IT技术在物流工程中的应用课件

IT技術在物流工程中的應用

110.1電腦輔助設施設計CAFD隨著電腦技術的飛速發展和廣泛應用，電腦輔助設施設計（ComputerAidedFacilitiesDesign,CAFD）技術也有了長足的發展，各種電腦輔助設計技術開始應用於設施設計的各個領域和各個階段，從學科的學術研究部門到從事設施設計的工程諮詢部門，無不以電腦技術發展作為推動設施規劃與設計的主導技術，CAFD的應用越來越廣。210.1.1電腦輔助設施設計的發展設施規劃與設計是項複雜的工作，要考慮眾多的複雜因素，電腦輔助設計規劃或電腦輔助設施佈置是必然的發展方向。20世紀70年代以來，推出了一些電腦輔助工廠佈置程式，較著名的有CRAFT（位置配置法）、CORELAP（相互關係法）、ALDEP（自動設計法）、PLANET(分析評價法)等。經過一二十年的發展，CAFD軟體已經發展成兩類，一類是純粹進行設施規劃與設計的軟體，如FactoryCAD、FactoryPLAN、STORM和SPIRAL等，可以方便用來進行電腦輔助設施規劃與設計。3另一類是在規劃設計的基礎之上還包含仿真和性能分析的系統，如FactoryFlow、FactoryOPT、ARENA、ProModel等，尤其是FactoryPrograms族軟體在國際上應用較普遍。20世紀末到21世紀初，FMS、CIMS、JIT等

