基于Flexsim的小麥粉生產(chǎn)過程仿真與優(yōu)化

王姍姍， 吳保國，錢建平，陳 棟

（1.北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100083；2.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯技術(shù)及應(yīng)用國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100097）

糧食生產(chǎn)具有戰(zhàn)略性地位，關(guān)系到人民生活健康及社會的穩(wěn)定與發(fā)展［1］。小麥粉加工企業(yè)是糧食流通過程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其整體設(shè)備作業(yè)效率的提高是改善小麥粉加工水平和流通速度的重要保障。小麥粉加工生產(chǎn)線仿真是對其生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬，在虛擬環(huán)境中反映出小麥粉生產(chǎn)制造全過程，從而有效地確定生產(chǎn)瓶頸位置，有針對性地進(jìn)行改善，解決流水線生產(chǎn)能力不平衡及低效率等問題，進(jìn)而提高加工設(shè)備的整體利用率，提高小麥粉加工效率，減少企業(yè)運(yùn)行成本。常用的模擬仿真軟件有Auto Mod，Witness，Arena和Flexsim等。本研究選用Flexsim軟件作為研究工具，它能夠解決貨物配送線路及揀貨方式優(yōu)化、資源合理配置、貨物和服務(wù)次序優(yōu)化等問題。加工生產(chǎn)線仿真亦有學(xué)者利用Flexsim軟件研究［2-13］，邱伊健等［2］利用Flexsim與遺傳算法相結(jié)合研究混流生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化；龔立雄等［3］分析了流水生產(chǎn)線的特點(diǎn)，并運(yùn)用Flexsim對摩托車涂裝生產(chǎn)線進(jìn)行仿真及優(yōu)化；王海燕等［4］運(yùn)用Flexsim動態(tài)模擬食品冷鏈配送中心作業(yè)流程，分析相關(guān)參數(shù)并對其進(jìn)行優(yōu)化。可見，F(xiàn)lexsim生產(chǎn)加工仿真研究多針對離散系統(tǒng)構(gòu)建。小麥粉產(chǎn)品具有小顆粒、流動性等特點(diǎn)，其生產(chǎn)過程的流體建模及優(yōu)化研究鮮見。本研究針對小麥粉加工生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際，基于現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)，運(yùn)用生產(chǎn)系統(tǒng)建模方法，利用Flexsim仿真軟件，對小麥粉加工流程進(jìn)行仿真，直觀動態(tài)模擬小麥粉實(shí)時加工流程畫面，分析仿真數(shù)據(jù)，找出生產(chǎn)過程中的瓶頸，并研究目前設(shè)備布局，對加工設(shè)備提出增減假設(shè)，優(yōu)化小麥粉生產(chǎn)過程仿真模型。

1 小麥粉生產(chǎn)流程分析

小麥粉生產(chǎn)加工流程主要經(jīng)過以下過程：小麥Triticum aestivum收購、分類入庫、原糧配比、原糧清理、潤麥入磨、小麥粉打包碼垛銷售。具體流程為：小麥在主產(chǎn)區(qū)種植收獲后，按種植戶和加工企業(yè)需求，由專門車輛運(yùn)送至加工廠，車輛到達(dá)后排隊(duì)等待扦樣、初檢，初檢合格后，經(jīng)過磅、稱量、復(fù)檢、初選，根據(jù)小麥分級結(jié)果自動化入不同種類糧倉；根據(jù)小麥粉加工計劃確定不同級別小麥配比，小麥經(jīng)自動化生產(chǎn)線配比后進(jìn)入原麥倉；之后經(jīng)過一次清理、著水潤麥、二次清理后入凈麥倉，然后經(jīng)過皮磨、心磨、篩理、清粉、松粉、打麩等過程，生產(chǎn)出不同級別的小麥粉主產(chǎn)品和麩皮等副產(chǎn)品，不同級別小麥粉入不同粉倉；小麥粉檢測合格后配比、計量、打包、碼垛、入庫儲存，最后將包裝好的小麥粉按訂單規(guī)格出庫銷售（圖1）。

