基于虚拟仿真的立体仓库优化设计及“无纸化作业”推进

泮家丽，王 勇，2，3，曹一凡，罗 丹，郭格格，王 琴

（1.武汉工商学院，湖北 武汉 430065；2.武汉理工大学，湖北 武汉 430063；3.湖北商务服务发展研究中心，湖北 武汉 430065）

基于虚拟仿真的立体仓库优化设计及“无纸化作业”推进

泮家丽1，王 勇1，2，3，曹一凡1，罗 丹1，郭格格1，王 琴1

（1.武汉工商学院，湖北 武汉 430065；2.武汉理工大学，湖北 武汉 430063；3.湖北商务服务发展研究中心，湖北 武汉 430065）

针对自动化立体仓库目前存在的纸张单据过多、作业效率低等问题，首先通过建立虚拟仿真系统对设置参数进行实验，随后以某自动化立体仓库为研究对象，并基于3D物流虚拟仿真系统对仓库系统进行建模研究，得出了优化思路，最后验证了优化方案对立体仓库出入库效率以及推进“无纸化作业”的可行性。

立体仓库；虚拟仿真；无纸化作业

1 引言

自动化立体仓库（AS/RS）是当代物流体系最重要的组成部分，是一种以高层立体货架为基础来存储货物的仓库，它综合应用机电、自动控制、计算机和通信技术管控堆垛机对物资进行存取作业。考虑到立体仓库软、硬件系统投资较大，通过运作优化技术，从货物分配、任务调度、作业流程等多角度展开研究或采取相应措施以充分发挥其综合效益，始终是企业和学者们关注的焦点。然而，由于自动化仓储系统具有多学科交叉的复杂动态离散系统的特质，此前的研究大都从数学算法出发，解析分析方法较为传统，花费时间长，偏重理论、实践性差，应用难度较高，直观性不强，且未充分考虑仓库中各个因素对仓库效率的影响。因此，本文弃用了此前研究的解析分析方法，而是结合工业工程视角和计算机仿真技术，分析和研究了立体仓库的运行参数及布局对出入库作业效率的影响以及如何优化设计信息系统来推进仓库“无纸化作业”的实现。本文以某公司的自动化立体仓库为例，利用可视化仿真优化技术的实用性，直观的找出现有立体仓库的发展瓶颈，并提出了改进措施。并且通过仿真自动化立体仓库物流系统的整个过程，对仓库物流进行整体分析。基于各部分不同的运行特点，研究了仿真的整个流程，发现并改进其不合理的部分，最终仿真结果显示，优化后立体仓库作业效率明显提高。

2 物流虚拟仿真概述

2.1 系统仿真

立体仓库系统仿真是指通过计算机来模拟现实中立体仓库系统内部的实际运行情况以及随着时间变化所产生的状态来建立仿真模型，并且通过对系统仿真运行过程加以观察和统计，凭此来估计和推断现实系统中的实际参数和性能。

自动化立体仓库的设计人员借助系统仿真技术实现优化目标的目的。面对众多的设计方案，借助虚拟仿真系统进行仿真，针对仿真系统所提供的参考资料，对设计方案的优势和劣势进一步进行分析论证，综合考虑各方案的优缺点进行方案的设计修正，减少资金、人力和时间的浪费，使得所设计的方案达到最优；而对于现已投入使用的自动化立体仓库，通过系统仿真，在不改变原系统的情况下试图解决存在的问题，借此来进一步提高立体仓库以及相应设备的利用率和运行效率，使之获得较好的应用。

2.2 国内外主要物流仿真软件的应用状况

随着物流行业的发展，物流系统逐渐呈现出多样化、复杂化的特点，相关系统的内部关联性也变得越来越大。在评价一个企业的物流系统及其相应的决策是否有效时，系统仿真在其中扮演着越来越重要的角色。此外，企业考虑增添一个新系统或对其现有系统增加新装备或技术进行改造的过程中，企业通常都会借助到仿真技术的相关软件。以下介绍几种企业常用的物流仿真软件，见表1。

表1 几种常用的物流虚拟仿真软件

2.3 物流虚拟仿真的特点

无论实际的物流系统是否真正存在，都可以建立系统仿真模型进行研究优化，这是物流虚拟仿真最大的特点。将实物的数据输入仿真软件，通过仿真模拟，输出接近实际物流系统的信息。仿真实验具有良好的可控性、可重复性和无破坏性。仿真过程具有经济安全、不受气象条件和场地环境限制的特点。物流仿真软件的仿真过程是在建立物流系统模型的基础上，通过模型在计算机上的运行来对模型进行检测和调整，使模型不断改善，逐步趋于完善。仿真的实时性，使实时仿真应用成为可能，为仿真推广应用奠定了良好的基础。当前物流仿真软件主要应用于某些物流企业内部生产物流仿真，仓储、运输和配送流程仿真，以及高校物流专业仿真研究学习等。

