基于Flexsim的自动化立体仓库仿真与优化

南 昌 工 程 学 院 毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 工商管理 学院 物流管理 专业 毕业设计 论文 题目 基于 Flexsim 的自动化立体仓库仿真与优化 学 生 姓 名 何 波 班 级 08 物流管理 2 班 学 号 指 导 教 师 胡启帆 完 成 日 期 2012 年 5 月 26 日 基于基于 FlexsimFlexsim 的自动化立体仓库仿真与优化的自动化立体仓库仿真与优化 The research of simulation and optimization for AS RS based on the Flexsim software 毕业设计 论文 34 页 表 格 18 个 插 图 11 幅 目录 I 目 录 摘 要 I Abstract II 第一章 绪论 1 1 1 研究背景与意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 3 研究内容 3 第二章 自动化立体仓库仿真概述 4 2 1 自动化立体仓库简介 4 2 1 1 自动化立体仓库系统构成 4 2 1 2 自动化立体仓库的分类 5 2 2 常用物流仿真软件简介 6 2 3 Flexsim5 0 简介 7 2 3 1 Flexsim5 0 主要功能 8 2 3 2 Flexsim5 0 建模步骤 8 第三章 基于 Flexsim 的自动化立体仓库建模与仿真 10 3 1 某自动化立体仓库简介 10 3 1 1 自动化立体仓库主要设备及其技术参数 11 3 1 2 自动化立体仓库出入库流程 12 3 2 自动化立体仓库模型构建 14 3 2 1 自动化立体仓库仿真目标 14 3 2 2 自动化立体仓库仿真模型构建 14 第四章 自动化立体仓库仿真分析与优化 19 4 1 自动化立体仓库仿真报告分析 19 4 1 1 进货处理模块仿真分析 19 4 1 2 存储处理模块仿真分析 20 4 1 3 出货处理模块仿真分析 22 4 2 自动化立体仓库仿真优化 24 4 2 1 仿真结果分析 24 4 2 2 仿真优化方案 25 结 语 28 参考文献 29 致 谢 30 摘要 I 摘 要 自动化立体仓库是现代物流管理思想和技术应用在仓储管理体系的产物 其主要包 括 AGVS ASS PLC 等子系统 本文提出的将 Flexsim 软件应用于自动化立体仓库资源 配置优化的方法 主要运用 Flexsim 软件对自动化立体仓库进行仿真分析 以提高系统内 各设备作业效率为目的 对系统资源进行合理配置以满足实际需求 针对某自动化立体仓库的特点 将其分为进货处理模块 存储处理模块 出货处理 模块等三个部分 对各模块进行相应的抽象与并结合 Flexsim 软件的动态仿真特点 构建 了自动化立体仓库的 3D 模型 通过运行系统仿真模型 探究当前系统所存在的问题 并 提出优化方案 对优化前后的系统进行分析与对比 明确系统运行的最佳方案 关键词 关键词 自动化立体仓库 Flexsim 仿真 优化 Abstract II Abstract Automatic Storage Flexsim Simulation Optimization 南昌工程学院本科毕业论文 1 第一章 绪论 1 1 研究背景与意义研究背景与意义 随着我国物流行业的蓬勃发展 物流现代化水平的不断提高 各物流企业间的竞争 不断加剧 企业都在追求最大化降低物流成本 提高客户服务水平 运营模式也由传统 的标准化 人工作业和纸质单据传递发展为标准化 自动化 信息化 在所有物流活动中 仓储是物流功能中非常重要的一环 仓储是物流各环节的接合 部 例如采购与生产之间 生产的初加工与精加工之间 生产与销售之间 批发与零售 之间 不同运输方式转换之间等等 仓储体系是物流各环节之间存在不均衡性的表现 仓储也正是解决这种不均衡性的手段 仓储环节集中了上下游流程整合的所有矛盾 仓 储体系的管理就是在实现物流流程的整合 近年来 为提高企业物流现代化水平 企业不断对物流各环节加大投入 尤其是物 流自动化技术的应用 在仓储方面 随着自动化立体仓库发展的逐渐成熟 得到了越来 越多的企业的青睐 相较于传统的物流仓储技术 自动化立体仓库具有以下优势 1 空间利用率高 单位面积存储量大 目前 世界上最高的自动化立体仓库可达 40 多米 容量多达 30 万个货位 2 机械化与自动化水平高 自动化设备的应用降低了人力资源的指出 又大大提高了 作业效率 3 采用计算机进行仓储管理 降低了出入库错误率 实现了作业的自动控制同时能够 进行相应的信息处理 4 提高了整个企业的管理水平和生产作业效率 从近年来自动化立体仓库研究发展来看 人们对自动化立体仓库的管理优化 设备 调度和作业优化的关注程度逐渐提高 但因为国内物流产业起步较晚 发展水平较低 对该方面的研究仍未完全成熟 因此 加大对此方面的研究力度 对提高立体仓库的运 作效率 减少作业时间等方面有着重大意义 本文基于 Flexsim 软件对自动化立体仓库进行模型仿真和研究 旨在探究自动化立体 仓库建模和仿真的构建方法与流程 为进行相关的研究提供思路和参考 通过 Flexsim 