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基于Flexsim的物流配送中心仿真及优化研究

发布时间:2014-07-22 22:27

    摘要:配送中心的合理规划建设,对企业提升市场竞争力,提高顾客满意度,降低物流成本等有着极其重要的作用。配送中心运作过程中存在很多决策分析的问题,现有的研究多致力于采用“解析方法”,如启发式算法、目标规划法、动态规划法、人工智能规划法等来加以求解,但用传统的数学模型和优化算法往往无法预测其在实际运作过程中可能会出现的各种瓶颈。物流仿真软件不仅能很好的解决这一难题,还可以通过改变一些重要参数的设置以及改善配送中心的作业流程对整个系统进行优化,以提高配送中心的整体经济效益。因此,近年来,运用物流仿真软件对配送中心系统进行动态研究已得到越来越多学者的青睐。一般情况下,建立配送中心,主要考虑的:配送中心设施、设备的运行效率与利用率;配送中心在进行出、入库等作业时有无阻塞现象发生;配送中心的拣选系统是否存在瓶颈等。Flexsim作为针对离散物流系统进行建模和仿真的软件平台,是配送中心仿真研究的理想选择。本文首先对某配送中心欲实现的功能和运作流程进行深入、系统的分析;接着运用Flexsim建立仿真模型,通过仿真数据分析配送中心库存水平、设备利用率及订单完成效率等重要性能指标;最后,从补货策略、人员、设备数量及设备工作效率等方面对模型进行优化,并给出改进意见和建议。

    关键词:配送中心  系统仿真  系统建模  物流仿真

    1 某配送中心功能概述

    配送中心仿真不仅可以为即将建立的配送中心提供方案评估及论证依据,也可以对已建成配送中心的经济效益及人员、设备配置的合理性进行科学评价,从而避免资金、人力和物力的浪费,提高配送中心的综合效益,为消除配送中心运行“瓶颈”、挖掘配送中心发展潜力提供科学、合理的理论依据和决策支持。本文所研究配送中心接收上游3个供应商提供的3种不同类型的产品,由产品入库区、产品储存区、产品分拣区、产品出库区四个主要功能区组成。配送中心功能区分布如图1所示。
 

图1 配送中心功能区分布图
 
    1.1 配送中心人员及设备配置
(1)入库区:由3个产品入库口,3个入库加工台,3个入库产品暂存区,3个组盘器,1个托盘入库口,1个托盘存放区,1个托盘回转区,3个组盘机械手和1辆托盘运送叉车组成。配送中心共有200个托盘,入库区中每个托盘可以装载8个单位产品,托盘运送叉车负责将托盘从存放区运至入库区组盘器。同时,为了保证配送中心的合理库存量和较好经济效益,当入库产品暂存区的存储量达到20个时,它的输入端口自动关闭;当存储量小于8个时,输入端口自动开启。
(2)储存区:由3个货架和3台自动堆垛机组成,每台堆垛机负责相应货架的出入库作业。3个货架均设置成10行10列,每个货格只允许存放一个托盘货物,即每个货架存储托盘最大量为100。考虑到存储成本和安全库存量,结合各类货物的以往销售数据,设置货架当存储量大于80时自动关闭输入端口,当存储量小于20时自动开启输入端口。
(3)分拣区:由3个拆盘器,3个托盘暂存区、3个产品暂存区,3个拆盘机械手,1辆托盘回送叉车,1个产品打包台,1个打包箱生成器和1个拣选操作人员组成。其中,3个拆盘器负责从入库区进入的对应托盘产品的拆盘作业,机械手则负责把拆卸下来的空托盘放入托盘暂存区,并把产品放入对应的产品暂存区。当订单来临时,拣选操作人员负责按照订单要求的数量将所需产品送至打包台进行打包作业,订单由20组随机生成的0-10之间的数字组成,并设置生成类型服从(1,20)的均匀分布。为了更好的控制整个配送中心的作业流程,分拣区内的3个产品暂存区的最大容量均设置为10。
(4)出库区:由1个产品分类器,10个传送带,10个产品暂存区和1个产品接收器组成。出库区主要功能是,把按订单打包好的产品按预先设定好的配送路线进行分类整理,并放置到对应的产品暂存区。在出库区,每个产品暂存区将分别接收两类订单组成的产品。
   1.2 配送中心人员及设备建模
    上节所列配送中心需要用到的实体设备均可在Flexsim仿真软件的实体库里找到对应的仿真对象,不需导入使用AutoCAD等绘图工具制作的三维文件。配送中心实体设备与Flexsim仿真软件实体库仿真对象的对应关系如表1所示。
 
