物資儲運(yùn)系統(tǒng)中立體庫外輸送系統(tǒng)效率的研究

陳佳梁，孫海龍，劉　昭

（1.北京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100876；2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100011）

物資儲運(yùn)系統(tǒng)中立體庫外輸送系統(tǒng)效率的研究

陳佳梁1，孫海龍2，劉昭2

（1.北京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100876；2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100011）

針對自動(dòng)化立體庫因庫外輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致整體系統(tǒng)效率低下，物流設(shè)備不能達(dá)到應(yīng)有效率的問題，給出幾種常見的庫外輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并通過建模與仿真對各個(gè)方案的效率進(jìn)行分析。采用對比分析的方法，對幾種常用的庫外輸送線的設(shè)計(jì)方案中影響出入庫效率的主要因素進(jìn)行分析，并選擇其中較優(yōu)的模式進(jìn)行建模仿真，定量得出幾種模式的實(shí)際效率。仿真實(shí)驗(yàn)表明，不同設(shè)計(jì)模式的出入庫效率差別較大，最終場地允許情況下具有緩存位的設(shè)計(jì)模式為最優(yōu)方案。

物資儲備；庫外輸送系統(tǒng)；建模與仿真；效率

0　引言

隨著現(xiàn)代物流的不斷發(fā)展，物流用地及倉儲空間逐漸緊張，實(shí)際業(yè)務(wù)對倉儲作業(yè)效率的要求也在不斷增加，考慮到自動(dòng)化設(shè)備可以降低作業(yè)的錯(cuò)誤率并能夠減少人工成本，因此自動(dòng)化立體倉庫逐漸替代普通倉庫，成為現(xiàn)代倉儲系統(tǒng)的主流。針對自動(dòng)化立體倉庫造價(jià)較高且改造難度大的特點(diǎn)，在其前期設(shè)計(jì)及建設(shè)過程中就要保證設(shè)計(jì)方案中各設(shè)備互相匹配且均能發(fā)揮應(yīng)有的作用，以使整體的自動(dòng)化立體倉庫達(dá)到最大使用率及作業(yè)效率，防止因設(shè)計(jì)不當(dāng)而在后期使用不便。影響自動(dòng)化立體倉庫使用率及作業(yè)效率的最主要設(shè)備因素除了庫內(nèi)的堆垛機(jī)等設(shè)備外，很重要的一點(diǎn)就是庫外輸送系統(tǒng)的輸送效率，因此為了使整個(gè)自動(dòng)化立體倉庫的作業(yè)效率達(dá)到最優(yōu)，并為設(shè)備的設(shè)計(jì)過程提供可靠的理論支持，庫外輸送系統(tǒng)的效率研究必不可少。

現(xiàn)有對自動(dòng)化立體庫的研究主要集中于兩個(gè)方面，第一是自動(dòng)化立體庫貨位設(shè)計(jì)及相關(guān)尋址策略的研究，第二是針對立體庫配套設(shè)備及其作業(yè)效率的研究，在這兩方面中王化禎［1］介紹了不同類別自動(dòng)化立體庫的特點(diǎn)及發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，肯定了自動(dòng)化立體庫的實(shí)用性和發(fā)展必然性。張世臣［2］分析了立體庫在現(xiàn)代制造企業(yè)中的應(yīng)用并逐條介紹了自動(dòng)化立體倉庫的優(yōu)點(diǎn)。李程［3］簡要分析了自動(dòng)化立體倉庫作業(yè)模式，并基于粒子群算法對自動(dòng)化立體庫的調(diào)度模式進(jìn)行了優(yōu)化。Bortolini M等［4］介紹了一種可適用于多種模式下的庫存策略系統(tǒng)，并對其存儲策略進(jìn)行了分析。Oliveira［5］等介紹了一種改變立體庫內(nèi)運(yùn)行模式的改進(jìn)算法。康馨［6，7］介紹了常用的幾種輸送設(shè)備，并針對各類型輸送機(jī)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)模式進(jìn)行了詳盡解釋。

