基于EIQ-Flexsim的自动化立体仓库仓储设备及系统设计

作为物流中心的一个组成部分, 自动化立体仓库是指采用几层、十几层乃至几十层的货架储存单元货物, 用相应的物料搬运设备在不直接进行人工干预情况下, 进行货物入库和出库作业的仓库。它集机械、电子、计算机、通信、网络、传感器和自动控制等多种技术于一体[1], 以搬运机械化、控制自动化、管理微机化、信息网络化为特征[2], 对提高生产率和降低成本具有重要的意义。其组成部分包括立体货架、堆垛机、出入库托盘输送机系统、尺寸检测条码阅读系统、通讯系统、自动控制系统、计算机监控系统、计算机管理系统以及其他如电线电缆桥架配电柜、托盘、调节平台、钢结构平台等辅助设备组成的复杂的自动化系统。与传统的仓储系统相比, 具有节约用地、减轻劳动强度、消除差错、提高仓储自动化水平及管理水平、提高管理和操作人员素质、降低储运损耗、有效地减少流动资金的积压、提高物流效率等诸多优点。EIQ分析是日本权威物流学家铃木震先生通过40多年的实战经验积累, 所独创的一种分析方法。通过对EIQ资料的分析与计算, 可以为仓储所需要的设备种类或自动化程度提供决策依据[3], 不致因为过度自动化导致财力的浪费, 无法发挥设备预期效果, 反而干扰作业。仓储设备系统是一个复杂的动态系统, 难以用数学模型准确描述, 即便建立了数学模型, 也可能由于其过于复杂而无法求解或优化[4]。Flexsim是一款针对生产、物流等系统所设计的仿真系统, 具有面向对象建模、可视化、开放性等诸多优点, 通过仿真不仅可以对模型进行精确的描述, 而且节约时间, 仿真结果直观可信。

进行仓储系统的设计时, 通常考虑商品的分类方法、仓库总体规模的设置、基本作业流程和作业布局、仓库内部设计及仓库运营成本分析等方面的要求。这些都是基于大量数据的收集统计与分析的基础上的, 一般会从企业的仓储管理信息系统中导出基础数据, 进行EIQ分析, 从客户订单的品项、数量、订货次数出发, 分析EN (每张订单的订货品相数量分析) 、EQ (每张订单的订货数量分析) 、IQ (每个单品的订货数量分析) 、IK (每个单品的订货次数分析) 项目的分析, 同时考虑仓库的占地面积、商品的存储量等多方因素来确定系统的货位设计[5]、设备的选择、物料的走向和效率。

以某仓库一周内的出货资料为例, 运用EIQ分析法对仓库设备选型和拣选策略进行分析 (如表1所示) 。

根据IQ-ABC分类法[6]对各商品进行分类得出:I7、I9的品种比为20%, 数量比为37%, 确定为A类商品;I4、I8、I5的品种比为33.3%, 数量比为28.52%, 确定为B类商品;其余品种比为46.7%, 数量比为34.48%为C类商品。IQ分析后可以看出货物在仓库内的流量, 该仓库可将商品分类分区储存, 保证A类商品存货充足且储位固定, 储存空间较大, 储存位置接近出货口以便出货。

根据EQ-ABC法对各类订单进行分类得出:E5、E16、E15、E12、E4的订单比为25%, 数量比为34.17%;E17、E18、E19、E9、E3、E20的订单比为33.3%, 数量比为30.09%;其余订单的订单比为41.7%, 数量比为35.74%确定为C类订单。通过EQ分析可以得出, 仓库可对订单进行分类管理, 保证A类订单优先处理, 保证其订货信息准确迅速传递。

