基于Flexsim的自動化立體倉庫建模與仿真

陳俊男，劉世剛，王海泉

（吉林化工學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，吉林 吉林 132022）

1 自動化立體倉庫平面布局設(shè)計

本文主要對一物流企業(yè)的倉儲作業(yè)流程進(jìn)行建模和仿真，經(jīng)了解該物流企業(yè)的倉儲中心采用了自動化立體倉庫。其中的A倉庫B區(qū)主要存儲四種物料，擁有四個卸貨點和三個裝貨點，裝卸搬運均采用燃油叉車進(jìn)行，在到達(dá)倉庫后需要對每種貨物進(jìn)行自動分揀，之后由四個工人進(jìn)行一道加工工序使其變成成品并輸送到特定的暫存區(qū)，最后將每種貨物通過四個堆垛機存儲到相應(yīng)的四個貨架中。在接到銷售訂單后將產(chǎn)品成批包裝出庫，每批的產(chǎn)品數(shù)量為八件。其立體倉庫的平面布局如圖1所示。

由于Flexsim試用版本軟件有實體數(shù)量的限制，最多只能使用30個實體，因此下面的建模被劃分為三個階段進(jìn)行，依次分別是：入庫流程、存儲流程、出庫流程。

圖1 立體倉庫的平面布局

2 自動化立體倉庫的相關(guān)設(shè)備及其基本參數(shù)

初步規(guī)劃的倉儲各設(shè)備的主要數(shù)據(jù)如下：選取傳送帶、分揀傳送帶的速率為1m/s，加工處理器的加工時間為10s，發(fā)生器模擬每輛卸貨車中的四種貨物服從exponential(0，10，0)的分布函數(shù)，隨機的產(chǎn)生4種貨物。對應(yīng)著4個加工處理器，設(shè)計的貨架有4排，每個貨架10層10列，以達(dá)到貨位充裕，避免出現(xiàn)貨物呆滯情況。其模型的各個主要設(shè)備組成情況及其數(shù)量見表1。

表1 主要設(shè)備組成情況及其數(shù)量

3 自動化立體倉庫出/入庫作業(yè)流程

3.1 入庫作業(yè)流程

在發(fā)生器模擬卸貨車隨機發(fā)出四種貨物后，將需要的貨物由人工叉車搬運到貨物檢測區(qū)，進(jìn)行初步的入庫作業(yè)流程。如圖2所示，其流程可以簡化為：卸貨、貨物檢測、貨物加工、貨物流轉(zhuǎn)、貨物暫存等待入庫流程。

3.2 出庫作業(yè)流程

出庫主要包括：數(shù)據(jù)的輸入、貨物分類包裝、分類組托、運輸裝車等環(huán)節(jié)。其流程如圖3所示。

4 建立自動化立體倉庫仿真模型

4.1 建立入庫處理區(qū)的Flexsim模型

（1）設(shè)置布局：由于Flexsim軟件建模采用的是面向?qū)ο蠼?，只需要根?jù)前面設(shè)計好的倉庫平面圖進(jìn)行模型各個對象的布局，以此方法完成其他實體的布局。

圖2 入庫流程圖

圖3 出庫流程圖

（2）設(shè)置屬性與參數(shù)：根據(jù)每個對象所要模擬的實物物理系統(tǒng)特征，對其進(jìn)行參數(shù)和屬性的設(shè)定。在操作窗口中，雙擊所要編輯的實體對象，打開模型的參數(shù)設(shè)置窗口進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，同時完成實體行為邏輯的編輯。

①設(shè)置卸貨車參數(shù)：通過發(fā)生器對卸貨車的物理性質(zhì)的模擬，該卸貨車混亂地裝有四種類型的貨物，四種貨具有鮮明的外觀區(qū)別，并且卸貨車是按照exponential(0，10，0)的分布函數(shù)時間間隔到達(dá)倉庫。

②設(shè)置檢測臺1參數(shù)：打開檢測臺的屬性編輯框進(jìn)行編輯，貨物被送到檢測臺后需要進(jìn)過15s的檢測過程，在第一個貨物檢測時，第二個不允許進(jìn)入檢測區(qū)，只有當(dāng)?shù)谝粋€貨物檢測完后才能進(jìn)入。其貨物檢測臺的邏輯代碼如圖4所示。

