基于Flexsim的自动化立体仓库仿真与优化论文

科类 工科 学号 20081300 本科生毕业设计基于Flexsim的某自动化立体仓库仿真分析与优化设计AS/RS Simulation Analysis and Optimization Designbased on Flexsim 曾应杰 指导教师： 唐秀英 职称 讲师 云南农业大学 昆明 黑龙潭 650201 学 院： 工程技术学院 专 业： 工业工程 年级： 2008 设计提交日期： 答辩日期： 答辩委员会主任： 云南农业大学2012 年 月 日基于Flexsim的某自动化立体仓库仿真分析与优化设计曾应杰云南农业大学工程技术学院，昆明 黑龙潭 650201摘 要随着计算机信息技术的发展，现代企业生产规模的不断扩大和竞争的日益加剧， 市场对企业物流系统提出了新的要求，自动化立体仓库越来越受到关注并得到广泛应用，对其运行效率的研究也成为企业关注的焦点。计算机仿真软件能够进行离散系统建模仿真，是自动化立体仓库仿真分析的理想选择。本文以一个自动化立体仓库为例，根据自动化立体仓库基本组成和作业流程，将自动化立体仓库剖析为入库、存取、出库三个部分。通过模拟自动化立体仓库物流系统，对仓库物流过程进行整体分析。结合各个作业特点，对仿真的总体流程和各个详细步骤进行研究，找出其瓶颈，并对其进行优化，结果显示优化后仓库作业效率得到提高。关键词：自动化立体仓库；Flexsim；建模；仿真 AS/RS Simulation Analysis and Optimization Designbased on FlexsimZeng YingjieFaculty of Engineering and Technology Yunan Agricultural University，Heilongtan Kunming 650201ABSTRACT With the development of computer information technology, modern production is expanding and competition is increasing. Market has put new demands on enterprise logistics system, AS/RS is paid more and more attention and widely used. The research of its operational efficiency has also become the focus of enterprise. Flexsim software, which is for discrete system modeling and simulation, is a good for AS/RS simulation planning. This paper take a automated warehouse of one company as a example. It contains enter of warehouse storage, out of warehouse based the basic components and work processes of the AS/RS. Warehouse logistics process is analyzed as a whole, through the simulation of AS/RS logistics. In order to optimize the layout to achieve the purpose of increasing efficiency, it based on the various operating characteristics, researched on the simulation of the overall process and detailed steps, identified the unreasonable place. Keywords : AS/RS; the Flexsim ; Modeling ; Simulation目 录中英文摘要目录表目录图目录1 绪论 11.1 研究背景和意义 11.1.1 自动化立体仓库概述 11.1.2 自动化立体仓库的建模与仿真 11.1.3 自动化立体仓库的分析优化 31.2 自动化立体仓库发展概况 31.3 本文研究的主要内容 42 Flexsim 简介 5 2.1 Flexsim 的主要功能 5 2.2 Flexsim 仿真实体库 6 2.3 Flexsim 仿真控件 8 2.4 Flexsim 仿真软件的仿真步骤 93 基于Flexsim的某企业自动化立体仓库分析 9 3.1 昆明某企业自动化立体仓库概述 93.1.1 