对EN分析, 可以看出出库商品总品种数共10种, 而出货品种累计数达194种, 说明该仓库的订单出货重复率高, 可以采取批量捡取方式拣货。

进行IK分析时, 结合IQ计算出各种物品平均单次订货数量, 进行分类, 最终确定其储位安排[7]及设备使用 (如表2所示) 。

该仓库I7和I9的总出货量和物品平均单次订货数量均大, 拣货系统规划时应分配固定储位[8], 保证较高存货水平, 另外为保证其出货, 一些先进设备应优先使用。I4、I8和I5的总出货量和物品平均单次订货数量均较大, 为分类意义不突出的商品, 根据商品分类特性归为相应的分类商品中。I1、I10和I3的总出货量和物品平均单次订货数量均较小, 分配弹性储位且货位大小宜于调整[9], 通常拣货区和仓储区合并规划以减少多余库存, 降低存货水平。I2、I5总出货量较大但单次出货量较小, 出货频繁, 分配固定储位但采取零星出货方式出货并保持适中的存货水平, I6总出货量较小但物品平均单次订货数量均较大, 分配弹性储位, 优先实现机械化, 以保证其单次较高的出货量。

另外, 商品从入库储存到拣选, 出库的搬运过程中, 货物的集装单元状态会随其储存和拣选的不同要求而发生变化[10], 这就是PCB分析所解决的问题。常见的货物的集装单元形式有:托盘 (P) 、箱 (C) 和单品 (B) 。一般对于P-P和C-C的货物, 由于储存和拣选/分拣出货的集装单元一致, 所以储存和拣选区域是同区的。对于P-C和C-B的货物, 则会设置专门的拣选拆零区, 将P或C的货物从P和C的储存区域取出, 然后在相应的拣选拆零区进行P-C和C-B拣选。对于B-B的方式, 也应为拆零区的模式, 通过对货物配送中心所有货物的PCB分析, 可以帮助配送中心确定不同的储运作业区域。不同的储运作业区域由于货物储存和拣选的集装单元差异, 会选择不同的储存、拣选和搬运设备[11]。

零售型配送中心主要是把供应商的各类产品汇集起来, 然后根据用户订单, 为大型超市、百货商店、连锁店等提供仓储与运输配送服务。可以把仓库划分为入库区、存储区、出库区、退货区等部分组成, 其总体结构如图1所示。入库区主要负责到达货物的验收、检验、卸货、清点、分拣、包装、贴标等工作。设有进货口、暂存区、分类区、验收区及相应的设施。存储区是专门用于存放货物的区域, 此区域主要完成货物的存储保管和养护, 是相对静态的区域。货物在进入存储区前, 根据分拣需求, 对存储单元的大小进行调整, 使其符合存储和分拣的需求。分拣区是分拣人员在分拣信息的引导下, 通过查找货位、捡取和搬运货物进行货物分拣活动的区域。流通加工区进行分装、切割、贴标签、包装等流通加工作业。出库区进行货物分拣出来的组配作业, 并将配好的货物暂时存放, 为送货做准备。退货区主要对卖场退回的货物进行分拣存储。物流作业配合区主要是容器回收、容器暂存、废料回收的区域。

在仓库管理系统中, 广泛应用了无线手持终端包括手持RFID读取器和条码无线手持终端等完成实现对仓库物资 (贴有电子标签) 进行仓储管理, 并将信息传递到输送设备。如果采用手持机对物资进行盘点效验等, 其基本的操作是:用手持机扫描贴放在物资上的电子标签, 手持机通过无线方式 (wifi无线通信或GPRS/3G数据通信) 与后台数据库进行数据交互[12], 并完成相应的数据服务请求, 其应用包括组箱、组盘、下达入库任务、入库任务确认、出库确认、库存查询、物料信息查询。自动化立体仓库入库、出库流程如图2、图3所示;主要设备如表3所示。

左上部分为上文仓库入库流程对应的退货区, 人工拣选可以调入库的退货, 经自动输送机送到储存区入口, 并由巷道堆垛机根据WMS系统传来的信息, 将货品送到指定货位上。按照降低库存的原则, 部分商品在运到配送中心后, 并不需要入库储存, 而是直接按照订单, 人工拣选, 组盘或拼箱包装后, 直接由自动输送机传到出口, 由叉车将整盘的商品送上运输工具, 直接出库, 这就是自流区的流程。而更多的是整箱整盘入库, 经RFID扫码后, 叉车将货品送到自动传输带上, 在由巷道堆垛机放到相应的库位上。

出库流程也是由巷道堆垛机先将高位上的货品送到低位, 人工拆零, 按照电子标签自动拣选系统的提示, 将订单所需的货品放到贴有二维码的周转箱中, 叉车将周转箱放到自动分拣机的传输带上, 按不同要求自动分拣后出库。

