虚拟仿真技术在实践教学中的应用—以怀化学院物流管理专业为例

侯世旺

（怀化学院 商学院，湖南 怀化 418000）

虚拟仿真技术在实践教学中的应用—以怀化学院物流管理专业为例

侯世旺

（怀化学院 商学院，湖南 怀化 418000）

以物流管理专业为例，利用Flexsim软件建模仿真的方法，对物流管理专业开展的实践教学内容进行规划，给出建模仿真的基本思路，并结合一个具体的实践案例，详细介绍Flexsim建模仿真的过程，仿真结果可以对物流系统的硬件配置、优化改善提供决策依据。在虚拟的系统运作环境中，引导学生利用创新性思维发现运作中存在的问题和瓶颈环节，启发学生对存在的问题提出改善方案，达到培养学生创新实践能力的目标。

实践教学；物流管理；虚拟技术

1 引言

随着现代物流业的快速发展，社会对于物流专业人才的需求量逐年增长，2016年7月，专业招聘机构58同城发布的数据显示，2016年6月全国物流行业的招聘人才规模数为51.7万，然而物流行业的求职规模为34.9万，物流行业人才缺口近17万。虽然58同城的数据并不能够代表中国所有物流行业的现状，但是从数据中我们还是能够在整体上看到：中国物流行业人才的缺口的确是存在的，而且还比较严重。加快物流人才的培养作为振兴物流业发展纲要的九大举措之一被提了出来，各高校都适时开设了物流相关专业。据统计，截止2016年初，全国共有396所院校开设了物流管理专业，共有82所院校开设了物流工程专业，致力于为社会培养更多的专业人才。

物流业的快速发展为高校物流专业毕业生提供广阔就业市场的同时，也对专业人才应具备的素质提出了更高的要求，即要求物流专业毕业生具备管理学与经济学的理论基础，掌握定性、定量的研究分析方法，能够以系统的观点，对物流系统各组成部分实施规划与设计、运作以及改善，对实践性要求较强。国内高校物流管理专业教学普遍存在的问题就是缺乏良好的实践或实训条件，学生在校期间的实践能力培养不足，使物流业面临一方面对专业人才需求量很高，另一方面又难以招到适用人才的双重困境。

为了解决上述问题，虚拟仿真实践教学模式在国内高校得到重视和推广应用[1-3]。虚拟仿真技术即用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术，以构建全系统统一的完整的虚拟环境为典型特征，并通过虚拟环境集成与控制系统中的多个实体；实体在虚拟环境中相互作用，或与虚拟环境作用，以表现客观世界的真实特征。目前，许多高校都建设了基于虚拟技术的实验平台，借助虚拟平台完成课程的实践教学[4-5]，研究结果表明，虚拟仿真实践教学模式对于提升学生专业技能、技术原理的掌握程度以及学生的满意度有很好的效果[6-8]。

为了突破物流管理专业人才培养中的瓶颈问题，本文探索在专业培养中，引入虚拟仿真实验教学手段，通过软件建模、模拟仿真，分析、解决实际物流系统存在的问题，弥补实践企业缺乏、实习基地条件薄弱的不足。

2 虚拟仿真环境下的专业实践文献综述

在社会再生产过程中，物流管理要根据物质资料实体流动的规律，应用管理的基本原理和科学方法，对物流活动进行计划、组织、指挥、协调、控制和监督，使各项物流活动实现最佳的协调与配合，以降低物流成本，提高物流效率和经济效益。物流管理专业具有操作性、系统性、资源整合性以及网络性等特点，大多数物流业务涉及到诸多环节，例如库存管理，涉及到货物的验收、入库、库位管理、出库、配货等，在这诸多环节中，只要有一个环节没做好，整个物流业务都会受到影响，成本效率都没有保障，因此，系统地考虑各环节，平衡各环节的工作方式十分重要。