出現了“數位化工廠”的概念，DelmiaSolution和eMPower之類的數位化工廠軟體，不僅能完成設施規劃設計和仿真評價，而且還包括製造規劃、控制和供應鏈等功能，能與企業的產品數據管理（PDM）和企業資源計畫（ERP）相連接410.1.3電腦輔助設施規劃的研究對象設施規劃與設計包括廠址選擇的位置問題和佈置問題，即工廠總平面佈置與車間設備佈置。針對上述兩類問題，電腦輔助設施規劃重點研究廠址選擇——最佳位置問題以及設施平面佈局最優化問題。1．最佳位置問題2．設施平面佈局最優化問題510.2生產系統佈置模型610.3電腦化佈置方法和軟體電腦軟硬體技術的迅速發展給CAFL帶來了很大的進步。著名的如ALDEP、CORELAP、CRAFT及MultiPLE等，這些方法可以分為兩大類：構造型及改進型。構造型是由物流、非物流資訊出發，從無到有，生成一個佈置圖，如CORELAP、ALDEP；改進型則是對已有佈置的改進，尋找一種更好的佈置圖，如CRAFT、MultiPLE。還可以按照這些佈置的資訊基礎來分，有的基於物流從至表，如CRAFT、MultiPLE，有的基於關係圖，如ALDEP、CORELAP；710.3.1CORELAPCORELAP（ComputerizedRelationshipLayoutPlanning）是1967年提出的一種構造演算法，它以作業單位之間的相關圖REL為基礎，佈置的目標是實現作業單位之間最大密切度，可以說是SLP的電腦化。8CORELAP用矩形的作業單位構造佈置，根據對作業單位密切程度的權重賦值，即A=6,E=5,I=4,O=3,U=2,X=1。對每一作業單位所有的關係值求和，得到作業單位總密切程度等級TCR(TotalClosenessRating)。選擇TCR最大的部門作為最先進入佈置的作業單位。若最大TCR值有多個作業單位，取面積最大的，若還有相同，任取一個。第二個作業單位選擇與第一個有A級關係的，依次選E級、I級……。如果在同一關係級中有多個作業單位，選擇TCR值最大的。在佈置中作業單位形狀盡可能設計為正方形。9確定了佈置順序後，開始向佈置圖中放置。放置原則是保證進入佈置圖的作業單位與前面進入的相鄰作業單位的關係值的和NCR(NeighborClosenessRating)最大。在圖中作業單位1有3種放置方法。其中放置在1a，則與3、4相鄰，NCR1a=CR13+CR14，NCR1b=CR14，NCR1c=CR13，故選擇1a位置。10例如以圖所示的相關圖說明CORELAP的原理。1~5個作業單位面積分別是20、40、40、60和20。先求出TCR表，如表10-1所示。11再根據TCR值和麵積確定佈置順序。表中作業單位2TCR值最高，故先佈置它。隨後佈置與1有A級關係的2，對作業單位2，4和5均為I級關係，但4面積更大故先佈置4，再佈置與2有O級關係的，故佈置順序為21453。接下來，由各部門面積確定最終平面佈置，佈置過程如圖所示。12對佈置圖的評估方法是：任意兩個作業單位之間關係值兩作業單位之間的最短直線距離的積的總和最低的為最優。應該注意的是，由於用的是確定性方法，CORELAP只產生一個最終佈置方案。但可改變關係值，例如設定A=200,E=100,I=50,O=10,U=0和X=-200得到新的方案。評估佈置方案如表10-2所示，其中2個作業單位間的距離為到達公共邊最少需要的距離。不同方案的比較，以總得分最小為最優。1310.3.2CRAFTCRAFT(ComputerizedRelativeAllocationofFacilitiesTechnique)法是Buffa等人1964年提出的一個以各部門間物料搬運費用逐步減少為優化原則的程式。和基於密切程度等級的ALDEP和CORELAP相反，CRAFT使用物流資訊或從至表上累加的作業單位物流強度(TTD)或物料搬運總費用。為此，有時也稱CRAFT為定量佈置程式，而稱ALDEP和CORELAP為定性佈置程式。14通過對現有各部門的平面佈置，將某兩個部門兩兩相互交換位置，計算交換後的物料搬運總費用，並進行比較，取總費用最小的佈置為優化候選方案，再考慮其他具體條件的各種限制，選擇一個可行的優化方案。在與其他設計方案比較決定某一佈置設計是較好的方案時，CRAFT用物流費用作為評價標準，此成本用移動距離的線性函數來表達。所以，好的佈置物流總費用較低，最優佈置則可能是物流總費用最低的。15CRAFT的演算法以美國德克斯大學運籌學組PaulA.Jensen教授所編CRAFT方法的Excel加載宏程式為例。以第4章作業14題為基礎的包括7個作業單位D1~D7的佈置設計初始數據，因為原題未考慮成本，故成本從至表各項單位距離成本均取1。16這裏每個部門的矩心(centriod)均以算出，它們的距離以矩心的直角(rectilinear)距離來計算（兩概念含義請參見第4章例4-4）。初始佈置為系統自動給出，其中51760為總成本，即先由直角距離乘相應運量後得到物流強度，再乘以各自單位距離成本，得每一作業單位對的搬運費用，最後全部加起來。在給定上述初始佈置後，CRAFT的解題過程是，用作業單位之間成對交換的方法來設法改進設計，視成對交換的結果是否有更好的佈置設計出現，即使總費用最小。然而CRAFT的這種兩兩交換只能在相鄰的作業單位之間或兩等面積單位間進行。圖10-8是5和6交換後的效果。1710.3.3MultiPLEMultiPLE(Multi-floorPlantLayoutEvaluation)從字面上看是多層樓房設施佈置設計，當然也能用於單層設施。MultiPLE是CRAFT的改進型，它的輸入數據也為從至表，目標函數為基於距離的目標函數，距離計算矩心的直角距離。像CRAFT一樣，MultiPLE使用物流資訊、目標函數和搜索程式。MultiPLE用優化程式產生改進的佈置方案，不像CRAFT，它沒有在非鄰接作業單位之間不能交換的限制，所以允許任何作業單位位置作雙向交換。MultiPLE允許任意兩作業單位位置互換的主要原因是採用空間填充曲線（Space-fillingCurves簡寫SFC），SPC是指填充一定空間的一條折線，18如圖10-11所示的Hilbert曲線。對於圖中的64個單元，該曲線對每個單元只訪問一次，且恰能訪問到全部64個單元。這樣，在佈置順序向量確定後，各部門可根據自己的面積，沿著SPC進行放置，直至完成整個佈置。1910.3.5典型軟體介紹當前的設施佈置軟體主要有FactoryCAD、FactoryPLAN、STORM和SPIRAL這類輔助設計軟體，而FactoryFLOW、FactoryOPT、ARENA和ProModel等軟體除輔助設計功能外，還有仿真和性能分析功能。特別是FactoryProgram族軟體在國際上使用較普遍。目前國內也有一些基於AutoCAD開發的CAFL程式。201．FactoryProgram工廠佈置和物料搬運系統設計軟體美國Cimtechnologies公司（EAI公司子公司）的產品，廣泛認同，效果不錯。包括FactoryCAD、FactoryPLAN、FactoryFLOW和FactoryOPT四個模組，各模組主要功能如下：FactoryCAD是基於AutoCAD開發的專門用於工業和製造設施規劃設計的繪圖軟體，用戶可以從軟體的工具庫中直接調出設施佈置常用的圖元、圖塊和設備等，並可將自建的圖塊加入庫中。專門的工具欄，如“工業”、“機床”、“搬運”和“傳送帶”等工具欄，只要單擊工具欄上的一個按鈕就可在圖面上自動生成一個該工具，畫圖效率大大提高。“動畫”功能，如用物料搬運設施時，動畫指令跟蹤設備運動路徑，並能保證移動時四周有足夠的間隙。三維繪圖功能，並有方便的二維轉三維功能。其他三個模組都是在FactoryCAD環境所建立的佈置圖上進行操作。21FactoryFLOW最早的商品化佈置程式之一，可以將生產及物料搬運數據與實際設施圖及物流路徑集成在一起綜合考慮分析設計人員以立體的形式看到並處理佈置中的空間問題。該軟體綜合了大量的數據，如產品和零件檔、產量、零件物流路徑、距離、物料搬運數據和固定及可變成本等。可以確定關鍵路徑、潛在瓶頸和生產物流效率等。可以方便地改變這些數據以比較不同方案。這種分析便於設計人員取消無用步驟、縮短物料搬運距離來提高產出率、減少在製品庫存和確定搬運要求等。FactoryPLAN是基於作業單位密切程度來進行佈置設計和分析的程式，同強大的設計功能相比，它主要是一個規劃工具，用於分析和優化佈置，尤其是分析不同作業單位的相互關係，並可對不同佈置方案作出定量評價。22FactoryOPT是與FactoryPLAN配套使用的軟體，主要用於確定作業單位中心的優化位置，從而優化工廠佈置。它可以自動創建塊狀佈置圖，用戶可以從多達324種不同變數組合中選擇合適的變數來處理佈置演算法。232．數位化工廠軟體數位化工廠是一個集成的電腦環境，能對整個工廠企業和企業的生產線進行設計和仿真。數位化工廠比設施佈置設計的內涵更加豐富，利用它工業工程師可以計畫和優化一個完整的製造廠，可以評估製造新設計產品的可行性，可以設計和動態仿真顯示一個自動的或手動的製造系統，並且能用虛擬加工模型為機器人和其他機床產生和修改程式。數位化工廠軟體給傳統的方法帶來了革命。對加速新產品的開發，降低工程和製造成本，減少生產時間，提高生產力和產品品質起了極有意義的作用。TecnomatixTechnologies公司和Delmia公司是數位化工廠領域的先驅和領導者24Tecnomatix的數位化工廠軟體eMPower中的eM-Plant生產線及物流仿真工具。eM-Plant又稱為SIMPLE++，是用C++實現的關於生產、物流和工程的仿真軟體（SimulationinProduction、LogisticsandEngineering&itsimplementationinC++），它是面向對象的、圖形化的、集成的建模和仿真工具，系統結構和實施都滿足面向對象的要求。25eM-Plant為生產系統和生產過程提供了一系列規劃、仿真和優化的工具。eM-Plant能模擬生產線並進行優化，使其適應各種大小定單和混合產品生產。eM-Plant另一大功能是建模、仿真和優化生產系統，分析和優化生產佈局、資源利用率、產能和效率、物流和供應鏈，以便於承接不同大小的訂單與混合產品的生產。2610.4

