SYMULACYJNE BADANIE DYNAMIKI PRZEP YWU MATERIA ÓW W MAGAZYNIE

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 97 Transport 2013 Mariusz Kostrzewski Wydzia Transportu, Politechnika Warszawska SYMULACYJNE BADANIE DYNAMIKI PRZEP YWU MATERIA ÓW W MAGAZYNIE R kopis dostarczono, marzec 2013 Streszczenie: W artykule przedstawiono prób zastosowania modelu symuluj cego prac magazynu do badania dynamiki przep ywu materia ów zachodz cych w tym e obiekcie logistycznym. Omówiono narz dzia pracy oraz poszczególne etapy badania symulacyjnego wg procedury bada opracowanej przez autora artyku u, ze szczególnym uwzgl dnieniem etapu konstruowania i u ytkowania modelu symulacyjnego. Wyniki bada podsumowano wnioskami, a ponadto zawarto sugestie dotycz ce dalszego rozpatrywania problematyki. S owa kluczowe: symulacja, projektowanie, magazyn 1. WPROWADZENIE Badacze ameryka skiego Stanford Research Institute (USA) s przekonani, e symulacja stanowi kluczow technologi pocz tku nowego tysi clecia. Wedle ich przypuszcze przyrost stosowania rozwi za symulacyjnych b dzie plasowa si na poziomie 20% rocznie, co ju potwierdzaj ogólno wiatowe tendencje i statystyki, [8]. Nie jest zaskoczeniem taki bieg rzeczy. Symulacja pozwala na ustalenie postaci systemu czy uk adu za pomoc eksperymentów przeprowadzonych bezpo rednio na badanym modelu (systemu lub uk adu). Ponadto mo e by stosowana do analizy du ych i z o onych problemów decyzyjnych, które nie mog by rozwi zane za pomoc innych metod (np. z kr gu bada operacyjnych). Pozwala przy tym na szybkie podejmowanie decyzji dzi ki analizie efektów eksperymentów przeprowadzonych dla wielu nast puj cych po sobie okresów, czy te dostarcza odpowiedzi na pytanie typu what-if...?. Metody symulacyjne znajduj aktualnie najwi ksze zastosowanie w USA, Japonii i Europie zachodniej. W Europie rodkowej (w tym: w Polsce) metody te by y do niedawna stosowane stosunkowo rzadko. Rozpocz o si to z ko cem lat 80 ubieg ego wieku, [4]. Niniejszy artyku jest elementarnym opisem efektów bada nad, uprzednio skonstruowanym przez autora, modelem symulacyjnym w oprogramowaniu s u cym konstruowaniu modeli symulacyjnych Plant Simulation. Artyku zawiera wyniki symulacji drugiego rodzaju, czyli umo liwia analiz wyników w funkcji zmian warto ci parametrów

2 272 Mariusz Kostrzewski wej ciowych (podstawowe informacje nt. teoretycznych zagadnie dotycz cych idei symulacji autor zawar w artykule [7]). Bazuj c na projekcie magazynu, przygotowanym uprzednio, autor opracowa model symulacyjny, który pozwoli by na obserwowanie i badanie dynamiki procesów logistycznych zachodz cych w magazynie. W artykule przytoczone zosta y wnioski, sugestie i propozycje rozwoju bada na ten temat. 