陳俊男，劉世剛，王海泉

（吉林化工學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，吉林 吉林 132022）

1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)平面布局設(shè)計(jì)

本文主要對(duì)一物流企業(yè)的倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)流程進(jìn)行建模和仿真，經(jīng)了解該物流企業(yè)的倉(cāng)儲(chǔ)中心采用了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)。其中的A倉(cāng)庫(kù)B區(qū)主要存儲(chǔ)四種物料，擁有四個(gè)卸貨點(diǎn)和三個(gè)裝貨點(diǎn)，裝卸搬運(yùn)均采用燃油叉車進(jìn)行，在到達(dá)倉(cāng)庫(kù)后需要對(duì)每種貨物進(jìn)行自動(dòng)分揀，之后由四個(gè)工人進(jìn)行一道加工工序使其變成成品并輸送到特定的暫存區(qū)，最后將每種貨物通過(guò)四個(gè)堆垛機(jī)存儲(chǔ)到相應(yīng)的四個(gè)貨架中。在接到銷售訂單后將產(chǎn)品成批包裝出庫(kù)，每批的產(chǎn)品數(shù)量為八件。其立體倉(cāng)庫(kù)的平面布局如圖1所示。

由于Flexsim試用版本軟件有實(shí)體數(shù)量的限制，最多只能使用30個(gè)實(shí)體，因此下面的建模被劃分為三個(gè)階段進(jìn)行，依次分別是：入庫(kù)流程、存儲(chǔ)流程、出庫(kù)流程。

圖1 立體倉(cāng)庫(kù)的平面布局

2 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的相關(guān)設(shè)備及其基本參數(shù)

初步規(guī)劃的倉(cāng)儲(chǔ)各設(shè)備的主要數(shù)據(jù)如下：選取傳送帶、分揀傳送帶的速率為1m/s，加工處理器的加工時(shí)間為10s，發(fā)生器模擬每輛卸貨車中的四種貨物服從exponential(0，10，0)的分布函數(shù)，隨機(jī)的產(chǎn)生4種貨物。對(duì)應(yīng)著4個(gè)加工處理器，設(shè)計(jì)的貨架有4排，每個(gè)貨架10層10列，以達(dá)到貨位充裕，避免出現(xiàn)貨物呆滯情況。其模型的各個(gè)主要設(shè)備組成情況及其數(shù)量見(jiàn)表1。

表1 主要設(shè)備組成情況及其數(shù)量

3 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)出/入庫(kù)作業(yè)流程

3.1 入庫(kù)作業(yè)流程

在發(fā)生器模擬卸貨車隨機(jī)發(fā)出四種貨物后，將需要的貨物由人工叉車搬運(yùn)到貨物檢測(cè)區(qū)，進(jìn)行初步的入庫(kù)作業(yè)流程。如圖2所示，其流程可以簡(jiǎn)化為：卸貨、貨物檢測(cè)、貨物加工、貨物流轉(zhuǎn)、貨物暫存等待入庫(kù)流程。

3.2 出庫(kù)作業(yè)流程

出庫(kù)主要包括：數(shù)據(jù)的輸入、貨物分類包裝、分類組托、運(yùn)輸裝車等環(huán)節(jié)。其流程如圖3所示。

4 建立自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)仿真模型

4.1 建立入庫(kù)處理區(qū)的Flexsim模型

（1）設(shè)置布局：由于Flexsim軟件建模采用的是面向?qū)ο蠼＃恍枰鶕?jù)前面設(shè)計(jì)好的倉(cāng)庫(kù)平面圖進(jìn)行模型各個(gè)對(duì)象的布局，以此方法完成其他實(shí)體的布局。

圖2 入庫(kù)流程圖

圖3 出庫(kù)流程圖

（2）設(shè)置屬性與參數(shù)：根據(jù)每個(gè)對(duì)象所要模擬的實(shí)物物理系統(tǒng)特征，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)和屬性的設(shè)定。在操作窗口中，雙擊所要編輯的實(shí)體對(duì)象，打開(kāi)模型的參數(shù)設(shè)置窗口進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，同時(shí)完成實(shí)體行為邏輯的編輯。

