建筑鋁模板分揀線的仿真優化①

王兆斌, 張運楚,2, 孫 鴿, 馬仁懷, 李 明,2

1(山東建筑大學 信息與電氣工程學院, 濟南 250101)

2(山東省智能建筑技術重點實驗室, 濟南 250101)

3(山東新活新材料科技有限公司, 煙臺 265700)

建筑模板主要是對混凝土結構起著臨時性支護功能, 根據土建結構要求, 在鋼筋結構的外圍組合拼裝,從而根據規定的位置和幾何尺寸形成混凝土結構和構件, 保持其正確位置, 并承受建筑模板自重及作用在其上的外部荷載, 以確保混凝土在一定時間內成型[1].模板工程是施工過程中非常重要的一段工序, 要求在確保混凝土工程質量、施工安全和施工進度的同時, 盡量降低工程造價.但大多數的工程還是以竹、木模板為主要結構支護材料, 消耗了大量的森林資源.雖然興起的鋼模板在一定程度上減少了竹、木模板的使用量,但自重問題還是限制了鋼模板的推廣.

建筑鋁模板和傳統的木質、鋼質模板等相比, 在技術和經濟上存在一系列明顯的優勢.建筑鋁模板的自重輕, 且模板承受壓力的條件好, 方便混凝土進行機械化、快速施工的作業要求[2], 在超高層建筑施工中優勢顯著.建筑鋁模板相比竹、木模板能夠多次周轉使用, 但是初始投入較高, 每平方米的單價約為1500 元,只有隨著周轉次數的增加, 使用率提高, 建筑鋁模板的平均單價才會逐漸降低[3].圖1 給出了建筑鋁模板平均單價與周轉次數之間的關系.從圖中可以看出: 隨著周轉次數的增加, 建筑鋁模板的平均單價會迅速降低并趨于平緩, 當周轉次數達到60 次時, 將與竹、木模板持平.所以從整體分析, 建筑鋁模板的周轉次數越多即利用率越高, 平均單價越低.

圖1 建筑鋁模板平均單價與周轉次數之間的關系

提高建筑鋁模板使用次數, 可以從鋁模板的設計、加工、分揀打包、物流配送、回收清洗、分類等各方面縮短作業時間, 本文從建筑鋁模板的配送分揀環節研究, 探索提高建筑鋁模板周轉效率的方式方法.由于施工承重柱、墻板或樓梯等混凝土工程中, 每一部分都需要不同的建筑鋁模板進行組裝支護, 所以必須提前將建筑鋁模板按照每一部分的配模清單進行分揀打包, 但是現如今的分揀打包環節完全依靠手工作業, 存在分揀效率低、易出錯的問題[4].建筑鋁模板分揀主要是針對單個清單的不同模板分揀, 而且由于鋁模板形狀大小不一, 無法達到規則包裝的分揀要求.考慮到建筑鋁模板在生產工藝流程中的要求, 鋁模板批量生產, 生產完成之后還有一系列的工藝流程, 導致了模板排放的混亂, 無法按配模清單分區排放.針對建筑鋁模板分揀的特點, 分揀線按分級分流的方式運行, 可以大大提高建筑鋁模板分揀效率.

1 傳統物流分揀形式的發展

傳統上的分揀作業方式可分為兩類, 分別是“人到貨”分揀方式和“貨到人”分揀方式[5].“人到貨”分揀方式是最早出現的方法, 在生產力和科技落后的年代, 貨物無法在機械的帶動下運動, 所以人們最先開始采用這種方式分揀貨物.這種方式是貨物只需在倉庫中, 分揀人員推著小貨車根據訂單在倉庫中尋找貨物, 并將貨物運送到訂單打包處, 這類方式主要研究的是如何在倉庫中以最短的路徑配齊貨物[6].“貨到人”的分揀作業方式是貨物在傳送帶的動力引導下, 被傳送到各個工位處, 各工位處的分揀人員根據自己的任務將自己需要的貨物分揀到自己的工位處.“貨到人”的配送方式工藝難度高, 計劃性較強, 集中用戶需求后才開始分貨, 而且用戶需求較穩定, 配送中心具有較強專業性的配送方式, 效率較高, 極大地節約分揀成本.

