基于Flexsim的某中藥生產企業自動化立體倉庫設計

胡貴彥，程亞文，戴 晨

（北京物資學院，北京 101149）

1 引言

面對愈發激烈的醫藥市場競爭，越來越嚴格的藥品質量認證以及企業自身發展的需要，必然要將自動化立體倉庫應用其中，醫藥企業傳統倉庫的改革是未來發展的必然趨勢。然而，如何建立適用于自身的自動化立體倉庫，提高企業在醫藥市場中的核心競爭力，是每個醫藥企業都需要思考的問題[1]。換言之，醫藥企業倉庫的立體自動化已是大勢所趨，現代化醫藥物流[2]也是企業提高核心競爭力的關鍵一環。本文主要研究一家中藥生產企業，將其傳統倉庫改建為自動化立體倉庫，以提高自動化水平，降低人工成本，提高作業效率，降低作業差錯率，滿足企業未來的倉儲需求，保持可持續的市場競爭力，建設出現代化的醫藥生產企業，在行業中樹立典范。

2 某中藥生產企業自動化立體倉庫設計

2.1 企業現狀與問題分析

該中藥生產企業是一家集中藥飲片、中成藥科研、生產、銷售于一身的企業。企業倉庫又分為原料庫、中間品庫和成品庫，三庫并行，且都只有一層。此次研究主要是針對中間品庫。其布局和相關尺寸如圖1所示。

圖1 中間品庫布局及尺寸

該中間品庫長為L=60m，寬為W=36m，庫房屋頂下弦高為H=10m，有陰涼庫、標簽庫、包材庫、預留制劑庫、備貨區、待驗區、辦公區和不合格品區。庫房兩邊都有柱子，而且還有消火栓，四面都有門。由于標簽庫、陰涼庫以及包材庫已經過GMP認證，故不能移動位置。

（1）企業倉儲現狀。該中藥生產企業現有倉庫空間利用率低、人工費用高、存儲量小、安全性差、作業差錯率高且倉儲效率低下，不同種類的零散藥材占有較多的存儲空間，也沒有將作業前后的銜接方法和藥品的存放方式考慮進來，極大的降低了倉庫的利用率。因為倉庫都是平面庫，不僅空間利用率低，而且會使藥品堆放混亂，造成出入庫和盤點等難題。同時，倉庫作業主要是人工操作，沒有自動化管理設備，導致出入庫效率極低，差錯率高。傳統倉庫的存儲容量僅僅只有AS/RS的10%-20%，所以自動化立體倉庫的建立不僅能夠提高空間利用率和作業效率，而且能將倉庫運作信息化以實現實時監控與管理，能極大解決人工作業的差錯率高和低效率等問題。因此選擇將其改造為自動化立體倉庫迫在眉睫。

（2）企業存儲量現狀。根據ABC分類法的要求，該中藥生產企業的藥材根據種類及金額可分為A、B、C三種。A種藥材日均入庫3 800箱，日均出庫3 300箱，存儲量為12 000箱；B種藥材日均入庫3 400箱，日均出庫3 000箱，存儲量為11 000箱；C種藥材日均入庫3 300箱，日均出庫2 700箱，存儲量為10 500箱。所建的自動化立體倉庫的庫容量要滿足33 500存儲箱的要求。該庫的作業流程如下：原料進入車間經過切段等工藝后進行處理、檢驗，并把原有的包裝袋都換成該企業自己的周轉箱并貼上標簽，然后進入中間品庫；到達中間品庫后,將藥材裝上托盤進入貨架存儲；再根據顧客的訂單，在中間品庫取貨后，放到備貨區，進行發貨。

2.2 自動化立體倉庫設計

通過對歷史產銷量的數據進行分析，得出該企業年平均存儲需求量，然后確定系統總體存儲量、藥材的特征、裝載單元的材質特征和尺寸，以及裝載方式等，再計算貨格尺寸和貨架尺寸以及貨位數、巷道數等，設計出AS/RS[3]的布局，繼而選擇出與之相適用的設備。最后對自動化立體倉庫進行數字建模、物理建模和仿真。

2.2.1 托盤及貨位的設計

（1）該企業所使用的周轉箱為EU系列的周轉箱，此箱尺寸即長*寬*高為600mm*400mm*230mm。集裝單元即自動化立體倉庫的最小裝載單元一般都是用托盤來進行存儲的。考慮到現有周轉箱的尺寸，我們選用托盤尺寸為1 200mm*1 000mm*150mm。

