Witness仿真软件在物流专业教学中的应用

李亚利

北京联合大学生物化学工程学院 北京 100023

物流管理专业在高校已经经历6～10年的发展，无论从理论教学还是实训实操方面都取得了很大提高。但是随着国家和企业物流设备与技术的日益发展，高校物流管理专业在实际教学过程中也存在各种问题。第一，传统的理论教学，学生不能置身在真实的环境中，失去主动思考和学习兴趣。第二，学生学的理论知识太落后，跟实际的物流应用脱轨；有些知识又是从国外引进，跟国内的情况不相符。第三，只是讲解大家都知道的案例，不能提供企业中真实发生的案例。第四，学生很少有实验实训基地或者真实的企业环境中的学习和实操经历，学生走入社会还要重新学习新的知识。因此，如何提高实践教学质量，全面培养学生的综合能力，显得尤为重要。

1 Witness仿真软件简介

Witness是由英国Lanner公司推出的功能强大的仿真软件系统。Witness仿真软件主要应用在流程仿真，如零部件生产加工模拟、排队倒班机、统计分布、离散事件的模拟。Witness内置Part，Machine，Buffer，Labor，Transport，Liquid，Pipe，Tank，Proccesor等30多种部件，同时可以设置机器故障和修复时间，通过其内置的仿真引擎，可快速进行模型运行仿真，展示流程的运行规律。Witness是采用面向对象的建模机制，还可以建立和描述自己的模型和行为，用户可以自己定义复杂的RULE或者公用的函数(或用户自定义函数)实现复杂的行为。Witness可以与外部数据(Excel ODBC)相连接，同时也可以导入自己定义的图形。Witness可以通过动态模拟，根据不同阶段的仿真结果，随时修改模型中的参数和部件，得到最佳的解决方案。

Witness Optimizer优化模块通过先进的优化算法计算出仿真模型最优的解决方案。在Witness Optimizer里可以设定自己的模型考核指标，设定系统控制参数的取值大小和约束条件。计算出来的实验结果用图表的形式显示给决策者，该模块可以有效地帮助建模者和决策者优化、改善绩效指标。任何在Witness里建立的模型都可以使用Witness OPT进行优化，Witness OPT也是界面化模块，它可以跟Witness软件无缝结合，集成后可以在Witness的菜单中直接调用。

Witness OPT提供了丰富的实验设计报表选项、标准函数的定义、算法终止条件设定、随机流设定、仿真时间长度设计、控制变量取值和约束设计、优化算法选择。这些都可以应用于实际生产运作的绩效指标、服务水平、产出率或者利润率，给决策者提供丰富的报表。

Witness VR现实虚拟模块集成了先进的仿真技术和3D图形显示效果，Witness二维的流程仿真模块可以快速地生成具有真实比例缩放尺寸的生产场景，可以实现逼真的仿真效果。在Witness VR先进的仿真引擎驱动下，模型中生产部件和生产机器，根据系统布局设计运动流程在三维场景中实时运动，从而实现跟真实场景中生产运作过程一样的效果。

Witness Documentor是Lanner集团开发出来的一个集成插件模块，它是一个非常有用的报表工具，用它可以创建模型逻辑、模型细节和模型结构等一系列定制化的报表。Witness Documentor可以创建跟模型相关的各式各样的报表，这些报表可以包括元素的名称和类型、设备故障和调整细节、物料信息流、运动和生产活动。报表存储格式为.rft，这种格式方便很多文字处理软件编辑加工。

2 Witness仿真实例的应用

Witness提供了直观的流程运行的动态的动画展示，使用户清楚和直观地了解系统的运行过程，通过其Quick3D功能，可快速生成系统模型元素的三维立体表示，可展示系统模型在三维空间的运行效果。通过图表的统计报告，可以迅速对运行结果做出分析和对比，给出最佳的解决方案。

