Auto Store自動(dòng)化立體式倉(cāng)儲(chǔ)的改進(jìn)

簡(jiǎn)素平，郭 鍵，顏秉泰

（北京物資學(xué)院，北京 101149）

Auto Store自動(dòng)化立體式倉(cāng)儲(chǔ)的改進(jìn)

簡(jiǎn)素平，郭 鍵，顏秉泰

（北京物資學(xué)院，北京 101149）

自動(dòng)化密集型倉(cāng)庫(kù)是一種高智能化、自動(dòng)化的倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)，具有很高的倉(cāng)庫(kù)空間利用率。針對(duì)目前存儲(chǔ)率最大的Auto Store自動(dòng)立體化倉(cāng)庫(kù)所表現(xiàn)出的不足，提出了一點(diǎn)改進(jìn)建議，其主要目的是使庫(kù)存面積利用率和存取效率同時(shí)達(dá)到相對(duì)最大。

密集型存儲(chǔ)；Auto Store；自動(dòng)化立體式倉(cāng)儲(chǔ)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展、土地政策的收緊，提高倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)面積利用率已經(jīng)成為倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)的工作重點(diǎn)。為了提高庫(kù)房存儲(chǔ)密度，降低面積占用，減少人力和財(cái)力的投入，密集型存儲(chǔ)在未來(lái)幾年中將會(huì)成為存儲(chǔ)領(lǐng)域的一種發(fā)展趨勢(shì)。

所謂密集型倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，主要是指通過(guò)一定的存取方式或特殊的貨架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)貨架深度上貨物的連續(xù)性存儲(chǔ)，減少揀貨巷道，達(dá)到存儲(chǔ)密度最大化的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)。目前的密集化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)僅被應(yīng)用在化工、煙草等單品種批量大、品相相對(duì)單一的行業(yè)。

而Auto Store密集型存儲(chǔ)是一種輕載存儲(chǔ)揀選系統(tǒng)，它存儲(chǔ)貨物的品相相對(duì)較大，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化存取和貨到人的拆零揀選，能夠提高訂單揀選的準(zhǔn)確率和對(duì)倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)空間的利用率。Auto Store高密度的存儲(chǔ)成為倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域的一大重要發(fā)現(xiàn)，但是它的整體架構(gòu)使得它的應(yīng)用領(lǐng)域比較狹窄，運(yùn)作效率也不高。

1.1 Auto Store的架構(gòu)

Auto Store是一種解決自動(dòng)化存取和貨到人的拆零揀選方案，每個(gè)料箱垛最高可堆疊至16層（4.9m），每垛可存儲(chǔ)的料箱最多為16個(gè)，每個(gè)料箱中可存放一種或多種不同的貨物。料箱垛彼此相鄰，根據(jù)倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)物品的需求，可對(duì)料箱垛進(jìn)行橫向和縱向地?cái)U(kuò)展。大量的料箱彼此相鄰，每16個(gè)料箱縱向堆放在一個(gè)密集貨格中，這樣就可以減少倉(cāng)庫(kù)中固有的巷道數(shù)，形成一個(gè)巨大的、高密度的貨架存儲(chǔ)區(qū)。貨格的尺寸與形狀可適用于任何現(xiàn)有的倉(cāng)庫(kù)，甚至可以圍繞建筑物的立柱來(lái)安裝。

Auto Store自動(dòng)化立體式倉(cāng)儲(chǔ)通過(guò)減少取貨巷道的個(gè)數(shù)和面積，改變了固有的巷道設(shè)置，將存儲(chǔ)貨架緊密排列在一起，充分地利用了倉(cāng)庫(kù)的存儲(chǔ)空間，提高了整個(gè)倉(cāng)庫(kù)面積的利用率，如圖1所示。

圖1 Auto Store的自動(dòng)立體式貨架

1.2 Auto Store的運(yùn)作過(guò)程

從Auto Store的構(gòu)架可以看出，其操作過(guò)程是機(jī)器人根據(jù)訂單揀選站的需求，將料箱從料箱垛中取出，然后水平移動(dòng)至下降通道處。料箱隨后由提升索降至指定的揀選站臺(tái)，操作員從中揀取出所需要的貨物。確認(rèn)揀選完畢后，一臺(tái)空閑的機(jī)器人將料箱提升到存儲(chǔ)區(qū)的頂部，隨后將料箱重新放回到存儲(chǔ)貨格內(nèi)，但它并不會(huì)回到原先的貨位，而是被放到了一個(gè)相對(duì)空閑的料箱垛頂層。每當(dāng)揀選站需要取出貨物，由中央計(jì)算機(jī)將揀選任務(wù)分配到不同的機(jī)器人揀選任務(wù)中心，然后機(jī)器人便開(kāi)始重復(fù)這個(gè)操作流程直到完成揀選任務(wù)。