同時(shí)，在以上兩方面的研究中，建模與仿真因其對隨機(jī)性有較好的呈現(xiàn)效果且具有可視化的特性而被廣泛使用，卞和營等［8］提出了基于改進(jìn)遺傳算法的堆垛機(jī)調(diào)度路徑建模與仿真，通過建模與仿真的方式研究了設(shè)備效率對立體庫整體效率的影響。陳金等［9］提出了一種堆垛機(jī)效率的計(jì)算仿真法，對庫外輸送系統(tǒng)的效率分析具有指導(dǎo)作用，同時(shí)也驗(yàn)證了仿真在效率分析方面的必要性及可靠性。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者的主要研究大多針對立體庫內(nèi)的存儲策略或堆垛機(jī)的運(yùn)行模式，少數(shù)關(guān)注庫外輸送系統(tǒng)的研究也僅限于輸送設(shè)備本身的單機(jī)效率，而對庫外輸送系統(tǒng)整體的輸送效率研究不多。實(shí)際設(shè)計(jì)和使用過程中，輸送系統(tǒng)的整體輸送效率決定了自動(dòng)化立體倉庫的使用效果，也是保障庫內(nèi)設(shè)備可以按照設(shè)計(jì)要求運(yùn)行的必要環(huán)節(jié)。為此，本文基于以上研究，對幾種常用庫外輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式及整體效率進(jìn)行分析，并通過建模與仿真對其進(jìn)行驗(yàn)證同時(shí)得出定量效率參數(shù)。

1　幾種輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

決定立體庫系統(tǒng)作業(yè)效率的因素如圖1所示，其中影響庫外輸送機(jī)系統(tǒng)的主要因素有五個(gè)方面，即：輸送機(jī)總體設(shè)計(jì)模式，巷道數(shù)量，緩存位數(shù)量，緩存位設(shè)計(jì)模式，出入庫口數(shù)量及設(shè)計(jì)模式。

圖1　決定立體庫系統(tǒng)作業(yè)效率的相關(guān)因素

下面就針對上圖中除巷道數(shù)量外的四種因素列出幾種常見的輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比及分析（如表1所示）。

表1　幾種常用的庫外輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式

設(shè)計(jì)模式　優(yōu)點(diǎn)　缺點(diǎn)4出入庫口在同一側(cè)，可以節(jié)約場地　系統(tǒng)流量持續(xù)增大的情況下會(huì)發(fā)生場地混用，造成作業(yè)錯(cuò)誤率提高5占地面積較大，系統(tǒng)整體造價(jià)高系統(tǒng)容錯(cuò)率及承載能力高，且可以柔性分配各出入庫口的流量，適應(yīng)不同情況下的作業(yè)需求6占地面積較大，系統(tǒng)整體造價(jià)高系統(tǒng)容錯(cuò)率及承載能力進(jìn)一步提升，且可以柔性分配各出入庫口的流量，適應(yīng)不同情況下的作業(yè)需求。

從上述表格可以看出，第一種設(shè)計(jì)模式（單一線體）雖然大幅節(jié)省了空間但是實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的功能較少，例如不同巷道之間的移庫只能單向進(jìn)行，物料的一定也只能單向進(jìn)行，這樣系統(tǒng)的整體容錯(cuò)能力及承載能力都很低，因此這種模式僅適用于作業(yè)模式單一，且出入庫量很小的情況。第二種設(shè)計(jì)模式（雙向線體）保持了占地面積較小的優(yōu)勢，且有效解決了作業(yè)模式簡單，方向單一的問題，但是由于兩條線體之間沒有設(shè)定緩存位，因此系統(tǒng)容錯(cuò)率和承載能力仍然沒有大幅的提升。第三種設(shè)計(jì)模式在前兩種的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，增加了緩存位，使得系統(tǒng)的容錯(cuò)率及承載能力大幅度提升，有效解決大流量情況下的緩存問題及復(fù)雜作業(yè)情況下與其他作業(yè)沖突的問題。最后的三種設(shè)計(jì)模式（4～6）在第三種設(shè)計(jì)模式上進(jìn)行微調(diào)以適應(yīng)一些特殊的需求，但實(shí)際的效率改變不大。

