当前防汛防旱工作形势严峻、任务繁重,加快推进防汛防旱应急能力建设,提高水灾旱灾应对能力,已迫在眉睫。[1]防汛防旱物资的仓储管理是开展防汛防旱工作的关键环节,在国家防汛防旱抢险工作中发挥着不可替代的作用。但目前仓库基础设施落后,仓储自动化、信息化、机械化程度相对较低,仓储物资欠缺动态管理,与灵活机动的现代化仓储策略存在差距,难以连续应对多地域突发的洪涝灾害事件同步快速响应等,因此,文章基于计算机仿真技术分析了防汛防旱物资智能仓储系统效率、经济性进行评价,为未来防汛防旱物资智能仓储应用奠定基础。

当前,仿真技术已经成为分析、研究各种复杂系统的重要工具,它广泛应用于工程领域和非工程领域。[2]Simio仿真软件是美国LLCSimio公司开发的通用仿真平台,既可用于离散事件仿真,也可用于连续事件仿真,已经成功应用于制造、供应链、分拨中心、医疗服务、国防、农业、灾害管理等领域。基于Simio仿真平台的功能,对防汛防旱物资智能仓储进行仿真分析,较好地模拟智能仓库内部运作过程。

根据防汛防旱物资的特性构建物资出入库仿真系统。以物资A出入库为例,下图1表示物资A的入库流程,从图中可以看出,物资A首先进入仓库分拣区,然后对其进行检查,不合格的物资被放置在一旁等待被退回,合格物资进一步被打包,等待入库操作。

当物资A需要进行出库操作时,通过仓储系统了解物资的具体储位,并将其从货架中取出至分拣区,然后打包出库,如图2所示。

以物资A的出入库过程建立仿真模型,如图3所示,在入库仿真模型中,cargo表示物资A,摆放在左边的货位上,source表示物资的来源,总计数400托盘,用4辆叉车来运送物资(在仿真中忽略叉车行径时间),load on与load out的时间均为15秒,用status label来计数每辆叉车运输的物资数量。

图1 物资入库流程   下载原图

图2 物资出库流程   下载原图

图3 入库模型仿真平面图   下载原图

在入库1600箱,400个托盘,4辆叉车同时作业下仿真所需时间为65分钟,如图4所示。

与入库相比较,出库的模型有所变化。将4辆叉车的装载任务按照区域划分,每辆叉车运输100单位托盘的物资。主路径用运输机如穿梭车来代替,减少叉车的等待时间,并且将运输机直接连通到装运的车辆上,也可以减少装运时间。同样用4辆叉车来运送物资,load on与load out的时间均为15秒。仿真结果为400个托盘在4辆叉车同时作业下需要52分钟。如图5所示。

叉车将货物搬运至货架口各穿梭车停靠点,与穿梭车进行货物交接,交接完成后穿梭车将货物送往按照物资种类划分的各个区域(救生衣:A区1～11行,1～11列,1～4层;帐篷:B区1～11行,1～3列,第3层;操舟机:B区1～11行,1～5列,1～2层;机油:C区2层;照明灯:C区3层;D区空余空间用于未来存放增加的物资,或是其他需求)。同时叉车原路返回仓库入口,搬运下一货物。当所有货物均已入库时,工作完成。

图4 入库仿真模型时间结果   下载原图

图5 出库仿真模型时间结果   下载原图

货架采用密集式货架,依靠穿梭车存放、取出物资。利用率高,存取快速,但造价高,停电或故障难以取货,投入高。

救生衣需400托盘、帐篷需25托盘、操舟机需113托盘、机油需9托盘、照明灯需2托盘,共计549托盘。

系统中包含4台叉车、4台穿梭机。叉车与穿梭车空载时运动速度1.2m/s,负载时运动速度为0.6m/s。叉车和穿梭机装、卸载货物的时间均为5s。

按照不同物资所属货架的位置,与穿梭车停靠点的距离,分别设定物资在货架中的平均搬运时间。其中,救生衣需要36.6s、帐篷需要10.8s、操舟机需要30.3s、机油需要39.7s、照明灯需要42.5s。

