食品冷鏈物流配送中心作業流程仿真與優化

王海燕，孫 濤

（武漢理工大學，湖北 武漢 430063）

食品冷鏈物流配送中心作業流程仿真與優化

王海燕，孫 濤

（武漢理工大學，湖北 武漢 430063）

以食品冷鏈物流配送中心為例，分析冷鏈物流配送中心的作業流程，利用Flexsim軟件對整個作業流程進行仿真試驗，通過對仿真結果的分析，針對資源配置利用不合理的作業環節進行優化改進。結果表明，理貨分揀作業是制約此冷鏈物流配送中心整體作業效率提高的瓶頸，冷鏈物流的平均庫存周期短，設備與搬運工具之間的作業效率能相互制約，資源設備的整體利用率能得到優化。相關結論在一定程度上為此類型配送中心的構建提供參考依據。

食品；冷鏈配送中心；作業流程；仿真；優化

1 引言

目前，隨著我國食品冷鏈市場的需求日益增加，冷鏈物流的要求也相應提高，但我國完整獨立的冷鏈物流體系尚未形成，仍然存在冷藏食品損耗率較高等問題。例如，2015年我國果蔬的損耗率高達30%[1]。冷鏈物流食品分為兩類：一類是冷凍類食品，如淺加工后的禽、肉、速凍食品（如水餃、湯圓等）、水產品等非熟食和冰淇淋、奶制品等；另一類是保鮮類食品，如瓜果和蔬菜等。為了改善冷藏食品損耗率較高這一現狀，需要提高冷鏈物流整體運作水平。食品冷鏈物流是指冷凍保鮮類食品為了保證質量和減少損耗，始終在特定的低溫環境下進行生產、存儲、運輸、再加工和銷售等一系列活動。其中，冷鏈配送中心作為冷鏈物流的一個關鍵節點，其整體作業效率的提高是改善冷鏈物流水平的重要保障。

因此，需要建立冷鏈物流配送中心，通過提高冷鏈物流配送中心整體運作水平來提高冷藏食品的質量、減少產品在配送環節的損失和降低冷鏈物流成本。由于冷鏈物流食品具有易腐性、鮮活性、及時性和物流成本所占比重大的特點，所以食品冷鏈物流配送中心構建的要求遠高于一般的配送中心。為避免在食品冷鏈物流配送中心的構建上浪費大量的資源和時間，本文采用模擬仿真法，對其作業流程進行仿真與優化。模擬仿真的軟件有很多，一般常用的有Witness、Arena、Auto Mod和Flexsim軟件。Flexsim具有強大的分析能力，可以解決

服務、制造、物流等方面的問題，其成功解決的一些具體問題有：倉庫合理布局、貨物配送線路優化、資源的合理配置、優化貨物和服務的優先次序、縮短貨物的等待和排隊時間問題等。當然，冷鏈物流領域也有學者采用Flexsim仿真的方法進行研究，例如，虞燕銘、高俊（2009）運用Flexsim對醫藥配送中心進行仿真研究。李倩（2013）利用Flexsim仿真研究生鮮農產品配送中心物流系統。李夢然（2014）運用Flexsim軟件對冷鏈物流配送中心作業流程進行研究。彭燕（2015）采用Flexsim仿真研究冷凍肉類食品入庫作業。本文也采用Flexsim軟件進行仿真，動態模擬實時流程作業畫面，依據模型的參數設置實現各個流程作業的功能要求，從仿真結果中分析制約食品冷鏈配送中心整體運作效率提高的瓶頸，為食品冷鏈配送中心的構建提供參考依據。

2 食品冷鏈物流配送中心作業流程

2.1 某食品冷鏈物流配送中心簡介

本文中食品冷鏈配送中心的流程作業針對冷凍類食品和保鮮類食品，冷凍類食品對溫度要求較高，而保鮮類食品除了對溫度要求較高外更要求及時性。食品冷鏈配送中心室內整個作業區溫度處于較低狀態，其中，冷凍區庫房和保鮮區庫房處于特定的低溫狀態。本文以X公司食品冷鏈配送中心為例，其作業區的作業方式屬于“人-機結合”工作的半自動化作業。在收集相關數據的基礎上，采用先假設再檢驗的方法不斷調整模型參數至合理范圍。