Auto Store的倉(cāng)儲(chǔ)利用率較一般的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)來(lái)說(shuō)是相當(dāng)大的。但是，Auto Store的貨物存取效率并不大。因?yàn)閿?shù)千只料箱彼此相鄰，每16個(gè)料箱堆放在一個(gè)密集貨格中，為了取出所需的料箱，機(jī)器人在接收到訂單分配中心所發(fā)出的揀選指令后會(huì)自動(dòng)移至該料箱所在的貨垛處，然后從中取出指定的料箱。由于每次只能從料箱垛中取出一個(gè)料箱，所以一般情況下就需要連續(xù)操作直到取出所需的料箱。因此最為極端的情況是揀選第16個(gè)料箱內(nèi)的物品，這種情況下機(jī)器人需要將上面15個(gè)料箱取出才能拿到目標(biāo)料箱。為了達(dá)到取貨的目的，系統(tǒng)往往會(huì)采用多臺(tái)機(jī)器人相互配合，把上面的15個(gè)料箱取出存放到別處（相對(duì)空閑的料箱垛頂層），然后再取出目標(biāo)料箱。

1.3 Auto Store的假想運(yùn)作模式

雖然在最極端的情況下可以使用多個(gè)機(jī)器人進(jìn)行協(xié)調(diào)合作，但是每次都這樣操作勢(shì)必會(huì)降低系統(tǒng)整體的取貨效率。所以Auto Store通常是在假設(shè)這種極端現(xiàn)象（所需揀選的貨物位于料箱垛最低端的料箱內(nèi)）極少的場(chǎng)景下使用。AutoStore最重要的一種假象就是，某種物品的出入庫(kù)頻率越大，該貨物所在的料箱被放置在料箱垛頂層的可能性就會(huì)越大。所以在理論上，如果80％的訂單作業(yè)與20％的物品種類有關(guān)，那么80％的作業(yè)是從貨架頂部的2～3層取出料箱。如果10％的物品種類構(gòu)成了訂單的90％，那么90％的訂單作業(yè)是從每垛頂部的1～2層取出。但是對(duì)于中間層次的物品來(lái)說(shuō)，就需要由多個(gè)機(jī)器進(jìn)行協(xié)調(diào)操作，才能將位于貨架中間的料箱取出。

Auto Store的這種假想運(yùn)作模式在很多倉(cāng)庫(kù)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，特別是一些貨物品項(xiàng)多且出入庫(kù)頻率均相對(duì)較大的倉(cāng)庫(kù)，例如超市配送中心的拆零作業(yè)。

2 Auto Store的現(xiàn)實(shí)運(yùn)作缺陷

存儲(chǔ)率和整個(gè)系統(tǒng)的作業(yè)效率對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)都很重要。雖然Auto Store的存儲(chǔ)率達(dá)到最大，但是它的操作效率并沒(méi)有達(dá)到最大。揀選時(shí)間是由機(jī)器人拿取一個(gè)料箱的時(shí)間、料箱下降時(shí)間和揀選人員的揀選時(shí)間三者共同決定的。其不足主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）機(jī)器人的揀選時(shí)間?？紤]使用密集型存儲(chǔ)的倉(cāng)庫(kù)，其拆零物品種類一般都比較多。所以使用Auto Store自動(dòng)化存儲(chǔ)無(wú)法避免前面提到的極端情況，機(jī)器人重復(fù)搬移料箱的操作肯定會(huì)浪費(fèi)一定的時(shí)間，并且會(huì)使整個(gè)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)變得復(fù)雜。這種情況下就會(huì)降低整個(gè)揀選系統(tǒng)的作業(yè)效率。

（2）料箱的下降時(shí)間。為了降低機(jī)器人的重復(fù)操作，可將存儲(chǔ)率大的物品放置在料箱垛的頂層。但是這樣會(huì)增大料箱下降的距離，增加了料箱下降所需的時(shí)間。