软 件构建的系统模型 得到真实的系统运行情况 针对自动化立体仓库中所出现的瓶颈问 题进行全面研究与优化 以证明仿真方法的应用能有效提高自动化立体仓库研究的科学 第一章 绪论 2 性和实用性 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 在国内自动化立体仓库仿真研究领域 有以下研究者针对自动化立体仓库不同方面 进行了研究 田国会 张攀 2004 在 基于混合遗传算法的固定货架拣选优化问题研究 一文中利 用 Hopfield 网络模型遗传算法 对自动化立体仓库的固定货架拣选作业路径优化问题进 行了研究 克服了 Hopfield 神经网络方法不能适应待拣选货物数目变化的弊端 1 李俊 罗呈 2007 在 基于 Flexsim 软件的高层货架入库策略仿真与比较 一文中利 用面向对象建模理论和 Flexsim 仿真软件对货物入库进行了仿真 通过比较两张不同的入 库策略对入库调度产生的影响 得出其使用范围 为企业决策提供依据 2 王雯 2008 在 自动化立体仓库出入库调度优化 一文中提出了一种基于遗传算法 层 次分析法 GA AHP 的调度规则优化方法 通过遗传算法对出库策略进行了优化 证明了 该方法能很好的应用与自动化立体仓库的研究 3 魏兰 秦叙斌 2009 在 基于 Flexsim 的物流仓储系统的建模与仿真 一文中针对某 集团的物流设施规划问题进行了仓储作业流程的仿真 通过 Flexsim 软件的仿真结果对系 统进行分析与评价 为系统运行和优化提供了理论和数据的支持 4 庞龙 陆金桂 2012 在 基于蚁群遗传算法的自动化立体仓库拣选路径优化 一文中 利用蚁群算法生成初始种群 通过遗传算法对数学模型进行优化求解 从而改善拣选作 业的效率 5 在国外自动化立体仓库仿真研究领域 主要有以下研究者进行了相关的研究 Bo Yan 2009 在 AS RS Simulation and Optimization Based on Flexsim 一文中利用 Flexsim 软件简历了 AS RS 系统模型 重点研究了输送和堆垛机的使用率以及如何减少关 键环节的闲置时间 提供了两种不同的方法解决瓶颈问题 最大化的提高了系统运行效 率 6 Guiliang Zhou Lina Mao 2010 在一文 Design and Storage Location Optimization Module in AS RS Based on FLEXSIM 中强调了 AS RS 的货物存储储位优化的重要性 并 设计了一种数学模型以优化存储模块中货物储位分配 结合 Flexsim 软件进行了模型验证 为企业在储位优化问题中提供了技术支持 7 南昌工程学院本科毕业论文 3 1 3 研究内容研究内容 通过运用 Flexsim 仿真软件 针对自动化立体仓库出入库进行相关研究 论文主要分 为以下几大部分进行叙述 1 绪论 阐述课题研究背景及意义 国内外研究现状及主要研究内容 2 自动化立体仓库仿真概述 阐述自动化立体仓库发展历史 分类 系统构成及特点 同时介绍了 Flexsim 软件主要功能和建模步骤 3 基于 Flexsim 的自动化立体仓库建模与仿真 首先对某自动化立体仓库情况进行概 述 介绍主要设备和技术参数及其出入库流程 阐述 Flexsim 软件具体建模过程 4 自动化立体仓库仿真分析与优化 运行构建好的自动化立体仓库仿真模型 得到实 体运行数据 对数据进行分析 并提出优化方案 进行验证得出最终结果 5 结论 总结归纳全文研究内容和研究经验 第二章 自动化立体仓库仿真概述 4 第二章 自动化立体仓库仿真概述 2 1 自动化立体仓库简介自动化立体仓库简介 自动化立体仓库是在不直接进行人工处理的情况下 无需人工作业而自动存储和取 出物料的系统 当前 其被广泛应用与大型生产性企业的采购件 成品件仓库 柔性自 动化生产系统 流通领域的大型流通中心 配送中心等场合 立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果 50 年代初 美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库 50 年代末 60 年代初出现了司机操作的巷道 式堆垛起重机立体仓库 1963 年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术 建立了第 一座计算机控制的立体仓库 此后 自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展 并形 成了专门的学科 60 年代中期 日本开始兴建立体仓库 并且发展速度越来越快 成为 当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一 我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚 1963 年研制成第一台桥式堆 垛起重机 机械部北京起重运输机械研究所 1973 年开始研制我国第一座由计算机控制 的自动化立体仓库 高 15 米 机械部起重所负责 该库 1980 年投入运行 到目前为止 