（2）根據上述尺寸，現設計裝載單元。按照縱橫交錯式碼放，托盤一層正好可以放5個周轉箱，按一個周轉箱約盛放30kg左右的藥材，托盤承重500kg來計算可放3層，那么一個托盤可放15個周轉箱，故堆放尺寸可設計為1 200mm*1 000mm*840mm包（含托盤在內）。

（3）在確定好了單位托盤的堆放尺寸之后，再設計貨位尺寸，本文采用橫梁式貨架的單貨格雙托盤形式。

為了貨物進出方便以及貨物安全，托盤與貨架立柱之間要預留a=100mm的間隙，托盤與貨架深度方向之間間隙要預留b=200mm，托盤與貨架橫梁之間要預留c=200mm的間隙，托盤與托盤之間的間隙要預留d=100mm，貨架立柱的寬度取g=90mm。所以，貨格的長度是2 480mm，深度是1 400mm，高度是1 040mm。

2.2.2 貨架的設計

倉庫總體尺寸：60m*36m*10m（長*寬*高）

使用托盤尺寸：1 200mm*1 000mm*150mm

存放方式：單貨格雙托盤

貨格尺寸：2 480mm*1 400mm*1 040mm（長*寬*高）

目標庫容量：33 500箱

目標貨位數：2 234個，即1 117個貨格

（1）根據以上設計要求，現設計兩種貨架方案。①方案一：貨架是南北方向設計的，在圖1中預留出8m*8m的入庫區和出庫區，將待驗區改為入庫區，備貨區改為出庫區。考慮到陰涼庫以及標簽庫需要進出搬運貨物，所以在圖1左側預留出d1=6.24m的距離；考慮出入庫區以及傳送帶的擺放，在圖2右側預留出d2=8m的距離，另外包材庫和制劑庫的貨物需要進出，所以貨架的擺放至少要離其庫門有d3=2m的距離。其他庫區的貨都從出庫區那個門進出庫。

此處貨架設計分為兩個部分，第一部分是在陰涼庫的上方區域，第二部分是在陰涼庫的右側區域，如圖2所示。

圖2 方案一貨架區布局

第一部分可以設計貨架區域的長度L1=L-d1-d2=45.76m，寬為W1=14m。預留巷道寬度為1m，則巷道數N1=3個，有6排貨架，實際貨架寬度為W1'=12.9m，寬度空余1.1m。采用單貨格雙托盤，每層貨架可放45.76/2.48*2≈36個托盤，且實際貨架長度為L1'=44.64m。

第二部分可以設計貨架區域的長度L2=34m。可設計貨架的寬度要考慮到庫邊的柱子（寬度0.2m）以及消火栓（寬度0.3m）的限制，先留出0.7m的空距。所以可設計貨架的寬度為W2=5.3m，預留巷道寬度為1.5m，則巷道數N2≈1個，有2排貨架，實際貨架寬度為W2'=4.3m，寬度空余1.7m。采用單貨格雙托盤，層貨架可放26個托盤，且實際貨架長度為L2'=32.2m。

因庫房屋頂下弦高為10m，最下面一層距地面距離預留0.2m，則貨架可設計為9層。方案一可放托盤數為36*9*6+26*9*2=2 412個托盤，即36 180箱藥材。因A、B、C三類藥材總的存儲量為33 500箱，所以方案一滿足存儲量的要求。

②方案二：貨架是東西方向設計的，把預留制劑庫挪到圖1中包材庫的下方，以增大可設計貨架區的面積，另外把出庫區也挪到陰涼庫的旁邊，方便藥材的出庫。但由于消防栓的限制，以及考慮到傳送帶的擺放，所以上面預留0.7m的空距，下方預留3m的空距。其他庫區的貨都從出庫區那個門進出庫。可以設計貨架區域的長度L3=32.3m，寬為W3=22.76m，預留巷道寬度為1.5m，則巷道數N3≈5，可放10排貨架。

