食品冷链物流配送中心作业流程仿真与优化

王海燕，孙 涛

（武汉理工大学，湖北 武汉 430063）

食品冷链物流配送中心作业流程仿真与优化

王海燕，孙 涛

（武汉理工大学，湖北 武汉 430063）

以食品冷链物流配送中心为例，分析冷链物流配送中心的作业流程，利用Flexsim软件对整个作业流程进行仿真试验，通过对仿真结果的分析，针对资源配置利用不合理的作业环节进行优化改进。结果表明，理货分拣作业是制约此冷链物流配送中心整体作业效率提高的瓶颈，冷链物流的平均库存周期短，设备与搬运工具之间的作业效率能相互制约，资源设备的整体利用率能得到优化。相关结论在一定程度上为此类型配送中心的构建提供参考依据。

食品；冷链配送中心；作业流程；仿真；优化

1 引言

目前，随着我国食品冷链市场的需求日益增加，冷链物流的要求也相应提高，但我国完整独立的冷链物流体系尚未形成，仍然存在冷藏食品损耗率较高等问题。例如，2015年我国果蔬的损耗率高达30%[1]。冷链物流食品分为两类：一类是冷冻类食品，如浅加工后的禽、肉、速冻食品（如水饺、汤圆等）、水产品等非熟食和冰淇淋、奶制品等；另一类是保鲜类食品，如瓜果和蔬菜等。为了改善冷藏食品损耗率较高这一现状，需要提高冷链物流整体运作水平。食品冷链物流是指冷冻保鲜类食品为了保证质量和减少损耗，始终在特定的低温环境下进行生产、存储、运输、再加工和销售等一系列活动。其中，冷链配送中心作为冷链物流的一个关键节点，其整体作业效率的提高是改善冷链物流水平的重要保障。

因此，需要建立冷链物流配送中心，通过提高冷链物流配送中心整体运作水平来提高冷藏食品的质量、减少产品在配送环节的损失和降低冷链物流成本。由于冷链物流食品具有易腐性、鲜活性、及时性和物流成本所占比重大的特点，所以食品冷链物流配送中心构建的要求远高于一般的配送中心。为避免在食品冷链物流配送中心的构建上浪费大量的资源和时间，本文采用模拟仿真法，对其作业流程进行仿真与优化。模拟仿真的软件有很多，一般常用的有Witness、Arena、Auto Mod和Flexsim软件。Flexsim具有强大的分析能力，可以解决

服务、制造、物流等方面的问题，其成功解决的一些具体问题有：仓库合理布局、货物配送线路优化、资源的合理配置、优化货物和服务的优先次序、缩短货物的等待和排队时间问题等。当然，冷链物流领域也有学者采用Flexsim仿真的方法进行研究，例如，虞燕铭、高俊（2009）运用Flexsim对医药配送中心进行仿真研究。李倩（2013）利用Flexsim仿真研究生鲜农产品配送中心物流系统。李梦然（2014）运用Flexsim软件对冷链物流配送中心作业流程进行研究。彭燕（2015）采用Flexsim仿真研究冷冻肉类食品入库作业。本文也采用Flexsim软件进行仿真，动态模拟实时流程作业画面，依据模型的参数设置实现各个流程作业的功能要求，从仿真结果中分析制约食品冷链配送中心整体运作效率提高的瓶颈，为食品冷链配送中心的构建提供参考依据。

2 食品冷链物流配送中心作业流程

2.1 某食品冷链物流配送中心简介

本文中食品冷链配送中心的流程作业针对冷冻类食品和保鲜类食品，冷冻类食品对温度要求较高，而保鲜类食品除了对温度要求较高外更要求及时性。食品冷链配送中心室内整个作业区温度处于较低状态，其中，冷冻区库房和保鲜区库房处于特定的低温状态。本文以X公司食品冷链配送中心为例，其作业区的作业方式属于“人-机结合”工作的半自动化作业。在收集相关数据的基础上，采用先假设再检验的方法不断调整模型参数至合理范围。