③設(shè)置分揀傳送帶參數(shù)：分揀傳送帶根據(jù)實際需要，具有四個輸入端口，上游連接了傳送帶，下游連接了加工處理器，在傳送帶將貨物運送到分揀傳送帶上時，分揀傳送帶以速度2，間隔值1的工作運行，發(fā)送條件為一直發(fā)送。

④設(shè)置加工處理器的參數(shù)：根據(jù)實驗要求，加工處理器識別貨物類型并拉取貨物。在加工一個貨物的時候不允許第二個貨物進(jìn)入，每個貨物需要加工的時間為10s，加工結(jié)束后由加工人員搬運到傳送帶統(tǒng)一將這些產(chǎn)品輸送到暫存區(qū)。其結(jié)果處理器的參數(shù)如圖5所示。

根據(jù)實際要求將參數(shù)設(shè)置完畢后，便完成了入庫前階段的模型建立。點擊保存后重置運行，其運行結(jié)果如圖6所示。

圖4 貨物檢測臺1的邏輯代碼

4.2 建立貨物存儲區(qū)的Flexsim模型

圖5 加工處理器的參數(shù)設(shè)置

（1）設(shè)置布局：倉儲區(qū)的主要設(shè)備包括：AGV搬運車、傳送帶、貨架，入庫堆垛機等設(shè)備。其布局如圖7所示。

（2）設(shè)置設(shè)備屬性和參數(shù)：在倉儲模型中，主要的設(shè)備參數(shù)設(shè)置有：入庫暫存區(qū)1參數(shù)設(shè)置、傳送帶參數(shù)設(shè)置、貨架參數(shù)設(shè)置以及堆垛機的參數(shù)設(shè)置。

①入庫暫存區(qū)參數(shù)設(shè)置：入庫暫存區(qū)的參數(shù)設(shè)置主要針對下游貨物的流向以及AGV的調(diào)用設(shè)置，要求case值為1,2的流向傳送帶6，case值為3,4的流向傳送帶5，同時也給兩個AGV搬運車設(shè)計了相應(yīng)的搬運任務(wù)。

②貨架參數(shù)設(shè)置：這里的貨架參數(shù)主要包括：最大容量10 000 000；放置到層列設(shè)置：隨機放到可用層和可用列，貨架尺寸設(shè)置：列數(shù)10，列寬2，層數(shù)10，層高1。

③入庫堆垛機參數(shù)設(shè)置：主要包括升降速度：1，容量4，加速1，減速1，拉伸速度1，最大速度5等。

出庫后商品分類打包后進(jìn)行裝車，如圖8所示。

設(shè)置設(shè)備屬性和參數(shù)：涉及到參數(shù)編輯的主要設(shè)備有出庫堆垛機、合成器（打包臺）、AGV運輸車、叉車等。

圖6 入庫前階段的運行結(jié)果示意圖

圖7 入庫布局示意圖

①合成器（打包臺）參數(shù)設(shè)置：打包臺采用操作員進(jìn)行加工，加工時間為10s，臨時實體通過調(diào)用AGV小車進(jìn)行運輸。

②出庫堆垛機參數(shù)設(shè)置：由于入庫堆垛機只有2架運行，而出庫堆垛機有3架運行，所以其運行速率相對入庫堆垛機略小，升降速度為1，容量為2，最大速度為2，裝載卸載預(yù)留時間均為0，拉伸速度為1。

③發(fā)生器參數(shù)設(shè)置：如圖9所示，此處的發(fā)生器主要用于產(chǎn)生四種不同類型的托盤，當(dāng)操作員完成打包工作時，實現(xiàn)貨物托盤組托。

圖9 托盤發(fā)生器的參數(shù)示意圖

圖8 打包區(qū)布局及其示意圖

5 自動化立體倉庫的仿真分析

5.1 仿真模型運行

（1）入庫模型運行：根據(jù)以上操作以及相應(yīng)參數(shù)設(shè)置完成所有建模流程后，然后對完成的入庫、存儲、出庫三個環(huán)節(jié)進(jìn)行模型300s的仿真運行。在連續(xù)運行300s后再觀察其各設(shè)備的輸入輸出量，其入庫的仿真結(jié)果如圖10所示。

