李亞利

北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院 北京 100023

物流管理專業(yè)在高校已經(jīng)經(jīng)歷6～10年的發(fā)展，無(wú)論從理論教學(xué)還是實(shí)訓(xùn)實(shí)操方面都取得了很大提高。但是隨著國(guó)家和企業(yè)物流設(shè)備與技術(shù)的日益發(fā)展，高校物流管理專業(yè)在實(shí)際教學(xué)過程中也存在各種問題。第一，傳統(tǒng)的理論教學(xué)，學(xué)生不能置身在真實(shí)的環(huán)境中，失去主動(dòng)思考和學(xué)習(xí)興趣。第二，學(xué)生學(xué)的理論知識(shí)太落后，跟實(shí)際的物流應(yīng)用脫軌；有些知識(shí)又是從國(guó)外引進(jìn)，跟國(guó)內(nèi)的情況不相符。第三，只是講解大家都知道的案例，不能提供企業(yè)中真實(shí)發(fā)生的案例。第四，學(xué)生很少有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地或者真實(shí)的企業(yè)環(huán)境中的學(xué)習(xí)和實(shí)操經(jīng)歷，學(xué)生走入社會(huì)還要重新學(xué)習(xí)新的知識(shí)。因此，如何提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，顯得尤為重要。

1 Witness仿真軟件簡(jiǎn)介

Witness是由英國(guó)Lanner公司推出的功能強(qiáng)大的仿真軟件系統(tǒng)。Witness仿真軟件主要應(yīng)用在流程仿真，如零部件生產(chǎn)加工模擬、排隊(duì)倒班機(jī)、統(tǒng)計(jì)分布、離散事件的模擬。Witness內(nèi)置Part，Machine，Buffer，Labor，Transport，Liquid，Pipe，Tank，Proccesor等30多種部件，同時(shí)可以設(shè)置機(jī)器故障和修復(fù)時(shí)間，通過其內(nèi)置的仿真引擎，可快速進(jìn)行模型運(yùn)行仿真，展示流程的運(yùn)行規(guī)律。Witness是采用面向?qū)ο蟮慕C(jī)制，還可以建立和描述自己的模型和行為，用戶可以自己定義復(fù)雜的RULE或者公用的函數(shù)(或用戶自定義函數(shù))實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的行為。Witness可以與外部數(shù)據(jù)(Excel ODBC)相連接，同時(shí)也可以導(dǎo)入自己定義的圖形。Witness可以通過動(dòng)態(tài)模擬，根據(jù)不同階段的仿真結(jié)果，隨時(shí)修改模型中的參數(shù)和部件，得到最佳的解決方案。

Witness Optimizer優(yōu)化模塊通過先進(jìn)的優(yōu)化算法計(jì)算出仿真模型最優(yōu)的解決方案。在Witness Optimizer里可以設(shè)定自己的模型考核指標(biāo)，設(shè)定系統(tǒng)控制參數(shù)的取值大小和約束條件。計(jì)算出來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果用圖表的形式顯示給決策者，該模塊可以有效地幫助建模者和決策者優(yōu)化、改善績(jī)效指標(biāo)。任何在Witness里建立的模型都可以使用Witness OPT進(jìn)行優(yōu)化，Witness OPT也是界面化模塊，它可以跟Witness軟件無(wú)縫結(jié)合，集成后可以在Witness的菜單中直接調(diào)用。

Witness OPT提供了豐富的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)表選項(xiàng)、標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的定義、算法終止條件設(shè)定、隨機(jī)流設(shè)定、仿真時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)計(jì)、控制變量取值和約束設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法選擇。這些都可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)作的績(jī)效指標(biāo)、服務(wù)水平、產(chǎn)出率或者利潤(rùn)率，給決策者提供豐富的報(bào)表。

Witness VR現(xiàn)實(shí)虛擬模塊集成了先進(jìn)的仿真技術(shù)和3D圖形顯示效果，Witness二維的流程仿真模塊可以快速地生成具有真實(shí)比例縮放尺寸的生產(chǎn)場(chǎng)景，可以實(shí)現(xiàn)逼真的仿真效果。在Witness VR先進(jìn)的仿真引擎驅(qū)動(dòng)下，模型中生產(chǎn)部件和生產(chǎn)機(jī)器，根據(jù)系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)流程在三維場(chǎng)景中實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)跟真實(shí)場(chǎng)景中生產(chǎn)運(yùn)作過程一樣的效果。

