某立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)利用率仿真分析

曹沖振，李 赫，王鳳芹，許彤然，鹿國(guó)慶

（1.山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

1 引言

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)又稱高層貨架倉(cāng)庫(kù)，一般是采用幾層，十幾層乃至幾十層的貨架來(lái)儲(chǔ)存單元貨物，以巷道堆垛機(jī)為主，結(jié)合入庫(kù)和出庫(kù)周邊設(shè)備來(lái)進(jìn)行自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的一種倉(cāng)庫(kù)[1]。巷道堆垛機(jī)是決定出入庫(kù)效率的關(guān)鍵設(shè)備，所以對(duì)堆垛機(jī)進(jìn)行合理的布置十分重要。

Flexsim軟件是一款可視化的建模軟件，內(nèi)部有極其豐富的模型庫(kù)，具體在物流配送中心所需的暫存區(qū)、貨架、傳送帶、叉車、箱子等都有其對(duì)應(yīng)的實(shí)物對(duì)象，而這些對(duì)象的參數(shù)可以把物流倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)流程的主要特征描述出來(lái)，運(yùn)用Flexsim強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真結(jié)果的分析[2]。根據(jù)現(xiàn)代物流企業(yè)的規(guī)范，對(duì)某立體倉(cāng)庫(kù)的堆垛機(jī)利用率情況進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果對(duì)于立體倉(cāng)庫(kù)中堆垛機(jī)的選用與布置具有一定的參考價(jià)值。

2 立體倉(cāng)庫(kù)的布局及主要參數(shù)

某立體倉(cāng)庫(kù)為兩層結(jié)構(gòu)，倉(cāng)庫(kù)尺寸為330m×90m×24m（長(zhǎng)×寬×高）；工作時(shí)間為365天（24h/d）；貨物入庫(kù)方式包括整托入庫(kù)、零散半托成品入庫(kù)、單件入庫(kù)等三種方式；出庫(kù)方式包括整托出庫(kù)和揀選零散出庫(kù)。庫(kù)區(qū)的最大貨物保有量為21 600托，如圖1所示。

圖1 立體倉(cāng)庫(kù)模型

貨架：高密度貨架16排×40列×12層，高密度貨架4排×39列×12層，低密度貨架4排×39列×8層。其中，巷道數(shù)量為12條，巷道寬度為4m。

堆垛機(jī)：堆垛機(jī)數(shù)量為12臺(tái)，其中整托存儲(chǔ)區(qū)4臺(tái)堆垛機(jī)，人工揀選零散存儲(chǔ)區(qū)4臺(tái)堆垛機(jī)，非人工揀選零散存儲(chǔ)區(qū)4臺(tái)堆垛機(jī)。提升速度50m/min、提升加速度0.5m/s2;行走速度240m/min、行走加速度0.5m/s2;貨叉速度 15m/min、貨叉加速度 0.3m/s2；堆垛機(jī)貨叉叉?。ù娣牛r(shí)間10s、作業(yè)附加時(shí)間5s。

3 堆垛機(jī)作業(yè)方式

堆垛機(jī)的作業(yè)效率是指堆垛機(jī)每小時(shí)平均入庫(kù)或者出庫(kù)的貨物單元數(shù)，其計(jì)算公式為：

上式中，η為系統(tǒng)運(yùn)行效率；Ti為單臺(tái)堆垛機(jī)單次入庫(kù)或者出庫(kù)需要的時(shí)間，按堆垛機(jī)單一作業(yè)方式和復(fù)合作業(yè)方式進(jìn)行分類[3]。

（1）單一作業(yè)方式。指堆垛機(jī)在庫(kù)中只進(jìn)行單一的出入庫(kù)作業(yè)的方式，單一作業(yè)方式又稱為單循環(huán)作業(yè)方式，它的運(yùn)動(dòng)方式如圖2所示。

圖2 中，m代表貨架的列數(shù)，n代表單排貨架層數(shù)。對(duì)于單一作業(yè)方式，出入庫(kù)時(shí)間T1用如下公式表示：

（2）復(fù)合作業(yè)方式。復(fù)合作業(yè)方式是指堆垛機(jī)從出入庫(kù)臺(tái)先取出貨物送到選定貨位，然后轉(zhuǎn)移到另一個(gè)給定貨位，取出其中的貨物，再回到出入庫(kù)臺(tái)。在復(fù)合作業(yè)方式中堆垛機(jī)會(huì)在一個(gè)循環(huán)里完成不同商品的存取工作，它的工作過(guò)程如圖3所示。

