基于虛擬仿真的立體倉庫優化設計及“無紙化作業”推進

泮家麗，王 勇，2，3，曹一凡，羅 丹，郭格格，王 琴

（1.武漢工商學院，湖北 武漢 430065；2.武漢理工大學，湖北 武漢 430063；3.湖北商務服務發展研究中心，湖北 武漢 430065）

基于虛擬仿真的立體倉庫優化設計及“無紙化作業”推進

泮家麗1，王 勇1，2，3，曹一凡1，羅 丹1，郭格格1，王 琴1

（1.武漢工商學院，湖北 武漢 430065；2.武漢理工大學，湖北 武漢 430063；3.湖北商務服務發展研究中心，湖北 武漢 430065）

針對自動化立體倉庫目前存在的紙張單據過多、作業效率低等問題，首先通過建立虛擬仿真系統對設置參數進行實驗，隨后以某自動化立體倉庫為研究對象，并基于3D物流虛擬仿真系統對倉庫系統進行建模研究，得出了優化思路，最后驗證了優化方案對立體倉庫出入庫效率以及推進“無紙化作業”的可行性。

立體倉庫；虛擬仿真；無紙化作業

1 引言

自動化立體倉庫（AS/RS）是當代物流體系最重要的組成部分，是一種以高層立體貨架為基礎來存儲貨物的倉庫，它綜合應用機電、自動控制、計算機和通信技術管控堆垛機對物資進行存取作業?？紤]到立體倉庫軟、硬件系統投資較大，通過運作優化技術，從貨物分配、任務調度、作業流程等多角度展開研究或采取相應措施以充分發揮其綜合效益，始終是企業和學者們關注的焦點。然而，由于自動化倉儲系統具有多學科交叉的復雜動態離散系統的特質，此前的研究大都從數學算法出發，解析分析方法較為傳統，花費時間長，偏重理論、實踐性差，應用難度較高，直觀性不強，且未充分考慮倉庫中各個因素對倉庫效率的影響。因此，本文棄用了此前研究的解析分析方法，而是結合工業工程視角和計算機仿真技術，分析和研究了立體倉庫的運行參數及布局對出入庫作業效率的影響以及如何優化設計信息系統來推進倉庫“無紙化作業”的實現。本文以某公司的自動化立體倉庫為例，利用可視化仿真優化技術的實用性，直觀的找出現有立體倉庫的發展瓶頸，并提出了改進措施。并且通過仿真自動化立體倉庫物流系統的整個過程，對倉庫物流進行整體分析?；诟鞑糠植煌倪\行特點，研究了仿真的整個流程，發現并改進其不合理的部分，最終仿真結果顯示，優化后立體倉庫作業效率明顯提高。

2 物流虛擬仿真概述

2.1 系統仿真

立體倉庫系統仿真是指通過計算機來模擬現實中立體倉庫系統內部的實際運行情況以及隨著時間變化所產生的狀態來建立仿真模型，并且通過對系統仿真運行過程加以觀察和統計，憑此來估計和推斷現實系統中的實際參數和性能。

自動化立體倉庫的設計人員借助系統仿真技術實現優化目標的目的。面對眾多的設計方案，借助虛擬仿真系統進行仿真，針對仿真系統所提供的參考資料，對設計方案的優勢和劣勢進一步進行分析論證，綜合考慮各方案的優缺點進行方案的設計修正，減少資金、人力和時間的浪費，使得所設計的方案達到最優；而對于現已投入使用的自動化立體倉庫，通過系統仿真，在不改變原系統的情況下試圖解決存在的問題，借此來進一步提高立體倉庫以及相應設備的利用率和運行效率，使之獲得較好的應用。

2.2 國內外主要物流仿真軟件的應用狀況

隨著物流行業的發展，物流系統逐漸呈現出多樣化、復雜化的特點，相關系統的內部關聯性也變得越來越大。在評價一個企業的物流系統及其相應的決策是否有效時，系統仿真在其中扮演著越來越重要的角色。此外，企業考慮增添一個新系統或對其現有系統增加新裝備或技術進行改造的過程中，企業通常都會借助到仿真技術的相關軟件。以下介紹幾種企業常用的物流仿真軟件，見表1。

表1 幾種常用的物流虛擬仿真軟件

2.3 物流虛擬仿真的特點

無論實際的物流系統是否真正存在，都可以建立系統仿真模型進行研究優化，這是物流虛擬仿真最大的特點。將實物的數據輸入仿真軟件，通過仿真模擬，輸出接近實際物流系統的信息。仿真實驗具有良好的可控性、可重復性和無破壞性。仿真過程具有經濟安全、不受氣象條件和場地環境限制的特點。物流仿真軟件的仿真過程是在建立物流系統模型的基礎上，通過模型在計算機上的運行來對模型進行檢測和調整，使模型不斷改善，逐步趨于完善。仿真的實時性，使實時仿真應用成為可能，為仿真推廣應用奠定了良好的基礎。當前物流仿真軟件主要應用于某些物流企業內部生產物流仿真，倉儲、運輸和配送流程仿真，以及高校物流專業仿真研究學習等。

