高層樓宇內(nèi)接力式垂直輸送系統(tǒng)任務(wù)組合優(yōu)化研究

文 / 李明 韓冰 張恒 杜曉平

在人員密集的高層建筑內(nèi)，高峰時段建筑交通壓力巨大，導(dǎo)致長時間的人員排隊等待，物資無法及時送達(dá)。為滿足樓宇內(nèi)大批量物資傳輸需求及疫情防控要求，越來越多的倉儲自動化技術(shù)被成功應(yīng)用到樓宇物流場景中。

一、樓宇物流傳輸系統(tǒng)

目前，以氣動物流傳輸系統(tǒng)、軌道小車物流傳輸系統(tǒng)、箱式物流系統(tǒng)以及AGV物流系統(tǒng)為代表的樓宇物流自動化系統(tǒng)，正得到越來越多的成功應(yīng)用。

氣動物流傳輸系統(tǒng)通過空氣壓縮機抽取及壓縮空氣為動力，使裝載貨物的傳輸瓶在密閉管道中傳送，在氣流的推動下，通過專門管道實現(xiàn)貨物在各站點進(jìn)行雙向點對點傳輸[1]。氣動物流系統(tǒng)具有傳遞速度快、效率高、傳輸距離長、可擴展性好、占空間小等優(yōu)點，但由于特性影響，無法傳輸箱式等較大的貨物，只適合傳輸體積小、重量輕的貨物。

軌道小車物流傳輸系統(tǒng)是指在計算機的控制下，利用智能化軌道小車，借助專用軌道傳輸物品[2]。軌道小車系統(tǒng)的優(yōu)點在于傳輸量大，速度較快，缺點是安裝復(fù)雜、價格昂貴，變更困難，靈活性差。

AGV物流系統(tǒng)采用AGV自動導(dǎo)引小車與傳統(tǒng)電梯系統(tǒng)配合，實現(xiàn)跨樓層的物資搬運工作。該系統(tǒng)受小車數(shù)量和單車承載量的限制，無法實現(xiàn)大批量的物資高效搬運任務(wù)，在疫情防控時期要求減少外來人員進(jìn)出的特定場所應(yīng)用較多。

近些年，箱式物流系統(tǒng)在醫(yī)院等發(fā)送物資量大的樓宇內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。箱式物流系統(tǒng)由水平輸送設(shè)備、垂直輸送設(shè)備以及輔助設(shè)備組成，周轉(zhuǎn)箱承載物資在輸送起始站與輸送目的站之間往復(fù)傳送。

近些年，箱式物流系統(tǒng)憑借傳輸載重量大、能力強等優(yōu)勢，在醫(yī)院等發(fā)送物資量大的樓宇內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。箱式物流系統(tǒng)由水平輸送設(shè)備、垂直輸送設(shè)備以及輔助設(shè)備組成，周轉(zhuǎn)箱承載物資在輸送起始站與輸送目的站之間往復(fù)傳送。其中，垂直輸送設(shè)備是不同樓層間平面輸送設(shè)備的連接裝置，實現(xiàn)將物資從某樓層分揀輸送至其他樓層的功能[3]。常用的垂直輸送設(shè)備包括兩類：往復(fù)式提升機與連續(xù)式提升機。往復(fù)式提升機由鏈條帶動，通過調(diào)速控制電機來提升載貨臺上下往復(fù)運動，單次運輸一個或一組貨物。連續(xù)式提升機是在樓層間連續(xù)不斷垂直輸送物料、物品的自動化設(shè)備，在鏈條的帶動下完成貨物進(jìn)廂、升降、出廂及托板回程幾個循環(huán)步驟，在樓層間單向、連續(xù)不斷地輸送貨物。

