陳 碩，林立霖

（福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

基于Flexsim的自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)貨架貨位分配策略的研究

陳 碩，林立霖

（福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)商品質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量的要求越來越高，為了迅速和完善地把商品送到用戶手中，必須有一個(gè)設(shè)備先進(jìn)，功能齊全的物流配送中心[1]。自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)是現(xiàn)代物流配送中心的核心組成部分，在現(xiàn)代化企業(yè)中發(fā)揮了巨大的作用，如汽車、家用電器、電子計(jì)算機(jī)等眾多制造業(yè)都廣泛采用自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)。

自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)AS/RS(Automatic Storage/Retrieval System)由高層立體貨架、巷道堆垛機(jī)、控制計(jì)算機(jī)等組成[2]。計(jì)算機(jī)控制巷道堆垛機(jī)對(duì)高層立體貨架進(jìn)行存儲(chǔ)操作，影響貨物存取效率的主要是巷道堆垛機(jī)的性能和貨架貨位分配策略。在不對(duì)巷道堆垛機(jī)性能升級(jí)的情況下，制定合適的貨架貨位分配策略能有效且經(jīng)濟(jì)地提升貨物存取效率[3]。本文以某企業(yè)的自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了Flexsim環(huán)境下的仿真模型，在此基礎(chǔ)上提出兩種貨架貨位分配策略并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)仿真得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，確定各策略的適用情況。

1 Flexsim仿真系統(tǒng)簡介

Flexsim是一套面向制造、物流等領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)、制作與分析工具軟件[4]。它采用面向?qū)ο缶幊毯蚈penGL技術(shù)，提供三維圖形化建模環(huán)境，可以直接建立三維仿真模型，支持離散系統(tǒng)和連續(xù)流體系統(tǒng)建模。Flexsim提供了發(fā)生器、吸收器、輸送機(jī)、堆垛機(jī)等多種物理單元，方便建立起系統(tǒng)的物理模型。使用Flexsim建模，可以模擬和觀察實(shí)際生產(chǎn)中的各種狀況，便于測(cè)試多種策略的運(yùn)行過程，并對(duì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析比較，得到優(yōu)化方案。

2 自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)單貨架貨位分配策略仿真的實(shí)現(xiàn)

2.1 仿真模型的建立

經(jīng)過對(duì)某企業(yè)的自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)調(diào)研，獲得其基本參數(shù)如下：

該自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)為直線導(dǎo)軌、兩端出入庫倉庫[5]，出/入庫工作臺(tái)分開；

貨架：56列，9行，共504個(gè)貨位，貨位尺寸：深720mm，寬650mm，高1000mm，每個(gè)貨位容量1；

貨箱：長720mm，寬450mm，高720mm；

堆垛機(jī)：水平速度180m/min，垂直速度30m/min，伸叉速度45m/min，水平運(yùn)行加速度0.4m/s2[6]，容量1，作業(yè)方式為單元出入庫，空閑停靠方式為原地?？俊?/p>

該系統(tǒng)存儲(chǔ)物品為同一種類產(chǎn)品，且嚴(yán)格按照先進(jìn)先出規(guī)則出入庫。

根據(jù)以上信息建立仿真模型如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)的仿真模型

2.2 堆垛機(jī)運(yùn)行模式

貨架貨位分配策略取決于堆垛機(jī)的運(yùn)行模式。常見的堆垛機(jī)運(yùn)行模式有兩種：單指令周期（SC），雙指令周期（DC）[7]。單指令周期模式指堆垛機(jī)在一個(gè)作業(yè)周期內(nèi)只完成一個(gè)單獨(dú)的入庫指令或出庫指令。雙指令周期模式指堆垛機(jī)在一個(gè)作業(yè)周期內(nèi)完成一個(gè)入庫指令和一個(gè)出庫指令。兩種運(yùn)行模式下堆垛機(jī)在兩端出入庫倉庫中作業(yè)過程如圖2所示。

