系统建模与仿真课程设计实训指导书

昆明理工大学

物流系统建模与仿真课程实训报告

题 目 ： 红塔集团80万箱自动立体仓库建模与仿真 学 院： 城市学院 专 业： 物流工程2010级 姓 名： 马正祥 辅导教师： 侯开虎教授 日 期： 2013年1月

一、绪论

1.1摘要

在现代物流仓储系统中，自动化立体仓库应用日益广泛，自动化立体仓库实训系统作为介于模拟实验的自动化立体仓库，是培养高素质技能型物流人才的重要平台，实训自动化立体仓库具有重要的实际应用价值，自动化立体仓库作为现代物流技术的典型代表，在现在花的社会中发挥着日益重要的作用。它是工厂物流，柔性制造系统和计算机集成制造系统不可或缺的重要组成部分，自动化立体仓库得设计与规划问题越来越受到研究人员的重视，高效合理的仓储系统可以帮助厂家加快物资流动的速度，降低成本，保障生产的顺利进行，，并可以实现对资源的有效控制和管理。因此。对自动化立体仓库设备，参数及库内物流线路等进行合理的规划设计，有效减少货物排队等待时间，提高堆垛机的效率具有非常重要的现实意义和经济效益。

文对仓储系统入/出库进行了系统仿真研究。首先介绍了仿真的相关概念，并介绍了Flexsim仿真软件。建立了分流入/出库的仿真模型。同时，用我们查阅所得的相关数据进行了仿真。然后通过对相关数据的分析，并检验数学计算结果，以此看出仓储系统入/出库的大体情况

关键词 Flexsim软件； 系统建模与仿真 ； 自动化立体仓库的规划与优化；

1.2 引言

仿真意味着建模时用小对象描述存在的物体来进行模拟。仿真也是系统运行或者过程进行的模拟。可以通过仿真建模来研究系统行为的进行。可以通过仿真建模来研究系统随时间变化的特性。研究时为模型做一系列系统相关的假设。这些假设有数学的、逻辑的和抽象的关系。这些关系存在于实体之间。系统是由互相联系、互相制约、互相依存的若干组成部分结合在一起的具有特定功能和运动规律的有机整体。模型是为了某种特定目的将系统的某一部分信息进行抽象而构成的系统替代物，它不是“系统的复现”，而是按研究的实际需要和侧重面，寻找一个便于进行系统研究的“替身”。

所谓计算机仿真，就是在实体上不存在、或者不易在实体上进行试验的情况下，先通过对考察对象进行建模，用数学方程式表达出其物理特性；然后编制计算机程序，并通过计算机运算出对象在系统参数、以及内外环境条件改变的情况下，其主要参数如何变化，从而达到全面了解和掌握考察对象特性的目的。

目前随着研究系统的不断复杂化和计算机技术的不断发真，仿真技术越来越多地运用到系统研究与优化的工作中。运用仿真技术可以有效的缩短实验周期、降低成本、优化系统参数，在系统优化中发挥着越来越重要的作用。

目录

一、绪论..............................................................................................2

1.2 引言 .........................................................................................3

二、实训的目标 ..................................................................................5

2.1 课程设计的目标 ......................................................................5

三、实训的背景知识 ...........................................................................6

3.1自动化立体仓库概念 ................................................................6

3.2 组成部分..................................................................................6

3.3烟草物流系统常见设备参数.....................................................6

3.4模拟红塔集团立体仓库 ............................................................7

2.5烟草成品库主要作业流程 ........................................................9

四、基本数据计算 ...............................................................................9

4.1玉溪烟生产量情况..................................................................10

4.2红塔山（硬包）烟生产情况...................................................10

4.3红塔山（软包）烟生产情况...................................................11

4.4红梅烟生产情况 .....................................................................11

4.5表1-1可看出个烟种所需的市场能力 ....................................11

五、自动化立体仓库物流系统的构成及作业流程 ............................12

5.1立体仓库物流系统的构成 ......................................................12

1）货架 ........................................................................................12