在“貨到人”分揀操作模式中, 分揀線的分流結構有很多種形式, 常見的有推擋式分流系統、引導式分流系統、滑塊式分流系統、交叉帶式分流系統和人工分流方式[7].以上五種分流方式都是依靠傳送帶運載鋁模板的基礎上進行分流的, 能夠強制主輸送系統上的物品離開而進入到支流輸送系統中.

推擋式分流系統主要使用機械結構將主輸送系統上的物品以推、擋的方式分流到支流輸送系統上, 它的優點是結構簡單、造價低, 缺點是對物品側面直接造成沖擊, 對易摩損及較笨重的物品不適用, 圖2 為氣壓缸側推式分流方式.引導式分流系統使用浮起的鏈條、皮帶、滾筒或輪子將待分流物品抬離主輸送系統,而導入支流輸送系統中, 它的優點是對分流物品造成的沖擊較小, 可處理的物品重量較重, 分類速度較快,但該系統對分流物品底部的狀況(外觀形狀、凸出點等)、分流物品自重對底部產生壓力的均勻度和分流物品的高度與寬度比要求較高, 圖3 為斜輪引導式分流方式.

圖2 氣壓缸側推式分流

滑塊式分流系統是分揀線各分流處有可以左右滑動的滑桿, 根據分揀任務將貨物推移到支流輸送系統上以實現分流的目的, 它的優點是適用性強, 對物品產生之沖擊力小, 但對于較重物品和形狀不規則物品不適用, 圖4 為滑塊式分流方式.交叉帶式分流系統由多個獨立的皮帶輸送單元組成, 每個單元承載單個物件,到達目的分流口時皮帶做垂直運動方向運動, 實現運載物品的分流, 它的優點是不受物品外觀影響, 均可平穩地進行分揀, 而且單元尺寸小, 分揀格口間距布置密集, 場地利用率高, 但該系統不適合較大尺寸的物品分揀, 圖5 為交叉帶式分流方式.

圖3 斜輪引導式分流

圖5 交叉帶式分流

2 建筑鋁模板分揀方案的研究

建筑鋁模板是按設計清單生產的, 而倉庫中的舊模板出庫也是按清單提貨的, 由于鋁模板在出廠之前必須刷一種脫模劑, 是為了在建筑混凝土結構成型之后易脫模, 正是這種工藝的實施, 導致了建筑鋁模板排放的混亂, 脫模劑干燥以后, 工人必須將建筑鋁模板按清單分別揀取歸類.而且建筑鋁模板的配模清單中, 同一型號的鋁模板可能分布在不同區號中, 而建筑鋁模板的生產和存儲是按批量進行的, 在出庫和出生產車間的過程中也需按統計數量批量進行, 考慮到建筑鋁模板的生產工藝特點, 在其分揀環節采用“貨到人”的分揀作業方式.

分析建筑鋁模板的特點, 建筑鋁模板材質為鋁合金, 重量較重, 其形狀又大小不一, 有150 mm×150 mm的小模板, 也有2000 mm×400 mm 的大模板, 在完成分揀識別之后, 不容易將其自動下線, 只能采用人工分流的方式進行導流, 在均衡人工成本和設備成本之后, 擬采用主線分流與分級分揀模式相結合的“八爪魚”分揀技術, 并將其進行改造成適用于建筑鋁模板的分揀方式.

2.1 結構組成

“八爪魚”分揀技術就是一種形似八爪魚的分揀平臺, 八爪魚平臺分揀線由鋁模板導入傳送帶、8 個連接不同“堆垛暫存區”的路由傳送帶、作業平臺、自動掃碼裝置、控制系統、顯示裝置等幾部分組成.“八爪魚”分揀線的立體圖及俯視平面圖如圖6 所示.