因此，我們主要選擇第二和第三這兩種較為常見且兼容性較高的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行比對，以此來詳細(xì)分析設(shè)計(jì)模式，巷道數(shù)等因素對自動(dòng)化立體倉庫整體作業(yè)效率的影響。

圖2　不含緩存位的輸送線設(shè)計(jì)

2　兩種輸送線主要設(shè)計(jì)模式的對比分析及模型設(shè)計(jì)

2.1兩種設(shè)計(jì)模式具體設(shè)計(jì)

兩種設(shè)計(jì)模式主要區(qū)別在于兩條主要走線之間是否存在緩存位，因此，我們將兩種設(shè)計(jì)模式的設(shè)計(jì)圖列出（如圖2，圖3所示），分別討論他們的具體設(shè)計(jì)。

1）不存在緩存位

圖3　含有一個(gè)緩存位的輸送線設(shè)計(jì)

這種設(shè)計(jì)模式采用緊湊式設(shè)計(jì)，由兩條橫向的主要輸送線連接立體庫的全部出入庫巷道，同時(shí)兩條主要輸送線間使用頂升移栽機(jī)進(jìn)行連接，可采用單一出入庫口，也可以設(shè)計(jì)為多出入庫口。

優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省空間，節(jié)約成本。

缺點(diǎn)：系統(tǒng)整體容量低，且系統(tǒng)容錯(cuò)率較差，容易出現(xiàn)死鎖。

2）存在緩存位

這種設(shè)計(jì)模式同樣使用兩條橫向的主要輸送線連接立體庫各巷道的出入庫口，同時(shí)在兩條線之間增加一臺輸送機(jī)，將兩條線連接起來，連接處使用頂升移栽機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

優(yōu)點(diǎn)：兩條主要輸送線間增加了緩存位，使整個(gè)系統(tǒng)容量增大，且容錯(cuò)率大幅上升，只有當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)各處作業(yè)壓力均增大到接近瓶頸時(shí)才會(huì)發(fā)生擁堵，使系統(tǒng)不能正常運(yùn)行

缺點(diǎn)：由于增加了多臺設(shè)備，整個(gè)輸送線的占地面積大幅增加，且成本也發(fā)生了一定的增加。在系統(tǒng)壓力較低的情況下會(huì)發(fā)生設(shè)備閑置的情況。

2.2兩種設(shè)計(jì)模式參數(shù)對比

表2　本文選取的兩種設(shè)計(jì)模式參數(shù)對比

兩種設(shè)計(jì)模式的主要區(qū)別在于緩存位的設(shè)置，這種區(qū)別主要反映在系統(tǒng)整體容納能力及容錯(cuò)率上，有緩存位的設(shè)計(jì)相較于沒有緩存位的設(shè)計(jì)將大幅增加系統(tǒng)容錯(cuò)率，不會(huì)發(fā)生死鎖，且針對作業(yè)高峰流量大幅增加的情況也有較好的容納效果。但同時(shí)，由于緩存位的加入，整個(gè)輸送線的占地面積也有大幅增加，這對于場地較為緊張的使用方來說是個(gè)必須考慮的問題，同時(shí)設(shè)備數(shù)量的增加使得成本也會(huì)有一定增加，因此，在滿足使用需求的情況下，要結(jié)合實(shí)際情況選擇設(shè)計(jì)方案。

2.3模型的抽象與假設(shè)

為定量考察輸送線的實(shí)際出入庫能力及輸送線本身?xiàng)l碼掃描尺寸檢測承載能力，我們使用Automod軟件按照以上參數(shù)進(jìn)行仿真，通過Automod中的Conveyor系統(tǒng)可以對輸送線進(jìn)行模擬，將輸送線等效為Conveyor系統(tǒng)中的一條等長度的輸送路徑（設(shè)計(jì)圖與仿真模型對比如圖4所示），并在出入庫口的位置設(shè)置AS/RS系統(tǒng)輔助模擬和輸送線系統(tǒng)對接的其他系統(tǒng)。

