基于Petri網與FlexSim模型的自動化立體倉庫仿真優化

張丹丹 王鋼

摘 ?要：為了解決自動化立體倉庫資源配置問題，文章提出了一種基于靜態Petri網模型與動態FlexSim模型結合的優化方案。對企業現有的自動化立體倉庫資源配置情況進行調研，采用層次Petri網建立靜態的模型，根據一定的映射原則建立動態的FlexSim仿真模型，根據仿真結果改進相關配置參數，再次利用FlexSim仿真優化模型，驗證優化模型的可行性，使作業設備壓力減小，利用率大大提高。

關鍵詞：FlexSim;Petri網;資源配置

中圖分類號：TP273;TP391.9 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）21-0066-05

Simulation and Optimization of Automated Warehouse Based on

Petri Net and FlexSim Model

ZHANG Dandan，WANG Gang

（School of Economics and Management，Shandong Huayu University of Technology，Dezhou ?253034，China）

Abstract：In order to solve the problem of automated warehouse resource allocation，the article proposes an optimization scheme based on the combination of static Petri net model and dynamic FlexSim model. We have investigated the resource allocation of the enterprises existing automated warehouse，used hierarchical Petri net to build the static model，and built a dynamic FlexSim simulation model according to certain mapping principle，improved the relevant configuration parameters according to the simulation results，and the FlexSim simulation optimization model is used again to verify the feasibility of the optimization model，so that the pressure on the operating equipment is reduced and the utilization rate is greatly improved.

Keywords：FlexSim;Petri net;resource allocation

0 ?引 ?言

在“工業4.0”“互聯網+”發展的大背景下，我國物流業步入了“智慧物流”的時代，其中，自動化立體倉庫的建設是“智慧物流”的重要組成部分。服務區域經濟發展、研究重點課題、促進產學研、開展現代物流培訓與咨詢等是山東華宇工學院的智慧物流與供應鏈研究中心所承擔的主要任務，也是2020年度山東華宇工學院智慧物流與供應鏈研究中心資助項目的主要研究方向與研究內容[1]。德州某食品企業在自動化立體倉庫建設與優化過程中，資源配置環節存在瓶頸，故委托我校的智慧物流與供應鏈研究中心項目團隊解決相關的資源配置與優化問題。

針對自動化立體倉庫資源配置問題，眾多學者采用了不同方法和思路進行研究。

圖1 ?研究思路

劉曄[2]利用FlexSim軟件對自動化立體倉庫入庫輸送系統進行了建模、仿真研究，分析了系統的阻塞及空閑，并進行了優化設計與仿真驗證。路世昌[3]利用FlexSim軟件對已有方案進行了建模仿真，利用TOPSIS法對仿真結果進行了分析與比對，選出了較優的布局方案，再次利用FlexSim軟件對較優的布局方案進行仿真與優化。倪會娟[4]等人根據自動化立體倉庫系統的出庫流程，建立了閉合Petri網，將其轉化成了PLC梯形圖。劉雨婷[5]等人利用改進的Petri網對某企業的自動化立體倉庫出庫系統進行了建模，并利用eM-Plant對所建模型進行仿真驗證。鄒政宏[6]對配送中心的各項流程進行了Petri網建模，通過Witness仿真平臺進行了仿真驗證。毛金波[7]提出采用有色Petri網對自動化立體倉庫進行建模。

綜合以上文獻以及食品企業自動化立體倉庫建設與優化過程中的遇到的瓶頸，確定了本文的研究思路，如圖1所示。本文先利用層次Petri網模型對自動化立體倉庫整個系統的設備進行了靜態分析，根據一定的映射規則，利用FlexSim軟件進行了動態分析，確定了科學的、合理的自動化立體倉庫運行的資源配置參數。

1 ?企業概況及存在的問題

山東某食品企業主要有A、B、C、D四類成品，四類成品由不同數量、不同種類的半成品1，2，3構成，如表1所示。目前已經建立一個托盤貨架式自動化立體倉庫用于存儲、揀貨及配送。所包含的機械設備主要有托盤、檢驗設備、叉車、打包設備及托盤式貨架等。自動化立體倉庫目前還沒有投入實際使用，存在的參數眾多，參數應該如何設置，資源該如何優化配置，缺乏理論依據。