表1 配送中心实体设备与Flexsim实体库对象对应表
 
实体设备 Flexsim仿真软件实体库对象
产品、托盘、打包箱 生成器(Source)
入库加工台 处理器(Processor)
组盘台、打包台 合成器(Combiner)
暂存区 队列(Queue)
机械手 机械手(Robot)
操作人员 操作员(Operator)
叉车 叉车(Transporter)
货架 货架(Rack)
拆盘台 分离器(Separator)
堆垛机 堆垛机(ASRSvehicle)
产品分类器 分类输送机(MergeSort)
传送带 输送机(Conveyor)
产品接收器 吸收器(Sink)
 
    2 配送中心系统流程
该配送中心的系统流程分为以下两个主要环节:入库储存和出库分拣,其运作流程分别如图2(a)和(b)所示。
    3 配送中心仿真
在对配送中心人员、设备进行分析、配置的基础上,构建其整体仿真模型。
3.1 入库区实体及参数设置
入库区由4个生成器,3个处理器,5个队列,2辆叉车,3个机械手和3个合成器组成。入库区实体参数设置如表2所示。

 
 

       
   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

图2 配送中心系统流程图
(a)入库储存流程; (b)出库分拣流程
 
表2 入库区对象参数设置
实体名称 对象说明 参数设置
Source1-3 产品发生器 Source1和2分别服从uniform(7,11)和uniform(6,10)的均匀分布,Source3固定到达时间设置为8分钟,共生成3种不同类型的产品
Source4 托盘发生器 系统一开始运行即生产200单位的托盘
Processor1-3 入库加工台 加工时间均设置为2分钟
Queue1-3 产品暂存区 最大容量均设置为30
Queue4、5 托盘存放区 托盘回收暂存区最大容量设置为10,托盘存放区最大容量设置为300
Transporter1、2 托盘叉车 最大运载能力分别设置为3和10,运行速度设置为20分钟和2分钟
Robot1-3 组盘机械手 一次最多可搬运8个单位产品,最大工作速度设置为2分钟
Combiner1-3 组盘合成器 加工时间设置为10分钟
 
3.2 储存区实体及参数设置
储存区由3个货架和3个堆垛机组成,储存区实体参数设置如表3所示。
 
 
表3 储存区对象参数设置
实体名称 对象说明 参数设置
Rack 1-3 货架 货架设置成10行10列,最大容量为100,每个货格存放一个托盘产品,当货架的存储量达到80个时,系统将关闭货架的输入端口;当存储量减少到20个时,系统将自动打开货架的输入端口继续补货
ASRSvehicle1-3 堆垛机 每次运送数量设为1,最大工作速度为2分钟
 
3.3 分拣区实体及参数设置
分拣区由3个分离器,3个机械手,6个队列,1个合成器,1个发生器和1个操作人员组成。分拣区实体参数设置如表4所示。
 
表4 分拣区对象参数设置
实体名称 对象说明 参数设置
Separator 1-3 托盘分离器 参数保持默认设置
Robot1-3 托盘分离机械手 一次最多可搬运8个单位产品,最大工作速度设置为2分钟
Processor1-3 入库加工台 加工时间均设置为2分钟
Queue6-8 托盘暂存区 最大容量均设置为10
Queue9-11 出库产品存放区 最大容量均设置为10
Combiner4 打包合成器 加工时间设置为20分钟
Source5 包装箱生成器 每1分钟生成1个包装箱;在生成触发中,设置生成类型服从(1,20)的均匀分布
Operator1 打包人员 设置最大搬运量为30个,工作速度为2
 
3.4 出库区实体及参数设置
出库区由1个分类输送机,10个输送机,10个队列和10个吸收器组成。出库区实体参数设置如表5所示。
 
表5 分拣区对象参数设置
实体名称 对象说明 参数设置
MergeSort1 分类输送机 在恰当位置设置10个输出端口
Conveyor1-10 输送机 保持默认设置
Queue12-21 出库暂存区 保持默认设置
Sink1-10 出库吸收器 保持默认设置
 