5.2作业流程 ................................................................................13

5.3自动化立体仓库的规划与设计 ...............................................14

5.3.1立体仓库的主要参数 ...........................................................14

5.3.2立体仓库的规划原则与设计过程 ...................................15

5.3.3立体仓库的总体规划 .....................................................16

5.3.4立体仓库规划设计中的关键问题 ...................................21

5.3.5香烟的包装规格 .............................................................22

5.3.6托盘的选取 ....................................................................22

5.4货格尺寸 ................................................................................23

5.5 确定库存量 ............................................................................24

5.6货架尺寸—排列和层数 ..........................................................25

5.7确定搬运设备 .........................................................................25

5.8 巷道宽度估算 ........................................................................26

5.9 巷道高度估算 ........................................................................26

6.1面积计算 ................................................................................26

7.库房布置设计 ............................................................................27

7.1库房设计 ...........................................................................27

六、基于Flexsim的自动化立体仓库物流系统仿真模型 .................28

6.2修改 Flow对话框，与以前数据结合 ....................................29

七、运行仿真模型 .............................................................................36

八、 仿真结果的获取 .......................................................................37

九、仿真结果分析 .............................................................................39

十、仿真结果优化 .............................................................................39

十一、优化结果进行仿真数据 ..........................................................41

十二、结论 ........................................................................................41

12.1心的体会...............................................................................42

十三、参考文献 ................................................................................42

二、实训的目标

2.1 课程设计的目标

本课程设计是与物流工程专业教学配套的实践环节之一，结合《系统建模与仿真》等课程的具体教学知识点开展。在完成以上课堂教学的基础上，进行一次全面的实操性锻炼。通过本环节的设计锻炼，较好地掌握了系统建模与仿真的相关理论与方法，对仿真对象的情况、问题和材料有较好的了解,能灵活应用生产管理、设施布置与规划等课程理论知识和方法，分析和解决问题，通过本课程设计，达到如下目标：

1) 了解和掌握制造企业的生产系统物流的特点和解决的具体方法；

2) 培养团队协作精神，以团队方式分析问题和解决问题的能力；

3) 了解和掌握物流系统建模与仿真的方法；

4) 对物流系统建模与仿真知识和方法与生产实践的结合有更深入的感性认识。

三、实训的背景知识

3.1自动化立体仓库概念

自动化立体仓库，也叫自动化立体仓储，物流仓储中出现的新概念，利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化，存取自动化，操作简便化；自动化立体仓库，是当前技术水平较高的形式。自动化立体仓库的主体由货架，巷道式堆垛起重机、入(出)库工作台和自动运进(出)及操作控制系统组成。货架是钢结构或钢筋混凝土结构的建筑物或结构体，货架内是标准尺寸的货位空间，巷道堆垛起重机[1]穿行于货架之间的巷道中，完成存、取货的工作。

3.2 组成部分

（1） 货架:用于存储货物的钢结构。目前主要有焊接式货架和组合式货架两种基本形式。

（2）托盘（货箱）：用于承载货物的器具，亦称工位器具。

（3）巷道堆垛机:用于自动存取货物的设备。按结构形式分为单立柱和双立柱两种基本形式；按服务方式分为直道、弯道和转移车三种基本形式。

（4）输送机系统:立体库的主要外围设备，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将货物移走。输送机种类非常多，常见的有辊道输送机，链条输送机，升降台，分配车，提升机，皮带机等。

（5）AGV系统:即自动导向小车。根据其导向方式分为感应式导向小车和激光导向小车。

3.3烟草物流系统常见设备参数

3.4模拟红塔集团立体仓库

塔集团年销量80万大箱现要规划一个烟草成品库。红塔集团烟的品种有A（玉溪）、B红塔山（软包）、C红塔山（硬包）、D红梅，假设比例其比例为20%，30%，40 %，10%

