基于虛擬仿真的立體倉(cāng)庫(kù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及“無(wú)紙化作業(yè)”推進(jìn)

泮家麗，王 勇，2，3，曹一凡，羅 丹，郭格格，王 琴

（1.武漢工商學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063；3.湖北商務(wù)服務(wù)發(fā)展研究中心，湖北 武漢 430065）

基于虛擬仿真的立體倉(cāng)庫(kù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及“無(wú)紙化作業(yè)”推進(jìn)

泮家麗1，王 勇1，2，3，曹一凡1，羅 丹1，郭格格1，王 琴1

（1.武漢工商學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063；3.湖北商務(wù)服務(wù)發(fā)展研究中心，湖北 武漢 430065）

針對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)目前存在的紙張單據(jù)過(guò)多、作業(yè)效率低等問(wèn)題，首先通過(guò)建立虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，隨后以某自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)為研究對(duì)象，并基于3D物流虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行建模研究，得出了優(yōu)化思路，最后驗(yàn)證了優(yōu)化方案對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)出入庫(kù)效率以及推進(jìn)“無(wú)紙化作業(yè)”的可行性。

立體倉(cāng)庫(kù)；虛擬仿真；無(wú)紙化作業(yè)

1 引言

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)（AS/RS）是當(dāng)代物流體系最重要的組成部分，是一種以高層立體貨架為基礎(chǔ)來(lái)存儲(chǔ)貨物的倉(cāng)庫(kù)，它綜合應(yīng)用機(jī)電、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)管控堆垛機(jī)對(duì)物資進(jìn)行存取作業(yè)?？紤]到立體倉(cāng)庫(kù)軟、硬件系統(tǒng)投資較大，通過(guò)運(yùn)作優(yōu)化技術(shù)，從貨物分配、任務(wù)調(diào)度、作業(yè)流程等多角度展開(kāi)研究或采取相應(yīng)措施以充分發(fā)揮其綜合效益，始終是企業(yè)和學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，由于自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)具有多學(xué)科交叉的復(fù)雜動(dòng)態(tài)離散系統(tǒng)的特質(zhì)，此前的研究大都從數(shù)學(xué)算法出發(fā)，解析分析方法較為傳統(tǒng)，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，偏重理論、實(shí)踐性差，應(yīng)用難度較高，直觀性不強(qiáng)，且未充分考慮倉(cāng)庫(kù)中各個(gè)因素對(duì)倉(cāng)庫(kù)效率的影響。因此，本文棄用了此前研究的解析分析方法，而是結(jié)合工業(yè)工程視角和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，分析和研究了立體倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)行參數(shù)及布局對(duì)出入庫(kù)作業(yè)效率的影響以及如何優(yōu)化設(shè)計(jì)信息系統(tǒng)來(lái)推進(jìn)倉(cāng)庫(kù)“無(wú)紙化作業(yè)”的實(shí)現(xiàn)。本文以某公司的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)為例，利用可視化仿真優(yōu)化技術(shù)的實(shí)用性，直觀的找出現(xiàn)有立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展瓶頸，并提出了改進(jìn)措施。并且通過(guò)仿真自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)物流系統(tǒng)的整個(gè)過(guò)程，對(duì)倉(cāng)庫(kù)物流進(jìn)行整體分析?；诟鞑糠植煌倪\(yùn)行特點(diǎn)，研究了仿真的整個(gè)流程，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)其不合理的部分，最終仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化后立體倉(cāng)庫(kù)作業(yè)效率明顯提高。

2 物流虛擬仿真概述

2.1 系統(tǒng)仿真

立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)仿真是指通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)中立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)內(nèi)部的實(shí)際運(yùn)行情況以及隨著時(shí)間變化所產(chǎn)生的狀態(tài)來(lái)建立仿真模型，并且通過(guò)對(duì)系統(tǒng)仿真運(yùn)行過(guò)程加以觀察和統(tǒng)計(jì)，憑此來(lái)估計(jì)和推斷現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的實(shí)際參數(shù)和性能。

