Flexsim仿真优化课程设计

1、 物流工程综合课程设计说明书题目 物流工程综合课程设计 学生姓名： 丁东明 学 号： 200805020115 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 物流工程 指导教师： 孙军艳 杨玮 2011- 年12 月 28日 目录1课程设计内容22课程设计步骤22.1立体仓库系统概念与特点 .22.2立体仓库的主要设备.22.2立体仓库系统的主要参数42.4立体仓库系统的设计原则52.5立体仓库系统描述.52.5立体仓库系统设计.92.7基于Flexsim的立体仓库系统建模仿真.122.8仿真结果的获取182.9仿真结果分析.222总结244附录.24 1. 课程设计内容本次课程设计我选择的案例是第一

2、届物流大赛的第十个案例：A经理的担忧仓储设计。 首先，根据案例总结主要问题。主要有两方面的问题：一个是仓库设计的问题，另一个是管理的问题。本课程设计重点解决仓库设计的问题，管理问题为次重点。 为解决仓库设计不善而给个想做也带来的不便，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，不断改善设计，达到优化设计方案和解决问题的目的。下面开始对立体仓库的阐述。 2. 课程设计步骤 2.1立体仓库系统概念与特点。2.1.1立体仓库系统概念。自动化立体仓库是高层或及仓库的高级形式，又称为自动仓库系统（automatic storage & retrieval s

3、ystem，AS/RS）,它是现代物流技术的核心。它一高层里提货架为主要标志，使用成套先进的搬运设备，以先进的计算机控制技术为主要手段，实现管理、监控、执行的功能，是集信息、存储、管理于一体的高技术密集型机电一体化产品。高架仓库的出现和发展，使传统的仓储观念发生了根本的变化。从以前的固定货位、人工搬运和管理、以存储为主的传统仓储作业，转变成为货位可以随机安排，且可在存储的同时对货物进行拣选和配送的现代存储。自动化高架立体仓库的出现使原来的“静止”仓库变成了“动态”仓库。2.1.2自动化立体仓库的特点：2.1.3占地面积小，仓储容量大。有于仓库向高层发展，同时堆积机的作业通道减小，因此极大提高了

4、仓库面积的作业效率和空间利用率。2.1.4提高保管质量。采用立体货架存储方式，每件货物分别存放在货架的独立格内，彼此不堆压，取运手段采用机械化作业，保证提高了货物的完整性。2.1.5可方便、迅速地进行货物的出入库作业，提高工作效率。由于货物分别存放在不同的独立格内，彼此互不堆压，所以在存取时互不干扰。特别适用于库存品种繁多，且货物出入库次序无规律的仓库。2.1.6便于实现仓库作业的机械化、自动化，因而可以节省劳动力，减轻劳动强度，提高出入库作业率和仓库周转能力。2.1.7提高储存的经济效益。立体仓库可以大大提高库存管理的准确性和迅速性，相对减少库存量和库存资金，降低储存成本。2.2立体仓库的主

5、要设备 一般来说，自动化立体仓库包括入库暂存区、检验区、码垛区、储存区、出库暂存区、托盘暂存区、不合格品暂存区及杂物区等。规划时，立体仓库可根据用户的工艺特点及要求来规划分各区域或增减各区域；同时，还要合理考虑物料的流程，使物料的流动能够畅通无阻，以上直接影响到自动化立体仓库的能力和效率。为构成有机的整体，实现存储作业功能，自动化立体仓库系统一般包括存储系统、搬运系统、输送系统、消防系统、电控系统和计算机管理系统等。自动化立体仓库设备主要包括一下几种。2.2.1货架货架是自动化立体仓库中最主要的组成部分。其托盘和周转箱中的货物提供自动存储的空间。常用的货架有悬臂货架、流动货架、水平或垂直旋转货

6、架等。作为一种承重结构，货架必须具备足够的强度和稳定性，同时作为一种设备，高层货架还须具有一定的精度和在最大工作负荷下的有限弹性变形。货架的结构及功能有利于实现仓库的机械化和自动化。由于货架是一种架式结构物，所以它可以充分地利用仓库空间，提高库容利用率，扩大仓库存储能力。存入货架中的货物，互不挤压，可完整保证无资本省的功能，减少货物的损失。货架中的货物存取方便，便于清点计算，可实现先进先出。另外货架还可采用防潮、防尘、防盗等措施，以提高存储物的质量。2.2.2堆垛机堆垛机是自动化仓库仓库中的重要设备，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