一般來說，公共建筑樓層1～3層為低層，樓層4～6層為多層，樓層在7層以上為高層，高層的總高度超過24m（不包括高度超過24m的單層主體建筑）；住宅建筑樓層在1～3層為低層，樓層在4～9層為多層，樓層在10層以上為高層，高層的總高度超過27m[4]。在低層、多層樓宇內(nèi)的箱式物流系統(tǒng)中，往復(fù)式提升機與連續(xù)式提升機的應(yīng)用均較為廣泛。但是，在高層樓宇內(nèi)兩類提升機的應(yīng)用都受到一定限制。連續(xù)式提升機傳輸量大，但設(shè)計高度通常在20m以內(nèi)；而往復(fù)提升機雖然高度可以更高，但是隨著往復(fù)距離增加導(dǎo)致傳輸效率明顯下降，無法滿足大批量物資傳輸需求。

圖1 接力式垂直輸送系統(tǒng)效果圖

圖2 接力式垂直輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

一類接力式垂直輸送系統(tǒng)可以有效解決高層樓宇內(nèi)大批量任務(wù)集中傳輸問題[5]。該系統(tǒng)由多段往復(fù)式提升機組合而成，每相鄰的兩段往復(fù)式提升機首尾通過緩存輸送線連接，物資可由一個提升機轉(zhuǎn)移至另一提升機內(nèi)，構(gòu)成接力式垂直輸送系統(tǒng)。

二、接力式垂直輸送系統(tǒng)

1.系統(tǒng)組成

接力式垂直輸送系統(tǒng)由多臺往復(fù)式提升機組成，其局部效果圖，如圖1所示。圖2給出一個13層樓宇內(nèi)接力式垂直輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意，系統(tǒng)由五段提升機①、②、③、④、⑤首尾相接構(gòu)成，設(shè)定4層為物資發(fā)起樓層，⑥是相鄰提升機之間設(shè)置緩存輸送站，為兩段提升機進(jìn)行物資傳輸接力提供中間緩存；⑦是每個樓層內(nèi)設(shè)置輸送站，與接力式垂直輸送系統(tǒng)的樓層分揀口連接。每個輸送站包含上下兩層輸送線，上層輸送線用于接收物資，下層輸送線用于發(fā)送物資。

2.工作原理

接力式垂直輸送系統(tǒng)工作過程主要包括發(fā)送進(jìn)程、回收進(jìn)程。

發(fā)送進(jìn)程是系統(tǒng)將發(fā)起樓層輸送站的物資周轉(zhuǎn)箱送至目的樓層輸送站的過程，運行過程包含以下三個步驟：

（1）承載物資的周轉(zhuǎn)箱到達(dá)發(fā)起樓層輸送站，通過站上安裝的條碼掃描裝置自動獲取周轉(zhuǎn)箱上的條碼，確定發(fā)送目的樓層；

（2）系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置未執(zhí)行任務(wù)列表，用來記錄每臺提升機當(dāng)前未執(zhí)行任務(wù)情況。周轉(zhuǎn)箱到達(dá)發(fā)起樓層輸送站后查詢未執(zhí)行任務(wù)列表，當(dāng)未執(zhí)行任務(wù)列表為空或所有任務(wù)都是發(fā)送任務(wù)時，將當(dāng)前周轉(zhuǎn)箱任務(wù)記錄在未執(zhí)行任務(wù)列表內(nèi)，執(zhí)行步驟（3）；否則，周轉(zhuǎn)箱在發(fā)起樓層輸送站等待，直至未執(zhí)行任務(wù)列表任務(wù)為空時，將當(dāng)前周轉(zhuǎn)箱任務(wù)記錄在列表內(nèi)，執(zhí)行步驟（3）；

（3）發(fā)起樓層輸送站內(nèi)周轉(zhuǎn)箱進(jìn)入提升機載貨臺，將其送至目的樓層輸送站。在輸送過程中，每當(dāng)周轉(zhuǎn)箱離開提升機載貨臺，系統(tǒng)立即將該任務(wù)從未執(zhí)行任務(wù)列表中清空。

回收進(jìn)程是系統(tǒng)將各樓層輸送站的物資周轉(zhuǎn)箱送至發(fā)起樓層輸送站的過程?；厥者M(jìn)程步驟與發(fā)起進(jìn)程基本相同，僅在步驟（3）中 “未執(zhí)行任務(wù)列表為空或所有任務(wù)都是發(fā)送任務(wù)時”改為“未執(zhí)行任務(wù)列表為空或所有任務(wù)都是回收任務(wù)時”。