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)人員借助系統(tǒng)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)的目的。面對(duì)眾多的設(shè)計(jì)方案，借助虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真，針對(duì)仿真系統(tǒng)所提供的參考資料，對(duì)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)進(jìn)一步進(jìn)行分析論證，綜合考慮各方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)修正，減少資金、人力和時(shí)間的浪費(fèi)，使得所設(shè)計(jì)的方案達(dá)到最優(yōu)；而對(duì)于現(xiàn)已投入使用的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，通過(guò)系統(tǒng)仿真，在不改變?cè)到y(tǒng)的情況下試圖解決存在的問(wèn)題，借此來(lái)進(jìn)一步提高立體倉(cāng)庫(kù)以及相應(yīng)設(shè)備的利用率和運(yùn)行效率，使之獲得較好的應(yīng)用。

2.2 國(guó)內(nèi)外主要物流仿真軟件的應(yīng)用狀況

隨著物流行業(yè)的發(fā)展，物流系統(tǒng)逐漸呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜化的特點(diǎn)，相關(guān)系統(tǒng)的內(nèi)部關(guān)聯(lián)性也變得越來(lái)越大。在評(píng)價(jià)一個(gè)企業(yè)的物流系統(tǒng)及其相應(yīng)的決策是否有效時(shí)，系統(tǒng)仿真在其中扮演著越來(lái)越重要的角色。此外，企業(yè)考慮增添一個(gè)新系統(tǒng)或?qū)ζ洮F(xiàn)有系統(tǒng)增加新裝備或技術(shù)進(jìn)行改造的過(guò)程中，企業(yè)通常都會(huì)借助到仿真技術(shù)的相關(guān)軟件。以下介紹幾種企業(yè)常用的物流仿真軟件，見(jiàn)表1。

表1 幾種常用的物流虛擬仿真軟件

2.3 物流虛擬仿真的特點(diǎn)

無(wú)論實(shí)際的物流系統(tǒng)是否真正存在，都可以建立系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行研究?jī)?yōu)化，這是物流虛擬仿真最大的特點(diǎn)。將實(shí)物的數(shù)據(jù)輸入仿真軟件，通過(guò)仿真模擬，輸出接近實(shí)際物流系統(tǒng)的信息。仿真實(shí)驗(yàn)具有良好的可控性、可重復(fù)性和無(wú)破壞性。仿真過(guò)程具有經(jīng)濟(jì)安全、不受氣象條件和場(chǎng)地環(huán)境限制的特點(diǎn)。物流仿真軟件的仿真過(guò)程是在建立物流系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)模型在計(jì)算機(jī)上的運(yùn)行來(lái)對(duì)模型進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整，使模型不斷改善，逐步趨于完善。仿真的實(shí)時(shí)性，使實(shí)時(shí)仿真應(yīng)用成為可能，為仿真推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。當(dāng)前物流仿真軟件主要應(yīng)用于某些物流企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)物流仿真，倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸和配送流程仿真，以及高校物流專業(yè)仿真研究學(xué)習(xí)等。

但是，目前我國(guó)仿真技術(shù)運(yùn)用水平還處于比較初級(jí)的程度，僅僅是對(duì)某一過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，不僅條件簡(jiǎn)單而且考慮的因素不全。本文將借鑒文獻(xiàn)研究的方法，深入的運(yùn)用百蝶物流公司開(kāi)發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，同時(shí)全面考慮影響仿真效果的各個(gè)因素并分析仿真結(jié)果，從而達(dá)到立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)能力優(yōu)化的目的。

3 出庫(kù)作業(yè)分析與優(yōu)化

為了綜合考慮影響立體倉(cāng)庫(kù)出庫(kù)效率的各個(gè)因素，從而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文在系統(tǒng)中錄入了四個(gè)物流門(mén)店、四種不同貨物的信息，分別采用播種式和摘果式的揀貨方法進(jìn)行出庫(kù)仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩種揀貨方式的出庫(kù)時(shí)間和成本進(jìn)行了對(duì)比。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)立體倉(cāng)庫(kù)中RGV小車(chē)運(yùn)行特別緩慢，特別是進(jìn)行拆盤(pán)揀貨后，貨物又要通過(guò)RGV小車(chē)才能回庫(kù)，導(dǎo)致整體出庫(kù)效率很低。

3.1 立體倉(cāng)庫(kù)播種式和摘果式揀貨方法比較

由表2可知，在播種式揀貨中，出庫(kù)信息處理時(shí)間和揀貨時(shí)間均比摘果式揀貨時(shí)間要短，而在總時(shí)間里摘果式揀貨時(shí)間要比播種式時(shí)間要短。

