基于Flexsim的自動化倉儲系統(tǒng)貨架貨位分配策略的研究

陳 碩，林立霖

（福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福州 350116）

基于Flexsim的自動化倉儲系統(tǒng)貨架貨位分配策略的研究

陳 碩，林立霖

（福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福州 350116）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步和人民生活水平的提高，消費者對商品質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量的要求越來越高，為了迅速和完善地把商品送到用戶手中，必須有一個設(shè)備先進，功能齊全的物流配送中心[1]。自動化倉儲系統(tǒng)是現(xiàn)代物流配送中心的核心組成部分，在現(xiàn)代化企業(yè)中發(fā)揮了巨大的作用，如汽車、家用電器、電子計算機等眾多制造業(yè)都廣泛采用自動化倉儲系統(tǒng)。

自動化倉儲系統(tǒng)AS/RS(Automatic Storage/Retrieval System)由高層立體貨架、巷道堆垛機、控制計算機等組成[2]。計算機控制巷道堆垛機對高層立體貨架進行存儲操作，影響貨物存取效率的主要是巷道堆垛機的性能和貨架貨位分配策略。在不對巷道堆垛機性能升級的情況下，制定合適的貨架貨位分配策略能有效且經(jīng)濟地提升貨物存取效率[3]。本文以某企業(yè)的自動化倉儲系統(tǒng)為研究對象，建立了Flexsim環(huán)境下的仿真模型，在此基礎(chǔ)上提出兩種貨架貨位分配策略并進行仿真實驗，對仿真得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，確定各策略的適用情況。

1 Flexsim仿真系統(tǒng)簡介

Flexsim是一套面向制造、物流等領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真模型設(shè)計、制作與分析工具軟件[4]。它采用面向?qū)ο缶幊毯蚈penGL技術(shù)，提供三維圖形化建模環(huán)境，可以直接建立三維仿真模型，支持離散系統(tǒng)和連續(xù)流體系統(tǒng)建模。Flexsim提供了發(fā)生器、吸收器、輸送機、堆垛機等多種物理單元，方便建立起系統(tǒng)的物理模型。使用Flexsim建模，可以模擬和觀察實際生產(chǎn)中的各種狀況，便于測試多種策略的運行過程，并對運行結(jié)果進行分析比較，得到優(yōu)化方案。

2 自動化倉儲系統(tǒng)單貨架貨位分配策略仿真的實現(xiàn)

2.1 仿真模型的建立

經(jīng)過對某企業(yè)的自動化倉儲系統(tǒng)調(diào)研，獲得其基本參數(shù)如下：

該自動化倉儲系統(tǒng)為直線導(dǎo)軌、兩端出入庫倉庫[5]，出/入庫工作臺分開；

貨架：56列，9行，共504個貨位，貨位尺寸：深720mm，寬650mm，高1000mm，每個貨位容量1；

貨箱：長720mm，寬450mm，高720mm；

堆垛機：水平速度180m/min，垂直速度30m/min，伸叉速度45m/min，水平運行加速度0.4m/s2[6]，容量1，作業(yè)方式為單元出入庫，空閑停靠方式為原地?？俊?/p>

該系統(tǒng)存儲物品為同一種類產(chǎn)品，且嚴(yán)格按照先進先出規(guī)則出入庫。

根據(jù)以上信息建立仿真模型如圖1所示。

圖1 自動化倉儲系統(tǒng)的仿真模型

2.2 堆垛機運行模式

貨架貨位分配策略取決于堆垛機的運行模式。常見的堆垛機運行模式有兩種：單指令周期（SC），雙指令周期（DC）[7]。單指令周期模式指堆垛機在一個作業(yè)周期內(nèi)只完成一個單獨的入庫指令或出庫指令。雙指令周期模式指堆垛機在一個作業(yè)周期內(nèi)完成一個入庫指令和一個出庫指令。兩種運行模式下堆垛機在兩端出入庫倉庫中作業(yè)過程如圖2所示。

圖2 堆垛機作業(yè)過程示意圖

1）單指令周期作業(yè)時間分析

堆垛機采用SC模式完成n件貨物存取，即先連續(xù)完成n個入（出）庫指令，再連續(xù)完成n個出（入）庫指令，所需的時間為：

其中：

Tif為堆垛機從入口到貨位i所需的時間；

Tir為堆垛機從貨位i到出口所需的時間；

Tn1為堆垛機從貨位n到貨位1所需的時間；

Td為堆垛機完成一次裝載/卸載所需的時間，為固定值。

2）雙指令周期作業(yè)時間分析

堆垛機采用DC模式完成n件貨物存取所需的時間為：

其中：

為堆垛機從入口到第一個作業(yè)貨位所需的時間；

為堆垛機從第一個作業(yè)貨位到第二個作業(yè)貨位所需的時間；

為堆垛機從第二個作業(yè)貨位到出口所需的時間；

為堆垛機從出口到入口所需的時間。

DC模式比SC模式更加適用于單側(cè)出入庫倉庫[8]。對于直線導(dǎo)軌、兩端出入庫倉庫，從式（3）可以看出，DC模式在某些情況下有較短的行程和運行時間，但當(dāng)任務(wù)數(shù)量增加、存取貨隊列不平衡等情況出現(xiàn)時，Ti1i2迅速增大，系統(tǒng)運行效率大幅降低，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。相比之下SC模式在運行過程中有很高的穩(wěn)定性和靈活性，更適用于兩端出入庫倉庫。故選擇單指令周期（SC）為堆垛機運行模式。

