郵件處理中心工藝流程仿真技術(shù)應(yīng)用研究

摘要：通過介紹計算機仿真技術(shù)在郵件處理中心工藝流程設(shè)計過程中的設(shè)備選擇、布局規(guī)劃、存儲容量設(shè)計和生產(chǎn)調(diào)度等方面的應(yīng)用，指出了郵政物流系統(tǒng)仿真設(shè)計的步驟，同時結(jié)合深圳郵件處理中心工藝流程仿真設(shè)計總結(jié)了仿真設(shè)計過程中的幾項關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：計算機仿真；郵件處理中心；設(shè)計

中圖分類號：F618.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1002-3100(2008)05-0083-03

Abstract: The application on device selecting， layout designing， the capacity of saving area designing and work planning in the process of post-logistics dealing center designing was described in this paper. The steps of the simulation designing of material handling system have been given in this paper. Several key technologies of simulation designing have been presented in this paper.

Key words: computer simulation; post-logistics dealing center; designing

1概述

計算機仿真技術(shù)是采用一組能夠描述系統(tǒng)運動或運行過程的數(shù)學(xué)方式作為試驗?zāi)Ｐ停瑢⒃囼災(zāi)Ｐ头旁谟嬎銠C上進(jìn)行分析計算，從而得到系統(tǒng)的全部特性的一種研究方法。計算機仿真技術(shù)以計算機技術(shù)為工具，以實際的系統(tǒng)為建模依據(jù)進(jìn)行模擬試驗，大大提高了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的速度。近年來隨著計算機技術(shù)以及相關(guān)數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，計算機仿真技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，在設(shè)計行業(yè)中計算機仿真技術(shù)主要用于大型工程設(shè)計的方案優(yōu)化，從而提高設(shè)計質(zhì)量。

郵件處理中心在整個郵政功能鏈條中占有重要的地位，主要完成各種郵件的進(jìn)口接收、分揀封發(fā)、郵件發(fā)運等處理過程，是郵政實物傳遞中一個關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。

計算機仿真技術(shù)運用于郵件處理中心工藝方案設(shè)計，主要是以二維或三維方式模擬郵件處理中心內(nèi)部的運行狀況，從而更加科學(xué)地、直觀地分析設(shè)計方案的科學(xué)性和可行性。

2仿真技術(shù)在郵件處理中心設(shè)計中的應(yīng)用

郵件處理中心包括設(shè)備較多，工藝流程復(fù)雜，特別是在設(shè)計過程中需要考慮設(shè)備性能、設(shè)備成本、庫存容量、各部分的拓?fù)潢P(guān)系以及不同郵件種類的輕重緩急和作業(yè)調(diào)度等多方面的因素。采用計算機仿真技術(shù)是對郵件處理中心工藝流程設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化的一個有效手段。

2.1在設(shè)備選擇中的應(yīng)用。郵件處理中心的傳輸、分揀設(shè)備通常比較昂貴，利用計算機仿真技術(shù)可以綜合考慮設(shè)備的數(shù)量、處理能力、使用壽命和業(yè)務(wù)量等因素，使設(shè)計方案有效地降低投資成本。

利用計算機仿真技術(shù)可以把各種設(shè)備置于實際的工作流程當(dāng)中，設(shè)置設(shè)備的處理能力、平均日業(yè)務(wù)量、忙日業(yè)務(wù)量等參數(shù)來察看設(shè)備的利用率。在工藝流程設(shè)計當(dāng)中，各設(shè)備之間的匹配也是影響整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，比如供包機的供包速度和包件分揀機的處理速度如果不匹配會造成供包機的堵塞或者包件分揀機的空轉(zhuǎn)。計算機仿真可以把郵件處理中心的各個設(shè)備置于一個整體當(dāng)中，綜合考慮包括設(shè)備成本在內(nèi)的各種因素，尋求一個既能滿足要求又能有效降低建設(shè)成本的設(shè)備選擇方案。

