基于Flexsim的自动化立体仓库仿真设计

基于Flexsim的自动化立体仓库仿真设计

摘要

随着计算机信息技术的发展和竞争的日益加剧，市场对企业物流系统提出了新的要求，自动化立体仓库受到了越来大的关注并得到广泛应用。其运营效率的研究也成为企业关注的焦点。Flexsim软件针对离散系统的建模和仿真，是自动化立体仓库仿真规划的理想选择。物流仿真利用计算机技术来模拟真实的物流系统，通过仿真活动和过程来验证物流项目建设的有效性，合理性和优化的效果。本文以一个公司的自动化立体仓库为例，根据自动化立体仓库基本组成和工作过程，进一步探究采用Flexsim软件进行建模仿真的一般方法。通过仿真自动化立体仓库物流系统，对仓库物流过程进行整体分析。根据各部分不同的运行特点，对仿真的整个流程进行研究，找出其不合理的地方并对其进行优化，结果显示优化后仓库作业效率得到提高。

关键词：自动化立体仓库；Flexsim；建模；仿真

AS/RS Simulation Design Based on Flexsim

ABSTRACT

With the development of computer information technology and the increasing competition, market has put new demands on enterprise logistics system and the AS/RS is paid more and more attention and widely used. The research of its operational efficiency has also become the focus of enterprise. Flexsim software, which is for discrete system modeling and simulation, is a good choice for AS/RS simulation planning. Logistics simulation use computer technology to simulate the real logistics system through simulation activities and processes and then verify that the construction of the logistics project effectiveness, rationality and optimization of the effect. This paper takes an automated warehouse of one company as an example to further explore the general method of using the Flexsim modeling and simulation, based on the basic components and work processes of the AS/RS. Warehouse logistics process is analyzed as a whole through the simulation of AS/RS logistics. Based on the various operating characteristics, researched on the simulation of the overall process, identified the unreasonable place and then optimized it, the results show that the efficiency of warehouse operations is improved after optimization.

Key words:AS/RS; Flexsim; Modeling; Simulation

目录

1 前言 (1)

1.1 课题的来源及意义 (1)

1.2 国内外的发展现状 (1)

1.3 课题研究的内容 (2)

2 自动化立体仓库概述 (3)

2.1 自动化立体仓库的定义 (3)

2.2 自动化立体仓库的组成 (3)

2.3 自动化立体仓库的分类 (3)

2.4 自动化立体仓库的特点 (4)

3 Flexsim仿真环境 (5)

3.1 软件简介 (5)

3.2 软件窗口组成 (5)

3.2.1 菜单 (5)

3.2.2 实体库 (6)

3.2.3 仿真控制栏 (6)

3.3 软件的仿真步骤 (6)

4 自动化立体仓库仿真模型和优化的实现 (8)

4.1 基本规划 (8)

4.1.1 实例要求 (8)

4.1.2 立体仓库的基本参数 (8)

4.2 仿真实验的流程 (9)

4.3 立体仓库布局 (9)

4.4 模型建立 (10)

4.4.1 设置布局 (10)

4.4.2 定义流程 (11)

4.4.3 设置参数 (11)

4.5 自动化立体仓库仿真分析 (15)

4.5.1 仿真模型运行及结果统计 (15)

4.5.2 仿真结果分析 (17)

4.6 自动化立体仓库的优化 (17)

5 总结 (21)

参考文献 (22)

致谢 (22)

1 前言

1.1 课题的来源及意义

随着经济全球化的发展，企业面临前所未有的竞争压力，储存、运输所消耗的费用在生产总成本中所占的比例越来越大。物料储存和运输等物流过程中存在着极大的潜力，作为“第三利润源”所起的作用越来越大。自动化立体仓库作为物流链上重要的环节之一，受到了前所未有的重视。它的发展正是顺应时代的要求，它是现代机械电子和物流行业相结合的产物，由具有智能的物流设备和计算机控制和管理系统构成。如何使自动化立体仓库规划和设计更加合理，如何实现仓库的高效运行，已经成为物流等行业研究的课题。

