某立體倉庫堆垛機利用率仿真分析

曹沖振，李 赫，王鳳芹，許彤然，鹿國慶

（1.山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590）

1 引言

自動化立體倉庫又稱高層貨架倉庫，一般是采用幾層，十幾層乃至幾十層的貨架來儲存單元貨物，以巷道堆垛機為主，結合入庫和出庫周邊設備來進行自動化倉儲作業的一種倉庫[1]。巷道堆垛機是決定出入庫效率的關鍵設備，所以對堆垛機進行合理的布置十分重要。

Flexsim軟件是一款可視化的建模軟件，內部有極其豐富的模型庫，具體在物流配送中心所需的暫存區、貨架、傳送帶、叉車、箱子等都有其對應的實物對象，而這些對象的參數可以把物流倉儲作業流程的主要特征描述出來，運用Flexsim強大的數據分析能力，實現對仿真結果的分析[2]。根據現代物流企業的規范，對某立體倉庫的堆垛機利用率情況進行仿真分析，仿真結果對于立體倉庫中堆垛機的選用與布置具有一定的參考價值。

2 立體倉庫的布局及主要參數

某立體倉庫為兩層結構，倉庫尺寸為330m×90m×24m（長×寬×高）；工作時間為365天（24h/d）；貨物入庫方式包括整托入庫、零散半托成品入庫、單件入庫等三種方式；出庫方式包括整托出庫和揀選零散出庫。庫區的最大貨物保有量為21 600托，如圖1所示。

圖1 立體倉庫模型

貨架：高密度貨架16排×40列×12層，高密度貨架4排×39列×12層，低密度貨架4排×39列×8層。其中，巷道數量為12條，巷道寬度為4m。

堆垛機：堆垛機數量為12臺，其中整托存儲區4臺堆垛機，人工揀選零散存儲區4臺堆垛機，非人工揀選零散存儲區4臺堆垛機。提升速度50m/min、提升加速度0.5m/s2;行走速度240m/min、行走加速度0.5m/s2;貨叉速度 15m/min、貨叉加速度 0.3m/s2；堆垛機貨叉叉取（存放）時間10s、作業附加時間5s。

3 堆垛機作業方式

堆垛機的作業效率是指堆垛機每小時平均入庫或者出庫的貨物單元數，其計算公式為：

上式中，η為系統運行效率；Ti為單臺堆垛機單次入庫或者出庫需要的時間，按堆垛機單一作業方式和復合作業方式進行分類[3]。

（1）單一作業方式。指堆垛機在庫中只進行單一的出入庫作業的方式，單一作業方式又稱為單循環作業方式，它的運動方式如圖2所示。

圖2 中，m代表貨架的列數，n代表單排貨架層數。對于單一作業方式，出入庫時間T1用如下公式表示：

（2）復合作業方式。復合作業方式是指堆垛機從出入庫臺先取出貨物送到選定貨位，然后轉移到另一個給定貨位，取出其中的貨物，再回到出入庫臺。在復合作業方式中堆垛機會在一個循環里完成不同商品的存取工作，它的工作過程如圖3所示。

圖3 復合作業方式

對于復合作業方式，出入庫時間T2用如下公式表示：

該倉儲系統貨物出入庫的方式為同側出入庫，并且出入庫分為兩層進行作業，一二層均可以進行出入庫作業。堆垛機出入庫作業分為8種循環方式，見表1。其中單一作業方式占16%，復合作業方式占84%。

表1 堆垛機循環方式

4 堆垛機利用率仿真

由于堆垛機利用率計算公式多為經驗公式，考慮到堆垛機數量多且實際工作情況復雜，難以保證數據的準確性，故使用Flexsim軟件對倉庫進行建模仿真，得到的仿真結果更接近實際情況[4]。

（1）倉庫建模。使用Flexsim軟件對貨架區域內進行1:1比例實體建模，根據原始參數，在Flexsim中對坐標軸進行調整，嚴格按照規劃設計數據建模，如圖4所示。

圖4 倉庫整體建模

（2）貨架設置。按照貨架的基本尺寸進行設置，貨架的設置如圖5所示。

（3）堆垛機設置。根據堆垛機的運動特性曲線，對Flexsim中的堆垛機模型進行參數設置，設置堆垛機的水平運行速度、加速度，垂直升降速度、加速度以及貨叉叉取（存放）時間、附加時間等。為了實現作業的多樣形式，對堆垛機的裝載卸載時間進行作業配比的百分比設置，如圖6所示。

（4）仿真運行。為保證仿真結果的真實性和有效性，仿真時間在72h以上，本次仿真的運行時間為84h。

（5）仿真結果分析。本次仿真設定任務需求量為峰值數據（入庫160托/h、出庫220托/h），得到12臺堆垛機利用率的仿真結果如圖7所示，每臺堆垛機的利用率均在85%左右，最大為85.34%，最小為84.42%。以7號堆垛機為例，其仿真工作占比如圖8所示。

各堆垛機的詳細工作情況見表2。

通過圖7和表2的仿真結果可以看出各堆垛機的利用率均在85%左右，其峰值利用率在合理利用率（75%—87%）之間，符合設計規范。

圖6 堆垛機參數設置

圖5 貨架參數設置

5 結束語

隨著現代物流行業快速發展，現代企業對于倉儲系統的出入庫能力有了更高的要求，因此，在自動化立體倉庫的規劃設計中，保證堆垛機利用率在一個合理范圍內十分必要。本文以某立體倉庫堆垛機作業過程為研究對象，利用Flexsim軟件對倉庫進行建模與仿真，通過仿真結果能直觀看出各堆垛機的利用率情況，從而驗證了倉庫布局的合理性。

圖7 堆垛機利用率仿真結果

圖8 堆垛機7工作占比

表2 堆垛機工作情況表