2.3 貨架貨位分配策略

首先獲得各個貨位的Tif和Tir。堆垛機運行時垂直方向和水平方向同時運動，垂直方向運行距離較短，可以假設(shè)為勻速運動，而水平方向運行距離很長，若假設(shè)勻速運動進行運行時間估算，則可能會與真實情況有較大偏差，須充分考慮堆垛機啟動加速和制動減速過程。用Flexsim建模時，可以方便地設(shè)置堆垛機的加速度、減速度，能較準(zhǔn)確地求得堆垛機從入（出）口運行至各個貨位所需的時間。設(shè)置貨架“放置到列”為“第一個可用列”，“放置到行”為“第一個可用行”。設(shè)置堆垛機“觸發(fā)器”中“裝載觸發(fā)”為“向全局表中添加行和數(shù)據(jù)”，“卸載觸發(fā)”為“向全局表中添加行和數(shù)據(jù)”。運行模型，在全局表中分別得到堆垛機裝載時刻Til和卸載時刻Tiu。Tiu-Til即堆垛機從入口運行到到貨位i并完成卸載所需的時間Tif+Td，定義為入位時間。將所得數(shù)據(jù)進行處理，使入位時間與各個貨位相對應(yīng)。

表1 各個貨位對應(yīng)的入位時間

為堆垛機從入口運行到貨位i所在列x所需的時間；

為堆積機從入口運行到貨位i所在行y所需的時間。

其中：

為貨位所在的行號；

t為堆垛機運行一行的高度所需的時間。

從表1中的第一列可以看出，當(dāng)y＞2時，入位

從而得到各個貨位的Tif，如表4所示。

顯然可知：

其中：x為貨位i的行號；

y為貨位i的列號。

該自動化倉儲系統(tǒng)所存儲的是同一種類產(chǎn)品，不需要考慮貨物出入庫頻率和分區(qū)存儲等問題。在此基礎(chǔ)上提出取貨時間最短貨位優(yōu)先分配策略和總時間最短貨位優(yōu)先分配策略，仿真兩種策略在不同單批次存取貨物數(shù)量時的運行參數(shù)。

表2 各行對應(yīng)的

表2 各行對應(yīng)的

行號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 T （s）0 2 4 6 8 10 12 14 16 ify

表3 各列對應(yīng)的

表3 各列對應(yīng)的

列號 1 2 3 …… 25 26 27 …… 54 55 56 T （s）2.4 3.5 4.3 …… 12.7 13 13.2 …… 19.2 19.4 19.6 ifx

表4 各個貨位對應(yīng)的

表4 各個貨位對應(yīng)的

列號Tif (s)1 2 3 4 5 6 7 8 …… 56行號1 2.4 3.5 4.3 5 5.6 6.2 6.7 7.2 …… 19.6 2 2.4 3.5 4.3 5 5.6 6.2 6.7 7.2 …… 19.6 3 4 4 4.3 5 5.6 6.2 6.7 7.2 …… 19.6 4 6 6 6 6 6 6.2 6.7 7.2 …… 19.6…… ……9 16 16 16 16 16 16 16 16 …… 19.6

1）取貨優(yōu)先分配策略

自動化倉儲系統(tǒng)按作用可分為生產(chǎn)性倉庫和流通性倉庫[9]，其中生產(chǎn)性倉庫主要服務(wù)于自動化生產(chǎn)線。為了保證自動化生產(chǎn)線進行節(jié)奏穩(wěn)定的連續(xù)生產(chǎn)，自動化倉儲系統(tǒng)需要側(cè)重供貨的實時性。因此提出取貨優(yōu)先分配策略（RPS：Retrieve Priority Strategy），該策略優(yōu)先分配取貨時間最短的可用貨位。將各個貨位對應(yīng)的行號列號按Tir從小到大排列后導(dǎo)入全局表。貨位讀取邏輯如圖3所示。

圖3 貨位讀取邏輯流程圖

仿真運行的貨架貨位分配順序如圖4所示。其中，數(shù)字代表其所在區(qū)域貨位分配的優(yōu)先等級，按1～4的順序分配。當(dāng)較高優(yōu)先等級區(qū)域的貨位分配完后才分配下一優(yōu)先等級區(qū)域的貨位。

