基于eM-Plant 的异型烟分拣系统仿真技术应用＊

蒲睿强，吴封斌，王 璐，岳洪吉

（1.贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学计算机科学与技术学院，贵州 贵阳 550025；3.贵州省烟草公司贵阳市公司，贵州 贵阳 550002）

烟草物流行业的发展正在由相对落后的半自动化分拣向先进的全自动高速分拣转变，需要软件和硬件设备方面同时创新。在标准烟自动化分拣领域，中国已经基本达到国际领先水平，但因为异型烟的“外形之异”，且品种规格众多，对基于传统卷烟设计的分拣设备而言，异型烟分拣的难点亟需解决[1]。同时异型烟销量的崛起必然要推动其物流设备自动化的发展，但异型烟分拣多品种、小批量的特点会表现得越来越明显，同时分拣需求越来越大，目前有公司已经研发出柔性分拣设备，可以在高效率处理的情况下同时分拣异型烟，而计算机仿真在此异型烟分拣系统中有很大的应用价值和发展空间[2-3]。

1 系统仿真技术

计算机模拟仿真是一种模型实际运行的仿真实验，能够显示该调查系统相关要素的变化情况，模拟系统的状态和时间的变动规律，其中，模拟实际情况的系统模型运行状态是核心过程。在计算机仿真中，包括系统、模型和计算机三大要素[4]，三者关系如图1所示。

图1 三大要素关系

烟草分拣系统的不同状态变化一般在离散事件点，而且这些离散事件点一般是不确定的，而且数学模型很难利用数学公式来表现。此烟草分拣系统属于离散事件。

建立离散事件系统的仿真模型的目标是要建立与系统数学模型有同构或同态关系的模型，同时在计算机上运行良好。同样的仿真精度下，采用混合时间推进机制的效率高于采用固定步长时间推进机制的效率。由于离散事件系统是随着时间离散变化的，因此采用混合时间推进机制。

离散事件系统要转换为计算机仿真模型，首先要分析其仿真策略，选取仿真模型的控制逻辑和仿真时钟推进机制。仿真模型的本质是仿真策略，不仅是仿真模型的核心内容，也决定了仿真模型的结构模式。

离散事件系统有以下3 种基本仿真策略：①事件调度法（Event Schedule，ES）。事件调度法由兰德公司在1963 年提出，在美国被广泛采用。它是一个面向事件的方法，首先通过定义事件，按照一定时间顺序对事件进行处理。②活动扫描法（Activity Scanning，AS）。活动扫描法的基本思想是以各主体时间要素的最小单位来推进仿真时钟，同时优先激活对应实体，以测试通过的事件，并通过更改系统状态确定相关事件发生的时间。③进程交互法（Process Ⅰnteraction，PⅠ）。过程交互法作用的基本思想是通过整个过程中时间值最小的无条件延迟恢复点来推进仿真时钟。当时钟前进到新的时间点后，如果某个实体在进行中解除锁定状态，则该实体将从当前的恢复节点前进到下一个延迟节点。最终在此次烟草分拣系统仿真中选择活动扫描法。按照优先激活实体的活动，扫描最早事件，实行内部处理事件条件。

2 eM-Plant 简介

eM-Plant 是由以色列公司Tecnomatix 搭建的物流、工厂、生产软件工具，也称为SⅠMPLE。此工具适用于离散式系统建模和模拟分析。在面向对象的技术中，可以生成系统外部和内部的供应链、生产资源以及与生产和经营过程相关的环节，可以建立所有链接的结构合理的阶层模型。

eM-Plant 专用于项目研发规划、物流仿真优化、工艺生产系统的模拟，在这些方面都有极为优秀的实用性和创新性。

对象导向仿真软件和常见程序语言的差别在于面对对象式仿真软件提供了一些具有属性（attribute）及操作方法（operation）的基本组件，除非此组件提供的属性或操作方法不正确，否则不需要重新定义和设计组件。