2.2在布局規(guī)劃中的應(yīng)用。郵件處理中心是一個實物流動與存儲的空間，空間的布局是否合理也是影響整個系統(tǒng)的一個重要因素。不合理的布局可能會造成郵件運行距離較遠(yuǎn)、繞路太多等不良情況。在計算機仿真過程當(dāng)中孤立地考慮某一部分是沒有意義的，必須在系統(tǒng)的整體當(dāng)中來考察系統(tǒng)的某一部分的性能指標(biāo)，以及綜合各部分的性能指標(biāo)來考慮系統(tǒng)的整體性能。在布局規(guī)劃方面利用計算機仿真技術(shù)可以以三維動態(tài)模型的方式來規(guī)劃空間布局，設(shè)計出一個合理的空間布局方案。

2.3在存儲容量方面的應(yīng)用。郵件處理中心既是郵件的中轉(zhuǎn)地又是郵件的暫時存儲地，因此貨位存儲容量和位置規(guī)劃也是設(shè)計方案的一個重要方面。比如郵件的存儲，存儲區(qū)規(guī)劃不合適會造成存儲區(qū)不足或者空間的浪費；比如車位的數(shù)量，如果車位數(shù)量過少會影響進(jìn)口郵件的卸載或出口郵件的裝載，從而影響整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。

利用計算機仿真技術(shù)，可以靈活設(shè)置不同類型的存儲區(qū)、車位的容量和數(shù)量，在系統(tǒng)的整體中來考察存儲區(qū)的空間利用率和時間利用率，給出較為合理的存儲區(qū)規(guī)劃方案。

2.4在生產(chǎn)調(diào)度方面的應(yīng)用。郵件處理中心作業(yè)的啟動和終止都是靠郵件的狀態(tài)驅(qū)動的，但并不是來一個郵件就啟動一個作業(yè)，而是以批次為單位進(jìn)行處理的，因此郵件處理中心的作業(yè)批次安排也是很重要的。盡管每天的郵件處理業(yè)務(wù)量是一個隨機的數(shù)量，但是由長期的統(tǒng)計規(guī)律可以預(yù)測出某一段時期內(nèi)的日平均業(yè)務(wù)量和每日郵件數(shù)量在一天內(nèi)的分布規(guī)律。可見，生產(chǎn)調(diào)度關(guān)鍵是每天處理的批次數(shù)量和批次時間安排。

通過仿真技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度模擬，可以檢驗生產(chǎn)計劃的合理性，發(fā)現(xiàn)整個流程的可能瓶頸，從而合理地配置人力、物力等生產(chǎn)資源，制定科學(xué)的生產(chǎn)調(diào)度方案。

3郵件處理中心工藝流程仿真設(shè)計的步驟

計算機仿真主要包括仿真建模、仿真試驗和仿真結(jié)果分析三部分，在實際當(dāng)中往往是這三部分反復(fù)進(jìn)行，根據(jù)仿真結(jié)果修改仿真模型，然后再進(jìn)行模擬，反復(fù)試驗，從而有效地對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化。對郵件處理中心工藝流程進(jìn)行仿真設(shè)計通常按照如圖1所示的幾個步驟。

3.1問題描述。計算機仿真技術(shù)用模擬的方式解決設(shè)計當(dāng)中遇到的問題，因此需要對目標(biāo)問題清楚認(rèn)識，把握住關(guān)鍵，比如在設(shè)計郵件處理中心工藝流程時，分揀機的最大分揀能力達(dá)到什么速度才能滿足當(dāng)前和以后的業(yè)務(wù)量需求，系統(tǒng)中多少輛周轉(zhuǎn)車合理，如何合理地進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度等等。只有問題描述得清楚，建立模型時才有針對性，問題描述的清晰程度直接影響著仿真模型建立的準(zhǔn)確性。

3.2數(shù)據(jù)收集。收集數(shù)據(jù)的過程也是認(rèn)識和了解現(xiàn)實工程的過程，相關(guān)數(shù)據(jù)的精確性直接影響著仿真模型和現(xiàn)實系統(tǒng)的接近程度，從而影響著仿真結(jié)果的可信度。需要收集的數(shù)據(jù)包括可控的數(shù)據(jù)和不可控的數(shù)據(jù)。比如機器的分揀能力和傳送帶速度、郵運計劃和機器開機時間安排等屬于可控的數(shù)據(jù)；日常的平均業(yè)務(wù)量和忙月忙日的業(yè)務(wù)量、機器的平均無故障運行時間等屬于不可控的數(shù)據(jù)。對于不可控的數(shù)據(jù)，需要根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型表示。