Witness Documentor是Lanner集團(tuán)開發(fā)出來(lái)的一個(gè)集成插件模塊，它是一個(gè)非常有用的報(bào)表工具，用它可以創(chuàng)建模型邏輯、模型細(xì)節(jié)和模型結(jié)構(gòu)等一系列定制化的報(bào)表。Witness Documentor可以創(chuàng)建跟模型相關(guān)的各式各樣的報(bào)表，這些報(bào)表可以包括元素的名稱和類型、設(shè)備故障和調(diào)整細(xì)節(jié)、物料信息流、運(yùn)動(dòng)和生產(chǎn)活動(dòng)。報(bào)表存儲(chǔ)格式為.rft，這種格式方便很多文字處理軟件編輯加工。

2 Witness仿真實(shí)例的應(yīng)用

Witness提供了直觀的流程運(yùn)行的動(dòng)態(tài)的動(dòng)畫展示，使用戶清楚和直觀地了解系統(tǒng)的運(yùn)行過程，通過其Quick3D功能，可快速生成系統(tǒng)模型元素的三維立體表示，可展示系統(tǒng)模型在三維空間的運(yùn)行效果。通過圖表的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，可以迅速對(duì)運(yùn)行結(jié)果做出分析和對(duì)比，給出最佳的解決方案。

2.1 Witness銀行ATM機(jī)和柜臺(tái)流程業(yè)務(wù)的模擬

(1)建模背景：多隊(duì)列多服務(wù)排隊(duì)系統(tǒng)是排隊(duì)系統(tǒng)中最典型的形式，以其為案例進(jìn)行Witness建模與仿真過程。排隊(duì)系統(tǒng)是生產(chǎn)系統(tǒng)中一類主要離散事件系統(tǒng)，在生活中很常見，如火車、飛機(jī)安檢排隊(duì)系統(tǒng)，銀行排隊(duì)系統(tǒng)，理發(fā)排隊(duì)系統(tǒng)。與連續(xù)系統(tǒng)仿真相比，此系統(tǒng)模型描述復(fù)雜、概念抽象，而且短時(shí)間內(nèi)不容易找到問題和解決方案。筆者就Witness對(duì)銀行ATM機(jī)和柜臺(tái)流程業(yè)務(wù)進(jìn)行模擬。

(2)顧客ATM機(jī)和柜臺(tái)流程業(yè)務(wù)符合泊松分布，它有如下特征：①顧客到銀行ATM機(jī)或者去柜臺(tái)都是隨機(jī)的。②符合Witness里的先進(jìn)先出規(guī)則，如果前面有人在排隊(duì)處理業(yè)務(wù)，后面的需要等待。③柜臺(tái)業(yè)務(wù)人員和ATM機(jī)對(duì)人員的處理都是隨機(jī)的，需要用到屬性來(lái)定義。④顧客隨機(jī)選擇人數(shù)最少的隊(duì)伍排隊(duì)并且辦理業(yè)務(wù)。

(3)Witness布局及參數(shù)設(shè)置。設(shè)銀行ATM機(jī)和柜臺(tái)流程業(yè)務(wù)系統(tǒng)有ATM機(jī)、大堂經(jīng)理、咨詢?nèi)藛T、顧客、柜臺(tái)人員，在仿真系統(tǒng)中用到的部件用Machine，Labor，Path，Shift，Attribute，Part來(lái)表示。Machine的處理時(shí)間要用到Attribute的數(shù)值*數(shù)值(根據(jù)業(yè)務(wù)復(fù)雜程度給予不同數(shù)值)，每個(gè)服務(wù)臺(tái)前配備一個(gè)柜臺(tái)人員，顧客以泊松分布的方式到ATM機(jī)及柜臺(tái)前處理業(yè)務(wù)，Witness可以單步(或者自己定義時(shí)間)顯示上班前顧客到ATM機(jī)前辦理業(yè)務(wù)，銀行正常營(yíng)業(yè)后顧客可以到ATM機(jī)和柜臺(tái)前辦理。

(4)仿真模型的運(yùn)行結(jié)果及其分析。仿真時(shí)鐘為6 000，分析兩種情況進(jìn)行對(duì)比：第一種情況：1臺(tái)ATM，5個(gè)柜臺(tái)人員；第二種情況： 2臺(tái)ATM，3個(gè)柜臺(tái)人員(如圖1所示)。

圖1

從圖1可以看出，ATM 機(jī)和業(yè)務(wù)處理人員都存在很大的空閑，這樣管理者可以很好地做出決策，第一種可以增加業(yè)務(wù)類型，充分利用業(yè)務(wù)人員和ATM機(jī)，第二種可以減少業(yè)務(wù)人員和ATM機(jī)，減少開支。