圖4 取貨優(yōu)先分配策略分配順序示意圖

仿真運行結(jié)果如表5所示。

表5 取貨優(yōu)先分配策略仿真運行結(jié)果

從表5可以看出，隨著單批次存取貨物數(shù)量增加，系統(tǒng)需要分配更多效率較低的貨位，導(dǎo)致每件貨物平均用時增大。

2）總時間優(yōu)先分配策略

流通性倉儲的業(yè)務(wù)特點是進出貨物頻繁、吞吐量大，需要關(guān)注自動化倉儲系統(tǒng)存取貨物過程的總體平衡優(yōu)化。因此提出總時間優(yōu)先分配策略（TTPS：Total Time Priority Strategy），該策略優(yōu)先分配存取貨總時間最短的可用貨位。將各個貨位對應(yīng)的行號列號按 從小到大的順序排列后導(dǎo)入全局表。貨位讀取邏輯同上。仿真運行的貨架貨位分配順序如圖5所示，圖中的區(qū)域及數(shù)字代表的意義與圖4相同。

圖5 總時間優(yōu)先分配策略分配順序示意圖

仿真運行結(jié)果如表6所示，每件貨物平均用時增大的原因同上。

表6 總時間優(yōu)先分配策略分配仿真運行結(jié)果

2.4 仿真結(jié)果對比與分析

選擇常用的隨機貨位分配策略作為比較對象。設(shè)置貨架“放置到列”為“隨機放置到可用列”，“放置到行”為“隨機放置到可用行”。仿真運行結(jié)果如表7所示。

表7 隨機分配仿真運行結(jié)果

從表7可以看出，由于系統(tǒng)隨機分配貨位，每件貨物平均用時不受單批次存取貨物數(shù)量的影響，呈現(xiàn)無規(guī)則波動。

仿真運行結(jié)果對比數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 仿真運行結(jié)果對比

分析對比結(jié)果可知：

1）取貨優(yōu)先分配策略使取貨過程的效率大幅提升，并使總效率有所改善，適合對供貨實時性有較高要求的生產(chǎn)性倉庫，保證自動化生產(chǎn)線的原材料供應(yīng)；

2）總時間優(yōu)先分配策略使存貨過程和取貨過程的效率均穩(wěn)定提升，適合進出貨物頻繁、吞吐量大的流通性倉庫；

3）隨著單批次存取貨物數(shù)量的增加，兩種策略的貨位分配與隨機貨位分配策略的重合度增加，導(dǎo)致效率提升幅度下降。實際使用中極少出現(xiàn)單批次存取貨物數(shù)量大于300的情況。

3 結(jié)論

本文以直線導(dǎo)軌、兩端出入庫倉庫為研究對象，分析了采用單指令周期模式和雙指令周期模式時堆垛機的作業(yè)過程，確定了單指令周期模式適用于直線導(dǎo)軌、兩端出入庫倉庫，并在此基礎(chǔ)上提出了適用于生產(chǎn)性倉庫的取貨優(yōu)先分配策略和適用于流通性倉庫的總時間優(yōu)先分配策略。利用Flexsim對自動化倉儲系統(tǒng)進行仿真，仿真結(jié)果表明，取貨優(yōu)先分配策略相較于隨機貨位分配策略取貨過程的效率大幅提升，而總時間優(yōu)先分配策略相較于隨機貨位分配策略存貨過程和取貨過程的效率均穩(wěn)定提升，對自動化倉儲系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化具有一定的參考價值。

[1]劉昌祺,金躍躍.倉儲系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備選擇及設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010,11.

[2]張燁.物流自動化系統(tǒng)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2009,12.

[3]鄂曉征,祖巧紅,曹萌萌.基于遺傳算法的汽車零件自動化倉儲貨位優(yōu)化[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2013,25(3):430-444.

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Study on shelf location assignment strategies of AS/RS based on Flexsim

CHEN Shuo, LIN Li-lin

以直線導(dǎo)軌、兩端出入庫倉庫為研究對象，分析了采用不同堆垛機運行模式時堆垛機的作業(yè)過程，確定了適用于該型倉庫的堆垛機運行模式，在此基礎(chǔ)上針對自動化倉儲系統(tǒng)的不同業(yè)務(wù)需求提出了兩種貨架貨位分配策略。利用Flexsim進行仿真，仿真結(jié)果表明，在不對自動化倉儲系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)施升級的情況下，采取合適的貨架貨位分配策略能有效提高自動化倉儲系統(tǒng)的作業(yè)效率，為設(shè)計提供了參考。

自動化倉儲系統(tǒng)；兩端出入庫倉庫；貨架貨位分配策略；Flexsim

陳碩（1964 -），男，福建人，教授，博士，研究方向為交流調(diào)速控制和機電一體化技術(shù)。

TP202.7

A

1009-0134(2014)06(上)-0006-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).02

2014-03-20