3.3建立仿真模型。建立仿真模型是進(jìn)行仿真設(shè)計的關(guān)鍵部分，就是要把實際郵件處理中心內(nèi)的運作過程轉(zhuǎn)換為計算機能夠操作和表達(dá)的抽象模型。仿真建模一般包括實體建模和邏輯建模，實體建模以三維的形式表示系統(tǒng)的實體和布局，邏輯建模表達(dá)系統(tǒng)的邏輯運作流程。

3.4仿真試驗。仿真模型建立好之后，可以在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行試驗，模擬郵件處理中心一天、一個月、甚至一年或更長時間內(nèi)的運行狀況，并產(chǎn)生試驗數(shù)據(jù)。仿真試驗時，可以把系統(tǒng)中的可調(diào)因素（比如機器處理能力、傳送帶速度等）作為可變參數(shù)，把需要關(guān)注的指標(biāo)作為目標(biāo)參數(shù)（例如機器利用率，存儲區(qū)的空間和時間利用率等），反復(fù)進(jìn)行，觀察系統(tǒng)運行狀況。

3.5仿真結(jié)果分析。仿真結(jié)果分析是進(jìn)行工程設(shè)計優(yōu)化的重要參考，因為仿真模型是根據(jù)實際的工程流程建立起來的，只要模型建立得恰當(dāng)，能夠正確表達(dá)實際工程中的對象模型和邏輯流程，仿真結(jié)果就對工程設(shè)計具有重要的指導(dǎo)作用。仿真結(jié)果可以用數(shù)據(jù)表格、直方圖、餅狀圖、曲線等直觀的方式表示，為設(shè)計者提供科學(xué)的依據(jù)。

3.6仿真動畫制作。仿真動畫主要結(jié)合三維場景和仿真數(shù)據(jù)展示工程的工藝流程，給人以逼真的虛擬現(xiàn)實的效果，使設(shè)計方案形象生動地展現(xiàn)。仿真動畫可以通過視圖變換，物體跟蹤等多種方式局部或整體地展示工藝流程的過程和方案設(shè)計布局，多角度地展示設(shè)計方案。

4仿真設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)

目前，用于郵件處理中心和物流系統(tǒng)等比較成熟地三維仿真軟件包主要有AutoMod、ShowFlow以及Quest等。其中AutoMod仿真軟件包主要包括AutoMod、AutoView和AutoStat三個模塊，分別用于仿真模型的建立與運行、三維視圖的變換與控制、仿真結(jié)果的分析。本文結(jié)合用AutoMod對深圳郵件處理中心工藝流程的仿真設(shè)計介紹一下仿真設(shè)計過程中的幾個關(guān)鍵性技術(shù)。

4.1邏輯模型簡化。在仿真設(shè)計建立仿真模型的過程中，把現(xiàn)實系統(tǒng)的所有特征都在計算機上表示出來是不可能的，也是不必要的，只需要把影響優(yōu)化目標(biāo)的系統(tǒng)特征抽象出來進(jìn)行模型的建立。在用AutoMod做深圳郵件處理中心的仿真設(shè)計邏輯建模過程中，如圖2所示，采用了“黑盒子”的思想對系統(tǒng)進(jìn)行抽象和簡化。“黑盒子”思想只關(guān)注一個系統(tǒng)的輸入（包括可控輸入和非可控輸入）和輸出，不關(guān)心內(nèi)部的具體操作。“黑盒子”思想根據(jù)實際系統(tǒng)建立各種輸入因素的運算關(guān)系，產(chǎn)生目標(biāo)輸出，比如對于信函分揀機，可以把機器的分揀速度等作為輸入，把機器的利用率、每天的完成量等作為考察目標(biāo)。這種模型簡化的方法能夠?qū)ΜF(xiàn)實的系統(tǒng)進(jìn)行有效的簡化。

4.2概率函數(shù)選擇。在仿真模型建立的過程中，要使根據(jù)現(xiàn)實系統(tǒng)建立的計算機模型既簡單又能準(zhǔn)確地表示現(xiàn)實系統(tǒng)的特征，必須以科學(xué)的方式對現(xiàn)實模型進(jìn)行表達(dá)。在對郵件處理中心進(jìn)行建模的過程中，對于不確定的因素要用相對比較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)函數(shù)表示，比如在對深圳郵件處理中心工藝流程仿真設(shè)計的過程中，對于機器的分揀速度采用了如下的均勻分布概率密度函數(shù)，表示每分揀一個信盒所需要的時間在區(qū)間a，b內(nèi)均勻分布：

unifpdfx，a，b=

對于分揀機故障出現(xiàn)的概率采用泊松分布表示，假設(shè)機器在時間為t的時間內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù)Nt服從如下的柏松分布：

