基于計(jì)算機(jī)仿真的防汛防旱物資智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)評(píng)價(jià)

韓毅 王偉 劉弘昱

摘要：防汛防旱物資的倉儲(chǔ)管理是開展防汛防旱工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在國(guó)家防汛防旱搶險(xiǎn)工作中發(fā)揮著不可替代的作用。本文基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分析了防汛防旱物資智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)效率、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為未來防汛防旱物資智能倉儲(chǔ)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：防汛防旱物資;智能倉儲(chǔ);計(jì)算機(jī)仿真;系統(tǒng)評(píng)價(jià)

當(dāng)前防汛防旱工作形勢(shì)嚴(yán)峻、任務(wù)繁重，加快推進(jìn)防汛防旱應(yīng)急能力建設(shè)，提高水災(zāi)旱災(zāi)應(yīng)對(duì)能力，已迫在眉睫[1]。防汛防旱物資的倉儲(chǔ)管理是開展防汛防旱工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在國(guó)家防汛防旱搶險(xiǎn)工作中發(fā)揮著不可替代的作用。但目前倉庫基礎(chǔ)設(shè)施落后，倉儲(chǔ)自動(dòng)化、信息化、機(jī)械化程度相對(duì)較低，倉儲(chǔ)物資欠缺動(dòng)態(tài)管理，與靈活機(jī)動(dòng)的現(xiàn)代化倉儲(chǔ)策略存在差距，難以連續(xù)應(yīng)對(duì)多地域突發(fā)的洪澇災(zāi)害事件同步快速響應(yīng)等，因此，本文基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分析了防汛防旱物資智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)效率、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為未來防汛防旱物資智能倉儲(chǔ)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 防汛防旱物資智能倉儲(chǔ)仿真模型的構(gòu)建

當(dāng)前，仿真技術(shù)已經(jīng)成為分析、研究各種復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具，它廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域和非工程領(lǐng)域[2]。Simio仿真軟件是美國(guó)LLCSimio公司開發(fā)的通用仿真平臺(tái)，既可用于離散事件仿真，也可用于連續(xù)事件仿真，已經(jīng)成功應(yīng)用于制造、供應(yīng)鏈、分撥中心、醫(yī)療服務(wù)、國(guó)防、農(nóng)業(yè)、災(zāi)害管理等領(lǐng)域?；赟imio仿真平臺(tái)的功能，對(duì)防汛防旱物資智能倉儲(chǔ)進(jìn)行仿真分析，較好地模擬智能倉庫內(nèi)部運(yùn)作過程。

1.1 防汛防旱物資出入庫仿真流程分析

根據(jù)防汛防旱物資的特性構(gòu)建物資出入庫仿真系統(tǒng)。以物資A出入庫為例，下圖1表示物資A的入庫流程，從圖中可以看出，物資A首先進(jìn)入倉庫分揀區(qū)，然后對(duì)其進(jìn)行檢查，不合格的物資被放置在一旁等待被退回，合格物資進(jìn)一步被打包，等待入庫操作。

當(dāng)物資A需要進(jìn)行出庫操作時(shí)，通過倉儲(chǔ)系統(tǒng)了解物資的具體儲(chǔ)位，并將其從貨架中取出至分揀區(qū)，然后打包出庫，如圖2所示。

1.2 防汛防旱物資出入庫仿真模型的構(gòu)建

以物資A的出入庫過程建立仿真模型，如圖3所示，在入庫仿真模型中，cargo表示物資A，擺放在左邊的貨位上，source表示物資的來源，總計(jì)數(shù)400托盤，用4輛叉車來運(yùn)送物資（在仿真中忽略叉車行徑時(shí)間），load on與load out的時(shí)間均為15秒，用status label來計(jì)數(shù)每輛叉車運(yùn)輸?shù)奈镔Y數(shù)量。

