现代包装印刷生产物流系统建模与仿真

王小慧，杜艳平，张文姣，杨源鑫，张 媛

（北京印刷学院 机电工程学院，北京 102600）

现代包装印刷生产物流系统建模与仿真

王小慧，杜艳平，张文姣，杨源鑫，张 媛

（北京印刷学院 机电工程学院，北京 102600）

首先应用AnyLogic软件中的方法对简要的现代生产物流系统的生产工艺流程图和生产布局图进行仿真；其次通过改变系统中所涉及参数的值观察系统的变化，研究系统的参数对流程的影响；最后经过M公司的相关专业技术人员对结果进行观察，得出该模型的结果符合实际。

包装印刷；生产物流系统；混合模型；参数

1 引言

目前“工业4.0”已经成为各行各业的话题，作为中国排位前15的包装印刷工业，受到新的工业革命浪潮的推动。关国平指出包装印刷企业的两条发展线，即：智能工厂、智能制造[1]。建立现代包装印刷生产物流系统不仅减少了在包装工序中的劳动力和劳动强度，而且也减少了在整个包装生产物流系统中工人的职业病发病率（比如：由于长期的重复动作或者一些低温条件的工作，工人容易患上关节炎等症状），同时也提高工厂的生产效益等。

目前，国内外研究者对相关情况做过研究，文献[2]运用解释结构模型法（ISM）和层次分析法（AHP）构建了卷烟生产物流系统的优化模型。文献[3]借助计算机辅助工艺过程设计（CAPP）思想，设计出类似生产工艺卡片指导工艺过程的物流卡，用于指导企业生产运作过程中生产物流系统的管理和控制。文献[4]对精益物流系统进行了深入的研究，文献[5]将Witness仿真技术应用到汽车零件生产物流系统中，提出了优化方案提高了生产效益等。前人的研究主要集中在生产物流系统的管理、系统某一环节的优化和仿真等方面，并没有对整个生产物流系统的进行仿真及对环节中参数的改变后对系统产生的影响进行研究。因此，本文依据包装印刷的生产工艺流程、布局图等基本要素，应用AnyLogic软件中的三种建模方法，设计该实验室自动化包装印刷生产物流系统的模型，并进行模型仿真，并分析通过对某一环节中的参数值的变化，观察对系统中日产量函数及相关设备使用率等因素的影响。

2 现代印刷包装生产物流系统

国家标准GB4122.1-2008给出的包装定义为：为在流通过程中保护产品，方便储运，促进销售，按一定技术方法而采用的容器、材料及辅助物等的总体名称。与传统的包装不同，现包装不仅用于保护商品，而且也用于美化、介绍、宣传商品和方便流通等。实现这些功能的最重要技术就是包装印刷技术。包装印刷是指以包装材料、包装制品、标签等为承印物的印刷，是以美化、介绍、宣传商品为主要目的而采用的印刷方式和印后加工处理技术[6]。包装印刷是印刷技术领域的一个分支，属于特种印刷范畴，是在一般印刷技术的基础上发展起来的一种新的印刷工业体系。包装设计的最后工序是印刷和后期的加工工艺，是包装由设计方案变为实物的最为重要的环节，同时也使得包装印刷生产物流系统的生产工艺和生产布局图成为模拟和仿真的关键因素。

通过对M公司的生产工艺流程与车间的布局进行相关的分析与调研，简化设计出该生产物流系统的工艺布局图，如图1所示。

图1 M公司简化的设施布局图

简化后的布局图的特点是没有将环节的设备进行分区，物流量的流向（也即产品的生产过程）在该布局图中用箭头表示，即：①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧，箭头的末端和起点均为一个生产工艺环节，相应的生产物流系统的工艺流程为：生产工艺流程，原材料供应流程，包装印刷工艺流程，半成品检验流程，表面处理工艺流程，模切工艺流程，成品清废及检验工艺流程，成品打包装箱工艺流程，成品入库工艺流程等。

3 现代包装印刷生产物流系统的模型

根据生产工艺和生产布局图，将生产物流系统分为管理和设备两大部分，设计出实验室自动化印刷包装生产物流系统。其中管理是指任务的接收、加工工艺、生产任务的调度、相关设备的运行状态的提取与改进、设备的运行管理；设备包括AGV、印刷机、打包机、糊盒机、装卸机器人和机器臂、仓库、缓冲区等。采用现代仿真技术AnyLogic中的三种建模方法进行模拟和仿真，相关内容可参考文献[7]。

