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(tài)Petri網(wǎng)模型與動態(tài)FlexSim模型結(jié)合的優(yōu)化方案。對企業(yè)現(xiàn)有的自動化立體倉庫資源配置情況進(jìn)行調(diào)研，采用層次Petri網(wǎng)建立靜態(tài)的模型，根據(jù)一定的映射原則建立動態(tài)的FlexSim仿真模型，根據(jù)仿真結(jié)果改進(jìn)相關(guān)配置參數(shù)，再次利用FlexSim仿真優(yōu)化模型，驗(yàn)證優(yōu)化模型的可行性，使作業(yè)設(shè)備壓力減小，利用率大大提高。

關(guān)鍵詞：FlexSim;Petri網(wǎng);資源配置

中圖分類號：TP273;TP391.9 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(yè)4.0”“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展的大背景下，我國物流業(yè)步入了“智慧物流”的時代，其中，自動化立體倉庫的建設(shè)是“智慧物流”的重要組成部分。服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、研究重點(diǎn)課題、促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研、開展現(xiàn)代物流培訓(xùn)與咨詢等是山東華宇工學(xué)院的智慧物流與供應(yīng)鏈研究中心所承擔(dān)的主要任務(wù)，也是2020年度山東華宇工學(xué)院智慧物流與供應(yīng)鏈研究中心資助項(xiàng)目的主要研究方向與研究內(nèi)容[1]。德州某食品企業(yè)在自動化立體倉庫建設(shè)與優(yōu)化過程中，資源配置環(huán)節(jié)存在瓶頸，故委托我校的智慧物流與供應(yīng)鏈研究中心項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)解決相關(guān)的資源配置與優(yōu)化問題。

針對自動化立體倉庫資源配置問題，眾多學(xué)者采用了不同方法和思路進(jìn)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(tǒng)進(jìn)行了建模、仿真研究，分析了系統(tǒng)的阻塞及空閑，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計與仿真驗(yàn)證。路世昌[3]利用FlexSim軟件對已有方案進(jìn)行了建模仿真，利用TOPSIS法對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析與比對，選出了較優(yōu)的布局方案，再次利用FlexSim軟件對較優(yōu)的布局方案進(jìn)行仿真與優(yōu)化。倪會娟[4]等人根據(jù)自動化立體倉庫系統(tǒng)的出庫流程，建立了閉合Petri網(wǎng)，將其轉(zhuǎn)化成了PLC梯形圖。劉雨婷[5]等人利用改進(jìn)的Petri網(wǎng)對某企業(yè)的自動化立體倉庫出庫系統(tǒng)進(jìn)行了建模，并利用eM-Plant對所建模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。鄒政宏[6]對配送中心的各項(xiàng)流程進(jìn)行了Petri網(wǎng)建模，通過Witness仿真平臺進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。毛金波[7]提出采用有色Petri網(wǎng)對自動化立體倉庫進(jìn)行建模。

綜合以上文獻(xiàn)以及食品企業(yè)自動化立體倉庫建設(shè)與優(yōu)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(wǎng)模型對自動化立體倉庫整個系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行了靜態(tài)分析，根據(jù)一定的映射規(guī)則，利用FlexSim軟件進(jìn)行了動態(tài)分析，確定了科學(xué)的、合理的自動化立體倉庫運(yùn)行的資源配置參數(shù)。

1 ?企業(yè)概況及存在的問題

山東某食品企業(yè)主要有A、B、C、D四類成品，四類成品由不同數(shù)量、不同種類的半成品1，2，3構(gòu)成，如表1所示。目前已經(jīng)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(jī)械設(shè)備主要有托盤、檢驗(yàn)設(shè)備、叉車、打包設(shè)備及托盤式貨架等。自動化立體倉庫目前還沒有投入實(shí)際使用，存在的參數(shù)眾多，參數(shù)應(yīng)該如何設(shè)置，資源該如何優(yōu)化配置，缺乏理論依據(jù)。