表1 ?A、B、C、D四類產品構成 ? （單位：個）

2 ?企業自動化立體倉庫層次Petri網模型

本文采用層次Petri網對自動化立體倉庫進行靜態建模，可以避免基本Petri網建模時，庫所及變遷數據龐大造成的難以分析的情況;層次Petri網將某些元素進行不同層次的劃分與建模，一方面保證了基本Petri網的圖形化建模的優點，一方面可以更加清晰的展示多個資源之間不同的邏輯聯系。

2.1 ?層次Petri網模型

在本文中，層次Petri網結構是一個四元結構，由庫所P、變遷T和有向弧F、資源M組成，其中庫所P表示存放資源的場所或者資源的狀態，如自動化立體倉庫，一般用“○”表示;變遷T表示的是事件或者活動，如食品加工事件，一般用“丨”來表示;用有向弧F來連接庫所與變遷，也表示狀態和活動兩者間的關系，一般用“→”表示;而M則表示庫所P中的資源，用“●”表示。

2.2 ?建立自動化立體倉庫層次Petri網模型

根據企業自動化立體倉庫的深入調研，以及對其物流過程的詳細分析，依次建立了頂層、第二層、第三層Petri網模型，如圖2所示。各層Petri網模型中各庫所與各變遷所代表的含義如表2所示。

3 ?企業自動化立體倉庫FlexSim模型

3.1 ?映射規則

層次Petri網模型是一種靜態的建模過程，并沒有辦法實現對自動化立體倉庫的動態分析，因此需要利用FlexSim在已建立的層次Petri網模型的基礎上，根據映射規則建立動態的自動化立體倉庫仿真模型，映射規則為：

（1）在層次Petri網模型中，表示狀態或者場所的庫所對應著FlexSim中的發生器、暫存區、貨架、吸收器等實體。

（2）在層次Petri網模型中，表示事件的變遷則對應著FlexSim中的處理器、分解器等實體進行的加工過程。

（3）在層次Petri網模型中，有向弧與FlexSim中連接方式A相對應，皆表示產品或者信息的流轉方向。

詳細對應關系如表3所示。

3.2 ?建立企業自動化立體倉庫FlexSim模型

根據已建好的靜態層次Petri網模型與映射規則，構建動態的自動化立體倉庫FlexSim仿真模型，如圖3所示。

3.3 ?相關參數設定

自動化立體倉庫FlexSim仿真模型參數設計如下所述。操作員設置為6名，每兩名為一個班次，工作時間為8 h;檢驗設備1、2、3對半成品1、2、3進行檢驗，檢驗時間為30 s、20 s、10 s;打包設備將托盤與半成品進行打包，在半成品貨源充足的情況下，處理時間為3 min。

4 ?仿真結果分析與參數優化

4.1 ?仿真結果分析

根據以上參數，運行FlexSim仿真模型得到實時仿真結果。對仿真結果的分析為：

（1）暫存區產品容量情況仿真結果分析。如圖4（a）所示，部分暫存區出現產品堆積。針對此仿真現象，分析其產生原因為：暫存區1產品出現堆積現象，主要是由于檢驗設備1檢驗速度較慢，同時與產品1檢驗性質相關，暫存區2與暫存區4產品出現堆積現象主要是由于產品構成比例與打包設備較少相關。

（2）檢驗設備與打包設備使用情況仿真結果分析。如圖4（b）所示，打包設備使用狀態多處于等待狀態。針對此仿真現象，分析其產生原因為：產品構成比例不合理，部分半成品一直處于檢驗較慢，半成品短缺狀態，使得打包設備多處于等待狀態。

（3）叉車運行情況仿真結果分析。如圖4（c）所示，叉車運行狀態較空閑，與仿真模型前端堆積、擁堵現象形成鮮明對比，針對此仿真現象，分析其產生原因為：打包設備較少，使得整個產品流水線在此造成了擁堵。

