立體倉庫物流系統的仿真與分析

□ 劉 曄，張一玨

(上海中船重工船舶推進設備有限公司，上海 200031)

近年來，Flexsim[1-3]軟件作為強有力的分析工具，在工程師和設計人員的系統設計過程中扮演著決策性作用。使用Flexsim[1-3]可以建立一個真實系統的3D計算機模型，可以在較短的時間獲取系統性能指標。作為一款通用工具此軟件可被用于不同行業的各大系統中，本文則為制造業自動化倉庫[4-6]中的應用。

1 系統概況

本文中原型為某在建造紙廠的自動化立體倉庫成套設備系統項目的物流輸送系統。此物流系統可分為“入庫輸送系統”、“貨架、堆垛機系統”和“出庫輸送系統”三大類。運用Flexsim仿真軟件，對此項目中的“貨架、堆垛機系統”和“出庫輸送系統”進行建模。結合前端“入庫輸送系統”進行仿真運行分析及優化。

1.1 系統簡介

在前期“入庫輸送系統”的基礎上本文著重于此系統中的“貨架、堆垛機系統”的仿真建模。貨架及堆垛機參數見表1。

表1 貨架及堆垛機參數

1.2 系統主要工藝流程

該物流系統工藝流程可分為如下四個大類：

(a)紙垛入庫

當紙垛到達入庫目標庫位所在的巷道時，巷道堆垛機接受任務將紙垛運送到倉庫的指定貨位，巷道堆垛機卸下紙垛后，堆垛機返回初始位置等待下一個任務。

(b)紙垛出庫

當巷道堆垛機接受紙垛出庫任務時，巷道堆垛機到達所需出庫的紙垛庫位，運送紙垛至出庫巷道口。后續出庫輸送系統將完成運送紙垛至出庫站臺，同時完成托盤的回收并整理成托盤組的工作。

(c)托盤入庫

當整理好的托盤組到達托盤入庫口時，巷道堆垛機接受任務將托盤組運送到倉庫的指定貨位，卸下托盤組后巷道堆垛機返回初始位置等待下一個任務。

(d)托盤出庫

當巷道堆垛機接受托盤出庫任務時，巷道堆垛機到達所需出庫的托盤庫位，運送托盤至巷道出口，輸送線自動啟動將托盤運送至相應拆盤機。

其中，本文結合前期“入庫輸送系統模型”重點考慮(a)、(d)流程，(b)、(c)流程則根據情況進行適當簡化。

2 FlexSim建模

根據技術要求及實地考察，在Flexsim模型界面中布置了24個貨架及12個堆垛機。貨架及堆垛機模型視圖如圖1所示。

圖1 貨架及堆垛機模型視圖

2.1 貨架的模型

根據表1中的技術參數，共24個貨架。從北向南依次編號貨架一～貨架二十四。根據表1每個貨架的外觀設置如圖2所示。

圖2 貨架外觀模型視圖

貨架最大容量及設置為2832。其中貨架七、貨架八、貨架十五、貨架十六用于存放托盤組，其余貨架用于存放紙垛。

2.2 巷道堆垛機的模型

根據表1中的技術參數，共12個堆垛機。從北向南依次編號堆垛機1～堆垛機12。由于每個堆垛機需要充當運輸媒介往返輸送線及貨架，則需要根據臨時實體流方向，通過Flexsim的中間節點將巷道堆垛機和輸送線或貨架相關聯。關聯完中間節點后如圖3設置，通過勾選use transport即可實現巷道車參與運送紙垛或托盤的功能。其中堆垛機4和堆垛機8為運送托盤組的堆垛機。其余10個堆垛機為運送紙垛堆垛機。

圖3 堆垛機關聯設置視圖

2.3 入庫系統模型

在前期“入庫輸送系統”基礎上，臨時實體輸出類型保持12個對應12個紙垛入庫巷道口。托盤和紙垛發生器的發生邏輯維持不變。12個入庫暫存區還是繼續保留。入庫暫存區紙垛根據類型設置至指定貨架的輸出關聯，紙垛隨即通過相應巷道堆垛機輸送到相應貨位。貨位分配采用從出庫段向入庫段，自下而上進行分配。控制策略采用先入先出原則。