我国每年新建自动化立体仓库数量大约在 100 座左右 立体仓库由于具有很高的空间利 用率 很强的入出库能力 采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点 已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术 越来越受到企业的重视 自动化高架 仓库应用范围很广 几乎遍布所有行业 在我国 自动化高架仓库应用的行业主要有机 械 冶金 化工 航空航天 电子 医药 食品加工 烟草 印刷 配送中心 机场 港口等 2 1 1 自动化立体仓库系统构成 自动化立体仓库系统通常包括以下几种自动化物流子系统 自动存取系统 automated storage and retrieve system AS RS 自动导引小车系统 automatically guided vehicle system AGVS 自动输送系统 automated sorting system ASS 自动拣选系统 picking system 机器人作业系统 robot 可编程逻辑控制器 programmable logic controller PLC 实时监控系统 计算机集成管理系统 以及摄像监控系统 多媒体远程服务诊断系统和 自动报警灭火系统等辅助系统 其中 AS RS AGVS 和 ASS 是当今物流科技的三大标 志 自动化立体仓库仓储设备主要由三大类设施组成 南昌工程学院本科毕业论文 5 1 土建及公用工程设施 主要包括库房 消防系统 照明系统 通风及采暖系统和其 他设施 2 机械设备 主要包括货架 货箱和托盘 堆垛机 出入库处理器及其他搬运设备 其中 堆垛机是自动化立体仓库中最重要的设备 是应用于自动化立体仓库的专用起重 设备 可由手动操作 半自动操作或全自动操作把货物从货架出口搬运至指定货位进行 存储 3 电气与电子设备 主要包括计算机管理系统 检测装置 信息识别设备和控制装置 等 2 1 2 自动化立体仓库的分类 随着仓储制造技术的不断发展 以及自动化立体仓库在各行业各领域的广泛应用 为满足不同企业需求个性化的要求 出现了以下几大类自动化立体仓库 具体分类如图 2 1 所示 1 按货架构造形式划分 包括单元式货架仓库 贯通式货架仓库和循环式货架仓库 其中 单元式货架仓库应用最为广泛 其两排货架共用一个巷道 行程一组 共用一台 堆垛机或者其他仓储机械作业 各组之间留较小缝隙 2 按建筑形式划分 包括分离式仓库和整体式仓库两类 分离式仓库的钢架和建筑物 是分离的 安装在室内 分离式仓库的高度一般在 15m 以下 整体式仓库是指钢架与建 筑物结构是一体的 承受能力强 高度一般在 15m 以上 3 按容量大小划分 包括小型 中型和大型 小型立体仓库存储容量在 2000 托盘以 下 中型立体仓库存储容量在 2000 5000 个托盘 大型立体仓库存储容量在 5000 个托盘 以上 4 按作业方式划分 包括单元货架式 移动货架式和拣选货架式 5 按与生产联系的紧密程度划分 包括独立型 半紧密型和紧密型 第二章 自动化立体仓库仿真概述 6 自动化 立体仓库 按货架构造形式 按建筑形式 按容量大小 按作业形式 按生产联系 紧密程度 单元式货架 贯通式货架 循环式货架 分离式货架 整体式货架 小型立体仓库 中型立体仓库 大型立体仓库 单元式货架 拣选式货架 移动式货架 独立型 半紧密型 紧密型 图 2 1 自动化立体仓库分类 2 2 常用物流仿真软件简介常用物流仿真软件简介 当前 仿真技术已经成为分析 研究各种复杂系统的重要工具 它广泛用于工程领 域和非工程领域 因此对物流系统的设计和仿真的研究 也日益受到人们的重视 当前 主流物流仿真软件主要有以下几种 南昌工程学院本科毕业论文 7 1 AUTOMOD AutoMod 的建模特点及步骤仿真 仿真论坛 仿真软件 物流仿真 供应链仿真 生产仿真 交通系统仿真 流程仿真 AutoMod 作为物流专用仿真专用软件 它内置的系 统模块为配送中心的仿真建模提供了很多方便 2 SIMAnimation SIMAnimation 是美国 3i 公司设计开发的集成化物流仿真软件 SIMAnimation 使用的 是先进的基于图像的仿真语言 这种语言可以简化仿真模型的创建 它使用了 OpenGL 三维建模技术和 Petri 网模型技术 具有精确性较高的建模功能 在仿真软件开发和终端 用户实用方面 具有较高的灵活性 同时软件在仿真运行结束后可根据统计数据生成仿 真报告 用户可根据仿真报告提供的数据对物流系统的优缺点进行判断 做出科学决策 3 AnyLogic AnyLogicTM 是一种创新的建模工具 它是基于过去十年内建模科学和信息技术中出 现的最新进展而创建的 其拥有最灵活最强大的仿真建模技术 开放式体系结构 能使 用启发式方法 神经网络和数学优化方法 找到使目标函数值最大或最小的离散和连续 模型参数的值 拥有十分灵活的动画框架 能将仿真模型转化为一个适合决策者的图板 支持二维和三维动画 4 Flexsim Flexsim 是一套系统仿真模型设计 制作与分析工具软件 它集计算机三维图像处理 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 