7、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。2.2.3货物输送系统输送系统是伴随着生产物流和存储仓库产生的。它通过各种输送设备吧工厂中的各个部分和各个生产工位连接起来，实现系统中货物的流动。货物输送设备包括辊道输送机、链式输送机、带式输送机及自动分拣系统等。2.2.4 自动搬运系统（AGV） AGV是一种自动引导小车，它装备有自动导引装置，能够沿一定的引导路径行驶，可以在人工操作难以保证的环境下，代替输送线实现货物的自动运输。AGV小车具有小车编程与停车选择装置、安全保护装置以及各种移栽装置，它已经成为现代物流系统的关键设备之一。2.

8、2.5堆垛机器人 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立体仓库系统的主要参数立体仓库最重要的两个性能参数是仓库仓容量和出入库频率。库容量是指仓库能容纳物品的数量，是仓库内除去必要的通道和间隙后所能堆放的最大数量。在规划和设计仓库是首先要明确库容量。库容量一般以托盘单元为单位来描述。库容量是指仓库能容纳物品的数量，是仓库内除去必要的通道和间隙后所能堆放的最大数量。，出入库频率可用“t/h”或者“托盘/h”来表示。此外，决定仓库性能的还有以下一些因素和参数，包括：储存物品的特性、托盘及其辅助工具的尺寸、仓库的自动化程度、出入库平均作业时间

9、、仓库约束条件（如运输条件、仓库高度、面积及地面承载能力等）等。评价仓库经营效率的主要指标为库容量利用系数和库存周转次数。库容量利用系数是平均库存量与最大库容量之比。由于这是一个随机变动的量，一般取它的平均值作为考核指标。库存周转次数是年入库总量或年出库总量与年平均库存量之比。对于生产性或经营性的仓库，库存周转次数越多说明资金周转越快，经济效益越高。一些经营好的仓库可以达到每年24次以上（即平均半月一次的周转速度）。其他主要参数如下：2.3.1单位面积的库容量：总库容量与仓库占地面积之比。在土地紧缺、征用费用高的地方，这是一个很重要的经济指标。2.4.2全员平均劳动生产率：仓库全年出入库总量与

10、仓库总人数之比。该参数主要取决于仓库作业的机械化程度。2.3.2装卸作业机械化程度：装卸机械装卸货物的作业量与总的装卸作业量之比。2.3.3机械设备的利用系数：机械设备的全年平均小时搬运量与额定小时搬运量之比。可用次系数来评估机械设备系统配置的合理性。2.4立体仓库系统的设计原则自动化立体仓库是由种类众多的自动化物流机械设备所组成，系统中任何活动的完成都离不开固定的硬件设备的支撑，因此，立体仓库系统流程的规划和设备的布局方式对系统作业效率的影响是非常大的。科学的系统布局以及合理的作业流程设置能够使企业内部货物流动更加顺畅，避免因不合理而引起的拥堵，同时也能够有效地减少各个作业流程间的路程，减少

11、时间的耗费。实践证明，遵循一定的设计原则会大大地提高工作效率和产生最佳的生产效益。2.4.1明确设计目标：再设计过程中，确定设计的做优化指标，避免其他次要因素的干扰。2.4.2保持物料向前移动：保持物料始终向最终目的地移动，尽量避免返回、侧绕和转向。直接从起点到终点的路线是最经济、最快捷和最有效的。2.4.3物料处理次数最少：不管是以人工方式还是自动方式，每一次物料处理都需要花费一定的时间和费用。通过复合操作，或者减少不必要的移动，或者引入能同时完成多个操作的设备，可以减少处理次数。2.4.4何用合适的设备：对于具体的应用，选择合适的设备可能是成功与失败的分水岭，能完成规定任务最廉价而有效的设

12、备是合适的设备。面对多种设备时，设计者必须根据自己的经验及其他信息作出最佳选择。2.4.5最少的人工处理：最少的人工处理，人工处理是昂贵的，并且容易产生错误。2.4.6系统简化原则：尽量使用以低成本能完成工作的最简单的系统。一般来说，系统越简单，操作和维护成本越低，可能性越高，系统响应速度越快。2.4.7容量富余原则原则：增加一个超负荷系统的容量是一件困难的事情，因此要设计一个能满足现在即将来发展需要的容量。设计者与管理者应能根据发展规划预测出未来要增加的容量。2.4.8高效率利用原则：系统的自动化程度越高，其固定成本越高。应尽量减少设备的空闲时间。此外，由于故障或缺料，避免空间的浪费。2.4