圖2 堆垛機(jī)作業(yè)過程示意圖

1）單指令周期作業(yè)時(shí)間分析

堆垛機(jī)采用SC模式完成n件貨物存取，即先連續(xù)完成n個(gè)入（出）庫指令，再連續(xù)完成n個(gè)出（入）庫指令，所需的時(shí)間為：

其中：

Tif為堆垛機(jī)從入口到貨位i所需的時(shí)間；

Tir為堆垛機(jī)從貨位i到出口所需的時(shí)間；

Tn1為堆垛機(jī)從貨位n到貨位1所需的時(shí)間；

Td為堆垛機(jī)完成一次裝載/卸載所需的時(shí)間，為固定值。

2）雙指令周期作業(yè)時(shí)間分析

堆垛機(jī)采用DC模式完成n件貨物存取所需的時(shí)間為：

其中：

為堆垛機(jī)從入口到第一個(gè)作業(yè)貨位所需的時(shí)間；

為堆垛機(jī)從第一個(gè)作業(yè)貨位到第二個(gè)作業(yè)貨位所需的時(shí)間；

為堆垛機(jī)從第二個(gè)作業(yè)貨位到出口所需的時(shí)間；

為堆垛機(jī)從出口到入口所需的時(shí)間。

DC模式比SC模式更加適用于單側(cè)出入庫倉庫[8]。對(duì)于直線導(dǎo)軌、兩端出入庫倉庫，從式（3）可以看出，DC模式在某些情況下有較短的行程和運(yùn)行時(shí)間，但當(dāng)任務(wù)數(shù)量增加、存取貨隊(duì)列不平衡等情況出現(xiàn)時(shí)，Ti1i2迅速增大，系統(tǒng)運(yùn)行效率大幅降低，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。相比之下SC模式在運(yùn)行過程中有很高的穩(wěn)定性和靈活性，更適用于兩端出入庫倉庫。故選擇單指令周期（SC）為堆垛機(jī)運(yùn)行模式。

2.3 貨架貨位分配策略

首先獲得各個(gè)貨位的Tif和Tir。堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)垂直方向和水平方向同時(shí)運(yùn)動(dòng)，垂直方向運(yùn)行距離較短，可以假設(shè)為勻速運(yùn)動(dòng)，而水平方向運(yùn)行距離很長，若假設(shè)勻速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)行時(shí)間估算，則可能會(huì)與真實(shí)情況有較大偏差，須充分考慮堆垛機(jī)啟動(dòng)加速和制動(dòng)減速過程。用Flexsim建模時(shí)，可以方便地設(shè)置堆垛機(jī)的加速度、減速度，能較準(zhǔn)確地求得堆垛機(jī)從入（出）口運(yùn)行至各個(gè)貨位所需的時(shí)間。設(shè)置貨架“放置到列”為“第一個(gè)可用列”，“放置到行”為“第一個(gè)可用行”。設(shè)置堆垛機(jī)“觸發(fā)器”中“裝載觸發(fā)”為“向全局表中添加行和數(shù)據(jù)”，“卸載觸發(fā)”為“向全局表中添加行和數(shù)據(jù)”。運(yùn)行模型，在全局表中分別得到堆垛機(jī)裝載時(shí)刻Til和卸載時(shí)刻Tiu。Tiu-Til即堆垛機(jī)從入口運(yùn)行到到貨位i并完成卸載所需的時(shí)間Tif+Td，定義為入位時(shí)間。將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使入位時(shí)間與各個(gè)貨位相對(duì)應(yīng)。