其在图形建模环境中集成了 C IDE 和编译器 不需要动态链接库和用户定义变量的 复杂链接 可以使模型构造更具有层次结构 节省开发时间 拥有更多的用户化设定 可在对象中根据需要改变已经存在的代码 创建全新的对象 同时对象的属性有很强的 自定义性 可大大提高建模的速度 软件可以直接导入 3DS 等模型文件 内置了 VR 浏 览窗口 可以添加光源 雾化等效果 根据不同仿真软件的特点 并且学校购置安装了 Flexsim 软件 因此采用 Flexsim 仿 真软件进行自动化立体仓库的研究 2 3 Flexsim5 0 简介简介 Flexsim 是一款离散事件仿真软件 它可以用来模拟根据特定事件发生的结果 在离 第二章 自动化立体仓库仿真概述 8 散时间点改变状态的系统 可以帮助人们对系统设计和运行做出更加明智的决策与现实 系统相比 使用 Flexsim 建立 3D 计算机模拟系统 可以节省更多的时间与投资 作为 假如 怎样 分析工具 面对众多方案 Flexsim 可以提供大量的回馈信息 帮 助管理者选定最恰当的方案 利用 Flexsim 的模拟现实图像动画功能及更加庞大的运行报 告输出功能 可以轻松发现问题 并且在有限时间内 对解决方案做出准确评价 Flexsim 的主窗口界面如下图 2 2 所示 图 2 2 Flexsim5 0 软件主窗口视图 2 3 1 Flexsim5 0 主要功能 相较于市场上其他仿真软件 Flexsim 拥有以下几大主要功能 1 模型构建 Flexsim 软件提供平面与三维建模窗口 可直接将 CAD 的平面布置图导 入建模窗口 同时也支持导入建立好的 3D 模型 纹理等等 使所构建的模型更加形象生 动 其不仅在离散系统仿真方面应用广泛 对连续型生产建模也能提供良好的支持 2 分析优化功能 Flexsim 软件中可对模型实体设置多种概率分布 如指数分布 二 项分布 泊松分布等等 可使模型更为贴近实际系统 可在模型运行过程中记录所有设 备的所有状态 除了可以在仿真运行环境内显示外 也可以直接到处 Excel 和文本文件形 式的报表 提供数据库以自定义表形式存储报表 3 按需编译 Flexsim 完美支持 C 编程语言 用户可以随时修改 Flexsim 满足特定 需求 而不必学习专有代码 同时建模人员可以自由地操作部件 视窗 不见参数等 在部件内增加自定义逻辑 改变或删除存在的编码 也可完全建立一个新部件 南昌工程学院本科毕业论文 9 2 3 2 Flexsim5 0 建模步骤 运用 Flexsim 软件对自动化立体仓库系统仿真建模主要有以下几个步骤 1 系统模型的抽象 确定处于系统中核心部分的设备 将对系统影响程度低的设备实 体简化或去除 同时将抽象后的系统模型与 Flexsim 软件中的是实体库进行比较 确保能 使系统仿真模型良好运行 2 系统模型的构建 通过系统平面布局图和确定好的实体类别 运用 Flexsim 软件进 行模型的构建 建立好各实体间的连接 确定输入 输出端口和中间端口的连接 同时根 据系统设备情况 设置 Flexsim 仿真模型中各实体参数 3 系统模型的运行和分析 通过 Flexsim 中直观的 3D 视图运行构建好的系统模型 查看仿真模型运行情况 最后通过 报告与统计 生成各个实体的运行数据 针对数据 进行分析 找出所存在的问题 进行相应的优化 第三章 基于 Flexsim 的自动化立体仓库建模与仿真 10 第三章 基于 Flexsim 的自动化立体仓库建模与仿真 3 1 某自动化立体仓库简介某自动化立体仓库简介 该自动化立体仓库采用采用特制的组合式货架 横梁结构 该货架结构美观大方 省料实用 易安装施工 属一种优化的设计结构 仓库内主要存储各种低压工业电器 部分中高压电器 电气成套设备 汽车电器 通信电器 仪器仪表等 作为整个物流系 统的重要部分 其负责准确 实时 灵活地向各销售部门提供所需产成品 并为物资采 购 生产调度 计划制订 产销衔接提供准确信息 整个仓库内货物的入库 存取 出 库等流程都靠计算机管理系统控制完成 仓库面积共计 3200m2 高约 20m 拥有 6 排高层货架 采用双货位自动堆垛机进行 货物的存取 形成了 6 货架 3 巷道的结构 其具体布局如下图 3 1 所示 图 3 1 自动化立体仓库平面布局图 在仓库中 货物的入库和出库处理均在货架的同一侧完成 同时 为了避免货物在 出入库的过程中出现拥堵 因此将入库处理区和出库处理区分别设在货架的不同方向 并在出库和入库处理区与货架衔接处均设置了相应的缓冲区 货物的入库按照均匀分配 先下后上 下重上轻 就近入库 ABC 分类的原则进行 出库按照先进先出 就近出库 出库优先等原则进行 以保证货物快速的出入库 南昌工程学院本科毕业论文 11 3 1 1 自动化立体仓库主要设备及其技术参数 1 自动化立体仓库主要参数 该自动化立体仓库长 80m 宽 40m 总计面积为 3200m2 高度为 20m 年工作日为 280 天 平均日工作 8 小时 高峰入库流量在 130 盘 小时左右 高峰出库流量在 90 盘 小 时左右 所有货物使用统一的钢制托盘进行存放 托盘尺寸为 1200mm 800mm 150mm 2 主要设备技术参数 1 立体仓库货架主要参数 