昆明某企业自动化立体仓库平面图103.1.2 相关设备及其技术参数10 3.2 自动化立体仓库出/入库作业流程 12 3.2.1 入库作业流程12 3.2.2 出库作业流程13 3.3 自动化立体仓库仿真模型153.3.1 入库处理区的Flexsim模型163.3.2 货架区的Flexsim模型173.3.3 出货区的Flexsim模型18 3.4 自动化立体仓库仿真分析183.4.1 仿真模型运行及结果统计183.4.2 仿真结果分析23 4 自动化立体仓库的分析优化 24 4.1 优化方案24 4.2 模型修改及仿真254.2.1 模型分析修改254.2.2 模型优化分析25 5 结论 28参考文献 29致谢 30表 目 录表1 全局报告表 19表2 工作台运行情况统计 20表3 入库检验器运行情况统计21表4 堆垛机运行情况统计 22表5 货架运行情况统计 23表6 仿真分析结果 24表7 工作台运行情况对比26表8 入库检验器运行情况对比26表9 堆垛机运行情况对比27表10 货架运行情况对比 27图 目 录图1 建模过程 2图2 技术路线图 5图3 Flexsim 常用实体 7图4 仿真空间控件 8图5 仿真时间控件 8图6 某企业立体仓库布局图10图7 入库作业流程13图8 出库作业流程14图9 入库区Flexsim模型16图10 货架区Flexsim模型17图11 出库区Flexsim模型18图12 工作台状态饼图20图13 入库检验器状态饼图21图14 堆垛机状态饼图22基于Flexsim的某自动化立体仓库仿真与优化1 绪论1.1研究背景和意义1.1.1自动化立体仓库概述 自动化立体仓库(AS/RSAutomatic Storage and Retrieval System)又称为自动化高架仓库或自动存储系统，是一种基于高层货架，采用计算机进行控制管理，采用自动化存取输送设备自动进行存取作业的仓储系统【1】。自动化立体仓库由高层货架、托盘或货箱、巷道堆垛机、输送机、AGV自动导向小车、自动控制及仓库管理系统等组成。目前全国自动化立体仓库的保有量在1000座左右，主要集中在烟草、医药保健品、食品、通信和信息、家具制造业、机械制造业等传统优势行业。由于其具有存储量大、存储效率高、自动化和信息化水平高等优点，越来越得到人民的广泛认同和普遍使用。 自动化仓库作为物流系统的一个核心和枢纽，是物流系统实现物流合理化的关键所在【2】。通常一种产品要从原材料做成成品，再把成品作为商品，送到消费者手中，需经过两个基本物流环节。前者是物流生产过程，如加工流水线，自动生产线；后者是把商品送到消费者手中的物流流通过程。目前立体仓库系统主要有两大应用领域，一是各种自动化生产线中的在线立体仓库系统；其二是各种物资配送中心【3】。货物从一个地方转移到另一个地方，单件运输是不经济的，成批的和大量的组织运输有助于减少成本，而货物的等待就必须要由仓库来实现。自动化立体仓库在物流中就充当这样一个货物储存的角色。 自动化立体仓库其优越性是多方面的，对于企业来说,可从以下几个方面得到体现： (1) 提高空间利用率； (2) 便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平； (3) 加快货物的存取节奏，减轻劳动强度，提高生产效率； (4) 减少库存资金积压； (5) 现代化企业的标志。1.1.2自动化立体仓库的建模与仿真 自动仓储系统是典型的离散事件系统。离散事件系统是指系统的状态仅在离散的时间点上发生变化的系统，而且这些离散时间点一般是不确定的【4】。这类系统中引起状态变化的原因是事件，通常状态变化与事件的发生是一一对应的。对于自动立体仓库系统如将其分解成若干个相对独立又相互作用的实体，首先建立这些实体的局部模型，然后按实体间的相互联系，连接局部模型来组成总体模型，则相对容易。 仿真(Simulation)是对现实世界的过程或系统随时间运行的模仿，其应用领域已经非常的广泛，已成为现代科学技术研究的主要内容，已渗透到各学科和工程技术领域，物流学与物流技术领域也不例外【5】。在自动化立体仓库的筹建过程中，如何对项目的可行性进行论证，如何寻求最佳设计方案，以及对预期建成的项目如何进行总体性能评价，如何发现其中可能存在的问题等等，这些都可以通过计算机仿真获得答案，从而节省大量的人力、物力、财力。利用计算机对立体仓库进行建模与仿真，透过系统的三维动画，对系统进行实时跟踪与分析，是构建自动化仓储系统的快捷有效手段。 在进行系统仿真时，首先要确定仿真的目标，也就是仿真要解决的问题：然后是系统调研阶段，调研的目的是为了深入了解系统的总体流程、各种建模参数，以便建立系统模型：最后进入实际建模阶段【6】。总的说来可以将仿真过程分为三个部分：系统分析阶段：仿真模型建立：仿真结果输出及分析。