物流配送中心的系统仿真，本文主要内容关键词为：配送中心论文,物流论文,系统论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
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、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。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。
物流配送中心仿真的内容
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，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。
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）和包装机等。因此需要慎重考虑设备的布局与配置，在保证系统达到设计能力的前提下，尽可能减少投资，充分发挥设备的效力。
在不同作业情况下运行物流配送中心的仿真模型，得到关键设备的利用率，可以比较好地解决设备配置问题。在设计自动立体仓库时，巷道堆垛机的运行周期是非常重要的运行参数。巷道堆垛机在“单循环”与“双循环”方式工作下的运行周期有很大差异，采用解析模型计算的时候需要设定这两种工作方式的比例，并按照平均行程计算。实际上，拣选方式、货位分配方式直接决定了巷道堆垛机的工作方式。采用系统仿真方法，能够很好地反映巷道堆垛机工作方式与订单拣选方式之间的关联，以及货位分配对行驶距离的影响，得到更可靠的运行参数。文献用AutoMod仿真软件建立了自动立体仓库的模型，仿真分析了多货位巷道堆垛机的运行模式。
根据仿真结果，比较各种设备的利用率，调整设备的数量与参数，保证未来系统中各种设备协调运行。在实际系统中调整系统设备的参数是一件非常费时费力的事情，调试所花费的时间使得整个工程的周期延长。如果在系统方案设计后，就建立系统设备的仿真模型，运行并分析其设备的运行状态，调整不合理的参数，将可以大大缩短物流配送中心的建设周期。
物流配送中心仿真的基本步骤
1.仿真的基本步骤
近年来随着商用系统仿真软件用户界面的不断改进，系统仿真已经变得比较容易。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。
(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机、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、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。
表1 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 平均时间（秒）
均占用比例(%)
均时间（秒） 占用比例(%)
单侧同时出入库 44.5 37.1 34.328.9
一侧入库另一侧出库 45.1 37.2 48.641.3
两侧同时出入库 44.9 37.1 41.333.4
仿真实例分析
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，评价未来配送中心的配送能力和物流效率。该配送中心仿真的具体内容如下：
1.对比自动立体仓库的出入库方法；
2.分析自动立体仓库巷道堆垛机的运行周期与利用率；
3.分析自动立体仓库在进行出库、入库、补货联合作业时有无阻塞产生；
4.分析出库和拣选作业的输送系统是否有阻塞产生；
5.分析出库作业的物流效率。
采用系统仿真软件AutoMod建立了配送中心的仿真模型。 整个配送中心的仿真模型如图1所示，包括有16个巷道的自动立体仓库、叉车和传送带。由于整个物流中心的整体流程复杂，在仿真建模过程中进行了适当的简化，主要分析配送中心的部分关键工艺流程。
通过仿真模型对比了不同的立体仓库出入库方法。在出入库物流量相同的情况下，采用不同出入库方式时，巷道堆垛机运行状态的仿真结果如表1所示。采用单侧同时出入库的运作方式，巷道堆垛机的平均运行周期最短，占用率最低。在出入库操作频率比较高的情况下，有很大的机会是入库与出库交替进行，出入库集中在立体仓库的单侧，使得堆垛机取货物的平均距离比较短。当配送中心在比较正常的库存水平上运作时，可以把货物集中存放在靠近出入库端口的一侧，单侧出入库方法的优势就更加明显。
