生鮮電商配送中心仿真研究

于維民

摘要：本文結(jié)合E公司生鮮電商的實際作業(yè)情況及作業(yè)數(shù)據(jù)，對其配送中心冷庫區(qū)規(guī)劃方案進行了基于SIM3D的仿真，發(fā)現(xiàn)了存在的問題，對仿真結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，找到了影響全局工作效率的瓶頸工序及閑置資源，進行系統(tǒng)優(yōu)化，得到最終的優(yōu)化方案，為生鮮電商解決運作高效與存儲高效之間的矛盾提供了思路，同時為其節(jié)約了資源。

關鍵詞：生鮮電商：多層穿梭車：配送中心仿真

1、研究背景

隨著中國的經(jīng)濟突飛猛進的發(fā)展，人民的收入水平顯著增長，人們對生活質(zhì)量的要求也在不斷提高，農(nóng)貿(mào)市場、社區(qū)便民店和超市等居民購買生鮮商品的傳統(tǒng)渠道越來越不能滿足人們多樣化的需求，因此生鮮電商應運而生?，F(xiàn)階段發(fā)展生鮮產(chǎn)品業(yè)務已經(jīng)成為電商業(yè)新的發(fā)展空間與利潤增長點。

發(fā)展生鮮電商，勢必要發(fā)展冷鏈物流。作為冷鏈物流運作的關鍵節(jié)點，物流配送中心是實現(xiàn)產(chǎn)品快速、準確、按時配送的現(xiàn)代物流基礎設施。生鮮電商配送中心既要像普通電商配送中心一樣作業(yè)效率高，又因為貨品的特殊性需要使用冷庫存儲。如何能夠提高寶貴的冷庫資源的利用率同時又提高其作業(yè)效率，成為生鮮電商企業(yè)亟待解決的問題。

多層穿梭車系統(tǒng)是一種由負責水平運動的軌道導引車輛（Rail GuidedVehicle，RGV）和負責垂直運動的提升機（Lift）共同組成的新型倉儲系統(tǒng)，于2000年左右在歐洲、美國等地開始陸續(xù)投入使用。多層穿梭車作業(yè)系統(tǒng)的出現(xiàn)，在極大地提高了倉庫空間的利用率的同時也提高了配送中心的作業(yè)效率，同時具有很好的適應性，受到很多企業(yè)的青睞。因此此處擬采用多層穿梭車式立體庫進行規(guī)劃同時采用SIM3D進行仿真，進而為生鮮電商解決冷庫的存儲效率與作業(yè)效率之間的矛盾提供解決方案。

2、課題研究的現(xiàn)狀

歐美、日本等國家，現(xiàn)代物流體系建設起步較早，物流業(yè)發(fā)展較為完善，對于物流行業(yè)指定的相關法律法規(guī)也較為完善，這些都使得其發(fā)展比我國相對成熟。

Hu Kuan-Yu和Chang Tian-sheng針對自動化作業(yè)系統(tǒng)承擔生鮮電商配送中心分揀任務的情況，結(jié)合生鮮電商產(chǎn)品出入庫頻率較高，同時包裝又不規(guī)則的特點，設計了一種更便捷靈活的自動化存儲系統(tǒng)，并運用蟻群算法，確定了揀選的最優(yōu)路線，并通過實際的仿真驗證證明了該設計的有效性。

國內(nèi)相關研究，歐強在基于穿梭車技術的信息化冷庫建設的研究中指出當前穿梭車技術在普通倉庫的應用已經(jīng)較為成熟，但對于溫度控制比較復雜的生鮮冷庫領域的應用還有待探究，并結(jié)合實際案例對如何建設信息化冷庫進行了研究。王勇勝對生鮮電商的物流配送模式進行了研究，分析了其基礎設施水平，信息化程度，法規(guī)完善情況，并分析了生鮮電商的發(fā)展前景。

從以上文獻檢索的結(jié)果來看，對于生鮮電商配送中心的研究主要集中在兩個方面，一是從宏觀的角度研究生鮮電商的發(fā)展情況，評估目前現(xiàn)狀，通過對其物流模式等的研究探究其未來發(fā)展的出路，二是從設施設備的角度，探究生鮮電商配送中心的規(guī)劃，探究具體設備在冷庫中的應用，研究新的適合生鮮電商使用的存儲及分揀設備。

