Symulacyjne badanie dynamiki przepływu materiałów w magazynie

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 97
Transport
2013
Mariusz Kostrzewski
Wydzia Transportu, Politechnika Warszawska
SYMULACYJNE BADANIE DYNAMIKI
PRZEPYWU MATERIAÓW W MAGAZYNIE
Rkopis dostarczono, marzec 2013
Streszczenie: W artykule przedstawiono prób zastosowania modelu symulujcego prac magazynu
do badania dynamiki przepywu materiaów zachodzcych w tyme obiekcie logistycznym.
Omówiono narzdzia pracy oraz poszczególne etapy badania symulacyjnego wg procedury bada
opracowanej przez autora artykuu, ze szczególnym uwzgldnieniem etapu konstruowania
i uytkowania modelu symulacyjnego. Wyniki bada podsumowano wnioskami, a ponadto zawarto
sugestie dotyczce dalszego rozpatrywania problematyki.
Sowa kluczowe: symulacja, projektowanie, magazyn
1. WPROWADZENIE
Badacze amerykaskiego Stanford Research Institute (USA) s przekonani, e
symulacja stanowi kluczow technologi pocztku nowego tysiclecia. Wedle ich
przypuszcze przyrost stosowania rozwiza symulacyjnych bdzie plasowa si na
poziomie 20% rocznie, co ju potwierdzaj ogólnowiatowe tendencje i statystyki, [8]. Nie
jest zaskoczeniem taki bieg rzeczy. Symulacja pozwala na ustalenie postaci systemu czy
ukadu za pomoc eksperymentów przeprowadzonych bezporednio na badanym modelu
(systemu lub ukadu). Ponadto moe by stosowana do analizy duych i zoonych
problemów decyzyjnych, które nie mog by rozwizane za pomoc innych metod (np.
z krgu bada operacyjnych). Pozwala przy tym na szybkie podejmowanie decyzji dziki
analizie efektów eksperymentów przeprowadzonych dla wielu nastpujcych po sobie
okresów, czy te dostarcza odpowiedzi na pytanie typu „what-if...?”.
Metody symulacyjne znajduj aktualnie najwiksze zastosowanie w USA, Japonii
i Europie zachodniej. W Europie rodkowej (w tym: w Polsce) metody te byy do
„niedawna” stosowane stosunkowo rzadko. Rozpoczo si to z kocem lat ’80 ubiegego
wieku, [4].
Niniejszy artyku jest elementarnym opisem efektów bada nad, uprzednio
skonstruowanym przez autora, modelem symulacyjnym w oprogramowaniu sucym
konstruowaniu modeli symulacyjnych Plant Simulation. Artyku zawiera wyniki symulacji
drugiego rodzaju, czyli umoliwia analiz wyników w funkcji zmian wartoci parametrów
272
Mariusz Kostrzewski
wejciowych (podstawowe informacje nt. teoretycznych zagadnie dotyczcych idei
symulacji autor zawar w artykule [7]). Bazujc na projekcie magazynu, przygotowanym
uprzednio, autor opracowa model symulacyjny, który pozwoliby na obserwowanie
i badanie dynamiki procesów logistycznych zachodzcych w magazynie. W artykule
przytoczone zostay wnioski, sugestie i propozycje rozwoju bada na ten temat.
2. PROCEDURA POSTPOWANIA W BADANIU
Procedura postpowania na okazj bada nad dynamik przepywu materiaów
w magazynie przedstawiona zostaa na rys. 1. W pierwszej kolejnoci naleao
zaprojektowa magazyn, który owemu badaniu mia by poddany. Wskazane zatem byo
przygotowanie zadania logistycznego (jego tre, parametry i wartoci im odpowiadajce
znajduj si w [7]). Nastpstwem przygotowania zadania logistycznego byo naturalnie
jego rozwizanie. Posuono si w tym celu autorsk metod projektowania obiektów
logistycznych z uwzgldnieniem stref funkcjonalno-przestrzennych, [6]. Sporód
przygotowanych wariantów projektowych wybrano najlepszy, by nastpnie w oparciu
o jego ide oraz parametry technologiczno-organizacyjne skonstruowa model teoretyczny
(formalny), majcy stanowi podstaw dla skonstruowania modelu symulacyjnego. Model
teoretyczny, w wyniku implementacji w narzdziu sucym konstruowaniu modeli
symulacyjnych i przeprowadzania symulacji, uleg przetworzeniu do postaci modelu
symulacyjnego. Przy czym model symulacyjny jest modelem zoonym, m.in. z uwagi na
fakt, e stanowi go para: model formalny oraz „zaszyte” w oprogramowaniu funkcjonalne
algorytmy numeryczne. Do modelu symulacyjnego wprowadzono wartoci nadmienionych
wyej parametrów technologiczno-organizacyjnych, po czym w wyniku wielokrotnego
przeprowadzenia symulacji uzyskano wyniki omówione w dalszym cigu artykuu. Wyniki
te zasadniczo powinny podlega porównaniu z warunkami rzeczywistymi, aczkolwiek
badania maj charakter teoretyczny i s bez zwizku z efektami dziaania istniejcego
obiektu logistycznego (magazynu). Podobnie rzecz ma si z zagadnieniem aktualizacji
danych do zadania logistycznego w stosunku do rzeczywistych warunków. Etap ten
pominito.
