红塔集团立体仓库建模与仿真.docx
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红塔集团立体仓库建模与仿真
昆明理工大学
物流系统建模与仿真课程实训报告
题目：
红塔集团立体仓库建模与仿真
学院：
＿
专业：
＿
姓名：
＿
学号：
任课教师：
侯开虎教授
日期：
2013年1月
摘要
自动化立体仓库作为物流系统的核心和枢纽，具有很高的空间利用率和很强的出入库能力，可构建更有效率的物流系统，是许多货运枢纽、配送中心不可缺少的重要组成部分。
本文提出了在红塔集团立体仓库的规划设计阶段利用计算机仿真技术，针对规划设计中需要解决的关键问题，对立体仓库物流系统模型进行仿真实验，这对于增强系统的认知度，优化系统资源配置以及定量分析系统运行效率有很大的工程应用参考价值。
同时建造一个真正的立体仓库需要耗费一定的资金，现在我们可以利用Flexsim仿真建模出立体仓库不仅能节省了时间和资金还能随时更换设备，具有高效便捷的好处。
再者在设计中为解决仓库设计不善而给红塔集团带来的不便，考虑用先进的立体仓库代替原来的分开存储的平面仓库。
并用系统仿真方法来发现系统中的瓶颈问题，不断改善优化设备。
本文利用系统建模与仿真技术，对自动化立体仓库的规划设计进行研究，不仅能够显著缩短立体仓库物流系统的规划设计周期，还可以为方案的优化提供参考和依据，提高了设计的质量。
关键词：
自动化立体仓库立体仓库作业仿真Flexsim
1课程设计内容：
1.1课题背景与意义
随着社会经济的持续发展和科学技术的突飞猛进，现代物流业已成为国民经济的支柱产业，在社会经济发展中起着越来越重要的作用。
经过上世纪80年代至今的现代物流理论的飞速发展，物流关于“第三方利润源泉”的观点也被企业所广泛接受，物流系统的组织方式和管理技术为企业寻求成本优势和差别化优势提供了新的视角，企业的重点也均投向了企业的供应链物流的管理和一系列物流基础设施的建设上面。
先进的物流设施及技术和高效的供应链要求同时也促进自动化物流的快速发展。
自动化立体仓库（AS/RS）作为物流系统的一个核心和枢纽，具有很高的空间利用率和很强的出入库能力，可构建更有效率的物流系统，是许多货运枢纽、配送中心不可缺少的重要组成部分，也是物流系统实现物流合理化的关键所在。
目前自动化立体仓库系统主要应用于自动化生产线和物资配送中心两大领域。
然而，在我国自动化立体仓库的设计和规划过程中，仍以人工的经验管理为主，忽视了科学的设计和规划方法，缺乏现代化的管理手段，很少利用自动化的作业设备，系统不优化的现象明显，难以在运作的过程中体现物流为“第三利润源泉”的作用。
物流的问题往往是空间变量、时间变量和随机变量同时存在并相互依存的动态系统问题，计算机仿真技术是解决这类问题的有效方法。
对我国兴建的自动化物流系统应用计算机仿真技术，可以不需等待设计和规划的方案建设实施完成，仅利用计算机即可验证系统的规划布局效果和比较各种方案的优劣，还可以避免建立物理试验模拟系统的投资，减少设计成本。
在工程建设设计阶段就能够迅速发现问题之所在，降低系统开发成本，并且缩短物流系统由设计至实施的周期。
1.2自动化立体仓库的发展现状
自动化立体仓库是一种采用多层货架存储货物单元，用相应的搬运设备和计算机控制管理系统来进行货物出入库作业的仓库。
它的出现改变了仓储行业劳动密集、效率低下的落后面貌，还实现了高效率物流和大容量储藏，适应了现代化生产和商品流通的发展方向，是物流技术领域的一个划时代的变革。
自动化立体仓库能够自动的按照指令实现对货物的存取和储存保管等功能，已经广泛应用于机械制造、医药保健、食品烟草等行业。
1.3课程设计的目标
本课程设计是与物流工程专业教学配套的实践环节之一，结合《系统建模与仿真》等课程的具体教学知识点开展。
在完成以上课堂教学的基础上，进行一次全面的实操性锻炼。