成品库参数设计

参数说明：

1个大箱=5个件箱；

1个件箱=50条烟 ；

工作日：250天/年；

有效工作时间：正常上班8h，但是设备需要预热，仿真时间一般取值为7h；

实托盘码垛垛型：24件/托盘，28件/托盘，30件/托盘； 空托盘组码垛垛型：10个/组，8个/组；

出入库流量：(条烟分拣线能力)18000*(分拣线条数)3/50 ； 年销量预设：24万大箱、28万大箱、32万大箱、44万大箱、48万大箱、54万大箱；

烟箱成品库系统构成：托盘库系统、备货系统（常见重力货架、多层穿梭车、mini库、备货缓存线）、条烟分拣系统；巷道堆垛机能力值参考,100m的巷道： 45托盘/h；穿梭车能力值参考： 65~90托盘/h。

2.5烟草成品库主要作业流程

四、基本数据计算

红塔集团年总生产量为400万箱，本组按20%的比例生产，故本组生产量为400万×20%=80 万箱。玉溪、红塔山（硬包）、红塔山（软包）、红梅四种产品的生产比例分别为20%，30%，40%，10%。其中，

一年按250天计算，一天工作时间为7小时。其四种烟的生产量情况如下：

4.1玉溪烟生产量情况

A（玉溪）20%

秒产生的支数 16*10000*5*50*20*10/（250*24*60*60）=370支/秒 秒产生的包数 370/20=18.5包/秒

秒产生的条数 18.5/10=1.85条/秒

秒产生的条数 Uniform 1/1.85=0.54

秒产生的箱数1.85/50=0.037

秒产生的箱数Uniform 1/0.037=27.02

秒产生的大箱数 0.037/5=0.0074

秒产生的大箱数Uniform 1/0.0074=135.135

秒产生的托盘数0.0074/6=0.00123

秒产生的托盘数Uniform 1/0.000123=813

4.2红塔山（硬包）烟生产情况

B红塔山（软包）30%

秒产生的支数 24*10000*5*50*20*10/（250*24*60*60）=555支/秒 秒产生的包数 555/20=27.5包/秒

秒产生的条数27.5/10=2.75条/秒

秒产生的条数 Uniform 1/2.75=0.363

秒产生的箱数2.75/50=0.055箱/秒

秒产生的箱数 Uniform 1/0.055=18.181

秒产生的大箱数0.055/5=0.011大箱/秒

秒产生的大箱数Uniform 1/0.0011=90.9

秒产生的托盘数0.011/6=0.00183托盘/秒

秒产生的托盘数Uniform1/0.000183=546.448

4.3红塔山（软包）烟生产情况

红塔山（硬包）40%

秒产生的支数 32*10000*5*50*20*10/（250*24*60*60）=740支/秒 秒产生的包数 740/20=37包/秒

秒产生的条数37/10=3.7条/秒

秒产生的条数Uniform 1/3.7=0.27

秒产生的箱数3.7/50=0.074箱/秒

秒产生的箱数Uniform 1/0.074=13.51

秒产生的大箱数0.0074/5=0.0148大箱/秒

秒产生的大箱数Uniform 1/0.0148=67.567

秒产生的托盘数0.0148/6=0.00246托盘/秒

秒产生的托盘数Uniform 1/0.00246=4065

4.4红梅烟生产情况

D红梅10%

秒产生的支数 8*10000*5*50*20*10/（250*24*60*60）=185.1支/秒 秒产生的条数 185.1/（10*20）=0.925条/秒

秒产生的条数Uniform 1/0.925=1.081

秒产生的箱数 0.925/50=0.0185箱/秒

秒产生的箱数Uniform 1/0.00185=54.5

秒产生的大箱数0.00185/5=0.00037大箱/秒

秒产生的大箱数Uniform 1/0.00037=2702.7

秒产生的托盘数0.0037/6=0.00062托盘/秒

秒产生的托盘数Uniform 1/0.000062=1612.9

4.5表1-1可看出个烟种所需的市场能力

五、自动化立体仓库物流系统的构成及作业流程