如图1-1所示：优化 仿真结果输出及分析 图1-1 建模过程 目前，比较有代表性的物流仿真软件有：AutoMod 、SIMAnimation 、ShowFlow、Flexsim 、Extend 、Witness、Promodel 、Arena 、Quest 、eFactory等。这些软件不仅包括建模、仿真运行和结果输出，还包括模型分析、系统规划设计和统计分析等功能。 1.1.3自动化立体仓库仿真的优化 优化是科学研究、工程技术和经济管理等领域的重要研究工具，它所研究的问题是讨论在众多的方案中寻找最优方案。例如，工程设计中怎样选择设计参数，使设计方案既满足设计要求又能降低成本；资源分配中，怎样分配有限资源，使分配方案既能满足个方面的基本要求，又能获得好的经济效益；在人类活动的各个领域中，诸如此类，不胜枚举。优化正是为这些问题的解决，提供了基础和求解方法。 仿真模型只是对问题的直观描述，系统仿真方法不是一种系统优化的方法，仿真结果仅提供一定策略下的可行方案，它并不是问题的最优解。但是，系统仿真可以让人们依据对系统模型动态运行的效果，多次修改参数，反复仿真，或者说，系统仿真是一种间接的系统优化方法。但对于多目标、多因素、多层次的系统来说，优化只是相对的，因此，我们不单纯追求最优解，而是寻求改善系统行为的途径和方法，而系统仿真正是提供了这种环境。对于多参数的系统，单纯靠人工修改参数的方法来达到系统的优化是非常困难的。因此，需要将某些优化方法引入仿真系统，形成一个独立的优化模块，使仿真的结果不断得到改进【7】。 通过对自动化立体仓库的仿真输出的研究，找出影响系统运行效率的因素，优化系统的配置，提高系统的效率。1.2 自动化立体仓库发展概况 立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库；1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座计算机控制的立体仓库。此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。60年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一【8】。综观国内外的大型企业，自60年代始逐步采用自动化物流系统以来，到今天已成为企业生产管理不可缺少的重要组成部分。据有关资料统计，日本目前已建成的自动化立体仓库(物流系统)已超过8,000座。建立自动化立体仓库系统已成为现代化企业的重要标志之一。 我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机（机械部北京起重运输机械研究所）；1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（高15米，机械部起重所负责），该库1980年投入运行【9】。到目前为止，我国自动化立体仓库数量已超过1000座。立体仓库由于具有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。自动化高架仓库应用范围很广，几乎遍布所有行业。 在我国，自动化高架仓库应用的行业主要有机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等。 1.3本文研究的主要内容 本文在对某企业物流中心立体仓库实况调研的基础上，明确了自动化立体仓库系统的运作模式，内部各设备的基本工作原理及作业工况。使用Flexsim物流仿真软件完成局部建模仿真，并依据仿真结果及系统的运行效率，分析找出配置不合理的因素，优化系统配置，提出了仓储系统的合理性建议。 (1)以某企业自动化立体仓库为载体，分析立体仓库出入库作业过程，以及各设备之间的逻辑关系，建立入库作业、存取作业和出库作业模型，及立体仓库总体模型。 (2)使用Flexsim仿真软件建立该自动化立体仓库仿真模型，并对其运行结果进行分析；以此进一步探讨使用Flexsim建模仿真的一般方法。 (3)以仿真输出的系统性能指标为依据，找出配置不合理的因素，优化系统配置，提高系统的运行效率。 本文结合某企业物流中心立体仓库平面布置、仓库设施设备布置、仓库区位分配、进出库作业流程等情况，采用Flexsim仿真软件对自动化立体仓库进行建模仿真，通过模型运行、结果分析，分析立体仓库现状，指出其中不合理之处，提出可行的优化方案。通过与优化之前的方案比较，验证优化方案的合理性。主要内容如图1-2所示：是是仿真目的与目标自动化立体仓库出入库作业的分析与描述平面布局设置建立出入库作业的Flexsim 3D模型运行模型是否正常常仿真结果输出分析是否合理生成报告提出优化方案修改模型否否图1-2 技术路线图2 Flexsim简介 Flexsim是一套系统仿真模型设计、制作与分析的工具软件。它集计算机三维图像处理技术、仿真技术、人工智能技术、数据处理技术为一体，专门面向制造、物流等领域【10】。