生鮮電商配送中心仿真研究

于維民

摘要：本文結合E公司生鮮電商的實際作業情況及作業數據，對其配送中心冷庫區規劃方案進行了基于SIM3D的仿真，發現了存在的問題，對仿真結果進行數據分析，找到了影響全局工作效率的瓶頸工序及閑置資源，進行系統優化，得到最終的優化方案，為生鮮電商解決運作高效與存儲高效之間的矛盾提供了思路，同時為其節約了資源。

關鍵詞：生鮮電商：多層穿梭車：配送中心仿真

1、研究背景

隨著中國的經濟突飛猛進的發展，人民的收入水平顯著增長，人們對生活質量的要求也在不斷提高，農貿市場、社區便民店和超市等居民購買生鮮商品的傳統渠道越來越不能滿足人們多樣化的需求，因此生鮮電商應運而生。現階段發展生鮮產品業務已經成為電商業新的發展空間與利潤增長點。

發展生鮮電商，勢必要發展冷鏈物流。作為冷鏈物流運作的關鍵節點，物流配送中心是實現產品快速、準確、按時配送的現代物流基礎設施。生鮮電商配送中心既要像普通電商配送中心一樣作業效率高，又因為貨品的特殊性需要使用冷庫存儲。如何能夠提高寶貴的冷庫資源的利用率同時又提高其作業效率，成為生鮮電商企業亟待解決的問題。

多層穿梭車系統是一種由負責水平運動的軌道導引車輛（Rail GuidedVehicle，RGV）和負責垂直運動的提升機（Lift）共同組成的新型倉儲系統，于2000年左右在歐洲、美國等地開始陸續投入使用。多層穿梭車作業系統的出現，在極大地提高了倉庫空間的利用率的同時也提高了配送中心的作業效率，同時具有很好的適應性，受到很多企業的青睞。因此此處擬采用多層穿梭車式立體庫進行規劃同時采用SIM3D進行仿真，進而為生鮮電商解決冷庫的存儲效率與作業效率之間的矛盾提供解決方案。

2、課題研究的現狀

歐美、日本等國家，現代物流體系建設起步較早，物流業發展較為完善，對于物流行業指定的相關法律法規也較為完善，這些都使得其發展比我國相對成熟。

Hu Kuan-Yu和Chang Tian-sheng針對自動化作業系統承擔生鮮電商配送中心分揀任務的情況，結合生鮮電商產品出入庫頻率較高，同時包裝又不規則的特點，設計了一種更便捷靈活的自動化存儲系統，并運用蟻群算法，確定了揀選的最優路線，并通過實際的仿真驗證證明了該設計的有效性。

國內相關研究，歐強在基于穿梭車技術的信息化冷庫建設的研究中指出當前穿梭車技術在普通倉庫的應用已經較為成熟，但對于溫度控制比較復雜的生鮮冷庫領域的應用還有待探究，并結合實際案例對如何建設信息化冷庫進行了研究。王勇勝對生鮮電商的物流配送模式進行了研究，分析了其基礎設施水平，信息化程度，法規完善情況，并分析了生鮮電商的發展前景。

從以上文獻檢索的結果來看，對于生鮮電商配送中心的研究主要集中在兩個方面，一是從宏觀的角度研究生鮮電商的發展情況，評估目前現狀，通過對其物流模式等的研究探究其未來發展的出路，二是從設施設備的角度，探究生鮮電商配送中心的規劃，探究具體設備在冷庫中的應用，研究新的適合生鮮電商使用的存儲及分揀設備。

3、E公司生鮮電商配送中心案例介紹

E公司生鮮配送中心冷庫存儲區共有2個大小一樣的倉庫，每個長26米，寬20米，凈高9米，總面積為1040m²，容積8320m³。目前庫區存儲包括進口水果、國產水果、精選肉類、禽蛋產品、海鮮水產、乳品糕點、新鮮蔬菜、方便速食、糧油雜貨、飲料酒水、禮品禮券等11個大類，3200多種產品，溫度控制在-15℃左右，當前每庫每日出庫入庫單品數量均在5000件左右。

3.1冷庫存儲區作業區域劃分

E公司冷庫存儲區多層穿梭車式自動化立體冷庫分區如下：

此處倉庫有比較大的裝卸貨月臺，并且是半封閉式的。為了節約冷庫的寶貴資源，盡量將能夠不占用冷庫區的功能區域放到月臺上進行，因此收貨區和退貨區都位于月臺的指定區域，檢驗區、配合性區域、冷庫區辦公室這3個區域位于冷庫旁邊的辦公場所內。最終，布置在冷庫內部的區域只有入庫暫存區、出入庫區、存儲區、出庫暫存區這4個區域。