立体仓库货架主要有货位宽度 货位高度 巷道宽度等参数 具体如表 3 1 所示 表 3 1 立体仓库货架主要参数 参数数值参数数值 货位宽度2150单元货物最大重量300kg 含托盘自重 货位高度1150 1300巷道数量3 巷道宽度1600货位总数1800 货位布局为 6 排 25 列 12 层 共计 1800 个货位 货架区总长约 49 3m 宽 12 7m 高 16 5m 2 巷道堆垛机主要参数 巷道堆垛机主要由堆垛机高度 水平 垂直运行速度等参数 具体如表 3 2 所示 表 3 2 巷道堆垛机主要参数 参数数值参数数值 堆垛机高度16 5m最大起重量300kg 最大速度 负载 180m min最大速度 负载 35m min 最大速度 空载 180m min最大速度 空载 50m min 水平 运行 最大加速度0 5m s2 货叉 伸缩 运行 最大加速度0 5m s2 最大速度 负载 63m min 最大速度 空载 80m min 垂直 运行 最大加速度0 3m s2 第三章 基于 Flexsim 的自动化立体仓库建模与仿真 12 3 托盘分发 收集 器 分发 收集 器处理托盘规格为 1200mm 800mm 150mm 一次处理 6 个 处理周 期约为 20 秒左右 4 出 入 库处理区 出 入 库处理区分别设有 3 台处理器以供货物处理 共计 6 台处理器 处理器在货物 出 入 库高峰时期处理时间约为 30 秒左右 5 输送机 输送机采用链式输送结构 输送速度为 16m min 3 1 2 自动化立体仓库出入库流程 在该自动化立体仓库中主要有进货处理模块 存储处理模块 出货处理模块三大重 要模块系统 1 进货处理 货物自输送带传送至入库处理器 同时 机器人从托盘存储区抓取托盘 放置于处理器上 由处理器对货物进行打包 将货物按指定数量打包放置于托盘上 通 过输送带将打包好的货物传输至入库暂存区 等待堆垛机作业入库 2 存储处理 通过信息系统下达货物入库存储命令 并为货物先行调配储位 通过堆 垛机将货物存储至指定货位 若指定货位距离与入库暂存区较远 则让堆垛机于该货位 待命 等待下一次存储命令 以减少堆垛机空驶率 3 出货处理 在系统接收到订单后 系统向堆垛机下达出货命令 由堆垛机将指定货 物从货架上取出 通过输送带输送至出库处理区 当货物到达出库处理区后 由出库处 理器将货物进行拆包 并通过机器人的操作将货物放置于出库暂存区 将拆包后的托盘 放置于托盘暂存区 通过操作员搬运货物到输送带 由出库输送带输送至货车 完成出 库流程 整个仓库系统出入库流程如下图 3 2 所示 南昌工程学院本科毕业论文 13 货物到货 输送带传送货物 货物放到托盘 上 打包货物传 送至入库暂 存区 堆垛机取货 存入货位 存取 堆垛机从货 位取出货物 输送带传至 出库处理区 出库处理器 解包托盘 机器人将货物放 到出库暂存区 操作员搬运货物 到出库输送带 装车离开 出库完成 机器人 取出托盘 托盘放置于 货物处理器 下达订单 出库指令 机器人将托盘放 到托盘暂存区 图 3 2 自动化立体仓库出入库作业流程图 第三章 基于 Flexsim 的自动化立体仓库建模与仿真 14 3 2 自动化立体仓库模型构建自动化立体仓库模型构建 3 2 1 自动化立体仓库仿真目标 通过在 Flexsim 软件中对自动化立体仓库进行模拟运行 统计自动化立体仓库系统各 主要模块运行情况的数据 在分析数据后 得出一个对整个系统的客观评价 了解系统 中所存在的问题 针对这些问题采取相应的措施进行优化 以使整个系统运行达到最优 水平 并为管理者提高自动化立体仓库的管理和优化决策提供科学的依据 本文对自动化立体仓库进行仿真的主要目标有以下两点 1 对系统中各模块主要设备的利用率等数据进行统计 如巷道堆垛机 出 入 库处理 器 输送带等 通过对统计数据的分析借以得到系统运行情况 判断在当前系统资源配 置下是否能满足实际情况的要求 2 对各模块设备进行不同的参数设定 比较不同的系统运行方案 对系统中各设备进 行分析 以得出各设备的利用率对系统的影响程度 进而找出最佳的系统运行方案 3 2 2 自动化立体仓库仿真模型构建 整个系统主要由进货处理模块 存储处理模块 出货处理模块三部分组成 因此 在运用 Flexsim 软件对自动化立体仓库进行仿真模型构建时也将整个系统分为三大模块进 行构建 1 进货处理模块仿真 进货处理模块主要由入库货物 进货处理器 处理机器人 托盘等实体构成 其在 Flexsim 中的设置如下表 3 3 所示 表 3 3 入库处理模块实体在 Flexsim 中的设置 设备名称Flexsim 实体设备名称Flexsim 实体 入库货物发生器 Box 输送带输送带 进货打包处理机合成器货物处理机器人机器人 托盘发生器 Pallet 进货处理模块各设备在 Flexsim 软件中的 3D 模型如下图 3 3 所示 南昌工程学院本科毕业论文 15 图 3 3 入库处理模块仿真 3D 图 1 货物发生器用以模拟实际情况下的入库货物 设置其输出临时实体种类为 Box Box 模拟系统中的入库货物 通过分析一天的入库量可见其入库货物流量大致成 泊松分布的状态 故设置其输出时间间隔为 poisson 40 1 2 托盘的设置也是利用发生器来达成 