三、接力式垂直輸送系統(tǒng)任務(wù)組合優(yōu)化

1.提升機間作業(yè)節(jié)拍差問題

接力式垂直輸送系統(tǒng)相比單臺往復(fù)式提升機，效率有明顯提升，但在系統(tǒng)運行中存在提升機間作業(yè)節(jié)拍不同步造成的等待浪費問題。當(dāng)發(fā)起層處于系統(tǒng)首尾樓層之間時，發(fā)起層提升機將同時承擔(dān)上行、下行雙向傳輸任務(wù)，而與其相連的提升機一個時間段內(nèi)僅需承擔(dān)單向傳輸任務(wù)，因此物資發(fā)起樓層提升機效率高低是決定系統(tǒng)運行效率的瓶頸。周轉(zhuǎn)箱從物資發(fā)起樓層輸送至上端或下端緩存輸送站的距離，小于其他段提升機兩端緩存輸送站間輸送距離，因此當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)上行任務(wù)或下行任務(wù)時，就可能造成其他提升機跟不上發(fā)起層提升機作業(yè)效率的情況，產(chǎn)生設(shè)備間作業(yè)節(jié)拍時間差累計，導(dǎo)致發(fā)起層提升機工作等待，造成系統(tǒng)效率的降低。

2.任務(wù)組合算法

根據(jù)往復(fù)式提升機與物資發(fā)起樓層相對位置關(guān)系，將系統(tǒng)劃分為A段、B段和C段。物資發(fā)起樓層連接的提升機簡稱為B段，B段下方所有提升機簡稱為A段，B段上方的所有提升機簡稱為C段。如圖2所示，A段對應(yīng)圖中提升機①，B段對應(yīng)圖中提升機②，C段對應(yīng)圖中提升機③、④、⑤。

將目的樓層分布在A段的周轉(zhuǎn)箱定義為A類任務(wù)，目的樓層分布在B段的周轉(zhuǎn)箱定義為B類任務(wù)，目的樓層分布在C段的周轉(zhuǎn)箱定義為C類任務(wù)。針對提升機間作業(yè)節(jié)拍差問題，設(shè)計一種對A、B與C類任務(wù)組合的啟發(fā)式算法，通過在物資發(fā)起樓層增加一套輸送機構(gòu)自動實現(xiàn)算法所設(shè)計的任務(wù)組合功能。

如圖3所示，在物資發(fā)起樓層，物資輸送起始站、回收站與接力式垂直輸送系統(tǒng)之間通過兩條水平輸送線相連接，其中上方水平輸送線為發(fā)送輸送線，用于將物資輸送起始站投入的物資送至該樓層輸送站；下方水平輸送線為回收輸送線，用于將其他樓層送至發(fā)起樓層輸送站的物資送至物資輸送回收站。在發(fā)送輸送線中部一側(cè)設(shè)置一段暫存線，因現(xiàn)實中C類任務(wù)對應(yīng)樓層多、發(fā)運量大，暫存線用于實現(xiàn)對A類任務(wù)與B類任務(wù)的暫存以及排隊發(fā)運功能。在暫存線入口端和出口端相連的發(fā)送輸送線上，分別設(shè)置具有任務(wù)識別與移載功能的識別點1、識別點2。當(dāng)物資周轉(zhuǎn)箱到達(dá)識別點1與識別點2時，應(yīng)用任務(wù)組合算法對任務(wù)進(jìn)行組合排序，盡可能形成 “CA”或“CB”的任務(wù)組合，從而避免多個C類任務(wù)或A類任務(wù)的連續(xù)作業(yè)導(dǎo)致的B段作業(yè)等待，提高系統(tǒng)的整體運行效率。

圖3 暫存線模型示意圖

圖4 案例仿真模型示意圖

任務(wù)組合算法步驟如下：

（1）周轉(zhuǎn)箱物資經(jīng)發(fā)送輸送線到達(dá)識別點1，識別點1對任務(wù)類別進(jìn)行判斷：當(dāng)周轉(zhuǎn)箱物資為A類任務(wù)或B類任務(wù)，且暫存線未滿，則識別點1處移載裝置將周轉(zhuǎn)箱物資轉(zhuǎn)移至?xí)捍婢€，前行至識別點2側(cè)排隊；當(dāng)周轉(zhuǎn)箱物資為A類任務(wù)或B類任務(wù)，且暫存線已滿，則周轉(zhuǎn)箱物資沿發(fā)送輸送線繼續(xù)前行；當(dāng)周轉(zhuǎn)箱物資為C類任務(wù)，直行通過識別點1。