采用單貨格雙托盤，每層貨架可放32.3/2.48*2≈26個托盤，且實際貨架長度為L3'=13*2.48=32.24m。設計出的貨架如圖3所示。

因庫房屋頂下弦高為10m，最下面一層距地面距離預留0.2m，則貨架可設計為9層。方案二可放托盤數為10*26*9=2 340個托盤，即35 100箱藥材，也滿足企業的存儲量要求。

兩種方案的具體設計見表1。

2.2.3 堆垛機的選用。此次自動化立體倉庫的設計中，根據貨架的不同布局，方案一、方案二分別設計了4個和5個巷道，故需分別使用4臺和5臺堆垛機。初步選定的堆垛機運行參數[4]見表2。

2.2.4 自動分揀系統的選用。此倉庫的分類裝置采用浮出式，它通過將托盤從主輸送機上托起，然后送到相應的分揀道口中，達到分揀的目的。輸送裝置采用輥道輸送機，具體參數見表3。

圖3 方案二貨架區布局

表1 兩種方案設計對比表

表2 堆垛機運行參數

表3 輥道輸送機參數

該中間品庫中，A、B、C三種貨物在從生產車間出來前已被貼上標簽，裝上托盤后，托盤上的標簽與托盤上貨物的標簽數據關聯，再進入分揀傳送帶。根據分揀信號的要求將貨物分揀到相對應的分揀道口中，然后由堆垛機將貨物送到貨架上去。

2.2.5 倉庫整體布局。通過以上設計，現得出該中藥生產企業在兩種貨架方案下的整體布局分別如圖4和圖5所示。

圖4 方案一整體布局圖

圖5 方案二整體布局圖

3 基于Flexsim的自動化立體倉庫建模仿真

3.1 建立仿真模型

此中藥生產企業中間品庫的自動化立體倉庫主要作業流程如圖6所示。

圖6 自動化立體倉庫作業流程圖

按照上述作業流程圖，在Flexsim中對應的實體模型見表4。

表4 實體模型對應表

3.1.1 建立方案一的仿真模型。首先通過Flexsim仿真軟件[5]建立和連接實體對象，此方案中用了8排貨架，4個堆垛機，14個傳送帶和1個分揀傳送帶。連接后的模型如圖7所示。

圖7 方案一模型布局圖

A、B、C三種藥材進入倉庫后，分別在合成器1號、2號、3號上進行裝盤，裝盤后通過分揀傳送帶平均分配到傳送帶1號、3號、5號、7號上，由堆垛機將貨再平均分配到各個貨架上。然后根據各種藥材的日均出庫量，將貨架上取出的藥材通過傳送帶2號、4號、6號、8號再進入分揀傳送帶，按種類將A藥材輸送到傳送帶9號上，由吸收器1號接收，將B藥材輸送到傳送帶10號上，由吸收器2號接收，將C藥材輸送到傳送帶11號上，由吸收器3號接收。最終輸出端口處。最后設置實體參數，即分別對發生器參數、合成器參數、傳送帶參數、貨架參數等進行設置。

3.1.2 建立方案二的仿真模型。方案二的仿真建模[6]是在方案一的基礎上，但方案二中用了10排貨架，5個堆垛機，16個傳送帶和1個分揀傳送帶。仿真模型中的各實體連接和各參數的設置與方案一中基本一樣，其仿真模型如圖8所示。

圖8 方案二布局圖

3.2 仿真結果輸出

此次仿真運行時間為8h，即一天的工作時間。在仿真模型運行時間輸入時，需要換算成秒，即28 800s。將方案一、方案二運行后,即可得出仿真結果。

4 建模仿真結果分析及優化

4.1 基于層次分析法的仿真結果分析

4.1.1 仿真數據的分析。方案一與方案二的主要區別在于貨架數量的不同，導致了堆垛機以及傳送帶數量的不同。方案一中用了8排貨架，4個堆垛機，14個傳送帶和1個分揀傳送帶，方案二中用了10排貨架，5個堆垛機，16個傳送帶和1個分揀傳送帶。對方案一和方案二的比較主要就是從這些實體出發，收集堵塞時間、輸送時間以及實體空閑時間的數據。兩種方案的數據見表5。