Flexsim是一套系统仿真模型设计、制作与分析工具软件。它集计算机三维图像处理技术、仿真技术、人工智能技术、数据处理技术为一体，专门面向制造、物流等领域。运用Flexsim软件，可借助计算机建立研究对象的系统三维模型，然后对模型进行各种系统分析和工程验证，最终获得优化设计或改造方案。Flexsim在专业教学中的应用[9-11]很多，图1是对2005-2016年以来，应用Flexsim对物流系统进行建模仿真的文献统计结果，大体反映了Flexsim在物流系统不同领域的应用情况。

图1 2005-2016年Flexsim物流系统建模仿真文献统计

围绕物流系统的特点以及物流管理的任务，在专业人才培养过程中，应该有针对性地设置实践环节，保证学生专业能力与素质的培养、锻炼。借助Flexsim软件，物流管理专业可以在虚拟仿真环境下开展以下方面的实践教学：

（1）物流系统布局规划方案评价与优化[12]：评估物流方案能否满足生产需求，考虑物料仓库、半成品仓库、成品仓库的布局，消除交叉、迂回等浪费；评估生产物流中的中转区域的面积、利用率等；物料供应中的物流人员配置及供应方案的优化；成品下线，运输车辆、人员配置改善及效率提升；对当前物流系统及改善方案的仿真，以保证方案实施的有效性。

（2）仓储系统分析与优化[13-15]：仓储管理是物流系统的重要协调环节，通过对仓储设施设备及其作业过程的建模仿真，可以分析系统中的瓶颈设备或设施，通过优化器，找到仓储系统的最佳配置。

（3）生产物流分析与优化[16-17]：生产系统的物流包括是原材料、外协件的流入，下料、发料，工序间的在制品暂存与流动，在工序设备上的加工处理以及最终成品的入库储存，通过建模仿真，分析生产系统的最佳布置方案，工序设备的利用率以及瓶颈工序，通过优化提高企业生产物流的顺畅程度、降低物料搬运成本,提高生产效率。

（4）配送中心系统分析与优化[18-19]：配送中心作为现代物流系统中的一类关键节点，其配置的合理性对物流系统的效率与效益至关重要，通过仿真，可以分析配送中心内部区域的最佳布局，叉车的最佳作业路线，不同拣货策略对作业效率的影响，分析系统的物资周转率，各种流通加工作业设备的利用率，为优化系统整体的仓储、分拣能力提供决策依据。

（5）自动化立体仓库作业过程分析与优化[20～21]：分析出入库作业中的瓶颈环节，系统的吞吐能力，仿真搜索最佳的堆垛机作业调度方案，各种作业设施的利用率，设施布局对系统运行效果的影响，不同的出入库策略对堆垛机作业效率的影响等。

（6）物流网络规划与优化[22-23]：物流网络规划问题的本质就是设施选址的优化，主要解决物流网络的组成结构、节点选址以及服务分配问题，通过建模仿真，利用Flexsim的优化器，可以对供需节点之间时目标函数最优时进行物资流通的最佳路线确定下来，路线本身既包含有节点之间的物流量，也包含选中的中转节点（配送中心）及其服务范围。

通过建立物流系统整体或器局部环节的Flexsim虚拟仿真模型，使学生置身于物流系统运作的虚拟环境中，利用Flexsim 软件中的统计分析和模型优化的功能，引导学生利用创新思维，发现运作中存在的问题和瓶颈环节，并启发学生提出问题的改善方案，达到锻炼培养学生实践创新能力的目标。

3 虚拟仿真环境下的物流管理专业实践环节建模仿真

3.1 物流系统概念模型的抽象

对研究对象的运作过程进行系统描述，确定系统运行过程的参数，将系统中涉及的要素或对象进行抽象，用流程框图的形式建立系统的概念模型，描述系统的基本组成、各种货物在系统中的流动过程，如图2为配送中心多种货物流通加工过程的概念模型，模型表示货物1、2、5发货前的流通加工作业所涉及的区域、设备以及流动路线。

图2 配送中心多种货物流通加工过程概念模型

3.2 物流系统组成要素建模

为了利用Flexsim软件表示上述的概念模型，需要建立概念模型中的元素与Flexsim实体之间的对应关系，Flexsim软件包含五大类实体库：固定资源类、任务执行器类、路径网络类、可视化工具类以及流体类，可以涵盖物流系统绝大多数物理对象，本文主要考虑一般物流系统的建模与仿真，对于流体类系统，其建模与仿真的思路与一般物流系统基本相同。表1给出了Flexsim实体库与一般物流系统物理实体之间的对应关系。

