基于计算机仿真技术的物流实验室建设

2012-07-09邢大宁初良勇

航海教育研究 2012年1期

邢大宁,初良勇

(集美大学航海学院,福建厦门 361021)

物流是实践性很强的学科和专业,必要的设备投入和实验室建设是提高学生实践动手能力重要保障。计算机仿真技术具有可视化、成本低、无场地环境限制、可控性强等优势,运用该技术模拟各种物流系统的实际运作,使学生清楚、直观地认识各种物流系统,是物流实践教学的有效方法。因此,建设基于计算机仿真技术的物流实验室具有重要意义。

一、计算机仿真技术与物流系统仿真实验室功能意义

1.计算机仿真技术及物流仿真

计算机仿真技术是指利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型,并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它以建模理论、计算方法、评估理论为理论基础,包含计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体技术、软件工程、信息处理、自动控制及系统工程等相关技术。该技术可以充分利用计算机的特点,尽可能多地考虑影响系统动态运作过程的因素,建立相对更能反映实际运作情况的模型。应用该模型进行仿真运行,可以了解系统中变量之间的相互关系,观察系统中模拟变量变化的全过程,从而为系统设计或管理人员提供更为可靠的决策信息。

计算机仿真技术具有的时间上的伸缩性、广泛适应性、可控性和便于多方案比较的特点,在物流实践教学中可以得到有效的应用:一是时间上的伸缩性。使用计算机仿真技术,可以将几个月甚至几年时间的外界系统活动压缩到几分钟甚至几秒内模拟运行出来,也可以将短期内的系统活动放大为长时间的模拟,在实践教学中可以根据课程的需要设计模拟系统,既可以设计重复性的实验项目,也可以根据时间要求建立操作性较强、与现实比较接近的模型。二是广泛适应性。利用仿真技术可以按照教学需要建立不同类型的仿真模型,这些模型可以是操作性较强的物流设备操作仿真演示,也可以是物流规划方案的仿真优化设计。三是可控性。利用仿真技术的时间伸缩性、仿真广泛性的特点,可对实验内容实现有效的控制;由于三维仿真模型的使用,还可实现将平面的物流实践教学立体化。另外,物流真实设备投资大、磨损快、对场地的要求高、更新麻烦,建立物流仿真设备可以有效解决这些问题。

物流仿真是针对物流系统进行系统建模,并在计算机上编制相应应用程序,模拟实际物流系统运行状况,并统计和分析模拟结果,用以指导实际物流系统的规划设计与运作管理。目前,国内外物流仿真软件比较多,比较常见的有Flexsim、RaLC(乐龙)、eM-Plant、Witness(SDX)、Automod、Show-Flow、SIMAnimation、Arena、Supply chain guru、Classwarehouse等10种。每一种软件都有其自身特点,物流系统仿真实验室建设可根据实际需要选择购买。目前,集美大学已通过招投标方式购买了Flexsim物流仿真软件,主要是考虑其开放的二次开发功能,较为适合高校物流信息化人才的培养目标和培养特色。

2.物流系统仿真实验室的功能与意义

(1)教学。物流教学需要让学生既掌握物流的基础理论知识,又要具备一定的实际操作能力。通过建设物流仿真实验室,利用仿真技术的物流实践教学,可以根据物流技术的发展而实时更新所需资源,在有限的教学场地、资金条件下开展众多类型的实验,满足物流实践教学操作性、重复性、开放性和综合性特点,使学生能够将书面的知识体系转化为实际的应用和操作认识。

(2)科研。对有些理论知识扎实,有志于进一步深造的学生而言,简单的物流理论教学和实物操作实验已不能满足需要,急需各种深层次的物流系统分析、优化实验。所以,物流仿真实验室的建立无疑满足了学生的这种要求,也为培养物流高端管理人才奠定基础。

(3)社会服务。高等院校不仅承担着培养人才的任务,而且也承担着社会服务的任务。在没有实际系统的情况下,物流仿真实验室的建设,对于高校教师运用所掌握的专业知识,利用仿真实验室的相关软硬件资源去承接项目课题,真正优化企业物流系统,减少投资浪费,推进物流与其他物流技术、信息技术的集成,节省社会资源有重要意义。