2.2 食品冷链物流配送中心作业流程分析

X公司食品冷链物流配送中心作业流程的平面图如图1所示，该食品冷链配送中心共有五个作业区：收货区、流通加工区、冷藏区、理货分拣区和配装发货区，每个作业区实现的功能及其资源配置各不相同。具体如下：

（1）收货区：主要负责冷藏食品的卸货验收、暂存处理、入库检验等作业，冷藏食品在此环节逗留时间短。主要配置有搬运工具、暂存区、检验加工台等。

（2）流通加工区：主要负责冷藏食品的拆箱处理、包装及冷鲜食品的清洗、打蜡、包装等加工作业，冷藏食品在此环节逗留时间短，主要配置有深加工机器、打包加工台、入库叉车。

（3）冷藏区：冷藏区分为冷冻区和保鲜区，冷冻区是对速冻食品的存储，保鲜区是对果蔬类食品的存储保鲜，冷藏食品在此环节逗留时间相对较长，主要设备配置有保鲜冷冻设备、库房。

（4）理货分拣区：主要负责冷藏食品的分拣和备货，拆盘器对出库货物进行拆盘作业，订单分拣器依据客户订单对食品进行分拣，冷藏食品在此环节逗留时间短，主要设备配置有订单分拣器、拆盘器、出库叉车、暂存区等。

（5）配装发货区：主要负责冷藏食品的暂存、装车和配送活动，订单执行器对分拣出来的货物按配送车辆和路线作业，冷藏食品在此环节逗留时间短，主要设备配置有配装工具、暂存区、配送车辆。

该食品冷链配送中心依据下游客户订单量和安全库存向上游供应商订购冷藏食品，食品到达之后，分别进行流通加工作业并储存于相应的保鲜冷冻库房；再依据下游客户订单对冷藏食品进行理货分拣处理，然后进行配装发货作业并将货物装载至相应的配送车辆上。

图1 冷链配送中心作业流程平面图

3 食品冷链物流配送中心作业流程仿真

假设该公司食品冷链物流配送中心日均出库总量为10 000箱，其中冷冻类食品出库量为6 000箱，保鲜类食品出库量为4 000箱；冷冻类和保鲜类食品安全库

存量分别为600、400箱。该食品冷链物流配送中心将食品配送给下游3个客户。

3.1 确定实体设备及相关参数

食品冷链物流配送中心的实体设备用Flexsim仿真软件中的实体对象表示，两者之间的对应关系见表1。

表1 食品冷链配送中心实体设备与Flexsim实体库对象对应

上游供应商1和2用两个发生器代替，不同颜色的盒子分别代表加工前后不同类别的食品，红色、绿色分别代表冷冻类食品流通加工前后，黄色、蓝色分别代表保鲜类食品流通加工前后。流通加工时，每一个托盘上堆码8箱货物，冷冻类食品需要拆换箱、打包等作业，而保鲜类食品不仅如此，还需要清洗、打蜡、摘叶等深加工作业，故保鲜类食品比冷冻类食品多一道工序。冷库房的存储采取先进先出的方法，主要出于对冷藏食品的鲜活性、易腐性和及时性的考虑。冷库房以托盘的形式对食品进行冷藏，可知冷冻食品和保鲜食品的安全库存分别为75托盘和50托盘。此食品冷链物流配送中心作业系统属于半自动化作业系统，订单分拣器依靠信息系统将订单信息传递给存储区，工作人员利用运输工具分拣货物，订单分拣器再同时依据3个客户的订单分拣表分400批次分拣货物。最后，任务执行器将配装在暂存区的货物搬运到相应的配送车辆上，其中，任务执行器是搬运工具，结合订单分拣器进行作业；3个吸收器实际代表配送给客户的车辆。

仿真模型相关参数设计：

（1）收货区：冷冻、保鲜类食品到达货物验收暂存区的时间分别服从exponential(0,5,0)、exponential(0,7,0)，数量分别为7 000箱、5 000箱；货物验收暂存区最大容量设为10 000箱；冷冻保鲜类食品检验加工台平均加工时间都为4s；传送带速度默认为1m/s。

