基于Flexsim自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的仿真研究

褚東亮， 王桂蘋， 賈美慧， 趙章榮， 孫衛(wèi)華

（北京物資學(xué)院物流學(xué)院北京市物流系統(tǒng)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京101149）

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，煙草、醫(yī)藥、機(jī)械等自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)需求量大的行業(yè)的快速發(fā)展，在未來(lái)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)將會(huì)有很大的市場(chǎng)需求[1]。

現(xiàn)在，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，各種虛擬企業(yè)及制造業(yè)也層出不窮，物流仿真軟件因能快速地解決各種物流問(wèn)題已成為虛擬制造系統(tǒng)和物流企業(yè)的重要組成部分[2]。

Flexsim是由美國(guó)Flexsim Software Production公司開發(fā)的一款面向離散事件系統(tǒng)的仿真軟件[3]。立體倉(cāng)庫(kù)是一個(gè)復(fù)雜的離散型事件系統(tǒng)，因此Flexsim可以分析并仿真?zhèn)}庫(kù)中的有關(guān)活動(dòng)。Flexsim不僅包括立體倉(cāng)庫(kù)中的各種設(shè)備模型元素，還具有三維顯示效果，其所結(jié)合的三維可視化技術(shù)在保證仿真軟件數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能的基礎(chǔ)上，還可實(shí)現(xiàn)虛擬可視化場(chǎng)景的效果[4]。

優(yōu)化是科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)管理的重要手段，它可以借助于仿真系統(tǒng)找到最佳的設(shè)計(jì)解決方案，同時(shí)也可以對(duì)預(yù)期建成的項(xiàng)目進(jìn)行總體的性能評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確地對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行判斷，從而節(jié)省了人力、財(cái)力及物力，徹底達(dá)到優(yōu)化的效果。

張曉磊等[5]針對(duì)某企業(yè)新產(chǎn)品產(chǎn)能不達(dá)標(biāo)的情況，運(yùn)用Flexsim對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行模擬仿真，從而找到問(wèn)題所在，降低了成本，提高了效率和產(chǎn)能。倪玉晉等[6]用Flexsim對(duì)某公司發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)線進(jìn)行仿真, 從而找到瓶頸工位，并對(duì)影響生產(chǎn)效率的關(guān)鍵工序進(jìn)行優(yōu)化，最終提高了產(chǎn)量，生產(chǎn)效率有了大幅度的提升。文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[10]也利用Flexsim 仿真軟件對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)進(jìn)行了分析研究。

本文結(jié)合某案例，先通過(guò)建模仿真，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與現(xiàn)實(shí)要求相差甚遠(yuǎn)，然后通過(guò)修改參數(shù)、增減人員和設(shè)備數(shù)目等方法優(yōu)化模型（主要是對(duì)操作員和叉車的數(shù)量及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化），最后得到仿真結(jié)果，從而提高了倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)效率。

1 基于Flexsim的某案例自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)分析

1.1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)構(gòu)成與作業(yè)流程

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)主要包括四部分：暫存區(qū)、入庫(kù)區(qū)、貨物存放區(qū)及出庫(kù)區(qū)。暫存區(qū)主要對(duì)倉(cāng)庫(kù)中的貨物進(jìn)行檢查、包裝、標(biāo)簽和驗(yàn)證；經(jīng)過(guò)包裝后的貨物經(jīng)入庫(kù)區(qū)被送至入庫(kù)站臺(tái)等待入庫(kù)；貨物存放區(qū)主要由貨架和堆垛機(jī)組成，進(jìn)行貨物的臨時(shí)存放；最后根據(jù)相關(guān)指令，貨物從存放區(qū)經(jīng)出庫(kù)區(qū)被搬運(yùn)出去[11]。

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)入庫(kù)、出庫(kù)作業(yè)流程分別如圖1、圖2所示。

