蒲睿強，吳封斌，王 璐，岳洪吉

（1.貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.貴州省煙草公司貴陽市公司，貴州 貴陽 550002）

煙草物流行業(yè)的發(fā)展正在由相對落后的半自動化分揀向先進的全自動高速分揀轉(zhuǎn)變，需要軟件和硬件設(shè)備方面同時創(chuàng)新。在標(biāo)準(zhǔn)煙自動化分揀領(lǐng)域，中國已經(jīng)基本達到國際領(lǐng)先水平，但因為異型煙的“外形之異”，且品種規(guī)格眾多，對基于傳統(tǒng)卷煙設(shè)計的分揀設(shè)備而言，異型煙分揀的難點亟需解決[1]。同時異型煙銷量的崛起必然要推動其物流設(shè)備自動化的發(fā)展，但異型煙分揀多品種、小批量的特點會表現(xiàn)得越來越明顯，同時分揀需求越來越大，目前有公司已經(jīng)研發(fā)出柔性分揀設(shè)備，可以在高效率處理的情況下同時分揀異型煙，而計算機仿真在此異型煙分揀系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用價值和發(fā)展空間[2-3]。

1 系統(tǒng)仿真技術(shù)

計算機模擬仿真是一種模型實際運行的仿真實驗，能夠顯示該調(diào)查系統(tǒng)相關(guān)要素的變化情況，模擬系統(tǒng)的狀態(tài)和時間的變動規(guī)律，其中，模擬實際情況的系統(tǒng)模型運行狀態(tài)是核心過程。在計算機仿真中，包括系統(tǒng)、模型和計算機三大要素[4]，三者關(guān)系如圖1所示。

圖1 三大要素關(guān)系

煙草分揀系統(tǒng)的不同狀態(tài)變化一般在離散事件點，而且這些離散事件點一般是不確定的，而且數(shù)學(xué)模型很難利用數(shù)學(xué)公式來表現(xiàn)。此煙草分揀系統(tǒng)屬于離散事件。

建立離散事件系統(tǒng)的仿真模型的目標(biāo)是要建立與系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型有同構(gòu)或同態(tài)關(guān)系的模型，同時在計算機上運行良好。同樣的仿真精度下，采用混合時間推進機制的效率高于采用固定步長時間推進機制的效率。由于離散事件系統(tǒng)是隨著時間離散變化的，因此采用混合時間推進機制。

離散事件系統(tǒng)要轉(zhuǎn)換為計算機仿真模型，首先要分析其仿真策略，選取仿真模型的控制邏輯和仿真時鐘推進機制。仿真模型的本質(zhì)是仿真策略，不僅是仿真模型的核心內(nèi)容，也決定了仿真模型的結(jié)構(gòu)模式。

離散事件系統(tǒng)有以下3 種基本仿真策略：①事件調(diào)度法（Event Schedule，ES）。事件調(diào)度法由蘭德公司在1963 年提出，在美國被廣泛采用。它是一個面向事件的方法，首先通過定義事件，按照一定時間順序?qū)κ录M行處理。②活動掃描法（Activity Scanning，AS）。活動掃描法的基本思想是以各主體時間要素的最小單位來推進仿真時鐘，同時優(yōu)先激活對應(yīng)實體，以測試通過的事件，并通過更改系統(tǒng)狀態(tài)確定相關(guān)事件發(fā)生的時間。③進程交互法（Process Ⅰnteraction，PⅠ）。過程交互法作用的基本思想是通過整個過程中時間值最小的無條件延遲恢復(fù)點來推進仿真時鐘。當(dāng)時鐘前進到新的時間點后，如果某個實體在進行中解除鎖定狀態(tài)，則該實體將從當(dāng)前的恢復(fù)節(jié)點前進到下一個延遲節(jié)點。最終在此次煙草分揀系統(tǒng)仿真中選擇活動掃描法。按照優(yōu)先激活實體的活動，掃描最早事件，實行內(nèi)部處理事件條件。

2 eM-Plant 簡介

eM-Plant 是由以色列公司Tecnomatix 搭建的物流、工廠、生產(chǎn)軟件工具，也稱為SⅠMPLE。此工具適用于離散式系統(tǒng)建模和模擬分析。在面向?qū)ο蟮募夹g(shù)中，可以生成系統(tǒng)外部和內(nèi)部的供應(yīng)鏈、生產(chǎn)資源以及與生產(chǎn)和經(jīng)營過程相關(guān)的環(huán)節(jié)，可以建立所有鏈接的結(jié)構(gòu)合理的階層模型。

eM-Plant 專用于項目研發(fā)規(guī)劃、物流仿真優(yōu)化、工藝生產(chǎn)系統(tǒng)的模擬，在這些方面都有極為優(yōu)秀的實用性和創(chuàng)新性。

對象導(dǎo)向仿真軟件和常見程序語言的差別在于面對對象式仿真軟件提供了一些具有屬性（attribute）及操作方法（operation）的基本組件，除非此組件提供的屬性或操作方法不正確，否則不需要重新定義和設(shè)計組件。

另外，為了用程序語言模擬模型的構(gòu)筑，有必要定義模擬系統(tǒng)的對象、等級、屬性、操作方法，在設(shè)計后可以重復(fù)利用。不同的面向?qū)ο?，模擬軟件和模擬語言能提供不同的基本組件，在應(yīng)用程序組件分析和設(shè)計階段創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)圖和行為圖也存在差異。