2. PROCEDURA POST POWANIA W BADANIU Procedura post powania na okazj bada nad dynamik przep ywu materia ów w magazynie przedstawiona zosta a na rys. 1. W pierwszej kolejno ci nale a o zaprojektowa magazyn, który owemu badaniu mia by poddany. Wskazane zatem by o przygotowanie zadania logistycznego (jego tre, parametry i warto ci im odpowiadaj ce znajduj si w [7]). Nast pstwem przygotowania zadania logistycznego by o naturalnie jego rozwi zanie. Pos u ono si w tym celu autorsk metod projektowania obiektów logistycznych z uwzgl dnieniem stref funkcjonalno-przestrzennych, [6]. Spo ród przygotowanych wariantów projektowych wybrano najlepszy, by nast pnie w oparciu o jego ide oraz parametry technologiczno-organizacyjne skonstruowa model teoretyczny (formalny), maj cy stanowi podstaw dla skonstruowania modelu symulacyjnego. Model teoretyczny, w wyniku implementacji w narz dziu s u cym konstruowaniu modeli symulacyjnych i przeprowadzania symulacji, uleg przetworzeniu do postaci modelu symulacyjnego. Przy czym model symulacyjny jest modelem z o onym, m.in. z uwagi na fakt, e stanowi go para: model formalny oraz zaszyte w oprogramowaniu funkcjonalne algorytmy numeryczne. Do modelu symulacyjnego wprowadzono warto ci nadmienionych wy ej parametrów technologiczno-organizacyjnych, po czym w wyniku wielokrotnego przeprowadzenia symulacji uzyskano wyniki omówione w dalszym ci gu artyku u. Wyniki te zasadniczo powinny podlega porównaniu z warunkami rzeczywistymi, aczkolwiek badania maj charakter teoretyczny i s bez zwi zku z efektami dzia ania istniej cego obiektu logistycznego (magazynu). Podobnie rzecz ma si z zagadnieniem aktualizacji danych do zadania logistycznego w stosunku do rzeczywistych warunków. Etap ten pomini to. 3. NARZ DZIA WYKORZYSTANE W BADANIU W ramach prac nad zagadnieniem w g ównej mierze wykorzystano dwa narz dzia pracy: metod projektowania obiektów logistycznych zaimplementowan w postaci pakietu komputerowego OL09 oraz oprogramowanie s u ce do konstruowania i badania modeli symulacyjnych Plant Simulation. Autorska metoda projektowania obiektów logistycznych z uwzgl dnieniem stref funkcjonalno-przestrzennych, wykorzystana w ramach bada, zosta a omówiona w artykule [6].

3 Symulacyjne badanie przep ywu materia ów w magazynie 273 Plant Simulation to narz dzie s u ce do konstruowania cyfrowych modeli symulacyjnych. Z nazwy oprogramowania wynika, e s u y stosowaniu w zakresie symulacji procesów produkcyjnych (ang. plant fabryka), przy czym autor dostrzeg szy 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 g ównie procesów komisjonowania, w szczególno ci kompletacji). Za pomoc rozwi zania Plant Simulation mo na m.in. dokona prób optymalizacji przep ywu materia ów, wykorzystania zasobów itp. Narz dzie umo liwia tak e sprawdzanie charakterystyk systemów i optymalizacj ich wydajno ci. Modele symulacyjne pozwalaj na przeprowadzanie eksperymentów i testowanie scenariuszy what-if...?" zarówno dla ju dzia aj cych systemów albo te w przypadku procesu planowania na d ugo przed ich wdro eniem czy uruchomieniem. Rys. 1. Schemat procedury post powania na okazj bada nad dynamik przep ywu materia ów w magazynie ( ród o: opracowanie w asne z wykorzystaniem elementów [3]) Wybór tego narz dzia spo ród gamy innych narz dzi symulacyjnych podyktowany by obiektowym charakterem oprogramowania, przyst pnym j zykiem programowania, mo liwo ci implementacji wieloaspektowych zagadnie procesowych oraz prozaicznym faktem bezpo redniego do wiadczenia pracy z narz dziem i wspó pracy z jego twórcami. Autor wykorzystywa oprogramowanie w pracy zawodowej zanim podj prac naukowodydaktyczn.