2.1 Witness银行ATM机和柜台流程业务的模拟

(1)建模背景：多队列多服务排队系统是排队系统中最典型的形式，以其为案例进行Witness建模与仿真过程。排队系统是生产系统中一类主要离散事件系统，在生活中很常见，如火车、飞机安检排队系统，银行排队系统，理发排队系统。与连续系统仿真相比，此系统模型描述复杂、概念抽象，而且短时间内不容易找到问题和解决方案。笔者就Witness对银行ATM机和柜台流程业务进行模拟。

(2)顾客ATM机和柜台流程业务符合泊松分布，它有如下特征：①顾客到银行ATM机或者去柜台都是随机的。②符合Witness里的先进先出规则，如果前面有人在排队处理业务，后面的需要等待。③柜台业务人员和ATM机对人员的处理都是随机的，需要用到属性来定义。④顾客随机选择人数最少的队伍排队并且办理业务。

(3)Witness布局及参数设置。设银行ATM机和柜台流程业务系统有ATM机、大堂经理、咨询人员、顾客、柜台人员，在仿真系统中用到的部件用Machine，Labor，Path，Shift，Attribute，Part来表示。Machine的处理时间要用到Attribute的数值*数值(根据业务复杂程度给予不同数值)，每个服务台前配备一个柜台人员，顾客以泊松分布的方式到ATM机及柜台前处理业务，Witness可以单步(或者自己定义时间)显示上班前顾客到ATM机前办理业务，银行正常营业后顾客可以到ATM机和柜台前办理。

(4)仿真模型的运行结果及其分析。仿真时钟为6 000，分析两种情况进行对比：第一种情况：1台ATM，5个柜台人员；第二种情况： 2台ATM，3个柜台人员(如图1所示)。

图1

从图1可以看出，ATM 机和业务处理人员都存在很大的空闲，这样管理者可以很好地做出决策，第一种可以增加业务类型，充分利用业务人员和ATM机，第二种可以减少业务人员和ATM机，减少开支。

2.2 Witness生产和组装流程模拟

(1)建模背景：ACME阀门制造公司出现了生产设备陈旧化和混乱的生产计划，每75小时只能生产120～160个阀门。生产订单严重积压。公司经理发现这个问题，他不能容忍这样的情况继续下去，如果这种情况持续2个月，公司将面临倒闭。于是公司决策层给出了改善现状的费用投资清单。根据这个情况，用Witness模拟现实生产的整个模型，最后给出解决方案。

(2)系统特性：①生产A类型产品，每生产40个产品需要换刀具，生产B类型产品，每生产30个需要换刀具。②每生产1 000小时会有机器故障，修复时间需要10～15分钟。③每4个产品可以放在一个箱子里，如果不够4个产品，不能装箱。④所有的生产设备可以设置单位时间生产或者处理的数量；传送带单位时间内传送的个数。

(3)Witness布局及参数设置。有6个Machine，分别是Saw用来切割，Coater用来镀漆，Inspect用来过滤不合格产品，Load用来组装产品，Upload用来传送组装设备，6个Buffur分别表示成品和未成品存放的仓库和容量, 传送带分别代表着传送产品的速度。

主要参数(见表1)：

表1

模型布局(如图2所示)：

图2

(4)仿真模型的运行结果及其分析。仿真时钟为6 000，分析两种情况。第一种情况：1台Inspect；第二种情况： 2台Inspect(如图3所示)。

图3

通过对比发现，只有一个Inspect Machine时，机器一直处于忙的状态和调整状态，而Load一直处在等待状态；增加一个Inspect Machine后，虽然有些改善，但是Load大部分时间还是在等待状态。所以增加Inspect的数量基本不能解决问题，但是我们可以改变Coater和 Inspect的处理时间来提高生产效率。

2.3 Witness在牛奶生产中的应用

(1)建模背景。某企业要建设一个生产牛奶和奶油的工厂，由于市场价格竞争和低利润差额，企业要充分了解投产后达到的水平，才可以达到生产最大化和利润最大化。企业有前期投资预算，而且了解各个设备所需要的价格，同时通过详细调研报告知道每天收购牛奶的数量。现在要规划设备布局以及如何在费用投入最小的情况下达到生产的最大化。