圖3 復(fù)合作業(yè)方式

對(duì)于復(fù)合作業(yè)方式，出入庫(kù)時(shí)間T2用如下公式表示：

該倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)貨物出入庫(kù)的方式為同側(cè)出入庫(kù)，并且出入庫(kù)分為兩層進(jìn)行作業(yè)，一二層均可以進(jìn)行出入庫(kù)作業(yè)。堆垛機(jī)出入庫(kù)作業(yè)分為8種循環(huán)方式，見表1。其中單一作業(yè)方式占16%，復(fù)合作業(yè)方式占84%。

表1 堆垛機(jī)循環(huán)方式

4 堆垛機(jī)利用率仿真

由于堆垛機(jī)利用率計(jì)算公式多為經(jīng)驗(yàn)公式，考慮到堆垛機(jī)數(shù)量多且實(shí)際工作情況復(fù)雜，難以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，故使用Flexsim軟件對(duì)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行建模仿真，得到的仿真結(jié)果更接近實(shí)際情況[4]。

（1）倉(cāng)庫(kù)建模。使用Flexsim軟件對(duì)貨架區(qū)域內(nèi)進(jìn)行1:1比例實(shí)體建模，根據(jù)原始參數(shù)，在Flexsim中對(duì)坐標(biāo)軸進(jìn)行調(diào)整，嚴(yán)格按照規(guī)劃設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建模，如圖4所示。

圖4 倉(cāng)庫(kù)整體建模

（2）貨架設(shè)置。按照貨架的基本尺寸進(jìn)行設(shè)置，貨架的設(shè)置如圖5所示。

（3）堆垛機(jī)設(shè)置。根據(jù)堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性曲線，對(duì)Flexsim中的堆垛機(jī)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置堆垛機(jī)的水平運(yùn)行速度、加速度，垂直升降速度、加速度以及貨叉叉取（存放）時(shí)間、附加時(shí)間等。為了實(shí)現(xiàn)作業(yè)的多樣形式，對(duì)堆垛機(jī)的裝載卸載時(shí)間進(jìn)行作業(yè)配比的百分比設(shè)置，如圖6所示。

（4）仿真運(yùn)行。為保證仿真結(jié)果的真實(shí)性和有效性，仿真時(shí)間在72h以上，本次仿真的運(yùn)行時(shí)間為84h。

（5）仿真結(jié)果分析。本次仿真設(shè)定任務(wù)需求量為峰值數(shù)據(jù)（入庫(kù)160托/h、出庫(kù)220托/h），得到12臺(tái)堆垛機(jī)利用率的仿真結(jié)果如圖7所示，每臺(tái)堆垛機(jī)的利用率均在85%左右，最大為85.34%，最小為84.42%。以7號(hào)堆垛機(jī)為例，其仿真工作占比如圖8所示。

各堆垛機(jī)的詳細(xì)工作情況見表2。

通過(guò)圖7和表2的仿真結(jié)果可以看出各堆垛機(jī)的利用率均在85%左右，其峰值利用率在合理利用率（75%—87%）之間，符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

圖6 堆垛機(jī)參數(shù)設(shè)置

圖5 貨架參數(shù)設(shè)置

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代物流行業(yè)快速發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)對(duì)于倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的出入庫(kù)能力有了更高的要求，因此，在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，保證堆垛機(jī)利用率在一個(gè)合理范圍內(nèi)十分必要。本文以某立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)作業(yè)過(guò)程為研究對(duì)象，利用Flexsim軟件對(duì)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行建模與仿真，通過(guò)仿真結(jié)果能直觀看出各堆垛機(jī)的利用率情況，從而驗(yàn)證了倉(cāng)庫(kù)布局的合理性。

圖7 堆垛機(jī)利用率仿真結(jié)果

圖8 堆垛機(jī)7工作占比

表2 堆垛機(jī)工作情況表