只需设置发生器的输出临时实体种类为 Pallet 即可 在运行后 发生器便会自动生成托盘供机器人抓取 3 机器人用以模拟系统中的货物处理机器人 负责抓取托盘放置于合成器上 同时 将传送带上的货物拣取至合成器上的托盘进行打包处理 4 合成器用以模拟对货物进行处理的入库打包处理器 合成器以 8 个单位货物为一 组进行与托盘的打包 设置其处理时间为 5 个仿真单位 处理完成后通过输送带 传输至货架区域入库 2 存储处理模块仿真 存储处理模块主要由入库输送带 出库输送带 入库暂存区 出库暂存区 堆垛机 和高层货架等实体构成 其在 Flexsim 中的设置如下表 3 4 所示 第三章 基于 Flexsim 的自动化立体仓库建模与仿真 16 表 3 4 存储处理模块在 Flexsim 中的设置 设备名称Flexsim 实体设备名称Flexsim 实体 出 入 库输送带输送带出 入 库暂存区暂存区 堆垛机堆垛机高层货架货架 存储处理模块各设备在 Flexsim 软件中的 3D 模型如下图 3 4 所示 图 3 4 存储处理模块仿真 3D 图 1 堆垛机用以模拟系统中的堆垛机 根据系统参数 设置其最大速度为 3m s 2 出 入 库暂存区用以模拟系统中货物缓冲区域 其最大容量为 20 托盘 并将其与 相邻的两排高层货架连接 使入库暂存区的输出端口为高层货架 高层货架的输 出端口为出库暂存区 并设置堆垛机为中间端口 负责货物的出库与入库 以使 整个出入库流程得以流畅执行 3 货架用以模拟系统中的高层货架 其具体参数为 25 列 12 层 层高 1 1m 宽 2m 共计 1800 个货位 由于每天的订单产生时间不确定 通过分析 订单产生 时间间隔呈正态分布的状态 故设置货架上货物的最小停留时间间隔为 南昌工程学院本科毕业论文 17 normal 120 10 1 即为订单响应时间间隔 3 出货处理模块仿真 出货处理模块主要包括出货处理器 出货处理机器人 托盘存储区 出货暂存区 操作员 出货输送带等构成 其在 Flexsim 中的设置如下表 3 5 所示 表 3 5 出货处理模块在 Flexsim 中的设置 设备名称Flexsim 实体设备名称Flexsim 实体 出货处理器分解器出货暂存区暂存区 出货处理机器人机器人操作员操作员 托盘存储区吸收器 Pallet 出货输送带输送带 出货处理模块各设备在 Flexsim 软件中的 3D 模型如下图 3 5 所示 图 3 5 出货处理模块仿真 3D 图 1 分解器用以模拟出库处理器 其功能为将出库货物进行解包 通过机器人将货物 从托盘上取下放置于出库货物暂存区 设置其加工时间为 18 个仿真单位 2 机器人用以模拟系统中的出货处理机器人 负责将货物搬运至出货暂存区 同时 将托盘放置于托盘暂存区 3 托盘吸收器用以模拟托盘存储区 将吸收器的回收属性设置为 Recycle to Pallet 即可 4 操作员即为系统中的工作人员 负责将出库货物暂存区的货物搬运至出库输送带 第三章 基于 Flexsim 的自动化立体仓库建模与仿真 18 上 通过在 Flexsim 中添加各处理模块的设备的相应实体 连接各实体输入输出端口和中 间端口 并设置好其各项属性 经过运行验证 仿真模型各实体均能正常工作 模型运 行情况基本符合系统真实工作情况 入库货物能通过合成器打包 输送带传输至存储区 域并由堆垛机存放至指定货位 出库货物能及时通过堆垛机出库输送至出货处理模块进 行解包工作 实现托盘 货物的分离 货物成功由操作员输送出库 南昌工程学院本科毕业论文 19 第四章 自动化立体仓库仿真分析与优化 4 1 自动化立体仓库仿真报告分析自动化立体仓库仿真报告分析 按该公司自动化立体仓库一天运转 8 小时计算 在 Flexsim 软件中设置仿真运行时间 为 28800 个仿真时间单位 通过运行仿真模型 进行动态模拟 借助于 Flexsim 软件的统 计工具 生成实体运行状态统计报表 可得到各主要设备运行情况 并根据相关数据 进行设备利用率的计算 计算公式为 100 载货运转时间空载运转时间 设备利用率 系统总运行时间 因为该自动化立体仓库主要分为进货处理模块 存储处理模块 出货处理模块三大 部分 所以下面对三大部分一一进行分析 4 1 1 进货处理模块仿真分析 进货处理模块主要包括进货处理机器人和货物合成器等实体 其中机器人的效率评 价指标主要为闲置率 空载运转率和装载运转率 通过 Flexsim 仿真得到的运行数据如下 表 4 1 所示 表 4 1 机器人仿真数据表 Object机器人 1机器人 2机器人 3 Idle32 7 33 6 30 8 Offset travel empty16 1 14 1 16 4 Offset travel loade d 51 2 52 3 52 8 合成器的效率评价指标主要为闲置率 处理率 货物阻塞率 货物收集率 具体仿 真数据如表 4 2 所示 表 4 2 合成器仿真数据表 Object合成器 1合成器 2合成器 3 Idle3 53 3 61 3 42 Processing54 34 55 26 54 73 Blocked000 Collecting42 13 41 13 41 85 第四章 自动化立体仓库仿真分析与优化 20 