（2）流通加工区：托盘产生时间服从exponential(0,2, 0)；深加工机器平均作业时间为5s；打包加工器1、2的平均作业时间分别为3s、5s；托盘上堆码箱数为8；入库叉车1、2每次运行托盘数量为1，装载和卸载时间都为3s，提升速度和最大工作速度分别都为2m/s和1m/s。

（3）存储区：冷冻、保鲜库房的最大容量分别为750托盘和500托盘，安全库存分别为75托盘和50托盘。模型运行时，对暂存区首先打开输入端口，关闭输出端口；当货物数量超过安全库存时，打开输出端口允许货物出库；当货物数量达到最大存储量时，关闭输入端口，同时保持输出端口打开；当货物存储量下降至安全库存时，关闭输出端口，打开输入端口。存储方法为先进先出。

（4）理货分拣区：出库叉车1、2每次运行托盘数量为1，起升速度和最大工作速度都是2m/s；拆盘器作业时间为15s；暂存区最大容量设为10 000箱；订单分拣器平均作业时间为6s；每批次的订单分拣表见表2。

（5）配装发货区：配装发货暂存区最大容量为750托盘，输出端口为指定端口；配装工具运行速度为2m/s；吸收器的输入量达到400托盘即完成客户订单时关闭输入端口。

表2 订单分拣表 （单位：箱）

3.2 建立Flexsim仿真模型

（1）确定仿真目标。冷冻保鲜类食品对时间要求很高，为了提高配送环节的作业效率，降低食品的损耗率，节约成本。仿真的主要目标为：①在保证质量的基础上，利用先进先出的方法存储食品，缩短库存周期以便食品在合理时间范围内送至客户；②找出制约冷链物流配送中心作业效率提高的瓶颈；③尽量做到设备配置合理和资源利用合理。

（2）仿真运行。假设配送中心一天的正常作业时间为8h即28 800s，此仿真模型的运行单位时间1s相当于实际时间的1s。仿真开始时冷库房没有库存，当模型运行至2 800s左右时，库存量才达到安全库存即分拣作业才开始，出于对仿真运行结果准确性的考虑，当供应商的货物供应完成时收集一次收货区和流通加工区的作

业数据，设置模型运行最终的停止时间为客户订单完成时再收集一次数据。

为了尽快得出模型的研究数据，可适当提高模型的运行速度，并不改变数据运行结果。仿真运行后，3D模型如图2所示。

图2 Flexsim仿真3D模型

3.3 仿真结果数据收集及分析

Flexsim仿真模型运行结束后进行数据收集，设备的工作状态以百分比的形式呈现，见表3-表5。

表3 固定设备工作状态统计表

表4 搬运设备工作状态统计表

表5 冷冻保鲜库房工作状态统计表

通过模型多次运行后的数据结果可知，检验加工台1、2和深加工机器设备的利用率分别为78.62%、56.16%和70.20%，其中，检验加工台2的利用率偏低，主要是其阻塞率达到26.01%，表明其检验产品的时间过长或深加工机器的作业时间过长。打包加工器1、2和订单分拣器设备的有效利用率分别为59.05%、82.86%和 93.59%，其中打包加工器1的利用率偏低，因其等待运输工具的时间过长，可入库叉车1的闲置率只有19.39%，表明打包器1作业时间参数设置或入库叉车1参数设置不合理；虽然打包加工器2的利用率为82.86%合理，但入库叉车2的闲置率却高达63.78%，表明打包加工器2的作业时间参数设置不合理或入库叉车2的参数设置不合理。由此可见，设备与相关联的搬运工具之间的作业效率能相互制约。出库叉车1、2和拆盘器的闲置率分别高达66.79%、82.75%和56.88%，明显表明理货分拣区的设备配置或者设备参数设置存在问题。由收集的数据表5可知，冷冻、保鲜库房的货物平均停留时间都在2.5h左右，满足了食品冷链物流及时性的要求，实际最大库存分别只达到302托盘、212托盘，即能满足客户需求又满足了冷藏食品易腐不宜过量库存的特性，可知先进先出的存储方法适合冷藏食品存储。

