物流配送中心的系统仿真.docx

1、物流配送中心的系统仿真物流配送中心的系统仿真石伟;郑晓海【摘 要】由于物流配送中心的作业流程比较复杂，系统仿真已经成为物流配送中心设计中的一个重要工具。配送中心仿真涵盖了管理调度策略、作业过程、布局与设备配置等多个层面。正确的仿真目标、合理的系统建模以及正确的仿真实施步骤是保证仿真分析结果可靠的前提条件。本文结合配送中心设计咨询项目，介绍了如何用仿真方法分析关键设备利用率和主要工艺流程，并提出了改进物流配送中心仿真方法的建议。【期刊名称】物流技术与应用【年(卷),期】2006(011)012【总页数】5页(P86-90)【关键词】物流配送中心;系统仿真;仿真方法;设备利用率;作业流程;中心设计

2、;调度策略;作业过程【作 者】石伟;郑晓海【作者单位】清华大学机械工程系;北京达特烟草成套设备技术开发有限责任公司【正文语种】中 文【中图分类】经济财政 I 幽瞄葡礴蛊 AuthoritativeFor 驵 m物 流 配 送 中 心 的 系 统 仿 真清华大学机械工程系石 伟 北京达特烟草成套设备技术开发有限责任公司郑晓海随着现代物流业在我国的飞速 发展 ， 物流配送中心的作用越来越 受重视。 近年来 ， 各行业在进行物 流改造过程中， 投资建设了相当数 量的物流配送中心， 例如烟草、 图 书、医药等。 由于配送中心的工艺 和流程比较复杂 ， 影响作业效率的 因素非常多， 如何设计配送 中心、

3、 如何评估设计方案能否达到预定要 求是业主和设计方最关注的问题。 在按照理论模型进行设计之外， 离 散事件系统仿真已经在配送中心系 统设计中逐渐成为重要的分析、 决 策手段。离散事件系统仿真作为复杂系 统分析、 评估的有效工具 ， 在诸如 航空航天、 机械制造 、 核能等工程 系统，以及经济、 企业管理、 生态 862006 年第 12 期环境等非工程系统的预测、 控制和 决策中都有着广泛的应用。 在物流 系统规划、 设计中采用系统仿真方 法 ， 能够具体分析系统关键设备的 利用率 ， 评估系统 的总体运行能 力， 用虚拟现实方式直观地演示系 统运行状况 ， 发现可能存在的系统 瓶颈 ， 对比

4、多种系统设计方案。 国 内的许多物流项 目采用了系统仿真 方法进行系统评估， 取得了一定的 成效。本文重点探讨在物流配送中心 设计中采用系统仿真技术的作用和 进行系统仿真的具体方法。 同时 ， 结合笔者在物流配送中心设计和咨 询方面的工作介绍仿真实例 ， 讨论 如何应用仿真分析结果 、 如何选择 仿真分析软件。物流ii送rli 心仍r J内容 在设计物流配送中心方案时 ， 要考虑未来系统能否满足设计要 求，检查系统指标的可实施性。 在 单一作业与多任务并行交叉运行 时，影响作业效率的因素非常多， 一旦某个环节与设计的平均作业流 量偏差比较大 ， 产生的后果是无法 用理论模型或经验来估算的。 采

5、用 系统仿真就可以分析作业流量波动 和特殊情况等对系统运作和关键设 备的影响。物流配送中心的仿真主要从管 理角度来分析整个系统的运作、 调 度和策略 ， 其仿真内容必然涉及相 应的自动化物流子系统的仿真 ， 如 自动立体仓库、 AGV 子系统等。 物 流配送中心的仿真主要有管理调度I幽瞄葡礴蛊 AuthoritativeFor 驵 m石伟北京达特烟草成套设备技术开发有限责任公司随着现代物流业在我国的飞速发展 ， 物流配送中心的作用越来越受重视。 近年来 ， 各行业在进行物流改造过程中， 投资建设了相当数量的物流配送中心， 例如烟草、 图书、医药等。 由于配送中心的工艺和流程比较复杂 ， 影响作