（2）倉儲模型運行：在入庫流程中發(fā)生器的到達(dá)時間間隔參數(shù)設(shè)置是：exponential(0，20，0)，第二階段的貨物發(fā)生器的到達(dá)時間間隔參數(shù)設(shè)置為：exponential(0，5，0)。在運行300s后倉儲模型的運行結(jié)果如圖11所示：其中倉儲模型Dashboard統(tǒng)計描述的數(shù)據(jù)有：暫存區(qū)、任務(wù)執(zhí)行器、傳送帶和貨架的狀態(tài)分析圖，利用狀態(tài)分析圖可以對各個設(shè)備進(jìn)行效率分析。

（3）出庫模型運行：同樣，在出庫流程中也引入了Dashboard數(shù)據(jù)統(tǒng)計工具，在出庫流程中主要分析AGV搬運車、合成器（打包臺）、叉車的效率和每小時輸出數(shù)量，以及各個暫存區(qū)的輸入量。其模型運行結(jié)果如圖12所示。

5.2 仿真數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計

圖10 300s后的入庫結(jié)果示意圖

圖11 300s后的倉儲結(jié)果示意圖

圖12 300s后的出庫結(jié)果示意圖

（1）入庫模型的數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2、表3，主要統(tǒng)計了檢測臺、分揀傳送帶、暫存區(qū)的輸入量以及分揀傳送帶、加工處理器的輸入量：

表2 入庫輸入統(tǒng)計表

表3 入庫輸出統(tǒng)計表

（2）存儲區(qū)的數(shù)據(jù)主要統(tǒng)計了暫存區(qū)、AGV、傳送帶、貨架的狀態(tài)分析，傳送帶、堆垛機、貨架的輸入量以及AGV、堆垛機每小時輸出量。其具體數(shù)據(jù)如圖13、表4、圖14所示。

圖13 存儲區(qū)各設(shè)備狀態(tài)分析

表4 存儲區(qū)輸入量統(tǒng)計表

圖14 堆垛機、AGV每小時的輸出量

（3）出庫區(qū)的數(shù)據(jù)主要對任務(wù)執(zhí)行器、打包臺、叉車進(jìn)行了狀態(tài)分析，如圖15所示，為了更加方便地觀察各個區(qū)的貨物數(shù)量，還統(tǒng)計了輸入量與一些設(shè)備每小時的輸出量。如圖16、圖17所示。

圖15 出庫區(qū)的各設(shè)備狀態(tài)分析統(tǒng)計

圖16 模型運行出庫區(qū)各區(qū)貨物輸入量

圖17 出庫區(qū)各設(shè)備的每小時輸出量

5.3 模型優(yōu)化分析

（1）入庫區(qū)優(yōu)化分析。通過上面入庫區(qū)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，檢測臺的輸入量依次是16、10、15、12，其運行狀況良好，但分揀傳送帶由于只有一條，輸入數(shù)量為51，出現(xiàn)了阻塞現(xiàn)象，查看分揀傳送帶可以發(fā)現(xiàn)其運行速度為1，通過數(shù)據(jù)分析，將分揀傳送帶的速度由1變?yōu)?，再將下游的傳送帶改變成直線傳送帶，可以明顯的看到直線傳送帶跟普通傳送帶相比有較多的優(yōu)勢，不僅可以擁有多個對接端口，而且還縮短了操作員的運輸距離，優(yōu)化前因為使用普通傳送帶，只有一個端口，所以四個操作員均需要將貨物搬運到唯一的一個指定端口，由于3號、4號操作員距離端口較遠(yuǎn)，故而出現(xiàn)了處理器運行效率較低的情況。當(dāng)使用直線傳送帶后便很好地解決了這個問題，使模型達(dá)到了優(yōu)化。其優(yōu)化后的模型及其數(shù)據(jù)如圖18所示。

圖18 優(yōu)化后的模型及其數(shù)據(jù)

可以看到檢測臺的輸入量分別是：16、14、16、20，分揀傳送帶的輸入量為65，暫存區(qū)的輸入量為56，而加工處理器的輸出量分別是：16、13、14、16，優(yōu)化后的數(shù)據(jù)明顯高于優(yōu)化前的模型數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)見表5、表6。

