基于計算機仿真技術(shù)的物流實驗室建設(shè)

邢大寧,初良勇

(集美大學(xué)航海學(xué)院,福建廈門 361021)

物流是實踐性很強的學(xué)科和專業(yè),必要的設(shè)備投入和實驗室建設(shè)是提高學(xué)生實踐動手能力重要保障。計算機仿真技術(shù)具有可視化、成本低、無場地環(huán)境限制、可控性強等優(yōu)勢,運用該技術(shù)模擬各種物流系統(tǒng)的實際運作,使學(xué)生清楚、直觀地認識各種物流系統(tǒng),是物流實踐教學(xué)的有效方法。因此,建設(shè)基于計算機仿真技術(shù)的物流實驗室具有重要意義。

一、計算機仿真技術(shù)與物流系統(tǒng)仿真實驗室功能意義

1.計算機仿真技術(shù)及物流仿真

計算機仿真技術(shù)是指利用計算機科學(xué)和技術(shù)的成果建立被仿真的系統(tǒng)的模型,并在某些實驗條件下對模型進行動態(tài)實驗的一門綜合性技術(shù)。它以建模理論、計算方法、評估理論為理論基礎(chǔ),包含計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、軟件工程、信息處理、自動控制及系統(tǒng)工程等相關(guān)技術(shù)。該技術(shù)可以充分利用計算機的特點,盡可能多地考慮影響系統(tǒng)動態(tài)運作過程的因素,建立相對更能反映實際運作情況的模型。應(yīng)用該模型進行仿真運行,可以了解系統(tǒng)中變量之間的相互關(guān)系,觀察系統(tǒng)中模擬變量變化的全過程,從而為系統(tǒng)設(shè)計或管理人員提供更為可靠的決策信息。

計算機仿真技術(shù)具有的時間上的伸縮性、廣泛適應(yīng)性、可控性和便于多方案比較的特點,在物流實踐教學(xué)中可以得到有效的應(yīng)用:一是時間上的伸縮性。使用計算機仿真技術(shù),可以將幾個月甚至幾年時間的外界系統(tǒng)活動壓縮到幾分鐘甚至幾秒內(nèi)模擬運行出來,也可以將短期內(nèi)的系統(tǒng)活動放大為長時間的模擬,在實踐教學(xué)中可以根據(jù)課程的需要設(shè)計模擬系統(tǒng),既可以設(shè)計重復(fù)性的實驗項目,也可以根據(jù)時間要求建立操作性較強、與現(xiàn)實比較接近的模型。二是廣泛適應(yīng)性。利用仿真技術(shù)可以按照教學(xué)需要建立不同類型的仿真模型,這些模型可以是操作性較強的物流設(shè)備操作仿真演示,也可以是物流規(guī)劃方案的仿真優(yōu)化設(shè)計。三是可控性。利用仿真技術(shù)的時間伸縮性、仿真廣泛性的特點,可對實驗內(nèi)容實現(xiàn)有效的控制;由于三維仿真模型的使用,還可實現(xiàn)將平面的物流實踐教學(xué)立體化。另外,物流真實設(shè)備投資大、磨損快、對場地的要求高、更新麻煩,建立物流仿真設(shè)備可以有效解決這些問題。

物流仿真是針對物流系統(tǒng)進行系統(tǒng)建模,并在計算機上編制相應(yīng)應(yīng)用程序,模擬實際物流系統(tǒng)運行狀況,并統(tǒng)計和分析模擬結(jié)果,用以指導(dǎo)實際物流系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計與運作管理。目前,國內(nèi)外物流仿真軟件比較多,比較常見的有Flexsim、RaLC(樂龍)、eM-Plant、Witness(SDX)、Automod、Show-Flow、SIMAnimation、Arena、Supply chain guru、Classwarehouse等10種。每一種軟件都有其自身特點,物流系統(tǒng)仿真實驗室建設(shè)可根據(jù)實際需要選擇購買。目前,集美大學(xué)已通過招投標方式購買了Flexsim物流仿真軟件,主要是考慮其開放的二次開發(fā)功能,較為適合高校物流信息化人才的培養(yǎng)目標和培養(yǎng)特色。