自动化立体仓库有多方面的优越性，面对日益上涨的地价，它能在有限的空间内，提高仓库的利用率；对存取节奏较快的货物，能降低工人劳动强度，起到提升生产效率的作用；现代化的企业利用自动化立体仓库，便于形成先进的物流系统，对企业管理水平的提高有重大意义。

系统仿真技术正是帮助自动化立体仓库设计人员实现上述目标的重要途径[1]。在设计之前面对众多的设计方案，利用Flexsim软件进行仿真，参照它提供的大量回馈信息，对方案的优劣进行分析论证，综合各方案的优点进行设计的修正，力求使设计的方案达到最佳的效果，避免资金、人力的浪费和时间的消耗；对于已投入使用的自动化立体仓库，在不对原系统进行任何更改的情况下，利用仿真技术尝试解决，结合其强大的数据统计功能，找出系统存在的问题，经反复修改仿真模型提出最终的解决方案，以提高仓库的利用率和仓库内设备的运行效率，使建成后的自动化立体仓库能获得良好的使用效果。

1.2 国内外的发展现状

自动化立体仓库也称高架库，通常采用几层十几层高的货架储存单元货物。美国是最早应用自动化立体仓库的国家，最初出现的是采用桥式堆垛起重机式的立体仓库。后来，由于技术的发展，计算机控制技术应用于高架仓库中并开始在美国和欧洲迅速发展。60年代中期，日本根据国内需要，紧随时代潮流开始兴建立体仓库。随着PLC等更先进技术的发展和相关技术的日趋成熟，立体仓库得到了长足的发展，成为企业生产管理的重要组成部分，因而在日本得到了广泛应用，这也使其成为当今世界上拥有立体仓库数量最多的国家之一[2]。

我国起步相对较晚，我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库开始研制于1973年，直到七年后才投入运营。在经历了发展缓慢的起步阶段后，我们一方面引进国外先进技术，一方面进行自主研发，积累了大量经验。目前我国自动化立体仓库进入高速发展的阶段，近几年，根据相关资料统计，每年市场需求平均达90套左右，到2010年底市场保有量超过了1000套。

由于立体仓库具有高空间利用率，便于进行计算机管理等优点，使其在机械、化工、电子、医药、冶金、烟草、配送中心等行业得到了快速应用和发展。

1.3 课题研究的内容

本课题研究的主要内容包括以下几个方面：

(1)了解了自动化立体仓库的国内外发展现状，及本课题目的和意义。

(2)熟悉了自动化立体仓库的基本概况和特点。

(3)以某立体仓库为研究对象，利用Flexsim仿真软件搭建仓库模型，建立各设备之间的逻辑关系，利用它强大的数据统计功能，查看设备运行的各项参数和效率。在建模仿真过程中，掌握了Flexsim仿真软件的基本使用方法和运用Flexsim建模的一般方法。

(4)以仿真输出的数据为依据，对结果进行分析，针对配置不合理的地方，通过优化资源配置，提出可行的优化方案，与优化之前的方案相比较，验证优化之后方案的合理性，力求在一定程度上达到解决系统问题的目的。

2 自动化立体仓库概述

2.1 自动化立体仓库的定义

自动化立体仓库（AS/RS-Automated Storage and Retrieval System)，又称自动存储和检索系统或自动化仓储系统，是物流仓储中出现的新概念。自动化立体仓库技术是一种新型的仓储技术，是物料搬运和仓储科学中的一门综合科学技术工程。利用立体仓库技术和设备可使仓库高层设计趋向合理，使用简便等操作。其用计算机进行控制和管理，并使用自动控制的巷道堆垛机进行存取操作，实现了存取自动化。同时它集管理、机械、电气于一体，采用先进的PLC等计算机控制技术，凸显了立体仓库较高的技术水平。

2.2 自动化立体仓库的组成

货架、堆垛机、出/入库输送设备属于自动化立体仓库系统的主要组成部分。自动化立体仓库除了库房、货架等硬件组成外，为了实现货物的自动存储和取出，还需要相应的管理、控制以及执行等系统。下面介绍下仓库主要组成部分：