4 274 Mariusz Kostrzewski 4. BUDOWA MODELU SYMULACYJNEGO Model symulacyjny to wielomodu owy program komputerowy, tworz cy z kompatybilnym funkcjonalnie komputerem swego rodzaju symulator, pozwalaj cy na generowanie stanów systemu modelowanego, [4]. Plant Simulation jest narz dziem o obiektowym charakterze. Mimo e jest oprogramowaniem o obiektowej naturze, umo liwia tak e programowanie dzi ki implementacji j zyka SimTalk. Stanowi to niew tpliwie jego dodatkowy atut: czyni wszechstronnym i umo liwia automatyzacj zarówno na okazj konstruowania modelu jak i przeprowadzania wielokrotnego procesu symulacji. Budowa modelu symulacyjnego dla magazynu polega a na zestawianiu ze sob, na tzw. platformach Frame window, obiektów to samych z procesami zachodz cymi w obiekcie, rodkami transportu, urz dzeniami, obiektami infrastruktury (np. drogami, rega ami magazynowymi), pracownikami. Te elementy systemu logistycznego dobierane s spo ród szerokiej palety wieloparametrowych obiektów o rozbudowanych charakterystykach. Poza zestawianiem obiektów u ywany by wspomniany j zyk programowania. Model symulacyjny jest na tyle skomplikowany w budowie, i niemo liwo ci jest omówienie jego w skumulowany sposób. Model symulacyjny zosta zaprojektowany tak, aby symulowany by jeden dzie pracy magazynu (dok adniej rzecz ujmuj c 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, maj cego na celu potwierdzenie teoretycznych za o e dotycz cych dzia ania 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 rozwa a czysto teoretycznych. 5. WYBRANE WYNIKI BADA Badania nad dynamik przep ywu materia ów wymaga y zaprogramowania wykresów, które s automatycznie aktualizowane z biegiem symulacji. Proces on-line nie jest naturalnie mo liwy do ukazania w artykule, dlatego zaprezentowaniu podlegaj wy cznie ko cowe momenty kreacji wykresów (rys. 2.). Na rys. 2 przedstawione zosta y wielko ci przep ywu materia ów w funkcji czasu pracy magazynu, wyra one poprzez liczby jednostek adunkowych paletowych podlegaj cych przemieszczaniu pomi dzy poszczególnymi punktami zdawczo-odbiorczymi. Przep yw ten podlega harmonogramowi pracy opracowanemu na etapie zastosowania metody projektowania obiektów logistycznych.

5 Symulacyjne badanie przep ywu materia ów w magazynie 275 Na rys. 2 (oraz w tablicy 1), celem oznaczenia wyst puj cych na linii (przebiegi linii w funkcji czasu pracy magazynu), pos u ono si nast puj cymi symbolami literowymi: d - liczba jednostek adunkowych paletowych jednorodnych transportowanych pomi dzy ramp magazynow na wej ciu do magazynu a buforem na wej ciu, e - liczba jednostek adunkowych paletowych jednorodnych transportowanych pomi dzy buforem na wej ciu a stref sk adowania, f - liczba jednostek adunkowych paletowych jednorodnych u uj cia ze strefy sk adowania, g - liczba jednostek adunkowych paletowych jednorodnych u uj cia ze strefy sk adowania a przeznaczonych do udzia u w procesie kompletacji, c - liczba jednostek adunkowych paletowych skompletowanych u uj cia ze strefy komisjonowania, a - liczba jednostek adunkowych paletowych jednorodnych transportowanych pomi dzy strefami sk adowania i komisjonowania a buforem na wyj ciu, b - liczba jednostek adunkowych paletowych jednorodnych transportowanych pomi dzy buforem na wyj ciu a ramp magazynow na wyj ciu z magazynu. Poziome przebiegi na