3.1 模型的假设

由于设计该系统平台的目的是为了研究现代生产物流系统实现后，系统参数对系统的影响作用，主要是对系统的日产量及设备使用率等的影响分析，故对系统做如下假设：

（1）由于系统中每一个Agent都有相关的参数、时间、变量等，导致整个设计系统的参数很多。因此选出主要参数进行分析，本文选择影响物流量的最基本的因素，即P（Products）、Q（Quantity）、R（Routing）、S（Service）、T（Time）、S（Speed）[9]。

（2）成品均为正品，在生产的各个工序中不存在残次品或者废品及废料等情况；

（3）实验室设备的生产情况或者能力基本一致，不出现故障或者产品滞留等情况；

3.2 模型的建立

该生产物流系统模型的建立分为三大步，分别简介如下：

第一步：建立各环节的Agent及各Agent的参数、变量等

在整个生产物流过程中，有原材料供应Agent、印刷机印刷Agent、半产品检验Agent、表面处理Agent、模切Agent、糊盒Agent、打包Agent、AGVA-gent等智能体的建立。由于篇幅所限，这里给出系统中部分Agent的设计。

图2 原材料补给系统动力学图及参数

工作原理是：通过触发事件提供原材料纸和原材料油墨实现纸张和油墨的供应，到达印刷机器后，开始产品的印刷，一定时间后，通过事件到达原材料纸和到达原材料油墨对原材料进行补给作业，同时通过变量纸张大小和油墨用量对循环流程进行控制，见表1。

表1 相应参数类型及值

图3 模切过程的工作流程图及控制变量参数

模切的工作原理：已被检验后的半成品在等待一段时间之后，待半成品到达模具位置时，模具开始模切作业，半成品成为有形状包装产品并进入下一道工序，而模切复位等待下一个半成品的到来，该状态是一个循环过程。所涉及的部分参数值见表2。

（3）其他的Agent。在调度的时候产生的Agent有：AdditionalTraverse、BackoriginalTiltTable、LiftingCrane、MutltifunctionalCrane、PackageTraverse、TiltCrane、Traverse、Unloading、UnloadingCrane.等实现产品的连续生产。

第二步：主函数Main的设计。Main是控制整个流程的运行，是将前面设计的所有智能体联系起来的关键界面，设计该Main从以下两个方面：

表2 模切模块的参数和变量

（1）生产工艺流程图及部分参数和变量如图4所示。设计Main函数的目的是将系统中所有模块进行连接，依据图1箭头所示的方向实现物流量的移动。如果要建立系统中Agent之间的交流，就需要设置Main函数的参数、变量、函数、Java语言等参数，进而实现各Agent之间信息和数据的传递，见表3。

图4 生产工艺流程图及部分参数和变量

表3 主函数Main的参数和变量

数据集（states、datasetCakesInProcess、datasetPrintEn、data-setOutput）是用来显示观察整个系统的智能体的运行状态及包装产品的印刷量、输出量等。统计（statisticsDowntime，statisticsTimewaitForNextService、statisticsDowntimeCut、taskWaiting-Time等）是用来了解系统的隐形参数，比如：生产中的纸的存储量，AGV小车的使用量等。

第三步：相关数据的设计。数据的作用是便于分析系统的运行情况及收集运行过程产生的数据，设计者可以依据实验产生的数据对系统进行详细的分析和再优化设计。本文给出两个部分的数据或者状态图显示设计，即：各环节利用率情况和系统运行的数据。

（1）各环节利用率情况设计。采用面板下面的分析图表—条形图对各环节的设备利用率情况进行设计，主要设计因素是对应机器的值（本文给出部分），见表4。

表4 部分条形图值的设计

（2）系统运行的数据设计。本文采用直方图收集产品的输出量，采用时间折线图收集包装磨具随时间的变化情况，具体属性的设定方式如图5和图6所示。

图5 产品输出量的直方图属性设计

图6 包装品磨具的时间折线图属性设计

4 仿真结果分析

设定整个模型运行的时间单位为分钟（Minutes），总时间为30天内，运动速度为分钟（Minutes）*500，在系统变化后的48小时后开始收集并记录数据及产品达到稳定生产时的数据图，运行模型后可以得到如下结果：