圖6 “八爪魚”分揀線的立體圖及俯視平面圖

建筑鋁模板在分揀過程中采用二維碼標簽作為身份標識, 識別二維碼即可識別建筑鋁模板的型號等信息.工人將待分揀鋁模板放置到導入傳送帶上, 傳送到“八爪魚”分揀操作臺, 圖像掃碼裝置自動識別鋁模板上的二維碼, 輸入到管理系統獲取分配給該塊鋁模板的分揀道口路由號和堆垛暫存區號, 并自動更新數據庫, 觸發點亮該分揀道口的分揀指示燈, 并顯示該鋁模板的“堆垛暫存區號”以及分揀進度.然后由分揀工人手工揀取鋁模板放置到對應路由傳送帶上, 再由堆垛工人揀取放置到指定堆垛區, 并人工或自動復位分揀指示燈及區號顯示屏.為減輕分揀員的勞動強度, “八爪魚”分揀操作臺應安裝滾珠式琉璃架.

該“八爪魚”分揀線一共需要設置9 條傳送帶為運載建筑鋁模板提供動力, 至少10 位分揀堆垛工人搬運鋁模板, 40 個臨時放置已分揀完畢的建筑鋁模板托盤,在圖6 的俯視平面圖中各條傳送帶已經做好字母標記,A 為主輸送系統, 是分揀線的導入傳送帶, B～I 為路由傳送帶, 負責將已經分流的建筑鋁模板傳送到堆垛區.

“八爪魚”分揀線的控制系統主要包括傳送帶的動力控制系統和分揀線的信息采集及信號控制系統.分揀線的控制系統主要涉及控制自動掃碼裝置、顯示裝置和建筑鋁模板配模清單的數據處理等.導入傳送帶末端的自動掃碼裝置采用USB 接口的工業相機采集二維碼圖像, 利用二維碼識別軟件識別二維碼信息.顯示裝置采用MCGS 觸摸顯示屏和LED 指示燈, 實時顯示分揀作業的狀態.

2.2 工作流程

“八爪魚”分揀線的工作流程可按分揀作業的步驟分為3 個階段:

(1)投線作業: 生產車間批次生產建筑鋁模板, 在刷脫模劑之后, 同一型號的鋁模板或不同型號的鋁模板堆放在一個托盤上, 叉車將鋁模板托盤搬運至導入傳送帶A 始端, 由工人將一塊鋁模板搬放到導入傳送帶A 上, 且保證鋁模板貼二維碼的面朝上擺放, 然后從托盤取另一塊鋁模板, 依次重復, 直至將托盤上的鋁模板全部搬空, 用叉車將托盤移走.

(2)分流作業: 導入傳送帶A 將鋁模板送至分流臺, 分流臺上分布B、C、D、E、F、G、H、I 等8 個路由傳送帶分流道口.導入傳送帶A 分為5 個動力段,最多可以預存5 個鋁模板.導入傳送帶A 上設置自動掃碼裝置, 該裝置將掃描定位、識別經過的鋁模板上的二維碼.分流臺上的顯示裝置會顯示當前待分流的鋁模板型號信息和對應道口方向, 分流臺上所對應分流道口上方的指示燈會閃爍提示.分揀工人根據顯示裝置上的信息核對鋁模板, 并將鋁模板分流至閃燈道口, 直到本次分流作業完成.

(3)分垛作業: B、C、D、E、F、G、H、I 等8 個路由傳送帶末端各自對應5 個托盤堆垛位, 每個托盤上方設置數碼LED 指示燈, 路由傳送帶末端設置MCGS 觸摸顯示屏用來顯示提示當前搬運任務和搬運鋁模板信息.工人根據MCGS 觸摸顯示屏上的信息和LED 指示燈核對鋁模板, 并將路由傳送帶末端上的鋁模板搬運至對應托盤堆垛位, 直到確認本次分垛作業完成.

“八爪魚”工作流程的3 個階段貫穿于整個分揀業務中, 將建筑鋁模板按區號堆垛排列, 建筑鋁模板分揀線的工作流程如圖7 所示.

圖7 “八爪魚”分揀線工作流程圖

3 基于Flexsim 的分揀線可視化仿真

Flexsim 是一個面向對象的仿真軟件, 三維結構仿真環境與現實相似度極高, 能夠對制造業中的物料處理等生產活動工作流的離散事件流程過程可視化仿真研究[8].Flexsim 的建模過程用來模擬仿真現實的生產和物流動態, 發現其中的弊端, 解決方案的瓶頸, 促進生產力的發展[9].較優的物流排產方案不僅保障了生產物料的準時配送, 還能減少設備的空閑率, 使得排產作業合理化[10].