2.4 出庫系統模型

為了系統完整，出庫端輸送設備如圖4做了如下簡化。

圖4 系統出庫端模型

首先，12個堆垛巷道車分別連接12個出口輸送線；為了區分12種貨品到對應出庫緩存區，在12個出口輸送線后增加一條輸送線根據貨品類型發送至后續12個出庫暫存區。出庫緩沖線輸出設置如圖5所示，即可根據貨品種類發送至不同的出庫暫存區。每個出庫暫存區存放一種類型的貨品。

圖5 出庫緩沖輸送線輸出設置

其次，訂單發生器預設發送5種訂單類型用箱子表示，一個訂單類型對應不同貨品種類，后續對應5個訂單合成器如圖6用于根據訂單的種類將不同數量不同種類的臨時實體類型合成，合成完畢后到達出庫完成緩存區。

圖6 訂單合成器設置

3 系統故障分析及解決策略

整個物流系統仿真運行如圖7。

圖7 物流系統運行圖

3.1 故障分析

貨架配套某巷道堆垛機故障。紙垛已到達入庫巷道口，某一巷道堆垛機突然斷開網絡或出現未知故障。處理策略：

①貨架巷道車調度系統報該巷道堆垛機存在異常。并向前端設備發送指令，停止發送該類型貨物。

②人工處理巷道堆垛機故障，故障排除后重新發送進行巷道車入庫操作。

缺點：需要人工干預排除故障并重新進行入庫調度。

3.2 擁堵及空閑分析

①巷道一及巷道五貨物量運輸量明顯高于其他各巷道。以巷道一為例，由于接收暫存區1和暫存區2兩種類型的臨時實體，造成一定程度暫存區貨物積壓。分析：仿真模擬的12種實體流對應12個巷道入口，現實中只有在某特定點才會進行貨位分配。貨物的分配可根據類型數量的不同在前期進行合理規劃。故此，積壓點不作為擁堵點。

②入庫段由于巷道堆垛機處理出庫任務而堵塞。分析：當倉庫投入使用一定時間，紙垛入庫和紙垛出庫同時存在時，某巷道堆垛機既有出庫任務又有入庫任務，優先級分配不合理時會導致入庫段或出庫段紙垛的擁堵。堆垛機調度系統需實時讀取出庫和入庫輸送系統狀態，當出現擁堵時根據倉庫出庫訂單情況調整堆垛機用于出庫和入庫任務的占用百分比，形成消息隊列處理。

3.3 優化策略及結果

根據原方案堆垛機規劃，其中四排貨架用于存放托盤。經計算所有貨架中托盤總數八個一摞需要2.5排貨架。故考慮減少一排貨架以減少成本。此次擬取消貨架七。

優化結果：入庫端輸送系統所需出庫的托盤運送，沒有因為貨架的減少而產生擁堵。出庫端的托盤入庫由于不是重點考慮對象，設置了極端情況為托盤不停的入庫直到托盤貨架被填滿，一旦托盤出庫則托盤發生器自動發送托盤填充。經模擬運行出庫端也未發生擁堵現象。優化后如圖8所示，由于只有一個貨架在用，堆垛機4比堆垛機8的使用占空比低，可達到50%以下。當堆垛機8出現故障時，堆垛機4可為備用堆垛機。

圖8 優化后堆垛機狀態餅狀圖

4 結論

本文首先根據資料對貨架及堆垛機系統進行了虛擬建模仿真，對主要技術參數進行設置，為系統完整地對系統中不做研究的出庫系統進行了合理虛化；其次，在整個系統中通過快速模擬時間得出設備故障導致設備擁堵點進行分析研究，提出合理解決方法；最后，提出目前方案中在貨架巷道堆垛機的控制策略和貨架組成上可能需要衡量的點進行了分析優化。可為今后立體倉庫系統成套設備設計研究及方案制訂提供技術支持。