(1)货架

一般为钢铁结构构成储存商品的单元格。高层货架仓库的主要有货架高密度，高度和长度较大，排列较多，巷道较窄等特点。因为货架是一种架式结构物，它可以充分地利用仓库空间，提高仓库利用率，增加仓库吞吐能力。存入货架中的货物，分类清楚，互不挤压，是立体仓库的最佳选择。

(2)堆垛机

堆垛机是随着立体仓库的出现而发展起来的起重机，是立体仓库中重要的运输设备。堆垛机采用手动、单机自动、联机自动等控制方式。它主要在高层货架的巷道内来回行走，将入口货物存入货格，或者取出货格内的货物运送到出口。巷道式堆垛机由运行部分、起升部分、装有存取货装置的载货台、车身，和电气设备五部分组成[3]。

(3)出入库输送设备

出入库输送设备主要将货物输送到出入库指定位置和堆垛机上下料位置，可根据货物的特点和仓库结构选择相应的传送带输送机、机动辊道、链传动输送机等设备。

(4)电气控制与计算机管理设备

自动化立体仓库还拥有完成以下诸如对货物品名、货号、数量等产品信息进行识别的设备；对堆垛机等设备进行位置控制、速度控制、以及方向控制的微处理器和可编程序控制器等设备；负责协调系统中各个部分的运行监控及调度的设备；完成整个仓库的账目管理和作业管理计算机管理系统；对各设备之间进行大量信息交换的数据通信设备。

2.3 自动化立体仓库的分类

自动化立体仓库是一个复杂的系统，由控制、通信等众多子系统构成。按不同方式可以分为多种形式。正是由于它分类的多样性，易满足各方面的需求，故深入而广泛地应用

于各行各业，下面为几种常见的自动化立体仓库类型[4]：

(1)整体式仓库：即库房与货架形成一体化结构。货架除了具有存储货物的功能以外，还能作为建筑物的支撑结构，是建筑物一个组成部分。

(2)分离式仓库：即储存货物的货架单独存在。根据已有建筑物可改造为自动化立体仓库，也可以将货架拆除，而仅保留建筑物以做它用。

(3)单元货架式仓库：是最常见的一种结构，货物一般先放在托盘内，再由堆垛机等运输工具装入仓库货架的货位中。

(4)移动货架式仓库：电动货架是其主要组成部分。货架可以在铺设的轨道上行走，控制装置根据需要控制货架的聚合和分离。工作时货架分离，在巷道中进行作业。作业完后可将货架合拢，减少作业巷道，达到节省仓库面积和提高空间的利用率的目的。

自动化立体仓库的分类多种多样，除此之外还有拣选货架式，水平循环式等不同类型的自动化立体仓库。

2.4 自动化立体仓库的特点

自动化立体仓库的出现，使人们对仓储的观念发生了根本的改变。人工搬运、码放的传统仓储作业模式已经不能适应竞争日益激烈的市场需求。新型的机械化和自动化的仓储系统应运而生。这种新型的仓储作业具有传统仓储作业所不具有的优势，成为企业发展中关键因素。自动化立体仓库之所以获得了迅速的发展，主要具有以下一系列特点：货物存放集中化、立体化、提高空间利用率，同时与搬运设备(AGV小车、传送带)连接,货物出入库快速、准确；仓库作业的机械电子化和自动化确保了能够自动存取物资，降低了工人的劳动强度，节约劳力成本，提高了操作效率和准确度[5]；工件损伤和货物丢失得到了极大改善，还可以适应特殊环境下的低温作业，剧毒、和腐蚀性等物资的储存；提高仓库的安全可靠性，便于进行合理储存和科学的养护，提高保管质量，确保仓库安全；计算机控制，提高仓库管理水平，利用计算机设备对物资库存账目，物料存放位置等进行准确详细记录。

3 Flexsim仿真环境

3.1 软件简介

Flexsim是一款基于视窗，面向对象的仿真软件。它集仿真、人工智能、数据处理等技术为一体，可以用C++直接定义模型，拥有强大的3D动画、实时数据处理能力，同时提供了与其它软件的接口，能方便的读取和输出Exsel中的数据[6]。另外它的部件是向用户开放的，运用Flexsim系统仿真软件进行建模时，只要从部件库拖拽相应实体到建模窗口，操作方便，并且可移植性较好。在进行复杂的仿真设计时，团队的每个成员可以承担其中某个模块，做好的模块可以添加到用户库，方便其他人员调用，加快了设计进度。

