基于eM-Plant 的異型煙分揀系統仿真技術應用＊

蒲睿強，吳封斌，王 璐，岳洪吉

（1.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學計算機科學與技術學院，貴州 貴陽 550025；3.貴州省煙草公司貴陽市公司，貴州 貴陽 550002）

煙草物流行業的發展正在由相對落后的半自動化分揀向先進的全自動高速分揀轉變，需要軟件和硬件設備方面同時創新。在標準煙自動化分揀領域，中國已經基本達到國際領先水平，但因為異型煙的“外形之異”，且品種規格眾多，對基于傳統卷煙設計的分揀設備而言，異型煙分揀的難點亟需解決[1]。同時異型煙銷量的崛起必然要推動其物流設備自動化的發展，但異型煙分揀多品種、小批量的特點會表現得越來越明顯，同時分揀需求越來越大，目前有公司已經研發出柔性分揀設備，可以在高效率處理的情況下同時分揀異型煙，而計算機仿真在此異型煙分揀系統中有很大的應用價值和發展空間[2-3]。

1 系統仿真技術

計算機模擬仿真是一種模型實際運行的仿真實驗，能夠顯示該調查系統相關要素的變化情況，模擬系統的狀態和時間的變動規律，其中，模擬實際情況的系統模型運行狀態是核心過程。在計算機仿真中，包括系統、模型和計算機三大要素[4]，三者關系如圖1所示。

圖1 三大要素關系

煙草分揀系統的不同狀態變化一般在離散事件點，而且這些離散事件點一般是不確定的，而且數學模型很難利用數學公式來表現。此煙草分揀系統屬于離散事件。

建立離散事件系統的仿真模型的目標是要建立與系統數學模型有同構或同態關系的模型，同時在計算機上運行良好。同樣的仿真精度下，采用混合時間推進機制的效率高于采用固定步長時間推進機制的效率。由于離散事件系統是隨著時間離散變化的，因此采用混合時間推進機制。

離散事件系統要轉換為計算機仿真模型，首先要分析其仿真策略，選取仿真模型的控制邏輯和仿真時鐘推進機制。仿真模型的本質是仿真策略，不僅是仿真模型的核心內容，也決定了仿真模型的結構模式。

離散事件系統有以下3 種基本仿真策略：①事件調度法（Event Schedule，ES）。事件調度法由蘭德公司在1963 年提出，在美國被廣泛采用。它是一個面向事件的方法，首先通過定義事件，按照一定時間順序對事件進行處理。②活動掃描法（Activity Scanning，AS）。活動掃描法的基本思想是以各主體時間要素的最小單位來推進仿真時鐘，同時優先激活對應實體，以測試通過的事件，并通過更改系統狀態確定相關事件發生的時間。③進程交互法（Process Ⅰnteraction，PⅠ）。過程交互法作用的基本思想是通過整個過程中時間值最小的無條件延遲恢復點來推進仿真時鐘。當時鐘前進到新的時間點后，如果某個實體在進行中解除鎖定狀態，則該實體將從當前的恢復節點前進到下一個延遲節點。最終在此次煙草分揀系統仿真中選擇活動掃描法。按照優先激活實體的活動，掃描最早事件，實行內部處理事件條件。

2 eM-Plant 簡介

eM-Plant 是由以色列公司Tecnomatix 搭建的物流、工廠、生產軟件工具，也稱為SⅠMPLE。此工具適用于離散式系統建模和模擬分析。在面向對象的技術中，可以生成系統外部和內部的供應鏈、生產資源以及與生產和經營過程相關的環節，可以建立所有鏈接的結構合理的階層模型。

eM-Plant 專用于項目研發規劃、物流仿真優化、工藝生產系統的模擬，在這些方面都有極為優秀的實用性和創新性。

對象導向仿真軟件和常見程序語言的差別在于面對對象式仿真軟件提供了一些具有屬性（attribute）及操作方法（operation）的基本組件，除非此組件提供的屬性或操作方法不正確，否則不需要重新定義和設計組件。

另外，為了用程序語言模擬模型的構筑，有必要定義模擬系統的對象、等級、屬性、操作方法，在設計后可以重復利用。不同的面向對象，模擬軟件和模擬語言能提供不同的基本組件，在應用程序組件分析和設計階段創建的結構圖和行為圖也存在差異。