通过本环节的设计锻炼，较好地掌握了系统建模与仿真的相关理论与方法，对仿真对象的情况、问题和材料有较好的了解,能灵活应用生产管理、设施布置与规划等课程理论知识和方法，分析和解决问题，通过本课程设计，达到如下目标：
1）了解和掌握制造企业的生产系统物流的特点和解决的具体方法；
2）培养团队协作精神，以团队方式分析问题和解决问题的能力；
3）了解和掌握物流系统建模与仿真的方法；
4）对物流系统建模与仿真知识和方法与生产实践的结合有更深入的感性认识。
2、立体仓库的相关知识：
2.1、自动化立体仓库概念
自动化立体仓库，也叫自动化立体仓储，物流仓储中出现的新概念，利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化，存取自动化，操作简便化；自动化立体仓库，是当前技术水平较高的形式。
自动化立体仓库的主体由货架，巷道式堆垛起重机、入（出）库工作台和自动运进（出）及操作控制系统组成。
货架是钢结构或钢筋混凝土结构的建筑物或结构体，货架内是标准尺寸的货位空间，巷道堆垛起重机穿行于货架之间的巷道中，完成存、取货的工作。
2.2立体仓库组成部分
（1）货架:
用于存储货物的钢结构。
目前主要有焊接式货架和组合式货架两种基本形式。
（2）托盘（货箱）：
用于承载货物的器具，亦称工位器具。
（3）巷道堆垛机:
用于自动存取货物的设备。
按结构形式分为单立柱和双立柱两种基本形式；按服务方式分为直道、弯道和转移车三种基本形式。
（4）输送机系统:
立体库的主要外围设备，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将货物移走。
输送机种类非常多，常见的有辊道输送机，链条输送机，升降台，分配车，提升机，皮带机等。
（5）堆垛机器人主要用于托盘的码垛，它将不同外形尺寸的货物整齐地、自动地、码（或拆）放在托盘上。
2.3烟草物流系统常见设备参数。
1）常见设备参数
设备
项目
数值
托盘输送机系统
输送速度，m/min
12、16、18
（烟草行业优选12，非烟行业优选18）
升降输送机升降周期，s
5
件箱输送机系统
输送速度，m/min
36~60
条烟输送机系统
输送速度，m/min
48~60
往复式穿梭车
走行速度，m/min
160
加速度，m/s2
0.5
取放货时间，s
与接口的输送机速度有关系：
12.88（速度12），11.03（速度16），10.42（速度18），
往复式提升机
走行速度，m/min
24
加速度，m/s2
0.3
取放货时间，s
与接口的输送机速度有关系：
12.88（速度12），11.03（速度16），10.42（速度18），
巷道堆垛机
最大走行速度，m/min
160
走行加速度，m/s2
0.4
最大升降速度，m/min
45（空载）/30（满载）
升降加速度，m/s2
0.5
取放货周期，s
前排货架：
12s
后排货架：
16.5s
2.4红塔集团立体仓库参数
其中红塔集团年销量400万大箱，本组按15%的年销售量即（60万箱）规划一个烟草成品库。
其中红塔集团烟的品种有A（玉溪）、B红塔山（软包）、C红塔山（硬包）、D红梅，假设各产品年销售量比例分别为20%，30%，40%，10%，其它具体参数见下表所示：
成品库参数设计
设计参数
序号
项目
分组确定：
400万大箱，330万大箱，再分解
1
年销量
600000
2
入库工作天数
250
3
出库工作天数
250
4
要求库容量
2.73
5
要求最大出库量
1080
6
堆码原则（件/托盘）
30
7
入库时间（小时）
7
8
出库时间（小时）
7
15
空托盘组（个/组）
10
入库峰值系数
1
出库峰值系数
1
流量计算（小时）
1
小时出库流量（峰值,件）
1080
2
小时入库流量（峰值，件）
914.2857143
1
小时出库流量（峰值,托盘）
36
2
小时入库流量（峰值，托盘）