二、国内物流系统仿真实验室现状和问题

1.国内院校物流系统仿真实验室建设举要

目前,国内开设物流专业的重点院校已经陆续建设现代物流系统仿真实验室。清华大学深圳研究生院的物流工程与仿真重点实验室拥有未来数码港口实验系统和货流监控及仿真软硬件平台;武汉理工大学建设有港口物流系统仿真实验平台,该平台利用世界一流仿真软件和仿真技术将港口物流系统的作业情况通过屏幕予以展示;北京科技大学物流系统仿真实验室包括eM-plant仿真系统、AIS物流中心仿真系统;华南理工大学物流工程系物流虚拟操作与仿真实验室主要用于研究物流运作和物流流程的仿真,研究方向包括制造业系统仿真、物流园区规划仿真、航空物流及港口物流的设施布局与流程仿真、交通运输系统仿真、仓储装运系统仿真以及物流系统仿真等;上海海事大学“航运仿真中心”重点实验室以计算机控制和仿真为技术平台,其中集装箱港口自动化仿真实验室以上海港(外高桥)为对象,将集装箱港口的各个子系统集成在一个平台上进行协同工作,再现一个数字化港口,系统建立一个半实物化的集装箱港口仿真系统的软硬件仿真实验平台,开发仿真模型、仿真方法和仿真技术,实现港口的运行仿真、自动化控制仿真和三维实时视景显示仿真。

2.国内物流系统仿真实验室建设存在的问题

国内高校已经认识到物流仿真实验室的重要性,纷纷购买计算机仿真软件建设物流仿真实验室。但是由于物流管理是个比较新的专业,实验室的建设在摸索中前进。有些高校虽然购置了计算机仿真软件,但是缺乏相应的师资,以致仿真软件闲置;有些高校虽然使用仿真软件开设了相应实验课程,但是仅仅做几个小型实验,没有充分发挥物流仿真软件的应有作用。

三、集美大学物流仿真实验室建设方案

1.建设目标与指导思想

集美大学是福建省较早开展物流专业教育的高校,其中交通运输(物流管理方向)专业于2002年开始招生,2005年经教育部批准正式设立物流管理专业,至今已招收9届物流管理(含方向)本科学生,并开始研究生教育。2010年,物流(交通)系统规划与管理作为交通运输工程学科的重要方向之一,具备硕士研究生教育(含全日制硕士和物流工程硕士)资格。学校于2007年12月建设了综合物流实验室,包括硬件系统实验室和软件系统实验室。已经开设了电子标签拣货实验、自动分拣系统实验、条形码实验、RFID系统实验、POS系统实验、AGV自动搬运系统等硬件实验项目;同时开设了第三方物流管理系统、供应链管理系统、运输管理系统、报关报检系统等软件实验项目。

在物流系统仿真方面,目前学校已经引进美国的Flexsim仿真软件用于实验教学,但是仿真系统比较简单,缺少行业针对性,使仿真实验不能根据专业特色深入模拟仿真,不能充分发挥其应有的功能。因此,建立物流仿真实验室,研究如何才能更好地运用物流仿真技术服务实验教学、物流人才培养有重要意义。

建设目标:物流仿真实验室以计算机仿真技术为主体,建立面向物流管理专业的综合性、开放式的多平台实验工程体系,体现知识和能力并重,以教学计划、学科发展为本,以培养学生创新和能力为最终目标。

指导思想:物流仿真实验室的建设要遵循先进性、系统性、经济性和实用性的指导思想。物流仿真实验室要立足物流技术与实验教学手段的最新发展动态,注重网络技术、多媒体技术、模拟仿真技术、自动识别技术、信息管理与决策技术等多种新技术手段的综合应用;结合学科和专业建设,有效利用实验室建设经费,统筹利用硬件、软件、场地资源,建设较完整的物流仿真实验工程体系,可供物流管理专业课程设计和毕业设计使用,成为集教学、科研、实验、学术交流、人才培养于一体的教学、学科建设和科研基地。

