基于FlexSim的電商產(chǎn)品包裝及倉庫布局仿真優(yōu)化

王海天，徐 慧，汪靈瑤，趙 越，暢攀人

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2.北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及與發(fā)展、中國移動(dòng)端用戶的增加，加上新冠疫情影響下人們減少前往實(shí)體店購物的情況下，人們通過網(wǎng)絡(luò)購物也變得更加尋常和必要。據(jù)艾瑞咨詢統(tǒng)計(jì)，2018年中國社交電商行業(yè)規(guī)模達(dá)6268.5億元，同比增長255.8%，成為網(wǎng)絡(luò)購物市場的一匹黑馬[1]。其中倉儲(chǔ)物流成本在很大程度上影響電商行業(yè)的發(fā)展。例如，中小型跨境電商企業(yè)面臨海外倉前期建設(shè)成本較高，在使用過程中又面臨著倉庫管理、商品配置和庫存優(yōu)化等精細(xì)化問題[2]。倉庫布局的是否合理，工位安排是否得當(dāng)，將影響其作業(yè)效率[3～5]，如果倉庫作業(yè)效率不高會(huì)增加企業(yè)的整體成本，造成以保稅倉為基礎(chǔ)的跨境電商供應(yīng)鏈服務(wù)可靠性不足[6]。因此有必要針對(duì)電商倉庫轉(zhuǎn)型升級(jí)提供相應(yīng)對(duì)策，為提升我國跨境電商供應(yīng)鏈效率創(chuàng)造有利條件。

FlexSim是一款用途非常廣泛的工具，已被用來對(duì)多種不同行業(yè)中的不同系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，在不同規(guī)模的企業(yè)中成功運(yùn)用。此軟件已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域的配送中心的揀選仿真、倉儲(chǔ)仿真、產(chǎn)品倉庫分揀仿真、生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真、集裝箱碼頭仿真、機(jī)場物流仿真等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到成功運(yùn)用[7]。仿真規(guī)劃的技術(shù)流程，如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程

FlexSim是一款離散事件仿真軟件，它可以用來模擬根據(jù)離散事件改變狀態(tài)的系統(tǒng)。常見的狀態(tài)如空閑、繁忙、阻塞或故障等，常見的事件如訂單的到達(dá)、產(chǎn)品移動(dòng)、機(jī)器故障等。此軟件可解決的三類基本問題：

1）服務(wù)問題，以最低的成本服務(wù)用戶及其需求，達(dá)到最高的滿意度；

2）制造問題，以最低的成本及時(shí)生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品；

3）物流問題，以最低成本將正確的產(chǎn)品及時(shí)送到正確的地方。

運(yùn)用FlexSim系統(tǒng)仿真軟件，可在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立研究對(duì)象的系統(tǒng)三維模型，然后對(duì)模型進(jìn)行各種系統(tǒng)分析和工程驗(yàn)證，最終獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)或改造方案[8，9]。

1 現(xiàn)況描述及仿真

1.1 貨物數(shù)據(jù)

某電商公司有三款產(chǎn)品A，B和C。這三種產(chǎn)品一個(gè)季度商品進(jìn)出庫數(shù)據(jù)如表1所示。其中，一個(gè)季度的A類產(chǎn)品入庫量和出庫量分為39058、37803，基本上不須占用存儲(chǔ)貨架，故屬于屬于快銷品，該產(chǎn)品入庫后通過托盤化處理、倉庫驗(yàn)貨是否合格入庫后快速出庫；一個(gè)季度的B、C類產(chǎn)品入庫量和出庫量分為26639、17284，差不多35.12%的貨物留在倉庫存儲(chǔ)，故屬于普通品，入庫后必須上到貨架進(jìn)行儲(chǔ)存，時(shí)常都有備貨，以應(yīng)對(duì)促銷活動(dòng)等。

表1 一個(gè)季度商品進(jìn)出庫數(shù)據(jù)

三種類型產(chǎn)品的規(guī)格如下：

A產(chǎn)品規(guī)格400×400×400mm，重2.5kg；

B產(chǎn)品規(guī)格600×300×600mm，重1.5kg；

C產(chǎn)品規(guī)格300×500×200mm，重0.5kg。

1.2 包裝流程

包裝作業(yè)流程如下：

圖2 包裝作業(yè)流程圖

其中加工時(shí)間如下：

表2 加工時(shí)間

1.3 存儲(chǔ)流程及內(nèi)部設(shè)計(jì)