2.2 Witness生產(chǎn)和組裝流程模擬

(1)建模背景：ACME閥門制造公司出現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備陳舊化和混亂的生產(chǎn)計(jì)劃，每75小時(shí)只能生產(chǎn)120～160個(gè)閥門。生產(chǎn)訂單嚴(yán)重積壓。公司經(jīng)理發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題，他不能容忍這樣的情況繼續(xù)下去，如果這種情況持續(xù)2個(gè)月，公司將面臨倒閉。于是公司決策層給出了改善現(xiàn)狀的費(fèi)用投資清單。根據(jù)這個(gè)情況，用Witness模擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的整個(gè)模型，最后給出解決方案。

(2)系統(tǒng)特性：①生產(chǎn)A類型產(chǎn)品，每生產(chǎn)40個(gè)產(chǎn)品需要換刀具，生產(chǎn)B類型產(chǎn)品，每生產(chǎn)30個(gè)需要換刀具。②每生產(chǎn)1 000小時(shí)會(huì)有機(jī)器故障，修復(fù)時(shí)間需要10～15分鐘。③每4個(gè)產(chǎn)品可以放在一個(gè)箱子里，如果不夠4個(gè)產(chǎn)品，不能裝箱。④所有的生產(chǎn)設(shè)備可以設(shè)置單位時(shí)間生產(chǎn)或者處理的數(shù)量；傳送帶單位時(shí)間內(nèi)傳送的個(gè)數(shù)。

(3)Witness布局及參數(shù)設(shè)置。有6個(gè)Machine，分別是Saw用來(lái)切割，Coater用來(lái)鍍漆，Inspect用來(lái)過濾不合格產(chǎn)品，Load用來(lái)組裝產(chǎn)品，Upload用來(lái)傳送組裝設(shè)備，6個(gè)Buffur分別表示成品和未成品存放的倉(cāng)庫(kù)和容量, 傳送帶分別代表著傳送產(chǎn)品的速度。

主要參數(shù)(見表1)：

表1

模型布局(如圖2所示)：

圖2

(4)仿真模型的運(yùn)行結(jié)果及其分析。仿真時(shí)鐘為6 000，分析兩種情況。第一種情況：1臺(tái)Inspect；第二種情況： 2臺(tái)Inspect(如圖3所示)。

圖3

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，只有一個(gè)Inspect Machine時(shí)，機(jī)器一直處于忙的狀態(tài)和調(diào)整狀態(tài)，而Load一直處在等待狀態(tài)；增加一個(gè)Inspect Machine后，雖然有些改善，但是Load大部分時(shí)間還是在等待狀態(tài)。所以增加Inspect的數(shù)量基本不能解決問題，但是我們可以改變Coater和 Inspect的處理時(shí)間來(lái)提高生產(chǎn)效率。

2.3 Witness在牛奶生產(chǎn)中的應(yīng)用

(1)建模背景。某企業(yè)要建設(shè)一個(gè)生產(chǎn)牛奶和奶油的工廠，由于市場(chǎng)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)和低利潤(rùn)差額，企業(yè)要充分了解投產(chǎn)后達(dá)到的水平，才可以達(dá)到生產(chǎn)最大化和利潤(rùn)最大化。企業(yè)有前期投資預(yù)算，而且了解各個(gè)設(shè)備所需要的價(jià)格，同時(shí)通過詳細(xì)調(diào)研報(bào)告知道每天收購(gòu)牛奶的數(shù)量?，F(xiàn)在要規(guī)劃設(shè)備布局以及如何在費(fèi)用投入最小的情況下達(dá)到生產(chǎn)的最大化。

(2)系統(tǒng)特征。①每天庫(kù)存的牛奶數(shù)量不能超過生產(chǎn)的最大值。②在模型中需要有牛奶除水設(shè)備；分離牛奶和奶油的裝置；分離后存儲(chǔ)牛奶裝置和奶油裝置；分離后生產(chǎn)包裝牛奶的裝置；分離后生產(chǎn)包裝奶油裝置；貨架裝置(可以組裝牛奶和奶油，然后放到成品庫(kù)存里)。③所有的容器(生產(chǎn)設(shè)備和分離設(shè)備、庫(kù)存)都有容量的限制。④生產(chǎn)加工設(shè)備都有產(chǎn)出時(shí)間的規(guī)定。⑤成品打包后的牛奶或者奶油組裝入庫(kù)時(shí)，在組裝貨架沒有滿的情況下，成品打包后的牛奶或者奶油不能組裝，直到正在組裝的牛奶或者奶油裝滿貨架后才能處理下一批次的牛奶或者奶油(根據(jù)奶油或者牛奶成品數(shù)量來(lái)決定)。

