李露莎，楊旭東，楊 姣，劉 旭，周 林

（1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省煙草公司黔南州公司，貴州 黔南 558000）

0 引言

傳統(tǒng)的細(xì)支煙分揀主要采取純手工或電子標(biāo)簽輔助人工分揀、整理、包裝的模式，但勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低。近年來(lái)，隨著細(xì)支煙銷量的急劇增加，為保證分揀效率，傳統(tǒng)細(xì)支煙分揀模式逐漸演變?yōu)榧?xì)支煙、標(biāo)準(zhǔn)煙共線分揀模式。臥式分揀機(jī)作為可同時(shí)分揀標(biāo)準(zhǔn)煙和細(xì)支煙的條煙分揀設(shè)備，具有煙倉(cāng)儲(chǔ)量大、可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)補(bǔ)煙、分揀等優(yōu)點(diǎn)，因而在細(xì)支煙、標(biāo)準(zhǔn)煙共線分揀中得到廣泛的應(yīng)用。目前對(duì)物流系統(tǒng)進(jìn)行高效、快速的優(yōu)化研究，多采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。

物流系統(tǒng)仿真技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在不組裝實(shí)際系統(tǒng)、不需要停止物流節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)的前提下，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)揀選設(shè)備、運(yùn)行策略等的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)揀選作業(yè)效率的提高。Flexsim仿真軟件具有采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、突出3D顯示效果、建模和調(diào)試簡(jiǎn)單開(kāi)放方便、模型的擴(kuò)展性強(qiáng)、易于和其他軟件配合使用等特點(diǎn),是一款在物流領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的仿真軟件。郭笛，等針對(duì)多重約束下智慧倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的配置問(wèn)題，運(yùn)用Flexsim建立離散系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)模型的運(yùn)行，尋求系統(tǒng)的優(yōu)化方向，求得最優(yōu)解。楊瑋，等對(duì)某醫(yī)藥物流中心揀貨流程建立Flexsim仿真模型，分析模型運(yùn)行結(jié)果，找出了瓶頸，并對(duì)揀貨流程進(jìn)行了優(yōu)化。邱建偉，等分析了SF桂林中轉(zhuǎn)場(chǎng)快件分揀系統(tǒng)，運(yùn)用Flexsim建模并仿真，分析仿真統(tǒng)計(jì)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)了存在的瓶頸。周子一，等以高?？爝f聯(lián)盟服務(wù)站為研究對(duì)象，利用Flexsim可視化仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)某高?？爝f聯(lián)盟服務(wù)站分揀系統(tǒng)人力和運(yùn)力模型，并仿真、分析優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果，實(shí)現(xiàn)服務(wù)站作業(yè)效率的提高。

通過(guò)查閱眾多運(yùn)用Flexsim對(duì)物流系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)他們關(guān)注的主要是倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、醫(yī)藥物流系統(tǒng)、快件分揀系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)，對(duì)煙草物流分揀系統(tǒng)的研究較少涉及。本文選用Flexsim仿真軟件，將物流系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用于某煙草物流配送中心細(xì)支煙、標(biāo)準(zhǔn)煙共線分揀系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模并仿真，找到影響其分揀效率的關(guān)鍵問(wèn)題，并提出相應(yīng)的解決措施。

1 細(xì)標(biāo)共線分揀系統(tǒng)整體流程

某卷煙廠生產(chǎn)的各類卷煙依采購(gòu)計(jì)劃匯集到某煙草物流配送中心，在煙草物流配送中心完成件煙入庫(kù)和盤點(diǎn)，入庫(kù)后的件煙在倉(cāng)庫(kù)中存儲(chǔ)；當(dāng)客戶（卷煙零售戶）有訂貨需求時(shí)，根據(jù)客戶的卷煙訂貨需求進(jìn)行件煙出庫(kù)；件煙出庫(kù)后依客戶訂單信息進(jìn)行條煙的開(kāi)箱分揀；經(jīng)臥式分揀機(jī)（單出口）分揀好的條煙合單后，再依次進(jìn)行條煙打碼，以便對(duì)卷煙進(jìn)行出入庫(kù)管理，對(duì)銷售信息和渠道進(jìn)行跟蹤監(jiān)管；打碼后的條煙按客戶訂單號(hào)進(jìn)行碼垛和裹膜包裝，在包裝好的煙包上粘貼煙包所含條煙數(shù)、所屬客戶和線路等信息的標(biāo)簽后轉(zhuǎn)入待配送暫存區(qū)進(jìn)行復(fù)核盤點(diǎn)；最后將分揀包裝好的卷煙準(zhǔn)確快速地送到客戶手中。整體流程如圖1所示。