运用Flexsim系统仿真软件，可在计算机内建立研究对象的三维模型，然后对模型进行各种系统分析和工程验证，最终获得优化设计或改造方案【11】。2.1 Flexsim的主要功能Flexsim主要提供了一下几个方面的功能：（1）建模：可以定义队列、缓冲器、等待区域、操作任务、运输工具、输送机、AGV、立体化仓库、自动存取设备、路径等基本元素的标准属性和特殊属性。（2）仿真：采用优化的仿真运算法则技术，固定的或变化的时间仿真运行，可对离散事件进行仿真。（3）统计：可对多种概率分布(均匀、正态、指数、爱尔朗、经验分布等)进行统计分析，并带有随机数生成器。 （4）分析：输入数据分析，包括数据设置分析、最合适建议等，并可导入微软的Excel的数据。输出数据分析，包括可输出队列曲线图、柱状图、饼状图或者动态显示用户自定义的图表格式，并可将数据输出到微软的Excel中。（5）动画和文档：可产生二维、三维动画，可对摄像机进行移动，缩放，旋转。可按功能性或元素排序自动生成模型文档，产生仿真事件跟踪报告，输入参数值列表等。2.2 Flexsim仿真实体库Flexsim库由实体组成，这些实体之间可进行方便易懂的交互。这些实体是采用面向对象的方法构建的，具有父类/子类的层次结构。子类实体继承父类实体的属性和默认行为，同时又特别指定了适用于特定情形的行为【12】。图2-1所示为Flexsim的常用实体。图2-1 常用实体 发生器(Source)：创建在模型中行进通过的临时实体。每个发生器创建一类临时实体，并能为它所创建的临时实体分配属性，如实体类型或颜色。暂存区(Queue)：在下游实体尚不能接收临时实体时暂时储存它们，即缓冲区。吸收器(Sink)：吸收模型中已被全部处理的临时实体。处理器(Processor)：在模型中模拟对临时实体的处理过程，处理过程仅被模拟为一段强制的时间延迟。合成器(Combiner)：合成器用来把模型中行进通过的多个临时实体组合在-起，如可以摸拟装盘的作业。分解器(Separator)：分解器用来将一个临时实体分为几个部分，如可用来模拟拆分一个由合成器装盘的临时实体。输送机(Conveyor)：在模型中沿一系列路径移动临时实体，输送机可以分段来定义路径，每个分段可以是直线的也可以是曲线。货架(Rack)：将货物存放在货格内，货架的层数和列数可以自定义。分配器(Dispatcher)：控制一组输送机或操作员。操作员(Operator)：模拟一个具体的工人，可以在预置、处理货物、维修过程中使用它。运输机(Transporter)：从一个实体向另一个实体搬运货物，如有需要也可以一次搬运多个货物。网络节点(Networknode)：定义运输机和操作员遵循的路径网络。通过使用样条线节点来增加路径弯曲部分从而改变路径。可视化工具(VisualTool)：采用道具、风景、文字和展示幻灯片来装饰模型空间，目的是给模型更逼真的外观。记录器(Recorder)：在模型中以图形的形式记录和/或显示信息；还可以用记录器来捕获表数据、标准数据和用户定义的数据。堆垛机(ASRSvehicle)：在两排货架间的巷道中往复移动，从/向货格中取/存货物。堆垛机可以充分展示伸叉、提升和行进动作，提升和行进是同时进行的，而伸叉运动在堆垛机停车后再进行。2.3 Flexsim仿真控件图 2-2 仿真空间控件重置(Reset)：使模型重置。模型中每一个实体都调用重置触发函数，在仿真之前先进行重置。运行(Run)：仿真模型开始运行。模型时钟连续推进知道模型停止，或者直到不再需要产生任何事件时。暂停(Pause)：仿真模型停止运行，但不调整模型中各实体的状态，按“重置”键后继续运行模型。停止(Stop)：仿真模型停止运行，同时更新模型中所以实体的状态。如模型不被重置，按“重置键可接着被停止的时刻继续运行。逐步(Step)：将模型仿真钟设定到下一个需要发生事件将要发生的时刻，然后这个事件发生。此模型可以使仿真模型按事件步进。图 2-3 仿真时间控件仿真时间(Run Time)：显示模型运行的当前时间。显示的值没有单位，可以视为任何时间单位(小时、天等)。仿真时间/真实时间(Run Speed)：此滑块定义实际一秒代表Flexsim中多少个时间单位。2.4 Flexsim仿真软件的仿真步骤 Flexsim仿真软件建模过程通常分为六个步骤13：(1)业务模型的简化：确定入库作业的影响因子。如果所确定的因素是非模型影响因素，则删除该因素值。再通过简化后的业务模型与Flexsim所含控件比较，确定所删除的参数是否影响仿真模型的实际运行。重复该简化过程，直到所有因素值被确定。(2)三维模型的建立：通过Visio工具进行模型的布局。通过Flexsim的导入功能直接生成三维模型。按照简化后的业务模型，建立各三维实体间的关联。(3)仿真的数据建模：仿真的数据建模是整个仿真模型的数据驱动。