2.物流仿真实验室建设总体规划

(1)实验室研究方向

物流仿真实验室的研究方向要基于专业特色来建设,采用模块化的结构形式。物流涉及的行业比较多,有港航物流系统、生产物流系统、铁路枢纽物流系统、配送中心物流系统等,按照不同的物流对象又有烟草物流系统、汽车物流系统、危险品物流系统、超限品物流系统、鲜活易腐品物流系统等。集美大学物流管理专业以航运物流、企业物流为两个专业特色,因此,仿真对象要包括航运领域内的比较大型的仿真系统,如港口物流规划与作业流程展示平台、集装箱物流仿真模拟操作系统、散杂货物流仿真模拟操作系统等,及企业生产物流仿真模拟操作平台。集美大学物流仿真实验室的研究方向可以分为4个系统模块,各系统能单独开设、开发相关实验进行相应的实践教学和科学研究,各系统之间又有相互关联,组成一个有机的整体,实验中心的体系结构如图1所示。

图1 物流仿真实验室体系结构

港口物流系统仿真:港口物流系统仿真按照功能不同又可分为码头系统仿真和堆场系统仿真两个系统模块。码头系统和堆场系统又可按照货物类型分为集装箱码头和堆场、散货码头和堆场、油气码头和储蓄场地,但是码头和堆场的基本功能都是一样的,即船舶装卸功能和堆存功能。

码头系统仿真可以模拟码头实际装卸情况,通过运行仿真模型分析码头泊位、装卸设备(岸桥、门座起重机等)、集装箱卡车以及前方堆场的利用率,发现码头作业系统的“瓶颈”所在,并且可以通过仿真模型对码头瓶颈进行改扩建,或者采用更加合理的设备作业调度方案,从而优化码头系统的运行。

堆场系统仿真可以虚拟实现三维堆场运作情况,根据数据库的实时信息更新三维场景,也可以依据用户指定的条件对堆场上的集装箱和其他货物进行查询。该仿真通过实时、动态地显示堆场的装卸作业流程、堆场生产能力和机械作业性能参数,它对于堆场的实时监控、作业计划的安排等方面可以起到很好的作用,也可为学生学习了解堆场作业流程提供平台。

生产物流系统仿真:生产物流系统仿真主要包括运输调度系统仿真(或称为物料搬运系统仿真)和库存控制系统仿真两个小系统模块。

生产物流系统经常包含若干运输车辆、多种运输路线。如何合理地调度运输工具、规划运输路线、评价各种策略的合理性等都是保障物料搬运系统高效运作的关键问题。运输调度是生产物流系统最复杂、动态变化最大的,很难用解析法描述运输的全过程。通过对运输调度过程仿真,建立运输系统模型,可以动态运行此模型,再用动画将运行状态、道路堵塞情况、物料供应情况等生动地呈现出来;然后对仿真结果的各种数据,包括车辆运行时间、利用率等进行分析,从而找出合理的调度策略。

生产加工的各个工序,其加工节奏一般是不协调的。物料供应部门与生产加工部门的供求关系存在矛盾。为确保物料及时准确的供应,最有效的办法是在工厂、车间设置物料仓库,在生产工序间设置缓冲物料库来协调生产节奏。通过对物料库存状态的仿真,可以动态地模拟入库、出库、库存的实际状况。根据加工需要正确地掌握入库、出库的时机和数量。

配送中心系统仿真:配送中心是物流系统里的一个重要节点,主要拥有保管、倒装、分拣等功能。根据配送中心的主要功能把配送中心系统仿真分为仓储系统仿真和分拣系统仿真。

保管功能是配送中心的主要内容之一,其仓库形式、平面布置、设备组成等首先要有利于拣选作业、拣选顺序、拣选路线、拣选方法。仓储系统仿真可以优化仓库布局,合理安排设备和人员数量,选择合理的库存管理和货位管理办法,选择合适的拣货方法和拣货路径以及出入库策略。

随着商品经济的发展,用户需求向小批量、多品种方向发展,配送中心配送货物的种类和数量将急剧增加,分拣作业在配送中心作业中所占的比例越来越大。所以,配送中心在整体规划设计中,分拣系统设计是其中最重要的部分。分拣系统仿真通过对分拣系统进行有效的模拟分析,合理地设计分拣系统的布局、分拣通道数量及其分配,选择合适的分拣策略,将大大减少投资风险,提高配送中心的运作效率和经营效益。