生產和物流系統仿真10.4.1系統仿真基礎系統仿真是20世紀40年代末以來伴隨著電腦技術的發展而逐步形成的一門新興學科。仿真（Simulation）就是通過建立實際系統模型並利用所建模型對實際系統進行實驗研究的過程。仿真技術是應用於系統的，就是說系統是仿真的研究對象，而系統模型化又是進行仿真的核心和必要前提。271．系統與模型系統：由相互聯繫、相互制約、相互依存的若干組成要素結合在一起形成的具有特定功能和運動規律的有機體。模型是為了某種特定目的將系統的某一部分資訊進行抽象而構成的系統替代物。通過模型可以描述系統的本質和內在的關係。模型一般分為物理模型和數學模型兩大類。物理模型是根據一定的規則（如相似原則）對系統簡化或按比例縮放而得到的複製品。數學模型是對於現實世界的一個特定對象，為了特定目的，根據對象特有的內在規律，做出一些必要的簡化假設，運用適當的數學工具而得到的一個數學結構。數學模型可分為靜態模型或動態模型，也可分為連續系統模型或離散系統模型，離散系統模型還可分為離散時間模型或離散事件模型。一般生產系統和物流系統的仿真採用的模型為離散系統模型。282．系統仿真系統仿真以電腦和其他專用物理效應設備為工具，利用系統模型對真實或假設的系統進行試驗，並借助於專家的經驗知識、統計數據和資訊資料對試驗結果進行分析研究，進而做出決策的一門綜合的試驗性學科。廣義而言，系統仿真的方法適用於任何的領域，無論是工程系統（機械、化工、電力、電子等）還是非工程系統（交通、管理、經濟、政治等）。系統仿真根據模型不同，分為物理仿真、數學仿真和物理—數學仿真（半實物仿真）；根據電腦的類別，可以分為模擬仿真、數字仿真和混合仿真；根據系統的特性，可以分為連續系統仿真、離散時間系統（採樣系統）仿真和離散事件系統仿真；根據仿真時鐘與實際時鐘的關係，可以分為即時仿真、欠即時仿真和超即時仿真等。293．系統仿真的一般步驟1）調研系統，設立目標。對系統進行盡可能詳細的描述，明確仿真的目標和系統涉及的範圍。2）收集仿真數據，建立模型。根據仿真目標，對系統進行選擇和整理。為保證所建模型符合真實系統，應對模型進行反復檢查與修改，直到模型完全正確為止。3）編制仿真程式。4）運行仿真模型。5）輸出結果分析。採用統計學的方法，對仿真結果進行統計分析。304．系統仿真模型的基本要素

實體（Entities）：組成系統的物理單元。

屬性（Attributes）：實體共有的屬性，但可以通過其值的不同來區分不同的實體。

變數（V