6、业效率的因素非常多， 如何设计配送 中心、如何评估设计方案能否达到预定要求是业主和设计方最关注的问题。在按照理论模型进行设计之外， 离散事件系统仿真已经在配送中心系统设计中逐渐成为重要的分析、 决策手段。离散事件系统仿真作为复杂系统分析、 评估的有效工具 ， 在诸如航空航天、 机械制造 、 核能等工程系统， 86 2006年第 12 期环境等非工程系统的预测、 控制和决策中都有着广泛的应用。 在物流系统规划、 设计中采用系统仿真方法 ， 能够具体分析系统关键设备的利用率 ， 评估系统 的总体运行能力， 用虚拟现实方式直观地演示系统运行状况 ， 发现可能存在的系统瓶颈 ， 对比多种系统设计方案。

7、 国内的许多物流项 目采用了系统仿真方法进行系统评估， 取得了一定的成效。本文重点探讨在物流配送中心设计中采用系统仿真技术的作用和进行系统仿真的具体方法。 同时 ，结合笔者在物流配送中心设计和咨询方面的工作介绍仿真实例 ， 讨论如何应用仿真分析结果 、 如何选择仿真分析软件。物流ii送rli 心仍r J内容在设计物流配送中心方案时 ，要考虑未来系统能否满足设计要求，检查系统指标的可实施性。 在单一作业与多任务并行交叉运行时，影响作业效率的因素非常多，一旦某个环节与设计的平均作业流量偏差比较大 ， 产生的后果是无法用理论模型或经验来估算的。 采用系统仿真就可以分析作业流量波动和特殊情况等对系统运

8、作和关键设备的影响。物流配送中心的仿真主要从管理角度来分析整个系统的运作、 调度和策略 ， 其仿真内容必然涉及相应的自动化物流子系统的仿真 ， 如自动立体仓库、 AGV 子系统等。 物流配送中心的仿真主要有管理调度策略仿真、 流程优化仿真和系统配置优化仿真。1 管理调度策略仿真物流配送中心的优化 目标可以 有许多， 如配送中心各系统运行的 协调性最好、 系统运行效率最高、 设备利用率最合理、 最终客户订单 处理平均时间最短、 运行成本最低 等等。这些 目标往往是互相 矛盾的。建立物流配送中心的系统仿真 模型 ， 可以分析订单排序、 拣选策 略、储存策略等对物流配送中心运行效率的影响。在确定订单

9、排序的时候 ， 传统 做法是根据客户的紧急程度、 客户 对配送中心的效益贡献等因素， 为 客户设定优先级 ， 以优先级决定处 理顺序。 然而 ， 优先级的设定并没 有考虑物流配送中心的运行效率和 运行成本。 应用物流配送中心的仿 真模型 ， 可以根据不同的订单排序 结果 ， 进行仿真。 预先设定优化 目 标、选定输出参数， 就可以比较各 种排序方法对系统 目标的影响， 达 到优化的目的。货物拣选方式一般分为采摘式 和播种式两种。 采摘式适用于物品 品种多， 每个订单所需物品的数量 和品种差别较大的情况。 如果物品 的数量少 ， 订单之间所需物品种类 相近时， 可以采用播种式拣选。 运 用仿真可

10、以将不同拣选方式的运行 过程呈现出来 ， 直观地看到不同方 式对拣选作业效率的影响。 可以根 据订单在不同时期的变化， 选择适 当的拣选方式。为了有效地利用货位空间， 同 时又获得最佳的拣选和出入库效 率 ， 需要制定合理的货位分配的原 则。最常用的原则是 先入先出，就近存放，上轻下重 ，分区存放等。 建 立货位的仿真模型 ， 设定各种货位 分配原则进行仿真运行， 可 以根据 货位利用率等输出结果选取优化的 货物储存策略。 文献建议了确定配 送 中心货位分配和拣选方式 的方 法，采用系统仿真方法验证了货位 分配和拣选方式的运行结果。2作业过程仿真物流配送中心的作业流程不能 看成单一作业流程，