13、.9降低使用成本原则：在设计中，要能预测系统的使用费用，尽量保持在很低的水平，着将为系统的使用带来效益。2.4.10利用有效空间原则：由于自动化仓库需要大量建筑和各种设施，要占用经费，因此要充分利用库房内外的空间存储物料，避免空间的浪费。2.4.11复合操作原则：尽量吧几种操作合并在一起进行，便于出库与入库穿插进行。2.4.12简化流程原则：美中操作都需要一定的费用，要尽量减少操作。2.4.13最短移动距离原则：以物料和设备最短的移动距离达到指定的目的地，移动距离越长，所需时间和费用越多。2.4.14标准简化原则：标准的产品、设备和货物单元能为制造与使用者带来极大的方便，这也是国外的发展趋势。

14、2.5立体仓库系统描述2.5.1系统的实体与事件自动化立体仓库系统有多少个具有机械自动化特征的装备共同组成，同时它们也是立库建模仿真中的主要组成部分，按照功能及生命周期可以分为临时实体和永久实体。定义临时实体为自动化立体仓库的活动部分，它在某时刻到达并进入系统，在系统中停留一段时间并与其他实体发生作用后离开系统，具有生命周期。定义永久实体为自动化立体仓库中固定的部分，它永久停留在系统中。整个仿真系统中临时实体的到达和离开及实体之间的相互作用促使系统的内部状态发生变化。所有实体设备均具有自身的主要属性参数（表8-1）不同的参数设置决定了立体仓库系统的作业效率。表8-1实体与实体属性及事件实体实体

15、属性实体事件堆垛机作业容量 运行速度 加速度 装载作业时间升降速度接受系统指令、出库、入库输送机作业容量 运行速度 长度货物分类拣选、出库、入库货物货物种类 货物尺寸 货物数量 货物起止点到达、入库、出库、离开货架货架容量 货格容量 货格高度 货格载重量出库、入库定义事件为引起自动化立体仓库状态发生变化的行为。只有在事件的作用 下，自动化立体仓库的状态才会发生变化。系统的状态定义为系统内实体的数目，以及实体属性的变化。而当事件发生时，总会引起自动化立体仓库的状态发生变化。图8-2描述了实体库中的实体分类以及各实体的主要属性及参数尺寸、触发机制、作业路径、运行动作位置、尺寸、显示设置、2D模型货

16、架(Rack)仓库（Warehouse）机器手（Robot）操作员（Operator）卡车(truc)自动搬运车系统(AGV)叉车（Transporter）输送机（Conveyer）静态实体（Static Object）实体库（Library）动态实体（Dynamic Object）图8-2 立体仓库系统模型实体库结构图 2.5.2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

17、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。叉车堆垛机出库区出库站台输送机堆垛机货架入库站台输送机叉车自动分拣装置货物当货物运送到立体仓库后，首先有操作员在理货区进行验收、理货、，并按照仓库所要求的码盘工艺将成件货物几种码放在托盘上，使之成为托盘单元化的标准货物运送到指定的货物存放位置，完成货物的入库过程。与此同时，在出库时，巷道堆垛机行驶至指定的货位，取出托盘货物运送至输送机，有输送机将货物送至出库站台，并有叉车运送到库口，最后由操作员完成复核并装车，作业流程见图8-2图8-2 立体仓库作业流程图在仓储作业中，主要工作是上面介绍的验收入库、拣货出库等。但是在

18、整个作业流程中也离不开一些辅助性的作业，主要指装卸搬运，还有包装与流通加工等。建模和仿真过程中同样需要考虑这些辅助作业流程，计算这些流程的作业时间，以便提高真实度和仿真结果的精确度。2.6立体仓库系统设计 2.6.1立体仓库主要由理货区、入库区、货物存储区、出库区、等部分组成，理货区进行入库货物的验收、分拣、包装等工作，掌握入库货物的品种、规格、数量等相关信息。入库区的职能是将托盘有理货区运送至入库平台，等待入库，货物存储区主要是存放货物。以此来看，立体仓库最为主要的职能就是完成货物的存储，所以在进行系统整体设计时首先要对仓库的总体库存能力进行预测。流程以预测系统的存储需求量作为初始步骤。首先