但是，目前我国仿真技术运用水平还处于比较初级的程度，仅仅是对某一过程进行仿真模拟，不仅条件简单而且考虑的因素不全。本文将借鉴文献研究的方法，深入的运用百蝶物流公司开发的虚拟仿真系统对立体仓库进行实时仿真，同时全面考虑影响仿真效果的各个因素并分析仿真结果，从而达到立体仓库系统能力优化的目的。

3 出库作业分析与优化

为了综合考虑影响立体仓库出库效率的各个因素，从而进行优化设计，本文在系统中录入了四个物流门店、四种不同货物的信息，分别采用播种式和摘果式的拣货方法进行出库仿真实验，对两种拣货方式的出库时间和成本进行了对比。同时也发现立体仓库中RGV小车运行特别缓慢，特别是进行拆盘拣货后，货物又要通过RGV小车才能回库，导致整体出库效率很低。

3.1 立体仓库播种式和摘果式拣货方法比较

由表2可知，在播种式拣货中，出库信息处理时间和拣货时间均比摘果式拣货时间要短，而在总时间里摘果式拣货时间要比播种式时间要短。

表2 出库时间比较

播种式和摘果式拣货方法的相关成本见表3。通过具体仿真操作和数据对比，可以发现采用播种式拣货方式最佳。

表3 拣货方法成本比较

3.2 立体仓库出库部分设施设备改进

物流企业面对日益增长的业务需求，短期采用播种式能有所改善，但是面对大量的作业，仅仅改变拣货方式还不能提高出库的整体效率，立体仓库仍处于瓶颈作业，有必要进行设施设备方面的改造。

3.3 方案设计

改进后的方案出库部分为两层，下面一层RGV小车只负责整盘出库，拆盘出库的都在二层。拣货员通过楼梯进入到二层进行拣货作业，在链式输送机末端的托盘上拿货物，拿完后直接将货物放到二层输送带上。货物通过螺旋式输送带传送到复核打包区，螺旋式输送带末端与立体仓库和电子标签拣货区之间的传送带相连。拆盘后通过RF手持终端进行托盘回库，在此期间不需要RGV小车。

已知RGV小车和传送带速度都是可调控的，假设两者的速度相同，在设备改进前系统中RGV小车进行一次拆盘作业需要在轨道上行走两圈，如图1所示。

图1 设备改进前

本文设计的方案中，二层链式传送机完成拆盘出库后，货物直接从传送带输送行走的路径小于两圈，因此用传送带进行传输效率更高，并且在优化后拆盘出库和整盘出库分开作业，可以大大减少出库时间，避免出库货物的堆积，提高出库效率，如图2、图3所示。

4 立体仓库“无纸化作业”的推进

很多物流中心在成立之初，进行信息系统和作业流程设计时，受传统思维的影响，很多作业需要有明确的纸质单据作为依据去执行相关作业，通过近几年现代物流的快速发展，用纸张传递信息的效率比较低，随着公司业务量的急剧增加，这个矛盾越来越突显。在企业原有信息系统中，只要稍加改造就可以推行“无纸化作业”，主要应用EDI和优化手持终端（PDA）系统，这样企业的作业效率会有比较大的提升。

图2 设施设备改进后（a）

图3 设施设备改进后（b）

4.1 信息系统的改进设计

（1）企业内部。首先在仓库里安装几个强信号的无线路由器来组建一个局域网，并给每个手持终端(PDA)上面安装无线网卡以便连接局域网。在仓库建立了局域网的基础上，手持终端（PDA）系统里面新增了快传和订单两个功能。快传主要用于仓库内各区域的电脑和PDA之间单据的发送和接受，订单主要用于查看本PDA内已经接收的各种单据的详细内容。

