智能輸送系統(tǒng)中一種非標庫的效率計算

盧宗慧，于多加*，李 健，趙 林，李 巖

（1.北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120；2.北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，技術(shù)水平不斷的提高，在德國工業(yè)4.0和中國制造2025的大環(huán)境下，企業(yè)對智能輸送系統(tǒng)的需求也在不斷增加[1]。隨著業(yè)務(wù)范圍的逐漸擴展，企業(yè)對物流輸送系統(tǒng)的要求也越來越高[2]。自動化立體倉庫作為智能物流系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如何對其作業(yè)效率進行快速準確地計算也是物流行業(yè)的關(guān)注熱點之一[3]。本文研究的自動化立體倉庫是一種根據(jù)用戶需求進行高度個性化定制的非標準型立體倉庫（以下簡稱非標庫），其目的是為了解決生產(chǎn)物流輸送系統(tǒng)中前后工藝效率不均帶來的貨物積壓問題，是一種平衡庫、緩存庫。其出入庫對接產(chǎn)品檢驗、出貨等多個生產(chǎn)線，效率直接影響企業(yè)生產(chǎn)。因此非標庫的效率計算是整個智能輸送系統(tǒng)的核心設(shè)計之一。目前，對其進行效率計算可參考的資料較少。本文以某項目物流輸送系統(tǒng)中的非標庫為例，對該非標庫的效率進行分析計算，并與項目實際運行效率進行對比分析，驗證了計算方法的可行性。

1 非標庫的作業(yè)流程

根據(jù)項目的實際需求，該非標庫采用雙排貨架、雙巷道的解決方案，布局如圖1所示，其出入庫站臺均對接生產(chǎn)線，在智能輸送系統(tǒng)中起到緩存、平衡的作用。

圖1 非標庫布局圖

其中：

E1～E6——貨物出入庫站臺；

A1——空托盤入庫位置；

E7—貨物出庫站臺，部分空托盤入庫站臺；

E81、E81—待檢貨物出庫站臺，不合格貨物入庫站臺；

a～c—拆盤機；

1號/2號堆垛機—貨物搬運；

轉(zhuǎn)運貨位—第1排貨架中1～4層所有貨位，起到暫存、轉(zhuǎn)運貨物的功能。

與普通立體倉庫相比，非標立體倉庫具有出入庫點多，流程復(fù)雜等特點，其作業(yè)循環(huán)不是單次循環(huán)與復(fù)合循環(huán)的簡單組合，要對其作業(yè)效率進行計算，首先需要根據(jù)項目需求明確具體作業(yè)流程，該非標庫的作業(yè)流程如下：

1）產(chǎn)品運送至環(huán)穿車流程

流程1：成品貨物經(jīng)過輸送機運送至E1～E6站臺，通過1號堆垛機運送至E7點；

流程2：成品貨物經(jīng)過輸送機運送至E1～E6站臺，經(jīng)1號堆垛機運送至轉(zhuǎn)運站臺，再通過2號堆垛機送至高層貨架暫存。需要出庫時，由2號堆垛機送回轉(zhuǎn)運站臺，再通過1號堆垛機送至E7點；

2）產(chǎn)品檢驗流程

成品貨物經(jīng)過輸送機運送至E1～E6站臺，經(jīng)1號堆垛機運送至轉(zhuǎn)運站臺，再通過2號堆垛機送至高層貨架暫存，需要出庫時，由2號堆垛機直接送至E81/E82位置出庫檢驗產(chǎn)品；

3）不合格產(chǎn)品回流流程

不合格產(chǎn)品回流流程：貨物從E81/E82位置入庫，通過2號堆垛機將其暫存至高層貨架內(nèi)，可以出庫時，經(jīng)2號堆垛機將其運送至轉(zhuǎn)運站臺，最后再由1號堆垛機送至E1～E6站臺；

4）空托盤運送流程

流程1：空托盤從A1點入庫，通過2號堆垛機進入高層貨架暫存，需要出庫時，2號堆垛機將其送至轉(zhuǎn)運站臺，再由1號堆垛機將其送至拆盤機進行拆盤后送至E1～E6站臺；

流程2：空托盤從E7點入庫，通過1號堆垛機將其送至轉(zhuǎn)運站臺暫存，一段時間后將其送至拆盤機進行拆盤后運送至E1～E6站臺；

流程3：空托盤從E7點入庫，通過1號堆垛機直接將其送至拆盤機進行拆盤后運送至E1～E6站臺；

根據(jù)流程可知，1號堆垛機與2號堆垛機水平運行互不影響，故在計算非標庫效率過程中可將兩臺堆垛機分別計算后再根據(jù)需求進行整合。

2 非標庫的效率計算

堆垛機的效率取決于其作業(yè)的循環(huán)時間，堆垛機的循環(huán)時間包含可變時間和固定時間兩部分。其中，可變時間取決于堆垛機的行程，需要根據(jù)具體流程進行計算，固定時間由堆垛機的特定參數(shù)決定。在本案例中，兩臺堆垛機的具體參數(shù)如表1所示。