对仿真对象的相关数据进行采集，分析采集的数据，得出近似的数据分布函数。数据建模分为三个步骤：首先，将实际业务中的数据导入ExpertFit中，得到各种数据的均值、最值；然后，选择最佳的概率分布函数，并比较选择概率分布函数；最后，确定其分布函数的具体参数。(4)模型关联并确定参数：通过端口(包括输入/输出端口和中间端口)建立各Flexsim实体的相互关联，并对各实体涉及的参数进行设置。(5)编写仿真程序：仿真程序提高了Flexsim实体间的关联度和二次开发能力。通过编写程序可以很方便的将建模者的不同想法或策略引入到仿真模型中。(6)模型运行和结果输出：模型运行，可以很直观的透过3D动画查看系统的运行状况，或者生成运作绩效报告，并对影响系统运行效率的因素逐一进行分析。3.基于Flexsim的某企业自动化立体仓库分析3.1 昆明某企业自动化立体仓库概述 昆明某企业是一家大型机械制造型企业，物流中心采用单元货架式自动化立体仓库，存储对象主要为中小型成品零部件、中小型外购件、标准件、精密刀、量、夹等工具器具等中小体积的产品，将所有产品共分为四个系列，每个系列存至相应货架中。货架沿仓库的宽度方向分为四排，每两排货架为一组，其间有条巷道，供堆垛起重机通行。每排货架沿仓库纵向方向分为数列，沿垂直方向又分为若干层，从而形成大量货格，用以存储货物。货物的存取和搬运过程都是由计算机自动控制完成的。3.1.1 昆明某企业自动化立体仓库平面图 通过对企业的实地考察，分析简化后得到如图3-1所示的平面布局示意图。将此图导入Flexsim中，用于模型的布局设置。图3-1 昆明某企业自动立体仓库平面示意图 3.1.2 相关设备及其技术参数(1)昆明某自动化立体仓库基本情况 自动化立体仓库面积：库区长90m，宽10m，面积为900m，净空高度10m； 年工作日：250天； 日工作时间：10小时； 物料形式：物品堆放后的外形尺寸不超过设定尺寸，物品堆放在托盘后均经过捆扎，无松散现象，物品外形尺寸(mm)：12001000(1300)； 托盘类型：欧式木制托盘； 空托盘外形尺寸(mm)：12001000200； 实托盘外形尺寸(mm)：12001000(1500)； 实托盘重量(包括托盘)：800 kg/盘； 入库流量(峰值流量)：600盘/天，即60盘/h出库流量(峰值流量)：400盘/天，即40盘/h；周转周期：4.5天。(2)常用仓储设备的技术参数 货架 货架选用钢结构牛腿式货架；货位空间尺寸为：1460(L)1100(B)1800(H)mm；货架间距：300mm，巷道间距：1250 mm；货位数：20(列)4(行) 9(层)=720 (个)；货架区总长：29.2 m，货架区总宽：8 m，货架区总高：16.5 m。 处理器 处理器主要用来对码盘后的货物进行记录，校核清单。入库处理区有5台，出库处理区有2台，共有7台处理器；出/入库处理器处理时间(峰值时间)为30 S，在每次处理货物前的预置时间为8 s(常数)。处理区使用条码扫描枪记录条码数据。 码盘作业器 码盘作业器是为操作员或机械手提供的一个作业平台，共分为两种：入库码盘台和出库托盘拆分台。货物经人工分拣后，由操作员进行码盘作业，人工将货物放至在托盘后，整理，打包，作业时间为1 5 s(常值)。出库托盘经处理器处理后经过分解器，货物与托盘分离，由输送机将货物逐个送出库。 输送机 输送机采用皮带传动棍子输送机。出/入库缓冲区输送机的速度为lm/s，容量为5盘，每一个货格对应一托盘，缓冲输送机长6 m，货格之间的间隔为0.2 m。其余各部分的输送速度也均为lm/s。 人工叉车 叉车采用四轮支撑电能驱动；仓库中共有2台叉车，用以把码盘后的货物送至处理器入口。主要性能参数如下： 最大行走速度：216 m/min，行走加速度：1.5 m/s 最大升降速度(满载/空载)：4000/7500 m/min，升降加速度：2 m/s 最大提升高度：6000 mm 最小转弯半径：1660 mm 装/卸载时间：3-5 s 额定载重量：1000 kg。 巷道堆垛机 堆垛机采用双向单伸位双立柱巷道堆垛机；仓库共配置4台堆垛机，用以负责四个巷道两侧的货物存取；主要性能参数如下： 最大行走速度：160 m/min，行走加速度：3 m/s 最大升降速度：40 m/min，升降加速度：2 m/s 最大伸叉速度：40 m/min，伸叉加速度：2 m/s 水平行走定位精度：10mm 垂直升降定位精度：10mm 伸叉定位精度：5mm 装/卸载时间：5 s 额定载重量：1000 kg 通讯方式：远红外通讯。(3)计算机管理与控制系统管理控制系统包括货物形状及体积检测显示、条形码阅读设备和相关主要电器控制台。前台计算机主要处理入库货物登记和出库货物操作业务。仓库数据处理管理计算机主要对数据进行处理，对要存入的货物分配货位地址，对叉车、巷道堆垛机、出入库输送系统进行实时调度，并把结果数据送入服务器和监控机。