圖5 案例仿真暫存線示意圖

（2）周轉(zhuǎn)箱物資經(jīng)發(fā)送輸送線到達(dá)識別點2，識別點2對周轉(zhuǎn)箱物資類別進(jìn)行判斷：周轉(zhuǎn)箱物資為A類任務(wù)或B類任務(wù)，直行通過識別點2；周轉(zhuǎn)箱物資為C類任務(wù)，將暫存線內(nèi)離識別點2最近的一箱周轉(zhuǎn)箱物資通過移載裝置轉(zhuǎn)移至發(fā)送輸送線，使其緊隨在C類任務(wù)后方。

（3）當(dāng)設(shè)定時間段內(nèi)沒有周轉(zhuǎn)箱物資經(jīng)過識別點1且暫存線仍有周轉(zhuǎn)箱物資時，將暫存線中所有周轉(zhuǎn)箱物資通過識別點2處的移載裝置轉(zhuǎn)移至發(fā)送輸送線。

四、仿真建模驗證

1.案例仿真建模

應(yīng)用RaLC物流仿真軟件，對某人民醫(yī)院內(nèi)醫(yī)藥物流系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，如圖4所示。該醫(yī)院建筑總共18層，分南北兩個病樓房，其中北樓3～18層每層設(shè)1個站點，南樓1～12每層設(shè)1個站點，共計28個物流站點。1層至5層為裙樓部分，物資輸送起始站和回收站設(shè)置在4層，院內(nèi)醫(yī)藥物流系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成藥品至各病區(qū)配送以及采樣、單據(jù)和空藥箱回收任務(wù)。

北樓接力式垂直輸送系統(tǒng)由6段往復(fù)提升機組成，南樓接力式垂直輸送系統(tǒng)由5段往復(fù)提升機組成，每臺提升機對應(yīng)3個樓層輸送站，物資輸送起始站將要傳輸給各樓層的藥品經(jīng)發(fā)送輸送線傳送至接力式垂直輸送系統(tǒng)，經(jīng)在線激光掃碼識別周轉(zhuǎn)箱物資目的樓層后，智能揀選輸送至對應(yīng)樓層住院部站點。

住院部28個站點均為標(biāo)準(zhǔn)化的智能物流收發(fā)站點，采用7英寸觸摸顯示屏記錄周轉(zhuǎn)箱物資數(shù)據(jù)。護士人員將到達(dá)的周轉(zhuǎn)箱物資取出送往樓層內(nèi)相應(yīng)住院部。當(dāng)采樣、單據(jù)或空箱需返回4層的物資輸送回收站進(jìn)行化驗、核查等環(huán)節(jié)時，護士人員再將盛有采樣、單據(jù)的周轉(zhuǎn)箱物資放回至樓層輸送站，由系統(tǒng)運回至物資輸送回收站。

在案例模型中，任務(wù)發(fā)起樓層暫存線設(shè)計如圖5所示。在發(fā)送輸送線一側(cè)設(shè)置暫存線，用于緩存A類任務(wù)與B類任務(wù)，實現(xiàn)算法設(shè)計的任務(wù)組合功能。

