基于Flexsim的烟草分拣线仿真优化

李露莎，杨旭东，杨 姣，刘 旭，周 林

（1.贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省烟草公司黔南州公司，贵州 黔南 558000）

0 引言

传统的细支烟分拣主要采取纯手工或电子标签辅助人工分拣、整理、包装的模式，但劳动强度大、工作效率低。近年来，随着细支烟销量的急剧增加，为保证分拣效率，传统细支烟分拣模式逐渐演变为细支烟、标准烟共线分拣模式。卧式分拣机作为可同时分拣标准烟和细支烟的条烟分拣设备，具有烟仓储量大、可实现全自动补烟、分拣等优点，因而在细支烟、标准烟共线分拣中得到广泛的应用。目前对物流系统进行高效、快速的优化研究，多采用计算机仿真技术。

物流系统仿真技术可实现在不组装实际系统、不需要停止物流节点业务的前提下，对现有系统进行分析，通过对系统拣选设备、运行策略等的优化，实现拣选作业效率的提高。Flexsim仿真软件具有采用面向对象技术、突出3D显示效果、建模和调试简单开放方便、模型的扩展性强、易于和其他软件配合使用等特点,是一款在物流领域应用十分广泛的仿真软件。郭笛，等针对多重约束下智慧仓储机器人的配置问题，运用Flexsim建立离散系统仿真模型，通过模型的运行，寻求系统的优化方向，求得最优解。杨玮，等对某医药物流中心拣货流程建立Flexsim仿真模型，分析模型运行结果，找出了瓶颈，并对拣货流程进行了优化。邱建伟，等分析了SF桂林中转场快件分拣系统，运用Flexsim建模并仿真，分析仿真统计报告，发现了存在的瓶颈。周子一，等以高校快递联盟服务站为研究对象，利用Flexsim可视化仿真技术，设计某高校快递联盟服务站分拣系统人力和运力模型，并仿真、分析优化运行结果，实现服务站作业效率的提高。

通过查阅众多运用Flexsim对物流系统进行仿真研究的文献，发现他们关注的主要是仓储系统、医药物流系统、快件分拣系统的优化和改进，对烟草物流分拣系统的研究较少涉及。本文选用Flexsim仿真软件，将物流系统仿真技术应用于某烟草物流配送中心细支烟、标准烟共线分拣系统，对该系统进行建模并仿真，找到影响其分拣效率的关键问题，并提出相应的解决措施。

1 细标共线分拣系统整体流程

某卷烟厂生产的各类卷烟依采购计划汇集到某烟草物流配送中心，在烟草物流配送中心完成件烟入库和盘点，入库后的件烟在仓库中存储；当客户（卷烟零售户）有订货需求时，根据客户的卷烟订货需求进行件烟出库；件烟出库后依客户订单信息进行条烟的开箱分拣；经卧式分拣机（单出口）分拣好的条烟合单后，再依次进行条烟打码，以便对卷烟进行出入库管理，对销售信息和渠道进行跟踪监管；打码后的条烟按客户订单号进行码垛和裹膜包装，在包装好的烟包上粘贴烟包所含条烟数、所属客户和线路等信息的标签后转入待配送暂存区进行复核盘点；最后将分拣包装好的卷烟准确快速地送到客户手中。整体流程如图1所示。

图1 细标共线分拣系统主要工作流程

由图1可知，在卧式分拣机（单出口）分拣线上除首尾两头为人工出库和人工收货外，中间环节全部实现自动化，但实际分拣效率仅为11 420条/h，因而该分拣线仍有提升分拣效率的空间。

2 细标共线分拣系统仿真建模

2.1 模型实体设计

在不影响仿真结果的前提下，为了保证Flexsim仿真模型不因随机因素而产生误差，模型中不考虑自动打码、自动贴标作业环节。

根据某烟草物流配送中心细标共线分拣系统的工作流程，得出该系统的设备及其与仿真系统中实体之间的对应关系，以及为了实现仿真功能而需要的辅助实体，见表1。

表1 Flexsim模型实体对应关系

2.2 模型属性及参数设置

根据实际分拣系统各设备分拣参数进行Flexsim中对应实体参数设置，模拟各设备之间的逻辑关系，实现某烟草物流配送中心细标共线分拣系统整体作业流程，并按现场实际布局情况进行建模，得到仿真模型，如图2所示。对仿真模型相关参数的设置如下：