监控机实现工作站和叉车、巷道堆垛机及出入库输送系统的联系，并实时监控其工作运行情况；同时把随时出现的故障和以外情况的信息送入后台工作站，及时对调度的结果进行修改，保证整个系统的顺利运行。本文根据上述自动化立体仓库的基本工作情况和主要设备的性能参数，建立了自动化立体仓库的Flexsim3D模型并设置了模型的实体参数。3.2 自动化立体仓库出/入库作业流程3.2.1 入库作业流程 需要入库的货物经过分拣传送带进行分拣，人工码盘后，以托盘为单位输出。工作器将托盘搬运至入库处理器口，进行入库处理作业(如：贴条码、条码扫描、外形尺寸校核、校核入库清单等)，处理结束后托盘经巷道堆垛机运至立体仓库入库。具体过程如下： (1)准备入库的货物首先由系统按照先进先出的原则分配货位，货位一旦分配后就不再改变，分配的规则可以根据实际的需要而不同，昆明某立体仓库就采用先进先出的规则。 (2)货物沿着分拣传送带行走，并自动进入相应的入库工作台。如果此时入库检验台空闲，则货物经工作台直接进入入库检验台等待堆垛机作业；否则，货物将滞留在入库缓冲区的队列中继续等待。(3)货物进入入库检验台后，如果此时堆垛机空闲，则堆垛机从入库检验台上取得货物并把它放置到相应货位，同时又取出要出库的货物运到出库台，出库的货物由出库台进入缓冲区，等待运走。(4)如果堆垛机正在进行作业则货物滞留在入库工作台等待入库。当入库缓冲区容量满时，货物则在输送机上等待入库。该立体仓库入库流程如图3-2所示。开始由分拣传送带进行分拣分拣分拣后由人工进行码盘以托盘形式输出，由任务器运至入库处理器处理器处理（扫描条码等）堆垛机是否空闲堆垛机将货物存到货架上入库完成在入库台上等待否是 图3-2 入库作业流程3.2.2 出库作业流程需要出库的货物由计算机控制系统分配货位。若出库处理器空闲，则由堆垛机从货架上取下需要出库的产品，并运送至出库处理器。货物经出库处理器处理过后，移至出库台进行拆盘作业，拆盘完成后的货物在出库缓存区等待运送出库，拆卸下来的托盘则由叉车运回入库区。自动化立体仓库中巷道堆垛机的作业流程有三种模式，即单入库作业、单出库作业和入出库复合作业。 (1)单入库作业流程：堆垛机从入库台取货一堆垛机运行至目的地一堆垛机货叉将货物送至货架的货格中并退叉复位一堆垛机返回原地令一垛机等待下次作业。 (2)单出库作业流程：堆垛机运行至待出库货位一货叉伸叉、取货、复位一堆垛机返回一货叉将货物送至出库台一堆垛机等待下次作业。 (3)复合作业流程：复合作业一次完成入出库作业，即在入库作业完成后堆垛机不返回，而是直接运行至待出库货位，执行出库作业。 该立体仓库出库流程如图3-3所示。开始分配货位堆垛机是否空闲运送至出库台处理、扫描继续等待处理器是否空闲拆分托盘分离出库出库完成在出库台等待否是是否图 3-3 出库作业流程3.3 自动化立体仓库仿真模型立体仓库的平面布局建立以后，根据空间属性和设备的物理位置建立仓库Flexsim三维模型。货物的到达和离开分别使用Source(发生器)和Sink(吸收器)模拟；自动分拣机用Conveyor(输送机)来模拟，各段Conveyor之间通过一定的逻辑连接，并在参数中设置使用操作员；码盘作业使用Combiner(合成器)模拟；对出入库托盘的处理使用Processor(处理器)模拟，模拟一段时间的延迟；出入库缓冲区也使用Conveyor模拟，设定其容量；出入库台用Queue(暂存区)模拟，容量为1；叉车的调度分配使用Dispatcher(分配器)；拆分托盘用Separator(分解器)模拟，并使用Robot(机器人)：其它的运输工具、操作员等均使用Flexsim实体资源中相应的模型来模拟。备模型建立后按照前述的参数进行设置。3.3.1 入库处理区的Flexsim模型入库处理包括分拣、码盘、登记等过程，本文按分拣和码盘、登记两部分进行建模。图3-4所示为入库分拣、码盘、登记作业模型。模型中的发生器用来产生托盘，临实实体种类为Pallet按时间间隔到达。发生器的输出端口与下游的托盘码放台输入端口连接，将临时实体发送到随机可用端口。 图3-4 入库区Flexsim 模型模型中的合成器是供人工码盘的操作平台，合成器的输入端口1与托盘码放台连接，输入端口2与上游的分拣传送带连接，与任务执行器建立中间端口；人工码盘结束后，操作员处理15 s；合成器的输出端口分别与相应的处理器输入端口连接，每台合成器分别用一台处理器；4台合成器的中间端口均与任务执行器连接码盘结束后，由任务执行器将托盘运至处理器上进行处理（扫描、检验等）。检验完成后，由堆垛机将托盘运送入库，整个入库作业到此完成。3.3.2 货架区的Flexsim模型货架区由两部分组成：堆垛机、货架。货架模型如图3-5所示。模型中，采用堆垛机进行作业，每个堆垛机进行两侧的货架的存取（出/入库）作业。处理器输出端口与对应货架输入端口连接；货架中间端口与堆垛机连接，进行出库作业；货架输出端口与出库台输入端口连接。