對于系統(tǒng)中不同的對象，建立邏輯模型時，要盡量采用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型表達(dá)出對象的特征，只有進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)抽象才能建立起有效的仿真模型。

4.3三維模型建立。郵件處理中心工藝流程的仿真模型包括實體模型和邏輯模型，其中實體模型主要是把系統(tǒng)中的對象進(jìn)行三維實體建模，以三維圖形的形式在計算機中表示出來，AutoMod本身帶有三維模型繪圖工具，但是建立模型的方便性和其他專門的繪圖工具比較起來還有一定的差距，對于比較復(fù)雜的三維模型繪圖比較困難。建立模型時可以借助專門的繪圖工具進(jìn)行繪圖，然后轉(zhuǎn)化為AutoMod的圖形格式，實現(xiàn)幾何形狀較為復(fù)雜三維模型的建立。在用AutoMod設(shè)計深圳郵件處理中心的工藝模型的時候，對于比較簡單的三維模型采用了AutoMod自帶的建模工具進(jìn)行建模，對于比較復(fù)雜模型采用了CAXA進(jìn)行圖形建模，然后進(jìn)行圖形格式轉(zhuǎn)換而成。圖3是用AutoMod制作的郵件處理中心中典型的設(shè)備模型。

4.4數(shù)據(jù)分析方法。在仿真設(shè)計過程中，數(shù)據(jù)分析是重要的一個環(huán)節(jié)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果修改模型中的參數(shù)，進(jìn)行反復(fù)模擬，從而找出較優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)，有效地對工藝流程的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

在深圳郵件處理中心工藝流程仿真設(shè)計過程中，運用了AutoMod軟件包的AutoStat模塊對仿真模型進(jìn)行了優(yōu)化分析。在優(yōu)化過程中關(guān)鍵是提出自己的優(yōu)化目標(biāo)，并且找出可能影響優(yōu)化目標(biāo)的各個參數(shù)，然后選擇好遞增步長進(jìn)行反復(fù)計算，從而找出達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)的合適參數(shù)作為設(shè)計的科學(xué)依據(jù)。

4.5高質(zhì)量動畫制作。在設(shè)計過程中，高質(zhì)量的動畫是展示工藝流程設(shè)計方案的重要手段，其可以把工藝方案以真三維的形式展現(xiàn)出來。欲使制作的動畫既流暢又能有效地展示設(shè)計方案，關(guān)鍵要注意以下幾點：

4.5.1選擇關(guān)鍵的視圖，其應(yīng)該能夠展現(xiàn)工藝流程的關(guān)鍵部分；

4.5.2對于工藝流程中的關(guān)鍵部分，變換步長可以小些，可以詳細(xì)展現(xiàn)，對其他部分可以設(shè)置較長變換步長，這樣可以有效地表達(dá)設(shè)計方案；

4.5.3對系統(tǒng)中具有代表性的實體進(jìn)行全程跟蹤，具體觀察該類實體在系統(tǒng)中的全程運動路線和狀態(tài)；

4.5.4選擇合適的壓縮格式和每秒動畫的幀數(shù)，使錄制的動畫既能有效表達(dá)工藝流程又不使錄制的動畫文件太大。

在深圳郵件處理中心工藝流程仿真設(shè)計過程中運用了AutoMod軟件包的AutoView模塊，以腳本編程的方式錄制了動畫，有效地展現(xiàn)了工藝流程的設(shè)計方案。

5結(jié)論

在郵件處理中心設(shè)計過程中運用仿真技術(shù)有助于提高設(shè)計過程中參數(shù)選擇的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，可以給優(yōu)化設(shè)計方案提供科學(xué)的依據(jù)。我們在深圳郵件處理中心的設(shè)計當(dāng)中運用了仿真技術(shù)，大大提高了設(shè)備選擇的科學(xué)性，空間布局的合理性，作業(yè)計劃的高效性，優(yōu)化了設(shè)計方案，提高了設(shè)計質(zhì)量。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。