①設(shè)置卸貨車參數(shù)：通過(guò)發(fā)生器對(duì)卸貨車的物理性質(zhì)的模擬，該卸貨車混亂地裝有四種類型的貨物，四種貨具有鮮明的外觀區(qū)別，并且卸貨車是按照exponential(0，10，0)的分布函數(shù)時(shí)間間隔到達(dá)倉(cāng)庫(kù)。

②設(shè)置檢測(cè)臺(tái)1參數(shù)：打開(kāi)檢測(cè)臺(tái)的屬性編輯框進(jìn)行編輯，貨物被送到檢測(cè)臺(tái)后需要進(jìn)過(guò)15s的檢測(cè)過(guò)程，在第一個(gè)貨物檢測(cè)時(shí)，第二個(gè)不允許進(jìn)入檢測(cè)區(qū)，只有當(dāng)?shù)谝粋€(gè)貨物檢測(cè)完后才能進(jìn)入。其貨物檢測(cè)臺(tái)的邏輯代碼如圖4所示。

③設(shè)置分揀傳送帶參數(shù)：分揀傳送帶根據(jù)實(shí)際需要，具有四個(gè)輸入端口，上游連接了傳送帶，下游連接了加工處理器，在傳送帶將貨物運(yùn)送到分揀傳送帶上時(shí)，分揀傳送帶以速度2，間隔值1的工作運(yùn)行，發(fā)送條件為一直發(fā)送。

④設(shè)置加工處理器的參數(shù)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，加工處理器識(shí)別貨物類型并拉取貨物。在加工一個(gè)貨物的時(shí)候不允許第二個(gè)貨物進(jìn)入，每個(gè)貨物需要加工的時(shí)間為10s，加工結(jié)束后由加工人員搬運(yùn)到傳送帶統(tǒng)一將這些產(chǎn)品輸送到暫存區(qū)。其結(jié)果處理器的參數(shù)如圖5所示。

根據(jù)實(shí)際要求將參數(shù)設(shè)置完畢后，便完成了入庫(kù)前階段的模型建立。點(diǎn)擊保存后重置運(yùn)行，其運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

圖4 貨物檢測(cè)臺(tái)1的邏輯代碼

4.2 建立貨物存儲(chǔ)區(qū)的Flexsim模型

圖5 加工處理器的參數(shù)設(shè)置

（1）設(shè)置布局：倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)的主要設(shè)備包括：AGV搬運(yùn)車、傳送帶、貨架，入庫(kù)堆垛機(jī)等設(shè)備。其布局如圖7所示。

（2）設(shè)置設(shè)備屬性和參數(shù)：在倉(cāng)儲(chǔ)模型中，主要的設(shè)備參數(shù)設(shè)置有：入庫(kù)暫存區(qū)1參數(shù)設(shè)置、傳送帶參數(shù)設(shè)置、貨架參數(shù)設(shè)置以及堆垛機(jī)的參數(shù)設(shè)置。

①入庫(kù)暫存區(qū)參數(shù)設(shè)置：入庫(kù)暫存區(qū)的參數(shù)設(shè)置主要針對(duì)下游貨物的流向以及AGV的調(diào)用設(shè)置，要求case值為1,2的流向傳送帶6，case值為3,4的流向傳送帶5，同時(shí)也給兩個(gè)AGV搬運(yùn)車設(shè)計(jì)了相應(yīng)的搬運(yùn)任務(wù)。

②貨架參數(shù)設(shè)置：這里的貨架參數(shù)主要包括：最大容量10 000 000；放置到層列設(shè)置：隨機(jī)放到可用層和可用列，貨架尺寸設(shè)置：列數(shù)10，列寬2，層數(shù)10，層高1。

③入庫(kù)堆垛機(jī)參數(shù)設(shè)置：主要包括升降速度：1，容量4，加速1，減速1，拉伸速度1，最大速度5等。

出庫(kù)后商品分類打包后進(jìn)行裝車，如圖8所示。

設(shè)置設(shè)備屬性和參數(shù)：涉及到參數(shù)編輯的主要設(shè)備有出庫(kù)堆垛機(jī)、合成器（打包臺(tái)）、AGV運(yùn)輸車、叉車等。

