基于FlexSim的訂單分揀系統(tǒng)仿真及優(yōu)化*

□ 韓嘉童，張瑩瑩

(重慶大學 自動化學院，重慶 400044)

訂單分揀就是依照顧客的訂貨要求或配送中心的送貨計劃，盡可能迅速、準確地將商品從其儲位揀取出來，并按一定的方式進行分類、集中，等待配裝送貨的作業(yè)過程[1]。隨著電子商務的飛速發(fā)展，個性化、多樣化的需求也在增加，單筆訂單中貨品的數(shù)量越來越少，涉及貨品的種類越來越多，進而分揀的難度也在逐漸增加，極大制約了倉庫或配送中心的運行效率。分揀作為勞動密集程度最高、占用成本最多的運作方式之一，如何提高其效率成為了各企業(yè)優(yōu)先考慮的問題。近年來，物流業(yè)中出現(xiàn)了采用分揀機器人進行分揀的倉庫，然而其投資規(guī)模大，回報時間長，還不適用于當前國內絕大多數(shù)半自動化倉庫的現(xiàn)狀。因此，采用仿真軟件建立模型，對半自動化倉庫的分揀過程進行仿真模擬分析，進而改進現(xiàn)有安排成為了各企業(yè)的不二之選。

本文采用FlexSim仿真軟件建立了一個訂單分揀模型并對其進行了仿真運行，將所得數(shù)據(jù)進行了深入分析，找到了提升整體運作效率的方法，并證實了其可行性，這對其他訂單分揀設施的設計安排具有指導意義。

1 FlexSim仿真軟件簡介

FlexSim是美國的FlexSim Software Production公司開發(fā)的一款全新的面向對象的仿真建模軟件，三維效果十分逼真，它在圖形環(huán)境下集成了C++IDE和編譯器。在這個軟件環(huán)境中，C++可以直接用來設計或改進模型，而且在編譯過程中不會出現(xiàn)任何問題，極大地滿足了使用者的多層次需求。FlexSim中架設有高效的仿真引擎，該引擎可以實時動態(tài)地顯示所建系統(tǒng)中的三維模型。在仿真進行時，利用該引擎也可以改變模型的部分屬性[2]。

FlexSim軟件的應用范圍十分廣泛，可以用于交通線路的規(guī)劃安排、交通流量的數(shù)據(jù)分析、生產能力的仿真與分析、物流設施的設計與規(guī)劃等多個方面。它是用來對生產制造、物料處理、物流、交通、管理等離散時間系統(tǒng)進行仿真的軟件，也可以使用FlexSim對模型中含有真實的物理實體的模型進行仿真研究。它提供了建模、三維模型顯示、運行仿真、數(shù)據(jù)分析及生成三維動畫等功能，還提供了Microsoft Excel的接口，可以將數(shù)據(jù)通過Excel文件輕松導入其中。總體來說，F(xiàn)lexSim軟件具有三維模型顯示效果好、建模與調試簡單、仿真模型擴展性強等諸多優(yōu)點。

2 基于FlexSim的訂單分揀仿真建模

下面以某物流中心的訂單分揀過程為例，詳細介紹訂單分揀作業(yè)環(huán)節(jié)在FlexSim中的仿真建模。

2.1 訂單分揀作業(yè)過程描述

該物流中心儲存有8種不同類型的貨物，分別存放在8個貨架上，揀貨車輛需要將貨物按訂單要求搬運至分揀臺，待分揀臺分揀完畢后由運貨車輛將貨物搬運至對應的暫存區(qū)。

訂單分揀作業(yè)過程FlexSim布局如圖1所示。

圖1 訂單分揀作業(yè)平面布局

2.2 實體對象及參數(shù)設置

該物流中心訂單分揀作業(yè)需要用到的實體對象均可從FlexSim仿真軟件的實體庫中找到，無需額外導入或設計其他實體。訂單分揀作業(yè)實體設備與FlexSim仿真軟件實體庫中對象的對應關系如表1所示。

表1 訂單分揀設施與FlexSim實體對應關系

在仿真模型中，實體對象的參數(shù)設置如下：

貨物：設置有8種類型的貨物，且到達時間間隔均服從(0,40)的指數(shù)分布，不同類型的貨物以不同顏色的盒子表示。

貨架：設置有8個立體貨架，8種貨物分別儲存在這8個貨架上，貨架規(guī)格為10行10列，最大存儲容量均為200，當仿真開始時，貨架上均存放有20件對應品種的貨物。當貨架達到最大存儲容量時，自動停止補貨。