11、而是根据订单 执行的任务不同， 执行不同的作业 流程。 实际上 ， 当系统十分复杂时， 配送中心的作业流程多数时间是在 交叉作业。 在传统的设计方法中， 流程设计是根据人们的经验来确定 的， 而且往往是相互孤立地进行设 计。借助仿真就可以有针对性地解决这一类问题。 例如 ， 在大型物流配送 中心里 ，拣选区往往是多层 、 分区设置 ， 拣选区面积多达几万平方米， 拣选 作业多是手工配合机械设备完成。 拣选的效率和质量决定了一个客户 订单的处理效率和质量 ， 并且进一 步影响到客户服务的响应时间， 即 客户服务质量。 因此 ， 通过系统仿 真优化拣选路径， 对于大型的物流 配送中心是十分必要的。

12、3设备配置与布局仿真 物流配送中心的设备种类多、 投资巨大。 所配备的物流设备一般 包括各种货架 （ 立体库货架、 平面 库货架、 流力式货架、 驶入式货架 等） 、 起重堆垛设备 （ 巷道式堆垛机、巷道高架叉车等 ） 、 运输设备（自动导引车、 辊道输送机、 链式输送机、皮带输送机、 穿梭车、 垂直 升降机、 积放式输送机等 ） 、 分拣设 备高速分拣机、 分拣机器人 ） 和 肌 列晴嚆绉啊 虑设备 达到设减少投： 物流配键设备快设备体仓库l 是非常垛机在： 工作下： 用解析： 两种工l 行程计j 位分配【 的工作能够很i式与订【 及货位 到更可)Mod 仿库的模 堆垛机 种设备： 量与参

13、备协调l统设备r 力的事整个工E方案设l 仿真模l 运行状可以大殳 周期。本步骤哼 真软件E仿真已！ 第 12 期 87 置优化仿真。 1管理调度策略仿真物流配送中心的优化 目标可以有许多， 如配送中心各系统运行的协调性最好、 系统运行效率最高、设备利用率最合理、 最终客户订单处理平均时间最短、 运行成本最低等等。建立物流配送中心的系统仿真模型 ， 可以分析订单排序、 拣选策略、在确定订单排序的时候 ， 传统做法是根据客户的紧急程度、 客户对配送中心的效益贡献等因素， 为客户设定优先级 ， 以优先级决定处理顺序。 然而 ， 优先级的设定并没有考虑物流配送中心的运行效率和运行成本。 应用物流配送

14、中心的仿真模型 ， 可以根据不同的订单排序结果 ， 进行仿真。 预先设定优化 目标、选定输出参数， 就可以比较各种排序方法对系统 目标的影响， 达到优化的目的。货物拣选方式一般分为采摘式和播种式两种。 采摘式适用于物品品种多， 每个订单所需物品的数量和品种差别较大的情况。 如果物品的数量少 ， 订单之间所需物品种类相近时， 可以采用播种式拣选。 运用仿真可以将不同拣选方式的运行过程呈现出来 ， 直观地看到不同方式对拣选作业效率的影响。 可以根据订单在不同时期的变化， 选择适当的拣选方式。为了有效地利用货位空间， 同时又获得最佳的拣选和出入库效率 ， 需要制定合理的货位分配的原则。最常用的原则是

15、 先入先出，就近存放，上轻下重 ，分区存放等。 建立货位的仿真模型 ， 设定各种货位分配原则进行仿真运行， 可 以根据货位利用率等输出结果选取优化的货物储存策略。 文献建议了确定配送 中心货位分配和拣选方式 的方法，采用系统仿真方法验证了货位分配和拣选方式的运行结果。 2物流配送中心的作业流程不能看成单一作业流程， 而是根据订单执行的任务不同， 执行不同的作业流程。 实际上 ， 当系统十分复杂时，配送中心的作业流程多数时间是在交叉作业。 在传统的设计方法中，流程设计是根据人们的经验来确定的， 而且往往是相互孤立地进行设计。决这一类问题。例如 ，在大型物流配送 中心里 ，拣选区往往是多层 、 分