3.2冷庫存儲區工藝流程分析

冷庫存儲區的工藝流程主要包括拆垛、裝箱貼標、入庫、存儲、出庫、碼盤等工作，這些工作是順序依次完成的，其工藝流程如下：

4、建立仿真建模

對于物流系統的仿真一般按照如下流程進行：確定仿真軟件，建立仿真模型，控制邏輯編程，運行仿真系統，仿真結果分析和優化。

本文根據實際需求采用Sim 3D仿真軟件，該軟件具有很好的物理效果和高效的仿真能力，具備一定的仿真數據分析能力，非常符合本文的仿真需求。

4.1仿真的要素

對于配送中心的仿真要素進行分析，要遵循模型盡量簡化，仿真模型層次化、模塊化的原則。

以下是根據E公司配送中心冷庫存儲區的布置圖，同時結合Sim 3D仿真軟件進行分析，從而得出的該仿真系統的仿真要素。由于此次仿真主要是測試硬件系統的性能，因此對于入庫以前的拆垛、貼標等工序及出庫以后的碼垛等人工操作的工序不進行仿真。該系統總共包括5個部分：

（1）入庫系統

入庫系統由4臺入庫輸送機及分別附著在輸送機上的4個貨物發生器組成。貨物發生器用來產生料箱，模擬貨物，入庫輸送機將這些模擬貨物送到出入庫調度系統的穿梭車上。

（2）出入庫調度系統

出入庫調度系統主要由環形穿梭車軌道、8臺穿梭車、穿梭車管理器、導流管理器構成。

環形軌道用來承載調度系統的穿梭車，8臺穿梭車主要負責將入庫輸送機送來的貨物轉運給多層穿梭車存儲系統的入庫輸送機，穿梭車管理器主要負責對穿梭車進行任務的分配工作，導流管理器主要用來定義出入庫調度系統的貨物流向及分配。入庫時，貨物流向由4臺入庫輸送機經過出入庫調度系統流向5臺多層穿梭車存儲系統的入庫輸送機；出庫時，貨物流向由5臺多層穿梭車存儲系統的出庫輸送機經過出入庫調度系統流向4臺出庫輸送機。

（3）多層穿梭車存儲系統

在整個系統中，多層穿梭車存儲系統最為復雜，主要包括5臺入庫輸送機、5臺出庫輸送機、10臺提升機、70臺入庫平臺、70臺出庫平臺、70臺穿梭車、70個穿梭車軌道、10列14層貨架、4200個貨位。

（4）出庫系統

出庫系統由4臺出庫輸送機及分別附著在輸送機上的4個貨物消除器組成。，出庫輸送機與出入庫調度系統的穿梭車進行接駁，其上的貨物消除器用完成模擬貨物的消除工作。

（5）統計系統

統計系統主要由Experiments插件，Analysis插件，Throughput數據收集器構成。Experiments插件用來完成仿真實驗的仿真時間、仿真變量設置工作，Analysis插件類似于Excel用來完成仿真數據的分析、圖表繪制工作，Throughput數據收集器用來完成系統的吞吐能力、設備利用情況的數據的收集工作。

4.2建立仿真模型

仿真模型的建立階段，首先要在分析實際物流系統運行流程的基礎上進行仿真實體的布局工作，其次要在分析各個仿真實體之間邏輯關系的基礎之上進行必要的編程工作，最后要將仿真的數據進行具體的分析提煉，作為仿真實體的參數進行設定。

基于以上對于E公司配送中心冷庫存儲區仿真系統結構的分析，同時為了達到盡量真實的仿真效果，此處采用1：1的比例對該仿真系統進行模型的布局搭建，并按照整體系統的實際運作邏輯對仿真模型進行了編程。E公司配送中心冷庫存儲區仿真系統立體圖如下：

5、仿真結果分析與優化

基于以上仿真模型分析、邏輯編程、參數設置的結果進行仿真，采用Sim3D數據統計模塊進行整體系統的吞吐量、設備利用率、作業效率的統計。

5.1運行仿真模型

對E公司配送中心冷庫存儲區仿真系統整體進行仿真，仿真模型整體同時運行，出入庫工作同時開展。當仿真實驗進行到40分鐘左右時出現了明顯的系統瓶頸問題，即出入庫調度系統的環形軌道上的RGV小車全部載有等待入庫的貨物，沒有小車執行出庫任務，而倉庫中所有的穿梭車又在等待執行出庫指令，沒有穿梭車執行入庫任務，系統至此陷入死循環，導致整體系統的貨物流斷流，實驗至此停止，沒有任何有價值的結果輸出。