但是，目前我國仿真技術運用水平還處于比較初級的程度，僅僅是對某一過程進行仿真模擬，不僅條件簡單而且考慮的因素不全。本文將借鑒文獻研究的方法，深入的運用百蝶物流公司開發的虛擬仿真系統對立體倉庫進行實時仿真，同時全面考慮影響仿真效果的各個因素并分析仿真結果，從而達到立體倉庫系統能力優化的目的。

3 出庫作業分析與優化

為了綜合考慮影響立體倉庫出庫效率的各個因素，從而進行優化設計，本文在系統中錄入了四個物流門店、四種不同貨物的信息，分別采用播種式和摘果式的揀貨方法進行出庫仿真實驗，對兩種揀貨方式的出庫時間和成本進行了對比。同時也發現立體倉庫中RGV小車運行特別緩慢，特別是進行拆盤揀貨后，貨物又要通過RGV小車才能回庫，導致整體出庫效率很低。

3.1 立體倉庫播種式和摘果式揀貨方法比較

由表2可知，在播種式揀貨中，出庫信息處理時間和揀貨時間均比摘果式揀貨時間要短，而在總時間里摘果式揀貨時間要比播種式時間要短。

表2 出庫時間比較

播種式和摘果式揀貨方法的相關成本見表3。通過具體仿真操作和數據對比，可以發現采用播種式揀貨方式最佳。

表3 揀貨方法成本比較

3.2 立體倉庫出庫部分設施設備改進

物流企業面對日益增長的業務需求，短期采用播種式能有所改善，但是面對大量的作業，僅僅改變揀貨方式還不能提高出庫的整體效率，立體倉庫仍處于瓶頸作業，有必要進行設施設備方面的改造。

3.3 方案設計

改進后的方案出庫部分為兩層，下面一層RGV小車只負責整盤出庫，拆盤出庫的都在二層。揀貨員通過樓梯進入到二層進行揀貨作業，在鏈式輸送機末端的托盤上拿貨物，拿完后直接將貨物放到二層輸送帶上。貨物通過螺旋式輸送帶傳送到復核打包區，螺旋式輸送帶末端與立體倉庫和電子標簽揀貨區之間的傳送帶相連。拆盤后通過RF手持終端進行托盤回庫，在此期間不需要RGV小車。

已知RGV小車和傳送帶速度都是可調控的，假設兩者的速度相同，在設備改進前系統中RGV小車進行一次拆盤作業需要在軌道上行走兩圈，如圖1所示。

圖1 設備改進前

本文設計的方案中，二層鏈式傳送機完成拆盤出庫后，貨物直接從傳送帶輸送行走的路徑小于兩圈，因此用傳送帶進行傳輸效率更高，并且在優化后拆盤出庫和整盤出庫分開作業，可以大大減少出庫時間，避免出庫貨物的堆積，提高出庫效率，如圖2、圖3所示。

4 立體倉庫“無紙化作業”的推進

很多物流中心在成立之初，進行信息系統和作業流程設計時，受傳統思維的影響，很多作業需要有明確的紙質單據作為依據去執行相關作業，通過近幾年現代物流的快速發展，用紙張傳遞信息的效率比較低，隨著公司業務量的急劇增加，這個矛盾越來越突顯。在企業原有信息系統中，只要稍加改造就可以推行“無紙化作業”，主要應用EDI和優化手持終端（PDA）系統，這樣企業的作業效率會有比較大的提升。

圖2 設施設備改進后（a）

圖3 設施設備改進后（b）

4.1 信息系統的改進設計

（1）企業內部。首先在倉庫里安裝幾個強信號的無線路由器來組建一個局域網，并給每個手持終端(PDA)上面安裝無線網卡以便連接局域網。在倉庫建立了局域網的基礎上，手持終端（PDA）系統里面新增了快傳和訂單兩個功能?？靷髦饕糜趥}庫內各區域的電腦和PDA之間單據的發送和接受，訂單主要用于查看本PDA內已經接收的各種單據的詳細內容。

（2）企業外部。各個合作企業之間通過EDI系統交換彼此的交易信息。常見的EDI系統間數據交換如圖4所示。

圖4 常見的EDI系統間數據交換流程

①文件格式化和標準化：將紙質的商業和行政文件通過計算機的處理，轉變成符合EDI格式的標準化的EDI數據文件。

②傳輸和交換：通過EDI數據通信和交換的功能轉接到登錄的EDI服務中心，用戶在自己電腦上的標準數據文件可以轉發到對方用戶的計算機系統。

③文件的接收和自動處理：在接到對方用戶計算機系統里的文件后，可以迅速根據特定的要求進行自動處理。

4.2 推行“無紙化作業”的效果預估

（1）“無紙化作業”節省成本估算。以系統中錄入的4個出庫實驗訂單信息舉例說明，具體單據及播種式與摘果式揀貨成本比較見表4、表5。

表4 播種式與摘果式揀貨單據比較

表5 無紙化作業成本（單位：元）

由表5可知，系統中的4個出庫訂單信息，若采用播種式揀貨方式，可節約打印費用共1元。假設理貨員與揀貨員分別到出庫管理員處領取訂單信息各花費30s，則共計可節約費用1.5元。同理，若采用摘果式揀貨方式共計可節約費用2.1元。由此便可得出，采用無紙化作業系統，長此以往可以節約大量費用。通過計算可知，采用播種式揀貨理貨員和揀貨員可分別提高8.3%、2.7%的工作效率；采用摘果式揀貨理貨員和揀貨員可分別提高4.3%和3.4%的工作效率。