16、区设置 ，拣选区面积多达几万平方米， 拣选作业多是手工配合机械设备完成。拣选的效率和质量决定了一个客户订单的处理效率和质量 ， 并且进一步影响到客户服务的响应时间， 即客户服务质量。 因此 ， 通过系统仿真优化拣选路径， 对于大型的物流配送中心是十分必要的。 3设备配置与布局仿真物流配送中心的设备种类多、投资巨大。 所配备的物流设备一般包括各种货架 （ 立体库货架、 平面库货架、 流力式货架、 驶入式货架等）、起重堆垛设备 （ 巷道式堆垛皮带输送机、 穿梭车、 垂直升降机、 积放式输送机等 ） 、 分拣设备肌列晴嚆绉：物流配l是非常工作下用解析两种工行程计j位分配【的工作及货位到更可)Mod仿

17、堆垛机种设备量与参备协调r力的事仿真模运行状殳周期。哼真软件！第12期87 鲤 期 蚕 舅 酉 圈 眭 勇 AUthorlt&liV 群 争 憩r驵ni 经变得比较容易。 除了具备数据分析、系统建模和实验设计的相关知识之外 ， 正确的仿真步骤是系统仿真成功的重要保证。 物流配送中心仿真的基本步骤如下 ： (1) 确 定仿真 目标，； 根据系统要求的不同 ， 仿真 目标各不相同 ， 通常涉及管理调度策略问题、 设备 配置问题、 运作流程协调问题、 人 员调度等问题。 (2) 系统调研。 系统调研是了 解系统运行状况和采集系统数据资 料的过程， 是为了深入了解系统的 总体流程、 各种建模参数， 以

18、便建 立系统模型。 (3)建立 系统模型。 系统模型 的形式可以是多样的， 有文字叙述 型、流程图型、 图表型、 数学表达式型。 (4) 建立仿真模型。 仿真模型 是将系统模型规范化和数字化的过 程。同时也需要根据计算机运行的 特点增加一些必要的部件。 仿真模 型主要部件有初始化模块、 输入模 块、仿真钟、 随机数发生器、 状态 统计计数器、 事件表、 事件处理子 程序和输出模块等。 (5)模型验证与模型确认。 模 型的验证主要检验所建立的仿真模 型包括系统组成的假设、 系统结构、参数及其取值、 对系统的简化 和抽象 ） 是否被准确地描述成可执 行的仿真模型。 (6) 运行仿真模型 ， 完成数

19、字 实验。 由于离散事件系统大多数是 随机系统 ， 输入变量带有随机性 ， 因此每一次输入一组随机变量所得 结果只是系统的一个随机抽样的仿 真结果。 要按照系统抽样分析的要 求来运行仿真模型。 882006 年第 12 期 (7)仿真结果输 出。 仿真结果 输出有实时在线输出和在仿真结束 时输出两种方式。 当对系统进行动 态分析时， 往往需要了解各种中间 变量或输 出变量的实时变化情况。 目前商用仿真软件一般都可以提供 多种仿真结果输出形式 ， 如表格形 式 ，直方图、 饼图、 曲线图等图形方式 ， 以及数据文件。(8) 分析仿真结果 ， 形成仿真报告。 仿真结果分析是采用统计学 方法 ， 对

20、仿真结果的可信度和精度 进行分析。 对于仿真结果可以有两 种角度的分析， 一种是从系统优化 的角度考虑问题 ， 即对照仿真 目标 考察仿真结果是否满意； 另一种分 析是仿真结果是以多大的可信度和 精度来反映真实的系统。2物流配送中心仿真建模的要素物流配送中心往往是一个人机 结合的系统 ， 既有 自动化设备操 作 ，也有人工操作。 在进行系统调 研和系统建模时 ， 要特别注意收集 以下数据和设计方案。(1)设备选型与特征参数， 包 括各种设备的结构参数和运动参 数。 (2)设备布局与关联 ， 确定设 备的布局以及各设备之间的相对位 置 ，它们之间的逻辑关联关系。 需 要得到整个系统布置的CAD