圖1 小麥粉加工流程圖Figure 1 Wheat flour processing flow chart

2 小麥粉生產(chǎn)過程仿真建模

小麥?zhǔn)召忂^程中檢測類別分為A級，B級，C級和D級等4個等級，通過調(diào)研統(tǒng)計出不同級別小麥占比、擬合小麥運(yùn)輸車輛到達(dá)時間分布，為仿真模型服務(wù)?，F(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)收集地點(diǎn)為山東德州某面粉加工集團(tuán)，通過對小麥采購時間數(shù)據(jù)和小麥粉各環(huán)節(jié)加工時間數(shù)據(jù)收集，為小麥粉生產(chǎn)過程Flexsim仿真模型提供相關(guān)參數(shù)，是模型構(gòu)建的依據(jù)。另外，仿真模型假設(shè)生產(chǎn)線生產(chǎn)的是普通級小麥粉，在模型建立前做如下假設(shè)：①小麥原料出入原料倉為先進(jìn)先出（FIFO）；②以小麥運(yùn)輸車輛為原料批次單位，批次大小一致；③不考慮機(jī)器故障。

2.1 實(shí)體設(shè)備及相關(guān)參數(shù)

小麥粉生產(chǎn)過程中的實(shí)體設(shè)備用Flexsim仿真軟件中的實(shí)體對象表示，兩者之間的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。上游小麥原料運(yùn)輸車輛用實(shí)體發(fā)生器代替，不同顏色的盒子代表小麥檢驗(yàn)出的不同類型，紅色、藍(lán)色、綠色、黃色分別代表A級，B級，C級和D級。小麥入庫前原料看成以車輛為單位的實(shí)體，并且定義為一個批次；小麥初步篩選入庫的過程看成實(shí)體轉(zhuǎn)流體的過程，糧倉和原麥倉大小為250 t·個－1，凈麥倉大小為100 t·個－1，根據(jù)生產(chǎn)要求小麥配比過程為3 h·倉－1，并且通過控制流速保證小麥混合均勻，用流體處理器模擬仿真初清篩、振動篩、平面回轉(zhuǎn)篩、吸風(fēng)分離器等設(shè)備進(jìn)行篩選、風(fēng)選、去石、磁選等過程，著水潤麥時間約為25 h；小麥入磨前進(jìn)入凈麥罐，大小為100 t·罐－1，用流體處理器代表小麥五皮九心的研磨設(shè)備。最后流體混合器按比例配比不同級別小麥粉，通過打包設(shè)備包裝，實(shí)體轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成以袋為單位的小包裝成品小麥粉。小麥粉出庫過程中，暫存區(qū)代表小麥粉儲存?zhèn)}庫，吸收器代表配送到小麥粉銷售點(diǎn)的車輛。仿真模型相關(guān)參數(shù)如下設(shè)計：①小麥采購區(qū)。根據(jù)跟蹤統(tǒng)計小麥60 d內(nèi)采購類型數(shù)據(jù)分析得出其發(fā)生概率。其中：A級，B級，C級和D級小麥分別占比約59.8%，27.8%，8.9%和3.5%。統(tǒng)計柱狀圖如圖2所示。②小麥車輛到達(dá)的頻率分布。跟蹤調(diào)查獲得小麥車輛的到達(dá)時間數(shù)據(jù)，統(tǒng)計60 d的數(shù)據(jù)，得出小麥車輛1 d內(nèi)的到達(dá)頻率數(shù)，計算每小時車輛到達(dá)數(shù)（從7:00到19:00）， 分別為 3， 4， 4， 3， 2， 0， 3， 6， 5， 4， 2， 1， 其余時間為0（圖 3）。 ③管道流速。 Flexsim 仿真模型通過控制管道流速決定小麥粉生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)時間。本模型單位為分鐘（min）和千克（kg）。管道質(zhì)量流速v＝P× （M/t）。 其中：v為管道流速（kg·min－1），P為小麥（小麥粉）混合配比，M為麥倉（粉倉）大?。╧g），t為生產(chǎn)工藝要求時間（min）。根據(jù)公式計算出模型中各管道流速，部分管道流速如表2所示。

