基于Flexsim的仓储作业仿真优化研究

2021-09-18 10:10| 发布者: http://www.daoteng56| 查看:

摘要: 在分析现代仓储系统特点基础上,构建了复合作业流程下的仓储系统仿真模型,对有序存放模式下仓储作业进行了仿真,针对出现的堵塞问题进行了改进设计及仿真结果分析。结果表明,改进之后的设备配置更能有效地发挥出各个机械设备的效能,提高整个仓库系统的效率。 ...

1 引言

自动化立体仓库是一种基于高层货架、采用计算机进行控制管理、采用自动化存取输送设备自动进行存取作业的仓储系统[1] ,具有存储量大、存储效率高、自动化和信息化水平高等优点,越来越得到广泛认同和普遍使用。自动化仓库作为物流系统的一个核心和枢纽,是物流系统实现物流合理化的关键所在,在物流中就充当这样一个货物储存的角色。
利用计算机对立体仓库进行建模与仿真,通过系统三维仿真设计,对系统进行实时跟踪与分析,是构建自动化仓储系统、评价系统效率、发现改进瓶颈问题的快捷有效手段。Flexsim是一套系统仿真模型设计、制作与分析的工具软件。它集计算机二维图像处理技术、仿真技术、人工智能技术、数据处理技术为一体,专门面向制造、物流等领域。运用Flexsim系统仿真软件,可在计算机内建立研究对象的二维模型,然后对模型进行各种系统分析和工程验证,最终获得优化设计或改造方案[2] 。
在物流领域,应用Flexsim进行系统仿真方法,进行了相关的研究工作。常鹏[3] 针对散货码头物流系统建立了散货码头设备的三维模型,并应用Flexsim对其进行了仿真研究。张晓萍[4] 研究了基于Flexsim的仓储系统仿真问题。肖江波等[5] 以某物流配送中心为例,基于Flexsim软件探讨了物流配送中心规划中的规模确定、功能布置方案以及装卸工作对配送中心仓库布局的要求,配送中心仓库建筑物的位置布局等要求。肖锋[6] 利用建立集装箱码头装卸作业仿真模型,应用Flexsim为生产管理者提供视觉上的决策支持,利用其核心机制一任务序列驱动设备模型,实现装卸作业过程的三维动态仿真。李俊等[7] 从企业仓储作业中出入库调度策略的需求出发,利用面向对象建模理论和Flexsim仿真软件进行入库策略的建模,给出一种将复杂策略结果映射到仿真模型的方法并将其应用与仿真实例中。目前文献对于入库流程的优化研究较少,本文基于Flexsim软件对复合作业流程下的仓储系统进行了建模和仿真优化研究,改进设备配置,以便更有效发挥各个机械设备的效能,提高整个仓库系统的效率。

2 仓储系统复合作业流程建模

复合作业流程主要模拟的是日常工作中最为普遍的一种作业形式。一方面,各物资需求单位向仓库不断请领而获得各类物资器材,仓库不断向外出货。另一方面,各个生产厂家会根据合同不断向仓库交付新品或者返还返厂修理的器材,其他单位借走调用的器材也会不定时的退还仓库,仓库不断向内进货,根据业务活动流程构建系统模型。
首先,进行仿真数据建模,对仿真对象的相关数据进行采集,分析采集的数据,得出近似的数据分布函数,将实际业务中的数据导入并得到各种数据的均值、最值,选择最佳的概率分布函数,确定其分布函数的具体参数;然后,确定入库作业的影响因子,通过业务模型与Flexsim所含控件比较,确定参数设置;最后,通过Flexsim的导入功能直接生成二维模型。
根据参数对系统模型进行设置,对货架送往端口选择用连续巡回的方式发送特定数量的临时实体到特定的端口,使用运输工具,如图1所示。同样,对缓存区、传送带、处理机等进行相关的参数设置,构建仓储系统仿真模型,如图2所示。

3 仓储系统复合作业流程仿真与优化

3.1 货物有序存放模式下的仓储仿真

一般而言,货架在有序存放的情况下,整体效率大大高于无序存放。因此,在复合作业流程的建模仿真里,本文只考虑有序存放模式。
图1 货架参数设置图1 货架参数设置   下载原图
 