（2）EDI方法的效率評估。EDI能夠將企業間散亂的各種商業信息替換成格式化和標準化的文件形式，同時根據網絡通訊的自動傳遞和交換，使得整個信息交換過程中減少了大量紙質文件，減少了人員的重復錄入，因而提高了信息的準確性，減少了出錯率，并且傳輸了無紙化的綠色理念。同時，EDI系統的使用使得企業間的交易時間大大縮短，從而降低了企業的庫存成本，帶動了企業的資金發展，提高了企業的經濟效益。另外，EDI的采用可以大大提高企業管理和服務質量水平，在實際中，倘若將EDI技術與物流的采購、運輸、倉儲等各個環節相結合，不僅可以提高各種單證的傳遞和處理效率，而且可以減少庫存，帶動資金發展，從而更好、更高效的滿足顧客的需求，提高服務水平。

（3）預計效益。①簡化了物流作業，提高了工作效率。通過無線手持終端使用后的總結得出，在操作現場需要手工填寫單據，再錄入系統記錄的操作信息，由現場操作人員手工錄入，從而簡化了物流作業，并大大提高了工作效率。

②提高了作業的準確性。由無線手持終端操作完全取代紙質單據作業，不僅降低了工作人員現場書寫錯誤和數據錄入錯誤的概率，還能極大地提升作業的準確性。

③提高了庫存的精確性。操作人員能在庫存出現異常時通過手持終端直接記錄異常，避免了因操作人員忘記記錄而造成的錯誤。同時，為了及時修正庫存異常采取動態盤庫的方式來隨時掌握庫存信息并進行調整。在盤庫時，避免了因工作人員書寫和記錄而造成的誤差，提高了庫存的準確性。

④便于員工的量化考核。操作人員在工作時，手持終端系統能夠實時記錄其每個作業、作業時間等信息，系統能快速計算員工的工作量，便于員工的量化考核。

⑤節約了紙張，更加環保。通過使用無線手持終端，節約了大量的紙張，為企業節約了成本，減少了紙張的浪費，更加環保。

5 結語

本文借助物流虛擬仿真系統，以某自動化立體倉庫出入庫過程為研究對象，根據在系統中仿真操作、數據分析后發現了目前立體倉庫在運行時存在的瓶頸，并最終基于仿真實驗給出了行之有效的優化改進方案。對日后立體倉庫整體出庫作業效率的提高做出了合理的設計，為了推行無紙化作業，在信息系統中做出相應的改進調整。同時，為部分物流企業立體倉庫的作業優化指明了思路。

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Optimization of AS/RS and Pro motion of Paperless Operation Based on Virtual Simulation

Pan Jiali1,Wang Yong1,2,3,Cao Yifan1,Luo Dan1,Guo Gege1,Wang Qin1
(1.Wuhan Technology&Business University,Wuhan 430065;2.Wuhan University of Technology,Wuhan 430063;3.Hubei Business Service&Development Research Center,Wuhan 430065,China)

In this paper,in view of the low efficiency of the AS/RS at the current stage caused by overreliance on paper-based documents,first through establishing a virtual simulation system,we tested the settings and parameterization of the AS/RS;then based on the 3D logistics virtual simulation system,we modeled the system and arrived at the line of thinking for its optimization;and at the end,we verified the feasibility of the optimization plan in improving the inbound/outbound efficiency of the AS/RS and in promoting paperless operation.

AS/RS;virtual simulation;paperless operation

F253;F253.9

A

1005-152X(2017)06-0165-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.06.039

2017-05-06

武漢工商學院大學生科技創新基金重點項目（ST201612）；教育部人文社會科學研究青年基金項目（14YJCZH154）；湖北高校省級精品資源共享課《物流管理概論》；武漢工商學院教學研究項目（2015Y06）

泮家麗，女，浙江麗水人，武漢工商學院學生；王勇，男，江蘇鹽城人，博士研究生，武漢工商學院物流學院副院長，副教授，高級物流師，經濟師，研究方向：供應鏈管理、高等教育；曹一凡，男，湖北大冶人，武漢工商學院學生；羅丹，女，湖北荊門人，武漢工商學院學生；郭格格，女，湖北武穴人，武漢工商學院學生；王琴，女，湖北荊門人，武漢工商學院學生。