5.1立体仓库物流系统的构成

1）货架

立体仓库的高层货架一般采用钢材或钢筋混凝土，钢货架的优点是尺寸小，安装建设时间短，仓库利用率高。货架常用的形式有横梁式货架、贯通式货架、流动式货架、搁板式货架、水平或垂直旋转货架等。货架的高度是关系到自动化立体仓库全局性的重要参数，而其钢结构的成本也随其高度的增加而迅速增加。

2)堆垛机

堆垛机在自动化立体仓库巷道中的轨道上的行走动作为前进和后退，其载物台的运动为上升和下降，载物台的运动和整机轨道上的运动可同时进行，堆垛机货叉的动作为左出与右出。堆垛机控制系统

综合了PLC技术、调速技术、光电检测、条码技术及计算机技术等多学科知识，其运行性能的优劣对于自动化立体仓库系统的作业效率影响极大 3)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。

4)传送设备

传送系统是立体仓库的重要组成部分，负责将货物运送至入库台或从出库台将货物移走。它是完成整个出入库物流搬运作业不可或缺的设备出入库输送系统的结构布置合理与否对规划合理性具有重要的意义。

5.2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。

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，作业流程见下图1

图1 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。

5.3自动化立体仓库的规划与设计

5.3.1立体仓库的主要参数

衡量自动化立体仓库性能最为重要的两个参数是立体仓库的库容

量和出入库频率。库容量是指立体仓库在去除必要的通道和间隙后所能容纳货物的最大数量。立体仓库经营绩效的主要评价指标是仓库利用率和库存周转率。仓库利用率是库存货物实际数量与仓库实际可存最大数量之比。由于这是一个随机变动的量，一般取它的年平均值作为考核指标。库存周转率是仓库年出库总量与年平均库存量之比。 年产量：800000箱

年销售量：75 0000箱

库存需求量：80 0000―750000=50000箱

安全库存量：80 0000*0.05=40000

库存量=库存需要量+安全库存量=50000+40000=90000箱

5.3.2立体仓库的规划原则与设计过程

1)立体仓库的规划原则

经过长期以来自动化立体仓库的项目建设和研究，专家学者总结出了一些立体仓库在规划设计过程中的经验以及准则，在这些经验以及准则之下规划设计出的方案能够在满足系统目标的前提下节省更多的物流成本，为企业创造更大的经济效益。以下为总结归纳的几点原则：

(1)全局规划原则。

(2)立体仓库各部分距离最优原则。

(3)充分利用空间原则。

(4)设备协调原则。

(5)作业能力匹配原则。

(6)长期发展原则。。

2)立体仓库的设计步骤

作为物流系统中的一个核心和枢纽，自动化立体仓库直接影响到企业的计划和行动。一般立体仓库的设计分为几个主要的阶段，每个阶段都有其预定的目标。

(1)企业情况调查分析。

(2)确定托盘单元的相关参数。

(3)确定货格单元尺寸。

(4)确定货格数量及货架布局

(5)堆垛机及搬运设备选型。

(6)作业区与立体仓库区的衔接方式。

(7)系统建模及仿真分析。。

(8)通过仿真数据统计及分析，找出系统存在的瓶颈并进行优化，使系统的设计方案达到最优。

5.3.3立体仓库的总体规划

1)仓库形式和作业方式的确定

在调查分析企业仓储货物品种的基础上，确定仓库形式。一般有单元货格式和贯通式两种，单元货格式应用最为广泛。在确定仓库形式时，还需要考虑其他因素，如货物是否有特殊要求(冷藏、防潮、恒温等)。根据出库工艺要求，即货物的出库形式是以整单元出库还是零星货物出库为主，决定要不要采用拣选作业。仓库的作业形式是指搬运设备的操作方法。按搬运设备的搬运情况可以分为单作业方式(即单入库或单出库)和复合作业方式。为了提高出入库的搬运效率，应尽量采用复合作业方式。按搬运机械的货叉数量可分为单叉和双叉，双叉方式是立体仓库系统中堆垛机的载物台上设两副货叉，这两副货叉可独立进行存取作业。

