立体仓库物流系统的仿真与分析

□ 刘 晔，张一珏

(上海中船重工船舶推进设备有限公司，上海 200031)

近年来，Flexsim[1-3]软件作为强有力的分析工具，在工程师和设计人员的系统设计过程中扮演着决策性作用。使用Flexsim[1-3]可以建立一个真实系统的3D计算机模型，可以在较短的时间获取系统性能指标。作为一款通用工具此软件可被用于不同行业的各大系统中，本文则为制造业自动化仓库[4-6]中的应用。

1 系统概况

本文中原型为某在建造纸厂的自动化立体仓库成套设备系统项目的物流输送系统。此物流系统可分为“入库输送系统”、“货架、堆垛机系统”和“出库输送系统”三大类。运用Flexsim仿真软件，对此项目中的“货架、堆垛机系统”和“出库输送系统”进行建模。结合前端“入库输送系统”进行仿真运行分析及优化。

1.1 系统简介

在前期“入库输送系统”的基础上本文着重于此系统中的“货架、堆垛机系统”的仿真建模。货架及堆垛机参数见表1。

表1 货架及堆垛机参数

1.2 系统主要工艺流程

该物流系统工艺流程可分为如下四个大类：

(a)纸垛入库

当纸垛到达入库目标库位所在的巷道时，巷道堆垛机接受任务将纸垛运送到仓库的指定货位，巷道堆垛机卸下纸垛后，堆垛机返回初始位置等待下一个任务。

(b)纸垛出库

当巷道堆垛机接受纸垛出库任务时，巷道堆垛机到达所需出库的纸垛库位，运送纸垛至出库巷道口。后续出库输送系统将完成运送纸垛至出库站台，同时完成托盘的回收并整理成托盘组的工作。

(c)托盘入库

当整理好的托盘组到达托盘入库口时，巷道堆垛机接受任务将托盘组运送到仓库的指定货位，卸下托盘组后巷道堆垛机返回初始位置等待下一个任务。

(d)托盘出库

当巷道堆垛机接受托盘出库任务时，巷道堆垛机到达所需出库的托盘库位，运送托盘至巷道出口，输送线自动启动将托盘运送至相应拆盘机。

其中，本文结合前期“入库输送系统模型”重点考虑(a)、(d)流程，(b)、(c)流程则根据情况进行适当简化。

2 FlexSim建模

根据技术要求及实地考察，在Flexsim模型界面中布置了24个货架及12个堆垛机。货架及堆垛机模型视图如图1所示。

图1 货架及堆垛机模型视图

2.1 货架的模型

根据表1中的技术参数，共24个货架。从北向南依次编号货架一～货架二十四。根据表1每个货架的外观设置如图2所示。

图2 货架外观模型视图

货架最大容量及设置为2832。其中货架七、货架八、货架十五、货架十六用于存放托盘组，其余货架用于存放纸垛。

2.2 巷道堆垛机的模型

根据表1中的技术参数，共12个堆垛机。从北向南依次编号堆垛机1～堆垛机12。由于每个堆垛机需要充当运输媒介往返输送线及货架，则需要根据临时实体流方向，通过Flexsim的中间节点将巷道堆垛机和输送线或货架相关联。关联完中间节点后如图3设置，通过勾选use transport即可实现巷道车参与运送纸垛或托盘的功能。其中堆垛机4和堆垛机8为运送托盘组的堆垛机。其余10个堆垛机为运送纸垛堆垛机。

图3 堆垛机关联设置视图

2.3 入库系统模型

在前期“入库输送系统”基础上，临时实体输出类型保持12个对应12个纸垛入库巷道口。托盘和纸垛发生器的发生逻辑维持不变。12个入库暂存区还是继续保留。入库暂存区纸垛根据类型设置至指定货架的输出关联，纸垛随即通过相应巷道堆垛机输送到相应货位。货位分配采用从出库段向入库段，自下而上进行分配。控制策略采用先入先出原则。

2.4 出库系统模型

为了系统完整，出库端输送设备如图4做了如下简化。

图4 系统出库端模型

首先，12个堆垛巷道车分别连接12个出口输送线；为了区分12种货品到对应出库缓存区，在12个出口输送线后增加一条输送线根据货品类型发送至后续12个出库暂存区。出库缓冲线输出设置如图5所示，即可根据货品种类发送至不同的出库暂存区。每个出库暂存区存放一种类型的货品。

图5 出库缓冲输送线输出设置

其次，订单发生器预设发送5种订单类型用箱子表示，一个订单类型对应不同货品种类，后续对应5个订单合成器如图6用于根据订单的种类将不同数量不同种类的临时实体类型合成，合成完毕后到达出库完成缓存区。

图6 订单合成器设置

3 系统故障分析及解决策略

整个物流系统仿真运行如图7。

图7 物流系统运行图

3.1 故障分析

货架配套某巷道堆垛机故障。纸垛已到达入库巷道口，某一巷道堆垛机突然断开网络或出现未知故障。处理策略：

①货架巷道车调度系统报该巷道堆垛机存在异常。并向前端设备发送指令，停止发送该类型货物。

②人工处理巷道堆垛机故障，故障排除后重新发送进行巷道车入库操作。

缺点：需要人工干预排除故障并重新进行入库调度。

3.2 拥堵及空闲分析

①巷道一及巷道五货物量运输量明显高于其他各巷道。以巷道一为例，由于接收暂存区1和暂存区2两种类型的临时实体，造成一定程度暂存区货物积压。分析：仿真模拟的12种实体流对应12个巷道入口，现实中只有在某特定点才会进行货位分配。货物的分配可根据类型数量的不同在前期进行合理规划。故此，积压点不作为拥堵点。

②入库段由于巷道堆垛机处理出库任务而堵塞。分析：当仓库投入使用一定时间，纸垛入库和纸垛出库同时存在时，某巷道堆垛机既有出库任务又有入库任务，优先级分配不合理时会导致入库段或出库段纸垛的拥堵。堆垛机调度系统需实时读取出库和入库输送系统状态，当出现拥堵时根据仓库出库订单情况调整堆垛机用于出库和入库任务的占用百分比，形成消息队列处理。

3.3 优化策略及结果

根据原方案堆垛机规划，其中四排货架用于存放托盘。经计算所有货架中托盘总数八个一摞需要2.5排货架。故考虑减少一排货架以减少成本。此次拟取消货架七。

优化结果：入库端输送系统所需出库的托盘运送，没有因为货架的减少而产生拥堵。出库端的托盘入库由于不是重点考虑对象，设置了极端情况为托盘不停的入库直到托盘货架被填满，一旦托盘出库则托盘发生器自动发送托盘填充。经模拟运行出库端也未发生拥堵现象。优化后如图8所示，由于只有一个货架在用，堆垛机4比堆垛机8的使用占空比低，可达到50%以下。当堆垛机8出现故障时，堆垛机4可为备用堆垛机。

图8 优化后堆垛机状态饼状图

4 结论

本文首先根据资料对货架及堆垛机系统进行了虚拟建模仿真，对主要技术参数进行设置，为系统完整地对系统中不做研究的出库系统进行了合理虚化；其次，在整个系统中通过快速模拟时间得出设备故障导致设备拥堵点进行分析研究，提出合理解决方法；最后，提出目前方案中在货架巷道堆垛机的控制策略和货架组成上可能需要衡量的点进行了分析优化。可为今后立体仓库系统成套设备设计研究及方案制订提供技术支持。