立體倉庫物流系統(tǒng)的仿真與分析

□ 劉 曄，張一玨

(上海中船重工船舶推進(jìn)設(shè)備有限公司，上海 200031)

近年來，F(xiàn)lexsim[1-3]軟件作為強(qiáng)有力的分析工具，在工程師和設(shè)計(jì)人員的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中扮演著決策性作用。使用Flexsim[1-3]可以建立一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的3D計(jì)算機(jī)模型，可以在較短的時(shí)間獲取系統(tǒng)性能指標(biāo)。作為一款通用工具此軟件可被用于不同行業(yè)的各大系統(tǒng)中，本文則為制造業(yè)自動(dòng)化倉庫[4-6]中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)概況

本文中原型為某在建造紙廠的自動(dòng)化立體倉庫成套設(shè)備系統(tǒng)項(xiàng)目的物流輸送系統(tǒng)。此物流系統(tǒng)可分為“入庫輸送系統(tǒng)”、“貨架、堆垛機(jī)系統(tǒng)”和“出庫輸送系統(tǒng)”三大類。運(yùn)用Flexsim仿真軟件，對(duì)此項(xiàng)目中的“貨架、堆垛機(jī)系統(tǒng)”和“出庫輸送系統(tǒng)”進(jìn)行建模。結(jié)合前端“入庫輸送系統(tǒng)”進(jìn)行仿真運(yùn)行分析及優(yōu)化。

1.1 系統(tǒng)簡介

在前期“入庫輸送系統(tǒng)”的基礎(chǔ)上本文著重于此系統(tǒng)中的“貨架、堆垛機(jī)系統(tǒng)”的仿真建模。貨架及堆垛機(jī)參數(shù)見表1。

表1 貨架及堆垛機(jī)參數(shù)

1.2 系統(tǒng)主要工藝流程

該物流系統(tǒng)工藝流程可分為如下四個(gè)大類：

(a)紙垛入庫

當(dāng)紙垛到達(dá)入庫目標(biāo)庫位所在的巷道時(shí)，巷道堆垛機(jī)接受任務(wù)將紙垛運(yùn)送到倉庫的指定貨位，巷道堆垛機(jī)卸下紙垛后，堆垛機(jī)返回初始位置等待下一個(gè)任務(wù)。

(b)紙垛出庫

當(dāng)巷道堆垛機(jī)接受紙垛出庫任務(wù)時(shí)，巷道堆垛機(jī)到達(dá)所需出庫的紙垛庫位，運(yùn)送紙垛至出庫巷道口。后續(xù)出庫輸送系統(tǒng)將完成運(yùn)送紙垛至出庫站臺(tái)，同時(shí)完成托盤的回收并整理成托盤組的工作。

(c)托盤入庫

當(dāng)整理好的托盤組到達(dá)托盤入庫口時(shí)，巷道堆垛機(jī)接受任務(wù)將托盤組運(yùn)送到倉庫的指定貨位，卸下托盤組后巷道堆垛機(jī)返回初始位置等待下一個(gè)任務(wù)。

(d)托盤出庫

當(dāng)巷道堆垛機(jī)接受托盤出庫任務(wù)時(shí)，巷道堆垛機(jī)到達(dá)所需出庫的托盤庫位，運(yùn)送托盤至巷道出口，輸送線自動(dòng)啟動(dòng)將托盤運(yùn)送至相應(yīng)拆盤機(jī)。

其中，本文結(jié)合前期“入庫輸送系統(tǒng)模型”重點(diǎn)考慮(a)、(d)流程，(b)、(c)流程則根據(jù)情況進(jìn)行適當(dāng)簡化。

2 FlexSim建模

根據(jù)技術(shù)要求及實(shí)地考察，在Flexsim模型界面中布置了24個(gè)貨架及12個(gè)堆垛機(jī)。貨架及堆垛機(jī)模型視圖如圖1所示。

圖1 貨架及堆垛機(jī)模型視圖

2.1 貨架的模型

根據(jù)表1中的技術(shù)參數(shù)，共24個(gè)貨架。從北向南依次編號(hào)貨架一～貨架二十四。根據(jù)表1每個(gè)貨架的外觀設(shè)置如圖2所示。

圖2 貨架外觀模型視圖

貨架最大容量及設(shè)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(jī)的模型

根據(jù)表1中的技術(shù)參數(shù)，共12個(gè)堆垛機(jī)。從北向南依次編號(hào)堆垛機(jī)1～堆垛機(jī)12。由于每個(gè)堆垛機(jī)需要充當(dāng)運(yùn)輸媒介往返輸送線及貨架，則需要根據(jù)臨時(shí)實(shí)體流方向，通過Flexsim的中間節(jié)點(diǎn)將巷道堆垛機(jī)和輸送線或貨架相關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)完中間節(jié)點(diǎn)后如圖3設(shè)置，通過勾選use transport即可實(shí)現(xiàn)巷道車參與運(yùn)送紙垛或托盤的功能。其中堆垛機(jī)4和堆垛機(jī)8為運(yùn)送托盤組的堆垛機(jī)。其余10個(gè)堆垛機(jī)為運(yùn)送紙垛堆垛機(jī)。

圖3 堆垛機(jī)關(guān)聯(lián)設(shè)置視圖

2.3 入庫系統(tǒng)模型

在前期“入庫輸送系統(tǒng)”基礎(chǔ)上，臨時(shí)實(shí)體輸出類型保持12個(gè)對(duì)應(yīng)12個(gè)紙垛入庫巷道口。托盤和紙垛發(fā)生器的發(fā)生邏輯維持不變。12個(gè)入庫暫存區(qū)還是繼續(xù)保留。入庫暫存區(qū)紙垛根據(jù)類型設(shè)置至指定貨架的輸出關(guān)聯(lián)，紙垛隨即通過相應(yīng)巷道堆垛機(jī)輸送到相應(yīng)貨位。貨位分配采用從出庫段向入庫段，自下而上進(jìn)行分配?？刂撇呗圆捎孟热胂瘸鲈瓌t。

