Flexsim堆垛機模塊優化研究

文/李 霞 胡林艷 羅曼琳

隨著物流行業高速發展，智能化和高效化的自動化立體倉庫已成為現代物流不可或缺的重要環節，其作業能力影響著整個物流系統的效率。作為自動化立體倉庫的關鍵設備，堆垛機的效率在一定程度上直接決定了立體庫的出入庫能力。

為了評估關鍵設備及整體物流系統能力，越來越多的項目方案會通過仿真軟件來進行方案驗證。Flexsim是物流仿真市場上應用最為廣泛的一款離散事件系統仿真軟件，它集計算機三維圖像處理技術、仿真技術、人工智能技術和數據處理技術于一體，能為用戶提供原始數據擬合、輸入建模、圖形化模型構建、虛擬現實顯示、仿真結果優化和三維動畫影像文件生成等功能。另外，Flexsim允許在相應的.NET環境中修改模型代碼，增強了Flexsim本身的二次開發能力。

然而，對于Flexsim堆垛機模塊仿真結果的真實性、準確性還有待驗證，本文就Flexsim堆垛機模塊存在的問題加以分析和研究，通過二次開發的方式對堆垛機進行優化，以得到更真實可靠的仿真數據。

一、以某自動化物流系統為背景開展研究（設計前提）

某自動化物流系統項目已投產使用3年，整個物流系統處于平穩運行狀態；本次研究的對象為堆垛機，因此選取一個巷道進行仿真建模研究，如圖1。在項目運行過程中，對堆垛機效率起到至關重要作用的是堆垛機設備設計參數和貨架庫容設計，根據堆垛機技術協議并結合項場實際情況，堆垛機參數如表1；按照項目需求，單排貨架設計總高18.75米，長56.905米，總計741個貨位。

圖1 現場布局圖

圖1 堆垛機日志和整理后每個任務的時間

表1 現場堆垛機參數表

本項目堆垛作業流程較為簡單，一是入庫作業：堆垛機在入庫輸送機取貨，行至指定貨位放貨；二是出庫作業：堆垛機在指定貨位取貨，行至出庫輸送站臺放貨。為了仿真與現場進行對比，從而判斷現有堆垛機模型是否滿足，本次研究收集了為期15天的現場堆垛機運行日志，作為仿真與現場對比的依據，堆垛機日志如圖2；通過對堆垛機日志分析，剔除無效數據后整理得到每個作業任務的時間，如圖2。

表2 優化前仿真結果分析與現場 數據對比

表3 優化前后仿真結果與現場數據對比

二、仿真建模

基于某自動化物流系統項目特點，運用Flexsim進行建模。通過堆垛機仿真運行時間與現場時間對比，分析仿真堆垛機模型問題所在。

1.模型參數設置和整體布局

根據本次研究選定的項目仿真內容，仿真模型只需1個發生器、1個吸收器、2臺輸送機、2排貨架和1臺堆垛機。關鍵設備貨架、堆垛機參數嚴格按照圖1和表1設定；整體布局，根據項目圖紙進行1：1建模，如圖3。

2.仿真關鍵邏輯設置

此項關鍵技術難點是實現仿真與現場作業任務的匹配，以及堆垛機作業任務時間的采集對比。本模型運用到了“全局表”，將上述圖2的數據再進行細化形成Excel表導入到仿真模型“全局表”，使發生器產生的貨物添加標簽，并賦上“全局表”中的標簽值，然后根據標簽值判斷貨物是入庫，還是出庫，進而實現仿真與現場作業任務的匹配。全局表，如圖4。

堆垛機作業任務時間的采集，同樣運用到“全局表”圖4，當堆垛機接收到任務時，記錄時間1，堆垛機運行并裝載到卸載貨物后，再次記錄時間2，將時間2減去時間1，便是堆垛機作業此次任務的時間，然后將該時間寫入到“全局表”，便可直觀的進行對比分析。

3.堆垛機作業結果對比分析

仿真模型設置完成后，多次運行模型，輸出仿真數據并與現場數據做對比。通過對比分析，堆垛機的仿真運行時間與現場數據存在一定差距，其偏差約為9.4%。具體如表2。

研究小組就這一偏差，對仿真堆垛機和現場堆垛機進行了深入研究，分析得出產生較大偏差的原因：

圖3 仿真建模和堆垛機參數設置

圖4 全局表

圖5 優化后的堆垛機模型和參數添加

圖6 部分代碼

仿真現有堆垛機模型垂直方向和伸縮叉運行，缺少加、減速度設置。

現場堆垛機伸縮叉運行有空載和實載速度之分，仿真堆垛機僅為一個參數設定值。

堆垛機放貨完成后，貨叉未回到原位，模型堆垛機就結束任務時間的記錄。

缺乏微升微降的動作。

三、堆垛機模型優化

1.優化目標

綜合分析，原有堆垛機模型參數設置、動作與現場堆垛機存在差異，若實現與現場一致的功能，根據Flexsim仿真軟件特點，需進行二次開發優化。

2.優化過程

圍繞現有堆垛機升降、伸縮叉無加減速度，以及缺少微升微降動作等展開二次開發工作。在Flexsim軟件對設備進行二次開發，需要運用到軟件自帶供客戶自定義開發的模型BasicTE。首先需對BasicTE外觀及部件進行處理，即三維模型的導入設置，本次將堆垛機三維模型進行了重新建模，使其與現實更接近；其次再添加設備參數變量，方便后續堆垛機參數變動的更改，本次研究以標簽的形式添加，如圖5。之后，編寫Flexsim腳本語言再結軟件特有的運動學實現堆垛機作業動作，經過多次調試修改優化，最終實現仿真堆垛機動作、運行參數與現場一致。

通過代碼、標簽等實現堆垛機動作后，接下來是對堆垛機作業時間進行記錄。結合實際需求把堆垛機的運行狀態分為空閑、空載、滿載等六種。堆垛機模型中不同的運動狀態通過發送消息的方式記錄堆垛機的狀態，并統計此狀態的時間。經過多次調試修改優化，最終實現作業任務時間的完整記錄。部分代碼，如圖6。

3.優化結果

優化后的堆垛機模型，彌補了原有模型的不足。設置優化后的堆垛機設備參數，再多次運行仿真模型，輸出仿真數據。經過對比分析，優化后的堆垛機與現場堆垛機的偏差為2.0%，與優化前堆垛機的偏差率相比降低了7.4%，基本實現了優化目標。如表3。

四、總結

本文以優化Flexsim堆垛機模塊為研究目標，重新建模和編寫邏輯代碼來實現Flexsim軟件堆垛機模塊的二次開發，實現了其XYZ三個方向的速度和加速度參數均可自定義，以及對仿真模型動作、外觀進行了優化。通過對比優化前后的仿真數據與現場數據的差值，得到優化后的堆垛機模型與現場數據更為接近，結果達到預期目標。實現Flexsim堆垛機模塊的優化，為保證仿真中堆垛機的可靠性、實用性和真實性起到了關鍵作用。同時，為后續Flexsim軟件其他模塊的二次開發提供了重要參考價值。