表5 優(yōu)化前后的輸入量統(tǒng)計對照表

表6 優(yōu)化前后的輸出量統(tǒng)計對照表

（2）存儲區(qū)優(yōu)化分析。在存儲區(qū)的設(shè)備狀態(tài)分析圖中可以發(fā)現(xiàn)AGV的運行效率分別是：88.9%、93.6%，其運行狀況較好，每小時的貨物輸送量均超過了200，堆垛機的每小時數(shù)量超過100，各個貨架的輸入數(shù)量也比較均勻，入庫堆垛機的運行效率也較為良好。但當(dāng)運行到300左右時可以明顯地看到傳送帶1、2、3、4出現(xiàn)了貨物堵塞情況。如圖19所示，這是由于上游貨物較多，而下游的堆垛機運行速率較低所致，可以將原來堆垛機的升降速率變?yōu)?，貨叉速度3.拉伸速度3，容量4，加速4，通過堆垛機的速率改變來提高堆垛機的運行效率。

圖19 貨物阻塞情況圖

優(yōu)化前后的各設(shè)備輸入量對照見表7：在表中可以明顯地看到優(yōu)化后堆垛機的運輸數(shù)量明顯比優(yōu)化前提高了，改變了之前傳送帶堵塞的情況，同時也提高了貨架的存儲效率，在相同的時間里貨架存儲了存儲了更多的貨物，使得存儲目標(biāo)的到了實現(xiàn)。

表7 倉儲區(qū)輸入量對照表

優(yōu)化后的模型如圖20所示：在圖中可以明顯地看到，在模型運行到300s時，傳送帶已經(jīng)沒有了之前出現(xiàn)的堵塞情況，運行效率得到了改善。

圖20 優(yōu)化后的存儲示意圖

（3）出庫區(qū)優(yōu)化分析。通過出庫區(qū)的狀態(tài)分析可以看到任務(wù)執(zhí)行器的運行效率分別是：95.2%、94.9%，打包臺的運行效率分別是：95.8%、95.0%、96.5%、94.9%，運行效率都比較高。而叉車的運行效率分別是：12.4%、14.1%，相對比較低，但當(dāng)模擬運行到600s時，如圖21所示，可以看到待包裝區(qū)出現(xiàn)了貨物積壓的情況，根據(jù)實際生產(chǎn)要求，待包裝區(qū)不應(yīng)該出現(xiàn)貨物積壓，因此可以通過改變AGV小車的容量來提高運輸量，之前AGV小車的容量為1，當(dāng)把容量改為4后，小車的運輸效率就得到了很大的提高，并且解決了暫存區(qū)中的擠壓問題。

圖21 優(yōu)化前模型示意圖

優(yōu)化后的模型數(shù)據(jù)如圖22所示，在圖中可以明顯看到出庫暫存區(qū)與產(chǎn)品出庫區(qū)的貨物數(shù)量有了很大的提高，通過AGV容量參數(shù)的改變可以很好地解決以上包裝區(qū)存在的貨物積壓情況。

圖22 優(yōu)化后模型示意圖

（4）數(shù)據(jù)分析概括。通過以上數(shù)據(jù)以及運行結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，利用好Flexsim軟件可以很好地實現(xiàn)目標(biāo)模擬仿真，并且能夠在較短的時間條件下對模型實體進(jìn)行優(yōu)化。實現(xiàn)了模型仿真的目的。

在入庫模型、存儲模型以及出庫模型的優(yōu)化過程中，都可以通過觀察數(shù)據(jù)很快地察覺到其所存在的問題，在入庫模型中我們通過將普通傳送帶改變?yōu)橹本€傳送帶不僅解決了上游堵塞的情況，而且還間接的優(yōu)化了操作員的行程路徑，使得入庫效率明顯提升：在倉儲模型中只需要通過對堆垛機參數(shù)的簡單改變便可以將其效率提高很大一個層次：而在出庫模型中通過對AGV小車的容量參數(shù)改變，通過提高AGV小車的效率來改變上游存在的貨物積壓情況，同時也提高了下游產(chǎn)品的出產(chǎn)率。在整個優(yōu)化仿真過程中都可以發(fā)現(xiàn)其優(yōu)化過程相對比較簡單，仿真結(jié)果也不需要等待過長的時間，通過調(diào)節(jié)仿真運行速率便可以很快的得到仿真結(jié)果。

此外，因為具有強大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能Dashboard，我們可以很快地對各個環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，從而快速的找出優(yōu)化點，作出相應(yīng)的優(yōu)化方案。這在很大程度上大大地節(jié)省了仿真人員的優(yōu)化時間，不需要向其他仿真軟件那樣需要反復(fù)地改變代碼或者重新編譯才能完成優(yōu)化目標(biāo)。