2.2 食品冷鏈物流配送中心作業流程分析

X公司食品冷鏈物流配送中心作業流程的平面圖如圖1所示，該食品冷鏈配送中心共有五個作業區：收貨區、流通加工區、冷藏區、理貨分揀區和配裝發貨區，每個作業區實現的功能及其資源配置各不相同。具體如下：

（1）收貨區：主要負責冷藏食品的卸貨驗收、暫存處理、入庫檢驗等作業，冷藏食品在此環節逗留時間短。主要配置有搬運工具、暫存區、檢驗加工臺等。

（2）流通加工區：主要負責冷藏食品的拆箱處理、包裝及冷鮮食品的清洗、打蠟、包裝等加工作業，冷藏食品在此環節逗留時間短，主要配置有深加工機器、打包加工臺、入庫叉車。

（3）冷藏區：冷藏區分為冷凍區和保鮮區，冷凍區是對速凍食品的存儲，保鮮區是對果蔬類食品的存儲保鮮，冷藏食品在此環節逗留時間相對較長，主要設備配置有保鮮冷凍設備、庫房。

（4）理貨分揀區：主要負責冷藏食品的分揀和備貨，拆盤器對出庫貨物進行拆盤作業，訂單分揀器依據客戶訂單對食品進行分揀，冷藏食品在此環節逗留時間短，主要設備配置有訂單分揀器、拆盤器、出庫叉車、暫存區等。

（5）配裝發貨區：主要負責冷藏食品的暫存、裝車和配送活動，訂單執行器對分揀出來的貨物按配送車輛和路線作業，冷藏食品在此環節逗留時間短，主要設備配置有配裝工具、暫存區、配送車輛。

該食品冷鏈配送中心依據下游客戶訂單量和安全庫存向上游供應商訂購冷藏食品，食品到達之后，分別進行流通加工作業并儲存于相應的保鮮冷凍庫房；再依據下游客戶訂單對冷藏食品進行理貨分揀處理，然后進行配裝發貨作業并將貨物裝載至相應的配送車輛上。

圖1 冷鏈配送中心作業流程平面圖

3 食品冷鏈物流配送中心作業流程仿真

假設該公司食品冷鏈物流配送中心日均出庫總量為10 000箱，其中冷凍類食品出庫量為6 000箱，保鮮類食品出庫量為4 000箱；冷凍類和保鮮類食品安全庫

存量分別為600、400箱。該食品冷鏈物流配送中心將食品配送給下游3個客戶。

3.1 確定實體設備及相關參數

食品冷鏈物流配送中心的實體設備用Flexsim仿真軟件中的實體對象表示，兩者之間的對應關系見表1。

表1 食品冷鏈配送中心實體設備與Flexsim實體庫對象對應

上游供應商1和2用兩個發生器代替，不同顏色的盒子分別代表加工前后不同類別的食品，紅色、綠色分別代表冷凍類食品流通加工前后，黃色、藍色分別代表保鮮類食品流通加工前后。流通加工時，每一個托盤上堆碼8箱貨物，冷凍類食品需要拆換箱、打包等作業，而保鮮類食品不僅如此，還需要清洗、打蠟、摘葉等深加工作業，故保鮮類食品比冷凍類食品多一道工序。冷庫房的存儲采取先進先出的方法，主要出于對冷藏食品的鮮活性、易腐性和及時性的考慮。冷庫房以托盤的形式對食品進行冷藏，可知冷凍食品和保鮮食品的安全庫存分別為75托盤和50托盤。此食品冷鏈物流配送中心作業系統屬于半自動化作業系統，訂單分揀器依靠信息系統將訂單信息傳遞給存儲區，工作人員利用運輸工具分揀貨物，訂單分揀器再同時依據3個客戶的訂單分揀表分400批次分揀貨物。最后，任務執行器將配裝在暫存區的貨物搬運到相應的配送車輛上，其中，任務執行器是搬運工具，結合訂單分揀器進行作業；3個吸收器實際代表配送給客戶的車輛。

仿真模型相關參數設計：

（1）收貨區：冷凍、保鮮類食品到達貨物驗收暫存區的時間分別服從exponential(0,5,0)、exponential(0,7,0)，數量分別為7 000箱、5 000箱；貨物驗收暫存區最大容量設為10 000箱；冷凍保鮮類食品檢驗加工臺平均加工時間都為4s；傳送帶速度默認為1m/s。