3.3 物流系统运作建模

物流系统运作过程详细的参数，包括来料的时间分布，处理物料的设备类型、处理流程及时间，设备间物料搬运的设备及相关参数、路线，物料流动过程的暂存区位置及容量，最终品的仓储设施及其参数，仓储物品输出的时间分布，输出作业设备及参数，路径规划以及流通控制策略，作业设备的调度管理、输送路径的优化策略等，这些都是Flexsim模型仿真运行的基础数据，可以通过Flexsim模型中相应实体的参数设置实现对上述系统运作数据的模拟。

表1 Flexsim实体与系统元素的对应关系

3.4 整体模型建立

根据概念模型以及表1 中Flexsim 实体与系统元素之间的对应关系，将Flexsim 相应实体拖入模型设计窗口，根据实际物流系统的运作数据，设置相应实体的相关参数，并完成实体间的连接，每个Flexsim 的实体都可有多个端口，端口数没有数量限制。实体通过端口与其它实体进行通信。端口有3 种类型：输入、输出和中间端口，输入和输出端口在设定临时实体在模型中的流动路线时使用；中间端口通常用于建立固定实体与可移动实体之间的相关关系，这些固定实体如机器、暂存区、输送机，可移动实体如操作员、叉车、起重机等。对于中心端口之间的连接，按下“s”键的同时用鼠标从一个对象拖拉到另一个对象上，其它端口的连接，按下“a”键的同时用鼠标从一个对象拖拉到另一个对象上即可。

3.5 实验器/优化器设置

利用实验器（Experimenter）将实验过程中需要重点分析其对系统性能影响的因素设置为实验变量，一系列实验变量的取值组合构成一个实验场景，通过运行不同的实验场景，根据Dashboard实体对特定系统绩效指标的统计结果，分析不同的影响因素对系统性能的影响。在Flexsim中可以利用优化器（optimizer）对方案进行优化，使模型输出达到最优化，通过设置一系列优化变量，并定义目标函数以及约束条件，运行优化器就可以不断搜索模型优化变量的最佳配置，优化器对于变量的种类与数量没有限制。

3.6 结果分析

模型仿真结果通常以绩效指标的形式输出，可以是系统的成本、吞吐量、物料在系统中的滞留时间、机器设备的利用率或者线路的畅通率等，仿真结束后，系统会记录最优的一个或多个系统配置参数及其仿真过程输出结果，通过对这些结果的分析，确定系统相关变量之间的相关关系，并对系统的关键决策提供支持，比如：设备操作员的配置数量，存储货架的设置位置，设备的利用率，最佳的物料流程等。

4 虚拟环境下的物流管理专业实践环节建模仿真案例

下面以一个配送中心多种货物的出入库作业系统为例，介绍利用Flexsim建模仿真的全过程，并借助仿真结果对系统实施分析与优化。

4.1 系统描述，建立概念模型

配送中心以四种产品A，B，C以及D的大批量入库与零散出库为主要业务，物品由输送机送达仓库的入库口，再由AGV（Automated Guided Vehicle，自动导引运输车）小车转运至库区入库平台，由巷道式堆垛机完成入库作业；按照四种产品的订单，由WMS（Warehouse Management System，仓库管理系统）向堆垛机发出取货指令，堆垛机按照一定的出库策略将订单要求的物品从库区送至出库平台，再由AGV小车转运至出库输送链，输送至产品的出库暂存区域。按照上述描述，系统概念模型如图3所示。

