1、基于Flexsim的自动化立体仓库仿真与优化南 昌 工 程 学 院毕 业 设 计 (论 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Flexsim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 幅摘
2、 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
3、行的最佳方案。关键词：自动化立体仓库 Flexsim 仿真 优化AbstractAutomatic Storage & Retrieval System(AS/RS) is the product of the thought and technology application of modern logistics management, it includes some subsystems such as AGVS、ASS、PLC and so on. Putting Flexsim software into optimization of resources configurati
4、on in Automatic Storage & Retrieval System, In order to improve the operating efficiency of various devices in the system, allocate system resources rationally to meet the actual demand, this paper presents a simulation analysis about Automatic Storage & Retrieval System by the use of Flexsim softwa
5、re.Aiming at the characteristics of Automatic Storage & Retrieval System, it will be divided into three parts: Stock-in operation system, stock-out operation system and storage operation system .The 3D model of Automatic Storage & Retrieval System is build on the basis of abstraction and optimizatio
6、n about the system, it also unites dynamic simulation characteristics of Flexsim software. By running the simulation model of this system, the paper explores the problems in current system and puts forward the optimization scheme. The best solution of the system is found though the analysis and comp
7、arison between the old system and the new.Key Words: AS/RS; Flexsim; Simulation; Optimization第一章 绪论1.1 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
8、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
9、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
10、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性和实用性。1.2 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
11、，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
12、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
13、 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。1.3 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。
14、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2.1 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
15、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198
16、0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/
17、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。1.土建及公用工程设施。主要包括库房、消防系
18、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
19、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20005000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
20、紧密程度划分。包括独立型、半紧密型和紧密型。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。1.AUTOMODAutoMod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.SIMAnimationSIMAnimation是美国3i公司设计开发的集成化物流仿真软件。SI
21、MAnimation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.AnyLogicAnyLogicTM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
22、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.FlexsimFlexsim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
23、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
24、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
25、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。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F
26、lexsim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3.1 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
27、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
28、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。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
29、寸为1200mm800mm150mm。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
30、重量300kg水平运行最大速度(负载)180m/min货叉伸缩运行最大速度(负载)35m/min最大速度(空载)180m/min最大速度(空载)50m/min最大加速度0.5m/s2最大加速度0.5m/s2垂直运行最大速度(负载)63m/min最大速度(空载)80m/min最大加速度0.3m/s2(3) 托盘分发(收集)器分发(收集)器处理托盘规格为：1200mm800mm150mm，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
31、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。图3.2 自动化立体仓库出入库作业流程图3.2 自动化立体仓库