表1 各個(gè)貨位對(duì)應(yīng)的入位時(shí)間

為堆垛機(jī)從入口運(yùn)行到貨位i所在列x所需的時(shí)間；

為堆積機(jī)從入口運(yùn)行到貨位i所在行y所需的時(shí)間。

其中：

為貨位所在的行號(hào)；

t為堆垛機(jī)運(yùn)行一行的高度所需的時(shí)間。

從表1中的第一列可以看出，當(dāng)y＞2時(shí)，入位

從而得到各個(gè)貨位的Tif，如表4所示。

顯然可知：

其中：x為貨位i的行號(hào)；

y為貨位i的列號(hào)。

該自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)所存儲(chǔ)的是同一種類產(chǎn)品，不需要考慮貨物出入庫頻率和分區(qū)存儲(chǔ)等問題。在此基礎(chǔ)上提出取貨時(shí)間最短貨位優(yōu)先分配策略和總時(shí)間最短貨位優(yōu)先分配策略，仿真兩種策略在不同單批次存取貨物數(shù)量時(shí)的運(yùn)行參數(shù)。

表2 各行對(duì)應(yīng)的

表2 各行對(duì)應(yīng)的

行號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 T （s）0 2 4 6 8 10 12 14 16 ify

表3 各列對(duì)應(yīng)的

表3 各列對(duì)應(yīng)的

列號(hào) 1 2 3 …… 25 26 27 …… 54 55 56 T （s）2.4 3.5 4.3 …… 12.7 13 13.2 …… 19.2 19.4 19.6 ifx

表4 各個(gè)貨位對(duì)應(yīng)的

表4 各個(gè)貨位對(duì)應(yīng)的

列號(hào)Tif (s)1 2 3 4 5 6 7 8 …… 56行號(hào)1 2.4 3.5 4.3 5 5.6 6.2 6.7 7.2 …… 19.6 2 2.4 3.5 4.3 5 5.6 6.2 6.7 7.2 …… 19.6 3 4 4 4.3 5 5.6 6.2 6.7 7.2 …… 19.6 4 6 6 6 6 6 6.2 6.7 7.2 …… 19.6…… ……9 16 16 16 16 16 16 16 16 …… 19.6

1）取貨優(yōu)先分配策略

自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)按作用可分為生產(chǎn)性倉庫和流通性倉庫[9]，其中生產(chǎn)性倉庫主要服務(wù)于自動(dòng)化生產(chǎn)線。為了保證自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行節(jié)奏穩(wěn)定的連續(xù)生產(chǎn)，自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)需要側(cè)重供貨的實(shí)時(shí)性。因此提出取貨優(yōu)先分配策略（RPS：Retrieve Priority Strategy），該策略優(yōu)先分配取貨時(shí)間最短的可用貨位。將各個(gè)貨位對(duì)應(yīng)的行號(hào)列號(hào)按Tir從小到大排列后導(dǎo)入全局表。貨位讀取邏輯如圖3所示。

圖3 貨位讀取邏輯流程圖

仿真運(yùn)行的貨架貨位分配順序如圖4所示。其中，數(shù)字代表其所在區(qū)域貨位分配的優(yōu)先等級(jí)，按1～4的順序分配。當(dāng)較高優(yōu)先等級(jí)區(qū)域的貨位分配完后才分配下一優(yōu)先等級(jí)區(qū)域的貨位。

圖4 取貨優(yōu)先分配策略分配順序示意圖

仿真運(yùn)行結(jié)果如表5所示。

表5 取貨優(yōu)先分配策略仿真運(yùn)行結(jié)果

從表5可以看出，隨著單批次存取貨物數(shù)量增加，系統(tǒng)需要分配更多效率較低的貨位，導(dǎo)致每件貨物平均用時(shí)增大。

2）總時(shí)間優(yōu)先分配策略

流通性倉儲(chǔ)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)是進(jìn)出貨物頻繁、吞吐量大，需要關(guān)注自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)存取貨物過程的總體平衡優(yōu)化。因此提出總時(shí)間優(yōu)先分配策略（TTPS：Total Time Priority Strategy），該策略優(yōu)先分配存取貨總時(shí)間最短的可用貨位。將各個(gè)貨位對(duì)應(yīng)的行號(hào)列號(hào)按 從小到大的順序排列后導(dǎo)入全局表。貨位讀取邏輯同上。仿真運(yùn)行的貨架貨位分配順序如圖5所示，圖中的區(qū)域及數(shù)字代表的意義與圖4相同。