表1 小麥粉加工實(shí)體設(shè)備與Flexsim實(shí)體庫對象對應(yīng)Table 1 Corresponding entity objects used in Flexsim library of wheat flour processing

2.2 建立Flexsim仿真模型

定義了實(shí)體及其參數(shù)，確定了小麥粉生產(chǎn)加工的邏輯流程，就可構(gòu)建小麥粉加工過程Flexsim仿真模型（圖4），加工機(jī)器按不同類型成直線型擺放。小麥粉加工生產(chǎn)線一般為24 h不停機(jī)運(yùn)行，該仿真模型的運(yùn)行單位時間為min，為仿真運(yùn)行結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性考慮，模型運(yùn)行時間設(shè)置為1個月，即模型停止時間為31×24×60＝44 640 min。為了盡快得出模型的研究數(shù)據(jù)，可適當(dāng)提高模型運(yùn)行速度，這樣并不會改變模型運(yùn)行結(jié)果。

表2 仿真模型管道流速Table 2 Pipeline flow rate in simulation model

2.3 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)收集及分析

Flexsim仿真模型運(yùn)行結(jié)束后進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)收集，儲存箱及相關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)以百分比的形式呈現(xiàn)，如表3～5所示：小麥配比、小麥清理、小麥研磨、小麥粉配比和小麥粉打包設(shè)備的利用率分別為84.5%，74.3%，70.7%，57.2%和95.4%。其中：小麥清理和研磨設(shè)備的利用率偏低，主要是因?yàn)槠渥枞蔬_(dá)24.1%和26.9%，可能是由后續(xù)打包設(shè)備打包時間較長或設(shè)備較少所致。流體儲存器中路粉粉倉的滿倉率達(dá)到54.4%，進(jìn)出小麥粉倉流速不匹配表明小麥粉加工生產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)同一種類小麥粉（確定小麥粉配比）設(shè)置不合理。A級，B級，C級，D級類小麥暫存區(qū)利用率分別達(dá)99.6%，98.9%，95.4%和72.3%，表明A級，B級，C級類小麥車輛排隊(duì)等待時間較長，糧倉數(shù)量較少。其余設(shè)備利用率、空閑率較為合理。

圖2 小麥采購類型統(tǒng)計Figure 2 Types of wheat purchasing

圖3 小麥車輛到達(dá)時間統(tǒng)計Figure 3 Arrival time of wheat vehicles

圖4 Flexsim仿真3D模型Figure 4 3D model used in Flexsim simulation

表3 小麥粉加工設(shè)備工作狀態(tài)統(tǒng)計Table 3 Working state of wheat flour processing equipment

3 小麥粉生產(chǎn)過程仿真模型優(yōu)化

3.1 模型優(yōu)化

為了提高相關(guān)設(shè)備利用率，合理利用資源，需要對小麥粉生產(chǎn)過程仿真模型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，達(dá)到提高整體運(yùn)作效率和節(jié)約成本的目的。經(jīng)過2.3節(jié)數(shù)據(jù)分析結(jié)果及多次優(yōu)化對比，得出如下最終優(yōu)化方案：①小麥清理與研磨設(shè)備阻塞率較高，可能是生產(chǎn)后續(xù)流程中小麥打包配比和打包設(shè)備不足造成的，為降低其阻塞率，在仿真模型中增加打包設(shè)備一臺，提高生產(chǎn)線運(yùn)行效率。②模型運(yùn)行期間，生產(chǎn)不同配比的小麥粉，即修改小麥粉配比混合器的配比，平均生產(chǎn)2種不同普通級小麥粉，前路粉、中路粉和后部分的比例分別為 3∶6∶1 和 2∶7∶1。 ③為減少暫存區(qū)排隊(duì)等待時間， 經(jīng)多種糧倉增加方案對比提出，增加A類型小麥糧倉3個、B類型小麥糧倉2個、C類型小麥糧倉1個、D類型小麥糧倉1個的方案，以減少小麥粉加工企業(yè)人工成本開銷（表6）。

