某立体仓库堆垛机利用率仿真分析

曹冲振，李 赫，王凤芹，许彤然，鹿国庆

（1.山东科技大学 交通学院，山东 青岛 266590；2.山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590）

1 引言

自动化立体仓库又称高层货架仓库，一般是采用几层，十几层乃至几十层的货架来储存单元货物，以巷道堆垛机为主，结合入库和出库周边设备来进行自动化仓储作业的一种仓库[1]。巷道堆垛机是决定出入库效率的关键设备，所以对堆垛机进行合理的布置十分重要。

Flexsim软件是一款可视化的建模软件，内部有极其丰富的模型库，具体在物流配送中心所需的暂存区、货架、传送带、叉车、箱子等都有其对应的实物对象，而这些对象的参数可以把物流仓储作业流程的主要特征描述出来，运用Flexsim强大的数据分析能力，实现对仿真结果的分析[2]。根据现代物流企业的规范，对某立体仓库的堆垛机利用率情况进行仿真分析，仿真结果对于立体仓库中堆垛机的选用与布置具有一定的参考价值。

2 立体仓库的布局及主要参数

某立体仓库为两层结构，仓库尺寸为330m×90m×24m（长×宽×高）；工作时间为365天（24h/d）；货物入库方式包括整托入库、零散半托成品入库、单件入库等三种方式；出库方式包括整托出库和拣选零散出库。库区的最大货物保有量为21 600托，如图1所示。

图1 立体仓库模型

货架：高密度货架16排×40列×12层，高密度货架4排×39列×12层，低密度货架4排×39列×8层。其中，巷道数量为12条，巷道宽度为4m。

堆垛机：堆垛机数量为12台，其中整托存储区4台堆垛机，人工拣选零散存储区4台堆垛机，非人工拣选零散存储区4台堆垛机。提升速度50m/min、提升加速度0.5m/s2;行走速度240m/min、行走加速度0.5m/s2;货叉速度 15m/min、货叉加速度 0.3m/s2；堆垛机货叉叉取（存放）时间10s、作业附加时间5s。

3 堆垛机作业方式

堆垛机的作业效率是指堆垛机每小时平均入库或者出库的货物单元数，其计算公式为：

上式中，η为系统运行效率；Ti为单台堆垛机单次入库或者出库需要的时间，按堆垛机单一作业方式和复合作业方式进行分类[3]。

（1）单一作业方式。指堆垛机在库中只进行单一的出入库作业的方式，单一作业方式又称为单循环作业方式，它的运动方式如图2所示。

图2 中，m代表货架的列数，n代表单排货架层数。对于单一作业方式，出入库时间T1用如下公式表示：

（2）复合作业方式。复合作业方式是指堆垛机从出入库台先取出货物送到选定货位，然后转移到另一个给定货位，取出其中的货物，再回到出入库台。在复合作业方式中堆垛机会在一个循环里完成不同商品的存取工作，它的工作过程如图3所示。

图3 复合作业方式

对于复合作业方式，出入库时间T2用如下公式表示：

该仓储系统货物出入库的方式为同侧出入库，并且出入库分为两层进行作业，一二层均可以进行出入库作业。堆垛机出入库作业分为8种循环方式，见表1。其中单一作业方式占16%，复合作业方式占84%。

表1 堆垛机循环方式

4 堆垛机利用率仿真

由于堆垛机利用率计算公式多为经验公式，考虑到堆垛机数量多且实际工作情况复杂，难以保证数据的准确性，故使用Flexsim软件对仓库进行建模仿真，得到的仿真结果更接近实际情况[4]。

（1）仓库建模。使用Flexsim软件对货架区域内进行1:1比例实体建模，根据原始参数，在Flexsim中对坐标轴进行调整，严格按照规划设计数据建模，如图4所示。

图4 仓库整体建模

（2）货架设置。按照货架的基本尺寸进行设置，货架的设置如图5所示。

（3）堆垛机设置。根据堆垛机的运动特性曲线，对Flexsim中的堆垛机模型进行参数设置，设置堆垛机的水平运行速度、加速度，垂直升降速度、加速度以及货叉叉取（存放）时间、附加时间等。为了实现作业的多样形式，对堆垛机的装载卸载时间进行作业配比的百分比设置，如图6所示。

（4）仿真运行。为保证仿真结果的真实性和有效性，仿真时间在72h以上，本次仿真的运行时间为84h。

（5）仿真结果分析。本次仿真设定任务需求量为峰值数据（入库160托/h、出库220托/h），得到12台堆垛机利用率的仿真结果如图7所示，每台堆垛机的利用率均在85%左右，最大为85.34%，最小为84.42%。以7号堆垛机为例，其仿真工作占比如图8所示。

各堆垛机的详细工作情况见表2。

通过图7和表2的仿真结果可以看出各堆垛机的利用率均在85%左右，其峰值利用率在合理利用率（75%—87%）之间，符合设计规范。

图6 堆垛机参数设置

图5 货架参数设置

5 结束语

随着现代物流行业快速发展，现代企业对于仓储系统的出入库能力有了更高的要求，因此，在自动化立体仓库的规划设计中，保证堆垛机利用率在一个合理范围内十分必要。本文以某立体仓库堆垛机作业过程为研究对象，利用Flexsim软件对仓库进行建模与仿真，通过仿真结果能直观看出各堆垛机的利用率情况，从而验证了仓库布局的合理性。

图7 堆垛机利用率仿真结果

图8 堆垛机7工作占比

表2 堆垛机工作情况表