基于FlexSim的立体车库入库系统仿真建模与优化

左桂梅，潘蕾蕾，谢 天

(1.南华大学教务部，湖南 衡阳 421001； 2.南华大学经济管理与法学学院，湖南 衡阳 421001)

0 引言

车库是现代社会不可或缺的构成元素之一，在协调土地面积的分配、增大停车场容量以及降低停车费等方面发挥着关键作用。虽然近几年我国车库系统发展迅速，但仍暴露出诸多亟待解决的问题，如车库布局欠佳、车库设施设备利用率低、作业人员时效性较差等[1]。而立体车库在节约空间、自动化操控等方面具有其特有的优势，有助于解决上述问题、提升车库系统的性能和空间利用率[2]。

现阶段，立体车库在我国仍是新兴产业，企业技术力量薄弱，自主开发能力不强，其安全性也备受争议。李克强总理强调要加强基础设施建设，鼓励建设城市停车设施，补上公共产品的短板。如何更高效地实现立体车库空间设计、布局和作业流程优化，是全方位提升我国立体车库专业化水平的关键。

离散事件系统(Discrete Event System，DES)指受事件驱动、系统状态跳跃式变化的动态系统，其内部的状态变化是随机的，同一内部状态可以向多种状态转变[3]。绝大部分社会系统均可用离散事件系统来描述，立体车库系统作为特殊的社会系统，在车辆到达、离开、系统车位数量、工作人员状态等方面都具有较强的随机性，也可以借助DES理论进行仿真建模。现阶段，DES仿真技术主要基于面向对象的可视化建模方法，通过逐步掌握系统内部状态变化的统计规律，快速地将真实的系统要素、关系、布局、运行流程及其不确定因素转化为仿真模型，为立体车库系统建模、分析、优化、再设计提供了有力的支持[4]。

作为复杂的离散事件系统，立体车库系统有随机性、动态性等特点。面对系统设计和控制过程中的优化问题，传统方法难以得出满意解或最优解。而系统仿真为研究复杂的物流系统提供了有效手段，它通过建立仿真模型进行仿真实验，得到贴近实际系统的信息输出。现阶段，用现代仿真技术研究立体车库系统优化设计的研究不多，也为本文的研究提供了契机。而FlexSim正是一款基于DES理论的离散型仿真软件，它由美国FlexSim Software Production公司推出，集模型设计、仿真实验与统计分析于一体，适用于生产制造、交通运输、仓储配送等多个领域，目前已经成功地帮助企业解决了仓库布局、路径优化、资源分配、货物及服务优先次序等方面的问题[5]。同时，FlexSim具备强大的可视化建模与分析功能，可快速创建立体车库系统的3D虚拟仿真模型，并通过对模型运行数据、参数的统计分析功能，快速得到直观准确的系统状态数据，为系统改进提供多种备选方案，并通过仿真模拟获得大量信息反馈，从而帮助用户以较短时间和较低成本来获得真实系统的优化设计方案[6]。

因此，基于FlexSim软件设计，本研究构建了立体车库入库系统的抽象仿真模型，提出了优化设计方法，并搭建了特定背景约束下的车库系统仿真实验，根据仿真实验得到的量化数据对系统进行动态分析与优化，以持续改进系统性能。

1 基于FlexSim的立体车库入库系统仿真优化框架

1.1 建立模型

在建模仿真时，虚拟的实体对象根据各自的功能特点以模拟车库系统中各种类型的资源。FlexSim的实体资源库较为完善，主要由固定类(Fixed Resources)、任务执行类(Task Executers)、交通网络类(Travel Network)、图示类(Visual)和流体类(Fluid)这5种实体构成[7]。其中，固定类实体是建模的主体对象，决定了模型的整体业务流程和临时实体数量、外观、位置等属性的变化，如发生器(Source)、暂存区(Queue)、处理器(Processor)、货架(Rack)等；任务执行类实体主要从固定类实体中获取并执行操作类或搬运类的任务，如操作员(Operator)、叉车(Transporter)等；交通网络类实体一般用来设定执行类实体的运动路径，包括路径节点(Network Node)和交通控制(Traffic Control)；图示类实体为模型设计及观察添加图纸背景、文字、图片等，如文本(Text)、公告牌(Billboard)等；流体类实体用于连续事件系统仿真，如测量重量、容量的变化，包括流体发生器(Fluid Generator)、流体存储箱(Fluid Tank)等。其次是端口连接，模型中每个实体对象的信息传递都是通过端口连接实现的，端口个数没有限制，端口种类分为输入端口、输出端口和中间端口。连接输入端口是为了接受模型上游的信息指令；连接输出端口可以将信息指令传递给下游实体对象；连接中间端口则可以调用任务执行类实体。通过端口连接可以确定模型各部分实体间的逻辑关系，先用鼠标点击工具条上的“A”按钮，随后点击一个实体，并再次单击另一个实体，两实体间出现连线，此步骤便完成了实体输出端口到输入端口的连接；同理，点击工具条上的“S”按钮，以相同的方法完成固定类实体与执行类实体之间中间端口的连

