带你认识一下IE系统仿真
前言：机缘巧合，有幸进入富士康IE学院，在全国最大的IE系统仿真中心学习和成长。在将近十年的时间里，学到了很多系统的IE知识，也让我更加坚定地在这个行业耕耘和发展。国内高校IE专业基本都有系统仿真课程的安排，很多朋友已经对理论概念有了系统的认识，所以笔者会着重在仿真实际应用方面跟大家简单探讨：什么是仿真、仿真的作用、有哪些应用和使用注意事项，也欢迎大家批评交流。
1.什么是仿真
仿真，就是在计算机系统中建立和使用动态模型进行分析的过程。通过输入参数的改变和输出参数的表现，评估现实系统或者未来系统的绩效。相比较优化的方式，仿真面向对象的建模方式比抽象的公式更易于理解(仿真因为有可视化模型，所以非常形象；仿真编程语言也经过模块化处理，比较容易上手)。
仿真的过程也可简单分为目标设定→数据收集与分析→模型建立与验真→输入数据→输出分析并形成报告几个步骤。其中关键步骤在数据收集与分析上，基本上占了60%以上的专案时间。
在开展系统仿真专案的过程中，很多专案在进行了数据收集和分析的步骤后，不用借助仿真工具也可以解决问题，或者仿真已经从分析的角色退化为佐证了，从而给很多人有一种“仿真没什么大用处”的感觉。其实开展IE专案，静下心来对流程进行清晰地梳理和认识非常重要，很多专案虽然看起来规模很大、也很复杂，但是经过流程分析后，问题就会迎刃而解了。在从事仿真专案的推动初期3年时间里，个人的IE经验可以说比较匮乏，但做出的仿真分析却基本没有太多疏漏，主管的正确指导是一个原因，另外一个重要原因是在设计仿真数据表格和数据整理的过程中，加强了对于流程的梳理。
2、仿真的作用
仿真的作用，按照笔者的理解，可以简单用2A来概括:Animation(动画)和Analysis(分析)。
2.1 动画 让信息传递更加准确、迅速
对于同样的事物，语言或者文字描述的方式各不相同；而对于同样的文字，不同人的理解也会有很大的差异。仿真给人的第一印象就是有很多动态的物件在电脑里以2D或者3D的形式运行，感觉很炫，其实这也是系统仿真的一个重要应用。因为有可视化的图形和数据，可以使信息沟通更加直接、传递更加准确。
很多IE人都从事管理幕僚的工作，如何帮助老板快速有效地认识问题、分析问题、做出决策就极为重要。一段2分钟的动画，对于一位不具有工程背景的老板来说，比对着工程档案看一堆符号和参数要节约很多时间，或者这位老板看过动画之后可以更加明确哪些需要重点确认；对于产线的作业人员，与其阅读SOP、手把手的教，然后管理人员再纠正理解偏差，不如用动态图形直接展示产品组装和重点管控要点来的真切（富士康有视频sop）。当今多媒体大兴其道，影像广告优于纸媒体宣传也是类似的道理。
2.2 分析 大型复杂系统和专业领域分析
2.2.1大型复杂分析
元素众多、内在逻辑比较复杂的系统，我们称之为大型复杂系统。因为涉及太多元素之间的复杂逻辑关系，用传统的静态方式很难计算，所以就利用仿真工具建立一个虚拟模型进行分析。
比如需要分析一个厂区的就餐系统，就要涉及各栋楼各单位停工、人员在车间内行走、过卡口安检查验、从不同楼层下楼、选择餐厅、选择就餐位置就餐、处理餐盘以及返回车间等几个步骤，也会涉及到人员、警卫、餐厅服务员等各类人员元素，还会有排队、等待和行走干扰等相对复杂的人员交互关系。这就是一个大型复杂系统，借助仿真工具才有可能做完善的分析。
如果一个系统元素众多而没有复杂逻辑，那么它仍然是一个简单系统而已。比如分析一个企业的产能匹配，仅仅是把冲压、成型、SMT、装配各个大制程看做一个单独的实体(尽管各大制程都有很多机台、人员因素、细部物流等因素)，其实和分析一条四个工站的产线没有什么区别，用静态计算的方式反而更急快速、经济。
而一个系统虽然表面看起来元素比较少，但是内部逻辑却很复杂，就应该被视为大型复杂系统进行建模分析。比如1个人操作10台机器，每台机器需要中间做画面检查确认、声音确认、按压按钮切换程式等6步动作，每一个测试步骤还要在误测时换机台重测，不同设备良率不同，操作过程中还有最远2m的走动距离。这个只有表面上11个元素的系统就是一个大型复杂系统，用静态的人机联合操作分析手段比较难以分析，而使用仿真软件的相关模块进行分析就会比较有效率。
所以要从实际元素和逻辑复杂程度来界定是否是大型复杂系统，从而在静态分析或仿真分析两者间选择哪种更加经济有效。
2.2.2 专业领域分析
研发、制造的很多分析需要借助昂贵的实验仪器、或者在实验室才可以实现，比如人因工程的疲劳恢复、持续肌肉损伤问题需要测定二氧化碳或者肌肉电荷。一般只有像核电、航天或者汽车业这些财力雄厚的行业才能有这样的实力独立或则委托研究所进行分析。而有了仿真软件，就可以让没有昂贵仪器的公司实现类似的分析。建立人因工程模型，将作业布局、作业动作、搬运/操作的负荷等参数输入软件进行分析，就可以得到想要的数据方便又经济。
3、仿真的应用及分析内容
3.1 生产物流系统分析
a.厂区/楼层物流规划：仓库存量变化、物料搭载方式、物流通道负荷、排队等待时间、排队长度、物料准点率、物流设施/物流人员饱和度、产线UPH等