3.2 软件窗口组成

软件主窗口由以下五部分组成：菜单、工具栏、实体库、模型视图和仿真控制栏。其中打开软件后显示的界面如图3-1所示。

图3-1 软件操作窗口界面

3.2.1 菜单

主要有文件、编辑、视图、创建、执行、统计和帮助等组成。

文件：用来打开、新建模型，将建好的模型进行保存等设置。

编辑：进行撤销和恢复，其它较少用到。

视图：可以进行一些视图的设置，如平面和3D视图的切换等功能。

创建：Flexsim脚本代码简单且编写完成后，立即生效。而C++复杂且需编译，但运行速度快。根据需要设置转换到C++，以获取高速运行。

执行：内有运行，重置等功能，功能和仿真控制栏类似。

统计：模型运行后，在此可生成报告与统计。

帮助：初学者或遇到问题时可以打开帮助下的用户手册。

3.2.2 实体库

Flexsim仿真软件拥有丰富的实体库，实体类别足以满足用户的需求，用户还可以自定实体并添加到用户库，方便以后调用[7]。实体分为固定类实体和临时类实体。临时实体是模型中临时产生的对象，随时间的运行会消失，固定实体则一直存在。固定实体又分为离散和连续实体，分别对应仿真离散和连续属性的事件。

离散型又分为资源类、执行类、网络类和图示类四种。在实体库中按从上到下的顺序从发生器到储液罐之间的实体为资源类实体，为离散仿真模型的主干对象；任务分配器和堆垛机之间的实体为执行类实体，接受资源类实体指派任务，进行货物搬运等生产操作；网络类包括网络节点和交通控制器，用来设定小车等运输工具的行走路线；图示类有可视化工具和记录器，用来实时显示指定实体的输出数据和信息。

3.2.3 仿真控制栏

仿真控制栏位于主窗口的顶部，此面板用来控制模型的运行，如图3-2所示。

图3-2 仿真控制面板

(1)重置：类似于复位的功能，模型仿真一段时间后，点击它可实现将所有实体运行的数据清零，在对实体进行的参数设置时点击重置进行设置数据的装载，以重新运行模型，实现多次统计数据的功能。

运行：用来启动模型运行，直到设定时间到达或按下停止按钮。

停止：停止模型运行，同时更新模型中所有实体的数据。如模型不被重置，点击运行则接着停止的时刻继续运行。

步进：将模型仿真钟设定到下一个事件要发生的时刻，然后这个事件发生，此功能可以以事件为单位对模型操作。

(2)仿真控制栏显示了模型的实时运行时间，用户还可以根据自己需要设定模型停止时间，时间到了模型准时停止运行；用户可以根据需要拖动速度滑动条进行设置仿真速度。

3.3 软件的仿真步骤

运用Flexsim软件进行仿真建模通常有以下步骤[8]：

(1)抽象出仿真模型：明确影响立体仓库作业的主要因素。如果所找出的因素不足以影响该模型对实际系统的仿真，则删除该因素值。再通过简化后的业务模型与Flexsim所含控件进行比较，确定所删除的参数是否影响仿真模型的实际运行。重复该简化过程，直到所有因素值被确定。

(2)设置布局：运用Flexsim软件直接导入需要生成的三维模型，通过实体库提供的各实体来匹配现实中的设备，进行模型的布局。

(3)仿真的数据建模：仿真的数据建模是整个仿真模型的数据驱动。对仿真对象的相关数据进行采集，分析采集的数据，根据分析的数据，得出近似的数据分布函数。数据建模一般分为以下步骤：第一，将实际生产操作中的数据导入ExpertFit中，得到各种数据的均值、最值；其次，比较概率分布函数找到最贴合的函数，选择最佳的概率分布函数；最后，确定其分布函数的具体参数。

(4)连接端口并设置参数：依据之前简化后的业务模型和布局，通过A或S连接建立Flexsim各实体间的关系；依据实际业务和拟合的概率分布函数对各实体涉及的参数进行设置。

