基于Petri网与FlexSim模型的自动化立体仓库仿真优化

张丹丹 王钢

摘  要：为了解决自动化立体仓库资源配置问题，文章提出了一种基于静态Petri网模型与动态FlexSim模型结合的优化方案。对企业现有的自动化立体仓库资源配置情况进行调研，采用层次Petri网建立静态的模型，根据一定的映射原则建立动态的FlexSim仿真模型，根据仿真结果改进相关配置参数，再次利用FlexSim仿真优化模型，验证优化模型的可行性，使作业设备压力减小，利用率大大提高。

关键词：FlexSim;Petri网;资源配置

中图分类号：TP273;TP391.9     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）21-0066-05

Simulation and Optimization of Automated Warehouse Based on

Petri Net and FlexSim Model

ZHANG Dandan，WANG Gang

（School of Economics and Management，Shandong Huayu University of Technology，Dezhou  253034，China）

Abstract：In order to solve the problem of automated warehouse resource allocation，the article proposes an optimization scheme based on the combination of static Petri net model and dynamic FlexSim model. We have investigated the resource allocation of the enterprises existing automated warehouse，used hierarchical Petri net to build the static model，and built a dynamic FlexSim simulation model according to certain mapping principle，improved the relevant configuration parameters according to the simulation results，and the FlexSim simulation optimization model is used again to verify the feasibility of the optimization model，so that the pressure on the operating equipment is reduced and the utilization rate is greatly improved.

Keywords：FlexSim;Petri net;resource allocation

0  引  言

在“工業4.0”“互联网+”发展的大背景下，我国物流业步入了“智慧物流”的时代，其中，自动化立体仓库的建设是“智慧物流”的重要组成部分。服务区域经济发展、研究重点课题、促进产学研、开展现代物流培训与咨询等是山东华宇工学院的智慧物流与供应链研究中心所承担的主要任务，也是2020年度山东华宇工学院智慧物流与供应链研究中心资助项目的主要研究方向与研究内容[1]。德州某食品企业在自动化立体仓库建设与优化过程中，资源配置环节存在瓶颈，故委托我校的智慧物流与供应链研究中心项目团队解决相关的资源配置与优化问题。

针对自动化立体仓库资源配置问题，众多学者采用了不同方法和思路进行研究。

图1  研究思路

刘晔[2]利用FlexSim软件对自动化立体仓库入库输送系统进行了建模、仿真研究，分析了系统的阻塞及空闲，并进行了优化设计与仿真验证。路世昌[3]利用FlexSim软件对已有方案进行了建模仿真，利用TOPSIS法对仿真结果进行了分析与比对，选出了较优的布局方案，再次利用FlexSim软件对较优的布局方案进行仿真与优化。倪会娟[4]等人根据自动化立体仓库系统的出库流程，建立了闭合Petri网，将其转化成了PLC梯形图。刘雨婷[5]等人利用改进的Petri网对某企业的自动化立体仓库出库系统进行了建模，并利用eM-Plant对所建模型进行仿真验证。邹政宏[6]对配送中心的各项流程进行了Petri网建模，通过Witness仿真平台进行了仿真验证。毛金波[7]提出采用有色Petri网对自动化立体仓库进行建模。

综合以上文献以及食品企业自动化立体仓库建设与优化过程中的遇到的瓶颈，确定了本文的研究思路，如图1所示。本文先利用层次Petri网模型对自动化立体仓库整个系统的设备进行了静态分析，根据一定的映射规则，利用FlexSim软件进行了动态分析，确定了科学的、合理的自动化立体仓库运行的资源配置参数。

1  企业概况及存在的问题

山东某食品企业主要有A、B、C、D四类成品，四类成品由不同数量、不同种类的半成品1，2，3构成，如表1所示。目前已经建立一个托盘货架式自动化立体仓库用于存储、拣货及配送。所包含的机械设备主要有托盘、检验设备、叉车、打包设备及托盘式货架等。自动化立体仓库目前还没有投入实际使用，存在的参数众多，参数应该如何设置，资源该如何优化配置，缺乏理论依据。