2.物流系統(tǒng)仿真實驗室的功能與意義

(1)教學(xué)。物流教學(xué)需要讓學(xué)生既掌握物流的基礎(chǔ)理論知識,又要具備一定的實際操作能力。通過建設(shè)物流仿真實驗室,利用仿真技術(shù)的物流實踐教學(xué),可以根據(jù)物流技術(shù)的發(fā)展而實時更新所需資源,在有限的教學(xué)場地、資金條件下開展眾多類型的實驗,滿足物流實踐教學(xué)操作性、重復(fù)性、開放性和綜合性特點,使學(xué)生能夠?qū)娴闹R體系轉(zhuǎn)化為實際的應(yīng)用和操作認識。

(2)科研。對有些理論知識扎實,有志于進一步深造的學(xué)生而言,簡單的物流理論教學(xué)和實物操作實驗已不能滿足需要,急需各種深層次的物流系統(tǒng)分析、優(yōu)化實驗。所以,物流仿真實驗室的建立無疑滿足了學(xué)生的這種要求,也為培養(yǎng)物流高端管理人才奠定基礎(chǔ)。

(3)社會服務(wù)。高等院校不僅承擔(dān)著培養(yǎng)人才的任務(wù),而且也承擔(dān)著社會服務(wù)的任務(wù)。在沒有實際系統(tǒng)的情況下,物流仿真實驗室的建設(shè),對于高校教師運用所掌握的專業(yè)知識,利用仿真實驗室的相關(guān)軟硬件資源去承接項目課題,真正優(yōu)化企業(yè)物流系統(tǒng),減少投資浪費,推進物流與其他物流技術(shù)、信息技術(shù)的集成,節(jié)省社會資源有重要意義。

二、國內(nèi)物流系統(tǒng)仿真實驗室現(xiàn)狀和問題

1.國內(nèi)院校物流系統(tǒng)仿真實驗室建設(shè)舉要

目前,國內(nèi)開設(shè)物流專業(yè)的重點院校已經(jīng)陸續(xù)建設(shè)現(xiàn)代物流系統(tǒng)仿真實驗室。清華大學(xué)深圳研究生院的物流工程與仿真重點實驗室擁有未來數(shù)碼港口實驗系統(tǒng)和貨流監(jiān)控及仿真軟硬件平臺;武漢理工大學(xué)建設(shè)有港口物流系統(tǒng)仿真實驗平臺,該平臺利用世界一流仿真軟件和仿真技術(shù)將港口物流系統(tǒng)的作業(yè)情況通過屏幕予以展示;北京科技大學(xué)物流系統(tǒng)仿真實驗室包括eM-plant仿真系統(tǒng)、AIS物流中心仿真系統(tǒng);華南理工大學(xué)物流工程系物流虛擬操作與仿真實驗室主要用于研究物流運作和物流流程的仿真,研究方向包括制造業(yè)系統(tǒng)仿真、物流園區(qū)規(guī)劃仿真、航空物流及港口物流的設(shè)施布局與流程仿真、交通運輸系統(tǒng)仿真、倉儲裝運系統(tǒng)仿真以及物流系統(tǒng)仿真等;上海海事大學(xué)“航運仿真中心”重點實驗室以計算機控制和仿真為技術(shù)平臺,其中集裝箱港口自動化仿真實驗室以上海港(外高橋)為對象,將集裝箱港口的各個子系統(tǒng)集成在一個平臺上進行協(xié)同工作,再現(xiàn)一個數(shù)字化港口,系統(tǒng)建立一個半實物化的集裝箱港口仿真系統(tǒng)的軟硬件仿真實驗平臺,開發(fā)仿真模型、仿真方法和仿真技術(shù),實現(xiàn)港口的運行仿真、自動化控制仿真和三維實時視景顯示仿真。