2.仿真模型運行環(huán)境設(shè)置

模型仿真參數(shù)設(shè)置，如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置表

3.實驗結(jié)果分析

（1）不同物資發(fā)起樓層算法優(yōu)化效果比較

以南病房樓接力式垂直輸送系統(tǒng)為實驗研究對象，測試任務(wù)組合算法的優(yōu)化效果。設(shè)置暫存線最大容量為6箱，假設(shè)將B段對應(yīng)的3、4、5樓層分別作為物資發(fā)起樓層，系統(tǒng)隨機連續(xù)下發(fā)1000個任務(wù)作為測試數(shù)據(jù)，每個樓層的任務(wù)數(shù)相同。提升接力式垂直輸送系統(tǒng)效率的關(guān)鍵是解決B段與上下提升機之間的作業(yè)節(jié)拍差問題，因此本實驗以B段作業(yè)耗時為優(yōu)化目標(biāo)，從第一個任務(wù)進(jìn)入B段入口處作為作業(yè)開始時刻，最后一個任務(wù)離開B段時作為作業(yè)結(jié)束時刻。以隨機任務(wù)為參照，分析任務(wù)組合算法的優(yōu)化效果，如表2所示：

表2 任務(wù)組合算法實驗測試表

通過物流仿真軟件建立方案仿真模型，對算法的有效性進(jìn)行驗證，在任務(wù)保持連續(xù)下發(fā)的情況下，得到最佳發(fā)起樓層位置，為高層樓宇接力式垂直輸送系統(tǒng)的物資發(fā)起樓層規(guī)劃提供定量化數(shù)據(jù)。

根據(jù)表2的結(jié)果，可以得到以下兩方面的結(jié)論：

①從B段任務(wù)作業(yè)耗時角度分析：B段從下到上分別對應(yīng)的3、4、5樓層，中間四層作為物資發(fā)起樓層時，無論任務(wù)隨機下發(fā)還是組合后下發(fā)，B段任務(wù)作業(yè)耗時最短。因此，在選擇發(fā)起樓層時盡可能接近B段的中間位置。

②從算法優(yōu)化效果角度分析：從3層到5層優(yōu)化效果一直有所提升。由于系統(tǒng)C段連接樓層數(shù)量是A段和B段樓層數(shù)的1.4倍，因此C類任務(wù)數(shù)量多，B段提升機載貨臺向上輸送任務(wù)多。當(dāng)物資發(fā)起樓層越接近B段上端，B段提升機載貨臺向上傳輸?shù)倪\行距離就越小，B段與向上提升作業(yè)節(jié)拍相差越大，B段在隨機任務(wù)下產(chǎn)生的作業(yè)等待時間越長，因此任務(wù)組合算法優(yōu)化后的效果越明顯。

（2）不同緩存數(shù)優(yōu)化效果比較

在以上仿真實驗中，暫存線最大容量設(shè)置為6箱，仿真運行過程中出現(xiàn)因暫存線上滿載而導(dǎo)致后續(xù)A類或B類任務(wù)無法進(jìn)入的情況。設(shè)定物資發(fā)起樓層處于4層，以隨機任務(wù)為參照，測試暫存線緩存容量對任務(wù)組合算法優(yōu)化效果的影響，實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

從圖6中可以看出，隨著暫存線緩存容量不斷增加，優(yōu)化效果的增幅不斷減小。在實際設(shè)計時，可以根據(jù)現(xiàn)場空間限制結(jié)合仿真實驗結(jié)果，合理選擇暫存線的緩存容量。

表3 暫存線緩存容量測試實驗結(jié)果

圖6 暫存線不同緩存容量優(yōu)化效果分布圖

五、結(jié)論

高層樓宇內(nèi)接力式垂直輸送系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，受建筑結(jié)構(gòu)和功能布局的影響，經(jīng)常出現(xiàn)任務(wù)發(fā)起層處于系統(tǒng)首尾樓層之間的情況。針對該情況下，系統(tǒng)運行過程中存在的提升機間作業(yè)節(jié)拍差問題，提出任務(wù)組合算法，設(shè)計專門的暫存線實現(xiàn)任務(wù)的自動組合。通過物流仿真軟件建立方案仿真模型，對算法的有效性進(jìn)行驗證，在任務(wù)保持連續(xù)下發(fā)的情況下，得到最佳發(fā)起樓層位置，為高層樓宇接力式垂直輸送系統(tǒng)的物資發(fā)起樓層規(guī)劃提供定量化數(shù)據(jù)。同時，分析了暫存線容量對算法優(yōu)化效果的影響，為高層樓宇接力式垂直輸送系統(tǒng)對暫存線容量的選擇提供了仿真驗證與數(shù)據(jù)支持。