当系统中货物数量为0,即所有货物均已入库时,截取当时的系统时间,并转换为分钟数,作为入库工作所需时间。

图6 智能入库模型   下载原图

叉车将货物搬运至各区域货架口,与各区域的工作人员进行货物交接,交接完成后工作人员将货物送往按照物资种类划分的各个区域(救生衣:A区1～11行,1～11列,1～4层;帐篷:B区1～11行,1～3列,第3层;操舟机:B区1～11行,1～5列,1～2层;机油:C区2层;照明灯:C区3层;D区空余空间用于未来存放增加的物资,或是其他需求)。同时叉车原路返回仓库入口,搬运下一货物。当所有货物均已入库时,工作完成。

货架采用托盘式货架,依靠人工存放、取出物资。经济、拆装方便,但储存密度较低,需较多巷道。通常使用3～5层,货架高度受限,一般在10米以下。

救生衣需400托盘、帐篷需25托盘、操舟机需113托盘、机油需9托盘、照明灯需2托盘,共计549托盘。重量(KG/托盘)为:救生衣32、帐篷180、操舟机220、机油120、照明灯32。

图7 人工入库模型   下载原图

系统中叉车数量为4保持不变,各类工人数量(A区工作人员、B区工作人员、C区工作人员)为变量,初始数量为:各区域工作人员各1人。叉车空载时运动速度1.2m/s,负载时速度为0.6m/s。装、卸载货物的时间均为5s;工人存取货物的时间均为10s。

按照不同物资所属货架的位置、各区域工作人员停靠点的距离与物资的重量比例,分别设定物资在货架中的平均搬运时间。其中,救生衣需要104.6s、帐篷需要45.4s、操舟机需要106.4s、机油需要115.2s、照明灯需要106.6s。

当系统中货物数量为0,即所有货物均已入库时,截取当时的系统时间,并转换为分钟数,作为入库工作所需时间。

智能入库模型的工作时间为:558.73分钟。按照各区域工人的初始人数,即以智能入库穿梭机数量相同的工人(各区域各1人),完成入库工作所需时间大于1440分钟。对人工入库模型进行实验分析,以智能入库模型的工作时间为标准,探讨不同货架区域的工人数量对工作时间的影响,以求的达到同样工作效率时的工人数量。

与智能入库模型中的各区域分别使用一台穿梭机共计三台相比较,以相似的工作效率完成同样的入库工作,各区域最佳工人数量搭配为:A区域工人4人、B区域工人1人、C区域工人1人,共计人数:6人,工作时间为:555.17分钟。

图8 人工入库模型数据实验   下载原图

为了更直观的显示智能货架的运用在仓储的物资出入库上的改变,做出了流程前后对比图,同样以出库为例。如图9所示。

图9 出库改善前后流程图对比   下载原图

在出库流程的对比中,减少人工操作部分,用智能设备来代替,尤其在计数与装载中,减少出库操作的环节,物资直接出库装车,减少这过程中不必要的时间损耗,提高出库效率,达到目标时效性[4]。

这里以江苏省水利防汛物资储备中心镇江分中心建设智能仓库为例进行对比分析。

防汛防旱物资的仓储在目前大多还是以整齐堆垛方式为主,物资堆垛高度低,在仓库的表面积利用率大,巷道设置杂乱。此次智慧仓储将调整仓库表面积的使用与巷道面积的合理分配,在空间利用率上进行改进,尽可能的使物资有效的堆垛。在货位的安排与使用上留有可缩放的余量,能够灵活的对物资进行存放安排。

镇江仓库智能仓储系统的占地面积为18m×30m,总面积为540平方米。按照规划设计货架平面存放面积有340平方米,巷道的面积150平方米,运输机的占地面积有15平方米。因此,平面的有效占地利用率为93.5%,货架的占地利用率为73%,对比改进前得到大幅提升。

智能货架为了适用于所有存放的物资高度,将层高调整到1.5m高,货架设置为4层,总高度为6m。普通货架和悬臂式货架的高度均为4～5层,高约6m。仓库的总高为10m,除去横梁顶灯等,空间利用率将超过80%。

