孫建民,周澤洋,楊 云 (北京建筑大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院,北京 100044)
SUN Jian-min,ZHOU Ze-yang,YANG Yun (School of Mechanical-electronic and Automobile Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China)
隨著企業(yè)生產(chǎn)能力的提高及第三方物流企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大,貨物的存儲(chǔ)向規(guī)?;妥詣?dòng)化方向發(fā)展,自動(dòng)化立體倉庫日益成為物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)的主選設(shè)備。立體倉庫在小批量、多品種、快周轉(zhuǎn)的貨物儲(chǔ)存方面優(yōu)勢(shì)明顯,極大地提高了勞動(dòng)作業(yè)率和存取貨準(zhǔn)確率。
國內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)對(duì)自動(dòng)化立體倉庫的理論和技術(shù)進(jìn)行了多方位的研究,使得自動(dòng)化立體倉庫在提高效率、節(jié)約成本等方面取得了實(shí)際的進(jìn)步,并促進(jìn)了立體倉庫的大規(guī)模應(yīng)用。在立體倉庫中,貨位分配問題決定了倉庫運(yùn)行情況的好壞,因此,國內(nèi)外研究人員針對(duì)貨位分配問題進(jìn)行了深入研究。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)自動(dòng)化立體倉庫的現(xiàn)實(shí)需要,提出了改進(jìn)的基于最少時(shí)間和最低能耗模型的貨位優(yōu)選存取策略。
鑒于仿真技術(shù)在模型驗(yàn)證,系統(tǒng)可視化分析,以及解決復(fù)雜問題方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。Flexsim作為一款離散事件仿真軟件,廣泛用于制造業(yè)、物流和管理決策中,而且可以通過自帶的腳本語言以及集成的C++編程環(huán)境進(jìn)行用戶化開發(fā)。據(jù)此,本文對(duì)所建立的存取策略模型進(jìn)行了仿真分析。
自動(dòng)化立體倉庫,簡稱AS/RS。主要由貨物存儲(chǔ)搬運(yùn)系統(tǒng)和倉庫管理監(jiān)控系統(tǒng)組成。貨物存儲(chǔ)搬運(yùn)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)貨物的搬運(yùn)和移動(dòng)。管理監(jiān)控系統(tǒng)則通過計(jì)算機(jī)來控制搬運(yùn)設(shè)備的搬運(yùn)過程和監(jiān)控貨物存儲(chǔ)狀態(tài),其核心是智能控制策略。合理的控制策略能夠減少配送時(shí)間,提高作業(yè)效率,降低能耗,減小差錯(cuò)率。倉庫管理監(jiān)控系統(tǒng)一般是作為WMS系統(tǒng)的子系統(tǒng),集成在于整個(gè)倉儲(chǔ)系統(tǒng)中,WMS系統(tǒng)記載著貨物的種類、數(shù)量,出入庫日期或者重量等相關(guān)信息。這些信息為自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)的控制策略提供了決策依據(jù)[1]。
為了科學(xué)合理地進(jìn)行貨物的存儲(chǔ)作業(yè),一般在進(jìn)行貨位分配時(shí)需要遵循貨物存儲(chǔ)的基本原則,常用的基本原則包括[2]:①存取頻率高的放在出入口近處,存取頻率低的放在出入口遠(yuǎn)處;②質(zhì)量重的放在出入口近處,質(zhì)量輕的放在出入口遠(yuǎn)處;③質(zhì)量重的放在下層,質(zhì)量輕的放在上層;④大型貨物放在近處,小型貨物放在遠(yuǎn)處;⑤大型貨物放在下層,小型貨物放在上層;⑥加快周轉(zhuǎn),先入先出;⑦同類貨物就近存放。