退货区内三个发生器 (Source) , 分别发送红、黄、蓝三种不同类型的临时实体, 代表退货, 发生器1到达速率:normal (25, 5) s, 发生器2到达速率:normal (25, 5) s, 发生器3到达速率:normal (21, 4) s, 缓存区 (Queue) 容量设置为10 000, 双击Queue, 在Flow属性中选择Use Transport, 即使用叉车, 这样才能在搬运过程中使用叉车。为了提高AGV小车的效率, 特设置为速度6m/s, 最大容量为10, 缓存区也设置为batch的处理方式, 每次分别以发生的数量按批次处理, 加快运行的效率。

在自流区发生器4到达速率:normal (25, 5) s, 发生器5到达速率:normal (25, 5) s, 每次发出数量为10、4、5的红、黄、蓝临时实体, 以Arrival Schedule形式循环发生。设置分离器 (Separator) 和2个处理器 (Processor) , 双击Separator, 在属性栏的Separator中, 选择Slipt, 并编辑Split or Unpack Quantity下拉列框中的By Expression:3, 该步骤的意义在于指定分离器将整箱产品分离为3个类型的产品。Processor分别模拟拆零、扫码拣选流程, 设置为批处理, 每次可以处理多个产品。对不需要入库储存的产品, 直接按照订单, 人工拣选, 组盘或拼箱包装后, 由自动输送机传到出口。设置传送机 (Conveyor) 速率:1m/s, 并在Triggers中的On Entry属性中选择Set Color, 对产品的颜色进行设置, 四种不同类型的临时实体按照正态分布均匀到达, 经由合成器打包, 放置于托盘上。双击打开Transporter的参数设置页。在Transporter属性中, 点击选取Load Time (举起速度) 下拉菜单中的By Expression, Lift speed:1m/s, Capability:1.00, Acceleration:1.00, Max speed:2.00m/s。对操作人员 (Operator) 设置参照Transporter。

在存储区, 每个合成器都有两个发生器A、B与之对应, 一个发射临时实体, 一个发射托盘, source A下的Inter-Arrivaltime的下拉选项中选择Statistical Distribution来寻找分布函数。点击Inter-Arrivaltime下拉菜单后的参数编辑按钮进行编辑, 选择normal的正态分布。单击后, 编辑为Statistical Distribution:normal (10, 1, 1) 。这个指令的意思是Source将会在均值为10秒, 标准差为1秒的时间内产生一个包装箱。在Flow Item Class的下拉列表中选择Flexsim Box用以产生包装箱。Combiner在Combiner属性下的Combine Mode的下拉列表中选择Jion, 在Components List中选择合成器的捆包产品的目标数量, 设置为4及让4个产品捆成一箱。

在拣选区, 5个分拣道口分别对应五种不同类型的订单, 五个暂存区分别存放按订单分类后的待配送中心产品。双击分拣带, 在send requirement中选择按类型分拣, 正好对应了前面托盘所设的五种类型的订单。在连接了五条传送带后, 将会出现五个出口设置, 并设置对应的出口。在Layout中对其进行长度以及高度等设置, Type 1, length 10, angle90.00, radians 5.00。在这里我们对托盘的类型进行设置, 由于有五种订单, 因为我们将设置五种类型。对于多订单, 可以采用Excel表导入的方法。

立体库的设备选型过程中, 用Flexsim进行仓库的建模和仿真, 可以得到不同条件下的运行数据, 为自动化仓库的实际运行参数提供了理论数据和管理依据。但是自动化仓库的建设并不一味追求高度机械化, 而是实现信息化指导下的机械作业, 以求最大限度的减轻人员的劳动强度, 以改善工作条件, 提高工作效率。因此, 在设计自动库的仓储系统时, 根据EIQ分析的结论, 进行分区设计, 选用自动传输带、手持终端、立体库货架、自动分拣系统、巷道堆垛机、电子标签自动拣货系统、AGV小车等设备, 完成货品的出入库流程。最后用Flexim仿真软件, 对设计的系统进行仿真模拟, 调试各系统的参数设置, 为系统的改进提供决策依据。