智能化自動化立體倉庫系統(tǒng)分析

摘 要：給出并深入分析了智能化AS/RS的系統(tǒng)架構、功能模塊和主要流程，闡述了智能化AS/RS的重要性及其智能化特征。明確了智能化AS/RS所能夠產(chǎn)生的巨大作用，為今后智能化AS/RS的相關研究具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：自動化立體倉庫系統(tǒng)；AS/RS；智能化；系統(tǒng)架構；功能模塊

中圖分類號：TP273.5

自動化立體倉庫系統(tǒng)（AS/RS，Automated Storage and Retrieval System）主要由高層立體貨架、巷道式堆垛機、地面搬運機械設備等硬件設備，以及計算機管理與監(jiān)控系統(tǒng)組成。由于具有很高的空間利用率、很強的入出庫能力、采用計算機進行控制管理而利于企業(yè)實施現(xiàn)代化管理等特點，已成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉儲技術，越來越受到企業(yè)的重視。

智能化AS/RS是在傳統(tǒng)AS/RS基礎上增加了智能模塊，可以在任務調(diào)度、貨位分配、隊列優(yōu)化過程中，根據(jù)任務調(diào)度原則、貨位分配策略、隊列優(yōu)化目標以及相應的約束條件，并建立相應的數(shù)學模型采用智能算法求解，獲得最優(yōu)解，提高自動化立體倉庫系統(tǒng)的運行效率。

1 AS/RS系統(tǒng)構成

自動化立體倉庫主要由物料儲存系統(tǒng)、AS/RS出入庫系統(tǒng)、AS/RS管理和監(jiān)控系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成[1-3]。

（1）物料儲存系統(tǒng)：由立體貨架的貨格、物料承載裝置（物料包裝、托盤、周轉箱等）組成。物料安排擺放規(guī)則整齊的保存在物料承載裝置里，將物料承載裝置保存于貨格中，形成了完成的儲存系統(tǒng)。

（2）AS/RS出入庫系統(tǒng)：該系統(tǒng)承擔貨物存取、出入倉庫的功能，通常由巷道堆垛機、出入庫輸送機、裝卸機械等組成。巷道堆垛機是在高層貨架的窄巷道內(nèi)作業(yè)的起重機，可實現(xiàn)沿軌道行進、垂直起降和貨叉伸縮三種運動，用于從兩側貨架的任何貨位上自動存入或取出貨物。出入庫輸送機可根據(jù)貨物的特點采用傳送帶輸送機、軋輥輸送機、鏈傳動輸送機等，主要將貨物送到堆垛機上下料位置和貨物出入庫口。裝卸機械承擔貨物出入庫裝車或卸車的工作，一般由行車、吊車、叉車等機械組成。

（3）AS/RS管理和監(jiān)控系統(tǒng)：由客戶機、中央控制計算機和電控系統(tǒng)組成。AS/RS管理和監(jiān)控系統(tǒng)不僅要管理和分析立體倉庫的物料信息、儲存狀況、倉庫運行日志，還要可以監(jiān)控立體庫實時運行狀態(tài)，及時調(diào)度立體倉庫的可配置資源。

2 智能化AS/RS系統(tǒng)結構及流程

2.1 系統(tǒng)架構

自動化立體倉庫是集物流學科，控制學科和計算機學科相結合的綜合性系統(tǒng)、自動化立體倉庫管理與監(jiān)控系統(tǒng)應用的方式可分為集中式、分離式和分布式，目前國際上的大多數(shù)項目都是采用分布式的系統(tǒng)。

如圖1所示，自動化立體倉庫管理與控制系統(tǒng)（WMOS，Warehouse Management and Operation System）架構通常分為應用層、服務層、控制層、設備層四個部分組成。從功能層次上看，可以將自動化立體倉庫系統(tǒng)分為3個層次：管理層、監(jiān)控層、執(zhí)行層[4]。