30.47619048
3
小时空托盘供给流量（峰值）
3.047619048
4
小时空托盘返库流量（均值）
3.6
5
总入库流量（峰值）
34.07619048
6
总出库流量（峰值）
39.04761905
7
入库机器人数量
0
8
出库机器人数量
0
能力计算（小时）
1
巷道堆垛机（共4台）（pl/h）
18.28095238
2
入库穿梭车（1台）
39.04761905
3
出库穿梭车（1台）
34.07619048
4
分拣线，
54000条/h
参数说明：
1个大箱=5个件箱；
1个件箱=50条烟；
工作日：
250天/年；
有效工作时间：
正常上班8h，但是设备需要预热，仿真时间一般取值为7h；
实托盘码垛垛型：
24件/托盘，28件/托盘，30件/托盘；
空托盘组码垛垛型：
10个/组，8个/组；
出入库流量：
（条烟分拣线能力）18000*（分拣线条数）3/50；
年销量预设：
24万大箱、28万大箱、32万大箱、44万大箱、48万大箱、54万大箱；
烟箱成品库系统构成：
托盘库系统、备货系统（常见重力货架、多层穿梭车、mini库、备货缓存线）、条烟分拣系统；
巷道堆垛机能力值参考,100m的巷道：
45托盘/h；
穿梭车能力值参考：
65~90托盘/h。
2.5系统的作业流程
出入库作业是流通领域在仓库内的主要活动，由进货、验收、拆分箱、入库、出库、拣货、检查、打包等作业环节组成。
从公司经营角度考虑，出入库作业与上游的采购、加工等活动衔接，与下游的分拣、配送等业务关联，是仓储作业环节中不可缺少的流程。
对于初入库频繁的自动化立体仓库，出库流程与入库流程相互分离，不共用物流通道，以免引起流程之间的冲突。
3、实训内容
3.1基本数据计算
红塔集团年总销量为400万箱，本组按15%的比例销售，故本组销量60万，生产量为65万箱。
玉溪、红塔山（硬包）、红塔山（软包）、红梅四种产品的生产比例分别为20%，30%，40%，10%。
其中，一年按250天计算，一天工作时间为24小时。
一年的件箱数为65*5=325万件箱；
一年内生产的条数为：
325*50=16250万条；
由于一年的工作日为250天/年，故每天生产条数为：
16250/250=65万条/天；
每天的工作时间为24h，故每天的生产条数为：
650000/24=27083条/h；
由于每小时生产量为27083条<54000条/h，所以分拣带条数为1条。
其四种烟的生产量情况如下：
玉溪生产量计算：
一年生产大箱数：
65*0.2=13万大箱/年；
一年内生产件箱：
13*5=65万件箱/年；
一天内生产件箱：
650000/250=2600件箱/天；
一小时生产件数：
2600/24=108.33件/h;
一秒内生产件数：
108.33/3600=0.03件/s;
产一件所需时间：
1/0.03=33.33秒
红塔山硬包生产量计算：
一年生产大箱数：
65*0.3=19.5万大箱/年；
一年内生产件箱：
19.5*5=97.5万件箱/年；
一天内生产件箱：
975000/250=3900件箱/天；
一小时生产件数：
3900/24=162.5件/h；
一秒内生产件数：
162.5/3600=0.045件/s;
产一件所需时间：
1/0.045=22.22秒
红塔山软包生产量计算：
一年生产大箱数：
65*0.4=26万大箱/年；
一年内生产件箱：
26*5=130万件箱/年；
一天内生产件箱：
1300000/250=5200件箱/天；
一小时生产件数：
5200/24=216.67件/h；
一秒内生产件数：
216.67/3600=0.06件/s;
产一件所需时间：
1/0.06=16.67秒
红梅生产量计算：
一年生产大箱数：
65*0.1=6.5万大箱/年；
一年内生产件箱：
6.5*5=32.5万件箱/年；
一天内生产件箱：
325000/250=1300件箱/天；