4 Flexsim仿真模型优化及结果对比分析

4.1 模型优化

为了合理利用资源，物尽其用，需要对此食品冷链物流配送中心模型进行优化改进，达到提高整体运作效率和节约成本的目的。经过多次优化，最终优化方案如下：

（1）模型结构优化：将两台出库叉车换成一台，即节约成本又提高资源利用率。

（2）模型参数优化：为了配合整体作业效率的提高，发生器1、2的货物到达时间调整为服从exponential(0, 4.5,0)、exponential(0,6.2,0)，检验加工台2和深加工机器的平均加工时间都调整为4.5s,打包台的加工时间调整为3.5s，三辆叉车的速度和装卸时间、拆盘器和订单分拣器的加工时间及其它设备的相关参数都作了相应的调整；

优化后的3D模型如图3所示，模型优化后收集的数据结果见表6-表8。

表6 固定设备工作状态统计表

表7 搬运设备工作状态统计表

表8 冷冻保鲜库房工作状态统计表

4.2 模型结果对比分析

由图4可知，检验加工台1、2和深加工机器的加工率从优化前的78.62%、56.16%和70.20%分别上升为88.36%、73.60%和73.60%，设备的有效利用率得到了提升。由图5和图6可知，打包加工器2的有效利用率从原来的82.86%下降至65.48%，但与之关联的入库叉车2的闲置率从63.78%大幅度的下降至28.34%，由此可见，设备与相关联的搬运工具之间的作业效率能相互制约；同时打包加工器1和订单分拣器的有效利用率分别从优化前的59.05%和93.59%上升至66.12%和94.16%。由图4和图6可知，拆盘器的闲置率未得到改善，可出库叉车闲置率有所改观，并且叉车数量上也减少了，节约了成本；入库叉车1的闲置率与优化前的相比在正常范围内略微上升。由优化前后的数据可知，此食品冷链物流配送中心的“瓶颈”可能存在于理货分拣区。冷冻保鲜类货物的平均停留时间分别从8 998.1s和8 992.3s延长至10 921.8s和12 942.2s，最大库存量也增加了，但都属于合理范围，并不影响食品质量和客户需求。

图3 优化后的3D模型

5 结论

通过对食品冷链物流配送中心作业流程的分析，利用Flexsim软件建立食品冷链配送中心作业流程的仿真模型，收集资源设备的加工率、有效利用率、闲置率等数据，分析模型优化前后的数据，可得出理货分拣作业是制约此冷链物流配送中心整体作业效率提高的瓶颈，设备与搬运工具之间的作业效率能相互制约，冷链物流的平均库存周期短，

“人-机结合”的半自动化作业的整体运作效率不高，但优化后的配送中心整体运作效率有所改善。

为优化资源配置，提高作业效率，降低物流成本。本文在前人研究的基础上，以食品冷链物流配送中心为例，假设一些合理的相关参数，通过模型多次调整运行，对资源配置利用不合理的作业环节进行优化改进，得出的相关结论在一定程度上为此类型配送中心的构建提供了参考依据。

图4 固定设备优化前后的加工率

图5 固定设备优化前后的有效利用率

图6 搬运设备优化前后的闲置率

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Simulation and Optimization of Operational Process of Food Cold Chain Logistics Distribution Centers

Wang Haiyan,Sun Tao
(Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

In this paper,with the food cold chain logistics distribution center as the example,we analyzed its operational process,used the Flexsim to simulate the entire operational process and then in view of the result of the simulation,optimized the operational links where the resource allocation or utilization was unreasonable.The result of the analysis indicated that the cargo tallying and sorting activity was the bottleneck restricting the operational efficiency of the distribution center,the average inventory cycle of the cold chain logistics distribution center was short,the operational efficiency of the equipment and the handling tools were mutually restrictive and the overall utilization rate of the resources and equipment could be optimized.

food;cold chain distribution center;operational process;simulation;optimization

U16;F224

A

1005-152X(2016)10-0092-06

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.10.023

2016-08-05

王海燕，武汉理工大学交通学院副教授；孙涛，武汉理工大学交通运输规划与管理系物流管理专业硕士研究生。