本文對操作人員、貨架容量等情況進行了分析，得知可以忽略兩者對自動化立體倉庫的影響，在此不再贅述。通過對暫存區、檢驗設備、打包設備、叉車的運行情況的仿真結果進行了分析，暫存區的面積與容量、打包設備數量成為整個系統的瓶頸，故得出了需要改進的措施：

（1）擴大暫存區1、暫存區2、暫存區4的暫存面積與暫存容量。

（2）增加打包設備。

（3）優化產品構成比例。

4.2 ?仿真模型參數優化與分析

4.2.1 ?參數優化

擴大暫存區1、暫存區2、暫存區4的暫存面積與暫存容量;打包設備數量增加為2，從布局角度，增加托盤存放區，便于打包設備對產品與托盤進行打包;優化后，動態的自動化立體倉庫FlexSim仿真模型如圖5所示。

4.2.2 ?優化結果分析

參數優化后，運行優化后的FlexSim仿真模型得到實時仿真結果。對仿真結果分析為：

（1）暫存區產品容量情況仿真結果分析。如圖6（a）所示，由于增加了對產品1的檢驗設備，緩解了暫存區1產品堆積現象;由于增加打包設備及托盤存放區，緩解了暫存區2與暫存區4產品堆積現象，該模型得到了優化。

（2）檢驗設備與打包設備使用情況仿真結果分析。如圖6（b）所示，增加打包設備2后，各個檢驗設備與打包設備皆處于較優的運行狀態。

（3）叉車運行情況仿真結果分析。如圖6（c）所示，增加打包設備2后，叉車1與叉車2的任務量也有一定增加，使得叉車處于較合理的運行狀態中。

綜上，通過對仿真模型參數進行了調整以及增加了相關設備，仿真運行結果得到了優化。除此之外，若對現有產品進行升級，調整現有產品構成比例，降低產品2的比例，增加產品1與產品3所占比例，或者增加一類新產品，新產品包含半成品1與半成品2，則會使得整個系統更加優化。

5 ?結 ?論

本文運用Petri網層次模型對整個自動化立體倉庫進行了靜態建模，并將靜態模型按照一定的邏輯關系與對應原則構建了基于FlexSim的動態模型，根據動態模型仿真運行結果，得到了整個自動化立體倉庫系統的運行瓶頸，針對這一瓶頸，對參數進行了修改與優化，改進后，產品產出率大大提高，整個生產運輸線路也不再存在擁堵現象，各個環節的匹配程度得到了明顯提升，除此之外，還對產品構成提出了有效建議。

參考文獻：

[1] 徐慧卿，王鋼.智慧物流與供應鏈虛擬仿真實驗平臺建設研究 [J].現代信息科技，2020，4（12）：76-77+80.

[2] 劉曄，張一玨.自動化立體倉庫入庫輸送系統的物流仿真優化 [J].物流工程與管理，2020，42（7）：91-93+100.

[3] 路世昌，王亞偉.A企業自動化立體倉庫布局仿真與優化研究——基于FlexSim和TOPSIS [J].制造業自動化，2020，42（7）：10-14.

[4] 倪會娟，羅繼亮.采用普通Petri網的自動化立體倉庫系統的PLC程序設計 [J].華僑大學學報（自然科學版），2014，35（2）：146-150.

[5] 劉雨婷，王曉東，吳建德，等.基于改進Petri網的自動化立體倉庫出庫系統建模 [J].中南大學學報（自然科學版），2013，44（S1）：362-366.

[6] 鄒政宏.基于Petri網的區域配送中心收揀貨作業優化研究 [D].南京：南京農業大學，2017.

[7] 毛金波.基于有色Petri網的自動化立體倉庫的建模研究 [D].西安：西安科技大學，2012.

作者簡介：張丹丹（1990.09—），女，漢族，山東德州人，教師，碩士研究生，研究方向：智慧物流、物流信息技術;王鋼（1982.02—），男，漢族，山東德州人，教師，副教授，工程師，碩士研究生，研究方向：智慧物流、現代物流。