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當前防汛防旱工作形勢嚴峻、任務繁重,加快推進防汛防旱應急能力建設,提高水災旱災應對能力,已迫在眉睫。[1]防汛防旱物資的倉儲管理是開展防汛防旱工作的關鍵環節,在國家防汛防旱搶險工作中發揮著不可替代的作用。但目前倉庫基礎設施落后,倉儲自動化、信息化、機械化程度相對較低,倉儲物資欠缺動態管理,與靈活機動的現代化倉儲策略存在差距,難以連續應對多地域突發的洪澇災害事件同步快速響應等,因此,文章基于計算機仿真技術分析了防汛防旱物資智能倉儲系統效率、經濟性進行評價,為未來防汛防旱物資智能倉儲應用奠定基礎。

當前,仿真技術已經成為分析、研究各種復雜系統的重要工具,它廣泛應用于工程領域和非工程領域。[2]Simio仿真軟件是美國LLCSimio公司開發的通用仿真平臺,既可用于離散事件仿真,也可用于連續事件仿真,已經成功應用于制造、供應鏈、分撥中心、醫療服務、國防、農業、災害管理等領域。基于Simio仿真平臺的功能,對防汛防旱物資智能倉儲進行仿真分析,較好地模擬智能倉庫內部運作過程。

根據防汛防旱物資的特性構建物資出入庫仿真系統。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首先進入倉庫分揀區,然后對其進行檢查,不合格的物資被放置在一旁等待被退回,合格物資進一步被打包,等待入庫操作。

當物資A需要進行出庫操作時,通過倉儲系統了解物資的具體儲位,并將其從貨架中取出至分揀區,然后打包出庫,如圖2所示。

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,總計數400托盤,用4輛叉車來運送物資(在仿真中忽略叉車行徑時間),load on與load out的時間均為15秒,用status label來計數每輛叉車運輸的物資數量。

圖1 物資入庫流程   下載原圖

圖2 物資出庫流程   下載原圖

圖3 入庫模型仿真平面圖   下載原圖

在入庫1600箱,400個托盤,4輛叉車同時作業下仿真所需時間為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輛叉車的裝載任務按照區域劃分,每輛叉車運輸100單位托盤的物資。主路徑用運輸機如穿梭車來代替,減少叉車的等待時間,并且將運輸機直接連通到裝運的車輛上,也可以減少裝運時間。同樣用4輛叉車來運送物資,load on與load out的時間均為15秒。仿真結果為400個托盤在4輛叉車同時作業下需要52分鐘。如圖5所示。

叉車將貨物搬運至貨架口各穿梭車停靠點,與穿梭車進行貨物交接,交接完成后穿梭車將貨物送往按照物資種類劃分的各個區域(救生衣:A區1～11行,1～11列,1～4層;帳篷:B區1～11行,1～3列,第3層;操舟機:B區1～11行,1～5列,1～2層;機油:C區2層;照明燈:C區3層;D區空余空間用于未來存放增加的物資,或是其他需求)。同時叉車原路返回倉庫入口,搬運下一貨物。當所有貨物均已入庫時,工作完成。

圖4 入庫仿真模型時間結果   下載原圖

圖5 出庫仿真模型時間結果   下載原圖

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,但造價高,停電或故障難以取貨,投入高。

救生衣需400托盤、帳篷需25托盤、操舟機需113托盤、機油需9托盤、照明燈需2托盤,共計549托盤。

系統中包含4臺叉車、4臺穿梭機。叉車與穿梭車空載時運動速度1.2m/s,負載時運動速度為0.6m/s。叉車和穿梭機裝、卸載貨物的時間均為5s。

按照不同物資所屬貨架的位置,與穿梭車停靠點的距離,分別設定物資在貨架中的平均搬運時間。其中,救生衣需要36.6s、帳篷需要10.8s、操舟機需要30.3s、機油需要39.7s、照明燈需要42.5s。

當系統中貨物數量為0,即所有貨物均已入庫時,截取當時的系統時間,并轉換為分鐘數,作為入庫工作所需時間。

圖6 智能入庫模型   下載原圖

叉車將貨物搬運至各區域貨架口,與各區域的工作人員進行貨物交接,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區域(救生衣:A區1～11行,1～11列,1～4層;帳篷:B區1～11行,1～3列,第3層;操舟機:B區1～11行,1～5列,1～2層;機油:C區2層;照明燈:C區3層;D區空余空間用于未來存放增加的物資,或是其他需求)。同時叉車原路返回倉庫入口,搬運下一貨物。當所有貨物均已入庫時,工作完成。

貨架采用托盤式貨架,依靠人工存放、取出物資。經濟、拆裝方便,但儲存密度較低,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。

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

圖7 人工入庫模型   下載原圖

系統中叉車數量為4保持不變,各類工人數量(A區工作人員、B區工作人員、C區工作人員)為變量,初始數量為:各區域工作人員各1人。叉車空載時運動速度1.2m/s,負載時速度為0.6m/s。裝、卸載貨物的時間均為5s;工人存取貨物的時間均為10s。

按照不同物資所屬貨架的位置、各區域工作人員停靠點的距離與物資的重量比例,分別設定物資在貨架中的平均搬運時間。其中,救生衣需要104.6s、帳篷需要45.4s、操舟機需要106.4s、機油需要115.2s、照明燈需要106.6s。

當系統中貨物數量為0,即所有貨物均已入庫時,截取當時的系統時間,并轉換為分鐘數,作為入庫工作所需時間。

智能入庫模型的工作時間為:558.73分鐘。按照各區域工人的初始人數,即以智能入庫穿梭機數量相同的工人(各區域各1人),完成入庫工作所需時間大于1440分鐘。對人工入庫模型進行實驗分析,以智能入庫模型的工作時間為標準,探討不同貨架區域的工人數量對工作時間的影響,以求的達到同樣工作效率時的工人數量。