表5 兩種方案的仿真結果 （單位：s）

由以上仿真結果可知，兩種方案在仿真的三個指標中各有優劣，故需要用層次分析法進一步選出哪種方案更優。

4.1.2 層次分析法的應用

（1）建立層次結構圖（如圖9所示）

圖9 層次結構圖

（2）建立各階層的判斷矩陣，并進行一致性檢驗。根據決策者的經驗判斷各個因素在倉庫規劃中的重要性，將準則層建立的比較判斷矩陣如下：

利用Matlab軟件計算得出最大特征值λmax=3.038 5，對應的特征向量W=(0.916 1,0.371 5,0.150 6)T。進行歸一化處理后，得出相對重要度向量W=(0.637 0,0.258 3,0.104 7)T。進而可以算出一致性指標C.I=0.019 3，一致性比率C.R=0.033 3＜0.1，則通過一致性檢驗。

（3）建立方案層對準則層的比較判斷矩陣。根據兩種方案在Flexism仿真輸出結果構造出在三種因素Bi中的比較判斷矩陣，如下：

分別計算三個比較判斷矩陣的最大特征值，對應的特征向量，歸一化相對重要度向量以及一致性指標，并通過了一致性檢驗，結果見表6。

表6 方案層比較矩陣計算結果

（4）組合權重。求各個方案總重要度的計算過程和結果，見表7。

表7 方案總重要度計算列表

由結果可得方案一的組合權重比方案二大，所以方案一較優。

4.2 仿真再優化

對以上選出的較優方案一進行仿真優化，以得到具有更優的規劃參數的自動化立體倉庫。由仿真結果分析可知，在貨架區的貨物入庫和出庫過程中，傳送帶1號到8號均存在不同程度的堵塞，平均堵塞時間為175.274 4s。且堆垛機的利用率也不高，堆垛機1號的利用率為53.01%，堆垛機2號的利用率為53.88%，堆垛機3號的利用率為53.73%，堆垛機4號的利用率為53.15%。對傳送帶的速度進行調整，選取了一些不同傳送帶速度下對應的平均堵塞時間，經過多次仿真模擬運行，并將傳送帶的速度與平均堵塞時間關系的散點圖畫出，再用一條光滑的曲線將之連起來，如圖10所示。

圖10 傳送帶速度與平均堵塞時間關系圖

從圖10可知，當傳送帶的速度為1.1m/s的時候，平均堵塞時間達到最低，為46.604 7s。將仿真模型中的傳送帶速度均調整為1.1m/s，由輸出結果可得出，堆垛機的利用率也得到了提高，堆垛機1號的利用率為67.91%，堆垛機2號的利用率為65.59%，堆垛機3號的利用率為65.94%，堆垛機4號的利用率為64.94%，優化前后的堆垛機利用率對比見表8。

表8 優化前后利用率對比

可見，通過對較優方案一運行過程的相關參數進行仿真和調整，可以有效地提高自動化立體倉庫的設備利用率，本文此處僅選取在實際倉庫運作中的重要參數—傳送帶的速度進行仿真運行和調整，企業也可以根據自身實際業務情況進行倉庫運行中的其他相關參數的仿真調整，來不斷地對實際倉庫運行進行優化，動態地提高自動化立體倉庫的效率。

5 總結

本文主要是基于Flexsim軟件對某中藥生產企業的自動化立體倉庫進行設計研究。該中藥生產企業現在使用的倉庫都是傳統倉庫，只有一層，存在人工費用高、空間利用率低、安全性且作業效率低、差錯率高等時機問題。我們根據倉庫已有的廠房參數，分別設計兩套貨架方案，然后建立仿真的數據模型和物理模型，并用Flexsim仿真軟件建立仿真模型。

通過仿真模擬，分析設計后的AS/RS的物流順暢度、相關設備使用效率、空閑時間等相關參數，利用層次分析法（AHP）再輔以MATLAB進行計算分析，選出二者較優方案；選出較優方案后，根據分析仿真結果，對其反復進行優化，從而得到具有更優規劃參數的自動化立體倉庫。通過應用自動化立體倉庫，取代了之前傳統的倉庫，不僅大大節省了對土地的投入，提高了倉庫的空間利用率和倉庫設備的使用效率，而且還降低了倉儲作業的差錯率，減少人工的使用，大大提升了自動化水平。同時，這樣既能大大縮短自動化立體倉庫設計的周期，其仿真輸出的結果又能為后面的優化提供重要的參考和依據，能夠給其他醫藥生產企業在設計AS/RS時提供很好的借鑒。