4.2 Flexsim模型及参数设置

根据表1列出的Flexsim实体与系统元素的对应关系，可以建立图4所示的Flexsim仿真模型。

图3 配送中心的概念模型

系统参数设置如下：（1）四种产品按照交货时间以一定的批量到达配送中心，批量分别为A（50单位），B（30单位），C（30单位），D（25单位）；（2）产品订单的达到时间服从指数分布：exponential(0，120.0，0)，某一天的随机订单数据；（3）出入库输送机传输速度为：5m/s，（4）AGV小车最大运行速度为5m/s，加速度2m/s2；（5）堆垛机最大行走速度为5m/s，加速度2m/s2；（6）拣货暂存区容量为10个单位，货架容量不限；（7）订单打包机处理时间为10s。

4.3 仿真运行结果分析

通过分析表2的仿真统计结果，在当前的供应商供货量以及订单量的情况下，配送中心可以完成产品的储存与拣选发货任务。但入库传送带，入库平台1以及入库平台1产品的平均滞留时间较长，分析可知：因为立体库堆垛机1（33.75%+54.54%=98.29%）与堆垛机2（49.35%+50.62%=99.97%）几乎处于100%运行状态，导致入库平台出现堆积阻塞（入库平台1：95.57%，入库平台2：99.81%），从而AGV1与AGV2出现等待空闲73.79%与73.35%，间接导致入库传送带出现堆积等待，阻塞率达99.59%。

导致上述情况发生的瓶颈在于出入库作业堆垛机，由仿真模型的参数设置可知，配送中心库区的出入库作业均由速率一致的堆垛机完成，为减少系统运行过程中出现的停滞等待时间，可以考虑提高堆垛机的速率，做以下调整：将最大速度提高到8m/s，调整加（减）速度到100m/s2，得到结果见表3。

比较表2与表3，由于堆垛机作业参数的调整，原本的系统瓶颈问题得到缓解，此时入库传送带以及入库平台上产品的平均滞留时间大幅减少，各作业机械负荷趋向平衡，此时入库传送带的高阻塞率，主要是由于入库产品的批量过大引起的，此时，可在综合权衡库存成本与订购成本的基础上，选择合适的订购批量，既能满足订单需求又能保证较低的库存成本。综上，通过系统建模与仿真，可以发现系统的瓶颈所在，决策者可以从已有硬件的参数调整、调度策略以及货物的库位分配方式等方面考虑，充分发挥系统的整体效益，从而加快物资流通，让工作链从阻塞变为畅通，提高生产效益。

图4 配送中心的Flexsim仿真模型

表2 配送中心仿真运行统计结果

表3 参数调整后配送中心仿真运行统计结果

5 结论及展望

针对高校物流管理专业普遍存在的实践实训条件不足的问题，本文以虚拟仿真技术为手段，提出了利用软件模拟仿真进行物流系统各环节分析优化的思路，并以配送中心出入库作业的建模仿真，详细介绍了建模仿真的具体步骤以及结果分析，仿真结果可以为对配送中心的硬件配置、运作调度以及进货方式、订单处理策略等多个方面提供决策依据。借助虚拟仿真软件，建立物流系统的虚拟运作环境，通过仿真运行过程以及结果分析，激发学生应用创新性思维发现问题的积极性，并启发学生利用专业理论知识与方法有针对性地提出改善方案，达到培养学生创新实践能力的目标。

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Application of Virtual Simulation Technology in Practical Teaching:In the Case of Logistics Management Specialty of Huaihua University

Hou Shiwang
(School of Business,Huaihua University,Huaihua 418000,China)

In this paper,using the methodology of Flexsim modeling and simulation,we planned the content of the practical teaching of the logistics management specialty course,presented the fundamental line of thinking of the modeling and simulation and next,in connection with a specific case study,introduced in detail the procedure of the Flexsim modeling and simulation,the result of which could serve as the basis for the policy-making concerning the configuration,optimization and improvement of the logistics system.

practical teaching;logistics management;virtual technology

G642

A

1005-152X(2017)10-0169-06

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.10.034

2017-09-04

湖南省教育厅资助科研项目（16B208）；湖南省社会科学基金资助项目（16YBX018）；教育部人文社科研究青年项目（13YJC630049）；2017年怀化学院教学改革重点项目研究成果之一。

侯世旺（1978-），男，山西文水人，副教授，博士，硕士生导师，湖南大学博士后，主要研究方向：物流系统优化，工业工程、质量控制。