2.國內(nèi)物流系統(tǒng)仿真實驗室建設(shè)存在的問題

國內(nèi)高校已經(jīng)認識到物流仿真實驗室的重要性,紛紛購買計算機仿真軟件建設(shè)物流仿真實驗室。但是由于物流管理是個比較新的專業(yè),實驗室的建設(shè)在摸索中前進。有些高校雖然購置了計算機仿真軟件,但是缺乏相應(yīng)的師資,以致仿真軟件閑置;有些高校雖然使用仿真軟件開設(shè)了相應(yīng)實驗課程,但是僅僅做幾個小型實驗,沒有充分發(fā)揮物流仿真軟件的應(yīng)有作用。

三、集美大學(xué)物流仿真實驗室建設(shè)方案

1.建設(shè)目標與指導(dǎo)思想

集美大學(xué)是福建省較早開展物流專業(yè)教育的高校,其中交通運輸(物流管理方向)專業(yè)于2002年開始招生,2005年經(jīng)教育部批準正式設(shè)立物流管理專業(yè),至今已招收9屆物流管理(含方向)本科學(xué)生,并開始研究生教育。2010年,物流(交通)系統(tǒng)規(guī)劃與管理作為交通運輸工程學(xué)科的重要方向之一,具備碩士研究生教育(含全日制碩士和物流工程碩士)資格。學(xué)校于2007年12月建設(shè)了綜合物流實驗室,包括硬件系統(tǒng)實驗室和軟件系統(tǒng)實驗室。已經(jīng)開設(shè)了電子標簽揀貨實驗、自動分揀系統(tǒng)實驗、條形碼實驗、RFID系統(tǒng)實驗、POS系統(tǒng)實驗、AGV自動搬運系統(tǒng)等硬件實驗項目;同時開設(shè)了第三方物流管理系統(tǒng)、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)、運輸管理系統(tǒng)、報關(guān)報檢系統(tǒng)等軟件實驗項目。

在物流系統(tǒng)仿真方面,目前學(xué)校已經(jīng)引進美國的Flexsim仿真軟件用于實驗教學(xué),但是仿真系統(tǒng)比較簡單,缺少行業(yè)針對性,使仿真實驗不能根據(jù)專業(yè)特色深入模擬仿真,不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的功能。因此,建立物流仿真實驗室,研究如何才能更好地運用物流仿真技術(shù)服務(wù)實驗教學(xué)、物流人才培養(yǎng)有重要意義。

建設(shè)目標:物流仿真實驗室以計算機仿真技術(shù)為主體,建立面向物流管理專業(yè)的綜合性、開放式的多平臺實驗工程體系,體現(xiàn)知識和能力并重,以教學(xué)計劃、學(xué)科發(fā)展為本,以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和能力為最終目標。

指導(dǎo)思想:物流仿真實驗室的建設(shè)要遵循先進性、系統(tǒng)性、經(jīng)濟性和實用性的指導(dǎo)思想。物流仿真實驗室要立足物流技術(shù)與實驗教學(xué)手段的最新發(fā)展動態(tài),注重網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、模擬仿真技術(shù)、自動識別技術(shù)、信息管理與決策技術(shù)等多種新技術(shù)手段的綜合應(yīng)用;結(jié)合學(xué)科和專業(yè)建設(shè),有效利用實驗室建設(shè)經(jīng)費,統(tǒng)籌利用硬件、軟件、場地資源,建設(shè)較完整的物流仿真實驗工程體系,可供物流管理專業(yè)課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計使用,成為集教學(xué)、科研、實驗、學(xué)術(shù)交流、人才培養(yǎng)于一體的教學(xué)、學(xué)科建設(shè)和科研基地。