分揀叉車：設置有8輛分揀叉車，負責將訂單中的貨物分揀至分揀臺。每輛叉車最多可以運載2個單位的貨物，最大運行速度為2m/s，載貨時間服從均值為5，標準差為2的正態(tài)分布，卸貨時間服從均值為3，標準差為1的正態(tài)分布。

分揀臺：設置有2座分揀臺，相互獨立運行，將分揀來的貨物合成一個訂單，無預置時間，分揀時間服從均值為10，標準差為3的正態(tài)分布。

運貨叉車：設置有2輛運貨叉車，負責將分揀臺上合成的訂單運送至指定的訂單暫存處。每輛叉車最多可以運載1個訂單的貨物，最大運行速度為2m/s，載貨時間服從均值為7，標準差為2的正態(tài)分布，卸貨時間服從均值為5，標準差為2的正態(tài)分布。

隊列：設置有6個隊列，分別存儲6種訂單的貨物，無最大存儲容量。

其中，訂單由托盤生成器發(fā)起，到達時間間隔服從(0,6)的指數(shù)分布。訂單詳情見表2。

表2 訂單詳情

3 仿真模型的運行與數(shù)據(jù)收集

將仿真系統(tǒng)中1個單位的仿真時間設置為1s,設置仿真模型運行28800個單位時間，即對物流中心的訂單分揀過程仿真8小時的情況，仿真過程見圖2。

圖2 訂單分揀流程圖

為減少實驗誤差，對該仿真模型重復仿真運行10次，對所得重要指標求取平均值，即可得到該物流中心訂單分揀過程的各項重要指標見表3和表4。

表3 分揀臺的訂單數(shù)及時間利用率

表4 運貨叉車的時間利用率

4 數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化

通過FlexSim軟件建立仿真模型，運行該模型并觀察其仿真過程，結合輸出結果對訂單分揀系統(tǒng)加以分析，我們可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在運行過程中的問題。

由表3可以看出，分揀臺有近40%的時間處于閑置的狀態(tài)，這說明了運貨叉車的效率不足，不能夠滿足分揀臺輸出的需要。由表4可知，運貨叉車的閑置時間占總時間的20%左右，也處于較高的水平，這進一步說明運貨叉車與分揀臺的配合不合理，使得雙方都存在時間的浪費，制約了效率的提升。因此，可以考慮通過增加揀貨車輛數(shù)量來增加揀貨效率，而采用自動化的流水線完成將分揀后的訂單運至對應暫存區(qū)的環(huán)節(jié)，使得整個分揀系統(tǒng)的運作效率得到提高。

在分揀貨物環(huán)節(jié)增加2輛揀貨車輛，即將原來屬于運送訂單的車輛移動至分揀環(huán)節(jié)，在原系統(tǒng)中增加運行速度為2m/s的自動化流水線完成對貨物的運送。

對調整參數(shù)后的仿真模型重新運行10次，對所得重要指標求取平均值，即可得到該物流中心改進后的訂單分揀過程的重要指標見表5。

表5 改進后分揀臺分揀訂單數(shù)及時間利用率

由表5可以看出，改進后分揀臺的閑置時間比例接近為0，這說明改進后的分揀臺的效率得到了極大提升，而該物流系統(tǒng)中的叉車數(shù)量并未增多，控制了物流分揀過程的人力成本。在采取傳送帶后，兩分揀臺由于不需要等待運貨車輛將該訂單的貨物運走，而提高了整體的分揀效率，由之前的317單增長為380單，提升了近20%的效率。這直接體現(xiàn)了自動化設備在物流作業(yè)中的巨大優(yōu)勢，雖然采用全自動傳送帶的使得該物流中心的前期投入較大，但從長遠來看，仍不失為一個經(jīng)濟實用的方案。改進后系統(tǒng)的效率主要由分揀貨物環(huán)節(jié)制約，可以采用堆垛機代替人工叉車使其進一步提升。

5 結論

訂單分揀系統(tǒng)基于客戶訂單實現(xiàn)物品的揀選與組配，是企業(yè)滿足需求變化、提高服務質量、促進物流成本的合理化的重要環(huán)節(jié)，也是物流配送的核心設施。訂單分揀是降低訂單交付時間和運營成本的關鍵流程，在很大程度上影響著整個物流過程的運行效率與運作成本[3]。利用FlexSim等仿真軟件對訂單分揀系統(tǒng)進行仿真建模、運行、分析并優(yōu)化改進，可以進一步提高物流系統(tǒng)的運行效率，降低成本，為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益，給客戶帶來方便與實惠。