（1）各环节利用率情况。通过条形图（Chart）记录在不同的工位，产品及设备的运行进度情况如图7所示。

图7 流程各环节的利用率情况

图7显示的是系统的设备在不同时刻、不同设备的整个系统连续运行状况。比如：倾斜式起重机在day4:1:10:25时刻的利用率为89%，因此从图中可以实时知道机器在某时刻的工作情况，依据情况可以判断是否开启或者关闭相应的机器，避免空闲机器运行所带来的能源等的浪费，比如在该时刻的模切机的利用率为10%，说明在该时刻所需开启的模切机数量应该减少。

（2）程序运行的数据结果。变化的参数主要为：Q{Quantity(level)}，S{Speed(meter/minute）)、T{Time(minutes)}，包装产品的Quantity等级为：1～7。通过对改变各个起重机（Crane）、轨道（traverse）、AGVs运行的速度和时间，观察分析产品的输出量及包装品的模具使用情况，见表5。

总结上述数据图与结果知：①随着速度和时间越大，包装产品设备调度与管理逐渐趋于平稳，产品日产量的累计分布函数值区域面积增大，且趋于恒定。②从第二组试验中可知，一段时间后，设备的使用在下降并趋于平稳，产品日产量的累计分布函数在分区域及分段。③从第一组和第二组试验中可知，速度和时间越小，日产量的函数分段及分区域时间越快。④如果速度太大，结果不符合实际，可知参数设置的极限。所以通过参数值的变化，可以分析系统的状态，确定系统运行的最佳时刻。

经过M公司相关技术人员分析和观察，得知该结果与实际生产过程偏差在0.001%—0.005%之间，可以用于指导现代包装印刷生产物流系统。

5 结论和期望

本文针对目前包装印刷企业需要大量劳动力给劳动者带来的弊端及对智能化、自动化生产物流系统的需求，通过仿真软件AnyLogic中的离散事件建模（DE）、基于智能体建模（AB）、系统动力学建模（SD）方法，分析包装印刷生产物流系统的现状，基于M公司设计了简易生产工艺流程图及设施布局图。最后通过改变参数，分析参数对整个系统的影响结果。通过M公司相关技术人员对结果的观察和分析，与实际公司的运行偏差在0.001%—0.005%之间，并且可以通过改变参数，使运行达到最优参数组合。

本文的不足之处在于，未考虑生产过程中残次品、废品等的处理过程，还需继续研究。

表5 模型仿真结果对比

[1]佚名.包装[EB/OL].http://baike.haosou.com/doc/5380778-5617060.html.2015-01-20.

[2]杨启成.卷烟生产物流系统的优化设计及管理研究—以红塔生产物流为例[D].昆明:昆明理工大学,2008.

[3]张莉.离散制造企业生产物流系统设计研究[D].济南:山东大学,2012.

[4]Nasser B A Optimizing a lean logistic system and the identification of its breakdown points[D].University of Southern California,2008.

[5]毛健,乔金友,王立军,等.基于Witness的汽车零部件生产物流系统仿真研究[J].工业工程,2011,(3):124-127.

[6]霍李江.包装印刷技术[M].北京:文化发展出版社,2011.

[7]llya Grigoryev,著.韩鹏,韩英华,李岩,等译.Anylogic建模与仿真[M].北京:清华大学出版社,2014.

[8]张蕾.基于SLP理论的D公司压路机装配车间布局规划与评价[D].长春:吉林大学,2012.

Modeling and Simulation of Modern Packaging and Printing Production Logistics System

Wang Xiaohui,Du Yanping,Zhang Wenjiao,Yang Yuanxin,Zhang Yuan
(School of Electro-mechanical Engineering,Beijing Institute of Graphic Communication,Beijing 102600,China)

In this paper,we first used the AnyLogic software to simulate the technical process and site layout of the modern production logistics system,then observed the changes in the system after adjusting the parameters of the system to understand their influence on the process of the system,and at the end,through applying the method to a company M,verified that the result of the model matched well with the actual situation of the company.

packaging and printing;production logistics system;hybrid model;parameter

N945.12；O141.4

A

1005-152X(2015)11-0098-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2015.11.028

2015-09-20

北京印刷学院博士启动资金（27170115005）；高速动车组制动系统时变多状态失效建模理论及解析方法（51175028）

王小慧（1988-），女，山西大同人，硕士生，研究方向：物流系统规划与仿真；杜艳平（1977-），通讯作者，女，山西太原人，博士，教授，研究方向：物流系统规划与仿真；张文姣（1991-），女，山东莱芜人，硕士，研究方向：物流安全与信息化；张媛（1985-），女，山东德州人，博士，讲师，研究方向：物流系统安全及诊断。