通过仿真分析，发现自动立体仓库的出入库操作主要存在以下问题：
1.拆零操作时间与拆零补货的出库频率不匹配，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，如下页图2所示。
图1 配送中心的AutoMod仿真模型
2.由于补货的物流量比较大，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，这部分物流量与在线拣选形成了相互干涉，会在输送带南侧区域产生阻塞。咨询单位提出将设计方案两层传送带改为采用三层传送带。自动立体仓库的三层出入库传送带仿真模型如图3所示。
图2 拆零补货点的排队状况
图3 自动立体仓库的三层出入库传送带
3.在线拣选的利用率偏低。按照设计要求，每个托盘的平均拣选数量是5.4件。
该配送中心的出库拣选区按照ABC方法分为多个区域，采用了多层传送带输送周转箱，图4是出库拣选区的局部仿真模型。仿真分析出库拣选流程的关键是建立适当的订单模型。建立订单模型需要收集大量的订单数据，数据分析方法也比较复杂。这里根据历史数据和拆零出库比例，计算每个订单的平均拣选数量，建立了简化的订单模型。运行仿真模型的结果表明，每隔30秒发送一条出库订单，单班的出库货物数量接近预定的要求。按照仿真设定的订单结构运行，打包作业点的排队现象明显。如果拆零出库的比例增加，打包操作的时间过长就有可能引起系统阻塞。
图4 出库拣选区的局部仿真模型
通过对配送中心设计方案的仿真分析，用三维图形方式观察系统的运行状态，得到系统出入库能力的定量结果。仿真结果有助于决策者选择正确的设计方案。
结论
建立物流配送中心这种复杂系统的解析模型是很难的，用解析的方法进行系统优化就更为苦难。现在，设计者和咨询公司越来越多地采用系统仿真方法分析、评估物流配送中心的设计方案。国内的许多物流项目采用了仿真手段，对其系统进行论证，有的项目在招标文件中就要求供应商提供设计方案的仿真报告。
正确地进行仿真分析需要掌握系统调研、系统建模、模型验证、数据分析、实验设计、系统仿真软件使用等多方面的知识，还要与设计人员及时沟通掌握必需的专业知识。
系统仿真是一种验证设计的手段，为决策者提供科学的决策支持，不能代替人来做决策。决策者需要具备解读系统建模假设和仿真结果的能力。
在应用系统仿真技术时，要注意区分系统仿真与动画演示之间的区别。如果只是为了更直观的说明工艺流程，采用动画来表现更直接。但是，动画演示无法提供与系统运行相关的数据。系统仿真一定是数据驱动的，能够在一定程度上反映实际系统的状态。
目前已经发布的离散事件仿真软件产品超过了40个。在物流领域应用比较多的系统仿真软件主要有英国lanner公司推出的Witness，美国Brooks Automation公司开发的AutoSimulation,美国System Modeling公司开发的Arena，美国lmagine That公司开发的通用仿真平台Extend，美国Flexsim Software Products公司开发的Flexsim，日本AlS公司开发的RaLC等。这些软件有不同的应用目的和应用背景，各有侧重，各有特点，各有所长。所以物流项目的仿真软件的选择也是要针对项目不同的需求。人们通常选择三维实体效果比较好的软件进行物料搬运和物流机械的仿真分析，选择适合做系统分析和流程分析的软件进行供应链网络的系统分析，而选择能嵌入优化算法的扩展功能较好的软件来进行复杂物流系统的调度问题的研究。
为了使物流配送中心仿真模型更好地反映系统的运行状态，更好地发挥仿真方法的作用，需要把订单数据预测功能和WMS的功能与系统仿真功能结合起来。首先是根据设计方案构建仿真模型，然后按照设计方案明确信息流、商流、物流的信息控制结构层次和范围，以及相关数据结构和数据接口，通过对以往业务的数据分析调整，模拟一批可以反映未来运营情况的订单数据，按真实的商流流程设计，发给构建的商流系统模型，商流系统将足够的物流信息发给物流计算机系统模型，模型中的WMS将订单优化成订单拣选任务后，将命令行发给设备执行层驱动仿真系统。整体仿真系统是靠真实的数据驱动，针对平均、高峰作业流量的各作业操作及特殊订单处理等等功能进行测试，我们可以观察系统各层次的运行结果，可以直观看到系统的运作，了解软件、硬件和人员的配合，提前发现问题，检验软硬件的功能。