Witness仿真軟件在物流專業(yè)教學中的應用

李亞利

北京聯(lián)合大學生物化學工程學院 北京 100023

物流管理專業(yè)在高校已經(jīng)經(jīng)歷6～10年的發(fā)展，無論從理論教學還是實訓實操方面都取得了很大提高。但是隨著國家和企業(yè)物流設(shè)備與技術(shù)的日益發(fā)展，高校物流管理專業(yè)在實際教學過程中也存在各種問題。第一，傳統(tǒng)的理論教學，學生不能置身在真實的環(huán)境中，失去主動思考和學習興趣。第二，學生學的理論知識太落后，跟實際的物流應用脫軌；有些知識又是從國外引進，跟國內(nèi)的情況不相符。第三，只是講解大家都知道的案例，不能提供企業(yè)中真實發(fā)生的案例。第四，學生很少有實驗實訓基地或者真實的企業(yè)環(huán)境中的學習和實操經(jīng)歷，學生走入社會還要重新學習新的知識。因此，如何提高實踐教學質(zhì)量，全面培養(yǎng)學生的綜合能力，顯得尤為重要。

1 Witness仿真軟件簡介

Witness是由英國Lanner公司推出的功能強大的仿真軟件系統(tǒng)。Witness仿真軟件主要應用在流程仿真，如零部件生產(chǎn)加工模擬、排隊倒班機、統(tǒng)計分布、離散事件的模擬。Witness內(nèi)置Part，Machine，Buffer，Labor，Transport，Liquid，Pipe，Tank，Proccesor等30多種部件，同時可以設(shè)置機器故障和修復時間，通過其內(nèi)置的仿真引擎，可快速進行模型運行仿真，展示流程的運行規(guī)律。Witness是采用面向?qū)ο蟮慕C制，還可以建立和描述自己的模型和行為，用戶可以自己定義復雜的RULE或者公用的函數(shù)(或用戶自定義函數(shù))實現(xiàn)復雜的行為。Witness可以與外部數(shù)據(jù)(Excel ODBC)相連接，同時也可以導入自己定義的圖形。Witness可以通過動態(tài)模擬，根據(jù)不同階段的仿真結(jié)果，隨時修改模型中的參數(shù)和部件，得到最佳的解決方案。

Witness Optimizer優(yōu)化模塊通過先進的優(yōu)化算法計算出仿真模型最優(yōu)的解決方案。在Witness Optimizer里可以設(shè)定自己的模型考核指標，設(shè)定系統(tǒng)控制參數(shù)的取值大小和約束條件。計算出來的實驗結(jié)果用圖表的形式顯示給決策者，該模塊可以有效地幫助建模者和決策者優(yōu)化、改善績效指標。任何在Witness里建立的模型都可以使用Witness OPT進行優(yōu)化，Witness OPT也是界面化模塊，它可以跟Witness軟件無縫結(jié)合，集成后可以在Witness的菜單中直接調(diào)用。

Witness OPT提供了豐富的實驗設(shè)計報表選項、標準函數(shù)的定義、算法終止條件設(shè)定、隨機流設(shè)定、仿真時間長度設(shè)計、控制變量取值和約束設(shè)計、優(yōu)化算法選擇。這些都可以應用于實際生產(chǎn)運作的績效指標、服務(wù)水平、產(chǎn)出率或者利潤率，給決策者提供豐富的報表。

Witness VR現(xiàn)實虛擬模塊集成了先進的仿真技術(shù)和3D圖形顯示效果，Witness二維的流程仿真模塊可以快速地生成具有真實比例縮放尺寸的生產(chǎn)場景，可以實現(xiàn)逼真的仿真效果。在Witness VR先進的仿真引擎驅(qū)動下，模型中生產(chǎn)部件和生產(chǎn)機器，根據(jù)系統(tǒng)布局設(shè)計運動流程在三維場景中實時運動，從而實現(xiàn)跟真實場景中生產(chǎn)運作過程一樣的效果。