3、E公司生鮮電商配送中心案例介紹

E公司生鮮配送中心冷庫存儲區(qū)共有2個大小一樣的倉庫，每個長26米，寬20米，凈高9米，總面積為1040m²，容積8320m³。目前庫區(qū)存儲包括進口水果、國產(chǎn)水果、精選肉類、禽蛋產(chǎn)品、海鮮水產(chǎn)、乳品糕點、新鮮蔬菜、方便速食、糧油雜貨、飲料酒水、禮品禮券等11個大類，3200多種產(chǎn)品，溫度控制在-15℃左右，當前每庫每日出庫入庫單品數(shù)量均在5000件左右。

3.1冷庫存儲區(qū)作業(yè)區(qū)域劃分

E公司冷庫存儲區(qū)多層穿梭車式自動化立體冷庫分區(qū)如下：

此處倉庫有比較大的裝卸貨月臺，并且是半封閉式的。為了節(jié)約冷庫的寶貴資源，盡量將能夠不占用冷庫區(qū)的功能區(qū)域放到月臺上進行，因此收貨區(qū)和退貨區(qū)都位于月臺的指定區(qū)域，檢驗區(qū)、配合性區(qū)域、冷庫區(qū)辦公室這3個區(qū)域位于冷庫旁邊的辦公場所內(nèi)。最終，布置在冷庫內(nèi)部的區(qū)域只有入庫暫存區(qū)、出入庫區(qū)、存儲區(qū)、出庫暫存區(qū)這4個區(qū)域。

3.2冷庫存儲區(qū)工藝流程分析

冷庫存儲區(qū)的工藝流程主要包括拆垛、裝箱貼標、入庫、存儲、出庫、碼盤等工作，這些工作是順序依次完成的，其工藝流程如下：

4、建立仿真建模

對于物流系統(tǒng)的仿真一般按照如下流程進行：確定仿真軟件，建立仿真模型，控制邏輯編程，運行仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果分析和優(yōu)化。

本文根據(jù)實際需求采用Sim 3D仿真軟件，該軟件具有很好的物理效果和高效的仿真能力，具備一定的仿真數(shù)據(jù)分析能力，非常符合本文的仿真需求。

4.1仿真的要素

對于配送中心的仿真要素進行分析，要遵循模型盡量簡化，仿真模型層次化、模塊化的原則。

以下是根據(jù)E公司配送中心冷庫存儲區(qū)的布置圖，同時結(jié)合Sim 3D仿真軟件進行分析，從而得出的該仿真系統(tǒng)的仿真要素。由于此次仿真主要是測試硬件系統(tǒng)的性能，因此對于入庫以前的拆垛、貼標等工序及出庫以后的碼垛等人工操作的工序不進行仿真。該系統(tǒng)總共包括5個部分：

（1）入庫系統(tǒng)

入庫系統(tǒng)由4臺入庫輸送機及分別附著在輸送機上的4個貨物發(fā)生器組成。貨物發(fā)生器用來產(chǎn)生料箱，模擬貨物，入庫輸送機將這些模擬貨物送到出入庫調(diào)度系統(tǒng)的穿梭車上。

（2）出入庫調(diào)度系統(tǒng)

出入庫調(diào)度系統(tǒng)主要由環(huán)形穿梭車軌道、8臺穿梭車、穿梭車管理器、導流管理器構(gòu)成。

環(huán)形軌道用來承載調(diào)度系統(tǒng)的穿梭車，8臺穿梭車主要負責將入庫輸送機送來的貨物轉(zhuǎn)運給多層穿梭車存儲系統(tǒng)的入庫輸送機，穿梭車管理器主要負責對穿梭車進行任務的分配工作，導流管理器主要用來定義出入庫調(diào)度系統(tǒng)的貨物流向及分配。入庫時，貨物流向由4臺入庫輸送機經(jīng)過出入庫調(diào)度系統(tǒng)流向5臺多層穿梭車存儲系統(tǒng)的入庫輸送機；出庫時，貨物流向由5臺多層穿梭車存儲系統(tǒng)的出庫輸送機經(jīng)過出入庫調(diào)度系統(tǒng)流向4臺出庫輸送機。