3. NARZDZIA WYKORZYSTANE W BADANIU
W ramach prac nad zagadnieniem w gównej mierze wykorzystano dwa narzdzia
pracy: metod projektowania obiektów logistycznych zaimplementowan w postaci
pakietu komputerowego OL09 oraz oprogramowanie suce do konstruowania i badania
modeli symulacyjnych Plant Simulation. Autorska metoda projektowania obiektów
logistycznych z uwzgldnieniem stref funkcjonalno-przestrzennych, wykorzystana
w ramach bada, zostaa omówiona w artykule [6].
Symulacyjne badanie przepywu materiaów w magazynie
273
Plant Simulation to narzdzie suce do konstruowania cyfrowych modeli
symulacyjnych. Z nazwy oprogramowania wynika, e suy stosowaniu w zakresie
symulacji procesów produkcyjnych (ang. plant – fabryka), przy czym autor dostrzegszy
potencja oprogramowania, zacz stosowa je w celu tworzenia symulacyjnych modeli
systemów logistycznych. Wg autora, magazyn stanowi pewnego rodzaju fabryk, w której
„produkowane” s/bywaj jednostki adunkowe (dotyczy to gównie procesów
komisjonowania, w szczególnoci kompletacji). Za pomoc rozwizania Plant Simulation
mona m.in. dokona prób optymalizacji przepywu materiaów, wykorzystania zasobów
itp. Narzdzie umoliwia take sprawdzanie charakterystyk systemów i optymalizacj ich
wydajnoci. Modele symulacyjne pozwalaj na przeprowadzanie eksperymentów
i testowanie scenariuszy „what-if...?" zarówno dla ju dziaajcych systemów albo te –
w przypadku procesu planowania – na dugo przed ich wdroeniem czy uruchomieniem.
Rys. 1. Schemat procedury postpowania na okazj bada nad dynamik przepywu materiaów
w magazynie
(ródo: opracowanie wasne z wykorzystaniem elementów [3])
Wybór tego narzdzia sporód gamy innych narzdzi symulacyjnych podyktowany by
obiektowym charakterem oprogramowania, przystpnym jzykiem programowania,
moliwoci implementacji wieloaspektowych zagadnie procesowych oraz prozaicznym
faktem bezporedniego dowiadczenia pracy z narzdziem i wspópracy z jego twórcami.
Autor wykorzystywa oprogramowanie w pracy zawodowej zanim podj prac naukowodydaktyczn.
274
Mariusz Kostrzewski
4. BUDOWA MODELU SYMULACYJNEGO
Model symulacyjny to wielomoduowy program komputerowy, tworzcy
z kompatybilnym funkcjonalnie komputerem swego rodzaju symulator, pozwalajcy na
generowanie stanów systemu modelowanego, [4].
Plant Simulation jest narzdziem o obiektowym charakterze. Mimo e jest
oprogramowaniem o obiektowej naturze, umoliwia take programowanie dziki
implementacji jzyka SimTalk. Stanowi to niewtpliwie jego dodatkowy atut: czyni
wszechstronnym i umoliwia automatyzacj zarówno na okazj konstruowania modelu jak
i przeprowadzania wielokrotnego procesu symulacji.
Budowa modelu symulacyjnego dla magazynu polegaa na zestawianiu ze sob, na tzw.
platformach Frame window, obiektów tosamych z procesami zachodzcymi w obiekcie,
rodkami transportu, urzdzeniami, obiektami infrastruktury (np. drogami, regaami
magazynowymi), pracownikami. Te elementy systemu logistycznego dobierane s sporód
szerokiej palety wieloparametrowych obiektów o rozbudowanych charakterystykach. Poza
zestawianiem obiektów uywany by wspomniany jzyk programowania. Model
symulacyjny jest na tyle skomplikowany w budowie, i niemoliwoci jest omówienie
jego w skumulowany sposób.