在入庫1600箱，400個(gè)托盤，4輛叉車同時(shí)作業(yè)下仿真所需時(shí)間為65分鐘，如圖4所示。

與入庫相比較，出庫的模型有所變化。將4輛叉車的裝載任務(wù)按照區(qū)域劃分，每輛叉車運(yùn)輸100單位托盤的物資。主路徑用運(yùn)輸機(jī)如穿梭車來代替，減少叉車的等待時(shí)間，并且將運(yùn)輸機(jī)直接連通到裝運(yùn)的車輛上，也可以減少裝運(yùn)時(shí)間。同樣用4輛叉車來運(yùn)送物資，load on與load out的時(shí)間均為15秒。仿真結(jié)果為400個(gè)托盤在4輛叉車同時(shí)作業(yè)下需要52分鐘。如圖5所示。

2 倉庫效率評(píng)估模型的構(gòu)建

2.1智能入庫模型

（1）入庫流程

叉車將貨物搬運(yùn)至貨架口各穿梭車?？奎c(diǎn)，與穿梭車進(jìn)行貨物交接，交接完成后穿梭車將貨物送往按照物資種類劃分的各個(gè)區(qū)域（救生衣：A區(qū)1～11行，1～11列，1～4層;帳篷：B區(qū)1～11行，1～3列，第3層;操舟機(jī)：B區(qū)1～11行，1～5列，1～2層;機(jī)油：C區(qū)2層;照明燈：C區(qū)3層;D區(qū)空余空間用于未來存放增加的物資，或是其他需求。同時(shí)叉車原路返回倉庫入口，搬運(yùn)下一貨物。當(dāng)所有貨物均已入庫時(shí)，工作完成。

（2）貨架

貨架采用密集式貨架，依靠穿梭車存放、取出物資。利用率高，存取快速，但造價(jià)高，停電或故障難以取貨，投入高。

（3）數(shù)據(jù)

救生衣需400托盤、帳篷需25托盤、操舟機(jī)需113托盤、機(jī)油需9托盤、照明燈需2托盤，共計(jì)549托盤。

系統(tǒng)中包含4臺(tái)叉車、4臺(tái)穿梭機(jī)。叉車與穿梭車空載時(shí)運(yùn)動(dòng)速度1.2m/s，負(fù)載時(shí)運(yùn)動(dòng)速度為0.6m/s。叉車和穿梭機(jī)裝、卸載貨物的時(shí)間均為5s。

按照不同物資所屬貨架的位置，與穿梭車?？奎c(diǎn)的距離，分別設(shè)定物資在貨架中的平均搬運(yùn)時(shí)間。其中，救生衣需要36.6s、帳篷需要10.8s、操舟機(jī)需要30.3s、機(jī)油需要39.7s、照明燈需要42.5s。

當(dāng)系統(tǒng)中貨物數(shù)量為0，即所有貨物均已入庫時(shí)，截取當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間，并轉(zhuǎn)換為分鐘數(shù)，作為入庫工作所需時(shí)間。

2.2人工入庫模型

（1）入庫流程

叉車將貨物搬運(yùn)至各區(qū)域貨架口，與各區(qū)域的工作人員進(jìn)行貨物交接，交接完成后工作人員將貨物送往按照物資種類劃分的各個(gè)區(qū)域（救生衣：A區(qū)1～11行，1～11列，1～4層;帳篷：B區(qū)1～11行，1～3列，第3層;操舟機(jī)：B區(qū)1～11行，1～5列，1～2層;機(jī)油：C區(qū)2層;照明燈：C區(qū)3層;D區(qū)空余空間用于未來存放增加的物資，或是其他需求。同時(shí)叉車原路返回倉庫入口，搬運(yùn)下一貨物。當(dāng)所有貨物均已入庫時(shí)，工作完成。

（2）貨架

貨架采用托盤式貨架，依靠人工存放、取出物資。經(jīng)濟(jì)、拆裝方便，但儲(chǔ)存密度較低，需較多巷道。通常使用3-5層，貨架高度受限，一般在10米以下。