圖4　設(shè)計(jì)圖與仿真模式對比圖

該系統(tǒng)可以對線體速度、加速度、貨物停止間隔距離、運(yùn)行間隔距離等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，以模擬線體的實(shí)際運(yùn)行情況，同時(shí)在仿真過程中。

因?yàn)閮煞N設(shè)計(jì)模式的研究主要考慮輸送線對立體庫出入庫效率的影響以及輸送線本身的承載能力，因此可以將線體的布局抽象為多個(gè)連續(xù)輸送機(jī)的組合，頂升移載機(jī)的工作時(shí)間通過降低貨物的移動(dòng)速度進(jìn)行等效，相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下。

同巷道出入庫輸送線間隔2.7m，相鄰巷道間隔4.1m；輸送線速度16m/min，輸送線加速度0.3m/s2，輸送線貨物停止間隔0m，輸送線貨物運(yùn)行間隔0.2m。有緩存位的設(shè)計(jì)方案，兩條橫向輸送線間間隔一個(gè)緩存位。仿真時(shí)長8h。

對兩個(gè)方案分別設(shè)計(jì)多組實(shí)驗(yàn)：從5條巷道開始，逐步增加至10條巷道，每種方案按照每巷道40托為基礎(chǔ)，逐步增加入庫數(shù)量，直到輸送線出現(xiàn)擁堵或死鎖位置，記錄停止時(shí)的出入庫量，并進(jìn)行比對。

3　仿真結(jié)果分析

在仿真過程中，不斷增大出入庫數(shù)量，可以得到在相同時(shí)間下輸入數(shù)量和輸出數(shù)量的關(guān)系（如圖5所示），這種情況是因?yàn)樵谇捌诜浅惩〞r(shí)相同時(shí)間下的輸入輸出數(shù)量完全相等，因此呈現(xiàn)線性相關(guān)，但是隨著數(shù)量的增加，局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)小范圍的等待和擁堵，致使相同時(shí)間的輸入輸出量出現(xiàn)波動(dòng)，在達(dá)到系統(tǒng)瓶頸后，繼續(xù)增加輸入量，則輸出部分不會(huì)有明顯增加，甚至?xí)驗(yàn)槌霈F(xiàn)死鎖的情況而導(dǎo)致輸出量大幅下降。

圖5　一種設(shè)計(jì)模式下輸入輸出量的關(guān)系曲線

仿真得到的數(shù)據(jù)如表3所示，并可以在實(shí)際仿真過程中觀察到輸送線的擁堵情況及輸送線總體容量情況（如圖5所示）。

表3　兩種方案下不同巷道數(shù)對應(yīng)的系統(tǒng)作業(yè)能力

通過上述表格可以看出，每種方案中隨著巷道數(shù)增加，系統(tǒng)出入庫能力也在逐漸增加，且在仿真過程中仿真動(dòng)畫可視系統(tǒng)容量逐漸增大，同時(shí)有一個(gè)緩存位的方案相較于無緩存位的方案出入庫能力也明顯較高，相同巷道數(shù)下約提升作業(yè)能力50件/小時(shí)。

但是，在此過程中，也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，隨著巷道數(shù)增加，進(jìn)入系統(tǒng)的總量提升，入庫口的壓力會(huì)逐漸增加，不同設(shè)計(jì)模式均會(huì)出現(xiàn)此種情況，因此，在巷道數(shù)增加到一定數(shù)量后要同時(shí)增加出入庫口的數(shù)量。

同時(shí)，在巷道數(shù)不變（以8巷道為例）的情況下，保持入庫總數(shù)量不變，增加出入庫口的數(shù)量，得到仿真結(jié)果如表4所示。

圖6　仿真過程中的輸送線系統(tǒng)