rys. 2 maj zwi zek albo z wyznaczonym harmonogramem pracy albo te z przestojami spowodowanymi np. brakiem dost pno ci rodka transportu danego typu czy brakiem zlecenia na przetransportowanie jednostki adunkowej paletowej. Patrz c np. na linie d i e na rys. 2 mo na zauwa y, e jednostki adunkowe paletowe wy adowywane s z samochodów ci arowych tu po podstawieniu samochodu przy rampie i odstawiane w buforze na wej ciu. Przetransportowanie ich do strefy sk adowania nast puje natomiast dopiero po godzinie, co jest zgodne z wprowadzonym harmonogramem. Prze ledzenie wykresu zamieszczonego na rys. 2 pozwala stwierdzi gdzie w harmonogramie znajduj si b dy i mo e by pomocne wobec ich wykluczenia. W wyniku dalszych obserwacji modelu symulacyjnego stwierdzono, e przemieszczanie ze strefy sk adowania jednostek adunkowych paletowych jednorodnych przeznaczonych do kompletacji (j pj/k) nie jest w pe ni realizowane, a w konsekwencji wyst puje 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 j pj/k, tymczasem analiza symulacji wskazuje, e wynosi 215 j pj/k. Nasuwa si wobec tego pytanie jak potoczy aby si sytuacja, gdyby przepu ci przez magazyn jednostki adunkowe paletowe bez z góry za o onego planu? Wobec sprawdzenia czy problem niepe nej realizacji przemieszczania ze strefy sk adowania jednostek adunkowych paletowych jednorodnych przeznaczonych do kompletacji wyst pi by, uczyniono co nast puje. Bez stosowania planu zgodnego z okre lonym w wyniku zastosowania metody projektowania, przepuszczono przez magazyn wielko ci przep ywu materia ów nieograniczone, co do warto ci, z góry, a ograniczone jedynie czasem pracy obiektu logistycznego. Postanowiono nie zamieszcza wykresu, a wyniki przedstawi w uj ciu tabelarycznym. Wyniki uzyskane o godzinie 22:00 (tab. 1) pozwalaj na jednoznaczne obarczenie win, za brak realizacji planu, harmonogramu pracy magazynu. Oczywi cie jest to jeden z kilku powodów, aczkolwiek niezwykle wa ki. W wyniku badania modelu symulacyjnego mo na tak e stwierdzi, ze zaprojektowana (obliczona) zosta a zbyt du a liczba rodków transportu. Wskazuj na ów fakt warto ci wska nika wykorzystania rodków transportu, które przytoczono w tab. 2. Wska nik

6 276 Mariusz Kostrzewski wykorzystania rodków transportu definiowany jest zgodnie z tre ci procedury zamieszczon poni ej: 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. Wielko ci przep ywu materia ów w funkcji czasu pracy magazynu Symbol zgodny z opisem z pocz tku ródtytu u 5. Warto przep ywu materia ów na koniec dnia pracy w magazynie Warto przep ywu przypadaj ca na dob i wynikaj ca z zastosowania metody projektowania obiektów logistycznych, [j p] Warto przep ywu przypadaj ca na dob i wynikaj ca z symulacji, [j p] Tablica 1 Warto przep ywu przypadaj ca na dob, nie b d cego ograniczonym przez plan realizacyjny, [j p] d e f g c b a Najbardziej podejrzane o przewymiarowanie na etapie korzystania z metody projektowania obiektów logistycznych s rodki transportu o najni szych warto ciach wska nika wykorzystania, np. T2.6, T2.7. S to wózki podno nikowe czo owe przewo ce jednostki adunkowe paletowe pomi dzy strefami sk adowania a komisjonowania. Stwierdzono, e gro czasu zajmuj im puste przebiegi lub oczekiwanie na zlecenie, co budzi podejrzenia odno nie zaprojektowanej liczby rodków transportu (omówiono w [7]).