通过表 4 1 表 4 2 中数据 可分别计算得到机器人 合成器的平均利用率 具体如 图 4 1 所示 图 4 1 进货处理模块设备平均利用率 由图 4 1 可分析得到三台进货区机器人的平均利用率为 67 63 工作效率处于较理 想状态 但仍然还有很大的提升空间 三台进货区合成器闲置率较低 平均利用率为 96 48 能很好发挥合成器的处理能力 4 1 2 存储处理模块仿真分析 存储处理模块主要包括堆垛机 货架 出库暂存区和入库暂存区等实体 其中堆垛 机的性能评价指标主要为闲置率 空载运转率和装载运转率 通过 Flexsim 仿真软件运行 后其运行数据如下表 4 3 所示 4 3 堆垛机仿真数据表 Object堆垛机 1堆垛机 2堆垛机 3 Idle28 7 26 8 27 9 Staytimemin7 36s7 48s7 38s Staytimemax46 32s46 38s46 36s Staytimeavg26 84s26 93s26 87s Offset travle empty21 7 22 6 22 1 Offset travle loade35 2 36 8 36 2 南昌工程学院本科毕业论文 21 d 高层货架的性能评价指标主要为最大存储量 入库量 出库量和货位利用率 其具 体数据如表 4 4 所示 表 4 4 货架仿真数据表 ObjectRack1Rack2Rack3Rack4Rack5Rack6 Content737069717572 Contentmax757071747673 Contentmin74707072 575 572 5 Input168171169172173171 Output119122122121120121 staytimeavg6873s7012s7003s6937s6998s7015 通过对货架进行仿真后 其入库总量为 1024 出库总量为 725 入库总量与额定入 库量 1040 略有偏差 出库总量超过了额定出库量 720 由此可见存储处理模块能较好的 模拟真实仓库系统的运转情况 出入库暂存区性能评价指标主要为出入库暂存区性能评价指标主要为空置率 货物 释放率 其具体仿真运行数据如表 4 5 所示 表 4 5 出入库暂存区仿真数据表 ObjectEmptyReleasingWaiting for trasporte r 入库暂存区 177 2 18 6 4 2 入库暂存区 277 8 17 8 5 4 入库暂存区 376 9 18 5 5 6 出库暂存区 187 8 9 7 2 5 出库暂存区 289 6 10 2 0 2 出库暂存区 391 1 7 7 1 2 通过表 4 3 表 4 4 和表 4 5 中数据 可分别计算得到堆垛机 货架 出入库暂存区 第四章 自动化立体仓库仿真分析与优化 22 的利用率 由于设备较多 故取其平均值进行分析 具体数据如下图 4 2 所示 图 4 2 存储处理模块设备平均利用率 由图 4 1 分析可得 堆垛机平均利用率为 72 2 未达到 80 设备利用程度仍然不 够高 通过对货架中货物停留时间的分析 我们可以看到 货物在货架中停留时间过长 造成了单一的出库 入库作业过多 因而增加了堆垛机的空载运转率 降低了堆垛机的 整体利用率 货架的平均利用率为 24 39 利用率比较低 每个货架的平均库存量为 73 16 由于 要考虑到自动化立体仓库在运转一天后需要空置的货位来满足剩余未出库的货物的存放 故利用率仍在可接受的范围内 入库暂存区的平均利用率为 17 63 出库暂存区的平均利用率为 9 2 两者的利用 程度都十分低 可见货物在从货架上取出到运送到出库传送带时并未出现阻塞的过程 两个暂存区的设置对系统流畅运行并未起到很大的作用 故应考虑是否取消暂存区的设 置 4 1 3 出货处理模块仿真分析 出货处理模块主要包括出货处理机器人 分解器 操作员和出货暂存区等设备 其 中机器人的性能评价指标主要为闲置率 空载运转率和载货运转率 仿真运行数据如表 4 6 所示 南昌工程学院本科毕业论文 23 表 4 6 出货机器人仿真数据表 Object出货机器人 1出货机器人 2出货机器人 3 Idle27 4 26 3 26 8 Offset travel empty17 8 18 2 17 7 Offset travel loaded54 8 56 5 56 5 分解器的性能评价指标主要为闲置率 处理率 阻塞率和收集率 具体仿真数据如 表 4 7 所示 表 4 7 分解器仿真数据表 Object分解器 1分解器 2分解器 3 Idle2 82 2 93 2 87 Processing57 36 58 13 57 68 Blocked0 12 0 08 0 Collecting39 6 38 86 39 45 操作员的性能评价指标主要为闲置率 空载运转率和载货运转率 具体仿真数据如 表 4 8 所示 表 4 8 操作员仿真数据表 Object操作员 1操作员 2操作员 3 Idle25 16 24 83 25 08 Travel empty37 1 36 32 37 62 Travel loaded37 47 38 28 36 68 Offset travel loaded0 27 0 57 0 52 