图2 Flexsim仿真模型

自动开箱机效率200件/h/台；

补货小车补货运行速度2m/s，装烟容量一箱共50条，装载时间5s/次，卸载时间10s/次；

卧式分拣机出烟速度0.4s/条；

传送带速度0.9-1.5m/s（其中码垛包装机前传送带速度为1.2m/s）；

订单间距：1 050mm/两个订单间；

码垛包装机效率840包/h。

2.3 仿真分析

对某烟草物流配送中心某周订单数据进行仿真分析，不设置固定的仿真时间，直到该订单仿真完成为止。重置后运行模型，运行结束，导出状态表，获取仿真运行数据，见表2-表5。

表2 自动开箱机运行数据统计

表5 自动补货小车运行数据统计

表4 码垛包装机前进烟传送带运行数据统计

卧式分拣机自动分拣作业在仿真模型中实现结构为皮带机+分解器+暂存区+吸收器，皮带机模拟导入滑道及储存仓，分解器用于打开5条/垛的模拟烟包，分解时间为零，分解完后送入暂存区模拟执行仓分拣出烟，烟包由吸收器吸收，因而可从暂存区的运行数据进行分拣效率描述，经仿真运行，得出卧式分拣机分拣效率为12 891条/h。

自动开箱机的运行情况由处理器1、2、3仿真数据表达，正在处理表示自动开箱机工作运行时间占比，空闲表示自动开箱机的待机状态占比，由表2可见空闲时间过多，自动开箱机效能未能充分发挥。自动补货小车由Agv1、2、3模拟，自动补货运行时间占比由空载、装载运行时间及装载、卸载时间代表，空闲代表自动补货小车待机时间，由表5可见空闲时间过多，自动补货小车效能未能充分发挥。

码垛包装机运行情况由合成器1仿真数据表达，正在处理表示码垛包装机正处于码垛包装作业状态，收集代表码垛包装机携同包装膜等待皮带输送条烟即码垛包装机处于空闲状态，由表3可知，其作业时间占比高达99.99%。码垛包装机前进烟传动带输送时间占比为74.13%，堵塞时间占比为25.86%，说明已分拣好的订单有25.86%的时间是处于等待码垛包装的状态，致使分拣效率低。

表3 码垛包装机运行数据统计

经仿真统计可得各设备的利用率如图3-图5所示。

图3 自动开箱机工作状态饼状图

图4 码垛包装机1、传送带1工作状态饼状图

图5 自动补货小车工作状态饼状图

3 细标共线分拣系统设计优化

3.1 存在的问题

结合Flexsim仿真模型运行结果，综合分析该系统补货、分拣、码垛包装三个关键环节，得出该细标共线分拣系统存在的问题如下：（1）卧式分拣机分拣效率仅为12 891条/h，其分拣效能未能充分发挥，分拣效率有很大的提升空间；（2）自动补烟环节自动开箱机、自动补货小车待机时间过长，设备利用率低，进而影响分拣效率；（3）码垛包装机时刻处于工作状态，仍不能满足分拣需求，等待码垛包装的订单使得码垛包装机前输送皮带堵塞严重，影响分拣效率。

3.2 分拣系统设计优化

针对以上问题，并充分考虑现场实际情况，提出改进方案一：增设一台码垛包装机（保持系统各项参数不变），从而提升分拣效率，但经仿真分析得出该方案的分拣效率仅为16 113条/h，分拣量仅提高3 222条/h，虽然皮带1的堵塞现象得到了很好的缓解，但码垛包装机利用率大大降低，卧式分拣机、补货小车、自动开箱机的利用率提高较少，说明该方案优化效果较差。仔细分析卧式分拣机出烟情况可知，由于按订单依次分拣出烟时，各烟仓在分拣间隙等待时间过长，从而导致设备利用率低、分拣效率提升较小。