表2 出庫(kù)時(shí)間比較

播種式和摘果式揀貨方法的相關(guān)成本見(jiàn)表3。通過(guò)具體仿真操作和數(shù)據(jù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)采用播種式揀貨方式最佳。

表3 揀貨方法成本比較

3.2 立體倉(cāng)庫(kù)出庫(kù)部分設(shè)施設(shè)備改進(jìn)

物流企業(yè)面對(duì)日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求，短期采用播種式能有所改善，但是面對(duì)大量的作業(yè)，僅僅改變揀貨方式還不能提高出庫(kù)的整體效率，立體倉(cāng)庫(kù)仍處于瓶頸作業(yè)，有必要進(jìn)行設(shè)施設(shè)備方面的改造。

3.3 方案設(shè)計(jì)

改進(jìn)后的方案出庫(kù)部分為兩層，下面一層RGV小車(chē)只負(fù)責(zé)整盤(pán)出庫(kù)，拆盤(pán)出庫(kù)的都在二層。揀貨員通過(guò)樓梯進(jìn)入到二層進(jìn)行揀貨作業(yè)，在鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)末端的托盤(pán)上拿貨物，拿完后直接將貨物放到二層輸送帶上。貨物通過(guò)螺旋式輸送帶傳送到復(fù)核打包區(qū)，螺旋式輸送帶末端與立體倉(cāng)庫(kù)和電子標(biāo)簽揀貨區(qū)之間的傳送帶相連。拆盤(pán)后通過(guò)RF手持終端進(jìn)行托盤(pán)回庫(kù)，在此期間不需要RGV小車(chē)。

已知RGV小車(chē)和傳送帶速度都是可調(diào)控的，假設(shè)兩者的速度相同，在設(shè)備改進(jìn)前系統(tǒng)中RGV小車(chē)進(jìn)行一次拆盤(pán)作業(yè)需要在軌道上行走兩圈，如圖1所示。

圖1 設(shè)備改進(jìn)前

本文設(shè)計(jì)的方案中，二層鏈?zhǔn)絺魉蜋C(jī)完成拆盤(pán)出庫(kù)后，貨物直接從傳送帶輸送行走的路徑小于兩圈，因此用傳送帶進(jìn)行傳輸效率更高，并且在優(yōu)化后拆盤(pán)出庫(kù)和整盤(pán)出庫(kù)分開(kāi)作業(yè)，可以大大減少出庫(kù)時(shí)間，避免出庫(kù)貨物的堆積，提高出庫(kù)效率，如圖2、圖3所示。

4 立體倉(cāng)庫(kù)“無(wú)紙化作業(yè)”的推進(jìn)

很多物流中心在成立之初，進(jìn)行信息系統(tǒng)和作業(yè)流程設(shè)計(jì)時(shí)，受傳統(tǒng)思維的影響，很多作業(yè)需要有明確的紙質(zhì)單據(jù)作為依據(jù)去執(zhí)行相關(guān)作業(yè)，通過(guò)近幾年現(xiàn)代物流的快速發(fā)展，用紙張傳遞信息的效率比較低，隨著公司業(yè)務(wù)量的急劇增加，這個(gè)矛盾越來(lái)越突顯。在企業(yè)原有信息系統(tǒng)中，只要稍加改造就可以推行“無(wú)紙化作業(yè)”，主要應(yīng)用EDI和優(yōu)化手持終端（PDA）系統(tǒng)，這樣企業(yè)的作業(yè)效率會(huì)有比較大的提升。

圖2 設(shè)施設(shè)備改進(jìn)后（a）

圖3 設(shè)施設(shè)備改進(jìn)后（b）

4.1 信息系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

（1）企業(yè)內(nèi)部。首先在倉(cāng)庫(kù)里安裝幾個(gè)強(qiáng)信號(hào)的無(wú)線路由器來(lái)組建一個(gè)局域網(wǎng)，并給每個(gè)手持終端(PDA)上面安裝無(wú)線網(wǎng)卡以便連接局域網(wǎng)。在倉(cāng)庫(kù)建立了局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上，手持終端（PDA）系統(tǒng)里面新增了快傳和訂單兩個(gè)功能?？靷髦饕糜趥}(cāng)庫(kù)內(nèi)各區(qū)域的電腦和PDA之間單據(jù)的發(fā)送和接受，訂單主要用于查看本PDA內(nèi)已經(jīng)接收的各種單據(jù)的詳細(xì)內(nèi)容。