表1 ?A、B、C、D四類產(chǎn)品構(gòu)成 ? （單位：個）

2 ?企業(yè)自動化立體倉庫層次Petri網(wǎng)模型

本文采用層次Petri網(wǎng)對自動化立體倉庫進(jìn)行靜態(tài)建模，可以避免基本Petri網(wǎng)建模時，庫所及變遷數(shù)據(jù)龐大造成的難以分析的情況;層次Petri網(wǎng)將某些元素進(jìn)行不同層次的劃分與建模，一方面保證了基本Petri網(wǎng)的圖形化建模的優(yōu)點(diǎn)，一方面可以更加清晰的展示多個資源之間不同的邏輯聯(lián)系。

2.1 ?層次Petri網(wǎng)模型

在本文中，層次Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)是一個四元結(jié)構(gòu)，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(tài)，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(tài)和活動兩者間的關(guān)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(wǎng)模型

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

3 ?企業(yè)自動化立體倉庫FlexSim模型

3.1 ?映射規(guī)則

層次Petri網(wǎng)模型是一種靜態(tài)的建模過程，并沒有辦法實(shí)現(xiàn)對自動化立體倉庫的動態(tài)分析，因此需要利用FlexSim在已建立的層次Petri網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)映射規(guī)則建立動態(tài)的自動化立體倉庫仿真模型，映射規(guī)則為：

（1）在層次Petri網(wǎng)模型中，表示狀態(tài)或者場所的庫所對應(yīng)著FlexSim中的發(fā)生器、暫存區(qū)、貨架、吸收器等實(shí)體。

（2）在層次Petri網(wǎng)模型中，表示事件的變遷則對應(yīng)著FlexSim中的處理器、分解器等實(shí)體進(jìn)行的加工過程。

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

詳細(xì)對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

3.2 ?建立企業(yè)自動化立體倉庫FlexSim模型

根據(jù)已建好的靜態(tài)層次Petri網(wǎng)模型與映射規(guī)則，構(gòu)建動態(tài)的自動化立體倉庫FlexSim仿真模型，如圖3所示。

3.3 ?相關(guān)參數(shù)設(shè)定

自動化立體倉庫FlexSim仿真模型參數(shù)設(shè)計如下所述。操作員設(shè)置為6名，每兩名為一個班次，工作時間為8 h;檢驗(yàn)設(shè)備1、2、3對半成品1、2、3進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)時間為30 s、20 s、10 s;打包設(shè)備將托盤與半成品進(jìn)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(jié)果分析與參數(shù)優(yōu)化

4.1 ?仿真結(jié)果分析

根據(jù)以上參數(shù)，運(yùn)行FlexSim仿真模型得到實(shí)時仿真結(jié)果。對仿真結(jié)果的分析為：

（1）暫存區(qū)產(chǎn)品容量情況仿真結(jié)果分析。如圖4（a）所示，部分暫存區(qū)出現(xiàn)產(chǎn)品堆積。針對此仿真現(xiàn)象，分析其產(chǎn)生原因?yàn)椋簳捍鎱^(qū)1產(chǎn)品出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，主要是由于檢驗(yàn)設(shè)備1檢驗(yàn)速度較慢，同時與產(chǎn)品1檢驗(yàn)性質(zhì)相關(guān)，暫存區(qū)2與暫存區(qū)4產(chǎn)品出現(xiàn)堆積現(xiàn)象主要是由于產(chǎn)品構(gòu)成比例與打包設(shè)備較少相關(guān)。

（2）檢驗(yàn)設(shè)備與打包設(shè)備使用情況仿真結(jié)果分析。如圖4（b）所示，打包設(shè)備使用狀態(tài)多處于等待狀態(tài)。針對此仿真現(xiàn)象，分析其產(chǎn)生原因?yàn)椋寒a(chǎn)品構(gòu)成比例不合理，部分半成品一直處于檢驗(yàn)較慢，半成品短缺狀態(tài)，使得打包設(shè)備多處于等待狀態(tài)。