因而提出改进方案二：对卧式条烟分拣机打击机构、分拣出口进行改进设计，将原来的单口出烟改进为双口出烟；对应增加一条卷烟分拣输送线；为了缓解传送带堵塞严重的现象，在其他参数不变的情况下，将传送带速度从0.9-1.5m/s改进为0.7-1.3m/s（其中码垛包装机前传送带速度为0.9m/s）。这样不仅能分担码垛包装机工作负担，缓解传送带堵塞现象，还可以提升补货、分拣环节的设备利用率，进而提高分拣效率。

改进前的卧式条烟分拣机主要由缓存仓、推烟机构、分拣烟仓、打击机构、分拣出口（单出口）组成，如图6所示。每个分拣烟仓单独配备一台三相异步电动机，相邻烟仓间电动机前后交错排布，可根据不同工作情况为卧式机组装不同数量的分拣烟仓。工作时条烟经自动补货系统自动补货至缓存仓，推烟机构将缓存仓内条烟推进分拣烟仓，打击机构根据订单需求将条烟打至相应出口并滑落在输送带上，输送带不断运动，将异型条烟向下一环节输送。

图6 改进前卧式条烟分拣机结构图

可改进卧式条烟分拣机打击机构及分拣出口，利用三相异步电动机可以频繁启动、制动及逆转的特点，由电动机的正反转运动控制打击机构链条组件对称的两个推头实现单烟仓、双出口分拣。改进后卧式条烟分拣机分拣烟仓背侧与前侧对称设置分拣出烟传感器安装盒子及第二分拣出口，并在打击机构上新增一个打击出烟传感器安装位，如图7所示。

图7 卧式条烟分拣机改进部分结构图

卧式条烟分拣机由单出口改进为双出口后，同时增加一条独立的分拣线。充分利用卧式条烟分拣机机架及现场场地的空余空间，可合理配置两条独立分拣线。改进后Flexsim仿真模型如图8所示，选取同一个周期的相同订单进行仿真分拣，运行改进后模型，得出卧式条烟分拣机分拣效率为25 562条/h，并导出状态表，获取仿真运行数据，见表6-表9，各设备的利用率如图9-图12所示。

图9 改进后自动开箱机工作状态饼状图

图12 改进后补货小车工作状态饼状图

表9 改进后自动补货小车运行数据统计

图8 改进后Flexsim仿真模型

表6 改进后自动开箱机运行数据统计

表7 改进后码垛包装机运行数据统计

将改进前后的统计图表作对比分析可见，自动开箱机平均利用率从42.97%上升至85.21%；自动补货小车平均利用率从47.74%上升至94.67%；码垛包装机前进烟输送皮带的堵塞现象得到良好的改善；该系统分拣效率从12 891条/h提升至25 562条/h。

表8 改进后码垛包装机前传送带运行数据统计

图10 改进后码垛包装机工作状态饼状图

图11 改进后传送带工作状态饼状图

4 结语

本文以某烟草物流配送中心细标共线分拣系统为研究对象，运用Flexsim软件对该系统补烟、分拣、码垛包装、皮带输送缓存等环节进行建模仿真，找到了影响该系统分拣效率的瓶颈在于卧式条烟分拣机单出口分拣出烟，结合某烟草物流配送中心的具体情况，根据现场特点，将卧式条烟分拣机由单出口改进为双出口，并对应的增加一条独立的分拣线；再次建模仿真发现，码垛包装前缓存运输皮带的堵塞现象得到明显改善，自动开箱机、自动补烟小车利用率得到提升，卧式条烟分拣机效率得到提升。将该优化方案运用到实际中，分拣效率由11 420条/h提升至22 012条/h。由此可见，运用仿真建模对物流分拣系统进行优化既科学又简便，能够辅助决策工作，不仅可以避免不合理的设计和投资，而且也减少了投资风险和避免了人力、时间等的浪费。