图2 仓储系统仿真模型图2 仓储系统仿真模型   下载原图
 
在复合作业流程模型中,输入曲线采用正态分布,参数为:
有序存放模式下的模型如图2所示。图中,以缓存区1作为装卸货的平台,处理机1模拟条码扫描、出入库货物检查、油封拆包等步骤,传送带将货物送到入库缓存区2,然后堆垛机将货物从缓存区2送入货架。同时,堆垛机又会接受指令,从货架上取货放入出库缓存区3,传送带将取出的货物送到处理机2进行处理,再装卸出库。
模型建立后,经编译、重置后就可以点击仿真时间控件“运行”来运行模型。仿真运行50 000秒后结束,通过“统计>状态报告(标准报告)”输出Excel状态报表和标准报表,如图3和图4所示。
通过统计功能,可以查看各个实体在仿真过程中处于各个状态的情况。货架容量-时间曲线如图5所示。
图3 仿真结果状态报告图3 仿真结果状态报告   下载原图
 
图4 仿真结果标准报告图4 仿真结果标准报告   下载原图
 
图5 货架容量-时间曲线图图5 货架容量-时间曲线图   下载原图
 
可以看出,货架在接受了出货指令后,一直在请求出货。但由于得不到堆垛机响应,使得货架一直处在等待的过程中,造成堵塞。而货架的容量-时间图显示,在仿真时间的大约前10 000秒,货架的容量保持在较低水平,但到了中后期,由于堵塞,货架的容量随着时间线性增长。
缓存区和传送带在仿真过程中的状态饼图如图6、图7所示。
图6 缓存区饼图图6 缓存区饼图   下载原图
 
图7 传送带饼图图7 传送带饼图   下载原图
 
由饼图可知,传送带96.8%的时间处于阻塞状态,而出库缓存区93.2%的时间都在释放货物,可以认为正是由于传送带的阻塞导致了出库缓存区、堆垛机的低效和货架的阻塞。

3.2 货物有序存放模式下的仿真优化

鉴于模型运行过程中出现了明显的阻塞现象,必须对其进行改进优化,以满足要求。由于堵塞出在出库阶段的传送带,改进的模型中增加一条传送带进行出库作业所建模型。
编译后重置运行,导出标准报告和状态报告,如图8、图9所示。
图8 优化后标准报告图8 优化后标准报告   下载原图
 
图9 优化后状态报告图9 优化后状态报告   下载原图
 
在改进模型仿真结束之后,同样需要观察货架、出库缓存区以及传送带的运行状态,如图10图所示。
图1 0 货架的容量-时间曲线图图1 0 货架的容量-时间曲线图   下载原图
 
由图10可知,真个仿真过程中货架的容量持续波动,但仍然相对稳定在某个定值左右,已经和改进前的曲线样式大不一样。优化后,缓存区和传送带1、2的状态饼图如图11-图13所示。
图1 1 出库缓存区的饼状图图1 1 出库缓存区的饼状图   下载原图
 
图1 2 传送带1的饼状图图1 2 传送带1的饼状图   下载原图
 
图1 3 传送带2的饼状图图1 3 传送带2的饼状图   下载原图
 
经过改进后,出库缓存区释放货物释放得比较彻底,两条传送带大部分时间在空载运行,没有发生阻塞的情况,之前模型的问题得到了较好的解决,达到了预期的目标。

3.3 仿真结果分析

将改进前后模型对应的两份报告拿出来进行对比,找出变化比较明显的部分(即图中圈出的部分),如图14-图17所示。
图1 4 模型改进前的标准报告图1 4 模型改进前的标准报告   下载原图
 
图1 5 模型改进后的标准报告图1 5 模型改进后的标准报告   下载原图
 
图1 6 模型改进前的状态报告图1 6 模型改进前的状态报告   下载原图
 
图1 7 模型改进后的状态报告图1 7 模型改进后的状态报告   下载原图
 
优化报告及状态报告的明显变化数据见表1。
可以看出,改进之前货物在缓存区滞留的时间比较长,最长时间达到了56 s,平均时间也有6.1 s;传送带上货品有积压现象,其阻塞时间占到了总时间的96.8%,情况相当严重,每个货物的平均等待时间达到了659.7s,而处理机工作正常。因此可以认为是因为传送带的负载过大造成设备崩溃引起阻塞。
表1 复合作业流程下模型改进前后数据表     下载原表
单位:秒
表1 复合作业流程下模型改进前后数据表
改进的模型增加了一条传送带,以减轻其工作负荷。出库时货物在缓存区的等待时间已经为0,意味着可以做到随到随走;货物在传送带上的平均等待时间也由之前的659.7 s减小到14.6 s,最长等待时间变化最为明显,由改进前的1 260.9 s减少到27.2 s,变化的幅度相当大,阻塞时间百分比也只有5%,处理机依然工作正常。
改进之后的设备配置更能有效地发挥出各个机械设备的效能,提高整个仓库系统的效率。

4 结语

本文基于Flexsim软件对仓储系统复合作业进行了仿真优化研究,通过仿真可以发现系统运行的瓶颈问题,改进设计后可以提高系统工作效率.