筆者認(rèn)為Auto Store很難避免重復(fù)性操作所造成的系統(tǒng)存取效率降低等現(xiàn)象，并且它的約束條件較多，不能廣泛應(yīng)用到其它（貨物存取率都相對(duì)較高的）倉(cāng)庫(kù)中。所以針對(duì)前面所提到的不足，筆者對(duì)Auto Store提出了一點(diǎn)建議，使得它的存儲(chǔ)率和揀選率都達(dá)到相對(duì)最大。

3 改進(jìn)建議

機(jī)器人拿取一個(gè)料箱的時(shí)間和料箱下降的時(shí)間都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的揀選效率。所以為了增大存儲(chǔ)密度和揀選的效率，筆者對(duì)Auto Store自動(dòng)化立體式存儲(chǔ)貨架提出了兩點(diǎn)建議，并進(jìn)行了可行性研究。

3.1 建議方案

（1）改進(jìn)方案一。將自動(dòng)式立體存儲(chǔ)貨架從中間分開(kāi)，分成上下兩個(gè)部分。上半部分主要用于存放一些存取率低、較低及中等的貨物（按照存取頻率的高低擺放貨物，高頻率的放置在上面），這樣可以降低對(duì)料箱不必要的重復(fù)移動(dòng)；下半部分主要存放一些存取率高的、較高的貨物（高頻率的放在較高貨物的上面），這樣不僅可以降低不必要的重復(fù)移動(dòng)料箱的操作，還可以縮短料箱下降的距離。在自動(dòng)式立體存儲(chǔ)貨架中間安置較多的機(jī)器人，用于存取料箱垛下方的料箱；最上方的機(jī)器人可以適當(dāng)減少，主要是確保不會(huì)出現(xiàn)過(guò)多機(jī)器閑置的現(xiàn)象。這樣就能最大限度地降低無(wú)效作業(yè)。

（2）改進(jìn)方案二。方案二跟方案一的思想基本一致。不同點(diǎn)在于，方案二的側(cè)重點(diǎn)在于最大限度減少不必要的重復(fù)性操作。將高頻率和較低頻率的放置在貨架下半部分（高頻率的物品放置在上方），而較高頻率和低頻率的物品放置在貨架的上半部分（較高頻率的物品放在上方）。這樣搭配放置可以最大地避免無(wú)用作業(yè)，以此來(lái)彌補(bǔ)較高頻率物品下降時(shí)間增大的不足。

上下兩部分料箱的下降通道還是使用同一個(gè)通道，而且上下兩部分可以同時(shí)進(jìn)行料箱的存取。但要通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)置，確保不會(huì)出現(xiàn)下降通道擁擠現(xiàn)象。

3.2 方案可行性研究

筆者認(rèn)為可以通過(guò)倉(cāng)儲(chǔ)面積利用率、存取效率兩個(gè)方面來(lái)驗(yàn)證這個(gè)建議的可行性。

3.2.1 倉(cāng)儲(chǔ)面積利用率研究

倉(cāng)儲(chǔ)面積利用率k=（SU/ST）×100％

SU：倉(cāng)庫(kù)可存儲(chǔ)面積

ST：倉(cāng)庫(kù)建筑總面積

SU=a1×b1×h1×n1

ST=a2×b2×h2×N+S1+S2+S3

N=a3×b3×c

n1=N-n2×c

a1、b1、h1：分別是料箱內(nèi)徑的長(zhǎng)、寬、高

a2、b2、h2：分別是貨位的長(zhǎng)、寬、高

n1：是Auto Store總的貨位數(shù)（已除去下降通道所占用的貨位）

N：表示總的貨位量（包含下降通道所占的貨位數(shù)）

a3、b3：分別表示倉(cāng)庫(kù)中存儲(chǔ)區(qū)域橫向和縱向的貨位數(shù)（包括下降通道所占用的貨位）

n2：表示下降通道的數(shù)量

c：表示貨位的層數(shù)

S1：倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的管理區(qū)面積

S2：消防區(qū)的面積

S3：倉(cāng)庫(kù)內(nèi)巷道的總面積

Ri：貨物的下降通道（i=1,2,3……）

A：貨物存放的位置

3.2.2 存取速度研究。立體倉(cāng)庫(kù)這樣設(shè)置能夠縮短它的存取時(shí)間，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①縮短了高頻率存取貨物的下降距離，降低無(wú)效作業(yè)次數(shù)；②上下兩部分的機(jī)器人可以同時(shí)拿取料箱，避免下降通道出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間閑置等現(xiàn)象，同時(shí)也要確保下降通道不會(huì)出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的密集存儲(chǔ)貨架