7 Symulacyjne badanie przep ywu materia ów w magazynie 277 Rys. 3. Wykres warto ci wska nika wykorzystania rodków transportu wyra onych w procentach, dla poszczególnych rodków transportu Przydatne w badaniach jest narz dzie stanowi ce analizator w skich garde. U ycie analizatora wykaza o, e przez ponad 14% czasu pracy bufor na wyj ciu jest zablokowany. Fakt ów mo na by o dostrzec ju przy okazji analizy warto ci wymienionych w tab. 1 (wiersz g). 6. WNIOSKI Symulacyjne badania przep ywu materia ów w magazynie wykaza y nie cis o ci i niedopatrzenia poczynione na etapie wykorzystania metody projektowania obiektów logistycznych. Stwierdzono mianowicie, e bufor na wyj ciu z magazynu jest prze adowany, a ponadto, e w ramach projektowania magazynu nieopatrznie obliczono zbyt du liczb rodków transportu czy wreszcie w zaprojektowanym magazynie oko o 2% planu przej cia jednostek adunkowych paletowych przez zespó procesów magazynowych mo e nie by poddane realizacji (co by o wnioskiem z ostatniego wiersza tablicy 1). Nie cis o ci te maj zwi zek z niedopatrzeniami, jakie wyst pi y w ramach opracowania harmonogramu pracy magazynu. Wbrew pozorom nie jest to wiadomo, która nakazywa aby widzie projektanta magazynu w negatywnym wietle, ani te negowa zastosowanie metody projektowania obiektów logistycznych. Stosowanie narz dzi symulacyjnych nie wyklucza tradycyjnej formy projektowania, co podkre lone zosta o w szczególno ci na rys. 1. Przy tym Autorzy artyku u [1] stwierdzaj, e stosowanie wy cznie analitycznego podej cia do zagadnienia projektowania obiektów logistycznych jest niewystarczaj ce. Dochodz do wniosku, e wy czne u ywanie rozwi za symulacyjnych równie nie daje zadowalaj cych efektów. Ich wnioski prowadz do stwierdzenia, e metoda projektowania powinna opiera si jednocze nie na podej ciu analitycznym i stosowaniu rozwi za symulacyjnych. Autor niejednokrotnie nadmienia, jak wa na jest obok projektowania analitycznego ocena projektu dzi ki zastosowaniu bada symulacyjnym. Jednocze nie nale y przypomnie, e projekt,

8 278 Mariusz Kostrzewski o którym mowa, zosta zoptymalizowany dzi ki 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 s u y jedynie jednokrotnemu wykorzystaniu tj. na okazj weryfikacji projektu magazynu. Mo e ponadto s u y planowaniu krótkookresowemu. Wzrost zamówie jest cz sto zauwa alny dla kilku, kilkunastu nast puj cych po sobie dni. Si rzeczy ma to wp yw na prac magazynu. Narz dzie symulacyjne umo liwia przeniesienie ka dego urz dzenia i pracownika w wirtualny wiat magazynu, czyli do modelu symulacyjnego. Dzi ki temu kierownik magazynu czy inny decydent jest w stanie natychmiast zidentyfikowa w skie gard a mog ce wyst pi w danym okresie i podj dzia ania pozwalaj ce ich unikn. Ponadto mo liwe jest krótkoterminowe ledzenie zmian wydajno ci pracy pracowników, elementów suprastruktury czy infrastruktury. Model symulacyjny warto rozwin tak e o obieg informacji. Nie zosta o to uczynione. Zadanie jest czasoch onne tak jak zreszt budowa ka dego modelu symulacyjnego w formie takiej, by odpowiada a warunkom rzeczywistym. ród o finansowania: Mariusz Kostrzewski; Grant dzieka ski Dziekana Wydzia u Transportu w Politechnice Warszawskiej nr 504M Bibliografia 1. Ashayeri J., Gelders L.F., Warehouse design optimization, European Journal of Operational Research 21 (1985), ss , Elsevier Bangsow S.: Manufacturing Simulation with Plant Simulation and SimTalk Usage and Programming with Examples and Solutions, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Bangsow S. (Ed.): Use Cases of Discrete Event Simulation Appliance and Research, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Korze Z.: Logistyczne systemy transportu bliskiego i magazynowania - t. 1,2, Wyd. Instytutu Logistyki i Magazynowania, Pozna Kostrzewski M.: Jak stworzy em projekt magazynu, Euro Logistics 2/2007, Pozna 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 , ss , Warszawa, Kostrzewski M.: Porównanie metod projektowania magazynu - projektowanie wg procedury analitycznej oraz przy u yciu narz dzia symulacyjnego, Prace Naukowe seria Transport, z. 70, Oficyna Wydawnicza PW, ss , Warszawa UGS Corp.: Plant Simulation Product Description, UGS Corp, 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