倉庫作業(yè)流程如圖3所示。

圖3 倉庫作業(yè)流程圖

其中部分加工時(shí)間及運(yùn)輸速度如表3所示。

表3 部分加工時(shí)間及運(yùn)輸速度表

產(chǎn)品在倉庫理貨區(qū)進(jìn)行檢驗(yàn)，三種類型產(chǎn)品分別通過三個(gè)檢驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行檢驗(yàn)。A、B、C產(chǎn)品的合格率分別為95%、96%和97%。不合格產(chǎn)品直接進(jìn)入退貨區(qū)。退貨區(qū)沒有最大容量限制。倉庫放寬比為1.1，每日工作時(shí)間為3小時(shí)。

1.3.1 儲(chǔ)存區(qū)面積及托盤量計(jì)算

托盤規(guī)格 GB/T2934—2007 1200×1000mm

A所需托盤個(gè)數(shù)：

托盤數(shù)=13019.3/7=1859.9

B所需托盤個(gè)數(shù)：

托盤數(shù)=2157.6/6=359.6

C所需托盤個(gè)數(shù)：

1.3.2 貨架量計(jì)算

高層貨架規(guī)格為2000×2000×1000mm，一個(gè)貨格放一個(gè)托盤。需要的貨格數(shù)量要滿足倉容量529.1個(gè)，貨架為20層，10列，共需要貨架個(gè)數(shù)3個(gè)。

根據(jù)倉庫整體布局可知貨區(qū)布置形式為橫列式，貨架之間間距為4m。

1.3.3 入庫暫存區(qū)面積

1.3.4 退貨暫存區(qū)面積

A產(chǎn)品平均每月不合格數(shù)量=不合格率×平均每月進(jìn)庫量

=5%×(15172+12214+11672)/3=651(個(gè))

B產(chǎn)品平均每月不合格數(shù)量=不合格率×平均每月進(jìn)庫量

=4%×(8374+2374+4368)/3=201.5(個(gè))

C產(chǎn)品平均每月不合格數(shù)量=不合格率×平均每月進(jìn)庫量

=3%×(7844+554+3125)/3=115.23(個(gè))

退貨暫存區(qū)面積=(A所需要的托盤數(shù)+B所需要的托盤數(shù)+C所需要的托盤數(shù))×托盤規(guī)格

=(651/7+202/6+116/8)×1200×1000=169.4m2

1.4 初始仿真

1.4.1 建模及仿真過程

根據(jù)設(shè)定好的布局規(guī)劃，將這些所需的設(shè)備模型放置在指定區(qū)域內(nèi)，從而形成了完整的實(shí)際倉庫作業(yè)模型，如圖4所示。

圖4 倉庫作業(yè)模型

按照基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作，對(duì)實(shí)際現(xiàn)場所需的設(shè)備進(jìn)行了陳列。在FlexSim系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)，對(duì)所需的設(shè)備模型進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全過程設(shè)備模型的建立，如表4所示。

表4 三維模型清單列表

首先根據(jù)之前的產(chǎn)能對(duì)包裝作業(yè)區(qū)的作出相應(yīng)計(jì)劃。按訂單生產(chǎn)（make-to-order）根據(jù)客戶訂單的需求量和交貨期來進(jìn)行生產(chǎn)安排，其宗旨在于降低庫存。其產(chǎn)能計(jì)算如式(2)所示：

發(fā)生器由上至下分別發(fā)出ABC三種產(chǎn)品。根據(jù)之前的產(chǎn)能對(duì)包裝作業(yè)區(qū)的作出相應(yīng)計(jì)劃：A產(chǎn)品的發(fā)貨周期為15s發(fā)一件，B產(chǎn)品的發(fā)貨周期為20s發(fā)一件，C產(chǎn)品的發(fā)貨周期為18s發(fā)一件。產(chǎn)品每日出入庫訂單如表5所示。

表5 每日各產(chǎn)品出入庫訂單

利用全局時(shí)間表控制A、B、C三種產(chǎn)品發(fā)生器的產(chǎn)生相應(yīng)產(chǎn)品的數(shù)量。經(jīng)過噴碼壓蓋后，利用RFID技術(shù)，將產(chǎn)品信息寫入系統(tǒng)，可以得知其位置和批次。產(chǎn)品到達(dá)入庫區(qū)的暫存區(qū)后，進(jìn)行堆垛打包和入庫包裝檢測(cè)，在產(chǎn)品入貨架后根據(jù)訂單需求，按批次出庫。

1.4.2 仿真結(jié)果

通過仿真運(yùn)行，得到了一系列的數(shù)據(jù)信息，以FlexSim圖表的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，具有簡潔性、易明性。本案例一共仿真1天的工作量（3小時(shí)）。三種產(chǎn)品存工位貨物暫留時(shí)間，如表6所示。三種產(chǎn)品包裝作業(yè)區(qū)工位、入庫區(qū)、理貨分揀區(qū)、儲(chǔ)存區(qū)的工作時(shí)間占比如表7所示。整體仿真時(shí)間為8201.1s，約為2.28小時(shí)，在要求3小時(shí)內(nèi)。