本文提出的建筑鋁模板“八爪魚”分揀線結構, 只是在理論的層次能夠解決建筑鋁模板的分揀問題, 無法從實際的角度看出該分揀線能否正常穩定地運行.而每種物流方案的選擇都必須得到驗證, 只有得到實際的驗證, 該方案才能應用到實際場景中, 否則即使該方案能夠運行, 也會存在一定的瓶頸問題.建筑鋁模板的“八爪魚”分揀線結構中傳送帶的速度和操作人員分布都可能存在影響分揀效率的因素, 假如從現實建立好的分揀線中去總結瓶頸因素, 不僅影響分揀效率, 還會浪費大量的資源.利用物流仿真軟件仿真“八爪魚”分揀線, 調整分揀線設備的運行參數和分揀人員分布的情況, 使得分揀線各部分之間銜接順暢, 協調高效運行, 并在現有方案上做出調整優化, 提高分揀效率.

3.1 分揀線可視化模型建立

本文通過對建筑鋁模板分揀作業的分析與研究,設計了“八爪魚”分揀線方案, 在實際制造生產前, 為有效配置資源及數據, 并從全局角度進行統籌規劃, 借助Flexsim 仿真軟件進行物流狀態的實時仿真與產能預測, 找到“八爪魚”分揀線設計方案的缺陷及不足, 采用合理的策略彌補現有方案的缺陷, 使得“八爪魚”分揀線能夠合理運行, 最大化的提高設備利用率和鋁模板分揀效率.

Flexsim 的實體庫具有豐富多樣的資源類實體, 還有各式各樣的臨時實體, 方便快捷地模擬“八爪魚”分揀線.分揀線的仿真模型應該嚴格按照設計好的實際分揀線結構設計, 以仿真模型模擬分揀線的運行, 根據實驗結果分析分揀線的瓶頸問題.本文建立的“八爪魚”分揀線模型中, 采用發生器實體模擬工廠生產或庫存建筑鋁模板, 采用暫存區實體模擬待分揀鋁模板托盤, 采用處理器實體模擬自動掃碼裝置, 采用貨架實體模擬已分揀完成的鋁模板托盤堆垛位.根據“八爪魚”分揀線的結構特征, 利用Flexsim 仿真軟件模擬的建筑鋁模板分揀線, 如圖8 所示.此模型一共采用了十位操作員模擬分揀堆垛工人進行建筑鋁模板的搬運及分流工作, 實體之間的連接均為“輸出-輸入端口連接”.“輸出-輸入端口連接”是一個實體的輸出端口到另一實體的輸入端口, 達到輸出輸入的目的.實體與操作員之間的連接均為中間端口連接, 采用centerobject()命令進行連接引用, 使用中間端口的目的就是為了引導操作員工作.

圖8 建筑鋁模板分揀線仿真圖

3.2 仿真模型參數的設定與運行

建立仿真模型時, 需要對各種實體進行參數的設置, 以及實體與實體之間輸入輸出模式的連接.模型建立開始之前首先對模型單位進行設置, 如表1 所示.然后對各種實體及各實體之間的連接屬性做出設置.

表1 分揀線仿真模型單位設置

(1)發生器

模型中利用臨時實體box 模擬建筑鋁模板的運動,發生器模擬工廠加工建筑鋁模板, 為了盡可能的與實際工廠生產情況相似, 對發生器進行設置.選擇到達方式為“到達時間間隔”, 并合理設置“到達時間間隔”.從托盤到傳送帶, 操作員大約每5 s 搬運一塊鋁模板, 而模型中, 操作員都是在實時搬運, 可以從發生器設置按照每5 s 達到一次暫存區模擬實時情況.一般情況下,發生器的到達時間間隔服從指數分布, 指數分布的概率密度函數如式(1)所示, 需設置均值參數符合操作員搬運時間.在模型中采用類似于指數分布這樣的統計分布, 對分揀線中操作員搬運時間的變化進行模擬.將到達時間間隔的分布函數設置為Exponential, 漸位線(Location)為0, 比例(Scale)設置為5, 隨機數流(Stream)設置為0.