圖1 細(xì)標(biāo)共線分揀系統(tǒng)主要工作流程

由圖1可知，在臥式分揀機(jī)（單出口）分揀線上除首尾兩頭為人工出庫(kù)和人工收貨外，中間環(huán)節(jié)全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但實(shí)際分揀效率僅為11 420條/h，因而該分揀線仍有提升分揀效率的空間。

2 細(xì)標(biāo)共線分揀系統(tǒng)仿真建模

2.1 模型實(shí)體設(shè)計(jì)

在不影響仿真結(jié)果的前提下，為了保證Flexsim仿真模型不因隨機(jī)因素而產(chǎn)生誤差，模型中不考慮自動(dòng)打碼、自動(dòng)貼標(biāo)作業(yè)環(huán)節(jié)。

根據(jù)某煙草物流配送中心細(xì)標(biāo)共線分揀系統(tǒng)的工作流程，得出該系統(tǒng)的設(shè)備及其與仿真系統(tǒng)中實(shí)體之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及為了實(shí)現(xiàn)仿真功能而需要的輔助實(shí)體，見(jiàn)表1。

表1 Flexsim模型實(shí)體對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 模型屬性及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)實(shí)際分揀系統(tǒng)各設(shè)備分揀參數(shù)進(jìn)行Flexsim中對(duì)應(yīng)實(shí)體參數(shù)設(shè)置，模擬各設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)某煙草物流配送中心細(xì)標(biāo)共線分揀系統(tǒng)整體作業(yè)流程，并按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布局情況進(jìn)行建模，得到仿真模型，如圖2所示。對(duì)仿真模型相關(guān)參數(shù)的設(shè)置如下：

圖2 Flexsim仿真模型

自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)效率200件/h/臺(tái)；

補(bǔ)貨小車補(bǔ)貨運(yùn)行速度2m/s，裝煙容量一箱共50條，裝載時(shí)間5s/次，卸載時(shí)間10s/次；

臥式分揀機(jī)出煙速度0.4s/條；

傳送帶速度0.9-1.5m/s（其中碼垛包裝機(jī)前傳送帶速度為1.2m/s）；

訂單間距：1 050mm/兩個(gè)訂單間；

碼垛包裝機(jī)效率840包/h。

2.3 仿真分析

對(duì)某煙草物流配送中心某周訂單數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，不設(shè)置固定的仿真時(shí)間，直到該訂單仿真完成為止。重置后運(yùn)行模型，運(yùn)行結(jié)束，導(dǎo)出狀態(tài)表，獲取仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2-表5。

表2 自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表5 自動(dòng)補(bǔ)貨小車運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表4 碼垛包裝機(jī)前進(jìn)煙傳送帶運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

臥式分揀機(jī)自動(dòng)分揀作業(yè)在仿真模型中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)為皮帶機(jī)+分解器+暫存區(qū)+吸收器，皮帶機(jī)模擬導(dǎo)入滑道及儲(chǔ)存?zhèn)}，分解器用于打開(kāi)5條/垛的模擬煙包，分解時(shí)間為零，分解完后送入暫存區(qū)模擬執(zhí)行倉(cāng)分揀出煙，煙包由吸收器吸收，因而可從暫存區(qū)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分揀效率描述，經(jīng)仿真運(yùn)行，得出臥式分揀機(jī)分揀效率為12 891條/h。

自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)的運(yùn)行情況由處理器1、2、3仿真數(shù)據(jù)表達(dá)，正在處理表示自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)工作運(yùn)行時(shí)間占比，空閑表示自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)的待機(jī)狀態(tài)占比，由表2可見(jiàn)空閑時(shí)間過(guò)多，自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)效能未能充分發(fā)揮。自動(dòng)補(bǔ)貨小車由Agv1、2、3模擬，自動(dòng)補(bǔ)貨運(yùn)行時(shí)間占比由空載、裝載運(yùn)行時(shí)間及裝載、卸載時(shí)間代表，空閑代表自動(dòng)補(bǔ)貨小車待機(jī)時(shí)間，由表5可見(jiàn)空閑時(shí)間過(guò)多，自動(dòng)補(bǔ)貨小車效能未能充分發(fā)揮。