每排货架的最大容量为180，货架尺寸按照前述的参数进行设定，货物放置到层、列均采用随机分布，货格中货物的出/入库作业均采用堆垛机作为运输工具。图3-5 货架区Flexsim模型3.3.3 出库区的Flexsim模型出库区由出库登记、拆分货物托盘区、出库缓存区三部分构成。出库检测器输出端口与托盘拆分器输入端口连接；托盘拆分器中间端口与操作员连接，用以完成拆分后的货物码放工作；托盘拆分器输出端口与出库缓存连接。货物经堆垛机运送至出库处理器，处理完成后，由托盘拆分器进行拆盘作业，拆盘完成后，由操作员将拆分后的货物及托盘搬运至出库缓存区。拆分下来的托盘由叉车运回入库区的托盘码放区内码放，以再次使用。拆盘后的货物则按照预先的订单，装车后由货车运至订单地点。此时，整个出库作业完成。如图3-6所示为某企业自动化立体仓库出库处理区的Flexsim模型。图 3-6 出库区的Flexsim模型3.4 自动化立体仓库仿真分析3.4.1 仿真模型运行及结果统计模型建立完成,重置后就可以点击仿真时间控件“运行”来运行模型。仿真模拟自动化立体仓库一天真实的工作情况，即8小时。由于Flexsim是实时的仿真软件，在仿真过程中，可对每一个堆垛机、货架进行操作，检测其当前的状态。仿真结束后，通过“统计状态报告”输出Excel 状态报表，如表3-1所示。通过模型报告可以很清楚的了解模型中个实体得各种状态占总时间的百分比。表3-1 全局报告表以下从模型的各个基本实体中，抽取出其中一部分实体，统计其在运行过程中的各种状态、所占比例，制成运行状态饼图，并综合成表。 (1)入库工作台 工作台主要将分拣出来的货物进行一个码盘操作。工作台的主要评价指标为工作时间、闲置率、利用率。通过工作台属性统计分页，可以得到工作台的状态饼图，从图上可以清楚的看到工作台的闲置时间、收集时间、处理时间、等待运输的时间及其各自所占的百分比等仿真结果。图3-7所示为仿真结束后4号工作台的State饼图：图 3-7 工作台状态饼图根据工作台属性统计，绘制成以下表格，各工作台运行情况如表3-2所示：表3-2 工作台运行统计表工作台属性工作台1工作台2工作台3工作台4空闲(idle)5.1%5.6%5.6%5.1%处理(processing)4.1%4.3%4.3%4.1%受阻(blocked)0.1%000.1%收集(collecting)88.5%87.9%87.9%88.5%等待运输2.1%2.2%2.2%2.1%（2）入库检验器入库检验器的主要工作是对（码盘后）入库产品进行入库登记、扫描、检验等。通过检验器属性统计分页，得到检验器工作状态饼图。从图上可以清楚的看到检验器闲置时间、处理时间、预置时间、等待时间及其各自所占比例的仿真结果。图3-8所示为入库检验器4的运行状态饼图。图3-8 入库检验器运行结果各入库检验器属性统计如表3-3所示：表3-3 入库检验器运行统计表检验器属性1234空闲82.1%89.3%81.1%84.5%处理4.2%3.9%4.3%4.1%等待10.3%9.1%11.2%8.1%预置3.4%3.1%3.4%3.3%（3）堆垛机 堆垛机主要进行对已检验的货物进行上架和对需要出库的货物进行取货运送。堆垛机运行状况的主要评价指标是工作时间、闲置率和利用率。通过堆垛机的属性统计分页，可以得到堆垛机l的状态饼图，从图上可以清楚地看出堆垛机的空闲时间、装载行驶时间、空载行驶时间及其各自所占的百分比等仿真结果。图3-9 堆垛机运行结果通过对两个堆垛机进行统计，统计结果如表3-4所示：表3-4 堆垛机运行统计表堆垛机属性堆垛机1堆垛机2空闲55.1%55.0%空载行驶22.1%22.1%载货行驶22.8%22.8%最小等待时间10.982s10.170s最大等待时间20.476s20.714s平均等待时间15.907s15.614s（4）货架 存储区货架主要进行入库货物的仓储，存储区货架的主要评价指标是最大库存量、现有库存量、输入货物总数、输出货物总数和库位利用率，现将仿真数据记录如表3-5所示。表3-5 货架运行统计表货架1234输入120110122116输出92838888当前库存28273428最大库存34333434库存均值26.224.226.125.2平均停留时间7049.397035.517033.227036.43.4.2 仿真结果分析根据模型模拟运行28000s时的图表，分析结果如下：(1)通过图3-7及表3-2可以看出，入库工作台运行比较合理，空闲时间仅在5%左右。这主要是因为，工作台主要接收按系列分拣后的产品，由分拣传送带分配到各个工作台，然后进行人工码盘操作，整个过程工作台基本都有工作内容。但也不难看出，工作台的收集时间所占比重比较大，这是因为工作台需要进行的是码盘工作，预设为4个产品码作一盘，因而，工作台大部分时间是在等待其余的产品流入工作台，完成码盘后，才能转往下一个工作站检验器。