    4 仿真运行及数据收集
假设系统的1个单位仿真时间相当于实际的1分钟。设置仿真时间为43200个单位,即模拟配送中心实际运行1个月的情况。运行模型,得到的配送中心各项重要性能指标如表6至表8所示。
 
表6 库存水平
货架编号 最大存货量(箱) 周转量(箱) 平均存货量(箱) 平均存放时间(m)
1 3 599 0.17 12.22
2 65 609 31.84 2050.19
3 80 456 43.41 4005.09
 
 
表7 订单完成效率
设备名称 运行时间(%) 收集订单时间(%) 订单完成平均时间(m)
打包合成器 40.3 59.7 49.6
 
 
表8 主要设备利用率
设备名称 闲置率(%) 空程比率(%) 工作行程比率(%)
托盘回收叉车 8.3 41.3 50.4
托盘运送叉车 66.4 17.3 16.3
组盘机械手 59.2 20.1 20.7
堆垛机 52.2 23.9 23.9
拆盘机械手 73 8.8 18.2
打包人员 57.7 14 28.3
 
 
    5 效率分析及系统优化
各个功能区参数设置好后运行仿真模型,观察仿真数据,可以看出一些参数设置得不够合理。比如,货架1的最大存货量为3箱,平均存货量仅为0.17箱,也就是说货架1上基本没有存货,托盘经过组盘合成器进入储存区后很快又被运出至分拣区,仓库利用率很低,造成这种现象的主要原因是产品入库加工和组盘的速度赶不上分拣的速度,以至于产品停留在储存区的时间很短。除此之外,打包合成器的收集订单所占时间比率太大,说明分拣效率太低,常常需要等待;组盘合成器3的等待运输时间过长,说明相对应的堆垛机的运行效率设置得不合理;托盘运送叉车和打包人员闲置率分别高达66.4%和57.7%,反映出组盘时间过长和分拣效率太低,经常造成设备和人员的闲置。
通过分析可以得出,配送中心的综合效率和重要性能指标跟入库区的工作效率、储存区的存货策略以及分拣区人员、设备是否协调运作都有直接的关系。下面分别从补货策略、人员、设备数量及设备工作效率等方面对模型进行优化分析。
(1)改变储存区安全库存
原来模型中设置当货架存量大于80时,关闭货架的输入端口,停止补货;当货架存量小于20时打开货架的输入端口,继续补货,这样造成货架的利用率较低。为了提高货架的利用率和平均存货量,可以设置当货架存量大于90时停止补货,当货架存量小于50时继续补货。
(2)调整人员、设备数量
由于托盘运送叉车和组盘机械手的闲置率分别高达66.4%和59.2%,可以考虑不另外设置托盘运送叉车,而是让组盘机械手完成托盘领取任务。另外,拆盘机械手的平均闲置率也较高,可以减少其数量,使用一台拆盘机械手即可满足需要。
(3)提高人员、设备效率
在原模型中,组盘合成器的收集时间和等待时间均较长,原因是产品到达速度较慢和堆垛机效率较低,为了使这一作业能更好的衔接,可以加快产品入库速度,同时提高堆垛机的工作效率。
    结论与总结
配送中心的仿真研究,目的是分析配送中心的各项重要性能指标是否合理,从而为配送中心规划、建设与升级、改造提供科学决策依据。本文研究一个由3种不同类型产品的入库、储存、分拣及出库作业构成的完整配送体系,通过Flexsim仿真,运行模型并分析数据,从安全库存量选取、人员和设备配置及效率的提高等方面对系统进行优化,对配送中心的规划和改进有较高的参考价值。
作者单位:福建农林大学交通学院交通运输系
    参考文献:
[1] 王红卫,谢勇,王小平,祁超.物流系统仿真.北京:清华大学出版社,2009.4:217-232
[2] 彭扬,吴承健.物流系统建模与仿真.杭州:浙江大学出版社,2009.5:248-272
[3] 张晓萍,刘玉坤,系统仿真软件Flexsim3.0实用教程.北京:清华大学出版社,2006.12:411-412
 


本文编号:4148

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