（2）流通加工區：托盤產生時間服從exponential(0,2, 0)；深加工機器平均作業時間為5s；打包加工器1、2的平均作業時間分別為3s、5s；托盤上堆碼箱數為8；入庫叉車1、2每次運行托盤數量為1，裝載和卸載時間都為3s，提升速度和最大工作速度分別都為2m/s和1m/s。

（3）存儲區：冷凍、保鮮庫房的最大容量分別為750托盤和500托盤，安全庫存分別為75托盤和50托盤。模型運行時，對暫存區首先打開輸入端口，關閉輸出端口；當貨物數量超過安全庫存時，打開輸出端口允許貨物出庫；當貨物數量達到最大存儲量時，關閉輸入端口，同時保持輸出端口打開；當貨物存儲量下降至安全庫存時，關閉輸出端口，打開輸入端口。存儲方法為先進先出。

（4）理貨分揀區：出庫叉車1、2每次運行托盤數量為1，起升速度和最大工作速度都是2m/s；拆盤器作業時間為15s；暫存區最大容量設為10 000箱；訂單分揀器平均作業時間為6s；每批次的訂單分揀表見表2。

（5）配裝發貨區：配裝發貨暫存區最大容量為750托盤，輸出端口為指定端口；配裝工具運行速度為2m/s；吸收器的輸入量達到400托盤即完成客戶訂單時關閉輸入端口。

表2 訂單分揀表 （單位：箱）

3.2 建立Flexsim仿真模型

（1）確定仿真目標。冷凍保鮮類食品對時間要求很高，為了提高配送環節的作業效率，降低食品的損耗率，節約成本。仿真的主要目標為：①在保證質量的基礎上，利用先進先出的方法存儲食品，縮短庫存周期以便食品在合理時間范圍內送至客戶；②找出制約冷鏈物流配送中心作業效率提高的瓶頸；③盡量做到設備配置合理和資源利用合理。

（2）仿真運行。假設配送中心一天的正常作業時間為8h即28 800s，此仿真模型的運行單位時間1s相當于實際時間的1s。仿真開始時冷庫房沒有庫存，當模型運行至2 800s左右時，庫存量才達到安全庫存即分揀作業才開始，出于對仿真運行結果準確性的考慮，當供應商的貨物供應完成時收集一次收貨區和流通加工區的作

業數據，設置模型運行最終的停止時間為客戶訂單完成時再收集一次數據。

為了盡快得出模型的研究數據，可適當提高模型的運行速度，并不改變數據運行結果。仿真運行后，3D模型如圖2所示。

圖2 Flexsim仿真3D模型

3.3 仿真結果數據收集及分析

Flexsim仿真模型運行結束后進行數據收集，設備的工作狀態以百分比的形式呈現，見表3-表5。

表3 固定設備工作狀態統計表

表4 搬運設備工作狀態統計表

表5 冷凍保鮮庫房工作狀態統計表

通過模型多次運行后的數據結果可知，檢驗加工臺1、2和深加工機器設備的利用率分別為78.62%、56.16%和70.20%，其中，檢驗加工臺2的利用率偏低，主要是其阻塞率達到26.01%，表明其檢驗產品的時間過長或深加工機器的作業時間過長。打包加工器1、2和訂單分揀器設備的有效利用率分別為59.05%、82.86%和 93.59%，其中打包加工器1的利用率偏低，因其等待運輸工具的時間過長，可入庫叉車1的閑置率只有19.39%，表明打包器1作業時間參數設置或入庫叉車1參數設置不合理；雖然打包加工器2的利用率為82.86%合理，但入庫叉車2的閑置率卻高達63.78%，表明打包加工器2的作業時間參數設置不合理或入庫叉車2的參數設置不合理。由此可見，設備與相關聯的搬運工具之間的作業效率能相互制約。出庫叉車1、2和拆盤器的閑置率分別高達66.79%、82.75%和56.88%，明顯表明理貨分揀區的設備配置或者設備參數設置存在問題。由收集的數據表5可知，冷凍、保鮮庫房的貨物平均停留時間都在2.5h左右，滿足了食品冷鏈物流及時性的要求，實際最大庫存分別只達到302托盤、212托盤，即能滿足客戶需求又滿足了冷藏食品易腐不宜過量庫存的特性，可知先進先出的存儲方法適合冷藏食品存儲。