與智能入庫模型中的各區域分別使用一臺穿梭機共計三臺相比較,以相似的工作效率完成同樣的入庫工作,各區域最佳工人數量搭配為:A區域工人4人、B區域工人1人、C區域工人1人,共計人數:6人,工作時間為:555.17分鐘。

圖8 人工入庫模型數據實驗   下載原圖

為了更直觀的顯示智能貨架的運用在倉儲的物資出入庫上的改變,做出了流程前后對比圖,同樣以出庫為例。如圖9所示。

圖9 出庫改善前后流程圖對比   下載原圖

在出庫流程的對比中,減少人工操作部分,用智能設備來代替,尤其在計數與裝載中,減少出庫操作的環節,物資直接出庫裝車,減少這過程中不必要的時間損耗,提高出庫效率,達到目標時效性[4]。

這里以江蘇省水利防汛物資儲備中心鎮江分中心建設智能倉庫為例進行對比分析。

防汛防旱物資的倉儲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,巷道設置雜亂。此次智慧倉儲將調整倉庫表面積的使用與巷道面積的合理分配,在空間利用率上進行改進,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,能夠靈活的對物資進行存放安排。

鎮江倉庫智能倉儲系統的占地面積為18m×30m,總面積為540平方米。按照規劃設計貨架平面存放面積有340平方米,巷道的面積150平方米,運輸機的占地面積有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%,對比改進前得到大幅提升。

智能貨架為了適用于所有存放的物資高度,將層高調整到1.5m高,貨架設置為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在每個托盤上減少物資的存放量,防止安全隱患,因此貨位會比預計多20%,還可以在增加物資的數量時有多余的空間存放。

在一般的防汛倉儲中并沒有重視叉車的行徑路線規劃,也并沒有去做規劃,當緊急出庫時,各個叉車又總是交叉作業,嚴重時還會造成擁堵,增加等待時間等,可以從這些問題看出規劃行徑路線的重要性。因此本次的方案建設增加叉車的行徑路線的優化。

叉車的路徑設計原則是滿足單向運輸,運輸的路線盡量為直線,并且運輸路線最短。在調研了江蘇省水利防汛物資儲備中心的歷年物資調用情況后,將常用的物資距離出庫口最近,在物資數量最大的救生衣穿梭式貨架附近安置運輸機,在出庫的路徑距離上減少,并且減少叉車之間路徑的重復與交叉,直接從貨架搬運到運輸機。在操舟機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,貨架與出庫口之間最短距離的出庫路線。

在出入庫的效率上,主要運智能穿梭車和叉車,減少叉車在貨架中來回走動損耗的時間,同時也減少叉車作業路徑,重復作業路線可運用拆卸式運輸機代替,提高叉車的作業效率,并且縮短物資出入庫時間。通過流程節拍的設計,具體可見2.2節,在數據上有了直觀的對比,每個托盤通過裝載智能穿梭車的使用能夠比傳統叉車節省30s,因此在防汛防旱物資的大量出庫時,能夠節約2～3個小時的出庫時間,智能化穿梭車的使用能夠在50分鐘內出庫400個托盤的物資。在揀選與計數上,直接采用智能穿梭車的自動計數的技術,除去出庫人工計數流程,人工計數通常需要1～1.5小時,通過減少出庫流程作業工序,用智能設備代替,省去計數環節,在出庫時直接智能計數,達到提高出庫效率的目的,保障時效性。

同時,運用simio系統仿真模型,直觀反映在出入庫時間上,對整個出入庫流程進行把控,分析流程中可以明顯改進的方面,提高叉車的作業效率,減少叉車等待時間,減少物資出入庫所需要的時間,減少流程作業上不必要的操作,用智能化的設備來代替重復低效的人工作業,從這些方面來提高出入庫的效率,在防汛物資的出入庫上提高時效性。

作為一個防汛防旱物資儲備中心,由于在使用頻率上過低,但是一旦使用又需要極高的調運效率以及迅速的應急性,并且考慮到此倉儲的試點作用和經費預算,因此,在整個倉儲的智能性上,僅采用智能化的倉儲設備——智能貨架與智能穿梭車。

智能化的體現主要有兩點:一是在智能貨架上的選擇,它能夠更高效更快捷的運輸所需物資,擺脫人工搬運,結合叉車的裝載與卸載,運輸機的結合,實現半機械半自動化的出入庫運輸,提高出入庫的效率。二是物資智能出入計數,不再人工計數,去除計數流程,用智能設備在物資出入庫時自動計數,智能穿梭車在貨位托盤式出入庫時將實現自動計數,完成自動化與信息化的結合,免去人工計數的煩瑣。提高物資出入庫的效率,保障準確性與時效性。

對比智能倉儲和傳統倉庫的投資成本和土地成本。存儲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,存儲相同的物資需要2.3倍的土地,在鎮江倉庫的土地使用中每畝價格為30萬元,使用智能倉庫可以節省土地使用成本約為69萬元。而穿梭車式智能倉庫的造價約為70萬元,不僅可以存儲同樣數量的物資,還可以大大提高存取效率。總之,智能倉儲在防汛防旱物資儲備管理領域的應用,可改善庫容庫貌,有利于促進我國防汛防旱物資倉儲的空間利用率,單位倉庫容量可提升1倍以上,對于寸土寸金的江蘇地區,通過提高倉庫容量和利用率,提升土地利用效率,僅節約的土地價值將達到甚至超過智能倉儲設施設備的投入[3]。