Model symulacyjny zosta zaprojektowany tak, aby symulowany by jeden dzie pracy
magazynu (dokadniej rzecz ujmujc 16 godzin pracy w dwuzmianowym harmonogramie
pracy: zmiana pierwsza w godzinach od 8:00 do 14:00, zmiana druga w godzinach od
14:00 do 22:00).
Przygotowany model symulacyjny powinien by poddany etapom: weryfikacji oraz
walidacji. Weryfikacja to etap badania symulacyjnego, majcego na celu potwierdzenie
teoretycznych zaoe dotyczcych dziaania modelu symulacyjnego. Walidacja stanowi
etap kolejny. Cel walidacji upatrywany jest jako stwierdzenie czy model symulacyjny
odzwierciedla modelowany system rzeczywisty. W obydwu przypadkach trudno jest
o jednoznaczn opini, bowiem omawiany model symulacyjny przygotowany zosta na
bazie rozwaa czysto teoretycznych.
5. WYBRANE WYNIKI BADA
Badania nad dynamik przepywu materiaów wymagay zaprogramowania wykresów,
które s automatycznie aktualizowane z biegiem symulacji. Proces on-line nie jest
naturalnie moliwy do ukazania w artykule, dlatego zaprezentowaniu podlegaj wycznie
kocowe momenty kreacji wykresów (rys. 2.).
Na rys. 2 przedstawione zostay wielkoci przepywu materiaów w funkcji czasu pracy
magazynu, wyraone poprzez liczby jednostek adunkowych paletowych podlegajcych
przemieszczaniu pomidzy poszczególnymi punktami zdawczo-odbiorczymi. Przepyw ten
podlega harmonogramowi pracy opracowanemu na etapie zastosowania metody
projektowania obiektów logistycznych.
Symulacyjne badanie przepywu materiaów w magazynie
275
Na rys. 2 (oraz w tablicy 1), celem oznaczenia wystpujcych na linii (przebiegi linii
w funkcji czasu pracy magazynu), posuono si nastpujcymi symbolami literowymi:
x d - liczba jednostek adunkowych paletowych jednorodnych transportowanych
pomidzy ramp magazynow na wejciu do magazynu a buforem na wejciu,
x e - liczba jednostek adunkowych paletowych jednorodnych transportowanych
pomidzy buforem na wejciu a stref skadowania,
x f - liczba jednostek adunkowych paletowych jednorodnych u ujcia ze strefy
skadowania,
x g - liczba jednostek adunkowych paletowych jednorodnych u ujcia ze strefy
skadowania a przeznaczonych do udziau w procesie kompletacji,
x c - liczba jednostek adunkowych paletowych skompletowanych u ujcia ze strefy
komisjonowania,
x a - liczba jednostek adunkowych paletowych jednorodnych transportowanych
pomidzy strefami skadowania i komisjonowania a buforem na wyjciu,
x b - liczba jednostek adunkowych paletowych jednorodnych transportowanych
pomidzy buforem na wyjciu a ramp magazynow na wyjciu z magazynu.
Poziome przebiegi na rys. 2 maj zwizek albo z wyznaczonym harmonogramem pracy
albo te z przestojami spowodowanymi np. brakiem dostpnoci rodka transportu danego
typu czy brakiem zlecenia na przetransportowanie jednostki adunkowej paletowej.
Patrzc np. na linie d i e na rys. 2 mona zauway, e jednostki adunkowe paletowe
wyadowywane s z samochodów ciarowych tu po podstawieniu samochodu przy
rampie i odstawiane w buforze na wejciu. Przetransportowanie ich do strefy skadowania
nastpuje natomiast dopiero po godzinie, co jest zgodne z wprowadzonym
harmonogramem. Przeledzenie wykresu zamieszczonego na rys. 2 pozwala stwierdzi
gdzie w harmonogramie znajduj si bdy i moe by pomocne wobec ich wykluczenia.