根據(jù)貨架離進(jìn)出口的距離和搬運(yùn)高度的劃分,通常把立體倉庫位于靠近地面的20%區(qū)域和靠近出入庫臺(tái)的20%的區(qū)域稱為最佳儲(chǔ)位。這類區(qū)域具有便于存儲(chǔ),路徑較短,機(jī)械運(yùn)行損耗小的特點(diǎn)。同時(shí),對(duì)于貨物出入口相同的立體倉庫和出入口不在同一位置的立體倉庫,最佳儲(chǔ)位的劃分方式也不相同,對(duì)于前者流動(dòng)性高的物品盡量靠近出入口,對(duì)于后者則需要按物品的接受次數(shù)和連送次數(shù)的比例大小來劃分最佳儲(chǔ)位區(qū)域。本文主要研究對(duì)象為較常見的出入口在同一位置的立體倉庫,暫不考慮接送次數(shù)比。一個(gè)完善的立體倉庫主要包括貨物存儲(chǔ)搬運(yùn)系統(tǒng)和倉庫管理監(jiān)控系統(tǒng)組成。其中貨物存儲(chǔ)搬運(yùn)系統(tǒng)包括:貨架、出入庫臺(tái)和運(yùn)輸設(shè)備[3]。
(1) 貨架
采用高層貨架,兩排貨架平行對(duì)立擺放,中間留有堆垛機(jī)作業(yè)通道,由于兩排貨架具有作業(yè)獨(dú)立性,為便于研究,本文以單排貨架為研究對(duì)象。貨架的高度為H,長度為L,劃分為P層Q列,貨位總數(shù)為P*Q個(gè),所有貨位的大小規(guī)格全部相同,貨位的高度為h,長度為l,為簡化計(jì)算,則H=p*h,L=q*l。
(2) 出入庫臺(tái)
每排貨架外均有一個(gè)出入庫臺(tái),每個(gè)庫臺(tái)都可以被兩個(gè)貨架共同使用。研究過程只考慮貨物從開始運(yùn)到貨架,或從貨架運(yùn)到庫臺(tái)的過程,不考慮貨物到達(dá)的隊(duì)列問題。
(3) 運(yùn)輸設(shè)備
一個(gè)巷道只有一臺(tái)堆垛機(jī),負(fù)責(zé)兩排貨架的作業(yè)任務(wù)。開始時(shí),堆垛機(jī)位于庫臺(tái)固定起始位置,堆垛機(jī)作業(yè)模式為單一作業(yè),即存貨任務(wù)中單一存貨作業(yè),取貨任務(wù)中單一取貨作業(yè),每一個(gè)單一作業(yè)完成后回到庫臺(tái)起始位置,定為一個(gè)作業(yè)時(shí)間。
堆垛機(jī)的運(yùn)行可以分為在自身在水平方向上的運(yùn)動(dòng)和起重機(jī)對(duì)載貨臺(tái)所進(jìn)行的垂直運(yùn)動(dòng)以及伸縮貨叉相對(duì)于貨架的垂直運(yùn)動(dòng)。其中堆垛機(jī)水平和垂直方向運(yùn)動(dòng),最大速度有且只有一個(gè),負(fù)載和空載的速度相同,在到達(dá)儲(chǔ)位后確認(rèn)符合存取要求后才開始伸出貨叉進(jìn)行貨物的存取工作,在本研究中,此過程可是為固定時(shí)間。啟動(dòng)和制動(dòng)過程中存在線性的加減速階段,加減速度相等;當(dāng)加速度上升到最大速度時(shí),以最大速度保持勻速運(yùn)動(dòng)[3]。立體倉庫參數(shù)如表1所示。
表1 立體倉庫參數(shù)表
建立立體倉庫坐標(biāo)的坐標(biāo)系,則完成一次作業(yè)路徑如圖1所示。對(duì)于固定的貨架,堆垛機(jī)運(yùn)行指定貨位的時(shí)間可根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律來計(jì)算,通過建立的時(shí)間最小模型,可以得出每個(gè)貨位存取貨物占用的時(shí)間。
以二維坐標(biāo)標(biāo)記貨位的位置,x為列坐標(biāo),y為層坐標(biāo);以堆垛機(jī)在出入庫臺(tái)起始位置為原點(diǎn)O( 0,0),堆垛機(jī)從O( 0,0),向貨物存取位置P( p,q)運(yùn)動(dòng)。
水平運(yùn)行距離為:
圖1 堆垛機(jī)作業(yè)路徑坐標(biāo)系
垂直運(yùn)行距離為:
設(shè)水平運(yùn)行時(shí)間為tx,垂直運(yùn)行時(shí)間為ty,模型假設(shè)堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)為勻加速運(yùn)動(dòng),達(dá)到最大速度后以最大速度作勻速運(yùn)動(dòng),堆垛機(jī)在到達(dá)目的地之前的運(yùn)動(dòng)為勻減速運(yùn)動(dòng),其中需要考慮到堆垛機(jī)總的路程較短時(shí)達(dá)不到最大運(yùn)行速度的狀態(tài)和堆垛機(jī)運(yùn)行路程足夠其達(dá)到最大運(yùn)行速度的狀態(tài)。當(dāng)行駛距離過短時(shí),堆垛機(jī)達(dá)不到最大速度,只能達(dá)到一定速度后以原加速度作勻減速運(yùn)動(dòng),當(dāng)行駛距離足夠長時(shí),堆垛機(jī)進(jìn)行加速,達(dá)到最大速度后勻速前進(jìn),然后再進(jìn)行減速運(yùn)動(dòng)。同理,在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作相同考慮[4-6]。