2.4 出庫系統(tǒng)模型

為了系統(tǒng)完整，出庫端輸送設(shè)備如圖4做了如下簡化。

圖4 系統(tǒng)出庫端模型

首先，12個(gè)堆垛巷道車分別連接12個(gè)出口輸送線；為了區(qū)分12種貨品到對(duì)應(yīng)出庫緩存區(qū)，在12個(gè)出口輸送線后增加一條輸送線根據(jù)貨品類型發(fā)送至后續(xù)12個(gè)出庫暫存區(qū)。出庫緩沖線輸出設(shè)置如圖5所示，即可根據(jù)貨品種類發(fā)送至不同的出庫暫存區(qū)。每個(gè)出庫暫存區(qū)存放一種類型的貨品。

圖5 出庫緩沖輸送線輸出設(shè)置

其次，訂單發(fā)生器預(yù)設(shè)發(fā)送5種訂單類型用箱子表示，一個(gè)訂單類型對(duì)應(yīng)不同貨品種類，后續(xù)對(duì)應(yīng)5個(gè)訂單合成器如圖6用于根據(jù)訂單的種類將不同數(shù)量不同種類的臨時(shí)實(shí)體類型合成，合成完畢后到達(dá)出庫完成緩存區(qū)。

圖6 訂單合成器設(shè)置

3 系統(tǒng)故障分析及解決策略

整個(gè)物流系統(tǒng)仿真運(yùn)行如圖7。

圖7 物流系統(tǒng)運(yùn)行圖

3.1 故障分析

貨架配套某巷道堆垛機(jī)故障。紙垛已到達(dá)入庫巷道口，某一巷道堆垛機(jī)突然斷開網(wǎng)絡(luò)或出現(xiàn)未知故障。處理策略：

①貨架巷道車調(diào)度系統(tǒng)報(bào)該巷道堆垛機(jī)存在異常。并向前端設(shè)備發(fā)送指令，停止發(fā)送該類型貨物。

②人工處理巷道堆垛機(jī)故障，故障排除后重新發(fā)送進(jìn)行巷道車入庫操作。

缺點(diǎn)：需要人工干預(yù)排除故障并重新進(jìn)行入庫調(diào)度。

3.2 擁堵及空閑分析

①巷道一及巷道五貨物量運(yùn)輸量明顯高于其他各巷道。以巷道一為例，由于接收暫存區(qū)1和暫存區(qū)2兩種類型的臨時(shí)實(shí)體，造成一定程度暫存區(qū)貨物積壓。分析：仿真模擬的12種實(shí)體流對(duì)應(yīng)12個(gè)巷道入口，現(xiàn)實(shí)中只有在某特定點(diǎn)才會(huì)進(jìn)行貨位分配。貨物的分配可根據(jù)類型數(shù)量的不同在前期進(jìn)行合理規(guī)劃。故此，積壓點(diǎn)不作為擁堵點(diǎn)。

②入庫段由于巷道堆垛機(jī)處理出庫任務(wù)而堵塞。分析：當(dāng)倉庫投入使用一定時(shí)間，紙垛入庫和紙垛出庫同時(shí)存在時(shí)，某巷道堆垛機(jī)既有出庫任務(wù)又有入庫任務(wù)，優(yōu)先級(jí)分配不合理時(shí)會(huì)導(dǎo)致入庫段或出庫段紙垛的擁堵。堆垛機(jī)調(diào)度系統(tǒng)需實(shí)時(shí)讀取出庫和入庫輸送系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)擁堵時(shí)根據(jù)倉庫出庫訂單情況調(diào)整堆垛機(jī)用于出庫和入庫任務(wù)的占用百分比，形成消息隊(duì)列處理。

3.3 優(yōu)化策略及結(jié)果

根據(jù)原方案堆垛機(jī)規(guī)劃，其中四排貨架用于存放托盤。經(jīng)計(jì)算所有貨架中托盤總數(shù)八個(gè)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(yōu)化結(jié)果：入庫端輸送系統(tǒng)所需出庫的托盤運(yùn)送，沒有因?yàn)樨浖艿臏p少而產(chǎn)生擁堵。出庫端的托盤入庫由于不是重點(diǎn)考慮對(duì)象，設(shè)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(fā)生器自動(dòng)發(fā)送托盤填充。經(jīng)模擬運(yùn)行出庫端也未發(fā)生擁堵現(xiàn)象。優(yōu)化后如圖8所示，由于只有一個(gè)貨架在用，堆垛機(jī)4比堆垛機(jī)8的使用占空比低，可達(dá)到50%以下。當(dāng)堆垛機(jī)8出現(xiàn)故障時(shí)，堆垛機(jī)4可為備用堆垛機(jī)。

圖8 優(yōu)化后堆垛機(jī)狀態(tài)餅狀圖

4 結(jié)論

本文首先根據(jù)資料對(duì)貨架及堆垛機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了虛擬建模仿真，對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，為系統(tǒng)完整地對(duì)系統(tǒng)中不做研究的出庫系統(tǒng)進(jìn)行了合理虛化；其次，在整個(gè)系統(tǒng)中通過快速模擬時(shí)間得出設(shè)備故障導(dǎo)致設(shè)備擁堵點(diǎn)進(jìn)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(jī)的控制策略和貨架組成上可能需要衡量的點(diǎn)進(jìn)行了分析優(yōu)化。可為今后立體倉庫系統(tǒng)成套設(shè)備設(shè)計(jì)研究及方案制訂提供技術(shù)支持。