W wyniku dalszych obserwacji modelu symulacyjnego stwierdzono, e
przemieszczanie ze strefy skadowania jednostek adunkowych paletowych jednorodnych
przeznaczonych do kompletacji (jpj/k) nie jest w peni realizowane, a w konsekwencji
wystpuje brak kompletnej realizacji planu przewidzianego na jedn dob (w zasadzie 2
zmiany) pracy magazynu. Wg oblicze w ramach metody liczba tych jednostek powinna
wynosi 230 jpj/k, tymczasem analiza symulacji wskazuje, e wynosi 215 jpj/k. Nasuwa
si wobec tego pytanie jak potoczyaby si sytuacja, gdyby „przepuci” przez magazyn
jednostki adunkowe paletowe bez z góry zaoonego planu? Wobec sprawdzenia czy
problem niepenej realizacji przemieszczania ze strefy skadowania jednostek adunkowych
paletowych jednorodnych przeznaczonych do kompletacji wystpiby, uczyniono co
nastpuje. Bez stosowania planu zgodnego z okrelonym w wyniku zastosowania metody
projektowania, „przepuszczono” przez magazyn wielkoci przepywu materiaów
nieograniczone, co do wartoci, z góry, a ograniczone jedynie czasem pracy obiektu
logistycznego. Postanowiono nie zamieszcza wykresu, a wyniki przedstawi w ujciu
tabelarycznym. Wyniki uzyskane o godzinie 22:00 (tab. 1) pozwalaj na jednoznaczne
„obarczenie” win, za brak realizacji planu, harmonogramu pracy magazynu. Oczywicie
jest to jeden z kilku powodów, aczkolwiek niezwykle waki.
W wyniku badania modelu symulacyjnego mona take stwierdzi, ze zaprojektowana
(obliczona) zostaa zbyt dua liczba rodków transportu. Wskazuj na ów fakt wartoci
wska
nika wykorzystania rodków transportu, które przytoczono w tab. 2. Wska
nik
276
Mariusz Kostrzewski
wykorzystania rodków transportu definiowany jest zgodnie z treci procedury
zamieszczon poniej:
g:=(time_to_num(.MUs.Transporter1:1.statAvgLifeSpan)-7200);
d:=time_to_num(.Models.Frame.Frame.SingleProc101.statFailTime);
h:=time_to_num(.Models.Frame.Frame.SingleProc101.statPausingTime);
i:=time_to_num(.Models.Frame.Frame.SingleProc101.statEmptyTime);
TrucksUtilisationPercentage[1,1]:=((g-d-h)/g)*100;
Rys. 2. Wielkoci przepywu materiaów w funkcji czasu pracy magazynu
Tablica 1
Warto
przepywu materiaów na koniec dnia pracy w magazynie
Symbol zgodny
z opisem
z pocztku
ródtytuu 5.
Warto przepywu przypadajca na
dob i wynikajca z zastosowania
metody projektowania obiektów
logistycznych, [jp]
Warto przepywu
przypadajca na
dob i wynikajca
z symulacji, [jp]
Warto przepywu
przypadajca na dob, nie
bdcego ograniczonym
przez plan realizacyjny, [jp]
1
2
3
4
d
e
f
g
c
b
a
562
562
468
230
867
1097
1097
562
562
462
215
677
1076
1076
597
597
469
215
1214
1678
1455
Najbardziej podejrzane o przewymiarowanie na etapie korzystania z metody
projektowania obiektów logistycznych s rodki transportu o najniszych wartociach
wska
nika wykorzystania, np. T2.6, T2.7. S to wózki podnonikowe czoowe przewoce
jednostki adunkowe paletowe pomidzy strefami skadowania a komisjonowania.
Stwierdzono, e gro czasu zajmuj im puste przebiegi lub oczekiwanie na zlecenie, co
budzi podejrzenia odnonie zaprojektowanej liczby rodków transportu (omówiono w [7]).
Symulacyjne badanie przepywu materiaów w magazynie
277
Rys. 3. Wykres wartoci wska
nika wykorzystania rodków transportu wyraonych w procentach,
dla poszczególnych rodków transportu
Przydatne w badaniach jest narzdzie stanowice analizator wskich garde. Uycie
analizatora wykazao, e przez ponad 14% czasu pracy bufor na wyjciu jest zablokowany.
Fakt ów mona byo dostrzec ju przy okazji analizy wartoci wymienionych w tab. 1
(wiersz g).