(3)系統(tǒng)參數(shù)。生產(chǎn)牛奶跟一般生產(chǎn)流程布局設(shè)置用的部件不一樣，這個(gè)模型需要?jiǎng)討B(tài)地顯示液態(tài)的部件，如Liquid，Tank，Proccesor，Pipe，這些部件主要用在液態(tài)流體方面。模塊里有3個(gè)Tank部件，用來(lái)表示存儲(chǔ)最初的牛奶、分離后的牛奶、分離后的奶油的裝置。1個(gè)Proccesor用來(lái)分離牛奶和奶油。3個(gè)Pipe部件分別用來(lái)表示和存貯裝置有關(guān)的部件。3個(gè)Liquid部件，分別表示最初的牛奶、分離后的奶油和牛奶液體。2個(gè)Machine分別用來(lái)表示成品牛奶打包裝置和成品奶油打包裝置(見表2)。

表2

Separation RECIPE PARALLEL TransferMilk VOLUME (80.0)RATE (10.0),TransferCream VOLUME (20.0)RATE (10.0)除水后的牛奶到分離裝置后有80%用來(lái)生產(chǎn)牛奶，有20%用來(lái)生產(chǎn)奶油。而且生產(chǎn)出來(lái)的牛奶和奶油都有10%的水分需要去除100.0升TransferFreshMilk 無(wú)管道里液體速度是10，跟分離裝置相連接無(wú)Transfer MilkMilk eparation.TransferMilk無(wú)管道里液體速度是10，跟分離后牛奶裝置相連接無(wú)MilkSeparation.MilkSeparation.TransferCream無(wú)管道里液體速度是10，跟分離后奶油裝置相連接無(wú)MilkSeparation.MilkVat 無(wú) 只是用來(lái)存儲(chǔ)分離后的牛奶 160.0升MilkSeparation.CreamVat 無(wú) 只是用來(lái)存儲(chǔ)分離后的奶油 40.0 升FillAndPackaging IF N ＜= 4 LENGTH = 0.5 * N WIDTH = 0.22 * N ELSE LENGTH = 0.5* (N - 4)WIDTH = 0.39 *(N - 4)ENDIF如果庫(kù)存數(shù)量小于等于4，生產(chǎn)牛奶的規(guī)格不同，如果超過4，生產(chǎn)的規(guī)格又是另一種樣式無(wú)

圖4

模型布局(如圖4所示)：(4)仿真模型的運(yùn)行結(jié)果及其分析。仿真時(shí)鐘為

8 000分鐘，分析兩種情況。一種情況是6臺(tái)牛奶裝置，1臺(tái)奶油裝置，Cream的容量是 40升，Milk裝置的容量改為160升。另一種情況是6臺(tái)牛奶裝置，1臺(tái)奶油裝置，Cream的容量改為60升，Milk裝置的容量改為260 升(見表3和表4)。

表3 第一種情況的統(tǒng)計(jì)報(bào)表

表4 第二種情況統(tǒng)計(jì)的報(bào)表

通過統(tǒng)計(jì)報(bào)表不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)器的工作時(shí)間跟容器的儲(chǔ)量幾乎沒有關(guān)系，通過增加容量不能提高產(chǎn)出量。分析奶油容量在40升和奶油容量在60升的情況下奶油的產(chǎn)量和機(jī)器工作空閑時(shí)間是一樣的，沒有提升奶油產(chǎn)出量。牛奶的產(chǎn)出量同樣存在這個(gè)問題，牛奶存儲(chǔ)量由160升增加到260升，產(chǎn)出量同樣沒有提升，這時(shí)就需要考慮增加機(jī)器的加工速度或者產(chǎn)品裝卸的速度以提高最大產(chǎn)出量?？梢酝ㄟ^Witness改變各種參數(shù)和設(shè)備的數(shù)量來(lái)模擬產(chǎn)出量，從而達(dá)到產(chǎn)品最大化和最優(yōu)的解決方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過Witness仿真軟件，可以模擬復(fù)雜的真實(shí)生產(chǎn)和生活實(shí)例，通過圖形分析找到實(shí)例中的瓶頸，然后找到最優(yōu)的解決方案。Witness可以用2D和3D的圖形效果，生動(dòng)形象地展示整個(gè)流程的動(dòng)態(tài)效果，大大提高了教師的信息化教學(xué)水平，增加了學(xué)生對(duì)所學(xué)課程的興趣和動(dòng)手能力，從而獲取更多的信息技術(shù)操作能力。

[1] 陸傳責(zé).排隊(duì)論[M].北京:北京郵電學(xué)院出版社,1994.

[2] 王亞超,馬漢武.生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[3] 顧啟泰.離散實(shí)際愛你系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:北京清華大學(xué)出版社,1999.