圖6 入庫(kù)前階段的運(yùn)行結(jié)果示意圖

圖7 入庫(kù)布局示意圖

①合成器（打包臺(tái)）參數(shù)設(shè)置：打包臺(tái)采用操作員進(jìn)行加工，加工時(shí)間為10s，臨時(shí)實(shí)體通過(guò)調(diào)用AGV小車進(jìn)行運(yùn)輸。

②出庫(kù)堆垛機(jī)參數(shù)設(shè)置：由于入庫(kù)堆垛機(jī)只有2架運(yùn)行，而出庫(kù)堆垛機(jī)有3架運(yùn)行，所以其運(yùn)行速率相對(duì)入庫(kù)堆垛機(jī)略小，升降速度為1，容量為2，最大速度為2，裝載卸載預(yù)留時(shí)間均為0，拉伸速度為1。

③發(fā)生器參數(shù)設(shè)置：如圖9所示，此處的發(fā)生器主要用于產(chǎn)生四種不同類型的托盤，當(dāng)操作員完成打包工作時(shí)，實(shí)現(xiàn)貨物托盤組托。

圖9 托盤發(fā)生器的參數(shù)示意圖

圖8 打包區(qū)布局及其示意圖

5 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的仿真分析

5.1 仿真模型運(yùn)行

（1）入庫(kù)模型運(yùn)行：根據(jù)以上操作以及相應(yīng)參數(shù)設(shè)置完成所有建模流程后，然后對(duì)完成的入庫(kù)、存儲(chǔ)、出庫(kù)三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行模型300s的仿真運(yùn)行。在連續(xù)運(yùn)行300s后再觀察其各設(shè)備的輸入輸出量，其入庫(kù)的仿真結(jié)果如圖10所示。

（2）倉(cāng)儲(chǔ)模型運(yùn)行：在入庫(kù)流程中發(fā)生器的到達(dá)時(shí)間間隔參數(shù)設(shè)置是：exponential(0，20，0)，第二階段的貨物發(fā)生器的到達(dá)時(shí)間間隔參數(shù)設(shè)置為：exponential(0，5，0)。在運(yùn)行300s后倉(cāng)儲(chǔ)模型的運(yùn)行結(jié)果如圖11所示：其中倉(cāng)儲(chǔ)模型Dashboard統(tǒng)計(jì)描述的數(shù)據(jù)有：暫存區(qū)、任務(wù)執(zhí)行器、傳送帶和貨架的狀態(tài)分析圖，利用狀態(tài)分析圖可以對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行效率分析。

（3）出庫(kù)模型運(yùn)行：同樣，在出庫(kù)流程中也引入了Dashboard數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工具，在出庫(kù)流程中主要分析AGV搬運(yùn)車、合成器（打包臺(tái)）、叉車的效率和每小時(shí)輸出數(shù)量，以及各個(gè)暫存區(qū)的輸入量。其模型運(yùn)行結(jié)果如圖12所示。

5.2 仿真數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖10 300s后的入庫(kù)結(jié)果示意圖

圖11 300s后的倉(cāng)儲(chǔ)結(jié)果示意圖

圖12 300s后的出庫(kù)結(jié)果示意圖

（1）入庫(kù)模型的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2、表3，主要統(tǒng)計(jì)了檢測(cè)臺(tái)、分揀傳送帶、暫存區(qū)的輸入量以及分揀傳送帶、加工處理器的輸入量：

表2 入庫(kù)輸入統(tǒng)計(jì)表

表3 入庫(kù)輸出統(tǒng)計(jì)表

（2）存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)主要統(tǒng)計(jì)了暫存區(qū)、AGV、傳送帶、貨架的狀態(tài)分析，傳送帶、堆垛機(jī)、貨架的輸入量以及AGV、堆垛機(jī)每小時(shí)輸出量。其具體數(shù)據(jù)如圖13、表4、圖14所示。