1.2 案例分析

圖1 入庫(kù)作業(yè)流程圖

圖2 出庫(kù)作業(yè)流程圖

某物流企業(yè)采用單元貨架式自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，主要由入庫(kù)分揀區(qū)、入庫(kù)加工區(qū)、貨物存放區(qū)、出庫(kù)加工區(qū)和出庫(kù)分揀區(qū)五大部分組成。倉(cāng)庫(kù)的相關(guān)仿真模型清單如表1所示。已知該工廠生產(chǎn)10種產(chǎn)品（分別用10種顏色表示），要求該立體庫(kù)額定入庫(kù)量1100 盤/d，出庫(kù)量1050盤/d，每天工作8 h，利用Flexsim對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，找到一個(gè)合理的方案，符合立體倉(cāng)庫(kù)出入庫(kù)的要求，設(shè)備利用率合理。

圖3 入庫(kù)分揀區(qū)布局

1.3 建模及典型參數(shù)設(shè)置

1）入庫(kù)分揀區(qū)整體布局（見圖3）。參數(shù)設(shè)置：發(fā)生器發(fā)生初始速度，指數(shù)分布，位置參數(shù)為0，尺度參數(shù)為30，隨機(jī)數(shù)流為1，10種產(chǎn)品均勻分布；每段傳送帶的速度為2 m/s，最大容量為20個(gè)托盤；每個(gè)操作員負(fù)責(zé)兩個(gè)傳送帶。

托盤發(fā)生器發(fā)生速度為2 s；人工碼盤完成后操作員處理14 s，然后由4個(gè)叉車負(fù)責(zé)搬運(yùn)到處理器上，處理器預(yù)制時(shí)間5 s，處理時(shí)間9 s。

2）入庫(kù)處理區(qū)整體布局（見圖4）。

3）貨物存儲(chǔ)區(qū)整體布局（見圖5）。參數(shù)設(shè)置：傳送帶速度為2 m/s，出入庫(kù)緩沖區(qū)傳送帶長(zhǎng)度為6 m，最大容量為6個(gè)托盤。每排貨架的最大容量為600個(gè)托盤，實(shí)現(xiàn)貨架上貨物最短時(shí)間的停留。

表1 相關(guān)仿真模型清單

圖4 入庫(kù)處理區(qū)布局

4）出庫(kù)處理區(qū)整體布局（見圖6）。

5）出庫(kù)分揀區(qū)整體布局（見圖7）。

6）總體仿真布局（見圖8）。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 入庫(kù)處理區(qū)叉車和操作員仿真結(jié)果分析

在輸出Flexsim 仿真模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)之后，對(duì)模型數(shù)據(jù)分析前，首先要確定每個(gè)仿真實(shí)體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[12]。如評(píng)價(jià)各類工作臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)有空閑時(shí)間、工作時(shí)間、等待時(shí)間等；評(píng)價(jià)工作人員、堆垛機(jī)及運(yùn)輸工具的標(biāo)準(zhǔn)有空閑時(shí)間、空載行駛時(shí)間、裝載行駛時(shí)間、空載偏移時(shí)間、負(fù)載偏移時(shí)間、利用率等。如圖9、圖10所示，可以清楚地看到入庫(kù)處理區(qū)叉車的空閑時(shí)間、裝載時(shí)間、卸載時(shí)間、裝載行駛時(shí)間、空載行駛時(shí)間及其各自所占的百分比，以及操作員的空閑率和利用率。

由此可以得到表2所示操作員和叉車的工作效率。由表2可知，有的叉車的空閑率極高，利用率極低，其中一個(gè)利用率僅為6.9%，因此用4輛叉車是不合適的，資源沒有得到合理利用，這里就需要進(jìn)行優(yōu)化，可以通過(guò)減少叉車的數(shù)量，提高叉車的利用率；也可以明顯地看到5名操作員的效率都沒有 超 過(guò)10%，效率都極低。說(shuō)明設(shè)置5名操作員過(guò)多，可以通過(guò)減少操作員的數(shù)量來(lái)提高操作員的效率，以達(dá)到優(yōu)化的效果。