管理層是計算機管理系統(tǒng)，具有系統(tǒng)設置、系統(tǒng)信息維護、產(chǎn)品信息維護、出入庫業(yè)務、存查詢統(tǒng)計等功能。管理層主要是負責立體倉庫的作業(yè)調(diào)度、物資分布、隊列優(yōu)化、故障處理等工作。監(jiān)控層是自動化立體倉庫系統(tǒng)的重要組成部分。它根據(jù)來自管理層的指令來控制物流設備，完成管理層傳輸?shù)娜蝿?；另一方面監(jiān)控層以動畫的形式，實時監(jiān)控堆垛機的狀態(tài)，將堆垛機當前的信息反饋給管理層，為工程師進行任務調(diào)度提供參考。執(zhí)行層由嵌入PLC的堆垛機構成。堆垛機中的PLC接收監(jiān)控層的指令，根據(jù)指令執(zhí)行各種操作。

圖1 自動化立體倉庫管理和監(jiān)控系統(tǒng)和功能層次圖

由上述的系統(tǒng)架構可以看出管理層是智能化AS/RS的核心，如圖2所示，其智能化的實現(xiàn)主要由四個重要模塊組成：作業(yè)任務智能分配模塊、物料分布智能處理模塊、作業(yè)隊列/路徑智能優(yōu)化模塊、故障處理模塊。各個模塊在不同類型的作業(yè)流程中所起的作業(yè)也各不相同。

（1）作業(yè)任務智能分配模塊：根據(jù)待出入庫的物料在各存儲單元儲存狀況，合理分配出入庫作業(yè)任務，以平衡各存儲單元的工作負荷，減少作業(yè)任務等待執(zhí)行時間。

（2）物料分布智能處理模塊：根據(jù)物料的出入庫頻率、物理特性、在庫分布現(xiàn)狀等，合理分配出入庫庫位，以提高存儲單元的出入庫效率。

（3）作業(yè)隊列/路徑智能優(yōu)化模塊：根據(jù)出入庫系統(tǒng)性能參數(shù)，優(yōu)化隊列序列或者堆垛機的作業(yè)路徑，以減少堆垛機的作業(yè)時間，提高倉儲效率。

（4）故障處理模塊：此模塊主要是處理邏輯調(diào)度故障，而非機械故障和通信故障。對邏輯故障及時處理，并追溯故障發(fā)生的根源。

圖2 智能化AS/RS關鍵模塊

圖3 智能化AS/RS體系結構

如圖3所示，智能化AS/RS的體系結構由AS/RS智能調(diào)度的方法和AS/RS庫存控制方法組成。自動化立體倉庫的智能調(diào)度方法首先是依據(jù)具體倉庫的規(guī)模、結構、出入庫系統(tǒng)規(guī)格、任務分配策略、物資分布處理策略等信息，利用層次分析法原理確定適用的智能調(diào)度方案。其次，按照智能調(diào)度方案，第一步從倉庫全局層面分配作業(yè)任務，將出入庫任務分配到具體的存儲單元。第二步針對具體儲存單元，進行出入庫貨位分配。第三步，按上一步中貨位分配的結果對每個存儲單元批作業(yè)隊列進行優(yōu)化。智能調(diào)度方法是一個分布式調(diào)度方法，從全局的任務分配到具體儲存單元的貨位分配和隊列優(yōu)化。

2.2 智能化AS/RS系統(tǒng)的主要流程

（1）出入庫作業(yè)流程。如圖4所示，在出入庫作業(yè)流程中，根據(jù)組盤表中記錄的待入庫物料詳情以及出庫單中待出庫物料詳情，分析立體庫中相應物料在各個存儲單元的儲存情況，分配任務到各個儲存單元。

各個存儲單元獲得相應的出入庫作業(yè)任務后，根據(jù)本存儲單元的物資分布情況，物資分布智能處理模塊給每個作業(yè)任務分配合理的貨位。

作業(yè)隊列/路徑智能優(yōu)化模塊給存儲單元中等待執(zhí)行的批作業(yè)任務賦予初始的優(yōu)先等級，隊列優(yōu)化模塊可以根據(jù)優(yōu)化目標對批任務隊列進行優(yōu)化，提高倉儲效率。