19、通过对历史的数据进行调查分析，得出企业的年平均存储需求量；而后从物流流通的角度，利用经验系数确定库容量大小。对自动化立体仓库设计流程采用自底向上的方式，如前文中提及，首先得步骤为系统调查分析，确定总体库存容量，确定货物特征以及集装单元的材质特征、尺寸特征和集装方式等。并根据以上的结构计算出系统货位数、货格数以及货架的尺寸及布局形式，最后选择相匹配的机械设备和出入库衔接方式，确定巷道数及宽度，最终进行系统建模与仿真，如图8-4所示。库存风险计算确定系统仓储能力确定库存策略确定货物周转次数计算仓库年存储量预测存储需求量图8-4 自底向上的自动化立体仓库设计流程2.6.2托盘单元的确定 立体仓库的最

20、小货物单元，及集装单元一般为托盘方式存储。而在立体库中存在的托盘一般有1200mm*1000mm，1200mm*800mm，1100mm*1100mm三种规格，目前通用性较高的为1200mm*1000mm规格的木质托盘。确定托盘规格后，根据货物的尺寸特征设计码盘方式，以确定最小货物单元的尺寸参数，一般包括重叠式、纵横交错式、正反交错式及旋转交错式四种。2.6.3 货格单元的设计托盘单元的规格尺寸确定完成后，便可进行货格单元的设计。根据仓库设计的需要，可选择横梁式货架或牛腿式货架，两种货架各有不同的设计规则。横梁式货架每个货格可以存入两个或三个货物单元，牛腿式货架每个货格只能存放一个活物单元。选

21、择好货架类型后再根据设计规则确定其侧面间隙、垂直方向间隙和宽度方向间隙，以确定货格单元的尺寸。以下对横梁式货架的货格单元设计进行说明。图8-6 横梁式货架双货物单元货格结构图货格单元宽度 c货格a单元宽度托盘单元宽度图8-7 横梁式货架三货物单元货格结构图在货格单元的设计过程中需要注意以下参数:Pallet Width 托盘单元宽度：Pallet Height托盘单元高度;Pallet Length托盘单元长度;Cell Length货格单元宽度；Cell Width货格单元高度；Cell Depth货格单元进深。另外还有几个重要的间隙参数a，b，c，以及货架立柱的宽度M。针对以上两种货格形式

22、的计算方法如下：1)双货物单元货格结构。Cell Width=2*Pallet Width+2*a+2*c+MCell Depth=Pallet Length +(200200mm)Cell Height=Pallet Height+b 2) 三货物单元货格结构 Cell Width=2*Pallet Width+2*a+c+MCell Depth=Pallet Length +(200200mm)Cell Height=Pallet Height+b在上式中：a=75100mm;b=(0.850.8)*Pallet Width;c=2*a(2)货架尺寸的设计货物单元格的尺寸确定后，可根据仓库

23、的作业面积、大致的布局设计货架的总体尺寸。首先可根据分析得出的仓储能力确定货格单元的数量，而后决定货架的形式布局和巷道数。具体的确定有静态法和动态法两种基本方法，以下对静态法做具体说明。静态法师根据仓库最大规划确定有关尺寸的方法，即仓库长度（或货架列数）、仓库宽度（或巷道数及巷道深度）、仓库高度（或货架层数）、仓库容量（或货位数）。动态法是根据所要求的出入库频率和所选定的堆垛机的速度参数来确定货架的总体尺寸。已知货架单元的高度为Cell Height，货架的进深为Cell Depth，仓库的高度为Hw，仓库的货位数位w,货架的层数位C =Hw-hCell Height其中，h为货架顶面到仓库顶

24、下下弦的垂直距离。设巷道数位Gn，则当Gn=n时，可以求得每层货格数为L=w2*Gn*C则货架的总长为 L=Cell Width*L（1） 系统总体布局的设计待货架的数量及总体布局尺寸确定后，便需要设计货物的流动方式或仓库的总体布局形式。货物的流动方式对自动化立体仓库来说至关重要，从某种意义上来说，货物流动方式决定自动化立体仓库的设计布局。货物在自动化立体仓库中的流动方式一般分为三种，即同端出入式，贯通式和旁流式。同端输入式是货物的入库和出库作业位于巷道同一侧的布局方式，其中又有同层同端出入式和多层同端出入式两种。这种布局方式最大的优点是能够缩短出入库作业的周期。尤其是在仓库库存量不大、货位随