則隨機變量為到達時間間隔, 服從一個常數參數θ=5 的指數分布.

然后指定臨時實體的類型和顏色, 在臨時實體進入分揀線時, 指定類型值.本文按照設計建筑鋁模板的一種墻板組合為例, 一共40 種類型, 類型值的分配服從1 到40 的均勻分布, 即產品是類型1～40 進入分揀線的可能性都一樣.在發生器的創建觸發器中設置類型值, 點擊觸發器選項卡, 在創建觸發器中增加一個函數, 選擇設置臨時實體類型和顏色, 臨時實體類型服從均勻分布, 均勻分布的概率密度函數如式(2)所示, 以duniform(1,40, getstream(current))實現.

則隨機變量為臨時實體類型, 服從區間[a, b]上的均勻分布, 本文中即服從[1, 40]上的均勻分布.

(2)暫存區

采用暫存區實體模擬存放建筑鋁模板的臨時托盤,考慮到建筑鋁模板大小不一, 而且還有一定的自重及體積, 一個托盤能夠裝載50 塊建筑鋁模板已經到達極限, 所以在暫存區的最大容量處設置50.臨時實體流選項中, 將輸出選項中的發送至端口選擇為“第一個可用”, 選中使用運輸工具, 則current.centerObjects[1]函數生效.此暫存區與下游的傳送帶中間以輸出-輸入端口連接, 暫存區與此處的操作員1 進行中間端口連接.

(3)處理器

處理器的容量設置為1, 加工時間設置為2, 與導入傳送帶A 的運動速度相同, 處理器的臨時實體流中,輸出設置選中使用交通工具, 按查詢全局表的方式發送至端口, 先添加一個全局表Route, 路徑為“工具-全局表-添加”, 再設置暫存區的“臨時實體流”, 選擇“輸出-發送至端口-查詢全局表”, 表格名稱選擇剛才所建立的全局表的名稱Route.注意將操作員和處理器都從1 開始進行編號, 防止全局表的設置無效.表2 為處理器輸出的Route 全局表.

表2 處理器輸出的Route 全局表

(4)傳送帶

導入傳送帶A 的長度設置為8 m, 最大容量為4,以間隔值為間隔規則, 設置間隔值為2, 加上處理器上的1 容量, 就能模擬導入傳送帶A 的5 個動力段, 即導入傳送帶A 上的建筑鋁模板最大值為5, 導入傳送帶A 與處理器的連接為輸出-輸入連接.路由傳送帶的長度設置為6 m, 最大容量為3, 以間隔值為間隔規則, 設置間隔值為2, 模擬路由傳送帶上的3 個動力段, 即路由傳送帶上的建筑鋁模板最大值為3, 處理器與路由傳送帶之間的連接為輸出-輸入連接, 但此處有操作員搬運, 處理器與操作員之間為中間端口連接.

(5)貨架

模型中利用5 列的貨架模擬分揀完成建筑鋁模板的托盤, 每一條路由傳送帶上的鋁模板分別放置到每一層, 這樣就可以減少模型中使用的實體數量, 實現對應路由傳送帶上的鋁模板放置到貨架對應層, 可用查詢全局表實現, 而每一層的5 個塊分別放置一條傳送帶上的5 塊鋁模板.路由傳送帶的臨時實體流輸出中,發送至端口設置成匹配臨時實體類型, 即可解決兩條傳送帶同時設置指定端口沖突的問題.

3.3 仿真結果的統計與分析

模型設置完成之后, 點擊重置, 使系統初始化, 然后點擊運行, 調整運行時間28 800 s, 使得模型符合每天8 小時工作制.使用Dashboard 面板查看模型中各操作員的工作狀態, 系統模型中的10 位操作員工作狀態如圖9 所示.