2.2 出庫(kù)量、入庫(kù)量仿真結(jié)果分析

圖5 貨物存儲(chǔ)區(qū)布局

圖6 出庫(kù)處理區(qū)布局

圖7 出庫(kù)分揀區(qū)布局

圖8 總體布局

根據(jù)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)可知，入庫(kù)量為707盤/d，出庫(kù)量為545盤/d，與額定入庫(kù)量1200 盤/d，出庫(kù)量1150盤/d的指標(biāo)相差甚遠(yuǎn)，且出庫(kù)區(qū)貨物堆積嚴(yán)重。通過(guò)分析，可能是因?yàn)榘l(fā)生器發(fā)出的貨物量少，或者傳送帶及其他設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)置不合理，所以導(dǎo)致入庫(kù)量變少；而出庫(kù)量少有可能是因?yàn)樨浳镌谪浖苌贤Ａ舻臅r(shí)間過(guò)長(zhǎng)及有關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)設(shè)置不合理造成的。因此，將優(yōu)化思路放在這個(gè)問(wèn)題點(diǎn)上。

圖9 5個(gè)操作員的工作狀態(tài)

3 仿真結(jié)果優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方法

1) 減少叉車和操作員的數(shù)量。改用2輛叉車，2個(gè)操作人員。

2) 增加發(fā)生器的發(fā)貨量。減小指數(shù)分布的尺度參數(shù)，增加發(fā)生器的出貨量，故將原指數(shù)分布 設(shè) 定 為（0，25，1）。

3)減少貨物在貨架上的停留時(shí)間。通過(guò)減少泊松分布的均值參數(shù)，減少貨物在貨架上的停留時(shí)間，故將原泊松比修改設(shè)定為（700，1）。

4) 將每個(gè)傳送帶的速度設(shè)定為4 m/s。

5)將入庫(kù)區(qū)的合成器Process Time 設(shè)定為“8”；將入庫(kù)區(qū)的處理器Setup Time 設(shè)定為“2”，Process Time 設(shè)定為“5”。

6）將出庫(kù)區(qū)的合成器和處理器的Process Time 設(shè)定為“2”。

表2 操作員和叉車的工作效率

3.2 優(yōu)化結(jié)果

在參數(shù)調(diào)試和優(yōu)化仿真后，操作員和叉車的工作狀態(tài)如圖11、圖12所示。出入庫(kù)量基本達(dá)到題設(shè)要求,這說(shuō)明該優(yōu)化方法是正確的。

圖10 4個(gè)叉車的工作狀態(tài)

圖11 優(yōu)化后操作員的工作狀態(tài)

圖12 優(yōu)化后叉車的工作狀態(tài)

表3 優(yōu)化后操作員和叉車的工作效率

表4 優(yōu)化前后叉車和操作員的工作效率比較

由表4的數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，操作員、叉車的效率有了明顯的提高，降低了成本，從而證明了該優(yōu)化方法是正確的。

4 結(jié) 論

本文在對(duì)某案例的仿真模型下，設(shè)置各個(gè)設(shè)備的參數(shù)，使用Flexsim 軟件對(duì)該倉(cāng)庫(kù)建模，主要分析了叉車及操作員的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過(guò)不斷調(diào)整各設(shè)備參數(shù)，提出了改善方案（其他設(shè)備數(shù)據(jù)分析類似，由于設(shè)備較多，此處不一一作出說(shuō)明，讀者可自行嘗試，找出最優(yōu)方案）。與優(yōu)化前相比，叉車、操作員效率有了明顯提高，暫存區(qū)貨物堆積現(xiàn)象消除，進(jìn)庫(kù)量、出庫(kù)量基本達(dá)到要求。

通過(guò)Flexsim 對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行建模和仿真,不僅為找到最佳方案提供了便利，節(jié)約了時(shí)間、財(cái)力和物力，更重要的是可以有助于找到立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中的瓶頸，方便實(shí)際工作中的操作，并且可以提供自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)際運(yùn)行中的理論參數(shù)，為以后的工作提供了理論依據(jù)，對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的系統(tǒng)優(yōu)化具有很重要的指導(dǎo)意義。