2.物流仿真實驗室建設(shè)總體規(guī)劃

(1)實驗室研究方向

物流仿真實驗室的研究方向要基于專業(yè)特色來建設(shè),采用模塊化的結(jié)構(gòu)形式。物流涉及的行業(yè)比較多,有港航物流系統(tǒng)、生產(chǎn)物流系統(tǒng)、鐵路樞紐物流系統(tǒng)、配送中心物流系統(tǒng)等,按照不同的物流對象又有煙草物流系統(tǒng)、汽車物流系統(tǒng)、危險品物流系統(tǒng)、超限品物流系統(tǒng)、鮮活易腐品物流系統(tǒng)等。集美大學(xué)物流管理專業(yè)以航運物流、企業(yè)物流為兩個專業(yè)特色,因此,仿真對象要包括航運領(lǐng)域內(nèi)的比較大型的仿真系統(tǒng),如港口物流規(guī)劃與作業(yè)流程展示平臺、集裝箱物流仿真模擬操作系統(tǒng)、散雜貨物流仿真模擬操作系統(tǒng)等,及企業(yè)生產(chǎn)物流仿真模擬操作平臺。集美大學(xué)物流仿真實驗室的研究方向可以分為4個系統(tǒng)模塊,各系統(tǒng)能單獨開設(shè)、開發(fā)相關(guān)實驗進行相應(yīng)的實踐教學(xué)和科學(xué)研究,各系統(tǒng)之間又有相互關(guān)聯(lián),組成一個有機的整體,實驗中心的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 物流仿真實驗室體系結(jié)構(gòu)

港口物流系統(tǒng)仿真:港口物流系統(tǒng)仿真按照功能不同又可分為碼頭系統(tǒng)仿真和堆場系統(tǒng)仿真兩個系統(tǒng)模塊。碼頭系統(tǒng)和堆場系統(tǒng)又可按照貨物類型分為集裝箱碼頭和堆場、散貨碼頭和堆場、油氣碼頭和儲蓄場地,但是碼頭和堆場的基本功能都是一樣的,即船舶裝卸功能和堆存功能。

碼頭系統(tǒng)仿真可以模擬碼頭實際裝卸情況,通過運行仿真模型分析碼頭泊位、裝卸設(shè)備(岸橋、門座起重機等)、集裝箱卡車以及前方堆場的利用率,發(fā)現(xiàn)碼頭作業(yè)系統(tǒng)的“瓶頸”所在,并且可以通過仿真模型對碼頭瓶頸進行改擴建,或者采用更加合理的設(shè)備作業(yè)調(diào)度方案,從而優(yōu)化碼頭系統(tǒng)的運行。

堆場系統(tǒng)仿真可以虛擬實現(xiàn)三維堆場運作情況,根據(jù)數(shù)據(jù)庫的實時信息更新三維場景,也可以依據(jù)用戶指定的條件對堆場上的集裝箱和其他貨物進行查詢。該仿真通過實時、動態(tài)地顯示堆場的裝卸作業(yè)流程、堆場生產(chǎn)能力和機械作業(yè)性能參數(shù),它對于堆場的實時監(jiān)控、作業(yè)計劃的安排等方面可以起到很好的作用,也可為學(xué)生學(xué)習(xí)了解堆場作業(yè)流程提供平臺。

生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真:生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真主要包括運輸調(diào)度系統(tǒng)仿真(或稱為物料搬運系統(tǒng)仿真)和庫存控制系統(tǒng)仿真兩個小系統(tǒng)模塊。

生產(chǎn)物流系統(tǒng)經(jīng)常包含若干運輸車輛、多種運輸路線。如何合理地調(diào)度運輸工具、規(guī)劃運輸路線、評價各種策略的合理性等都是保障物料搬運系統(tǒng)高效運作的關(guān)鍵問題。運輸調(diào)度是生產(chǎn)物流系統(tǒng)最復(fù)雜、動態(tài)變化最大的,很難用解析法描述運輸?shù)娜^程。通過對運輸調(diào)度過程仿真,建立運輸系統(tǒng)模型,可以動態(tài)運行此模型,再用動畫將運行狀態(tài)、道路堵塞情況、物料供應(yīng)情況等生動地呈現(xiàn)出來;然后對仿真結(jié)果的各種數(shù)據(jù),包括車輛運行時間、利用率等進行分析,從而找出合理的調(diào)度策略。