圖13 存儲(chǔ)區(qū)各設(shè)備狀態(tài)分析

表4 存儲(chǔ)區(qū)輸入量統(tǒng)計(jì)表

圖14 堆垛機(jī)、AGV每小時(shí)的輸出量

（3）出庫(kù)區(qū)的數(shù)據(jù)主要對(duì)任務(wù)執(zhí)行器、打包臺(tái)、叉車進(jìn)行了狀態(tài)分析，如圖15所示，為了更加方便地觀察各個(gè)區(qū)的貨物數(shù)量，還統(tǒng)計(jì)了輸入量與一些設(shè)備每小時(shí)的輸出量。如圖16、圖17所示。

圖15 出庫(kù)區(qū)的各設(shè)備狀態(tài)分析統(tǒng)計(jì)

圖16 模型運(yùn)行出庫(kù)區(qū)各區(qū)貨物輸入量

圖17 出庫(kù)區(qū)各設(shè)備的每小時(shí)輸出量

5.3 模型優(yōu)化分析

（1）入庫(kù)區(qū)優(yōu)化分析。通過(guò)上面入庫(kù)區(qū)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)臺(tái)的輸入量依次是16、10、15、12，其運(yùn)行狀況良好，但分揀傳送帶由于只有一條，輸入數(shù)量為51，出現(xiàn)了阻塞現(xiàn)象，查看分揀傳送帶可以發(fā)現(xiàn)其運(yùn)行速度為1，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，將分揀傳送帶的速度由1變?yōu)?，再將下游的傳送帶改變成直線傳送帶，可以明顯的看到直線傳送帶跟普通傳送帶相比有較多的優(yōu)勢(shì)，不僅可以擁有多個(gè)對(duì)接端口，而且還縮短了操作員的運(yùn)輸距離，優(yōu)化前因?yàn)槭褂闷胀▊魉蛶В挥幸粋€(gè)端口，所以四個(gè)操作員均需要將貨物搬運(yùn)到唯一的一個(gè)指定端口，由于3號(hào)、4號(hào)操作員距離端口較遠(yuǎn)，故而出現(xiàn)了處理器運(yùn)行效率較低的情況。當(dāng)使用直線傳送帶后便很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，使模型達(dá)到了優(yōu)化。其優(yōu)化后的模型及其數(shù)據(jù)如圖18所示。

圖18 優(yōu)化后的模型及其數(shù)據(jù)

可以看到檢測(cè)臺(tái)的輸入量分別是：16、14、16、20，分揀傳送帶的輸入量為65，暫存區(qū)的輸入量為56，而加工處理器的輸出量分別是：16、13、14、16，優(yōu)化后的數(shù)據(jù)明顯高于優(yōu)化前的模型數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5、表6。

表5 優(yōu)化前后的輸入量統(tǒng)計(jì)對(duì)照表

表6 優(yōu)化前后的輸出量統(tǒng)計(jì)對(duì)照表

（2）存儲(chǔ)區(qū)優(yōu)化分析。在存儲(chǔ)區(qū)的設(shè)備狀態(tài)分析圖中可以發(fā)現(xiàn)AGV的運(yùn)行效率分別是：88.9%、93.6%，其運(yùn)行狀況較好，每小時(shí)的貨物輸送量均超過(guò)了200，堆垛機(jī)的每小時(shí)數(shù)量超過(guò)100，各個(gè)貨架的輸入數(shù)量也比較均勻，入庫(kù)堆垛機(jī)的運(yùn)行效率也較為良好。但當(dāng)運(yùn)行到300左右時(shí)可以明顯地看到傳送帶1、2、3、4出現(xiàn)了貨物堵塞情況。如圖19所示，這是由于上游貨物較多，而下游的堆垛機(jī)運(yùn)行速率較低所致，可以將原來(lái)堆垛機(jī)的升降速率變?yōu)?，貨叉速度3.拉伸速度3，容量4，加速4，通過(guò)堆垛機(jī)的速率改變來(lái)提高堆垛機(jī)的運(yùn)行效率。

圖19 貨物阻塞情況圖

優(yōu)化前后的各設(shè)備輸入量對(duì)照見(jiàn)表7：在表中可以明顯地看到優(yōu)化后堆垛機(jī)的運(yùn)輸數(shù)量明顯比優(yōu)化前提高了，改變了之前傳送帶堵塞的情況，同時(shí)也提高了貨架的存儲(chǔ)效率，在相同的時(shí)間里貨架存儲(chǔ)了存儲(chǔ)了更多的貨物，使得存儲(chǔ)目標(biāo)的到了實(shí)現(xiàn)。