表4　出入庫口數(shù)量對系統(tǒng)能力的影響

由表4可知，在巷道數(shù)不變、單個(gè)出入庫口作業(yè)能力不變的情況下，由于增加出入庫口可以使貨物的實(shí)際走行距離減少，且分布均勻，因此每增加一個(gè)出入庫口，整體作業(yè)效率略有提升，且作業(yè)時(shí)間會(huì)相應(yīng)減少，同時(shí)從仿真動(dòng)畫上明顯可以看出在達(dá)到系統(tǒng)瓶頸之前，貨物分布更加均勻，系統(tǒng)整體壓力較小。但從整體情況來說改變不大，因此增加出入庫口的主要目的是緩解擁堵。

同時(shí)，針對上文提到的第四種設(shè)計(jì)模式，即改變出入庫口位置的設(shè)計(jì)模式。通過仿真動(dòng)畫可以得出，在其他條件相同的情況下，出入庫口位于兩側(cè)時(shí)貨物的分布較為均勻，局部擁堵的情況出現(xiàn)較少；出入庫口在同一側(cè)時(shí)，隨著流量的增大，在出入庫口附近會(huì)出現(xiàn)局部擁堵，甚至死鎖，但系統(tǒng)其他部分則會(huì)出現(xiàn)空閑，因此除非有特殊需求需要將出入庫口放置于立體庫同側(cè)，一般不建議采用此種設(shè)計(jì)方案。

4　結(jié)束語

提高庫外輸送系統(tǒng)的實(shí)際作業(yè)能力是配合立體庫內(nèi)設(shè)備作業(yè)以及提升整體作業(yè)效率的關(guān)鍵。為提升物資儲運(yùn)系統(tǒng)中立體庫外輸送系統(tǒng)的效率，給輸送系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)提供可靠理論支持，本文對幾種輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式進(jìn)行分析，并建立相關(guān)模型進(jìn)行驗(yàn)證。得到以下結(jié)論：

不同設(shè)計(jì)模式在增加相同巷道數(shù)時(shí)，系統(tǒng)處理能力提升的數(shù)量不同，但總體趨勢相同。

在本文進(jìn)行仿真的設(shè)計(jì)模式中（設(shè)計(jì)4），其他參數(shù)相同的情況下，增加緩存位可以將系統(tǒng)整體的作業(yè)效率提升32%，系統(tǒng)承載能力也相應(yīng)的得到了提升，同時(shí)增加巷道數(shù)會(huì)提升整體系統(tǒng)的出入庫能力。

在巷道數(shù)不變的情況下，增加出入庫口的數(shù)量有助于提升系統(tǒng)的作業(yè)效率，同時(shí)可以將系統(tǒng)出入庫壓力分散，使作業(yè)過程更加均衡平滑。

圖7　出入庫口位于系統(tǒng)兩段時(shí)的仿真截圖

圖8　出入庫口位于系統(tǒng)同端時(shí)的仿真截圖

【】【】

在場地有限等特殊情況下，可以選擇無緩存位的設(shè)計(jì)方案，并將出入庫口放置于立體庫的同一側(cè)，但對實(shí)際的作業(yè)效率會(huì)有一定影響，無法適應(yīng)大流量的情況。

本文研究內(nèi)容根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題抽象而成，因此研究所得結(jié)果對實(shí)際設(shè)計(jì)過程具有一定的指導(dǎo)意義，可以為企業(yè)設(shè)計(jì)過程提供參考。同時(shí)，建模過程中使用了部分等效手段，在未來的研究中可以將此部分進(jìn)行進(jìn)一步深化討論，以提升模型的可信度，以此提高仿真數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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Research on the efficiency of the external transportation system of the material storage and transportation system

CHEN Jiang-liang1，SUN Hai-long2，LIU Zhao2

TP23

B

1009-0134（2016）09-0112-06

2016-06-06

陳佳梁（1991 -），男，黑龍江人，碩士研究生，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化立體倉庫技術(shù)及設(shè)備。