（2）企业外部。各个合作企业之间通过EDI系统交换彼此的交易信息。常见的EDI系统间数据交换如图4所示。

图4 常见的EDI系统间数据交换流程

①文件格式化和标准化：将纸质的商业和行政文件通过计算机的处理，转变成符合EDI格式的标准化的EDI数据文件。

②传输和交换：通过EDI数据通信和交换的功能转接到登录的EDI服务中心，用户在自己电脑上的标准数据文件可以转发到对方用户的计算机系统。

③文件的接收和自动处理：在接到对方用户计算机系统里的文件后，可以迅速根据特定的要求进行自动处理。

4.2 推行“无纸化作业”的效果预估

（1）“无纸化作业”节省成本估算。以系统中录入的4个出库实验订单信息举例说明，具体单据及播种式与摘果式拣货成本比较见表4、表5。

表4 播种式与摘果式拣货单据比较

表5 无纸化作业成本（单位：元）

由表5可知，系统中的4个出库订单信息，若采用播种式拣货方式，可节约打印费用共1元。假设理货员与拣货员分别到出库管理员处领取订单信息各花费30s，则共计可节约费用1.5元。同理，若采用摘果式拣货方式共计可节约费用2.1元。由此便可得出，采用无纸化作业系统，长此以往可以节约大量费用。通过计算可知，采用播种式拣货理货员和拣货员可分别提高8.3%、2.7%的工作效率；采用摘果式拣货理货员和拣货员可分别提高4.3%和3.4%的工作效率。

（2）EDI方法的效率评估。EDI能够将企业间散乱的各种商业信息替换成格式化和标准化的文件形式，同时根据网络通讯的自动传递和交换，使得整个信息交换过程中减少了大量纸质文件，减少了人员的重复录入，因而提高了信息的准确性，减少了出错率，并且传输了无纸化的绿色理念。同时，EDI系统的使用使得企业间的交易时间大大缩短，从而降低了企业的库存成本，带动了企业的资金发展，提高了企业的经济效益。另外，EDI的采用可以大大提高企业管理和服务质量水平，在实际中，倘若将EDI技术与物流的采购、运输、仓储等各个环节相结合，不仅可以提高各种单证的传递和处理效率，而且可以减少库存，带动资金发展，从而更好、更高效的满足顾客的需求，提高服务水平。

（3）预计效益。①简化了物流作业，提高了工作效率。通过无线手持终端使用后的总结得出，在操作现场需要手工填写单据，再录入系统记录的操作信息，由现场操作人员手工录入，从而简化了物流作业，并大大提高了工作效率。

②提高了作业的准确性。由无线手持终端操作完全取代纸质单据作业，不仅降低了工作人员现场书写错误和数据录入错误的概率，还能极大地提升作业的准确性。

③提高了库存的精确性。操作人员能在库存出现异常时通过手持终端直接记录异常，避免了因操作人员忘记记录而造成的错误。同时，为了及时修正库存异常采取动态盘库的方式来随时掌握库存信息并进行调整。在盘库时，避免了因工作人员书写和记录而造成的误差，提高了库存的准确性。

④便于员工的量化考核。操作人员在工作时，手持终端系统能够实时记录其每个作业、作业时间等信息，系统能快速计算员工的工作量，便于员工的量化考核。

⑤节约了纸张，更加环保。通过使用无线手持终端，节约了大量的纸张，为企业节约了成本，减少了纸张的浪费，更加环保。

5 结语

本文借助物流虚拟仿真系统，以某自动化立体仓库出入库过程为研究对象，根据在系统中仿真操作、数据分析后发现了目前立体仓库在运行时存在的瓶颈，并最终基于仿真实验给出了行之有效的优化改进方案。对日后立体仓库整体出库作业效率的提高做出了合理的设计，为了推行无纸化作业，在信息系统中做出相应的改进调整。同时，为部分物流企业立体仓库的作业优化指明了思路。

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[8]史东平,龚蓬.从EDI到Web Service—看电子商务中数据交换技术的发展[J].信息技术与信息化,2005,(4).

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

武汉工商学院大学生科技创新基金重点项目（ST201612）；教育部人文社会科学研究青年基金项目（14YJCZH154）；湖北高校省级精品资源共享课《物流管理概论》；武汉工商学院教学研究项目（2015Y06）

泮家丽，女，浙江丽水人，武汉工商学院学生；王勇，男，江苏盐城人，博士研究生，武汉工商学院物流学院副院长，副教授，高级物流师，经济师，研究方向：供应链管理、高等教育；曹一凡，男，湖北大冶人，武汉工商学院学生；罗丹，女，湖北荆门人，武汉工商学院学生；郭格格，女，湖北武穴人，武汉工商学院学生；王琴，女，湖北荆门人，武汉工商学院学生。