本文主要是通過(guò)計(jì)算存取貨物的時(shí)間來(lái)比較存取速度的快慢。

t1：最理想狀態(tài)下存取貨物所需耗費(fèi)的時(shí)間（設(shè)定為離下降通道最近的貨垛處）

t2：最極端的情況下存取所需的時(shí)間（設(shè)定為通道最遠(yuǎn)且處于貨垛最底層）

H：貨物下降高度

S：貨物水平移動(dòng)的距離

v1：機(jī)器人水平移動(dòng)的速度

v2：機(jī)器人垂直速度和料箱下降速度

3.3 應(yīng)用實(shí)例

下面主要是通過(guò)代入相關(guān)的數(shù)據(jù)，對(duì)改進(jìn)方案在存儲(chǔ)面積利用率和存取速度這兩方面進(jìn)行具體驗(yàn)證說(shuō)明。3.3.1 Auto Store的倉(cāng)儲(chǔ)面積利用率。通過(guò)以上公式來(lái)對(duì)Auto Store倉(cāng)儲(chǔ)改進(jìn)前后的存儲(chǔ)面積利用率進(jìn)行計(jì)算比較。假定倉(cāng)庫(kù)內(nèi)管理區(qū)面積、消防區(qū)面積和其他通道面積共150m2（固定不變的面積即：S1+S2+S3）。

（1）改進(jìn)前Auto Store的倉(cāng)儲(chǔ)面積利用率。如圖3所示，Auto Store是一個(gè)正方形（一層可放置20×20個(gè)料箱）堆垛16層(共有6 400個(gè)貨位面積)的倉(cāng)儲(chǔ)貨架，除了四個(gè)料箱下降通道外，整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)貨架可以放置6 336（20×20×16-16×4）個(gè)料箱（內(nèi)徑400mm寬×600mm長(zhǎng)×310mm高）。

有效存儲(chǔ)面積SU=0.4×0.6×6 336=1 520.64m2立體倉(cāng)庫(kù)每一貨位（450mm寬×650mm長(zhǎng)×310mm高）

（2）改進(jìn)后的倉(cāng)儲(chǔ)面積利用率（增加下降通道）。根據(jù)倉(cāng)庫(kù)貨物的具體存取頻率，來(lái)設(shè)定分層的具體位置，假定機(jī)器人的高度H為550mm。

改進(jìn)后立體倉(cāng)庫(kù)上下兩個(gè)部分可以適當(dāng)加高，假定上下兩部分的每一個(gè)貨垛可以加高10層，料箱下降通道設(shè)置為8個(gè)（主要是考慮到倉(cāng)庫(kù)貨物品相增多，貨架高度增加的情況下，可能會(huì)出現(xiàn)通道擁堵現(xiàn)象），總的貨位數(shù)為7 840（20×20×20-20×8）個(gè)。

存儲(chǔ)面積SU=0.4×0.6×7 840=1 881.6m2

立體倉(cāng)庫(kù)面積=0.45×0.65×8 000+0.45×20×0.65×20=2 457m2

（3）改進(jìn)后的倉(cāng)儲(chǔ)面積利用率（下降通道不變）。貨架分上下兩部分，但是貨物的下降通道數(shù)量仍為4個(gè)，則SU=7 920m2

倉(cāng)庫(kù)的面積利用率雖然有所降低，但是貨架分開(kāi)之后可以通過(guò)加固上半部分貨架，在上半部分料箱上適當(dāng)堆高，以此來(lái)抵消。

3.3.2 Auto Store的存取速度。假定機(jī)器人移動(dòng)的速度是v1=60m/min，垂直下降的速度v2=20m/min。通過(guò)計(jì)算取貨時(shí)間來(lái)對(duì)比驗(yàn)證此方案的可行性。

（1）改進(jìn)前Auto Store的存取時(shí)間

①在理想狀態(tài)下即貨物放置在貨架的頂層且離通道最近：H1=0.31×16=4.96m；t1= H1/v2=0.248min

②在最壞情況下即貨物被堆放在貨架的最底層且位于A處：H2=2×H1=9.92m；t2=H2/v2+S/v1=0.75min

圖3 Auto Store俯視圖

（2）改進(jìn)后的存取時(shí)間（增加下降通道）。將貨物按其出入庫(kù)的頻次進(jìn)行存放，且四種貨物的比為5:2:2:1。對(duì)于修改后的揀選時(shí)間，筆者也是通過(guò)計(jì)算最優(yōu)和最差兩種情況下的平均時(shí)間得出的。