3 基于eM-Plant 的異型煙分揀作業仿真模型

3.1 仿真原型及目標

仿真針對某大型煙草配送中心，該異型煙分揀系統位于分揀平面，含三層子線分揀處理模式。

配置：1 套件煙補貨線、2 套劃箱機、4 套開箱機、4 套自動補貨小車、72 個臥式機、72 個立式機、40 個電子標簽（用于分揀不進煙倉的特異型煙或極小品規標準卷煙）、2 套精準識別系統、2 套打碼機、2 套標異一體包裝機、2 套自動貼標機、多層復合子線、1 套空箱回收線；2 臺包裝機，利用剛性吸盤高效碼垛，4組吸盤可以根據條煙寬度、厚度自動調整；2 臺高速柔性核數機構，用于分揀合流、包裝前段的核數識別；與雙層、三層煙倉相比，四層子線分揀短煙倉排放長度使煙倉排布更為集中，減小了分揀線的占地面積，縮短了補貨路徑。

本次仿真的目標是通過模擬現有設計方案[5]，找出限制分揀效率的瓶頸，提升煙草分揀效率，為煙草配送中心的流程優化提供依據。

通過對該煙草企業物流分揀系統方面的仿真，改進設計方案，研究提升柔性煙草系統分揀效率的方法，降低分揀流程故障率，提升設備利用率[6-8]。首先，對現有方案設計煙草分揀系統進行模擬仿真，了解各個子系統工序在運行中的狀態以及分揀過程中煙草流動情況。觀察運行中的真實情景，對仿真結束后得到的數據輸出文件加以分析。然后，通過對現有方案的優化改進，改良現有仿真模型，再次進行模擬仿真，從而達到效率更高、成本更低、利用率更高的目標。

3.2 eM-Plant 仿真建模

此異型煙自動化分揀系統按作業性質的不同，從總體上可以分為幾大功能區域，包括分揀區、合單區、碼垛區、包裝區等。其中分揀區最能體現客戶訂單數據拆分優化的合理性，是驗證已優化訂單合理性的關鍵。合單區包含多層傳送帶，能夠匯總輸送進碼垛區域，在此過程中應該遵循同步傳送、數量平均的原則[9]。碼垛區的機械結構設計是限制異型煙分揀的關鍵結構。在整個環節中，系統依據每個實體的屬性來識別、調用進行操作。

基于以上設計，對異型煙分揀系統內部實體元素進行定義，如表1 所示，并建立了如圖2 所示的異型煙分揀線模型圖。

圖2 分揀系統仿真模型

表1 實體元素定義

進行仿真驗證前，結合煙草分揀系統的分揀策略，運用專門的訂單優化軟件進行了訂單數據優化。選取一天的生產數據，持續運行仿真模型，并利用仿真軟件提供的功能對子系統的運行狀態進行觀察[10]。

根據柔性分揀方案建立初步的eM-Plant 仿真模型。首先將方案中的設備性能和控制方法轉化為模型中的實體設定與參數設置；然后把分割的訂單數據輸入已經建立的仿真模型，運行此柔性煙草分揀系統，得到輸出結果和設備的狀態[11]；最后發現方案設計存在的主要問題，并對優化自動化分揀系統提供可改善的措施。結果表明，通過對某煙草物流中心獲得的實際銷售數據進行仿真試驗，模型仿真鐘取時間單位為l s，運行15×60×60=54 000 仿真時間單位，仿真結果如表2 所示。

表2 分揀效率統計表

4 應用效果

研究了基于Tecnomatix Plant Simulation 平臺的異型煙仿真建模方法，針對某煙草配送中心進行模型分析，重點研究了分揀系統中的分揀機構、合單機構、碼垛機構，分別從系統分析、設備選取、參數設計、數據處理、流程優化等方面建立仿真模型，為生產線的裝配提供有力的設計依據，減少了降低效率問題出現的可能性[12]。通過仿真可得到某大型煙草配送中心設計方案的準確分揀效率，為數字化煙草分揀系統的設計優化提供決策的依據。