造成这个现象的原因主要是产品（临时实体）产生速率，产品产生速率慢，则工作台就只能等待收集。因此，模型中的临时实体到达时间间隔应制定得更短为宜。(2)从图3-8和表3-3可以看出，入库检验器运行结果不大理想，空闲时间均在80%左右，等待运输工具运送的时间占10%，而真正检验器工作的时间仅占10%左右。造成这一现象主要因为检验器需等待上游的工作台完成工作后，由任务执行器再将码盘后的产品运送至检验器检验。而这一过程中，工作台码盘时间所占比重比较大，加之有一段运输距离，因而产品到达检验器的时间间隔比较长，这是造成检验器空闲时间比过大的主要原因。此外，由于检验器检验完成后，是由堆垛机进行运输存储，而堆垛机还需进行产品的出库运输，在这一对堆垛机的分配过程中，也会造成产品滞留在检验器，加大检验器空闲时间比。（3）从表3-4和表3-5可以得出堆垛机工作效率和货架库位的利用率，如表3-6所示：表3-6 仿真分析结果堆垛机1堆垛机2货架1货架2货架3货架4利用率(%)44.94518.918.318.918.9 从表3-6可以看出，两堆垛机的效率都不高，没有达到50%。主要原因是货架中货物停留时间过长，单出/入库作业居多。在开始仿真后的三分之一的时间内，货架上的货物数量是在一直增加的，这就说明在这段时间内入库量远大于出库量。在这之后的一段时间内，由于先前存入的货物按照先进先出的原则，在停留时间陆续到达后，此批货物会陆续出库，这就造成货架的货物急剧减少，在出库货物量接近总的出库流量后，货架只接收货物，而不向外发货，从而使货物量在最后三分之一时间内急剧增加。 从表3-6可以看出，四排货架的利用率是很低的。导致这一现象的原因是额定入库量与额定出库量差值过小，只有117，也就是说每排货架的库存量平均只有29，库位利用率平均仅为16.1%。但这主要考虑到仓库的周转周期只有4.5天，要有足够的货物来容纳每天剩下的货物。 4 自动化立体仓库的分析优化4.1 优化方案 通过上一章的分析了解到系统中的入库工作台、处理器存在空闲时间过长的问题，货架及堆垛机存在利用率不高的问题。针对这些问题，可通过调整发生器参数，改变运输方式，调整货架区参数等手段来寻找系统优化方案。 本文将通过多次仿真，在研究某一变量对系统的影响时视其它变量暂时为常数，从而避免复杂的分析过程，实现逐个击破。具体操作如下： (1)假定运输工具及货架区参数不变，将发生器临时实体到达时间间隔视为变量，对模型进行运行和分析； (2)假定发生器和货架区参数不变，将运输工具及其参数视为变量，如更改运输工具数量或用传送带代替运输工具； (3)假定发生器和运输工具不变，将货架区参数视为变量，如改变货物的出/入库时间间隔或货架中货物的最小停留时间； (4)综合前三者的结果，综合优化系统的资源配置。 在优化并仿真的过程中，分析每个参数的改变对系统的影响，找出参数改变与系统效率之间的变化规律，并通过这种趋势修改实体参数，直至达到预期目标。4.2 模型修改及仿真4.2.1 模型分析修改根据以上对自动化立体仓库的分析及优化方案设计，通过对模型的多次模拟运行及结果统计分析，找出直接影响各工作站工作效率的因素，进行合理化的修改后，得出具有一定针对性的可行性结论。现对模型的优化分析如下：(1)因各工作站空闲等待时间均过长，故考虑提高临时实体产生速率。做出修改为：临时实体到达时间间隔为指定，从原来的15s更改为10s;(2)因入库工作台等待收集产品码盘时间过长，且产品由分拣传送带传送，故考虑提高分拣速率及分拣传送带传送速率。做出修改为：分拣传送带传送速度由原来的3增加为5；(3)通过将其它因素视为常数，只将运输工具视为变量，分析研究工作台与检验器之间的运输方式发现，由两个任务执行器进行运输与其它运输方式对模型运行结果无明显影响，故不对此运输方式进行修改；(4)因货架利用率不高，即产品入库量与出库量差额比较小，故此，对货架区参数调整为：额定入库量增加为700盘，出库量保持原有不变400盘；最大容量不变，最小停留时间有原来的7000s变为10000s。4.2.2 模型优化分析通过以上修改，重置运行模型后，得到以下的统计结果。对比优化前的数据，得到以下表格：(1)入库工作台优化前后运行情况统计结果显示，工作台的收集产品等待码盘的时间比例由原来的88%下降为73%，工作台运行效率明显增加。对比情况如表4-1所示.表4-1 工作台运行情况对比工作台属性工作台1工作台2工作台3工作台4优化前后优化后优化前优化后优化前优化后优化前优化后优化前空闲7.1%5.1%5.7%5.6%4.8%5.6%4.7%5.1%处理17.8%4.1%17.07%4.3%16.44%4.3%16.53%4.1%受阻1.21%0.1%1.15%01.24%01.23%0.1%收集70.8%88.5%73.13%87.9%74.68%87.9%74.72%88.5%等待运输工具3.1%2.1%2.95%2.2%2.85%2.2%2.83%