表6 暫存工位貨物暫留時(shí)間表

表7 部分工位工作時(shí)間占比

2 優(yōu)化改善及仿真

2.1 優(yōu)化原理

2.1.1 瓶頸環(huán)節(jié)分析

首先是分析工位情況，尋找瓶頸環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)系統(tǒng)中，識(shí)別瓶頸工序就是將各工序的實(shí)際生產(chǎn)能力與其在給定時(shí)間內(nèi)的可用能力相比，計(jì)劃期內(nèi)工序負(fù)荷率的計(jì)算公式如下：

式(3)中：lk為工序k的負(fù)荷率；Ti為訂單i在工序k上的加工時(shí)間，含生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間；n為總訂單數(shù)；td為工序k上加工的所有制品中允許完工的最遲日期；ts為工序k上加工的所有制品中允許開工的最早日期；h為工序k每天的運(yùn)行時(shí)間。

這個(gè)環(huán)節(jié)通過仿真分析，通過表5可知A產(chǎn)品的入庫等待時(shí)間最長，大量產(chǎn)品堆在托盤單元化工位前，可以得出A產(chǎn)品的托盤單元化工位是瓶頸環(huán)節(jié)。

之后，由于B、C產(chǎn)品托盤單元化工位和檢驗(yàn)臺(tái)的工作時(shí)間占比低，空閑時(shí)間較多，可以改為一條入庫包裝檢驗(yàn)工位處理B、C兩種貨物，將C產(chǎn)品的托盤單元化工位改為給A產(chǎn)品托盤單元化，提升效率。

2.1.2 智能分揀

為了可以實(shí)現(xiàn)在入庫區(qū)、理貨分揀區(qū)、儲(chǔ)存區(qū)、出庫區(qū)中對(duì)產(chǎn)品的數(shù)量、位置和批次的信息的采集，本案例應(yīng)用無線射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification Devices，RFID）進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，為倉庫系統(tǒng)的智能化做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。對(duì)于產(chǎn)品的出入庫方式，本案例選擇先進(jìn)先出法（FIFO，first in first out），對(duì)產(chǎn)品按照入庫先后時(shí)間進(jìn)行按訂單出庫及存儲(chǔ)，按照批次依次出庫，讓產(chǎn)品停留倉儲(chǔ)時(shí)間縮短。

另外，由于倉庫里的工作是大量重復(fù)性的，使用操作員分揀不如利用機(jī)械手的智能識(shí)別功能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分揀，機(jī)械手的智能識(shí)別功能可以有效避免人在高強(qiáng)度工作狀態(tài)下出現(xiàn)的工作錯(cuò)誤；自動(dòng)化的操作模式，將有效提升生產(chǎn)系統(tǒng)的分揀精度和效率。而且這樣可以大大減少人工成本，在長期倉庫使用的角度上，機(jī)械手的使用將會(huì)降低產(chǎn)品成本，這樣可以使產(chǎn)品具有較好的性價(jià)比，為電商企業(yè)的良性發(fā)展保駕護(hù)航。

產(chǎn)品進(jìn)入入庫區(qū)后，智能分揀十分關(guān)鍵，分揀效率將影響后續(xù)工位的利用率。改進(jìn)后的A、B、C產(chǎn)品智能分揀的流程如圖5所示：

圖5 智能分揀流程圖

實(shí)際倉儲(chǔ)中的RTID信息采集環(huán)節(jié)在仿真中用Flexsim軟件中的全局表實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手、傳送帶、堆垛機(jī)根據(jù)全局表實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品流向的控制而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能分揀流程的仿真。例如圖6為BC托盤單元化工位訂單合成全局表，Row1、Row2分別代表B、C兩種產(chǎn)品，每列為托盤合成時(shí)各產(chǎn)品的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)托盤單元化工位可以處理B、C兩種產(chǎn)品。

圖6 BC托盤單元化工位訂單合成全局表

2.2 優(yōu)化仿真

2.2.1 建模及仿真過程

根據(jù)上述分析工作，對(duì)實(shí)際現(xiàn)場所需的設(shè)備進(jìn)行了更新。在FlexSim系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)，對(duì)所需的設(shè)備模型進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)倉儲(chǔ)物流全過程設(shè)備模型的建立，如表8所示。根據(jù)設(shè)定好的布局規(guī)劃，將這些所需的設(shè)備模型放置在指定區(qū)域內(nèi)，從而形成了優(yōu)化后的倉庫作業(yè)模型，如圖7所示。包裝作業(yè)區(qū)與之前相同仿真相同，進(jìn)入入庫區(qū)后，根據(jù)RFID技術(shù)處理后將A、B、C三種產(chǎn)品的信息錄入系統(tǒng)。A產(chǎn)品用傳送帶循環(huán)輸入兩個(gè)托盤單元化工位，減少在暫存區(qū)停留時(shí)間；B、C產(chǎn)品，在全局表控制下，按照指定順序進(jìn)入BC公用托盤單元化工位，之后根據(jù)不同類別進(jìn)入相應(yīng)檢驗(yàn)臺(tái)。