碼垛包裝機(jī)運(yùn)行情況由合成器1仿真數(shù)據(jù)表達(dá)，正在處理表示碼垛包裝機(jī)正處于碼垛包裝作業(yè)狀態(tài)，收集代表碼垛包裝機(jī)攜同包裝膜等待皮帶輸送條煙即碼垛包裝機(jī)處于空閑狀態(tài)，由表3可知，其作業(yè)時(shí)間占比高達(dá)99.99%。碼垛包裝機(jī)前進(jìn)煙傳動(dòng)帶輸送時(shí)間占比為74.13%，堵塞時(shí)間占比為25.86%，說(shuō)明已分揀好的訂單有25.86%的時(shí)間是處于等待碼垛包裝的狀態(tài)，致使分揀效率低。

表3 碼垛包裝機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)仿真統(tǒng)計(jì)可得各設(shè)備的利用率如圖3-圖5所示。

圖3 自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)工作狀態(tài)餅狀圖

圖4 碼垛包裝機(jī)1、傳送帶1工作狀態(tài)餅狀圖

圖5 自動(dòng)補(bǔ)貨小車工作狀態(tài)餅狀圖

3 細(xì)標(biāo)共線分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 存在的問(wèn)題

結(jié)合Flexsim仿真模型運(yùn)行結(jié)果，綜合分析該系統(tǒng)補(bǔ)貨、分揀、碼垛包裝三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，得出該細(xì)標(biāo)共線分揀系統(tǒng)存在的問(wèn)題如下：（1）臥式分揀機(jī)分揀效率僅為12 891條/h，其分揀效能未能充分發(fā)揮，分揀效率有很大的提升空間；（2）自動(dòng)補(bǔ)煙環(huán)節(jié)自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)、自動(dòng)補(bǔ)貨小車待機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，設(shè)備利用率低，進(jìn)而影響分揀效率；（3）碼垛包裝機(jī)時(shí)刻處于工作狀態(tài)，仍不能滿足分揀需求，等待碼垛包裝的訂單使得碼垛包裝機(jī)前輸送皮帶堵塞嚴(yán)重，影響分揀效率。

3.2 分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)以上問(wèn)題，并充分考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出改進(jìn)方案一：增設(shè)一臺(tái)碼垛包裝機(jī)（保持系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)不變），從而提升分揀效率，但經(jīng)仿真分析得出該方案的分揀效率僅為16 113條/h，分揀量?jī)H提高3 222條/h，雖然皮帶1的堵塞現(xiàn)象得到了很好的緩解，但碼垛包裝機(jī)利用率大大降低，臥式分揀機(jī)、補(bǔ)貨小車、自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)的利用率提高較少，說(shuō)明該方案優(yōu)化效果較差。仔細(xì)分析臥式分揀機(jī)出煙情況可知，由于按訂單依次分揀出煙時(shí)，各煙倉(cāng)在分揀間隙等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而導(dǎo)致設(shè)備利用率低、分揀效率提升較小。

因而提出改進(jìn)方案二：對(duì)臥式條煙分揀機(jī)打擊機(jī)構(gòu)、分揀出口進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將原來(lái)的單口出煙改進(jìn)為雙口出煙；對(duì)應(yīng)增加一條卷煙分揀輸送線；為了緩解傳送帶堵塞嚴(yán)重的現(xiàn)象，在其他參數(shù)不變的情況下，將傳送帶速度從0.9-1.5m/s改進(jìn)為0.7-1.3m/s（其中碼垛包裝機(jī)前傳送帶速度為0.9m/s）。這樣不僅能分擔(dān)碼垛包裝機(jī)工作負(fù)擔(dān)，緩解傳送帶堵塞現(xiàn)象，還可以提升補(bǔ)貨、分揀環(huán)節(jié)的設(shè)備利用率，進(jìn)而提高分揀效率。

改進(jìn)前的臥式條煙分揀機(jī)主要由緩存?zhèn)}、推煙機(jī)構(gòu)、分揀煙倉(cāng)、打擊機(jī)構(gòu)、分揀出口（單出口）組成，如圖6所示。每個(gè)分揀煙倉(cāng)單獨(dú)配備一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，相鄰煙倉(cāng)間電動(dòng)機(jī)前后交錯(cuò)排布，可根據(jù)不同工作情況為臥式機(jī)組裝不同數(shù)量的分揀煙倉(cāng)。工作時(shí)條煙經(jīng)自動(dòng)補(bǔ)貨系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)貨至緩存?zhèn)}，推煙機(jī)構(gòu)將緩存?zhèn)}內(nèi)條煙推進(jìn)分揀煙倉(cāng)，打擊機(jī)構(gòu)根據(jù)訂單需求將條煙打至相應(yīng)出口并滑落在輸送帶上，輸送帶不斷運(yùn)動(dòng)，將異型條煙向下一環(huán)節(jié)輸送。