表1  A、B、C、D四类产品构成   （单位：个）

2  企业自动化立体仓库层次Petri网模型

本文采用层次Petri网对自动化立体仓库进行静态建模，可以避免基本Petri网建模时，库所及变迁数据庞大造成的难以分析的情况;层次Petri网将某些元素进行不同层次的划分与建模，一方面保证了基本Petri网的图形化建模的优点，一方面可以更加清晰的展示多个资源之间不同的逻辑联系。

2.1  层次Petri网模型

在本文中，层次Petri网结构是一个四元结构，由库所P、变迁T和有向弧F、资源M组成，其中库所P表示存放资源的场所或者资源的状态，如自动化立体仓库，一般用“○”表示;变迁T表示的是事件或者活动，如食品加工事件，一般用“丨”来表示;用有向弧F来连接库所与变迁，也表示状态和活动两者间的关系，一般用“→”表示;而M则表示库所P中的资源，用“●”表示。

2.2  建立自动化立体仓库层次Petri网模型

根据企业自动化立体仓库的深入调研，以及对其物流过程的详细分析，依次建立了顶层、第二层、第三层Petri网模型，如图2所示。各层Petri网模型中各库所与各变迁所代表的含义如表2所示。

3  企业自动化立体仓库FlexSim模型

3.1  映射规则

层次Petri网模型是一种静态的建模过程，并没有办法实现对自动化立体仓库的动态分析，因此需要利用FlexSim在已建立的层次Petri网模型的基础上，根据映射规则建立动态的自动化立体仓库仿真模型，映射规则为：

（1）在层次Petri网模型中，表示状态或者场所的库所对应着FlexSim中的发生器、暂存区、货架、吸收器等实体。

（2）在层次Petri网模型中，表示事件的变迁则对应着FlexSim中的处理器、分解器等实体进行的加工过程。

（3）在层次Petri网模型中，有向弧与FlexSim中连接方式A相对应，皆表示产品或者信息的流转方向。

详细对应关系如表3所示。

3.2  建立企业自动化立体仓库FlexSim模型

根据已建好的静态层次Petri网模型与映射规则，构建动态的自动化立体仓库FlexSim仿真模型，如图3所示。

3.3  相关参数设定

自动化立体仓库FlexSim仿真模型参数设计如下所述。操作员设置为6名，每两名为一个班次，工作时间为8 h;检验设备1、2、3对半成品1、2、3进行检验，检验时间为30 s、20 s、10 s;打包设备将托盘与半成品进行打包，在半成品货源充足的情况下，处理时间为3 min。

4  仿真结果分析与参数优化

4.1  仿真结果分析

根据以上参数，运行FlexSim仿真模型得到实时仿真结果。对仿真结果的分析为：

（1）暂存区产品容量情况仿真结果分析。如图4（a）所示，部分暂存区出现产品堆积。针对此仿真现象，分析其产生原因为：暂存区1产品出现堆积现象，主要是由于检验设备1检验速度较慢，同时与产品1检验性质相关，暂存区2与暂存区4产品出现堆积现象主要是由于产品构成比例与打包设备较少相关。

（2）检验设备与打包设备使用情况仿真结果分析。如图4（b）所示，打包设备使用状态多处于等待状态。针对此仿真现象，分析其产生原因为：产品构成比例不合理，部分半成品一直处于检验较慢，半成品短缺状态，使得打包设备多处于等待状态。

（3）叉车运行情况仿真结果分析。如图4（c）所示，叉車运行状态较空闲，与仿真模型前端堆积、拥堵现象形成鲜明对比，针对此仿真现象，分析其产生原因为：打包设备较少，使得整个产品流水线在此造成了拥堵。