(5)编写仿真程序：通过编写程序可以很方便的将实际业务的需求和设计者的不同想法或策略应用到仿真模型中，同时仿真程序提高了Flexsim实体间的关联度和二次开发能力。

(6)运行模型和生成报告: 模型的运行可以使用户很直观的透过3D动画查看系统的运行状况，或者生成运作统计报告，并对影响系统运行效率的因素进行分析，提出改进措施，达到优化的目的。

4 自动化立体仓库仿真模型和优化的实现

4.1 基本规划

4.1.1 实例要求

某公司下辖的物流子公司由于业务的发展，现需要规划建设一个新的立体仓库以满足生产要求。该仓库可以实现货物的简单处理，处理后的货物及时上货架，随订单及时出库等操作。考虑到本公司的以往生产销售及交通情况，使仓库更符合公司需求做如下要求：仓库补货在白天进行，入库产品中40%在白天发往外地，剩下60%在夜晚发送。该仓库要对三种不同的货物进行入库，每种货物分别有自己独有的货架，货物运送到仓库后, 首先要进行卸货，之后由人搬运到处理器进行简单的加工如进行包装或贴条形码等简单操作，40%进行处理后直接由堆垛机送往出库暂存区，不进行入货架操作，直接由订单提走发往外地销售。余下的经处理器处理后，由堆垛机搬运至货架，等待夜晚发送。其中垛机对货物的入货架还是送往出口的处理方式为随机。

4.1.2 立体仓库的基本参数

根据每天的实际处理能力设计该仓库的货位数量，并充分考虑到滞销等因素，适当增大仓库的容量，当滞销时能满足滞销货物及时入库，同时通知生产部门减少日产量，使企业尽量规避不可知因素带来的影响。

初步规划自动化立体仓库的主要参数如下：选取堆垛机的水平最大速度2m/s，传送带、分拣传送带速度为1m/s，处理器的处理时间为10s，货架有3排，每个10列10层, 货位数量除满足正常需求外，要有富余，以备滞销之需。初始设计时, 模型的各个主要组成设备及数量如表4-1表所示。

表4-1 初始模型各设备构成表

4.2 仿真实验的流程

图4-1 仿真实验流程图

4.3 立体仓库布局

根据自动化立体仓库的一般需求，设计该模型由入库，货物存储，出库三部分组成。基于试用版软件在实体数量上最多只能用20个实体及部分功能的限制，入库、货物存储、出库三部分设计的相对比较简单。其中入库区由发生器、入库暂存区表示；货物存储区由处理器、传送带、货架、堆垛机等表示；出库区由出库暂存区、吸收器表示。初步构建仿真模型, 如图4-2所示。

图4-2 初始模型布局图

4.4 模型建立

4.4.1 设置布局

Flexsim采用对象对实际过程中的各元素建模，利用先进的模型构造技术，将对象封装为功能强大，操作极其方便的可视化控件，极大方便了用户进行创建和配置实体[9]。根据建模前规划设计好的系统模型，将对象从“实体库”中拖曳到仿真视图窗口中的适当位置。图4-3为拖拽暂存区示意图，按此方法对其它实体进行拖拽操作，完成布局。

图4-3 将暂存区从实体库拖到视图窗口

4.4.2 定义流程

每个Flexsim 的实体都可有多个端口，并且端口数没有数量限制，实体通过端口与其它实体进行通信，端口有3种类型：输入、输出和中间端口，在设定临时实体在模型中的流动路线时，如果要设置输入和输出端口的流向，则用A连接；而中间端口通常是用来建立固定实体与可移动实体之间的相关关系，常用S连接[10]。固定实体如处理器、暂存区、输送机，可移动实体如操作员、叉车、起重机等。根据对象之间的逻辑关系，采用A或S 连接构建仿真模型的逻辑流程，完成对象间各端口的通信设置。

图4-4 定义模型流程图

4.4.3 设置参数

根据每个对象所要描述的物理系统特征，设定对象的参数。将布局后的各个实体的端口连接后，对各实体进行参数设置。在视图窗口中，双击所要设定的实体，打开对模型实体进行参数设置的属性窗口，同时进行逻辑设置。