b.码头评估：码头车位数量、车位功能划分、车辆等待时间、车辆排队长度、排队优先等级设定等
c.电梯负荷分析：电梯使用率、电梯口排队时间、电梯口暂放区设置、电梯使用规范优化、排队长度、电梯使用优先等级
d.生产线分析：平衡分析、UPH&UPPH、机台稼动率、流水线速度、产线buffer设置、物料供应情况等
3.2 生活系统规划与分析
a.食堂就餐错峰：各单位就餐时间排配、安检等待时间、车间内外人员动线、配餐动线、餐饮供应量、餐厅人员峰值、就餐等待时间等
b.消防系统评估：车间layout、人员疏散路径、逃生口选择机制、逃生总时间预估、通道宽度评估、楼梯口等待时间
c.邮递路线优化：投递路径优化选择、投递优先顺序排配、园区内人流车流干扰等
d.园区道路交通分析：人车分流设计、路口人员队列长度及等待时间、闸口车辆排队长度及等待时间、错峰上下班规划。
3.3 自动化系统分析
a.车间物流自动化(例如AGV&RGV)：物流路线设计与优化、物流设施数量评估、系统瓶颈预分析、控制逻辑分析
b.自动化设备优化控制：前后制程搭配性评估、buffer设定、各重要设备利用率评估与分析、异常处理机制、不良重测与复测等
c.Robot导入分析：方案对比、程式分析、UPH、机台利用率
3.4 人因工程
作业空间设计、人员姿势分析、受力或扭矩分析、疲劳度分析、人员动作等级分析、作业台高度设计、操作层结构设计(倾斜角度/抽屉式)
3.5 其它应用
a. 供应链：选址策略评估、订货与调配策略、配送网络优化、运营成本分析
b. 节能环保：例如烤漆厂通过多参数实验分析，找出满足膜厚和均匀度的喷涂方式
c. 照明设计：灯具高度和密度分析
4、使用注意事项
4.1软件的选择
目前业界的仿真软体几十种，有的偏重强大的逻辑编程能力、有的偏模块使用便利性、有些软件则内嵌优化模块。如何在众多软件中选择就成了重中之重。个人认为，可以从以下几个方面来考虑。
a.行业特性：汽车行业和炼油行业生产制程差异很大，前者的零件生产、运输、组装可以认为是离散的数据形式，而后者的液体在管路流动则可以视为连续的数据分布。所以选择软件时请先识别所处行业的特性，才能使工具用起来得心应手。
b.分析需求：细致的产线研究和宏观的整厂运作需要的数据计算量会相差很大。前者可能对细节逻辑编程便利性要求高一些，而后者则要求有高速的数据运算能力。
c.人才结构：如果软件使用者的编程能力强，或者可以有专人研究仿真，则可以选择开放性较强的软件；而编程能力弱的使用者或者研究软件时间不太宽裕，选择集成化程度较高的反而好一些。
d.3D还是2D：3D软件的模型比较直观，但运算量比2D要高出很多，对电脑的配置要求高，运算速度也会慢一点，而2D的逻辑编程便利性更强一些，但对于内部逻辑运算两者其实没有多大差异。如果不是特别追求外观，选择运算较快的2D软件就可以了。当然如果3D软件中有贵部直接可以使用基础模块就另当别论了。
4.2 适度细化
仿真模型是一个可以与现实系统等价的虚拟模型。所谓的等价就是数据元素和运作逻辑可以视为相同，从而可以在虚拟系统预测现实系统经过变动后的表现。细化程度越高，与现实系统的相似度越高，即等价性越大。但是每一层的细化往往代表数据量和编程工作量的大幅增加，所以细化要适度。
比如研究产线时，需要输入各工站的工时数据，采集10个数据求出均值和方差虽然不如用100个数据进行拟合来的准确，但对于工厂内的研究来说10组就已经足够了。再比如，测试不良有15种，各个项目测试工时的差异很大，但是研究中依据80/20原则用重点几个不良进行替代就可以了，没有必要将全部不良都输入到模型中去。
4.3 重视模型验真
内在运作逻辑是仿真模型的核心，如果建立模型时逻辑错误或者逻辑概括不完全，那么再漂亮复杂的模型也没有多大意义了。因此模型建立完成后，需要对模型进行验真。笔者通常采用三步走的方法进行。
a.少量投入(一般投入周转批量的数量)，让系统运作起来，判断整个流程是否正常。这个步骤运行时钟速度要调整得非常慢，便于逐个工站观察。
b.大量投入(一般运行8H仿真时钟时间，足量投入)，让系统稳定长时间运作，观察周转逻辑、WIP设置、UPH，堆积状况，从整体判断模型。
c.输入一组实际数据，观察与实际输出的差异度，或者判断与理论值的偏差。这一步通常与基础IE数据相对比，并需要一定的经验判断。
4.4 不可脱离现场
仿真虽然看起来高端大气，是一个进阶的IE工具，但是现场永远是IE工作的源泉，仿真从业人员不能完全脱离现场，仅仅专精软件技术而成为了无本之木。工具的使用能力、建模技巧固然很重要，但制程的熟悉对于正确提取仿真逻辑、判断分析仿真结果至关重要。
仿真是一个从60分上升到100分的过程，而现场经验累积正是基础的60分。抛掉各种工具的形式掩盖，做IE最重要的任务还是要解决问题。只有将现场经验和仿真等进阶技术共同融合、共同进步，做两条腿走路的π型人才，仿真从业人员次才能有好的发展。
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