圖6 改進(jìn)前臥式條煙分揀機(jī)結(jié)構(gòu)圖

可改進(jìn)臥式條煙分揀機(jī)打擊機(jī)構(gòu)及分揀出口，利用三相異步電動(dòng)機(jī)可以頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)及逆轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，由電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制打擊機(jī)構(gòu)鏈條組件對(duì)稱的兩個(gè)推頭實(shí)現(xiàn)單煙倉(cāng)、雙出口分揀。改進(jìn)后臥式條煙分揀機(jī)分揀煙倉(cāng)背側(cè)與前側(cè)對(duì)稱設(shè)置分揀出煙傳感器安裝盒子及第二分揀出口，并在打擊機(jī)構(gòu)上新增一個(gè)打擊出煙傳感器安裝位，如圖7所示。

圖7 臥式條煙分揀機(jī)改進(jìn)部分結(jié)構(gòu)圖

臥式條煙分揀機(jī)由單出口改進(jìn)為雙出口后，同時(shí)增加一條獨(dú)立的分揀線。充分利用臥式條煙分揀機(jī)機(jī)架及現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地的空余空間，可合理配置兩條獨(dú)立分揀線。改進(jìn)后Flexsim仿真模型如圖8所示，選取同一個(gè)周期的相同訂單進(jìn)行仿真分揀，運(yùn)行改進(jìn)后模型，得出臥式條煙分揀機(jī)分揀效率為25 562條/h，并導(dǎo)出狀態(tài)表，獲取仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)，見(jiàn)表6-表9，各設(shè)備的利用率如圖9-圖12所示。

圖9 改進(jìn)后自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)工作狀態(tài)餅狀圖

圖12 改進(jìn)后補(bǔ)貨小車工作狀態(tài)餅狀圖

表9 改進(jìn)后自動(dòng)補(bǔ)貨小車運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖8 改進(jìn)后Flexsim仿真模型

表6 改進(jìn)后自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表7 改進(jìn)后碼垛包裝機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

將改進(jìn)前后的統(tǒng)計(jì)圖表作對(duì)比分析可見(jiàn)，自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)平均利用率從42.97%上升至85.21%；自動(dòng)補(bǔ)貨小車平均利用率從47.74%上升至94.67%；碼垛包裝機(jī)前進(jìn)煙輸送皮帶的堵塞現(xiàn)象得到良好的改善；該系統(tǒng)分揀效率從12 891條/h提升至25 562條/h。

表8 改進(jìn)后碼垛包裝機(jī)前傳送帶運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖10 改進(jìn)后碼垛包裝機(jī)工作狀態(tài)餅狀圖

圖11 改進(jìn)后傳送帶工作狀態(tài)餅狀圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某煙草物流配送中心細(xì)標(biāo)共線分揀系統(tǒng)為研究對(duì)象，運(yùn)用Flexsim軟件對(duì)該系統(tǒng)補(bǔ)煙、分揀、碼垛包裝、皮帶輸送緩存等環(huán)節(jié)進(jìn)行建模仿真，找到了影響該系統(tǒng)分揀效率的瓶頸在于臥式條煙分揀機(jī)單出口分揀出煙，結(jié)合某煙草物流配送中心的具體情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，將臥式條煙分揀機(jī)由單出口改進(jìn)為雙出口，并對(duì)應(yīng)的增加一條獨(dú)立的分揀線；再次建模仿真發(fā)現(xiàn)，碼垛包裝前緩存運(yùn)輸皮帶的堵塞現(xiàn)象得到明顯改善，自動(dòng)開(kāi)箱機(jī)、自動(dòng)補(bǔ)煙小車?yán)寐实玫教嵘?，臥式條煙分揀機(jī)效率得到提升。將該優(yōu)化方案運(yùn)用到實(shí)際中，分揀效率由11 420條/h提升至22 012條/h。由此可見(jiàn)，運(yùn)用仿真建模對(duì)物流分揀系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化既科學(xué)又簡(jiǎn)便，能夠輔助決策工作，不僅可以避免不合理的設(shè)計(jì)和投資，而且也減少了投資風(fēng)險(xiǎn)和避免了人力、時(shí)間等的浪費(fèi)。