（3）多層穿梭車存儲系統(tǒng)

在整個系統(tǒng)中，多層穿梭車存儲系統(tǒng)最為復雜，主要包括5臺入庫輸送機、5臺出庫輸送機、10臺提升機、70臺入庫平臺、70臺出庫平臺、70臺穿梭車、70個穿梭車軌道、10列14層貨架、4200個貨位。

（4）出庫系統(tǒng)

出庫系統(tǒng)由4臺出庫輸送機及分別附著在輸送機上的4個貨物消除器組成。，出庫輸送機與出入庫調(diào)度系統(tǒng)的穿梭車進行接駁，其上的貨物消除器用完成模擬貨物的消除工作。

（5）統(tǒng)計系統(tǒng)

統(tǒng)計系統(tǒng)主要由Experiments插件，Analysis插件，Throughput數(shù)據(jù)收集器構(gòu)成。Experiments插件用來完成仿真實驗的仿真時間、仿真變量設置工作，Analysis插件類似于Excel用來完成仿真數(shù)據(jù)的分析、圖表繪制工作，Throughput數(shù)據(jù)收集器用來完成系統(tǒng)的吞吐能力、設備利用情況的數(shù)據(jù)的收集工作。

4.2建立仿真模型

仿真模型的建立階段，首先要在分析實際物流系統(tǒng)運行流程的基礎上進行仿真實體的布局工作，其次要在分析各個仿真實體之間邏輯關系的基礎之上進行必要的編程工作，最后要將仿真的數(shù)據(jù)進行具體的分析提煉，作為仿真實體的參數(shù)進行設定。

基于以上對于E公司配送中心冷庫存儲區(qū)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析，同時為了達到盡量真實的仿真效果，此處采用1：1的比例對該仿真系統(tǒng)進行模型的布局搭建，并按照整體系統(tǒng)的實際運作邏輯對仿真模型進行了編程。E公司配送中心冷庫存儲區(qū)仿真系統(tǒng)立體圖如下：

5、仿真結(jié)果分析與優(yōu)化

基于以上仿真模型分析、邏輯編程、參數(shù)設置的結(jié)果進行仿真，采用Sim3D數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊進行整體系統(tǒng)的吞吐量、設備利用率、作業(yè)效率的統(tǒng)計。

5.1運行仿真模型

對E公司配送中心冷庫存儲區(qū)仿真系統(tǒng)整體進行仿真，仿真模型整體同時運行，出入庫工作同時開展。當仿真實驗進行到40分鐘左右時出現(xiàn)了明顯的系統(tǒng)瓶頸問題，即出入庫調(diào)度系統(tǒng)的環(huán)形軌道上的RGV小車全部載有等待入庫的貨物，沒有小車執(zhí)行出庫任務，而倉庫中所有的穿梭車又在等待執(zhí)行出庫指令，沒有穿梭車執(zhí)行入庫任務，系統(tǒng)至此陷入死循環(huán)，導致整體系統(tǒng)的貨物流斷流，實驗至此停止，沒有任何有價值的結(jié)果輸出。

5.2仿真結(jié)果分析

導致以上問題的原因，除了明顯能夠看到的出入庫調(diào)度系統(tǒng)的問題以外，系統(tǒng)中是否存在其他問題，我們并不清楚，因此擬將該系統(tǒng)的模塊分開進行測試，從而發(fā)現(xiàn)每個部分存在的問題。

1.對于多層穿梭車存儲系統(tǒng)的仿真研究

根據(jù)實驗的結(jié)果可知多層穿梭車存儲系統(tǒng)的吞吐能力約為584件/小時，滿足系統(tǒng)設計的目標，并且沒有超出太多，因此該部分并不是影響系統(tǒng)作業(yè)效率的因素。

由于此處軟件底層沒有定義設備的狀態(tài)量，因此無法統(tǒng)計設備的利用率，我們只能試根據(jù)實際的布局情況，在滿足系統(tǒng)設計目標的基礎上減少設備的數(shù)量，以求得系統(tǒng)設備的最小數(shù)量。