Witness Documentor是Lanner集團開發(fā)出來的一個集成插件模塊，它是一個非常有用的報表工具，用它可以創(chuàng)建模型邏輯、模型細節(jié)和模型結(jié)構(gòu)等一系列定制化的報表。Witness Documentor可以創(chuàng)建跟模型相關(guān)的各式各樣的報表，這些報表可以包括元素的名稱和類型、設(shè)備故障和調(diào)整細節(jié)、物料信息流、運動和生產(chǎn)活動。報表存儲格式為.rft，這種格式方便很多文字處理軟件編輯加工。

2 Witness仿真實例的應用

Witness提供了直觀的流程運行的動態(tài)的動畫展示，使用戶清楚和直觀地了解系統(tǒng)的運行過程，通過其Quick3D功能，可快速生成系統(tǒng)模型元素的三維立體表示，可展示系統(tǒng)模型在三維空間的運行效果。通過圖表的統(tǒng)計報告，可以迅速對運行結(jié)果做出分析和對比，給出最佳的解決方案。

2.1 Witness銀行ATM機和柜臺流程業(yè)務(wù)的模擬

(1)建模背景：多隊列多服務(wù)排隊系統(tǒng)是排隊系統(tǒng)中最典型的形式，以其為案例進行Witness建模與仿真過程。排隊系統(tǒng)是生產(chǎn)系統(tǒng)中一類主要離散事件系統(tǒng)，在生活中很常見，如火車、飛機安檢排隊系統(tǒng)，銀行排隊系統(tǒng)，理發(fā)排隊系統(tǒng)。與連續(xù)系統(tǒng)仿真相比，此系統(tǒng)模型描述復雜、概念抽象，而且短時間內(nèi)不容易找到問題和解決方案。筆者就Witness對銀行ATM機和柜臺流程業(yè)務(wù)進行模擬。

(2)顧客ATM機和柜臺流程業(yè)務(wù)符合泊松分布，它有如下特征：①顧客到銀行ATM機或者去柜臺都是隨機的。②符合Witness里的先進先出規(guī)則，如果前面有人在排隊處理業(yè)務(wù)，后面的需要等待。③柜臺業(yè)務(wù)人員和ATM機對人員的處理都是隨機的，需要用到屬性來定義。④顧客隨機選擇人數(shù)最少的隊伍排隊并且辦理業(yè)務(wù)。

(3)Witness布局及參數(shù)設(shè)置。設(shè)銀行ATM機和柜臺流程業(yè)務(wù)系統(tǒng)有ATM機、大堂經(jīng)理、咨詢?nèi)藛T、顧客、柜臺人員，在仿真系統(tǒng)中用到的部件用Machine，Labor，Path，Shift，Attribute，Part來表示。Machine的處理時間要用到Attribute的數(shù)值*數(shù)值(根據(jù)業(yè)務(wù)復雜程度給予不同數(shù)值)，每個服務(wù)臺前配備一個柜臺人員，顧客以泊松分布的方式到ATM機及柜臺前處理業(yè)務(wù)，Witness可以單步(或者自己定義時間)顯示上班前顧客到ATM機前辦理業(yè)務(wù)，銀行正常營業(yè)后顧客可以到ATM機和柜臺前辦理。

(4)仿真模型的運行結(jié)果及其分析。仿真時鐘為6 000，分析兩種情況進行對比：第一種情況：1臺ATM，5個柜臺人員；第二種情況： 2臺ATM，3個柜臺人員(如圖1所示)。

圖1

從圖1可以看出，ATM 機和業(yè)務(wù)處理人員都存在很大的空閑，這樣管理者可以很好地做出決策，第一種可以增加業(yè)務(wù)類型，充分利用業(yè)務(wù)人員和ATM機，第二種可以減少業(yè)務(wù)人員和ATM機，減少開支。