生產(chǎn)加工的各個工序,其加工節(jié)奏一般是不協(xié)調(diào)的。物料供應(yīng)部門與生產(chǎn)加工部門的供求關(guān)系存在矛盾。為確保物料及時準確的供應(yīng),最有效的辦法是在工廠、車間設(shè)置物料倉庫,在生產(chǎn)工序間設(shè)置緩沖物料庫來協(xié)調(diào)生產(chǎn)節(jié)奏。通過對物料庫存狀態(tài)的仿真,可以動態(tài)地模擬入庫、出庫、庫存的實際狀況。根據(jù)加工需要正確地掌握入庫、出庫的時機和數(shù)量。

配送中心系統(tǒng)仿真:配送中心是物流系統(tǒng)里的一個重要節(jié)點,主要擁有保管、倒裝、分揀等功能。根據(jù)配送中心的主要功能把配送中心系統(tǒng)仿真分為倉儲系統(tǒng)仿真和分揀系統(tǒng)仿真。

保管功能是配送中心的主要內(nèi)容之一,其倉庫形式、平面布置、設(shè)備組成等首先要有利于揀選作業(yè)、揀選順序、揀選路線、揀選方法。倉儲系統(tǒng)仿真可以優(yōu)化倉庫布局,合理安排設(shè)備和人員數(shù)量,選擇合理的庫存管理和貨位管理辦法,選擇合適的揀貨方法和揀貨路徑以及出入庫策略。

隨著商品經(jīng)濟的發(fā)展,用戶需求向小批量、多品種方向發(fā)展,配送中心配送貨物的種類和數(shù)量將急劇增加,分揀作業(yè)在配送中心作業(yè)中所占的比例越來越大。所以,配送中心在整體規(guī)劃設(shè)計中,分揀系統(tǒng)設(shè)計是其中最重要的部分。分揀系統(tǒng)仿真通過對分揀系統(tǒng)進行有效的模擬分析,合理地設(shè)計分揀系統(tǒng)的布局、分揀通道數(shù)量及其分配,選擇合適的分揀策略,將大大減少投資風(fēng)險,提高配送中心的運作效率和經(jīng)營效益。

供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真:供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真主要研究供應(yīng)鏈行為和績效等問題,通過對已定義的供應(yīng)鏈模型進行實驗來了解該系統(tǒng)的運行效果,如不確定性、可靠性、利潤或資源利用率等。通過對資源利用狀況、系統(tǒng)整體服務(wù)水平指標和成本函數(shù)等供應(yīng)鏈系統(tǒng)運營狀況進行詳細分析,探討企業(yè)經(jīng)營瓶頸,對供應(yīng)鏈系統(tǒng)進行資源優(yōu)化配置研究。供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真可以測定改變供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)或策略所帶來的影響,優(yōu)化模型以選擇改進的供應(yīng)源關(guān)聯(lián),仿真多個供應(yīng)鏈設(shè)計方案以評估服務(wù)和費用之間的平衡,預(yù)測庫存投資、運輸費用以及生產(chǎn)情況,為企業(yè)提供預(yù)算功能。

(2)實驗室的硬件

物流仿真實驗室首先需要設(shè)置相應(yīng)臺數(shù)的電腦,以便學(xué)生在電腦上設(shè)計仿真模型。還需添置其他設(shè)施,包括:投影機和弧形三維屏幕(進入實驗室后,面前、左側(cè)和右側(cè)都置于弧形三維屏幕內(nèi),營造一個虛擬的各物流系統(tǒng)真實環(huán)境);一臺服務(wù)器電腦和音響,置于實驗室中央,與投影機和三維屏幕相連(以作為操作平臺);帶無線遙控功能的激光筆,以便進行虛擬環(huán)境中的系統(tǒng)操控和演示。

物流仿真實驗室和硬件按如下方式規(guī)劃和分配:實驗室應(yīng)該被劃分為功能相對獨立的兩個區(qū)域,分別為教學(xué)區(qū)和科研區(qū),兩個區(qū)域分別被隔開成為獨立的小空間。