25、记自由分配时，效果更加明显。此时，系统会指定将货物存放于距离出入库作业区最近的货位中，缩短了作业的距离，提高出入库效率。同端输入式布局图贯通式布局图旁流式布局图贯通式机货物从巷道的一端入库，有另一端出库。这种方式总体布置比较简单，便于管理操作和维护保养，但对于任何一个货物单元来说，完成由入库至出库的全生命周期，堆垛机均需要穿过整个巷道，增加了搬运距离，增加了作业时间，降低作业效率。旁流式是货物从仓库的一端（或侧面）入库，从侧面（或一端）出库。这种方式是将货架中间分开，设立通道，同侧门相同。这样就减少了货格，即减少了库存量，但是由于可组织两条线路分别进行搬运，提高了搬运效率，方便了不同方式的出入

26、库作业。 在设计过程完成后，根据设计方案构建出系统的物理模型，通过仿真的方式得出系统的作业运行效率，找出系统存在的瓶颈并优化，经过多次迭代后得出系统的最优设计方案。2.7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 出库区 输送系统 立库区 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。在确定了立库的布局等各项参数后，就可以在Flexsim软件中构建出系统的物理模型。下面将结合一个简单的案例对立体仓库系统的建模与仿真过程进行介绍。

27、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（Library）中拖拽生成器（Source）到模型平面视图中，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3、连接端口，确定货物的移动路线。其中，出入-关系（出入端口）建立连“A”键，取消连接按“Q”键；控制关系（中间端口）建立连接按“Q”键，取消连接按“W”键。关联构建完成如下图4、在模型中添加一个调度机（Dispatcher）和两个操作者（Operator）。调度机用于工作团队和输送机的任务调派。从对象栏中分别拉一个调度机和两个操作者到模型

28、中。5、连接中心和输入输出端口。由调度机控制操作者将货物运到处理器，据此调度机必须连接到要求操作者进行操作的对象队列的中心端口，同时需将操作员与调度机连接。6、改变队列流向，使用操作者。改变队列参数，使用操作者进行物料搬运。双击图形对象“队列”，出现参数设置界面。选择临时Flow，选中Output栏中的Use Transport，如下图当使用运输工具被选中后，出现了“按下列请求运输工具”，这个下拉菜单选择操作者被连接的中心端口。在此模型中，将连接调度机分配任务给操作者。点击确定，关闭参数设置图形界面。7、添加叉车（transporter）。添加叉车将物料从输送机队列搬运到出口，其操作过程同上。

29、但是由于模型中仅有一个叉车，所以无需调度机，直接将叉车连接到队列的中心端口。拖拽实体“叉车”到模型中，成功连接队列和叉车之间的中心端口后模型如下图：8、调整队列流向参数，使用叉车。调整队列流向参数，使用叉车。双击图形对象“队列”出现参数设置界面：选择Flow对话框，选中“使用运输工具”队列中心端口已经被连接，无须再作调整。点击确定，关闭设置界面。保存模型。9：将输送机（Conveyor）的形状修改成弯曲结构，双击对象“输送机”，进行输送机设置，其余两个输送机进行同样操作10：在输送机与吸收器Sink之间拖拽三个货架(Rack).从实体库只能怪选择货架，并拉动到模型中，并建立从队列到每个货架的连

30、接 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。2.8仿真结果的获取2.8.1，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，分析模型是否存在瓶颈。选中需要统计的实体，鼠标右键单击，在弹出的菜单中选择“Properties”，然后在弹出的对话框中选择“Statistics”选项卡，则可得到关于该实体的各项实时统计数据。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

31、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。2.9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，重点集中在那个设备。另外还可以找出那些设备工作负荷过低，长时间处于闲置状态。以上问题的发现可对立体仓库系统的优化起到很好的指导作用。对于仿真结果的分析一般有以下主要参考标准：2.9.1某一实体等待作业所占比例较大，则判定其上游实体处发生拥堵；2.9.2某一实