(1)设置分拣传送带参数。鼠标左键双击分拣传送带图标，打开传送带属性对话框，点击传送带选项卡，设置速度值为1，参数设置如图4-5所示。

图4-5 分拣传送带属性框图

打开分拣传送带的临时实体流选项卡，在发送至端口设置发送条件的逻辑为按临时实体类型发送。这样能保证根据货物的类型使货物流向下游指定传送带所对应的输入端口，

实现分拣传送的目的，具体设置如图4-6。

图4-6 设置分拣传送带发送端口框图

(2)设置传送带参数。鼠标左键双击传送带，打开传送带选项卡，设置速度值为1，过

程和分拣传送带类似，打开临时实体流选项卡，发送逻辑设为按百分比，60%送往货架，

40%送往出库暂存区，同时指定使用运输工具，其他两个传送带的参数设置同上，传送带输出端口发送货物逻辑代码如图4-7。

图4-7 设置传送带输出端口框图

(3)设置处理器参数。在视图窗口中找到要设置的处理器，双击处理器图标，弹出该实体的属性设置界面。在处理器选项卡中设置加工时间为10s，根据货物离开处理器后改变颜色，点击处理器属性中的触发器选项卡，设置为离开触发，实现根据货物的类型，在其离开处理器时改变颜色，设置处理器的离开触发逻辑代码如图4-8。

图4-8 设置处理器离开触发框图

(4)设置暂存区参数。暂存区存放有三种产品，实现操作人员1搬运产品类型1，送往处理器1；操作人员2搬运产品类型2，送往处理器2；两个操作员中，当某个处于空闲时搬运类型3，送往空闲的处理器。在暂存区下的发送至端口设置发送逻辑，指定相应类型的货物流向指定的处理器，具体设置如图4-9所示。

图4-9 设置暂存区发送端口框图

在暂存区的临时实体流选项卡下设置使用运输工具，则运输工具接受暂存区指派任务，进行搬运货物等操作。设置逻辑为根据临时实体类型执行相应的操作，设置逻辑代码如图4-10所示。

图4-10 设置暂存区使用运输工具框图

(5)根据以上的方法设置货物的到达时间间隔服从uniform(15.0, 20.0, 0.0)，操作员的最大速度为2m/s,货架10层，10列，设置为随机放置到可用层，可用列。

4.5 自动化立体仓库仿真分析

4.5.1 仿真模型运行及结果统计

因为白天出入库比较频繁，对设备的运行压力最大，而夜晚所面临的处理任务相对较小，故考虑对白天的出入库情况进行仿真。建立完模型并设置好参数后，点击“重置”按钮，再点击“运行”就可以运行模型。仿真模拟自动化立体仓库一天8小时的工作情况。因为Flexsim是实时的仿真软件，在仿真过程及结束的任意时刻，点击实体属性中的“统计”选项卡，可以查看对任意实体的统计，统计有饼状图，图表等行式，如图4-11所示为状态饼图。

图4-11 处理器5的状态饼图

新款软件新增了DASHBOARD功能，该模块是实体库中记录器的延伸，较其具有操作简单，更强的数据统计和分析的优点。用户可以以多种数据的形式如表格、饼图，柱状图等同时查看多个实体的运行情况。在模型的各实体中，以堆垛机，传送带为代表，利用DASHBOARD功能，统计其在运行过程中的各种状态、所占比例。如图4-12所示，其中第一栏为2个堆垛机的状态饼图统计情况，第二栏所示为3个传送带的数据统计情况，用户还可根据需要，添加更多的实体进行统计。

图4-12 DASHBOARD统计图

除实时统计外，Flexsim还建立了与Exsel表格的接口，在仿真结束后，通过统计菜单下的状态报告输出Exsel状态报表，模型的状态报告直观地反映了模型中各实体的各种状态，为改进和优化提供了依据。利用模型提供的仿真实验控制栏，设置仿真为终止型仿真，仿真时间8小时，该统计报告以Exsel表格的形式导出。仿真后结束后，在软件菜单栏中选择“统计”，在下拉菜单中单击“报告与统计”，在弹出的对话框中选择状态统计

类型。用户可在报告中选择要填加的变量，如图4-13所示。

图4-13 选择报告与统计中的变量