胡林艳  韩亮  王仲  许畅  张甜  吴泽南

（北自所（北京）科技发展股份有限公司）

摘要：顶升移载机作为现代智能物流系统中的关键枢纽设备，在自动化物料搬运领域具有重要应用价值。该设备依靠其特有的升降——平移复合运动机制，可实现物料在主输送线与分支线之间的高效转接，并支持90°转向、分流/合流、工位对接等多种物流作业模式。在家电装配、食品包装等行业中，顶升移载机凭借其布置灵活性，已成为实现柔性化生产的重要装备之一。然而，在物流系统仿真领域，主流仿真软件Flexsim的标准模块库中尚未包含专用的顶升移载机实体模型。针对该技术空白，本研究提出了一套基于Flexsim的二次开发解决方案，通过对设备三维运动进行分解，利用Flexsim二次开发模块构建可复用的标准化模型，并结合3DMax构建外观模型，最终形成参数化的仿真标准模块。本文所提出的建模方法不仅有效填补了Flexsim在专用移载设备仿真方面的技术空白，也为自动化物流系统的仿真建模提供了新的思路与实现路径。

关键词：自动化物流；输送系统；顶升移载机；Flexsim

1    研究背景与创新点

1.1    当前痛点分析

在自动化物流系统中，顶升移载机作为关键的分流节点设备，其运行效率直接影响整个输送系统的作业效率与稳定性。然而，当前的相关研究与实践仍面临以下突出问题：

1.1.1    理论计算与实际系统运行之间存在显著脱节

传统的设备选型与能力评估主要依赖理论计算方法，但该方法仅能反映设备在理想工况下的极限能力，难以有效表征其在动态、复杂运行环境中的实际表现。具体而言，理论模型无法充分考虑多设备协同作业时的节拍匹配问题，也难以捕捉货物排队所引发的隐性效率损失，导致前期选型与实际运行效果之间经常出现偏差。

1.1.2    缺乏行之有效的仿真验证手段

Flexsim作为离散事件仿真领域的代表性软件平台，在物流系统仿真中具有广泛应用。然而，其标准模块库中仅提供基础的输送设备（如直输送机、转弯输送机等），并未包含专用的顶升移载机仿真模块。该模块的缺失迫使仿真建模人员不得不采用临时拼凑的方法构建设备逻辑，这不仅大幅降低了建模效率，更难以确保仿真模型在运动逻辑层面与真实设备保持一致。尤其是在高节拍、多流向的复杂物流系统中，传统拼凑式建模方法往往无法精确模拟顶升移载机的动态运行特性，导致仿真结果与实际运行状态存在较大偏差，进而削弱了仿真手段在方案评估与设备选型阶段的有效支撑作用。

图1 辊式顶升移载机

在传统建模实践中，建模者需为每一个分流节点单独配置逻辑代码、进行独立连线与编辑（如图2所示，典型的十字交叉处顶升移载逻辑需借助多个辅助控制模块方可实现）。该方法要求在每个项目中重复搭建逻辑框架，并反复进行调试。统计数据表明，在面对含有连续多个节点的复杂项目时，建模与调试过程往往需经历多轮参数调整，单次耗时超过50 min，严重影响仿真分析的整体推进效率。

1.1.3    建模精度不足，缺乏关键决策支持数据

采用传统拼凑方式构建的仿真模型，在流量仿真中误差较大，且可视化呈现效果较差，难以准确模拟顶升动作等关键运动环节。同时，该方式也无法有效输出设备利用率、总作业量等核心决策指标，导致项目在实施后常出现节拍不匹配等运行问题，制约了仿真分析在实际工程中的应用价值。

图2  传统建模方式

1.2    创新价值

针对上述问题，亟需开发一套面向Flexsim环境的模块化顶升移载机仿真解决方案。本研究预期实现以下三项核心突破：

① 建模效率优化——将单台设备的建模时间压缩至3 min以内，显著提升建模效率；

② 数据精度提升——支持顶升高度、移载速度等关键参数的快速调整，增强模型对实际工况的拟合能力；

③ 决策支持功能——在仿真运行过程中，能够实时输出设备作业量与利用率等关键数据，为系统方案评估与优化提供量化依据。

基于上述目标，本文以某实际物流系统中的输送线为研究对象，提出并验证一种基于Flexsim的顶升移载机模块化建模方法。

2    关键技术实现路径

2.1    设备动作分解

首先，需理清顶升移载的作业流程，把复杂的动作拆解并简化成仿真需要的动作。主要逻辑有2步，①进入前，判断进入的朝向和高度。②进入后，判断下一个目的地和高度。三维运动解析具体如下流程图。三维运动解析具体如图3。