一小时生产件数：
1300/24=54.17件/h；
一秒内生产件数：
54.17/3600=0.015件/s;
产一件所需时间：
1/0.015=66.67秒
3.2、自动化立体仓库的规划与设计
3.2.1立体仓库的主要参数
衡量自动化立体仓库性能最为重要的两个参数是立体仓库的库容量和出入库频率。
库容量是指立体仓库在去除必要的通道和间隙后所能容纳货物的最大数量。
在立体仓库的规划设计阶段，首先要确定立体仓库的库容量。
库容量可用“货物单元”、“m”或“t”来表示。
出入库频率表示立体仓库出入库货物的频繁程度，它的大小直接决定了立体仓库内各种搬运设备的参数和数量，出入库频率可用“托盘/h”或“t/h”来表示。
除此之外，还有一些因素和参数决定了立体仓库的性能，如立体仓库的高度、贮存货物的特性、辅助工具的尺寸、仓库的自动化程度、出入库平均时间等。
立体仓库经营绩效的主要评价指标是仓库利用率和库存周转率。
仓库利用率是库存货物实际数量与仓库实际可存最大数量之比。
由于这是一个随机变动的量，一般取它的年平均值作为考核指标。
库存周转率是仓库年出库总量与年平均库存量之比。
3.2.2立体仓库的规划原则与设计过程
1）立体仓库的规划原则
经过长期以来自动化立体仓库的项目建设和研究，专家学者总结出了一些立体仓库在规划设计过程中的经验以及准则，在这些经验以及准则之下规划设计出的方案能够在满足系统目标的前提下节省更多的物流成本，为企业创造更大的经济效益。
以下为总结归纳的几点原则：
（1）全局规划原则。
在对立体仓库系统进行规划设计之初，首先要从全局出发，对立体仓库系统的平面布局、装卸工艺、设备选型、生产管理策略以及长远的发展进行统一考虑。
对立体仓库系统中的货物流、信息流以及资金流进行综合分析，确定系统设计的大致框架结构。
（2）立体仓库各部分距离最优原则。
在规划设计立体仓库系统时需要考虑系统内部各个作业单元之间的距离最优问题，尽量减少立体仓库中各个作业环节中的作业人员、机械设备以及货物之间的距离，从而缩短货物的出入库作业时间，提高作业效率。
（3）充分利用空间原则。
立体仓库的规划设计是在有限的空间内对系统内各个功能区进行布局。
这就需要规划设计者应在最大程度上的利用土地面积，不浪费任何可以合理使用的空间。
（4）设备协调原则。
立体仓库系统中包含有许多设备，这就要求在设备选型中要尽量考虑设备与设备之间的相互协调性以及匹配程度，并尽量保持统一的标准。
因为设备的标准化可以提高立体仓库系统内部各环节对货物处理的衔接能力，同时企业在与上下游供应商的业务往来过程中，会有更好的通用性。
（5）作业能力匹配原则。
作业流程中各个环节对于货物的处理能力应保持基本匹配，不能一味追求系统的局部最优化从而导致系统的整体作业能力降低和极大的资源浪费。
（6）长期发展原则。
在规划设计中一定要考虑到长远的发展，在系统的设计能力上需要有留有一定余量，以便于满足企业在今后一段时间内的发展要求，避免扩容时造成很大的浪费。
2）立体仓库的设计步骤
作为物流系统中的一个核心和枢纽，自动化立体仓库直接影响到企业的计划和行动。
一般立体仓库的设计分为几个主要的阶段，每个阶段都有其预定的目标。
（1）企业情况调查分析。
在这一阶段，需要对企业进行调研，明确企业所要达到的目标，确定企业类型，明确立体仓库与上下游衔接的工艺过程，分析企贮存货物的特点，研究企业历史数据并统计计算出系统的作业能力，然后根据现实中存在的各种约束条件进行可行性分析。
（2）确定托盘单元的相关参数。
根据企业存储的货物特点以及与上下游其他供应商的通用性问题，选择合适的尺寸及材质，并根据货物包装规格合理制定托盘单元的堆码方式及堆码高度。
（3）确定货格单元尺寸。
托盘单元的相关参数确定后，选择托盘的存储方式，依照货格设计手册根据托盘相应参数计算货格的尺寸参数。
（4）确定货格数量及货架布局。