“幫我弄一些桑料吧！”天葬師重復(fù)了一句，“用最虔誠的心，收集最干凈的石蛻，做成最圣潔的桑料，燃出最神圣的桑煙?！?/p>

教學(xué)區(qū),主要是對學(xué)生進行實踐教學(xué)的區(qū)域,設(shè)有投影機和屏幕、服務(wù)器、音響、學(xué)生電腦和遙控激光筆?？蒲袇^(qū),購置一些辦公桌椅和辦公電腦,分配給四個仿真方向的教學(xué)科研人員,用做教師平時的科研辦公場所。

(3)實驗室的軟件

物流仿真軟件是物流仿真實驗室的核心工具。物流仿真軟件有很多種,每一種都有其特色和專長領(lǐng)域,要根據(jù)仿真系統(tǒng)合理選用仿真軟件。目前學(xué)校已經(jīng)引進美國的Flexsim仿真軟件,該軟件是一個通用工具,已被用來對若干不同行業(yè)中的不同系統(tǒng)進行建模。Flexsim應(yīng)用領(lǐng)域具體包括:配送中心揀選仿真、倉庫系統(tǒng)入/出庫仿真、產(chǎn)品庫分揀仿真、供應(yīng)鏈仿真、集裝箱碼頭仿真、生產(chǎn)物流仿真、機場仿真、城市應(yīng)急系統(tǒng)仿真等。集美大學(xué)物流仿真實驗室系統(tǒng)包括港口物流系統(tǒng)仿真、生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真、配送中心系統(tǒng)仿真和供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真。這些系統(tǒng)都可以運用Flexsim來仿真實現(xiàn),但是目前引進的Flexsim軟件僅僅是其部分簡單功能,沒有更深層次的優(yōu)化功能,需要進一步升級,購買相關(guān)優(yōu)化軟件包。最后一個模塊供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真有供應(yīng)鏈專用仿真軟件Supply Chain Guru,建議添置以實現(xiàn)供應(yīng)鏈仿真系統(tǒng)。

(4)物流仿真實驗室建設(shè)實施

物流系統(tǒng)仿真實驗室的建設(shè)可以逐步、分階段實施。比如先配備相關(guān)實驗場地和設(shè)備,構(gòu)建教學(xué)急需的港口物流仿真系統(tǒng)和生產(chǎn)物流仿真系統(tǒng);第二階段再構(gòu)建另外兩個配送中心仿真系統(tǒng)和供應(yīng)鏈仿真系統(tǒng)。

物流系統(tǒng)仿真實驗室的各個物流仿真系統(tǒng)建設(shè)可以采取委托開發(fā)和自己研發(fā)相結(jié)合的方式。開發(fā)比較大型的物流仿真系統(tǒng)需要大量的時間、精力和計算機編程知識,因此可以采取招投標的方式委托開發(fā),自己再組織力量進行二次開發(fā)。

(5)物流仿真實驗室組織教學(xué)

在仿真實驗課程類型上,可以多開設(shè)一些設(shè)計性、綜合性的實驗,充分發(fā)揮實驗課程的啟發(fā)性、探索性。在實驗課程安排上,每個系統(tǒng)仿真方向分三階段完成實驗:第一階段,通過完整的物流仿真系統(tǒng),學(xué)習(xí)物流系統(tǒng)的運作過程;第二階段,設(shè)計一個簡單的仿真模型,學(xué)習(xí)仿真模型的建立過程和要考慮的相關(guān)因素;第三階段,分析改進這個仿真系統(tǒng)。

另外,在完成實驗教學(xué)計劃和必修的實驗課程的基礎(chǔ)上,為學(xué)生留有自主選擇的余地,充分考慮學(xué)生學(xué)習(xí)的個性化和興趣愛好。

四、結(jié) 語

實驗教學(xué)是物流專業(yè)人才培養(yǎng)過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié),也是保證物流人才培養(yǎng)質(zhì)量的必要手段。立足自身專業(yè)特色,充分考慮專業(yè)培養(yǎng)目標和物流實驗室的實用性,建設(shè)基于計算機仿真技術(shù)的物流實驗室,對于整個實驗教學(xué)環(huán)節(jié)再上新臺階、物流學(xué)科發(fā)展、提高學(xué)生應(yīng)用能力有重要意義。

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