供应链系统仿真:供应链系统仿真主要研究供应链行为和绩效等问题,通过对已定义的供应链模型进行实验来了解该系统的运行效果,如不确定性、可靠性、利润或资源利用率等。通过对资源利用状况、系统整体服务水平指标和成本函数等供应链系统运营状况进行详细分析,探讨企业经营瓶颈,对供应链系统进行资源优化配置研究。供应链系统仿真可以测定改变供应链结构或策略所带来的影响,优化模型以选择改进的供应源关联,仿真多个供应链设计方案以评估服务和费用之间的平衡,预测库存投资、运输费用以及生产情况,为企业提供预算功能。

(2)实验室的硬件

物流仿真实验室首先需要设置相应台数的电脑,以便学生在电脑上设计仿真模型。还需添置其他设施,包括:投影机和弧形三维屏幕(进入实验室后,面前、左侧和右侧都置于弧形三维屏幕内,营造一个虚拟的各物流系统真实环境);一台服务器电脑和音响,置于实验室中央,与投影机和三维屏幕相连(以作为操作平台);带无线遥控功能的激光笔,以便进行虚拟环境中的系统操控和演示。

物流仿真实验室和硬件按如下方式规划和分配:实验室应该被划分为功能相对独立的两个区域,分别为教学区和科研区,两个区域分别被隔开成为独立的小空间。

“帮我弄一些桑料吧！”天葬师重复了一句，“用最虔诚的心，收集最干净的石蜕，做成最圣洁的桑料，燃出最神圣的桑烟。”

教学区,主要是对学生进行实践教学的区域,设有投影机和屏幕、服务器、音响、学生电脑和遥控激光笔。科研区,购置一些办公桌椅和办公电脑,分配给四个仿真方向的教学科研人员,用做教师平时的科研办公场所。

(3)实验室的软件

物流仿真软件是物流仿真实验室的核心工具。物流仿真软件有很多种,每一种都有其特色和专长领域,要根据仿真系统合理选用仿真软件。目前学校已经引进美国的Flexsim仿真软件,该软件是一个通用工具,已被用来对若干不同行业中的不同系统进行建模。Flexsim应用领域具体包括:配送中心拣选仿真、仓库系统入/出库仿真、产品库分拣仿真、供应链仿真、集装箱码头仿真、生产物流仿真、机场仿真、城市应急系统仿真等。集美大学物流仿真实验室系统包括港口物流系统仿真、生产物流系统仿真、配送中心系统仿真和供应链系统仿真。这些系统都可以运用Flexsim来仿真实现,但是目前引进的Flexsim软件仅仅是其部分简单功能,没有更深层次的优化功能,需要进一步升级,购买相关优化软件包。最后一个模块供应链系统仿真有供应链专用仿真软件Supply Chain Guru,建议添置以实现供应链仿真系统。

(4)物流仿真实验室建设实施

物流系统仿真实验室的建设可以逐步、分阶段实施。比如先配备相关实验场地和设备,构建教学急需的港口物流仿真系统和生产物流仿真系统;第二阶段再构建另外两个配送中心仿真系统和供应链仿真系统。

物流系统仿真实验室的各个物流仿真系统建设可以采取委托开发和自己研发相结合的方式。开发比较大型的物流仿真系统需要大量的时间、精力和计算机编程知识,因此可以采取招投标的方式委托开发,自己再组织力量进行二次开发。

(5)物流仿真实验室组织教学

在仿真实验课程类型上,可以多开设一些设计性、综合性的实验,充分发挥实验课程的启发性、探索性。在实验课程安排上,每个系统仿真方向分三阶段完成实验:第一阶段,通过完整的物流仿真系统,学习物流系统的运作过程;第二阶段,设计一个简单的仿真模型,学习仿真模型的建立过程和要考虑的相关因素;第三阶段,分析改进这个仿真系统。

另外,在完成实验教学计划和必修的实验课程的基础上,为学生留有自主选择的余地,充分考虑学生学习的个性化和兴趣爱好。