根据企业的目标和系统的作业能力，计算系统中需要的货格数量，并根据该数量确定货架的总体尺寸，在满足约束条件的前提下确定货架形式和布局，并尽量降低货架的建设成本。
（5）堆垛机及搬运设备选型。
在货架区的尺寸参数确定后，应依据该区域的布置选择堆垛机及其他搬运设备（如叉车、AGV等）的类型及相关参数，堆垛机的选型应满足出入库频率，而搬运设备的工作效率也应该同堆垛机匹配。
（6）作业区与立体仓库区的衔接方式。
在确定了立体仓库系统的主要作业设备以后，可根据系统布局及土建设计情况，确定作业区与立体仓库区的衔接方式，主要是输送机的布局方式及选型，输送机的运行效率也对系统作业效率有很大影响。
（7）系统建模及仿真分析。
规划设计方案确定后，利用专业的建模仿真软件构建系统模型并进行仿真运行，统计数据并进行分析。
（8）通过仿真数据统计及分析，找出系统存在的瓶颈并进行优化，使系统的设计方案达到最优。
3.2.3立体仓库的总体规划
1）仓库形式和作业方式的确定
在调查分析企业仓储货物品种的基础上，确定仓库形式。
一般有单元货格式和贯通式两种，单元货格式应用最为广泛。
在确定仓库形式时，还需要考虑其他因素，如货物是否有特殊要求（冷藏、防潮、恒温等）。
根据出库工艺要求，即货物的出库形式是以整单元出库还是零星货物出库为主，决定要不要采用拣选作业。
仓库的作业形式是指搬运设备的操作方法。
按搬运设备的搬运情况可以分为单作业方式（即单入库或单出库）和复合作业方式。
为了提高出入库的搬运效率，应尽量采用复合作业方式。
按搬运机械的货叉数量可分为单叉和双叉，双叉方式是立体仓库系统中堆垛机的载物台上设两副货叉，这两副货叉可独立进行存取作业。
双叉作业方式可一次搬运两个货物单元，因此提高了作业效率，但双叉机构复杂，对控制系统的要求也相应的增加。
按货叉长短可分为长叉和短叉，长叉的长度是短叉的两倍，可同时叉取两个货物单元，但相应的货格深度也要加深为两个，堆垛机的货台也相应增宽一倍。
立体仓库系统使用的搬运设备多种多样，在进行规划设计时要根据货物出入库频率、货物单元的重量、立体仓库的规模等参数选择最合适的设备。
2）托盘单元的参数和货格尺寸设计
在自动化立体仓库中是以装载单元为基础来存储货物的。
一般仓库的装载单元是以托盘的形式进行作业的。
在立体仓库设计中，托盘单元的参数直接关系到立体仓库的面积和空间利用率，也关系到立体仓库能否顺利地存取货物，所以应尽量采用标准推荐的尺寸，以便与其他搬运设备相匹配。
标准推荐的托盘单元的长、宽尺寸为:
1200mm*800mm，1200mm*1000mm，1100mm*1100mm三种规格。
由于在以上四种烟每件箱的尺寸差不多，故选择尺寸最大的红塔山（硬包）的尺寸作为基本尺寸，其尺寸为：
458*245*568mm。
实托盘码垛垛型选择30件/托盘。
根据以上参数，本文采用通用性较高的1200mm*1000mm规格的木质托盘。
3.3货架尺寸：
立体仓库是以单元化搬运为前提的，所以确定单元的形式，尺寸及重量是一个重要的问题。
它不仅影响仓库的投资而且对整个物流和仓储设备，设施及有关因素都有极为重要的作用。
根据托盘的选择和货物的堆放，可以确定出货格的尺寸小托盘和货物的总高为1905mm，设定通风口为100mm,然而货物的总体尺寸为1250*1000*1905，托盘与货架的间隙一般取100mm，因此可以得出货格尺寸1450*1200*2005mm;每个货格对应一个托盘。
3.3.1确定库存量和仓库总体尺寸：
（1）在货格单元的设计过程中需要得出以下参数：
托盘单元长度：
1200mm
托盘单元宽度：
1000mm
托盘单元高度：
150mm
货物长度：
1250mm
货物宽度：
1000mm
货物高度：
1755mm
托盘与货架间隙：
100mm
货物顶端离货格顶端距离：
100mm
货格单元长度：
1450mm
货格单元宽度：
1000+100+100=1200mm