2.2 Witness生產(chǎn)和組裝流程模擬

(1)建模背景：ACME閥門制造公司出現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備陳舊化和混亂的生產(chǎn)計劃，每75小時只能生產(chǎn)120～160個閥門。生產(chǎn)訂單嚴重積壓。公司經(jīng)理發(fā)現(xiàn)這個問題，他不能容忍這樣的情況繼續(xù)下去，如果這種情況持續(xù)2個月，公司將面臨倒閉。于是公司決策層給出了改善現(xiàn)狀的費用投資清單。根據(jù)這個情況，用Witness模擬現(xiàn)實生產(chǎn)的整個模型，最后給出解決方案。

(2)系統(tǒng)特性：①生產(chǎn)A類型產(chǎn)品，每生產(chǎn)40個產(chǎn)品需要換刀具，生產(chǎn)B類型產(chǎn)品，每生產(chǎn)30個需要換刀具。②每生產(chǎn)1 000小時會有機器故障，修復時間需要10～15分鐘。③每4個產(chǎn)品可以放在一個箱子里，如果不夠4個產(chǎn)品，不能裝箱。④所有的生產(chǎn)設(shè)備可以設(shè)置單位時間生產(chǎn)或者處理的數(shù)量；傳送帶單位時間內(nèi)傳送的個數(shù)。

(3)Witness布局及參數(shù)設(shè)置。有6個Machine，分別是Saw用來切割，Coater用來鍍漆，Inspect用來過濾不合格產(chǎn)品，Load用來組裝產(chǎn)品，Upload用來傳送組裝設(shè)備，6個Buffur分別表示成品和未成品存放的倉庫和容量, 傳送帶分別代表著傳送產(chǎn)品的速度。

主要參數(shù)(見表1)：

表1

模型布局(如圖2所示)：

圖2

(4)仿真模型的運行結(jié)果及其分析。仿真時鐘為6 000，分析兩種情況。第一種情況：1臺Inspect；第二種情況： 2臺Inspect(如圖3所示)。

圖3

通過對比發(fā)現(xiàn)，只有一個Inspect Machine時，機器一直處于忙的狀態(tài)和調(diào)整狀態(tài)，而Load一直處在等待狀態(tài)；增加一個Inspect Machine后，雖然有些改善，但是Load大部分時間還是在等待狀態(tài)。所以增加Inspect的數(shù)量基本不能解決問題，但是我們可以改變Coater和 Inspect的處理時間來提高生產(chǎn)效率。

2.3 Witness在牛奶生產(chǎn)中的應用

(1)建模背景。某企業(yè)要建設(shè)一個生產(chǎn)牛奶和奶油的工廠，由于市場價格競爭和低利潤差額，企業(yè)要充分了解投產(chǎn)后達到的水平，才可以達到生產(chǎn)最大化和利潤最大化。企業(yè)有前期投資預算，而且了解各個設(shè)備所需要的價格，同時通過詳細調(diào)研報告知道每天收購牛奶的數(shù)量。現(xiàn)在要規(guī)劃設(shè)備布局以及如何在費用投入最小的情況下達到生產(chǎn)的最大化。

(2)系統(tǒng)特征。①每天庫存的牛奶數(shù)量不能超過生產(chǎn)的最大值。②在模型中需要有牛奶除水設(shè)備；分離牛奶和奶油的裝置；分離后存儲牛奶裝置和奶油裝置；分離后生產(chǎn)包裝牛奶的裝置；分離后生產(chǎn)包裝奶油裝置；貨架裝置(可以組裝牛奶和奶油，然后放到成品庫存里)。③所有的容器(生產(chǎn)設(shè)備和分離設(shè)備、庫存)都有容量的限制。④生產(chǎn)加工設(shè)備都有產(chǎn)出時間的規(guī)定。⑤成品打包后的牛奶或者奶油組裝入庫時，在組裝貨架沒有滿的情況下，成品打包后的牛奶或者奶油不能組裝，直到正在組裝的牛奶或者奶油裝滿貨架后才能處理下一批次的牛奶或者奶油(根據(jù)奶油或者牛奶成品數(shù)量來決定)。