4 Flexsim仿真模型優化及結果對比分析

4.1 模型優化

為了合理利用資源，物盡其用，需要對此食品冷鏈物流配送中心模型進行優化改進，達到提高整體運作效率和節約成本的目的。經過多次優化，最終優化方案如下：

（1）模型結構優化：將兩臺出庫叉車換成一臺，即節約成本又提高資源利用率。

（2）模型參數優化：為了配合整體作業效率的提高，發生器1、2的貨物到達時間調整為服從exponential(0, 4.5,0)、exponential(0,6.2,0)，檢驗加工臺2和深加工機器的平均加工時間都調整為4.5s,打包臺的加工時間調整為3.5s，三輛叉車的速度和裝卸時間、拆盤器和訂單分揀器的加工時間及其它設備的相關參數都作了相應的調整；

優化后的3D模型如圖3所示，模型優化后收集的數據結果見表6-表8。

表6 固定設備工作狀態統計表

表7 搬運設備工作狀態統計表

表8 冷凍保鮮庫房工作狀態統計表

4.2 模型結果對比分析

由圖4可知，檢驗加工臺1、2和深加工機器的加工率從優化前的78.62%、56.16%和70.20%分別上升為88.36%、73.60%和73.60%，設備的有效利用率得到了提升。由圖5和圖6可知，打包加工器2的有效利用率從原來的82.86%下降至65.48%，但與之關聯的入庫叉車2的閑置率從63.78%大幅度的下降至28.34%，由此可見，設備與相關聯的搬運工具之間的作業效率能相互制約；同時打包加工器1和訂單分揀器的有效利用率分別從優化前的59.05%和93.59%上升至66.12%和94.16%。由圖4和圖6可知，拆盤器的閑置率未得到改善，可出庫叉車閑置率有所改觀，并且叉車數量上也減少了，節約了成本；入庫叉車1的閑置率與優化前的相比在正常范圍內略微上升。由優化前后的數據可知，此食品冷鏈物流配送中心的“瓶頸”可能存在于理貨分揀區。冷凍保鮮類貨物的平均停留時間分別從8 998.1s和8 992.3s延長至10 921.8s和12 942.2s，最大庫存量也增加了，但都屬于合理范圍，并不影響食品質量和客戶需求。

圖3 優化后的3D模型

5 結論

通過對食品冷鏈物流配送中心作業流程的分析，利用Flexsim軟件建立食品冷鏈配送中心作業流程的仿真模型，收集資源設備的加工率、有效利用率、閑置率等數據，分析模型優化前后的數據，可得出理貨分揀作業是制約此冷鏈物流配送中心整體作業效率提高的瓶頸，設備與搬運工具之間的作業效率能相互制約，冷鏈物流的平均庫存周期短，

“人-機結合”的半自動化作業的整體運作效率不高，但優化后的配送中心整體運作效率有所改善。

為優化資源配置，提高作業效率，降低物流成本。本文在前人研究的基礎上，以食品冷鏈物流配送中心為例，假設一些合理的相關參數，通過模型多次調整運行，對資源配置利用不合理的作業環節進行優化改進，得出的相關結論在一定程度上為此類型配送中心的構建提供了參考依據。

圖4 固定設備優化前后的加工率

圖5 固定設備優化前后的有效利用率

圖6 搬運設備優化前后的閑置率

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Simulation and Optimization of Operational Process of Food Cold Chain Logistics Distribution Centers

Wang Haiyan,Sun Tao
(Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

In this paper,with the food cold chain logistics distribution center as the example,we analyzed its operational process,used the Flexsim to simulate the entire operational process and then in view of the result of the simulation,optimized the operational links where the resource allocation or utilization was unreasonable.The result of the analysis indicated that the cargo tallying and sorting activity was the bottleneck restricting the operational efficiency of the distribution center,the average inventory cycle of the cold chain logistics distribution center was short,the operational efficiency of the equipment and the handling tools were mutually restrictive and the overall utilization rate of the resources and equipment could be optimized.

food;cold chain distribution center;operational process;simulation;optimization

U16;F224

A

1005-152X(2016)10-0092-06

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.10.023

2016-08-05

王海燕，武漢理工大學交通學院副教授；孫濤，武漢理工大學交通運輸規劃與管理系物流管理專業碩士研究生。