暂存区的性能评价指标主要为空置率 货物释放率 其具体仿真运行数据如表 4 9 所 第四章 自动化立体仓库仿真分析与优化 24 示 表 4 9 出货模块暂存区仿真数据表 ObjectEmptyReleasingWaiting for trasporte r 暂存区 148 8 41 7 10 5 暂存区 247 2 41 5 11 3 暂存区 348 3 40 6 10 1 通过表 4 6 表 4 7 表 4 8 和表 4 9 中数据 可计算得到各出货处理模块各设备平均 利用率 具体如下图 4 3 所示 图 4 3 出货处理模块设备平均利用率 通过分析图 4 3 可见 出货机器人平均利用率为 73 17 利用程度较高 分解器的 平均利用率为 97 13 利用程度十分高 但货物处理时间过长 造成了一定的阻塞率 需要进行进一步的优化 操作员的平均利用率为 74 98 利用程度较高 能满足当前系 统资源配置下的出货要求 暂存区的平均利用率为 41 27 利用程度较低 仍有大部分 空间可以挖掘利用 因此 对暂存区的设置仍可以进行优化 南昌工程学院本科毕业论文 25 4 2 自动化立体仓库仿真优化自动化立体仓库仿真优化 4 2 1 仿真结果分析 通过上一节对自动化立体仓库仿真运行结果的分析 可以发现当前系统主要有以下 两个需要改善的部分 1 设备利用率过低 在设备状态报告中 可以看到存储处理模块的出入库暂存区平均 利用率分别为 17 63 9 2 出货处理模块暂存区平均利用率为 41 27 设备利用率都 不高 由于设备闲置时间过长 造成了资源的浪费 增加了运转成本 这与以降低物流 成本为目标的自动化立体仓库是相符合的 2 部分设备设置不合理 可以看到 在存储处理模块 出入库暂存区闲置率均较高 因此 出入库暂存区的设置存在不合理性 另外在出货处理模块 暂存区闲置率达 58 63 利用程度不够高 分解器的处理时间过长 造成了处理机器人的等待时间过长 也需要 进行优化 4 2 2 仿真优化方案 针对自动化立体仓库中所存在的问题 经过对 Flexsim 软件中的模型进行不断修改 优化以及参数设定后 主要对以下三个方面进行改进 1 取消存储处理模块出入库暂存区的设置 将输送带延长至货架口 设置货物在输送 带上直接通过堆垛机出入库 2 取消出货处理模块中 出货暂存区 2 号 的设置 将三台分解器与剩余的两个暂存 区相连接 让三台分解器共用两个暂存区 并依据下游端口空闲的原则进行输出 3 调整出货处理模块分解器的处理速度 将以前的 18 个仿真时间单位调整为 13 个仿 真时间单位 以适应货物出库的要求 降低货物阻塞率 提高运转效率 将以上设置应用于自动化立体仓库仿真模型中进行运行验证 通过 Flexsim 软件的运 行 得到存储处理模块仿真数据和出货处理模块仿真数据 优化后的堆垛机仿真数据如表 4 10 所示 表 4 10 优化后堆垛机仿真数据表 Object堆垛机 1堆垛机 2堆垛机 3 Idle17 1 16 8 17 9 Staytimeavg23 64s23 52s23 63s 第四章 自动化立体仓库仿真分析与优化 26 Offset travle empty19 6 19 3 19 8 Offset travle loade d 45 7 46 9 45 3 通过分析表 4 10 可看到将出入库暂存区取消后 货物的出入库得以直接通过堆垛机 送至输送带 避免货物在暂存区的停留所带来的时间耗费 提高了整体出入库的流畅性 同时也降低了堆垛机的闲置时间 优化后的出货暂存区仿真数据如表 4 11 所示 表 4 11 优化后出货暂存区仿真数据表 ObjectEmptyReleasingWaiting for trasporte r 暂存区 119 7 67 6 12 7 暂存区 219 8 67 8 13 4 在出库处理模块减少一个暂存区 使三台分离器共用两个暂存区 有效的减少了暂 存区的空置率 同时货物在出货处理模块的存放更加集中 减少了操作员的行走距离 提高了出货速度 使整个出货处理模块的效率都得到了提升 优化后的出货机器人仿真数据如表 4 12 所示 表 4 12 优化后出货机器人仿真数据表 Object出货机器人 1出货机器人 2出货机器人 3 Idle18 2 18 7 18 4 Offset travel empty19 2 19 4 18 6 Offset travel loaded62 6 61 9 63 通过提高分解器处理速度后 使得分解器对货物的处理时间缩短 减少了出货的阻 塞率 同时增加了出货机器人的处理需求 降低了机器人的闲置率 提高了整体运行效 率 南昌工程学院本科毕业论文 27 综合表 4 10 表 4 11 和表 4 12 中的数据 经过计算可得到优化后的相关设备平均利 用率 具体如下表 4 13 所示 表 4 13 优化后各设备平均利用率 Object堆垛机出货暂存区出货机器人 利用率82 73 80 25 81 57 结合图 4 1 图 4 2 图 4 3 和表 4 13 将优化后的设备利用率与优化前的设备利用率 进行对比 具体如下图 4 4 所示 图 4 4 优化方案仿真数据对比图 通过分析图 4 4 可见 通过不断调整系统模型设备设置和参数设置后 相较于优化前 的各设备 优化后