在自動(dòng)化倉庫的運(yùn)行過程中,堆垛機(jī)的水平運(yùn)行和垂直升降可以同時(shí)進(jìn)行,所以堆垛機(jī)從入庫臺(tái)運(yùn)行到P點(diǎn)所需時(shí)間為:
考慮到作業(yè)完成回到原點(diǎn)和叉取作業(yè)時(shí)間Tf為定值,則單次作業(yè)時(shí)間為:
由此得到每一個(gè)貨位的作業(yè)時(shí)間表如表2所示:
表2 貨位作業(yè)時(shí)間表
對(duì)于不同的貨物,質(zhì)量和出入庫頻率存在差異,通常質(zhì)量大且存取頻率高的物品適宜放置在低能耗作業(yè)區(qū),即靠近地面和巷道口的貨架區(qū)域,這樣既能使存取貨作業(yè)耗能較少,又能保持貨架的穩(wěn)定性,而且減小機(jī)械折損。而質(zhì)量小出入庫頻率低的物品應(yīng)該被分配到耗能較大的貨位。
一定時(shí)期內(nèi),某物品在倉庫中出入庫所消耗的能量與該物品的質(zhì)量、出入庫頻率以及存放的貨位有關(guān)。據(jù)此,本文建立的能耗模型是在前人提出的一定時(shí)期內(nèi)某物品在倉庫中的耗能函數(shù)基礎(chǔ)上考慮貨叉叉取貨物的能耗,建立了單位重量物品能耗函數(shù),得出了每個(gè)貨位的能耗值表(不包括空載返回耗能)。單位質(zhì)量能耗函數(shù)表述為[7]:
式中:
g為重力加速度9.8m/s-2;
Lx為貨物存放位置到入庫臺(tái)的水平距離/m,由式1計(jì)算可得;
Hy為貨物存到某層時(shí)上升的最低高度/m,由式2計(jì)算可得;
D為堆垛機(jī)貨叉將貨物存放到貨位的運(yùn)行距離/m;
fl為輸送車與軌道的摩擦系數(shù),可取0.3;
fd為貨叉運(yùn)動(dòng)組件間的摩擦系數(shù),可取0.2。
由于D為定值,則上式可變換為對(duì)貨位位置P (p,q)的函數(shù):
據(jù)此得到每個(gè)貨位的能耗表如表3所示。
前節(jié)已建立了最小時(shí)間模型和最低能耗模型的模型,如果單獨(dú)按照一個(gè)模型來確定某一貨物的貨位,則可能出現(xiàn)質(zhì)量大的貨物,因?yàn)榇嫒☆l率低反而放在離出入口遠(yuǎn)的地方,這就造成能耗大;或者是存取頻率高的貨位,因?yàn)橘|(zhì)量小而放在了離出入口遠(yuǎn)的貨位。對(duì)于這個(gè)問題,有的研究提出采用多目標(biāo)優(yōu)化方法,并取得了很好的效果,但是這些優(yōu)化方法都是針對(duì)解決靜態(tài)貨位分配的問題,前提是已知所有貨物的相關(guān)參數(shù),如存取頻率和重量,或者貨物種類及數(shù)量,在已知數(shù)據(jù)下進(jìn)行優(yōu)化后,根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行存取操作,而實(shí)際存取過程中能夠方便獲得的參數(shù)只有入庫時(shí)獲得的貨物總體的種類和數(shù)量,以及根據(jù)堆垛機(jī)傳感器獲得的單個(gè)托盤貨物的重量。對(duì)于該貨物未來的存取次數(shù)未知,尤其對(duì)于面向電商的存儲(chǔ)倉庫,不同種類貨物出貨次數(shù)存在很大差異。
表3 貨位作業(yè)能耗表
在倉庫運(yùn)行一段時(shí)間后,貨物種類會(huì)達(dá)到一定的平衡狀態(tài),不同種類貨物的周轉(zhuǎn)率可以根據(jù)WMS系統(tǒng)中記載的數(shù)據(jù)庫資料計(jì)算所得,并可根據(jù)未來銷售狀況進(jìn)行修正,因此,本文根據(jù)ABC分類法對(duì)貨物按周轉(zhuǎn)率進(jìn)行了分類[8](見表4),同時(shí)按類對(duì)貨架進(jìn)行分區(qū)[9](見表2、表3),將同種類或特征相似的物品存放到同一貨架區(qū),將特征差異大的物品分區(qū)存放,并建立了分區(qū)存儲(chǔ)方式下的最優(yōu)存取模型[10-11]。
表4 ABC分類表
根據(jù)倉庫穩(wěn)定運(yùn)行后獲得的數(shù)據(jù)資料可得到按類分區(qū)后某貨位相對(duì)于該區(qū)貨位平均耗能的相對(duì)偏差。