(3)系統(tǒng)參數(shù)。生產(chǎn)牛奶跟一般生產(chǎn)流程布局設(shè)置用的部件不一樣，這個模型需要動態(tài)地顯示液態(tài)的部件，如Liquid，Tank，Proccesor，Pipe，這些部件主要用在液態(tài)流體方面。模塊里有3個Tank部件，用來表示存儲最初的牛奶、分離后的牛奶、分離后的奶油的裝置。1個Proccesor用來分離牛奶和奶油。3個Pipe部件分別用來表示和存貯裝置有關(guān)的部件。3個Liquid部件，分別表示最初的牛奶、分離后的奶油和牛奶液體。2個Machine分別用來表示成品牛奶打包裝置和成品奶油打包裝置(見表2)。

表2

Separation RECIPE PARALLEL TransferMilk VOLUME (80.0)RATE (10.0),TransferCream VOLUME (20.0)RATE (10.0)除水后的牛奶到分離裝置后有80%用來生產(chǎn)牛奶，有20%用來生產(chǎn)奶油。而且生產(chǎn)出來的牛奶和奶油都有10%的水分需要去除100.0升TransferFreshMilk 無管道里液體速度是10，跟分離裝置相連接無Transfer MilkMilk eparation.TransferMilk無管道里液體速度是10，跟分離后牛奶裝置相連接無MilkSeparation.MilkSeparation.TransferCream無管道里液體速度是10，跟分離后奶油裝置相連接無MilkSeparation.MilkVat 無 只是用來存儲分離后的牛奶 160.0升MilkSeparation.CreamVat 無 只是用來存儲分離后的奶油 40.0 升FillAndPackaging IF N ＜= 4 LENGTH = 0.5 * N WIDTH = 0.22 * N ELSE LENGTH = 0.5* (N - 4)WIDTH = 0.39 *(N - 4)ENDIF如果庫存數(shù)量小于等于4，生產(chǎn)牛奶的規(guī)格不同，如果超過4，生產(chǎn)的規(guī)格又是另一種樣式無

圖4

模型布局(如圖4所示)：(4)仿真模型的運行結(jié)果及其分析。仿真時鐘為

8 000分鐘，分析兩種情況。一種情況是6臺牛奶裝置，1臺奶油裝置，Cream的容量是 40升，Milk裝置的容量改為160升。另一種情況是6臺牛奶裝置，1臺奶油裝置，Cream的容量改為60升，Milk裝置的容量改為260 升(見表3和表4)。

表3 第一種情況的統(tǒng)計報表

表4 第二種情況統(tǒng)計的報表

通過統(tǒng)計報表不難發(fā)現(xiàn)，機器的工作時間跟容器的儲量幾乎沒有關(guān)系，通過增加容量不能提高產(chǎn)出量。分析奶油容量在40升和奶油容量在60升的情況下奶油的產(chǎn)量和機器工作空閑時間是一樣的，沒有提升奶油產(chǎn)出量。牛奶的產(chǎn)出量同樣存在這個問題，牛奶存儲量由160升增加到260升，產(chǎn)出量同樣沒有提升，這時就需要考慮增加機器的加工速度或者產(chǎn)品裝卸的速度以提高最大產(chǎn)出量。可以通過Witness改變各種參數(shù)和設(shè)備的數(shù)量來模擬產(chǎn)出量，從而達到產(chǎn)品最大化和最優(yōu)的解決方案。

3 結(jié)束語

通過Witness仿真軟件，可以模擬復雜的真實生產(chǎn)和生活實例，通過圖形分析找到實例中的瓶頸，然后找到最優(yōu)的解決方案。Witness可以用2D和3D的圖形效果，生動形象地展示整個流程的動態(tài)效果，大大提高了教師的信息化教學水平，增加了學生對所學課程的興趣和動手能力，從而獲取更多的信息技術(shù)操作能力。

[1] 陸傳責.排隊論[M].北京:北京郵電學院出版社,1994.

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