最理想狀態(tài)下貨物放在下半部分的最上層且離通道最近：H’1=0.31×10=3.1m；t’1=H’1/v2=0.155min。

最不理想的狀態(tài)是貨物位于上半部分的最下一層：H’2=0.31×10+0.31×20+0.55=10.45m；A點(diǎn)到最近的下降通道距離為S’=b2×10=4.5m;t’2=H’2/v2+S’/v1=0.597 5min。

圖4 改進(jìn)后的Auto Store上半部分俯視圖

改進(jìn)后的Auto Store密集存儲(chǔ)貨架（如圖4所示）可應(yīng)用于存儲(chǔ)多品種且體積小的貨物的倉(cāng)庫(kù)，它主要是解決高密集存儲(chǔ)的多品種貨物的快速存取作業(yè)。同時(shí)Auto Store的貨架高度可以根據(jù)倉(cāng)庫(kù)的實(shí)際需要進(jìn)行降低。

（3）改進(jìn)后的存取時(shí)間（下降通道不變）。如圖5所示：

①最理想狀態(tài)與（2）中的理想狀態(tài)一樣：T’’1=0.155min。

3.3.3 Auto Store改進(jìn)前后的綜合對(duì)比。Auto Store在改進(jìn)過(guò)后，雖然在倉(cāng)庫(kù)面積利用率上有較小的下降（并不是很明顯），但是它在存儲(chǔ)速率上有很明顯的提高，由于采用上下貨架的分層存儲(chǔ)，可使得Auto Store密集存儲(chǔ)的貨物品項(xiàng)增加、應(yīng)用領(lǐng)域增大，見(jiàn)表1。

圖5 修改后下降通道不變的Auto Store俯視圖

表1 三種情況的對(duì)比

4 總結(jié)

貨架的高度和貨格的數(shù)量是根據(jù)倉(cāng)庫(kù)需求來(lái)確定的，其主要目的是在倉(cāng)庫(kù)面積利用率和存取效率之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，使得Auto Store自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)在這兩個(gè)方面都盡可能達(dá)到最大。文中的料箱尺寸是Auto Store自動(dòng)立體化倉(cāng)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，而貨位、貨架整體面積是筆者根據(jù)料箱尺寸和料箱的個(gè)數(shù)假定的尺寸。這些數(shù)據(jù)主要是為了說(shuō)明在改進(jìn)之后倉(cāng)庫(kù)面積利用率并沒(méi)有顯著下降，反而存取作業(yè)的效率提高了。

[1]上海精星倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備工程有限公司.密集化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)建設(shè)中的貨架應(yīng)用與創(chuàng)新[J].物流技術(shù)與應(yīng)用,2013,(2):65-70.

[2]叢蘭強(qiáng),沈敏德.密集式自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)的新發(fā)展[J].物流技術(shù),2014,(33):390-392.

[3]Bill Leber,Marc Wulfraat.AutoStore:高密度存儲(chǔ)與高效率揀選的完美結(jié)合[EB/OL].http://cn.newmaker.com/art_49551.html,2013-05-08.

Modification of Auto Store Automatic Storage and Retrieval System

Jian Suping,Guo Jian,Yan bingtai
(Beijing Wuzi University,Beijing 101149,China)

In this paper,in view of the inadequacy of the Auto Store automatic storage and retrieval system which,currently,boasted of the highest storage rate,we proposed some suggestions for its modification which hopefully would simultaneously realize the relatively maximal utility rate of the inventory area and the highest storage and retrieval efficiency of the system.

intensive storage;Auto Store;automaticstorage and retrieval system

TH165+.1

A

1005-152X(2017)07-0072-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.07.016

2017-06-09

北京市屬高等學(xué)校青年拔尖人才培育計(jì)劃項(xiàng)目(CIT&TCD201504052)；北京物資學(xué)院青年運(yùn)河學(xué)者資助項(xiàng)目；北京物資學(xué)院國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目培訓(xùn)基金項(xiàng)目

簡(jiǎn)素平，女，北京物資學(xué)院研究生，研究方向：算法與模型優(yōu)化；郭鍵，女，北京物資學(xué)院教授，研究生導(dǎo)師，博士，研究方向：算法與模型優(yōu)化；顏秉泰，男，北京物資學(xué)院研究生，研究方向：算法與模型優(yōu)化。