圖5 總時(shí)間優(yōu)先分配策略分配順序示意圖

仿真運(yùn)行結(jié)果如表6所示，每件貨物平均用時(shí)增大的原因同上。

表6 總時(shí)間優(yōu)先分配策略分配仿真運(yùn)行結(jié)果

2.4 仿真結(jié)果對(duì)比與分析

選擇常用的隨機(jī)貨位分配策略作為比較對(duì)象。設(shè)置貨架“放置到列”為“隨機(jī)放置到可用列”，“放置到行”為“隨機(jī)放置到可用行”。仿真運(yùn)行結(jié)果如表7所示。

表7 隨機(jī)分配仿真運(yùn)行結(jié)果

從表7可以看出，由于系統(tǒng)隨機(jī)分配貨位，每件貨物平均用時(shí)不受單批次存取貨物數(shù)量的影響，呈現(xiàn)無規(guī)則波動(dòng)。

仿真運(yùn)行結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 仿真運(yùn)行結(jié)果對(duì)比

分析對(duì)比結(jié)果可知：

1）取貨優(yōu)先分配策略使取貨過程的效率大幅提升，并使總效率有所改善，適合對(duì)供貨實(shí)時(shí)性有較高要求的生產(chǎn)性倉庫，保證自動(dòng)化生產(chǎn)線的原材料供應(yīng)；

2）總時(shí)間優(yōu)先分配策略使存貨過程和取貨過程的效率均穩(wěn)定提升，適合進(jìn)出貨物頻繁、吞吐量大的流通性倉庫；

3）隨著單批次存取貨物數(shù)量的增加，兩種策略的貨位分配與隨機(jī)貨位分配策略的重合度增加，導(dǎo)致效率提升幅度下降。實(shí)際使用中極少出現(xiàn)單批次存取貨物數(shù)量大于300的情況。

3 結(jié)論

本文以直線導(dǎo)軌、兩端出入庫倉庫為研究對(duì)象，分析了采用單指令周期模式和雙指令周期模式時(shí)堆垛機(jī)的作業(yè)過程，確定了單指令周期模式適用于直線導(dǎo)軌、兩端出入庫倉庫，并在此基礎(chǔ)上提出了適用于生產(chǎn)性倉庫的取貨優(yōu)先分配策略和適用于流通性倉庫的總時(shí)間優(yōu)先分配策略。利用Flexsim對(duì)自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，取貨優(yōu)先分配策略相較于隨機(jī)貨位分配策略取貨過程的效率大幅提升，而總時(shí)間優(yōu)先分配策略相較于隨機(jī)貨位分配策略存貨過程和取貨過程的效率均穩(wěn)定提升，對(duì)自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

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Study on shelf location assignment strategies of AS/RS based on Flexsim

CHEN Shuo, LIN Li-lin

以直線導(dǎo)軌、兩端出入庫倉庫為研究對(duì)象，分析了采用不同堆垛機(jī)運(yùn)行模式時(shí)堆垛機(jī)的作業(yè)過程，確定了適用于該型倉庫的堆垛機(jī)運(yùn)行模式，在此基礎(chǔ)上針對(duì)自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)的不同業(yè)務(wù)需求提出了兩種貨架貨位分配策略。利用Flexsim進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，在不對(duì)自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)施升級(jí)的情況下，采取合適的貨架貨位分配策略能有效提高自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)的作業(yè)效率，為設(shè)計(jì)提供了參考。

自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)；兩端出入庫倉庫；貨架貨位分配策略；Flexsim

陳碩（1964 -），男，福建人，教授，博士，研究方向?yàn)榻涣髡{(diào)速控制和機(jī)電一體化技術(shù)。

TP202.7

A

1009-0134(2014)06(上)-0006-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).02

2014-03-20