（2）企業(yè)外部。各個(gè)合作企業(yè)之間通過(guò)EDI系統(tǒng)交換彼此的交易信息。常見(jiàn)的EDI系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換如圖4所示。

圖4 常見(jiàn)的EDI系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換流程

①文件格式化和標(biāo)準(zhǔn)化：將紙質(zhì)的商業(yè)和行政文件通過(guò)計(jì)算機(jī)的處理，轉(zhuǎn)變成符合EDI格式的標(biāo)準(zhǔn)化的EDI數(shù)據(jù)文件。

②傳輸和交換：通過(guò)EDI數(shù)據(jù)通信和交換的功能轉(zhuǎn)接到登錄的EDI服務(wù)中心，用戶在自己電腦上的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件可以轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)方用戶的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

③文件的接收和自動(dòng)處理：在接到對(duì)方用戶計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里的文件后，可以迅速根據(jù)特定的要求進(jìn)行自動(dòng)處理。

4.2 推行“無(wú)紙化作業(yè)”的效果預(yù)估

（1）“無(wú)紙化作業(yè)”節(jié)省成本估算。以系統(tǒng)中錄入的4個(gè)出庫(kù)實(shí)驗(yàn)訂單信息舉例說(shuō)明，具體單據(jù)及播種式與摘果式揀貨成本比較見(jiàn)表4、表5。

表4 播種式與摘果式揀貨單據(jù)比較

表5 無(wú)紙化作業(yè)成本（單位：元）

由表5可知，系統(tǒng)中的4個(gè)出庫(kù)訂單信息，若采用播種式揀貨方式，可節(jié)約打印費(fèi)用共1元。假設(shè)理貨員與揀貨員分別到出庫(kù)管理員處領(lǐng)取訂單信息各花費(fèi)30s，則共計(jì)可節(jié)約費(fèi)用1.5元。同理，若采用摘果式揀貨方式共計(jì)可節(jié)約費(fèi)用2.1元。由此便可得出，采用無(wú)紙化作業(yè)系統(tǒng)，長(zhǎng)此以往可以節(jié)約大量費(fèi)用。通過(guò)計(jì)算可知，采用播種式揀貨理貨員和揀貨員可分別提高8.3%、2.7%的工作效率；采用摘果式揀貨理貨員和揀貨員可分別提高4.3%和3.4%的工作效率。

（2）EDI方法的效率評(píng)估。EDI能夠?qū)⑵髽I(yè)間散亂的各種商業(yè)信息替換成格式化和標(biāo)準(zhǔn)化的文件形式，同時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊的自動(dòng)傳遞和交換，使得整個(gè)信息交換過(guò)程中減少了大量紙質(zhì)文件，減少了人員的重復(fù)錄入，因而提高了信息的準(zhǔn)確性，減少了出錯(cuò)率，并且傳輸了無(wú)紙化的綠色理念。同時(shí)，EDI系統(tǒng)的使用使得企業(yè)間的交易時(shí)間大大縮短，從而降低了企業(yè)的庫(kù)存成本，帶動(dòng)了企業(yè)的資金發(fā)展，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。另外，EDI的采用可以大大提高企業(yè)管理和服務(wù)質(zhì)量水平，在實(shí)際中，倘若將EDI技術(shù)與物流的采購(gòu)、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)等各個(gè)環(huán)節(jié)相結(jié)合，不僅可以提高各種單證的傳遞和處理效率，而且可以減少庫(kù)存，帶動(dòng)資金發(fā)展，從而更好、更高效的滿足顧客的需求，提高服務(wù)水平。

（3）預(yù)計(jì)效益。①簡(jiǎn)化了物流作業(yè)，提高了工作效率。通過(guò)無(wú)線手持終端使用后的總結(jié)得出，在操作現(xiàn)場(chǎng)需要手工填寫(xiě)單據(jù)，再錄入系統(tǒng)記錄的操作信息，由現(xiàn)場(chǎng)操作人員手工錄入，從而簡(jiǎn)化了物流作業(yè)，并大大提高了工作效率。