此處對貨架的層數(shù)進行調(diào)整，發(fā)現(xiàn)當貨架層數(shù)為8層，貨位數(shù)為2400個時，該系統(tǒng)仍然能夠完成出入庫任務，只是此時應對庫存增加的能力下降。

2.對于入庫模塊、出入庫調(diào)度模塊、出庫模塊的仿真研究

根據(jù)實驗的結(jié)果可知入庫模塊、出入庫調(diào)度模塊、出庫模塊的吞吐能力約為每小時202件，遠遠小于系統(tǒng)設計的目標，因此此處成為整體系統(tǒng)的瓶頸，需要進一步調(diào)整改進。

5.3仿真系統(tǒng)優(yōu)化

對于物流系統(tǒng)瓶頸問題的處理一般有三種思路：一是提高瓶頸模塊物流設備的運行速度，二是增加該模塊的設備的數(shù)量，三是對該模塊進行重新的規(guī)劃，或者更換更高效的設備。

因為此處出入庫調(diào)度模塊的RGV小車的速度設置到了3m/s，而一般的RGV的速度為120-250m/min，所以其速度提升空間不大，而且由于環(huán)形軌道的轉(zhuǎn)彎處為180。轉(zhuǎn)彎，如果將其速度調(diào)高，現(xiàn)實中RGV容易沖出軌道，所以不應當對其速度進行調(diào)整。因此此處最好的方法是增加RGV的數(shù)量，或者對該模塊進行重新的規(guī)劃、更換更高效的設備。

5.4優(yōu)化結(jié)果

通過以上對于E公司配送中心冷庫存儲區(qū)的模擬仿真及三次調(diào)整，此處得以最終確定該配送中心冷庫存儲區(qū)的布置及設備參數(shù)。

最終能夠完成系統(tǒng)任務目標的設備最少數(shù)量為：1、入庫模塊，4臺入庫輸送機；2、出入庫調(diào)度系統(tǒng)，8臺RGV小車；3、多層穿梭車存儲系統(tǒng)，5臺入庫輸送機，10臺提升機，40個入庫平臺，40臺穿梭車，40個出庫平臺，8層貨架2400個貨位，5臺出庫輸送機；4、出庫系統(tǒng)，5條輥筒輸送線，總長約40米。

此處結(jié)合改進后的配置最后一次整體的仿真驗證。E公司配送中心冷庫存儲區(qū)仿真的模型如下圖，仿真模型整體同時運行，出入庫工作同時開展。

以下是對于E公司配送中心冷庫存儲區(qū)仿真系統(tǒng)運行的結(jié)果：

規(guī)劃的目標為每一個庫每天10小時出入庫數(shù)量均為5000件，根據(jù)實驗的結(jié)果可知E公司配送中心冷庫存儲區(qū)仿真系統(tǒng)的入庫能力約為500件/小時出庫能力約為505件/小時，剛剛能夠滿足系統(tǒng)設計的目標，最終，保留以上配置作為E公司冷庫存儲區(qū)的最終配置。

經(jīng)過仿真，雖然增加了出庫輸送線的長度，但對于多層穿梭車存儲系統(tǒng)節(jié)約了30臺穿梭車，極大的減少了設備投資。此時的空間利用情況接近3000m3，相對于原來采用托盤貨架時1000m³左右空間利用率提高了3倍，作業(yè)能力為原來人工作業(yè)時晌2.5倍。

6、結(jié)論

本文通過對于E公司冷庫存儲區(qū)多層穿梭車作業(yè)系統(tǒng)的分析，同時結(jié)合Sim3D軟件，對仿真要素進行了簡化、布置、邏輯編程以及實際的運行。通過10小時的仿真運行，發(fā)現(xiàn)了整體系統(tǒng)中存在的問題，并通過3次不斷的優(yōu)化，確定了其最終的設備參數(shù)及布局情況。

相對于普通貨架存儲，提高了冷庫空間的利用率，同時提高了出入庫的作業(yè)效率，使得E公司冷庫存儲區(qū)多層穿梭車作業(yè)系統(tǒng)的設計可以完成每天出入庫量10000件的目標。從而為生鮮電商配送中心通過采用自動化設備在保證冷庫空間利用率的情況下提高作業(yè)效率提供了思路。