6. WNIOSKI
Symulacyjne badania przepywu materiaów w magazynie wykazay niecisoci
i niedopatrzenia poczynione na etapie wykorzystania metody projektowania obiektów
logistycznych. Stwierdzono mianowicie, e bufor na wyjciu z magazynu jest
przeadowany, a ponadto, e w ramach projektowania magazynu nieopatrznie obliczono
zbyt du liczb rodków transportu czy wreszcie w zaprojektowanym magazynie okoo
2% planu przejcia jednostek adunkowych paletowych przez zespó procesów
magazynowych moe nie by poddane realizacji (co byo wnioskiem z ostatniego wiersza
tablicy 1). Niecisoci te maj zwizek z niedopatrzeniami, jakie wystpiy w ramach
opracowania harmonogramu pracy magazynu. Wbrew pozorom nie jest to wiadomo,
która nakazywaaby widzie projektanta magazynu w negatywnym wietle, ani te
negowa zastosowanie metody projektowania obiektów logistycznych. Stosowanie
narzdzi symulacyjnych nie wyklucza tradycyjnej formy projektowania, co podkrelone
zostao w szczególnoci na rys. 1. Przy tym Autorzy artykuu [1] stwierdzaj, e
stosowanie wycznie analitycznego podejcia do zagadnienia projektowania obiektów
logistycznych jest niewystarczajce. Dochodz do wniosku, e wyczne uywanie
rozwiza symulacyjnych równie nie daje zadowalajcych efektów. Ich wnioski
prowadz do stwierdzenia, e metoda projektowania powinna opiera si jednoczenie na
podejciu analitycznym i stosowaniu rozwiza symulacyjnych. Autor niejednokrotnie
nadmienia, jak wana jest obok projektowania analitycznego ocena projektu dziki
zastosowaniu bada symulacyjnym. Jednoczenie naley przypomnie, e projekt,
278
Mariusz Kostrzewski
o którym mowa, zosta zoptymalizowany dziki zastosowaniu modelu symulacyjnego, [7]
– przy czym omawiany w niniejszym artykule model symulacyjny „pochodzi” sprzed
etapu optymalizacji (by to zabieg celowy). Model symulacyjny dla tak zaprojektowanego
magazynu nie suy jedynie „jednokrotnemu” wykorzystaniu tj. na okazj weryfikacji
projektu magazynu. Moe ponadto suy planowaniu krótkookresowemu. Wzrost
zamówie jest czsto zauwaalny dla kilku, kilkunastu nastpujcych po sobie dni. Si
rzeczy ma to wpyw na prac magazynu. Narzdzie symulacyjne umoliwia przeniesienie
kadego urzdzenia i pracownika w wirtualny wiat magazynu, czyli do modelu
symulacyjnego. Dziki temu kierownik magazynu czy inny decydent jest w stanie
natychmiast zidentyfikowa wskie garda mogce wystpi w danym okresie i podj
dziaania pozwalajce ich unikn. Ponadto moliwe jest krótkoterminowe ledzenie zmian
wydajnoci pracy pracowników, elementów suprastruktury czy infrastruktury.
Model symulacyjny warto rozwin take o obieg informacji. Nie zostao to uczynione.
Zadanie jest czasochonne – tak jak zreszt budowa kadego modelu symulacyjnego
w formie takiej, by odpowiadaa warunkom rzeczywistym.
ródo finansowania: Mariusz Kostrzewski; Grant dziekaski Dziekana Wydziau Transportu
w Politechnice Warszawskiej nr 504M 1160 0212 000.
Bibliografia
1. Ashayeri J., Gelders L.F., Warehouse design optimization, European Journal of Operational Research 21
(1985), ss. 285-294, Elsevier 1985.
2. Bangsow S.: Manufacturing Simulation with Plant Simulation and SimTalk Usage and Programming with
Examples and Solutions, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010.
3. Bangsow S. (Ed.): Use Cases of Discrete Event Simulation Appliance and Research, Springer-Verlag
Berlin Heidelberg, 2012.
4. Korze Z.: Logistyczne systemy transportu bliskiego i magazynowania - t. 1,2, Wyd. Instytutu Logistyki i
Magazynowania, Pozna 1998.
5. Kostrzewski M.: Jak stworzyem projekt magazynu, Euro Logistics 2/2007, Pozna 2007.
6. Kostrzewski M.: “Logistics Facilities Designing Method – a Study of a Procedure for Logistics Facilities
Designing and Its OL09 Software Implementation”, The Archives of Transport, VOL. XXIV NO. 3.
2012, ss. 321-340, Warszawa, 2012.
7. Kostrzewski M.: Porównanie metod projektowania magazynu - projektowanie wg procedury analitycznej
oraz przy uyciu narzdzia symulacyjnego, Prace Naukowe seria Transport, z. 70, Oficyna Wydawnicza
PW, ss. 85 – 95, Warszawa 2009.
8. UGS Corp.: Plant Simulation Product Description, UGS Corp, 2006.
SIMULATION RESEARCH ON MATERIAL-FLOW IN WAREHOUSE
Summary: This paper presents an attempt to apply the simulation model in the study of the dynamic aspects
of material-flow in the warehouse. Tools and various stages of the simulation research procedure, developed
by the author of the paper, are discussed. Construction and using the simulation model are described.
The paper contains several conclusions based on results of simulation runs as well as suggestions of topics
for further study.
Keywords: simulation, designing, warehouse