图3 三维运动解析

2.2    三维模型建立

因顶升移载机和输送机配套使用，而模型中已有输送机的模型，本次从统一的角度出发，二次开发的链式输送模型在已有外观的基础上优化（也可使用自己重新建立的模型导入），其次在三维模型中对顶升移载机进行三维建模（可以为滚筒输送或者链条输送机等）。

2.3    Flexsim二次开发方案

以上对输送机及顶升移载的动作已进行分解，了解了设备需要动作的部分。因此，我们可以把设备的三维模型根据动作需要在仿真软件中搭建出来，并建立子父级关系，其次编辑动作运行仿真逻辑，最后设置设备相关参数，最后在仿真软件中运行调试，观察是否能达到实际需求。

2.3.1    设备三维外观搭建

本次仿真二次开发运用的是软件中供给二次开发的BasicFR模块进行。我们可在其建立若干个子节点，导入前面准备好的三维模型，建好的模型如图4。

图4 二次开发的顶升移载机

2.3.2    设备逻辑程序开发

每段输送机同一时间只能处理一个货物，即第一个货物进入时，其他货物只能先等待，直到第一个货物离开，第二个货物才能进入。货物进入时，设置其在输送机的初始位置，在BasicFR的OnEntry触发器中编辑代码。

货物进入顶升移载机（输送机）及离开顶升移载机（输送机）时，通过货物的类型判断他的去向（移载机的方向分为上下左右4个方位，例如货物从上1方向进入，可能从1上方返回，下2方直行，左3方左转，右4方右转），结合其当前的位置，最终输出的位置可得到货物的移动路线。

2.3.3    设备参数配置开发

设备的运行参数在不同项目不同位置时的速度等是不一样的，因此，我们需要把这些参数设置成可任意调整。本次开发配置主要配置了如下4个参数，①conspeed代表输送机水平输送的速度，②upspeed达标顶升移载机上下升降时的运行速度，③waita代表顶升移载的反应/停准时间。④updis代表顶升行程。表示该输送机的水平输送速度为0.3 m/s，顶升移载机的升降速度为0.02 m/s，顶升移载机反应/停准时间为0.5 s，顶升行程为0.07 m。

2.3.4    设备运行调试输出

实体模型建立完成，且逻辑编辑完成后，在仿真软件中搭建一个小模型，进行仿真运行测试。建立一个十字路口型的模型，不同颜色的货物输送到不同的出口。左边输送机为第一个入口，每隔55 s进入一个货物（货物在颜色1、2中随机），下边输送机为第二个入口，每隔45 s进入一个货物（货物在颜色1、2中随机），右边输送机为第一个出口，颜色1从此口出。上边输送机为第二个出口，颜色2从此口出。（顶升移载机所在输送机长2.5 m，宽1.2 m）

仿真运行一段时间后，输出仿真结果。该段输送机（顶升移载）在此场景下，输送货物145.67个/ h，利用率为66.81%。由以上结论可知，设备输送流量以及设备利用率清晰可见，达到本次仿真研究的目的。

3    验证方案设计

3.1    仿真建模

根据某项目的输送系统CAD图纸，导入到仿真模型中，进行1：1仿真建模。仿真目的为找出关键节点设备的当前输送流量，设备利用率情况以及最大输送能力。

3.2    仿真结果分析

根据方案布局及方案流量分配，输出仿真结果。为了直观展示关键设备能力，此处仅收集重要关键节点的设备仿真运行结果见表1。

以上结果可知，在该方案布局和流向设置下，设备利用率处于合理区间，设备流量均小于150托/小时。节点流量最大的是Conveyor_218，流量为136.33托/小时，利用率最大的是Conveyor_218，利用率为61.00%。经计算，关键节点中输送能力最弱的是Conveyor_172，最大输送能力为143.92托/小时。同时也说明了不同布局下的单机能力并不相同，使用传统的计算仅能评估单机的极限能力，而非在系统中的最大能力。

4    结语

通过Flexsim软件对顶升移载机的深度二次开发，实现了顶升移载输送机的标准化模块，达到了以下三大突破：①建模效率优化：将单台设备建模时间缩短至3 min以内。②数据精度提升：通过参数化关键参数（如顶升高度、移载速度等），仿真结果可信度达95%以上。③决策支持功能：动态真实的三维展示，设备运行动作贴近实际，且实时输出设备利用率，作业量关键指标。实现了本次研究的目的。为后续方案评估提供数据支撑，目前该研究成果已成功应用于多个自动化仿真项目。

此研究方法论还可应用于提升机、旋转台等物流设备的仿真二次开发，形成了一套可复用的智能物流装备仿真研究方法。