表1 堆垛機參數(shù)

堆垛機在工作中的固定時間為貨叉在存取貨物過程中所消耗的時間，其中包括貨叉伸縮、到位等待和載貨臺微升降的時間，可以根據(jù)下式計算堆垛機貨叉的運行時間，t01=2×（T11+T12+T13+T03）+2×（T21+T22+T23+T03）+2×T01+2×T02

其中：

T11——貨叉負載時升速運行時間；

T12——貨叉負載時勻速運行時間；

T13——貨叉負載時減速運行時間；

T21——貨叉空載時升速運行時間；

T22——貨叉空載時勻速運行時間；

T23——貨叉空載時減速運行時間；

T01——貨叉微升降時間；

T02——堆垛機到位等待時間；

T03——貨叉到位等待時間。

由于兩臺堆垛機貨叉的參數(shù)相同，所以其運行時間也相同。經(jīng)計算得出堆垛機作業(yè)貨叉運行的固定時間t01：

2.1 1號堆垛機的循環(huán)時間計算

根據(jù)非標庫布局圖可知，E1～E6號站臺和a～c拆盤機是與貨架同一中心，對稱分布，為方便計算，可以沿巷道方向取貨架中心C點作為貨物和托盤的平均出入庫點計算1號堆垛機的效率。

由于C點既是E1～E6號站臺的中心，又是a～c拆盤機的中心，并且有托盤經(jīng)拆盤機進入站臺的流程，所以該流程需要進行單獨計算。在不考慮伸縮貨叉的情況下，計算堆垛機從拆盤機的中心位置分別到達E1～E6號站臺的時間，取得平均時間t02，即為空托盤經(jīng)拆盤機進入站臺的平均時間，如下式。

其中：

tE1-b—堆垛機從E1點至b點運行時間。（以下此類型代號均以此類推，不再進行解釋說明）。

經(jīng)計算：

根據(jù)歐標FEM9.851[4]，堆垛機在不同出入站臺情況下的平均作業(yè)點的選擇參考為P1(L/5，2H/3)和P2(2L/3，H/5)，具體情況如下。

當以C點為出入庫點時，取Pc1、Pc2作為堆垛機作業(yè)的平均點；當以E7點為出入庫點時，取PE7-1、PE7-2為堆垛機入庫作業(yè)的平均點。圖2為1號堆垛機的單次作業(yè)循環(huán)過程，圖3為1號堆垛機的復(fù)合作業(yè)循環(huán)過程。

圖2 1號堆垛機單次作業(yè)循環(huán)

圖3 1號堆垛機復(fù)合作業(yè)循環(huán)

當堆垛機將貨物從站臺C點直接搬運至E7點，不考慮貨叉伸縮時間時，其所用時間tm0如下式：

當堆垛機以C點為出入庫位置時，其單次作業(yè)循環(huán)時間t11如式(1)所示：

當堆垛機以E7點為出入庫站臺時，其單次作業(yè)循環(huán)時間t12如式(2)所示：

當堆垛機以C點為出入庫站臺時，其復(fù)合作業(yè)循環(huán)時間t21如式(3)所示：

當堆垛機以E7點為入庫站臺，C點為出庫站臺時，其復(fù)合作業(yè)循環(huán)時間t22如式(4)所示：

2.2 2 號堆垛機的循環(huán)時間計算

分析非標庫搬運流程可知，2號堆垛機是從暫存貨位處取貨，存入高層貨位，即所有的轉(zhuǎn)運貨位都是2號堆垛機的入庫站臺。因為轉(zhuǎn)運貨位上的貨物均由1號堆垛機進行入庫作業(yè)時存入，故可將1號堆垛機的入庫點看作2號堆垛機的入庫站臺，所以取1號堆垛機的入庫平均點PC1、PC2作為2號堆垛機入庫站臺。出入庫點E81、E82位置相鄰，可以取其中點E8作為2號堆垛機的出入庫點。由于PC1、PC2、E8三點的位置均在立體庫內(nèi)，在取平均點時需要根據(jù)歐標FEM 9.851中的案例與實際相結(jié)合，當站臺既不在X軸上，也不在Y軸上時，堆垛機出入庫平均點的坐標如表2所示。

表2 堆垛機出入庫平均點坐標

其中，L為堆垛機水平方向的最大行程，H為堆垛機垂直方向的最大行程。

根據(jù)表2中所列公式，可以分別計算出以PC1、PC2、E8、A1點為出入庫站臺時，其平均取放貨物的參考點如圖4所示。在圖示可以看出，出入庫站臺的參考點位置相近，為方便計算，可以取參考點的平均點P1’、P2’作為2號堆垛機PC1、PC2、E8、A1出入庫站臺理論計算的存取參考點，如圖5所示。