②提高了作業(yè)的準(zhǔn)確性。由無(wú)線手持終端操作完全取代紙質(zhì)單據(jù)作業(yè)，不僅降低了工作人員現(xiàn)場(chǎng)書(shū)寫(xiě)錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)錄入錯(cuò)誤的概率，還能極大地提升作業(yè)的準(zhǔn)確性。

③提高了庫(kù)存的精確性。操作人員能在庫(kù)存出現(xiàn)異常時(shí)通過(guò)手持終端直接記錄異常，避免了因操作人員忘記記錄而造成的錯(cuò)誤。同時(shí)，為了及時(shí)修正庫(kù)存異常采取動(dòng)態(tài)盤(pán)庫(kù)的方式來(lái)隨時(shí)掌握庫(kù)存信息并進(jìn)行調(diào)整。在盤(pán)庫(kù)時(shí)，避免了因工作人員書(shū)寫(xiě)和記錄而造成的誤差，提高了庫(kù)存的準(zhǔn)確性。

④便于員工的量化考核。操作人員在工作時(shí)，手持終端系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄其每個(gè)作業(yè)、作業(yè)時(shí)間等信息，系統(tǒng)能快速計(jì)算員工的工作量，便于員工的量化考核。

⑤節(jié)約了紙張，更加環(huán)保。通過(guò)使用無(wú)線手持終端，節(jié)約了大量的紙張，為企業(yè)節(jié)約了成本，減少了紙張的浪費(fèi)，更加環(huán)保。

5 結(jié)語(yǔ)

本文借助物流虛擬仿真系統(tǒng)，以某自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)出入庫(kù)過(guò)程為研究對(duì)象，根據(jù)在系統(tǒng)中仿真操作、數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)了目前立體倉(cāng)庫(kù)在運(yùn)行時(shí)存在的瓶頸，并最終基于仿真實(shí)驗(yàn)給出了行之有效的優(yōu)化改進(jìn)方案。對(duì)日后立體倉(cāng)庫(kù)整體出庫(kù)作業(yè)效率的提高做出了合理的設(shè)計(jì)，為了推行無(wú)紙化作業(yè)，在信息系統(tǒng)中做出相應(yīng)的改進(jìn)調(diào)整。同時(shí)，為部分物流企業(yè)立體倉(cāng)庫(kù)的作業(yè)優(yōu)化指明了思路。

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Optimization of AS/RS and Pro motion of Paperless Operation Based on Virtual Simulation

Pan Jiali1,Wang Yong1,2,3,Cao Yifan1,Luo Dan1,Guo Gege1,Wang Qin1
(1.Wuhan Technology&Business University,Wuhan 430065;2.Wuhan University of Technology,Wuhan 430063;3.Hubei Business Service&Development Research Center,Wuhan 430065,China)

In this paper,in view of the low efficiency of the AS/RS at the current stage caused by overreliance on paper-based documents,first through establishing a virtual simulation system,we tested the settings and parameterization of the AS/RS;then based on the 3D logistics virtual simulation system,we modeled the system and arrived at the line of thinking for its optimization;and at the end,we verified the feasibility of the optimization plan in improving the inbound/outbound efficiency of the AS/RS and in promoting paperless operation.

AS/RS;virtual simulation;paperless operation

F253;F253.9

A

1005-152X(2017)06-0165-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.06.039

2017-05-06

武漢工商學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金重點(diǎn)項(xiàng)目（ST201612）；教育部人文社會(huì)科學(xué)研究青年基金項(xiàng)目（14YJCZH154）；湖北高校省級(jí)精品資源共享課《物流管理概論》；武漢工商學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（2015Y06）

泮家麗，女，浙江麗水人，武漢工商學(xué)院學(xué)生；王勇，男，江蘇鹽城人，博士研究生，武漢工商學(xué)院物流學(xué)院副院長(zhǎng)，副教授，高級(jí)物流師，經(jīng)濟(jì)師，研究方向：供應(yīng)鏈管理、高等教育；曹一凡，男，湖北大冶人，武漢工商學(xué)院學(xué)生；羅丹，女，湖北荊門(mén)人，武漢工商學(xué)院學(xué)生；郭格格，女，湖北武穴人，武漢工商學(xué)院學(xué)生；王琴，女，湖北荊門(mén)人，武漢工商學(xué)院學(xué)生。