2)托盘单元的参数和货格尺寸设计

在自动化立体仓库中是以装载单元为基础来存储货物的。一般仓库的装载单元是以托盘的形式进行作业的。在立体仓库设计中，托盘单元的参数直接关系到立体仓库的面积和空间利用率，也关系到立体仓库能否顺利地存取货物，所以应尽量采用标准推荐的尺寸，以便与其他搬运设备相匹配。标准推荐的托盘单元的长、宽尺寸为:1200mm*800mm，1200mm*1000mm，1100mm*1100mm三种规格。由于在以上四种烟每件箱的尺寸差不多，故选择尺寸最大的红塔山（硬包）的尺寸作为基本尺寸，其尺寸为：458*245*568mm。实托盘码垛垛型选择30件/托盘。根据以上参数，本文采用通用性较高的1200mm*1000mm规格的木质托盘。

3)货格单元的设计

（1）货格单元尺寸的确定

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。以下对牛腿式货架的货格单元设计进行说明。

牛腿式货架

在货格单元的设计过程中需要得出以下参数：

托盘单元长度：1200mm

托盘单元宽度：1000mm

托盘单元高度：150mm

货物长度：1250mm

货物宽度：1000mm

货物高度：1755mm

托盘与货架间隙：100mm

货物顶端离货格顶端距离：100mm

货格单元长度：1450mm

货格单元宽度：1000+100+100=1200mm

货格单元高度：1755+150+100=2005mm

货格单元进深：100mm

（2）货格单元格数的计算

库存量：90000箱

每年的工作天数：250天

库存天数：10天

货格单元格数=库存量／每年的工作天数×库存天数／6（每个托盘30件，每5件为一箱，即为6箱）

货格单元数=90000／250×10／6＝600格

4)货架总体尺寸设计

立体仓库货架的总体尺寸包括长、宽、高。对于货格式立体仓库，货格单元的尺寸确定后，可根据立体仓库的作业面积和平面布局设计货架的总体尺寸。首先可根据设计要求和以往的数据分析得出的立体仓库的库容量，从而确定立体仓库的货格单元数量，而后决定货架的布局形式及巷道数。具体方法有静态法和动态法两种。所谓静态法就是根据仓库最大规划确定相关尺寸的方法，由仓库长度(或货架列数)，仓库宽度(或巷道数及巷道宽度)，仓库高度(或货架层数)，仓库容量(或货位数)四个约束条件中的三个来确定货架尺寸。动态法是根据规划设计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。用最大出入库频率除以库存量可以初步确定搬运机械的数量。在单元货格式仓库内，一般是一个巷道安装一台堆垛机。所以堆垛机的台数也就是巷道数。但如果出入库频率不高，而库存量又很高，则按上述方法确定的堆垛机台数和货架巷道数比较少，使得每个巷道的货位数太大，造成货架的高度和长度偏大，使建设成本上升。一般认为，一个巷道的货位数以不超过1500~2000个为宜。 一般情况下，立体仓库的高度不宜过高，在10~20m之间为宜，当货架高度超过20m以后，成本会急剧增加且带来一系列的技术难题。

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 =错误！未找到引用源。

其中，h为货架顶面到仓库顶下下弦的垂直距离。

设巷道数位Gn，则当Gn=n时，可以求得每层货格数为：

L=错误！未找到引用源。

5)货物单元出入高层货架的形式

货架的总体尺寸确定后，便需要确定货物单元出入高层货架的形式。货物单元在自动化立体仓库中的流动形式一般分为贯通式、同端出入式和旁流式三种。

（1）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

（2）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。

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