圖4 2號堆垛機存放貨物參考點

圖5 2號堆垛機存放貨物計算參考點

與1號堆垛機相同，2號堆垛機的循環(huán)時間也分為單次作業(yè)循環(huán)和復(fù)合作業(yè)循環(huán)，由于以PC1、PC2為入庫站臺，E8為出庫站臺的流程，與以E8為入庫站臺，PC1、PC2為出庫站臺的流程是對稱的，所以可以省略其中一種計算。如圖6為2號堆垛機單次作業(yè)，圖7為2號堆垛機復(fù)合作業(yè)循環(huán)。

圖6 2號堆垛機單次作業(yè)循

圖7 2號堆垛機復(fù)合作業(yè)循環(huán)

當2號堆垛機以PC1點為出入庫站臺時，其單次循環(huán)時間如式(5)所示：

當2號堆垛機以PC2點為出入庫站臺時，其單次循環(huán)時間如式(6)所示：

當2號堆垛機以E8點為出入庫站臺時，其單次循環(huán)時間如式(7)所示：

當2號堆垛機以A1點入庫時，其單次入庫循環(huán)時間如式(8)所示：

當2號堆垛機以PC1點為入庫站臺，E8點為出庫站臺時，其復(fù)合作業(yè)循環(huán)時間如式(9)所示：

當2號堆垛機以PC1點為出入庫站臺時，其復(fù)合作業(yè)循環(huán)時間如式(10)所示：

當2號堆垛機以PC2點為入庫站臺，E8點為出庫站臺時，其復(fù)合作業(yè)循環(huán)時間如式(11)所示：

當2號堆垛機以PC2點為出入庫站臺時，其復(fù)合作業(yè)循環(huán)時間如式(12)所示：

當2號堆垛機以PC1點為入庫站臺、PC2為出庫站臺或PC1點為出庫站臺、PC2為入庫站臺時，其復(fù)合作業(yè)循環(huán)時間如式(13)所示：

當2號堆垛機以A1點為入庫站臺，PC1點為出庫站臺時，其復(fù)合作業(yè)循環(huán)時間如式(14)所示：

當2號堆垛機以A1點為入庫站臺，PC2點為出庫站臺時，其復(fù)合作業(yè)循環(huán)時間如式(15)所示：

根據(jù)兩臺堆垛機的具體參數(shù)和計算公式，可以得出堆垛機運行中各個行程的具體時間。

2.3 效率計算

結(jié)合非標庫具體流程，將堆垛機具體參數(shù)數(shù)據(jù)代入上述公式中進行計算，得出非標庫各流程的作業(yè)效率如表3所示。

表3 非標庫理論效率

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)項目的實際運行情況，調(diào)取該非標庫一個月內(nèi)的運行賬單進行分析，如圖8所示，為非標庫部分賬單截圖。

圖8 非標庫部分賬單截圖

以3天為一個周期，對該非標庫一個月內(nèi)的實際運行數(shù)據(jù)進行提取、整合，得到非標庫近一個月內(nèi)的單次作業(yè)循環(huán)時間分布圖和復(fù)合作業(yè)循環(huán)時間分布圖分別如圖9和圖10所示。

圖9 非標庫單次作業(yè)循環(huán)時間分布圖

圖10 非標庫復(fù)合作業(yè)循環(huán)時間分布圖

對該異形庫的實際作業(yè)運行數(shù)據(jù)進行分析計算，得出堆垛機單次作業(yè)和復(fù)合作業(yè)的平均循環(huán)時間，從而計算出該立體庫的實際作業(yè)效率，如表4所示。

3.2 結(jié)果分析

在實際項目的運行使用過程，設(shè)備參數(shù)需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整，實際的平均入出庫位置也會與理論計算時選定的參考位置有所不同，這就會導(dǎo)致理論計算結(jié)果與實際運行結(jié)果有偏差。立庫實際庫存的飽和度，堆垛機調(diào)度算法都會影響庫的效率，將非標庫實際運行效率和理論計算效率進行對比，我們可以發(fā)現(xiàn)運行數(shù)據(jù)顯示的平均效率在計算效率的81.5%之內(nèi)，是物流行業(yè)內(nèi)設(shè)計效率的合理范圍。從而驗證了非標庫效率計算方法的合理性。

4 結(jié)語

本文研究的非標立體倉庫作業(yè)流程復(fù)雜，在進行效率計算之前本文先對該非標庫的作業(yè)流程進行了梳理分類，然后找到合適的效率計算方法：首先將非標庫的兩臺堆垛機看作獨立的兩部分，分別計算其運行時間，然后根據(jù)實際作業(yè)流程將兩部分的作業(yè)時間進行整合計算，最終計算出非標庫的總體作業(yè)效率。這對定制化非標立體倉庫的方案設(shè)計，具有一定的參考價值。在實際應(yīng)用的自動化立體倉庫中，堆垛機在每個貨位取放貨并非是等概率的，導(dǎo)致理論計算結(jié)果與實際運行結(jié)果存在偏差。如何結(jié)合實際使用中作業(yè)貨位在非標立體庫中的分布概率對其作業(yè)效率進行計算，以及立庫飽和度及調(diào)度算法對效率得影響有待持續(xù)深入研究。