Ke(p,q)值的大小可以衡量該貨位的耗能在該區(qū)貨位中的耗能水平,為負(fù)值且越小時(shí)表示該貨位相對(duì)于該區(qū)平均耗能的貨位來說消耗更少能量,適合放置更重的物品。為正值且越大表示該貨物越耗能。
同理,可得到即將存入的貨物相對(duì)于該類貨位單位托盤貨位的平均重量的相對(duì)偏差。
Km值的大小用來預(yù)測(cè)該貨物在該類貨物中的重量水平,為負(fù)值且越小時(shí)表示該貨位相對(duì)于該類貨物平均重量來說更輕,適合放在耗能相對(duì)較大的貨位,這樣可以留出耗能小的貨位給質(zhì)量重的貨物。
Ke(p,q)+Km表示某貨位存放某件貨物的匹配度,例如質(zhì)量越重的貨物放在耗能越小的貨位,則該匹配度越高,即越接近0,而中等重量的貨物則應(yīng)放在中等耗能的貨位上。
因此,對(duì)于最優(yōu)貨位的目標(biāo)函數(shù)可以表述為:
入庫的貨物參數(shù)如表5所示。倉庫利用率為80%,貨物總數(shù)120托盤。
表5 入庫貨物參數(shù)
按類劃分如表6所示。
表6 貨物分類表
按類對(duì)時(shí)間作業(yè)表進(jìn)行分區(qū),見表2所示,表中,淺藍(lán)色為A類區(qū),白色為B類區(qū),深藍(lán)色為C類區(qū),灰色區(qū)域?yàn)槲蠢脜^(qū)。
參數(shù)設(shè)置:貨架參數(shù)和堆垛機(jī)參數(shù)按表1設(shè)置,貨物的參數(shù)按表所示,通過excel導(dǎo)入Flexsim軟件,到達(dá)出入庫臺(tái)的時(shí)間設(shè)置為隨機(jī)到達(dá)。模型如圖2所示,參數(shù)輸入如圖3所示。
圖2 仿真模型圖
圖3 參數(shù)輸入
按不同隨機(jī)值流仿真10次,耗能對(duì)比結(jié)果如圖4,用時(shí)對(duì)比如圖5所示。
圖4 耗能對(duì)比
圖5 用時(shí)對(duì)比
由圖4可見,相比于隨機(jī)存取方式下的耗能,優(yōu)化存取策略耗能明顯減少,且對(duì)貨物不同的隨機(jī)值流下的波動(dòng)較小;同樣,由圖5兩種存取策略下的用時(shí)對(duì)比分析可知,優(yōu)化后的存取策略相對(duì)于隨機(jī)存取更加省時(shí),對(duì)于貨物在不同隨機(jī)值流的條件下表現(xiàn)出了控制策略的穩(wěn)定性。
按10次仿真輸出平均值計(jì)算。結(jié)果顯示如表7所示。
表7 仿真結(jié)果
由表7數(shù)據(jù)分析可知,優(yōu)化策略下的存取方式相比于隨機(jī)存取平均節(jié)約時(shí)間644.2s,完成存貨中耗能,0.26×106KJ則相對(duì)較少。說明優(yōu)化策略相對(duì)于隨機(jī)存取具有一定的優(yōu)勢(shì),可以提高自動(dòng)化倉庫的效率及節(jié)約能耗。
本文基于自動(dòng)化立體倉庫中WMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫資料,在建立最小時(shí)間模型和最少耗能模型的基礎(chǔ)上,建立了動(dòng)態(tài)存取的優(yōu)化模型,相比于隨機(jī)存取而言,既保證了倉庫存取遵循貨物存儲(chǔ)的基本原則,又提高了效率,節(jié)約了能耗,方便在計(jì)算機(jī)控制中得以應(yīng)用。本文結(jié)論如下:
(1)針對(duì)自動(dòng)化立體倉庫的現(xiàn)實(shí)需要,提出了改進(jìn)的基于最少時(shí)間和最低能耗模型的貨位優(yōu)選存取策略,并通過仿真分析證明該策略能夠提高存取效率,節(jié)約能耗。
(2)根據(jù)ABC分類法對(duì)貨物按周轉(zhuǎn)率進(jìn)行了分類,同時(shí)按類對(duì)貨架進(jìn)行分區(qū),將同種類或特征相似的物品存放到同一貨架區(qū),將特征差異大的物品分區(qū)存放,并建立了分區(qū)存儲(chǔ)方式下的最優(yōu)存取模型。
(3)本文建立的模型基于WMS系統(tǒng)中記載的數(shù)據(jù)庫資料為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行倉庫貨位的動(dòng)態(tài)分配,解決了貨物動(dòng)態(tài)存取的實(shí)際問題。
同時(shí),本文不足之處對(duì)于作業(yè)流程未考慮復(fù)合作業(yè),同時(shí)未考慮多排貨架,但為這些更復(fù)雜的研究提供了借鑒。
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