圖4 出入庫作業(yè)流程

（2）盤點作業(yè)流程。所謂盤點是指為確定倉庫內(nèi)現(xiàn)存物料或商品的實際數(shù)量、品質狀況、存儲狀態(tài)的清點，是物料管理工作的控制反饋過程。

盤點作業(yè)模式有全局盤點、隨機盤點兩種模式。全局盤點具有盤點規(guī)模大，盤點周期長，單次盤點消耗資源多，影響生產(chǎn)等特點。隨機盤點具有盤點規(guī)模小，盤點周期短，單次盤點消耗資源少，影響小等特點。鑒于隨機盤點的特點，隨機盤點根據(jù)盤點規(guī)模大小，可以多次盤點提高倉庫的有效利用率，提高倉儲數(shù)據(jù)一致的水平。在年終統(tǒng)計在庫物資詳細報表時需要對倉庫進行全局盤點。

圖5 盤點作業(yè)流程

盤點作業(yè)流程如圖5所示，盤點作業(yè)涉及物資供應部門、生產(chǎn)部門、倉庫管理部門、銷售部門等眾多部門，所以提高盤點作業(yè)效率，節(jié)省盤點作業(yè)時間，降低對生產(chǎn)的影響。

（3）倒庫作業(yè)流程。如圖6所示，倒庫作業(yè)的重點是需要倒庫的庫位篩選。物資分布智能處理模塊根據(jù)物料相對集中的要求將同種物料集中存放，挑選出需要移動的庫位。確定好倒庫庫位后，通過作業(yè)路徑優(yōu)化模塊明確倒庫庫位的作業(yè)序列，形成一條完整的倒庫鏈，減少堆垛機空載時間，提高作業(yè)效率。

圖6 倒庫作業(yè)流程

3 小結

自動化立體倉庫是一個離散的、動態(tài)的、多因素、多目標的復雜系統(tǒng)，對AS/RS的智能化管理是復雜的系統(tǒng)優(yōu)化問題。傳統(tǒng)的方法求解過程不僅時間較長、成本較高，而且很難求得最優(yōu)解。將現(xiàn)代智能優(yōu)化理論與AS/RS應用相結合，可以提高空間利用率及倉儲管理水平，降低勞動強度，提高物料調(diào)節(jié)水平，加快儲備資金周轉，為企業(yè)的生產(chǎn)指揮和決策提供有效的依據(jù)[5]。

本文給出了智能化AS/RS系統(tǒng)的架構、關鍵處理模塊包括作業(yè)任務智能分配模塊、物資分布智能處理模塊、作業(yè)隊列/路徑智能優(yōu)化模塊、故障處理模塊和智能化AS/RS的幾種常見的作業(yè)流程，并對其進行了深入的分析，以期對智能化AS/RS系統(tǒng)的相關研究起到一定的借鑒作用。

參考文獻：

[1]張歡歡.自動化立體倉庫的若干關鍵技術與仿真[D].浙江：浙江大學，2008.

[2]劉昌祺，董良.自動化立體倉庫設計[M].機械工業(yè)出版社，2004，05.

[3]徐正林，劉昌祺.自動化立體倉庫實用設計手冊[M].中國物資出版社，2009，03.

[4]陳傳軍.自動化立體倉庫智能調(diào)度系統(tǒng)研究[D].北京：北京機械工業(yè)自動化研究所，2006.

[5]李梅娟.自動化倉儲系統(tǒng)優(yōu)化方法的研究[D].大連：大連理工大學，2008.

作者簡介：李元麗（1986.1-），河北承德人，助理工程師，長期從事計算機網(wǎng)絡維護和系統(tǒng)開發(fā)的相關工作與研究。