21、图纸。(3)有关出入库物流量的信息。货物入库信息 ， 包括到达时间 间隔 ， 到达品种、 批量、 顺序等。 客 户订单表明了对物流配送中心货物 出库的请求。 (4)物流出入库路径、 订单拣 选次序、 货位分配原则、 补货方式 等配送中心管理原则和运作方式。 (5) 与具体物流操作相关的信息 ， 如打包机打包的时间、 操作工人完成各种工作的时间等。 例如对于一个自动化立体仓库 系统的调研， 首先要了解自动化立 体仓库的平面布局 、 设备组成、 存 放 的物 品形状 、 尺寸等静态的参 数。其次是订单拣选 、 货位分配等 系统工艺参数。 接下来是系统动态 参数 ，如自动化立体仓库 中堆垛运输机的加

22、速度、 速度， 出入 库物品的到达时间间隔 ， 运输车的 装卸时间等。 还要收集系统逻辑参 数 ， 如 自动化立体仓库系统中堆垛 机三个方向运行之间的互锁关系 ， 运输机与堆垛机之间的衔接关系 立库与分拣系统运作之间的时序关 系 、优先级的约定 、 排队规则的设定、各种解决的原则等。 在物流配送中心运行过程中， 大多数事件的发生是可以预定的， 但也有很多事件的发生是不确定 的，例如货物到达的时间间隔、 操 作时间等。 这些不确定的事件通常 服从一定的概率分布 ， 可以用随机 变量来表示。 采用数据建模方法， 根据输入数据可以确定随机变量服 从哪一种概率分布并确定概率分布 的参数。仿真实例分析某

23、配送中心的规模和物流量都 很大 ， 入库、 补货 、 分拣和出库流 程复杂。 这样一个复杂的物流系统 很难用解析方法进行定量的分析， 采用系统仿真方法可以帮助理解货 物操作的流程、 提出量化的评价值 指标。 系统仿真的目标是 ， 评价系 统设计方案是否合理、 判断整个工 艺流程是否顺畅， 评价未来配送中鲤蚕舅酉圈眭勇AUthorlt&liV 群 争 憩r驵ni通常涉及管理调度策略问题、 设备配置问题、 运作流程协调问题、 人员调度等问题。 (2) 系统调研。 系统调研是了解系统运行状况和采集系统数据资料的过程， 是为了深入了解系统的总体流程、 各种建模参数， 以便建立系统模型。 (3)建立 系

24、统模型。 系统模型的形式可以是多样的， 有文字叙述型、 (4) 建立仿真模型。 仿真模型是将系统模型规范化和数字化的过程。同时也需要根据计算机运行的特点增加一些必要的部件。 仿真模型主要部件有初始化模块、 输入模块、仿真钟、 随机数发生器、 状态统计计数器、 事件表、 事件处理子程序和输出模块等。 (5)模型验证与模型确认。 模型的验证主要检验所建立的仿真模型参数及其取值、 对系统的简化和抽象 ） 是否被准确地描述成可执行的仿真模型。 (6) 运行仿真模型 ， 完成数字实验。 由于离散事件系统大多数是随机系统 ， 输入变量带有随机性 ，因此每一次输入一组随机变量所得结果只是系统的一个随机抽样的

25、仿真结果。 要按照系统抽样分析的要求来运行仿真模型。 88 (7)仿真结果输 出。 仿真结果输出有实时在线输出和在仿真结束时输出两种方式。 当对系统进行动态分析时， 往往需要了解各种中间变量或输 出变量的实时变化情况。目前商用仿真软件一般都可以提供多种仿真结果输出形式 ， 如表格形式 ，方式 ，以及数据文件。 (8) 分析仿真结果 ， 形成仿真报告。 仿真结果分析是采用统计学方法 ， 对仿真结果的可信度和精度进行分析。 对于仿真结果可以有两种角度的分析， 一种是从系统优化的角度考虑问题 ， 即对照仿真 目标考察仿真结果是否满意； 另一种分析是仿真结果是以多大的可信度和精度来反映真实的系统。 2