圖7 優(yōu)化后的倉庫作業(yè)模型

表8 三維模型清單列表

2.2.2 仿真結(jié)果

三種產(chǎn)品存工位貨物暫留時(shí)間，如表9所示。三種產(chǎn)品包裝作業(yè)區(qū)工位、入庫區(qū)、理貨分揀區(qū)、儲(chǔ)存區(qū)的工作時(shí)間占比如表10所示。對(duì)優(yōu)化前后部分流程工作時(shí)間占比對(duì)比，如表11所示。

表9 暫存工位貨物暫留時(shí)間表

表10 部分工位工作時(shí)間占比

由表11可知，機(jī)械手工作時(shí)間占比比操作員工作時(shí)間占比高，發(fā)揮了機(jī)械手的能力，以及在未來面對(duì)產(chǎn)品數(shù)量突增的情況，仍有很大提升空間；A產(chǎn)品托盤單元化工位由一個(gè)變?yōu)閮蓚€(gè)，大大提升了處理能力，縮短了整體流程時(shí)間，初次仿真時(shí)間為8201.1s，優(yōu)化仿真時(shí)間為6835.8s，整體流程處理效率提升16.64%；堆垛機(jī)的利用率的得到提升，保證出庫產(chǎn)品可以準(zhǔn)時(shí)出庫。

表11 優(yōu)化前后部分流程工作時(shí)間占比對(duì)比

3 結(jié)語

本課題致力于實(shí)現(xiàn)對(duì)電商包裝作業(yè)和倉儲(chǔ)作業(yè)場景的建模與仿真，從而根據(jù)仿真結(jié)果，得到該包裝作業(yè)和倉儲(chǔ)作業(yè)流程存在的優(yōu)勢(shì)以及弊端，并做出合理優(yōu)化，使得全系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)更優(yōu)的工作狀態(tài)。

首先，通過電商包裝作業(yè)和倉儲(chǔ)作業(yè)流程做出調(diào)研，并對(duì)其包裝作業(yè)和倉儲(chǔ)作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集。根據(jù)確立好的研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在FlexSim軟件平臺(tái)對(duì)初次包裝作業(yè)及倉儲(chǔ)作業(yè)進(jìn)行了建模與仿真，實(shí)現(xiàn)了三種不同類型產(chǎn)品由包裝作業(yè)到入庫、入庫到檢驗(yàn)、檢驗(yàn)到放入貨架、出庫整套操作流程的可視化和數(shù)字化。并以FlexSim圖表的方式對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了記錄，直觀反映出了全套工作過程的優(yōu)勢(shì)和不足。

然后，調(diào)整設(shè)備模型，優(yōu)化設(shè)備參數(shù)，對(duì)初次包裝作業(yè)及倉儲(chǔ)作業(yè)做出了升級(jí)與優(yōu)化。第一，根據(jù)初次仿真結(jié)果看到：A產(chǎn)品的瓶頸環(huán)節(jié)是由于托盤單元化工位導(dǎo)致入庫產(chǎn)品堆積，以及B、C兩種貨物不多，所在的作業(yè)流程工位使用率太低，所以通過整合優(yōu)化BC公用一條入庫包裝線，并將C產(chǎn)品的托盤單元化工位給A產(chǎn)品進(jìn)行托盤單元化工，提高工位使用率。第二，通過智能分揀系統(tǒng)提升產(chǎn)品流轉(zhuǎn)效率及應(yīng)用更加智能化的機(jī)械手替代入庫區(qū)的操作員，改進(jìn)了倉庫作業(yè)流程的場景。并以優(yōu)化后的設(shè)備模型進(jìn)行相同條件下的仿真運(yùn)行，同樣以FlexSim圖表的方式對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了記錄。

最后，相較于原有現(xiàn)場，整體流程處理效率提升16.64%，降低了各種制造資源成本，促進(jìn)了技術(shù)的進(jìn)步與升級(jí)。優(yōu)化的整個(gè)過程可以在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)用，為電商產(chǎn)品包裝和自動(dòng)化倉庫布局提供了一定經(jīng)驗(yàn)。