表7 倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)輸入量對(duì)照表

優(yōu)化后的模型如圖20所示：在圖中可以明顯地看到，在模型運(yùn)行到300s時(shí)，傳送帶已經(jīng)沒(méi)有了之前出現(xiàn)的堵塞情況，運(yùn)行效率得到了改善。

圖20 優(yōu)化后的存儲(chǔ)示意圖

（3）出庫(kù)區(qū)優(yōu)化分析。通過(guò)出庫(kù)區(qū)的狀態(tài)分析可以看到任務(wù)執(zhí)行器的運(yùn)行效率分別是：95.2%、94.9%，打包臺(tái)的運(yùn)行效率分別是：95.8%、95.0%、96.5%、94.9%，運(yùn)行效率都比較高。而叉車的運(yùn)行效率分別是：12.4%、14.1%，相對(duì)比較低，但當(dāng)模擬運(yùn)行到600s時(shí)，如圖21所示，可以看到待包裝區(qū)出現(xiàn)了貨物積壓的情況，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，待包裝區(qū)不應(yīng)該出現(xiàn)貨物積壓，因此可以通過(guò)改變AGV小車的容量來(lái)提高運(yùn)輸量，之前AGV小車的容量為1，當(dāng)把容量改為4后，小車的運(yùn)輸效率就得到了很大的提高，并且解決了暫存區(qū)中的擠壓?jiǎn)栴}。

圖21 優(yōu)化前模型示意圖

優(yōu)化后的模型數(shù)據(jù)如圖22所示，在圖中可以明顯看到出庫(kù)暫存區(qū)與產(chǎn)品出庫(kù)區(qū)的貨物數(shù)量有了很大的提高，通過(guò)AGV容量參數(shù)的改變可以很好地解決以上包裝區(qū)存在的貨物積壓情況。

圖22 優(yōu)化后模型示意圖

（4）數(shù)據(jù)分析概括。通過(guò)以上數(shù)據(jù)以及運(yùn)行結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，利用好Flexsim軟件可以很好地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)模擬仿真，并且能夠在較短的時(shí)間條件下對(duì)模型實(shí)體進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)了模型仿真的目的。

在入庫(kù)模型、存儲(chǔ)模型以及出庫(kù)模型的優(yōu)化過(guò)程中，都可以通過(guò)觀察數(shù)據(jù)很快地察覺(jué)到其所存在的問(wèn)題，在入庫(kù)模型中我們通過(guò)將普通傳送帶改變?yōu)橹本€傳送帶不僅解決了上游堵塞的情況，而且還間接的優(yōu)化了操作員的行程路徑，使得入庫(kù)效率明顯提升：在倉(cāng)儲(chǔ)模型中只需要通過(guò)對(duì)堆垛機(jī)參數(shù)的簡(jiǎn)單改變便可以將其效率提高很大一個(gè)層次：而在出庫(kù)模型中通過(guò)對(duì)AGV小車的容量參數(shù)改變，通過(guò)提高AGV小車的效率來(lái)改變上游存在的貨物積壓情況，同時(shí)也提高了下游產(chǎn)品的出產(chǎn)率。在整個(gè)優(yōu)化仿真過(guò)程中都可以發(fā)現(xiàn)其優(yōu)化過(guò)程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，仿真結(jié)果也不需要等待過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間，通過(guò)調(diào)節(jié)仿真運(yùn)行速率便可以很快的得到仿真結(jié)果。

此外，因?yàn)榫哂袕?qiáng)大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能Dashboard，我們可以很快地對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，從而快速的找出優(yōu)化點(diǎn)，作出相應(yīng)的優(yōu)化方案。這在很大程度上大大地節(jié)省了仿真人員的優(yōu)化時(shí)間，不需要向其他仿真軟件那樣需要反復(fù)地改變代碼或者重新編譯才能完成優(yōu)化目標(biāo)。