单 元只访问一次，且恰能 访问到全部64个单元。 这样，在布置顺序矢量 确定后，各部门可根据 自己的面积，沿着SPC 进行放置，直至完成整 个布置。 20 10.3.5 典型软件介绍 当前的设施布置软件主要有FactoryCAD、 FactoryPLAN、STORM和SPIRAL这类辅助设 计软件，而FactoryFLOW、FactoryOPT、 ARENA和ProModel等软件除辅助设计功能外 ，还有仿真和性能分析功能。 特别是Factory Program族软件在国际上使用 较普遍。 目前国内也有一些基于AutoCAD开发的CAFL 程序。 21 1Factory Program工厂布置和 物料搬运系统设计软件 美国Cimtechnologies公司（EAI公司子公司）的产品 ，广泛认同，效果不错。 包括FactoryCAD、FactoryPLAN、FactoryFLOW和 FactoryOPT四个模块，各模块主要功能如下： FactoryCAD是基于AutoCAD开发的专门用于工业和制造设施 规划设计的绘图软件，用户可以从软件的工具库中直接调出 设施布置常用的图元、图块和设备等，并可将自建的图块加 入库中。 专门的工具栏，如“工业”、“机床”、“搬运”和“传送带”等工具栏 ，只要单击工具栏上的一个按钮就可在图面上自动生成一个 该工具，画图效率大大提高。 “动画”功能，如用物料搬运设施时，动画指令跟踪设备运动路 径，并能保证移动时四周有足够的间隙。 三维绘图功能，并有方便的二维转三维功能。其他三个模块 都是在FactoryCAD环境所建立的布置图上进行操作。 22 FactoryFLOW 最早的商品化布置程序之一，可以将生产及物料搬运 数据与实际设施图及物流路径集成在一起综合考虑分 析 设计人员以立体的形式看到并处理布置中的空间问题 。 该软件综合了大量的数据，如产品和零件文件、产量 、零件物流路径、距离、物料搬运数据和固定及可变 成本等。 可以确定关键路径、潜在瓶颈和生产物流效率等。 可以方便地改变这些数据以比较不同方案。这种分析 便于设计人员取消无用步骤、缩短物料搬运距离来提 高产出率、减少在制品库存和确定搬运要求等。 FactoryPLAN是基于作业单位密切程度来进行布置设 计和分析的程序，同强大的设计功能相比，它主要是 一个规划工具，用于分析和优化布置，尤其是分析不 同作业单位的相互关系，并可对不同布置方案作出定 量评价。 23 FactoryOPT是与FactoryPLAN配套使用 的软件，主要用于确定作业单位中心的 优化位置，从而优化工厂布置。 它可以自动创建块状布置图，用户可以 从多达324种不同变量组合中选择合适的 变量来处理布置算法。 24 2数字化工厂软件 数字化工厂是一个集成的计算机环境，能对整个工厂 企业和企业的生产线进行设计和仿真。数字化工厂比 设施布置设计的内涵更加丰富，利用它工业工程师可 以计划和优化一个完整的制造厂，可以评估制造新设 计产品的可行性，可以设计和动态仿真显示一个自动 的或手动的制造系统，并且能用虚拟加工模型为机器 人和其他机床产生和修改程序。 数字化工厂软件给传统的方法带来了革命。对加速新 产品的开发，降低工程和制造成本，减少生产时间， 提高生产力和产品质量起了极有意义的作用。 Tecnomatix Technologies公司和Delmia公司是数字化 工厂领域的先驱和领导者 25 Tecnomatix的数字化工厂软件eMPower中的eM- Plant生产线及物流仿真工具。 eM-Plant又称为SIMPLE+，是用C+实现的关 于生产、物流和工程的仿真软件（Simulation in Production、Logistics and Engineering & its implementation in C+），它是面向对象的、图 形化的、集成的建模和仿真工具，系统结构和 实施都满足面向对象的要求。 26 eM-Plant为生产系统和生产过程提供了一系列 规划、仿真和优化的工具。 eM-Plant能模拟生产线并进行优化，使其适应 各种大小定单和混合产品生产。 eM-Plant另一大功能是建模、仿真和优化生产 系统，分析和优化生产布局、资源利用率、产 能和效率、物流和供应链，以便于承接不同大 小的订单与混合产品的生产。 27 10.4 生产和物流系统仿真 10.4.1 系统仿真基础 系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机 技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。 仿真（Simulation）就是通过建立实际系统模 型并利用所建模型对实际系统进行实验研究的 过程。 仿真技术是应用于系统的，就是说系统是仿真 的研究对象，而系统模型化又是进行仿真的核 心和必要前提。 28 1系统与模型 系统：由相互联系、相互制约、相互依存的若干组成 要素结合在一起形成的具有特定功能和运动规律的有 机体。 模型是为了某种特定目的将系统的某一部分信息进行 抽象而构成的系统替代物。通过模型可以描述系统的 本质和内在的关系。 模型一般分为物理模型和数学模型两大类。 物理模型是根据一定的规则（如相似原则）对系统简化或按 比例缩放而得到的复制品。 数学模型是对于现实世界的一个特定对象，为了特定目的， 根据对象特有的内在规律，做出一些必要的简化假设，运用 适当的数学工具而得到的一个数学结构。 数学模型可分为静态模型或动态模型， 也可分为连续系统模型或离散系统模型，离散系统模 型还可分为离散时间模型或离散事件模型。 一般生产系统和物流系统的仿真采用的模型为离散系 统模型。 29 2系统仿真 系统仿真以计算机和其他专用物理效应设备为工具， 利用系统模型对真实或假设的系统进行试验，并借助 于专家的经验知识、统计数据和信息资料对试验结果 进行分析研究，进而做出决策的一门综合的试验性学 科。 广义而言，系统仿真的方法适用于任何的领域，无论 是工程系统（机械、化工、电力、电子等）还是非工 程系统（交通、管理、经济、政治等）。 系统仿真根据模型不同，分为物理仿真、数学仿真和 物理数学仿真（半实物仿真）； 根据计算机的类别，可以分为模拟仿真、数字仿真和 混合仿真； 根据系统的特性，可以分为连续系统仿真、离散时间 系统（采样系统）仿真和离散事件系统仿真； 根据仿真时钟与实际时钟的关系，可以分为实时仿真 、欠实时仿真和超实时仿真等。 30 3系统仿真的一般步骤 1）调研系统，设立目标。对系统进行尽可能详 细的描述，明确仿真的目标和系统涉及的范围 。 2）收集仿真数据，建立模型。根据仿真目标， 对系统进行选择和整理。为保证所建模型符合 真实系统，应对模型进行反复检查与修改，直 到模型完全正确为止。 3）编制仿真程序。 4）运行仿真模型。 5）输出结果分析。采用统计学的方法，对仿真 结果进行统计分析。 31 4系统仿真模型的基本要素 实体（Entities）：组成系统的物理单元。 属性（Attributes）：实