另外，为了用程序语言模拟模型的构筑，有必要定义模拟系统的对象、等级、属性、操作方法，在设计后可以重复利用。不同的面向对象，模拟软件和模拟语言能提供不同的基本组件，在应用程序组件分析和设计阶段创建的结构图和行为图也存在差异。

3 基于eM-Plant 的异型烟分拣作业仿真模型

3.1 仿真原型及目标

仿真针对某大型烟草配送中心，该异型烟分拣系统位于分拣平面，含三层子线分拣处理模式。

配置：1 套件烟补货线、2 套划箱机、4 套开箱机、4 套自动补货小车、72 个卧式机、72 个立式机、40 个电子标签（用于分拣不进烟仓的特异型烟或极小品规标准卷烟）、2 套精准识别系统、2 套打码机、2 套标异一体包装机、2 套自动贴标机、多层复合子线、1 套空箱回收线；2 台包装机，利用刚性吸盘高效码垛，4组吸盘可以根据条烟宽度、厚度自动调整；2 台高速柔性核数机构，用于分拣合流、包装前段的核数识别；与双层、三层烟仓相比，四层子线分拣短烟仓排放长度使烟仓排布更为集中，减小了分拣线的占地面积，缩短了补货路径。

本次仿真的目标是通过模拟现有设计方案[5]，找出限制分拣效率的瓶颈，提升烟草分拣效率，为烟草配送中心的流程优化提供依据。

通过对该烟草企业物流分拣系统方面的仿真，改进设计方案，研究提升柔性烟草系统分拣效率的方法，降低分拣流程故障率，提升设备利用率[6-8]。首先，对现有方案设计烟草分拣系统进行模拟仿真，了解各个子系统工序在运行中的状态以及分拣过程中烟草流动情况。观察运行中的真实情景，对仿真结束后得到的数据输出文件加以分析。然后，通过对现有方案的优化改进，改良现有仿真模型，再次进行模拟仿真，从而达到效率更高、成本更低、利用率更高的目标。

3.2 eM-Plant 仿真建模

此异型烟自动化分拣系统按作业性质的不同，从总体上可以分为几大功能区域，包括分拣区、合单区、码垛区、包装区等。其中分拣区最能体现客户订单数据拆分优化的合理性，是验证已优化订单合理性的关键。合单区包含多层传送带，能够汇总输送进码垛区域，在此过程中应该遵循同步传送、数量平均的原则[9]。码垛区的机械结构设计是限制异型烟分拣的关键结构。在整个环节中，系统依据每个实体的属性来识别、调用进行操作。

基于以上设计，对异型烟分拣系统内部实体元素进行定义，如表1 所示，并建立了如图2 所示的异型烟分拣线模型图。

图2 分拣系统仿真模型

表1 实体元素定义

进行仿真验证前，结合烟草分拣系统的分拣策略，运用专门的订单优化软件进行了订单数据优化。选取一天的生产数据，持续运行仿真模型，并利用仿真软件提供的功能对子系统的运行状态进行观察[10]。

根据柔性分拣方案建立初步的eM-Plant 仿真模型。首先将方案中的设备性能和控制方法转化为模型中的实体设定与参数设置；然后把分割的订单数据输入已经建立的仿真模型，运行此柔性烟草分拣系统，得到输出结果和设备的状态[11]；最后发现方案设计存在的主要问题，并对优化自动化分拣系统提供可改善的措施。结果表明，通过对某烟草物流中心获得的实际销售数据进行仿真试验，模型仿真钟取时间单位为l s，运行15×60×60=54 000 仿真时间单位，仿真结果如表2 所示。

表2 分拣效率统计表

4 应用效果

研究了基于Tecnomatix Plant Simulation 平台的异型烟仿真建模方法，针对某烟草配送中心进行模型分析，重点研究了分拣系统中的分拣机构、合单机构、码垛机构，分别从系统分析、设备选取、参数设计、数据处理、流程优化等方面建立仿真模型，为生产线的装配提供有力的设计依据，减少了降低效率问题出现的可能性[12]。通过仿真可得到某大型烟草配送中心设计方案的准确分拣效率，为数字化烟草分拣系统的设计优化提供决策的依据。