表4 流體存儲箱工作狀態(tài)統(tǒng)計Table 4 Work state of fluid storage box

3.2 模型結(jié)果對比分析

由圖5可知：小麥清理、小麥研磨、小麥粉配比的利用率從優(yōu)化前74.3%，70.7%，57.2%，分別上升為84.9%，82.0%和71.5%，相關(guān)設(shè)備的有效利用率得到了明顯提高，小麥配比和小麥粉打包設(shè)備利用率基本與之前持平。分析原因可能與小麥配比設(shè)備的限制因素小麥管道流速有關(guān)。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，小麥管道流速是固定的；小麥粉打包設(shè)備利用率達(dá)到了95.4%，仿真模型開始時，打包設(shè)備處于閑置狀態(tài)，故設(shè)備利

用率未提高。由圖6可知：小麥清理和研磨設(shè)備的阻塞率從24.1%和26.9%下降至13.5%和15.6%，阻塞率有了明顯的下降，但是仿真模型還存在阻塞，分析由于仿真時間（1個月）內(nèi)生產(chǎn)小麥粉的單一性造成的，該小麥粉配比中的中路粉含量相對于產(chǎn)出來講較少，下一步將討論仿真期間按訂單生產(chǎn)多種小麥粉，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。由優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)可知：小麥粉生產(chǎn)線的 “瓶頸”可能在于小麥粉打包區(qū)。另外，對小麥粉生產(chǎn)加工仿真模型優(yōu)化前后整體生產(chǎn)率進(jìn)行分析說明：代表碼垛、銷售的暫存區(qū)中，輸入實(shí)體數(shù)量優(yōu)化前后分別為10 645個和21 290個。該實(shí)體代表用于存儲和銷售的小包裝小麥粉（50 kg），該數(shù)據(jù)顯示設(shè)備的整體生產(chǎn)效率和利用率提高了近1倍。

表5 小麥采購暫存區(qū)工作狀態(tài)統(tǒng)計Table 5 Work state of wheat temporary storage area

表6 優(yōu)化后小麥粉加工設(shè)備工作狀態(tài)統(tǒng)計Table 6 Working state of wheat flour processing equipment after optimization

圖5 小麥粉加工設(shè)備優(yōu)化前后利用率Figure 5 Utilization ratio of wheat flour processing equipment before and after optimization

圖6 小麥粉加工設(shè)備優(yōu)化前后阻塞率Figure 6 Block ratio of wheat flour processing equipment before and after optimization

4 結(jié)論與討論

通過對小麥粉生產(chǎn)作業(yè)流程分析，利用Flexsim仿真軟件，建立小麥粉生產(chǎn)線仿真模型，收集相關(guān)設(shè)備和流體儲存罐的加工率、利用率、空閑率等數(shù)據(jù)，分析結(jié)果顯示小麥清理和研磨設(shè)備的利用率偏低，主要是因?yàn)槠渥枞蔬_(dá)到24.1%和26.9%。本研究針對以上問題提出優(yōu)化方案，優(yōu)化后仿真實(shí)驗(yàn)顯示小麥清理和研磨設(shè)備的阻塞率下降至13.5%和15.6%，阻塞率有明顯下降。

本研究優(yōu)化后的基于Flexsim仿真軟件的小麥粉生產(chǎn)流程模型，對提高小麥粉的生產(chǎn)加工效率和設(shè)備利用率有明顯的促進(jìn)作用，相關(guān)結(jié)論能夠?yàn)榇祟愋←湻奂庸て髽I(yè)提供參考依據(jù)。另外，雖然小麥清理和研磨設(shè)備的阻塞率明顯下降，但阻塞還存在。下一步應(yīng)探討根據(jù)小麥粉訂單，按需求生產(chǎn)不同種類（配比）的小麥粉，進(jìn)一步降低生產(chǎn)線阻塞率；另一方面，在Flexsim通過設(shè)置標(biāo)簽標(biāo)記不同批次小麥，建立小麥批次與小麥粉批次的關(guān)聯(lián)規(guī)則，為批次融合下小麥粉追溯模型的驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。

5 參考文獻(xiàn)

［1］ 錢建平，吉增濤，劉學(xué)馨，等.基于批次的面粉追溯鏈編碼研究［J］.糧油加工，2010（10）：52-55.QIAN Jianping,JI Zengtao,LIU Xuexin,et al.Study on batch based traceability chain coding of flour ［J］.Creal Oil Process,2010（10）:52-55.