在货位的安排上,通常在货架的顶层高出会在每个托盘上减少物资的存放量,防止安全隐患,因此货位会比预计多20%,还可以在增加物资的数量时有多余的空间存放。

在一般的防汛仓储中并没有重视叉车的行径路线规划,也并没有去做规划,当紧急出库时,各个叉车又总是交叉作业,严重时还会造成拥堵,增加等待时间等,可以从这些问题看出规划行径路线的重要性。因此本次的方案建设增加叉车的行径路线的优化。

叉车的路径设计原则是满足单向运输,运输的路线尽量为直线,并且运输路线最短。在调研了江苏省水利防汛物资储备中心的历年物资调用情况后,将常用的物资距离出库口最近,在物资数量最大的救生衣穿梭式货架附近安置运输机,在出库的路径距离上减少,并且减少叉车之间路径的重复与交叉,直接从货架搬运到运输机。在操舟机的出入库路径上也是同样如此,入库与出库路径不交叉重复,货架与出库口之间最短距离的出库路线。

在出入库的效率上,主要运智能穿梭车和叉车,减少叉车在货架中来回走动损耗的时间,同时也减少叉车作业路径,重复作业路线可运用拆卸式运输机代替,提高叉车的作业效率,并且缩短物资出入库时间。通过流程节拍的设计,具体可见2.2节,在数据上有了直观的对比,每个托盘通过装载智能穿梭车的使用能够比传统叉车节省30s,因此在防汛防旱物资的大量出库时,能够节约2～3个小时的出库时间,智能化穿梭车的使用能够在50分钟内出库400个托盘的物资。在拣选与计数上,直接采用智能穿梭车的自动计数的技术,除去出库人工计数流程,人工计数通常需要1～1.5小时,通过减少出库流程作业工序,用智能设备代替,省去计数环节,在出库时直接智能计数,达到提高出库效率的目的,保障时效性。

同时,运用simio系统仿真模型,直观反映在出入库时间上,对整个出入库流程进行把控,分析流程中可以明显改进的方面,提高叉车的作业效率,减少叉车等待时间,减少物资出入库所需要的时间,减少流程作业上不必要的操作,用智能化的设备来代替重复低效的人工作业,从这些方面来提高出入库的效率,在防汛物资的出入库上提高时效性。

作为一个防汛防旱物资储备中心,由于在使用频率上过低,但是一旦使用又需要极高的调运效率以及迅速的应急性,并且考虑到此仓储的试点作用和经费预算,因此,在整个仓储的智能性上,仅采用智能化的仓储设备——智能货架与智能穿梭车。

智能化的体现主要有两点:一是在智能货架上的选择,它能够更高效更快捷的运输所需物资,摆脱人工搬运,结合叉车的装载与卸载,运输机的结合,实现半机械半自动化的出入库运输,提高出入库的效率。二是物资智能出入计数,不再人工计数,去除计数流程,用智能设备在物资出入库时自动计数,智能穿梭车在货位托盘式出入库时将实现自动计数,完成自动化与信息化的结合,免去人工计数的烦琐。提高物资出入库的效率,保障准确性与时效性。

对比智能仓储和传统仓库的投资成本和土地成本。存储549托盘物资的仓库利用率为76%,其中仓库使用总面积为462平方米,智能货架占地面积354平方米,巷道面积108平方米。而传统仓库需要较多巷道,它的仓库利用率约为33%,相比智能仓库而言,存储相同的物资需要2.3倍的土地,在镇江仓库的土地使用中每亩价格为30万元,使用智能仓库可以节省土地使用成本约为69万元。而穿梭车式智能仓库的造价约为70万元,不仅可以存储同样数量的物资,还可以大大提高存取效率。总之,智能仓储在防汛防旱物资储备管理领域的应用,可改善库容库貌,有利于促进我国防汛防旱物资仓储的空间利用率,单位仓库容量可提升1倍以上,对于寸土寸金的江苏地区,通过提高仓库容量和利用率,提升土地利用效率,仅节约的土地价值将达到甚至超过智能仓储设施设备的投入[3]。