本文对操作人员、货架容量等情况进行了分析，得知可以忽略两者对自动化立体仓库的影响，在此不再赘述。通过对暂存区、检验设备、打包设备、叉车的运行情况的仿真结果进行了分析，暂存区的面积与容量、打包设备数量成为整个系统的瓶颈，故得出了需要改进的措施：

（1）扩大暂存区1、暂存区2、暂存区4的暂存面积与暂存容量。

（2）增加打包设备。

（3）优化产品构成比例。

4.2  仿真模型参数优化与分析

4.2.1  参数优化

扩大暂存区1、暂存区2、暂存区4的暂存面积与暂存容量;打包设备数量增加为2，从布局角度，增加托盘存放区，便于打包设备对产品与托盘进行打包;优化后，动态的自动化立体仓库FlexSim仿真模型如图5所示。

4.2.2  优化结果分析

参数优化后，运行优化后的FlexSim仿真模型得到实时仿真结果。对仿真结果分析为：

（1）暂存区产品容量情况仿真结果分析。如图6（a）所示，由于增加了对产品1的检验设备，缓解了暂存区1产品堆积现象;由于增加打包设备及托盘存放区，缓解了暂存区2与暂存区4产品堆积现象，该模型得到了优化。

（2）检验设备与打包设备使用情况仿真结果分析。如图6（b）所示，增加打包设备2后，各个检验设备与打包设备皆处于较优的运行状态。

（3）叉车运行情况仿真结果分析。如图6（c）所示，增加打包设备2后，叉车1与叉车2的任务量也有一定增加，使得叉车处于较合理的运行状态中。

综上，通过对仿真模型参数进行了调整以及增加了相关设备，仿真运行结果得到了优化。除此之外，若对现有产品进行升级，调整现有产品构成比例，降低产品2的比例，增加产品1与产品3所占比例，或者增加一类新产品，新产品包含半成品1与半成品2，则会使得整个系统更加优化。

5  结  论

本文运用Petri网层次模型对整个自动化立体仓库进行了静态建模，并将静态模型按照一定的逻辑关系与对应原则构建了基于FlexSim的动态模型，根据动态模型仿真运行结果，得到了整个自动化立体仓库系统的运行瓶颈，针对这一瓶颈，对参数进行了修改与优化，改进后，产品产出率大大提高，整个生产运输线路也不再存在拥堵现象，各个环节的匹配程度得到了明显提升，除此之外，还对产品构成提出了有效建议。

参考文献：

[1] 徐慧卿，王钢.智慧物流与供应链虚拟仿真实验平台建设研究 [J].现代信息科技，2020，4（12）：76-77+80.

[2] 刘晔，张一珏.自动化立体仓库入库输送系统的物流仿真优化 [J].物流工程与管理，2020，42（7）：91-93+100.

[3] 路世昌，王亚伟.A企业自动化立体仓库布局仿真与优化研究——基于FlexSim和TOPSIS [J].制造业自动化，2020，42（7）：10-14.

[4] 倪会娟，罗继亮.采用普通Petri网的自动化立体仓库系统的PLC程序设计 [J].华侨大学学报（自然科学版），2014，35（2）：146-150.

[5] 刘雨婷，王晓东，吴建德，等.基于改进Petri网的自动化立体仓库出库系统建模 [J].中南大学学报（自然科学版），2013，44（S1）：362-366.

[6] 邹政宏.基于Petri网的区域配送中心收拣货作业优化研究 [D].南京：南京农业大学，2017.

[7] 毛金波.基于有色Petri网的自动化立体仓库的建模研究 [D].西安：西安科技大学，2012.

作者简介：张丹丹（1990.09—），女，汉族，山东德州人，教师，硕士研究生，研究方向：智慧物流、物流信息技术;王钢（1982.02—），男，汉族，山东德州人，教师，副教授，工程师，硕士研究生，研究方向：智慧物流、现代物流。