（3）叉車運(yùn)行情況仿真結(jié)果分析。如圖4（c）所示，叉車運(yùn)行狀態(tài)較空閑，與仿真模型前端堆積、擁堵現(xiàn)象形成鮮明對比，針對此仿真現(xiàn)象，分析其產(chǎn)生原因?yàn)椋捍虬O(shè)備較少，使得整個產(chǎn)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(jìn)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(qū)、檢驗(yàn)設(shè)備、打包設(shè)備、叉車的運(yùn)行情況的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，暫存區(qū)的面積與容量、打包設(shè)備數(shù)量成為整個系統(tǒng)的瓶頸，故得出了需要改進(jìn)的措施：

（1）擴(kuò)大暫存區(qū)1、暫存區(qū)2、暫存區(qū)4的暫存面積與暫存容量。

（2）增加打包設(shè)備。

（3）優(yōu)化產(chǎn)品構(gòu)成比例。

4.2 ?仿真模型參數(shù)優(yōu)化與分析

4.2.1 ?參數(shù)優(yōu)化

擴(kuò)大暫存區(qū)1、暫存區(qū)2、暫存區(qū)4的暫存面積與暫存容量;打包設(shè)備數(shù)量增加為2，從布局角度，增加托盤存放區(qū)，便于打包設(shè)備對產(chǎn)品與托盤進(jìn)行打包;優(yōu)化后，動態(tài)的自動化立體倉庫FlexSim仿真模型如圖5所示。

4.2.2 ?優(yōu)化結(jié)果分析

參數(shù)優(yōu)化后，運(yùn)行優(yōu)化后的FlexSim仿真模型得到實(shí)時仿真結(jié)果。對仿真結(jié)果分析為：

（1）暫存區(qū)產(chǎn)品容量情況仿真結(jié)果分析。如圖6（a）所示，由于增加了對產(chǎn)品1的檢驗(yàn)設(shè)備，緩解了暫存區(qū)1產(chǎn)品堆積現(xiàn)象;由于增加打包設(shè)備及托盤存放區(qū)，緩解了暫存區(qū)2與暫存區(qū)4產(chǎn)品堆積現(xiàn)象，該模型得到了優(yōu)化。

（2）檢驗(yàn)設(shè)備與打包設(shè)備使用情況仿真結(jié)果分析。如圖6（b）所示，增加打包設(shè)備2后，各個檢驗(yàn)設(shè)備與打包設(shè)備皆處于較優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）叉車運(yùn)行情況仿真結(jié)果分析。如圖6（c）所示，增加打包設(shè)備2后，叉車1與叉車2的任務(wù)量也有一定增加，使得叉車處于較合理的運(yùn)行狀態(tài)中。

綜上，通過對仿真模型參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整以及增加了相關(guān)設(shè)備，仿真運(yùn)行結(jié)果得到了優(yōu)化。除此之外，若對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行升級，調(diào)整現(xiàn)有產(chǎn)品構(gòu)成比例，降低產(chǎn)品2的比例，增加產(chǎn)品1與產(chǎn)品3所占比例，或者增加一類新產(chǎn)品，新產(chǎn)品包含半成品1與半成品2，則會使得整個系統(tǒng)更加優(yōu)化。

5 ?結(jié) ?論

本文運(yùn)用Petri網(wǎng)層次模型對整個自動化立體倉庫進(jìn)行了靜態(tài)建模，并將靜態(tài)模型按照一定的邏輯關(guān)系與對應(yīng)原則構(gòu)建了基于FlexSim的動態(tài)模型，根據(jù)動態(tài)模型仿真運(yùn)行結(jié)果，得到了整個自動化立體倉庫系統(tǒng)的運(yùn)行瓶頸，針對這一瓶頸，對參數(shù)進(jìn)行了修改與優(yōu)化，改進(jìn)后，產(chǎn)品產(chǎn)出率大大提高，整個生產(chǎn)運(yùn)輸線路也不再存在擁堵現(xiàn)象，各個環(huán)節(jié)的匹配程度得到了明顯提升，除此之外，還對產(chǎn)品構(gòu)成提出了有效建議。

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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(shù);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(xiàn)代物流。