接；若要调整实体间的关系，可以点击“Q”或“W”按钮断开先前的连接，以相同的步骤实现输入输出端口或中间端口的断开操作。最核心的部分就是设置实体属性和参数。双击实体，会弹出实体详细参数设置界面，包含一些特殊功能设置，如触发器应用、编写脚本语言自定义实体功能等[8]。

本仿真对象立体车库入库系统的抽象模型如图1所示。

图1 立体车库入库系统的抽象模型

1.2 详细设计模型

其流程概括如下：1)车辆停靠车库入口等候入库；2)车辆分类在不同区域排队等候；3)通过车辆准备系统，做好入库准备，完成序号标记；4)排队等候各操作系统将其入库。基于DES理论，FlexSim软件可以很好地体现以上结构。该体系结构由实体和临时实体流组成。实体包括永久实体(如处理器)和临时实体(如车辆)。其关系包含输入、输出、预处理及表现临时实体流的实体之间的作用。其次，对车辆拥有率和车位需求进行分析和界定，并初步给出了车辆到达的间隔时间的概率分布的约束条件。再次，对系统的服务效率进行分析和定义，如系统容量、立体车库系统的类型、处理器的数量(设备或操作人员)，以及服务时间(或服务率)等关键限制。此外，根据约束，一些关键的参数值如队列容量和实体之间的距离应设置在仿真模拟开始之前。依据实际运行作业模式，在FlexSim中找出合适的实体对象来构建仿真模型(见表1)。

表1 立体车库入库模型实体对象定义

1.2.1 仿真、分析和优化

在运行仿真模型指定的时间段后，得出关键系统参数的稳态统计，如等待情况和服务性能。通过分析数据，结合车辆处理过程的队列情况，立体车库系统的瓶颈和相关的优化或重构可以得到解决。

1.2.2 运行及验证

在优化或重构之后，重复性地运行、分析并优化新的模型直到仿真结果满足大量的车位需求。通过最终的系统模型，可以得到实际情况下的解决方案。

2 仿真实例

在某小区内，一个车库面临的是不同时段、不同种类的车辆。针对其车库运行效率较低这种情况，事先设定模型仿真的基本单位(s)和长度单位(m)，并选取合适的对象放入建模界面(见表1)。同时结合实体对象之间的逻辑关系正确地连接相应的端口，随后进行实体参数设定。其中，利用FlexSim建

模前需要设定关键环境的初步数据包括：1)车辆到达时间间隔服从均值为10(s)的指数分布；2)3种不同类型车辆，即小型车辆、二轮机动车辆、中型车辆出现率分别占总数60%、30%、10%；3)模拟准备时间均服从正态分布，平均50 s，标准差10 s；4)各等待队列的最大容量为10；5)仿真总时间为28 800 s。

仿真模型运行。经过28 800 s的模拟，观察图2，比较车道E、F、G排队情况，发现车道E的待准备车辆数过多。暂存区堆积的原因来自系统随机性，到达率服从指数分布，均值为10 s。然而，车辆到达更快的情况常常出现，这容易造成车辆积聚。由于3种类型车辆均从车辆分道分出，推测车道E上排队的拥堵会影响车道F、G的正常运行。观察图3，其处理时间(Processing)所占工作时间均在17%左右，实际工作时间较低，即3个处理器其空闲时间及等待时间占用过大结构比。

图2 立体车库入库作业仿真模型运行结束图

为消除运送流量占车辆数量60%的小型车辆在车道E造成的排队拥挤现象对车道F、G效率的影响，在3个处理器前应各增加一个暂存区。为直观地看到效果，运行模型，发现暂存区1显示堆积现象。由车道F、G的无排队拥挤现象可知，此时车道造成的压力已减缓，需着重观察流程下游起重机的运行状态，通过连续性修改其属性得到最佳输出数据。

仿真输出分析。再次运行模型(如图4)，得知起重机、升降机、堆垛机的负载偏移，即偏移行进装载量在改进后分别上升至95.04%、39.71%、93.58%，这说明暂存区的增加对下游各系统的运行效率有一定的正面促进作用，同时该瓶颈的消失在一定程度上缓解了上游的排队拥堵现象。通过优化后的运行结果(如图5)，可知车辆积聚现象得到明显改善，验证了实验分析得到的结果。

图3 车辆准备系统A、B、C状态统计分析

图4 起重机、升降机、堆垛机优化后的状态统计分析

图5 立体车库入库作业仿真模型最终优化运行结束图

3 结语

基于DES理论，通过建模、仿真和优化的方法研究了立体车库系统，并在一个虚构的情境下利用相关的实例验证了此方法的有效性；围绕立体车库系统进行设计研究，针对现代车库发展水平的落后问题进行分析，以提升立体车库系统整体性能为优化目标，采用FlexSim仿真工具，通过对仿真输出的数据进行分析，找出了影响该模型性能的瓶颈因素，并结合实际情况提出了改善方案。论文中采用的建模理论和仿真优化对立体车库系统管理者制定提升立体车库系统性能的实际政策也起到了一定的理论参考作用。然而，立体车库系统仍需要在较为复杂的环境下进行建模仿真分析，通过细化立体车库入出库系统，强化系统的整体性，方可实现立体车库仿真模型的精度。