5.2仿真結果分析

導致以上問題的原因，除了明顯能夠看到的出入庫調度系統的問題以外，系統中是否存在其他問題，我們并不清楚，因此擬將該系統的模塊分開進行測試，從而發現每個部分存在的問題。

1.對于多層穿梭車存儲系統的仿真研究

根據實驗的結果可知多層穿梭車存儲系統的吞吐能力約為584件/小時，滿足系統設計的目標，并且沒有超出太多，因此該部分并不是影響系統作業效率的因素。

由于此處軟件底層沒有定義設備的狀態量，因此無法統計設備的利用率，我們只能試根據實際的布局情況，在滿足系統設計目標的基礎上減少設備的數量，以求得系統設備的最小數量。

此處對貨架的層數進行調整，發現當貨架層數為8層，貨位數為2400個時，該系統仍然能夠完成出入庫任務，只是此時應對庫存增加的能力下降。

2.對于入庫模塊、出入庫調度模塊、出庫模塊的仿真研究

根據實驗的結果可知入庫模塊、出入庫調度模塊、出庫模塊的吞吐能力約為每小時202件，遠遠小于系統設計的目標，因此此處成為整體系統的瓶頸，需要進一步調整改進。

5.3仿真系統優化

對于物流系統瓶頸問題的處理一般有三種思路：一是提高瓶頸模塊物流設備的運行速度，二是增加該模塊的設備的數量，三是對該模塊進行重新的規劃，或者更換更高效的設備。

因為此處出入庫調度模塊的RGV小車的速度設置到了3m/s，而一般的RGV的速度為120-250m/min，所以其速度提升空間不大，而且由于環形軌道的轉彎處為180。轉彎，如果將其速度調高，現實中RGV容易沖出軌道，所以不應當對其速度進行調整。因此此處最好的方法是增加RGV的數量，或者對該模塊進行重新的規劃、更換更高效的設備。

5.4優化結果

通過以上對于E公司配送中心冷庫存儲區的模擬仿真及三次調整，此處得以最終確定該配送中心冷庫存儲區的布置及設備參數。

最終能夠完成系統任務目標的設備最少數量為：1、入庫模塊，4臺入庫輸送機；2、出入庫調度系統，8臺RGV小車；3、多層穿梭車存儲系統，5臺入庫輸送機，10臺提升機，40個入庫平臺，40臺穿梭車，40個出庫平臺，8層貨架2400個貨位，5臺出庫輸送機；4、出庫系統，5條輥筒輸送線，總長約40米。

此處結合改進后的配置最后一次整體的仿真驗證。E公司配送中心冷庫存儲區仿真的模型如下圖，仿真模型整體同時運行，出入庫工作同時開展。

以下是對于E公司配送中心冷庫存儲區仿真系統運行的結果：

規劃的目標為每一個庫每天10小時出入庫數量均為5000件，根據實驗的結果可知E公司配送中心冷庫存儲區仿真系統的入庫能力約為500件/小時出庫能力約為505件/小時，剛剛能夠滿足系統設計的目標，最終，保留以上配置作為E公司冷庫存儲區的最終配置。

經過仿真，雖然增加了出庫輸送線的長度，但對于多層穿梭車存儲系統節約了30臺穿梭車，極大的減少了設備投資。此時的空間利用情況接近3000m3，相對于原來采用托盤貨架時1000m³左右空間利用率提高了3倍，作業能力為原來人工作業時晌2.5倍。

6、結論

本文通過對于E公司冷庫存儲區多層穿梭車作業系統的分析，同時結合Sim3D軟件，對仿真要素進行了簡化、布置、邏輯編程以及實際的運行。通過10小時的仿真運行，發現了整體系統中存在的問題，并通過3次不斷的優化，確定了其最終的設備參數及布局情況。

相對于普通貨架存儲，提高了冷庫空間的利用率，同時提高了出入庫的作業效率，使得E公司冷庫存儲區多層穿梭車作業系統的設計可以完成每天出入庫量10000件的目標。從而為生鮮電商配送中心通過采用自動化設備在保證冷庫空間利用率的情況下提高作業效率提供了思路。