(2)系统特征。①每天库存的牛奶数量不能超过生产的最大值。②在模型中需要有牛奶除水设备；分离牛奶和奶油的装置；分离后存储牛奶装置和奶油装置；分离后生产包装牛奶的装置；分离后生产包装奶油装置；货架装置(可以组装牛奶和奶油，然后放到成品库存里)。③所有的容器(生产设备和分离设备、库存)都有容量的限制。④生产加工设备都有产出时间的规定。⑤成品打包后的牛奶或者奶油组装入库时，在组装货架没有满的情况下，成品打包后的牛奶或者奶油不能组装，直到正在组装的牛奶或者奶油装满货架后才能处理下一批次的牛奶或者奶油(根据奶油或者牛奶成品数量来决定)。

(3)系统参数。生产牛奶跟一般生产流程布局设置用的部件不一样，这个模型需要动态地显示液态的部件，如Liquid，Tank，Proccesor，Pipe，这些部件主要用在液态流体方面。模块里有3个Tank部件，用来表示存储最初的牛奶、分离后的牛奶、分离后的奶油的装置。1个Proccesor用来分离牛奶和奶油。3个Pipe部件分别用来表示和存贮装置有关的部件。3个Liquid部件，分别表示最初的牛奶、分离后的奶油和牛奶液体。2个Machine分别用来表示成品牛奶打包装置和成品奶油打包装置(见表2)。

表2

Separation RECIPE PARALLEL TransferMilk VOLUME (80.0)RATE (10.0),TransferCream VOLUME (20.0)RATE (10.0)除水后的牛奶到分离装置后有80%用来生产牛奶，有20%用来生产奶油。而且生产出来的牛奶和奶油都有10%的水分需要去除100.0升TransferFreshMilk 无管道里液体速度是10，跟分离装置相连接无Transfer MilkMilk eparation.TransferMilk无管道里液体速度是10，跟分离后牛奶装置相连接无MilkSeparation.MilkSeparation.TransferCream无管道里液体速度是10，跟分离后奶油装置相连接无MilkSeparation.MilkVat 无 只是用来存储分离后的牛奶 160.0升MilkSeparation.CreamVat 无 只是用来存储分离后的奶油 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如果库存数量小于等于4，生产牛奶的规格不同，如果超过4，生产的规格又是另一种样式无

图4

模型布局(如图4所示)：(4)仿真模型的运行结果及其分析。仿真时钟为

8 000分钟，分析两种情况。一种情况是6台牛奶装置，1台奶油装置，Cream的容量是 40升，Milk装置的容量改为160升。另一种情况是6台牛奶装置，1台奶油装置，Cream的容量改为60升，Milk装置的容量改为260 升(见表3和表4)。

表3 第一种情况的统计报表

表4 第二种情况统计的报表

通过统计报表不难发现，机器的工作时间跟容器的储量几乎没有关系，通过增加容量不能提高产出量。分析奶油容量在40升和奶油容量在60升的情况下奶油的产量和机器工作空闲时间是一样的，没有提升奶油产出量。牛奶的产出量同样存在这个问题，牛奶存储量由160升增加到260升，产出量同样没有提升，这时就需要考虑增加机器的加工速度或者产品装卸的速度以提高最大产出量。可以通过Witness改变各种参数和设备的数量来模拟产出量，从而达到产品最大化和最优的解决方案。

3 结束语

通过Witness仿真软件，可以模拟复杂的真实生产和生活实例，通过图形分析找到实例中的瓶颈，然后找到最优的解决方案。Witness可以用2D和3D的图形效果，生动形象地展示整个流程的动态效果，大大提高了教师的信息化教学水平，增加了学生对所学课程的兴趣和动手能力，从而获取更多的信息技术操作能力。

[1] 陆传责.排队论[M].北京:北京邮电学院出版社,1994.

[2] 王亚超,马汉武.生产物流系统建模与仿真[M].北京:科学出版社,2006.

[3] 顾启泰.离散实际爱你系统建模与仿真[M].北京:北京清华大学出版社,1999.