（3）數(shù)據(jù)

救生衣需400托盤、帳篷需25托盤、操舟機(jī)需113托盤、機(jī)油需9托盤、照明燈需2托盤，共計(jì)549托盤。重量（KG/托盤）為：救生衣32、帳篷180、操舟機(jī)220、機(jī)油120、照明燈32。

系統(tǒng)中叉車數(shù)量為4保持不變，各類工人數(shù)量（A區(qū)工作人員、B區(qū)工作人員、C區(qū)工作人員）為變量，初始數(shù)量為：各區(qū)域工作人員各1人。叉車空載時(shí)運(yùn)動(dòng)速度1.2m/s，負(fù)載時(shí)速度為0.6m/s。裝、卸載貨物的時(shí)間均為5s;工人存取貨物的時(shí)間均為10s。

按照不同物資所屬貨架的位置、各區(qū)域工作人員?？奎c(diǎn)的距離與物資的重量比例，分別設(shè)定物資在貨架中的平均搬運(yùn)時(shí)間。其中，救生衣需要104.6s、帳篷需要45.4s、操舟機(jī)需要106.4s、機(jī)油需要115.2s、照明燈需要106.6s。

當(dāng)系統(tǒng)中貨物數(shù)量為0，即所有貨物均已入庫時(shí)，截取當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間，并轉(zhuǎn)換為分鐘數(shù)，作為入庫工作所需時(shí)間。

2.3對(duì)比分析

智能入庫模型的工作時(shí)間為：558.73分鐘。按照各區(qū)域工人的初始人數(shù)，即以智能入庫穿梭機(jī)數(shù)量相同的工人（各區(qū)域各1人），完成入庫工作所需時(shí)間大于1440分鐘。對(duì)人工入庫模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，以智能入庫模型的工作時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，探討不同貨架區(qū)域的工人數(shù)量對(duì)工作時(shí)間的影響，以求的達(dá)到同樣工作效率時(shí)的工人數(shù)量。

與智能入庫模型中的各區(qū)域分別使用一臺(tái)穿梭機(jī)共計(jì)三臺(tái)相比較，以相似的工作效率完成同樣的入庫工作，各區(qū)域最佳工人數(shù)量搭配為：A區(qū)域工人4人、B區(qū)域工人1人、C區(qū)域工人1人，共計(jì)人數(shù)：6人，工作時(shí)間為：555.17分鐘。

2.2 流程對(duì)比

為了更直觀的顯示智能貨架的運(yùn)用在倉儲(chǔ)的物資出入庫上的改變，做出了流程前后對(duì)比圖，同樣以出庫為例。如圖6所示。

在出庫流程的對(duì)比中，減少人工操作部分，用智能設(shè)備來代替，尤其在計(jì)數(shù)與裝載中，減少出庫操作的環(huán)節(jié)，物資直接出庫裝車，減少這過程中不必要的時(shí)間損耗，提高出庫效率，達(dá)到目標(biāo)時(shí)效性[4]。

3 基于仿真的智能倉儲(chǔ)評(píng)價(jià)

這里以江蘇省水利防汛物資儲(chǔ)備中心鎮(zhèn)江分中心建設(shè)智能倉庫為例進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 倉儲(chǔ)的利用率

防汛防旱物資的倉儲(chǔ)在目前大多還是以整齊堆垛方式為主，物資堆垛高度低，在倉庫的表面積利用率大，巷道設(shè)置雜亂。此次智慧倉儲(chǔ)將調(diào)整倉庫表面積的使用與巷道面積的合理分配，在空間利用率上進(jìn)行改進(jìn)，盡可能的使物資有效的堆垛。在貨位的安排與使用上留有可縮放的余量，能夠靈活的對(duì)物資進(jìn)行存放安排。