3 基于eM-Plant 的異型煙分揀作業(yè)仿真模型

3.1 仿真原型及目標(biāo)

仿真針對某大型煙草配送中心，該異型煙分揀系統(tǒng)位于分揀平面，含三層子線分揀處理模式。

配置：1 套件煙補貨線、2 套劃箱機、4 套開箱機、4 套自動補貨小車、72 個臥式機、72 個立式機、40 個電子標(biāo)簽（用于分揀不進煙倉的特異型煙或極小品規(guī)標(biāo)準(zhǔn)卷煙）、2 套精準(zhǔn)識別系統(tǒng)、2 套打碼機、2 套標(biāo)異一體包裝機、2 套自動貼標(biāo)機、多層復(fù)合子線、1 套空箱回收線；2 臺包裝機，利用剛性吸盤高效碼垛，4組吸盤可以根據(jù)條煙寬度、厚度自動調(diào)整；2 臺高速柔性核數(shù)機構(gòu)，用于分揀合流、包裝前段的核數(shù)識別；與雙層、三層煙倉相比，四層子線分揀短煙倉排放長度使煙倉排布更為集中，減小了分揀線的占地面積，縮短了補貨路徑。

本次仿真的目標(biāo)是通過模擬現(xiàn)有設(shè)計方案[5]，找出限制分揀效率的瓶頸，提升煙草分揀效率，為煙草配送中心的流程優(yōu)化提供依據(jù)。

通過對該煙草企業(yè)物流分揀系統(tǒng)方面的仿真，改進設(shè)計方案，研究提升柔性煙草系統(tǒng)分揀效率的方法，降低分揀流程故障率，提升設(shè)備利用率[6-8]。首先，對現(xiàn)有方案設(shè)計煙草分揀系統(tǒng)進行模擬仿真，了解各個子系統(tǒng)工序在運行中的狀態(tài)以及分揀過程中煙草流動情況。觀察運行中的真實情景，對仿真結(jié)束后得到的數(shù)據(jù)輸出文件加以分析。然后，通過對現(xiàn)有方案的優(yōu)化改進，改良現(xiàn)有仿真模型，再次進行模擬仿真，從而達到效率更高、成本更低、利用率更高的目標(biāo)。

3.2 eM-Plant 仿真建模

此異型煙自動化分揀系統(tǒng)按作業(yè)性質(zhì)的不同，從總體上可以分為幾大功能區(qū)域，包括分揀區(qū)、合單區(qū)、碼垛區(qū)、包裝區(qū)等。其中分揀區(qū)最能體現(xiàn)客戶訂單數(shù)據(jù)拆分優(yōu)化的合理性，是驗證已優(yōu)化訂單合理性的關(guān)鍵。合單區(qū)包含多層傳送帶，能夠匯總輸送進碼垛區(qū)域，在此過程中應(yīng)該遵循同步傳送、數(shù)量平均的原則[9]。碼垛區(qū)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是限制異型煙分揀的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。在整個環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)依據(jù)每個實體的屬性來識別、調(diào)用進行操作。

基于以上設(shè)計，對異型煙分揀系統(tǒng)內(nèi)部實體元素進行定義，如表1 所示，并建立了如圖2 所示的異型煙分揀線模型圖。

圖2 分揀系統(tǒng)仿真模型

表1 實體元素定義

進行仿真驗證前，結(jié)合煙草分揀系統(tǒng)的分揀策略，運用專門的訂單優(yōu)化軟件進行了訂單數(shù)據(jù)優(yōu)化。選取一天的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，持續(xù)運行仿真模型，并利用仿真軟件提供的功能對子系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行觀察[10]。

根據(jù)柔性分揀方案建立初步的eM-Plant 仿真模型。首先將方案中的設(shè)備性能和控制方法轉(zhuǎn)化為模型中的實體設(shè)定與參數(shù)設(shè)置；然后把分割的訂單數(shù)據(jù)輸入已經(jīng)建立的仿真模型，運行此柔性煙草分揀系統(tǒng)，得到輸出結(jié)果和設(shè)備的狀態(tài)[11]；最后發(fā)現(xiàn)方案設(shè)計存在的主要問題，并對優(yōu)化自動化分揀系統(tǒng)提供可改善的措施。結(jié)果表明，通過對某煙草物流中心獲得的實際銷售數(shù)據(jù)進行仿真試驗，模型仿真鐘取時間單位為l s，運行15×60×60=54 000 仿真時間單位，仿真結(jié)果如表2 所示。

表2 分揀效率統(tǒng)計表

4 應(yīng)用效果

研究了基于Tecnomatix Plant Simulation 平臺的異型煙仿真建模方法，針對某煙草配送中心進行模型分析，重點研究了分揀系統(tǒng)中的分揀機構(gòu)、合單機構(gòu)、碼垛機構(gòu)，分別從系統(tǒng)分析、設(shè)備選取、參數(shù)設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、流程優(yōu)化等方面建立仿真模型，為生產(chǎn)線的裝配提供有力的設(shè)計依據(jù)，減少了降低效率問題出現(xiàn)的可能性[12]。通過仿真可得到某大型煙草配送中心設(shè)計方案的準(zhǔn)確分揀效率，為數(shù)字化煙草分揀系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化提供決策的依據(jù)。