從操作員工作狀態餅狀圖中可以看出, 操作員1和操作員10 的忙碌率較高, 到達72%和76%, 反過來說空閑率很低, 而其他操作員卻空閑率較高, 導致分揀系統分揀效率較低, 單純從分揀線考慮, 提高分揀線運轉速度, 則操作員1 和10 的忙碌率更高, 無法從根本解決該系統存在的瓶頸問題.所以從Flexsim 仿真模型中發現了該系統存在的瓶頸問題, 找到真正的解決方案, 既降低操作員1 和操作員10 位置的忙碌率, 又能提高其他操作員的忙碌率, 使得在一定時間內, 分揀系統分揀更多的鋁模板, 可從根本上解決分揀系統的瓶頸問題.

圖9 系統模型中操作員的工作狀態

3.4 模型改進及結果分析

長時間運行之后, 從模型的狀態中可以看出操作員10 的忙碌率達到76%, 主暫存區的建筑鋁模板處于積壓狀態, 操作員1 的忙碌率達到72%, 導入傳送帶也是處于滿負荷狀態, 而路由傳送帶是少負荷狀態, 堆垛區操作員的忙碌率也較低, 造成了分揀線的前端滿負荷, 后端少負荷的瓶頸問題, 由此可以看出該分揀線在此種狀態下必然影響分揀效率.為了解決該分揀線的瓶頸問題, 可以從均衡分揀線前后端負荷差異的方面考慮, 將分揀線中連接點的堵塞問題疏通.而分揀線中堵塞的連接點就是操作員10 和操作員1 的位置, 只有解決這兩個點的堵塞問題, 才能提高該分揀線的分揀效率.

為了解決系統模型中操作員任務分配不均, 忙碌狀態不同的瓶頸問題, 本文從Dashboard 面板中分析得知, 操作員10 和操作員1 相比其他操作員過度忙綠,將會導致過多的操作員空閑率較高, 系統運行效率不高, 為解決這一問題, 本文從操作員10 的位置再添加一位操作員甲用來幫助操作員10 搬運鋁模板, 提高系統運行效率, 解決操作員10 過度忙碌而其他操作員空閑率較高的問題.需要使用分配器對任務請求進行排隊并將它們分配給一個空閑的操作員, 首先添加一個任務分配器, 為了使用分配器指揮操作員, 分配器必須與使用操作員的實體進行中間端口連接, 中間端口位于實體底部的中間位置.任務分配器與兩位操作員之間分別進行輸出-輸入端口連接.系統模型改動情況如圖10 所示.在操作員1 的位置處做出和操作員10 處相同的處理添加一位操作員乙, 就能解決操作員1 忙碌的問題, 從而解決現行模型效率低的問題.

圖10 系統模型改進部分示意圖

模型設置完成之后, 重置初始化, 然后運行模型,調整模型運行時間28 800 s, 使用Dashboard 面板查看模型中各操作員的工作狀態, 系統模型中的12 位操作員工作狀態如圖11 所示.

圖11 改進的系統模型中操作員的工作狀態

從改進的系統模型工作狀態圖中可以看出, 在增加了兩位操作員之后, 不僅操作員1 和操作員10 的忙碌率降低, 而其他操作員的忙碌率也明顯上升, 該分揀線前后端的負荷差異得到有效改善, 連接點的堵塞問題得到有效解決.通過統計分揀線模型改進前后分別運行28 800 s 分揀的數量, 如表3 所示, 模型改進前在規定時間內分揀數量為2976 塊, 而改進后的模型分揀數量達到4114 塊, 比改進前的分揀數量提高38%左右, 說明在一定的時間內, 分揀線分揀的建筑鋁模板數量明顯上升, 在增加了兩個人力成本的條件下, 分揀線的分揀效率提高.

表3 分揀線模型改進前后的分揀數量對比

4 結語

本文分析了建筑鋁模板的特征和當前物流分揀形式的發展, 設計了一條“八爪魚”結構形式的分揀線, 適用于建筑鋁模板配模清單的分揀作業[11].根據“八爪魚”鋁模板分揀線的工藝流程要求, 利用Flexsim 仿真技術建立了分揀線的仿真模型, 配置了仿真模型的運行參數, 在結合實際的情況下, 設定8 小時的運行時間,得到了分揀線運行的工作狀態, 并通過工作狀態餅狀圖分析了分揀線的瓶頸問題, 并通過優化工藝流程調整操作員的分布, 解決了該分揀線的瓶頸, 提高了分揀線的運行效率.