货格单元高度：
1755+150+100=2005mm
货格单元进深：
100mm
（2）货格单元格数的计算
年产量：
650000箱
年销售量：
600000箱
库存需求量：
650000―600000=50000箱
安全库存量：
650000*0.05=32500箱
库存量=库存需要量+安全库存量=50000+32500=82500箱
每年的工作天数：
250天
库存天数：
10天
货格单元格数=库存量／每年的工作天数×库存天数／6（每个托盘30件，每5件为一箱，即为6箱）
货格单元数=82500／250×10／6＝550格
3.3.2确定搬运设备
货架上的存储出入运用巷道堆垛机更加自动化，所以选用巷道堆垛机。
堆垛机是自动化仓库中的重要设备，它是实现托盘货物的自动出入库作业的主要工具。
堆垛机一般用点力驱动，通过自动或手动控制，实现货物从一处到另一处。
他的主要用途是在高层货架的巷道口的货物存入货格；或者相反，取出货格内的货物运送到巷道口。
3.3.3巷道宽度估算
巷道的宽度应保证搬运机械能安全地在巷道内高速穿行，一般巷道宽度为搬运机械总宽加150~400毫米，无轨搬运机械取最大值。
选定堆垛机的宽度为3230mm
巷道宽度=搬运机械总宽度+150~400mm=3230+250=3480mm.
3.3.4巷道高度估算
代表立体仓库设计水平的一个主要参数是仓库的高度，从技术上比较容易实现和经济上比较合理的角度来看，一般不宜设计得太高，以10~20米的高度比较合适，仓库的高度和长度之间没有一定的比列关系，一般采用0.15~0.4之间（德国采用这样的比列占80%），同样，宽度和高度之间没有固定的比列关系，一般在0.4~0.12之间（在德国占80%）。
立体仓库的总体布局主要取决于库存量，即同一时间内存储仓库内的单数，所以了解和推算出库存量是建立合理的仓库系统，特别是立体仓库的重要参数。
3.4基于Flexsim的立体仓库系统建模仿真
在Flexsim仿真平台中构建立体仓库系统的物理模型都可以采取以系统作流程为顺序的思路。
一般的顺序为：
生成器、缓冲区、输送系统、仓库区、出库区，根据此主体流程配合添加例如操作员、叉车、等执行实体，然后构建起各个实体间的正确逻辑关联即可。
3.4.1建立模型
Flexsim软件中支持实体的拖拽，首先可将需要的实体通过拖拽的方式摆放到平面视窗中，等待建模时使用。
步骤1：
在实体库中拖拽生成器到模型平面视图中，
步骤2：
一次将剩余的实体（输送机、处理器等）拖拽到模型平面视图中，并依次摆放整齐。
步骤3：
连接端口，确定货物的移动路线。
步骤4：
在模型中适当添加机器人
步骤5：
在实体库中拖拽吸收器到模型平面视图中
步骤6：
完成整体建立连接后开始进行相应设置。
根据之前得到的数据进行发生器设置
步骤7：
仓库货架的设置
步骤8：
使用堆垛机
这样，一个简单的立体仓库系统模型就已构建完成，可按照实际系统设置参数并进行运行模型，通过实验仿真等方法的得出系统的统计数据，找到系统瓶颈并优化。
3.4.2仿真结果的获取
在前面的模型完成运行后，可以实时得出每一个实体的各项作业效率统计。
打开历史统计数据，观察对象统计记录。
另外，也可以直接生成系统全局的各项统计数据，便于进行整体分析，该统计报告将以Excel表格的形式生成。
在Flexsim软件界面菜单栏中选择“统计”，在下拉菜单中单击“标准报告”，在弹出的对话框中选择需要统计的类型，点击生成报告，将得到基本报告或状态报告。
可在报告中添加变量，并通过表格借口来提供。
3.5仿真结果分析
系统模型构建完成后，利用Flexsim进行多次仿真实验可得出系统长期运行的统计分析结果结果。
对仿真数据进行分析后，从得到的仿真统计报告中，可以通过分析得出系统中那些功能区域出现了拥堵，重点集中
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