鎮(zhèn)江倉庫智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)的占地面積為18m*30m，總面積為540平方米。按照規(guī)劃設(shè)計(jì)貨架平面存放面積有340平方米，巷道的面積150平方米，運(yùn)輸機(jī)的占地面積有15平方米;因此，平面的有效占地利用率為93.5%，貨架的占地利用率為73%，對(duì)比改進(jìn)前得到大幅提升。

智能貨架為了適用于所有存放的物資高度，將層高調(diào)整到1.5m高，貨架設(shè)置為4層，總高度為6m。普通貨架和懸臂式貨架的高度均為4～5層，高約6m。倉庫的總高為10m，除去橫梁頂燈等，空間利用率將超過80%。

在貨位的安排上，通常在貨架的頂層高出會(huì)在每個(gè)托盤上減少物資的存放量，防止安全隱患，因此貨位會(huì)比預(yù)計(jì)多20%，還可以在增加物資的數(shù)量時(shí)有多余的空間存放。

3.2 叉車路徑的優(yōu)化

在一般的防汛倉儲(chǔ)中并沒有重視叉車的行徑路線規(guī)劃，也并沒有去做規(guī)劃，當(dāng)緊急出庫時(shí)，各個(gè)叉車又總是交叉作業(yè)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成擁堵，增加等待時(shí)間等，可以從這些問題看出規(guī)劃行徑路線的重要性。因此本次的方案建設(shè)增加叉車的行徑路線的優(yōu)化。

叉車的路徑設(shè)計(jì)原則是滿足單向運(yùn)輸，運(yùn)輸?shù)穆肪€盡量為直線，并且運(yùn)輸路線最短。在調(diào)研了江蘇省水利防汛物資儲(chǔ)備中心的歷年物資調(diào)用情況后，將常用的物資距離出庫口最近，在物資數(shù)量最大的救生衣穿梭式貨架附近安置運(yùn)輸機(jī)，在出庫的路徑距離上減少，并且減少叉車之間路徑的重復(fù)與交叉，直接從貨架搬運(yùn)到運(yùn)輸機(jī)。在操舟機(jī)的出入庫路徑上也是同樣如此，入庫與出庫路徑不交叉重復(fù)，貨架與出庫口之間最短距離的出庫路線。

3.3 出入庫的效率

在出入庫的效率上，主要運(yùn)智能穿梭車和叉車，減少叉車在貨架中來回走動(dòng)損耗的時(shí)間，同時(shí)也減少叉車作業(yè)路徑，重復(fù)作業(yè)路線可運(yùn)用拆卸式運(yùn)輸機(jī)代替，提高叉車的作業(yè)效率，并且縮短物資出入庫時(shí)間。通過流程節(jié)拍的設(shè)計(jì)，具體可見2.2節(jié)，在數(shù)據(jù)上有了直觀的對(duì)比，每個(gè)托盤的通過裝載智能穿梭車的使用能夠比傳統(tǒng)叉車節(jié)省30s，因此在防汛防旱物資的大量出庫時(shí)，能夠節(jié)約2～3個(gè)小時(shí)的出庫時(shí)間，智能化穿梭車的使用能夠在50分鐘內(nèi)出庫400個(gè)托盤的物資。在揀選與計(jì)數(shù)上，直接采用智能穿梭車的自動(dòng)計(jì)數(shù)的技術(shù)，除去出庫人工計(jì)數(shù)流程，人工計(jì)數(shù)通常需要1～1.5小時(shí)，通過減少出庫流程作業(yè)工序，用智能設(shè)備代替，省去計(jì)數(shù)環(huán)節(jié)，在出庫時(shí)直接智能計(jì)數(shù)，達(dá)到提高出庫效率的目的，保障時(shí)效性。