26、物流配送中心往往是一个人机结合的系统 ， 既有 自动化设备操作 ，也有人工操作。 在进行系统调研和系统建模时 ， 要特别注意收集以下数据和设计方案。 (1)设备选型与特征参数， 包括各种设备的结构参数和运动参数。 (2)设备布局与关联 ， 确定设备的布局以及各设备之间的相对位置 ，它们之间的逻辑关联关系。 需要得到整个系统布置的CAD 图纸。 (3)货物入库信息 ， 包括到达时间间隔 ， 到达品种、 批量、 顺序等。 客户订单表明了对物流配送中心货物出库的请求。 (4)物流出入库路径、 订单拣选次序、 货位分配原则、 补货方式等配送中心管理原则和运作方式。息，如打包机打包的时间、 操作工人完成

27、各种工作的时间等。例如对于一个自动化立体仓库系统的调研， 首先要了解自动化立体仓库的平面布局 、 设备组成、 存放 的物 品形状 、 尺寸等静态的参其次是订单拣选 、 货位分配等系统工艺参数。 接下来是系统动态参数 ，运输机的加速度、 速度， 出入库物品的到达时间间隔 ， 运输车的装卸时间等。 还要收集系统逻辑参数 ， 如 自动化立体仓库系统中堆垛机三个方向运行之间的互锁关系 ，运输机与堆垛机之间的衔接关系 立库与分拣系统运作之间的时序关系 、各种解决的原则等。在物流配送中心运行过程中，大多数事件的发生是可以预定的，但也有很多事件的发生是不确定的，例如货物到达的时间间隔、 操作时间等。 这些不

28、确定的事件通常服从一定的概率分布 ， 可以用随机变量来表示。 采用数据建模方法，根据输入数据可以确定随机变量服从哪一种概率分布并确定概率分布的参数。某配送中心的规模和物流量都很大 ， 入库、 补货 、 分拣和出库流程复杂。 这样一个复杂的物流系统很难用解析方法进行定量的分析，采用系统仿真方法可以帮助理解货物操作的流程、 提出量化的评价值指标。 系统仿真的目标是 ， 评价系统设计方案是否合理、 判断整个工艺流程是否顺畅， 评价未来配送中 襄 姐j i霉” ,i ， 0#I ： fn ； 稚 站 曩 霄 貂 B 爿 - 通过仿真分析 ， 发现 自动立体 整羹辫遥仓库的出入库操作主要存在 以下问 篱

29、 题 ： 1 拆零操作时间与拆零补货的 剿黼罄蓼出库频率不匹配 ， 在拆零补货点上会出现实托盘排队等候。 如果托盘的队列比较长 ， 就会导致立体仓库最南侧的在线拣选操作区出现阻塞现象， 如图 2 所示。 2 由于补货的物流量比较大 ， oMod 仿真模型 由拆零补货所产生的物流都要向二层出库输送系统的南侧集中， 这部下，有很大的机会是入库与出库交分物流量与在线拣选形成了相互干替进行 ， 出入库集中在立体仓库的涉 ，会在输送带南侧 区域产生 阻单侧 ， 使得堆垛机取货物的平均距塞。咨询单位提出将设计方案两层离比较短。 当配送中心在比较正常传送带改为采用三层传送带。 自动的库存水平上运作时 ， 可以把货物立体仓库的三层出入库传送带仿真集中存放在靠近 出入库端 口 的一模型如 图 3 所示。侧， 单侧出入库方法的优势就更加 3 在线拣选的利用率偏低。按明显。照设计要求， 每个托盘的平均拣选表l不同出入库方式下巷道堆垛机的运行状态 发 送 货 物 的发送货物 的平取 货 物 的 平取货物的平均出入库方法 平均时问（ 秒）均占用比例(%)均时间（ 秒）占用比例(%)