［2］ 邱伊健，涂海寧.基于Flexsim與遺傳算法的混流生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化研究［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2015（8）： 119-123.QIU Yijian,TU Haining.Research on simulation and optimization of the mixed-model production line based on flexsim and genetic algorithm ［J］.Modul Mach Tool Autom Manuf Technol,2015（8）:119-123.

［3］ 龔立雄，譚國，黃敏.基于Flexsim的摩托車涂裝生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化研究［J］.工業(yè)工程與管理，2014，19（3）：122-126.GONG Lixiong,TAN Guo,HUANG Min.Simulation and optimization of motorcycle coating product line based on Flexsim ［J］.Ind Eng Manage,2014,19（3）:122-126.

［4］ 王海燕，孫濤.食品冷鏈物流配送中心作業(yè)流程仿真與優(yōu)化［J］.物流技術(shù)，2016，35（10）：92-97.WANG Haiyan,SUN Tao.Simulation and optimization of operational process of food cold chain logistics distribution centers ［J］.Logist Technol,2016,35（10）:92-97.

［5］ 梁琨，沈明霞，葛玉峰.基于模糊綜合分析方法的谷物溯源顆粒優(yōu)化設(shè)計［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（15）：246-250.LIANG Kun,SHEN Mingxia,GE Yufeng.Optimal design of grain tracer based on fuzzy comprehensive analysis method ［J］.Trans Chin Soc Agric Eng,2012,28（15）:246-250.

［6］ 楊銀，路春光，陳金鵬，等.采用Flexsim的生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2009（12）：42-46.YANG Yin,LU Chunguang,CHEN Jinpeng,et al.Modeling and simulation study of the production system based on Flexsim ［J］.Mod Manuf Eng,2009（12）:42-46.

［7］ 黃鵬鵬，張云，魏清.基于FLEXSIM的雜質(zhì)泵生產(chǎn)線仿真改善［J］.制造業(yè)自動化，2013，35（8）：46-48.HUANG Pengpeng,ZHANG Yun,WEI Qing.Improving of simulation of the impurities pump line production based on Flexsim ［J］.Manuf Autom,2013,35（8）:46-48.

［8］ 曾夢杰，李帥.基于Flexsim的短生命周期產(chǎn)品供應(yīng)鏈建模與仿真［J］.物流工程與管理，2015，37（5）：85-88，41.ZENG Mengjie,LI Shuai.Modeling and simulation for short-life-cycle product supply chain based on Flexsim ［J］.Logist Eng Manage,2015,37（5）:85-88,41.

［9］ 秦天保，周向陽.實(shí)用系統(tǒng)仿真建模與分析：使用Flexsim［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

［10］ 游攀，徐林偉，孫丹，等.基于Flexsim的不同揀貨策略的仿真建模研究［J］.物流技術(shù)，2016，35（2）：78-81.YOU Pan,XU Linwei,SUN Dan,et al.Simulated modeling of different sorting strategies based on Flexsim ［J］.Logist Technol,2016,35（2）:78-81.

［11］ SKOGLUND T,DEJMEK P.Fuzzy traceability:a process simulation derived extension of the traceability concept in continuous food processing ［J］.Food Bioprod Process,2007,85（4）:354-359.

［12］ KVARNSTR?M B,BERGQUIST B.Improving traceability in continuous processes using flow simulations ［J］.Prodn Plan Control,2012,23（5）:396-404.

［13］ ZHU Xiaomin,ZHANG Runtong,CHU Fuzhi,et al.A flexsim-based optimization for the operation process of coldchain logistics distribution centre ［J］.J Appl Res Technol,2014,12（2）:270-278.