同時(shí)，運(yùn)用simio系統(tǒng)仿真模型，直觀反映在出入庫時(shí)間上，對(duì)整個(gè)出入庫流程進(jìn)行把控，分析流程中可以明顯改進(jìn)的方面，提高叉車的作業(yè)效率，減少叉車等待時(shí)間，減少物資出入庫所需要的時(shí)間，減少流程作業(yè)上不必要的操作，用智能化的設(shè)備來代替重復(fù)低效的人工作業(yè)，從這些方面來提高出入庫的效率，在防汛的物資的出入庫上提高時(shí)效性。

3.4 倉儲(chǔ)的智能性

作為一個(gè)防汛防旱物資儲(chǔ)備中心，由于在使用頻率上過低，但是一旦使用又需要極高的調(diào)運(yùn)效率以及迅速的應(yīng)急性，并且考慮到此倉儲(chǔ)的試點(diǎn)作用和經(jīng)費(fèi)預(yù)算，因此，在整個(gè)倉儲(chǔ)的智能性上，僅采用智能化的倉儲(chǔ)設(shè)備——智能貨架與智能穿梭車。

智能化的體現(xiàn)主要有兩點(diǎn)：一是在智能貨架上的選擇，它能夠更高效更快捷的運(yùn)輸所需物資，擺脫人工搬運(yùn)，結(jié)合叉車的裝載與卸載，運(yùn)輸機(jī)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)半機(jī)械半自動(dòng)化的出入庫運(yùn)輸，提高出入庫的效率。二是物資智能出入計(jì)數(shù)，不再人工計(jì)數(shù)，去除計(jì)數(shù)流程，用智能設(shè)備在物資出入庫時(shí)自動(dòng)計(jì)數(shù)，智能穿梭車在貨位托盤式出入庫時(shí)將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)，完成自動(dòng)化與信息化的結(jié)合，免去人工計(jì)數(shù)的繁瑣。提高物資出入庫的效率，保障準(zhǔn)確性與時(shí)效性。

3.5智能倉儲(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

對(duì)比智能倉儲(chǔ)和傳統(tǒng)倉庫的投資成本和土地成本。存儲(chǔ)549托盤物資的倉庫利用率為76%，其中倉庫使用總面積為462平方米，智能貨架占地面積354平方米，巷道面積108平方米。而傳統(tǒng)倉庫需要較多巷道，它的倉庫利用率約為33%，相比智能倉庫而言，存儲(chǔ)相同的物資需要2.3倍的土地，在鎮(zhèn)江倉庫的土地使用中每畝價(jià)格為30萬元，使用智能倉庫可以節(jié)省土地使用成本約為69萬元。而穿梭車式智能倉庫的造價(jià)約為70萬元，不僅可以存儲(chǔ)同樣數(shù)量的物資，還可以大大提高存取效率。總之，智能倉儲(chǔ)在防汛防旱物資儲(chǔ)備管理領(lǐng)域的應(yīng)用，可改善庫容庫貌，有利于促進(jìn)我國(guó)防汛防旱物資倉儲(chǔ)的空間利用率，單位倉庫容量可提升1倍以上，對(duì)于寸土寸金的江蘇地區(qū)，通過提高倉庫容量和利用率，提升土地利用效率，僅節(jié)約的土地價(jià)值將達(dá)到甚至超過智能倉儲(chǔ)設(shè)施設(shè)備的投入[3]。

參考文獻(xiàn)

[1] 李傲. 電子商務(wù)企業(yè)倉儲(chǔ)貨位管理及優(yōu)化[J] . 經(jīng)濟(jì)管理，2016 （12）： 21-23

[2] 王偉，黃莉著. 復(fù)雜應(yīng)急物流網(wǎng)絡(luò)可靠性診斷與優(yōu)化[M].南京：河海大學(xué)出版社，2018

[3] 韋建斌，韓毅. 江蘇省水利防汛物資智能倉儲(chǔ)及其經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 中國(guó)市場(chǎng)，2018（13）：173-174

[4] 楊文娟. 區(qū)域應(yīng)急物資儲(chǔ)備研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2009