基于飛毯智能技術(shù)的倉庫優(yōu)化設(shè)計

高黎樊，汪傳雷，楊雨欣，李佩徽，劉鵬龍

（1.安徽大學(xué) 商學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽大學(xué)物流與供應(yīng)鏈研究中心，安徽 合肥 230601；3.安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引言

我國《“十四五”現(xiàn)代物流發(fā)展規(guī)劃》中提出要推進(jìn)現(xiàn)代物流提質(zhì)、增效、降本，并到2025年基本建成供需適配、內(nèi)外聯(lián)通、安全高效、智慧綠色的現(xiàn)代物流體系。在此背景下，如何進(jìn)一步提升物流各環(huán)節(jié)效率和質(zhì)量、降低成本、促進(jìn)綠色發(fā)展，已經(jīng)成為物流業(yè)乃至全社會共同關(guān)注的問題。飛毯智能是德國FL公司的一種電磁流式運輸倉儲系統(tǒng)[1]，本文結(jié)合中國場景，應(yīng)用“飛毯”技術(shù)實現(xiàn)倉儲環(huán)節(jié)提質(zhì)降本增效，并促進(jìn)新能源在物流領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 文獻(xiàn)回顧

當(dāng)前，產(chǎn)業(yè)和時代的發(fā)展對智慧化倉儲提出了新要求，其中離不開智慧化倉儲技術(shù)。近年來，國內(nèi)圍繞智慧倉儲技術(shù)進(jìn)行了一些研究。雷斌，等[2]認(rèn)為倉儲物流機器人的工作效率影響著整個倉儲系統(tǒng)的效率，常見的倉儲物流機器人有自動導(dǎo)引小車、碼垛機器人以及分揀機器人等。周亞勤，等[3]針對密集倉儲環(huán)境，基于遺傳算法的協(xié)同調(diào)度方法，提出了啟發(fā)式規(guī)則，從而實現(xiàn)穿梭車任務(wù)的均衡分配。任楠，等[4]在考慮智慧化倉儲的環(huán)境、模式、需求的情況下，對傳統(tǒng)的AGV進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)化，使其能夠更好地為自動化倉儲系統(tǒng)服務(wù)。

隨著城市倉儲與物流用地供應(yīng)日益緊缺，緊致型倉儲逐漸成為研究熱點。劉兵兵，等[5]對一種三維緊致化倉儲系統(tǒng)進(jìn)行了算法介紹，并對相關(guān)的尺寸優(yōu)化與調(diào)度方案進(jìn)行了說明。張文濤，等[6]認(rèn)為現(xiàn)代物流技術(shù)與裝備主要發(fā)展方向之一是緊致化。馬云峰，等[7]基于現(xiàn)有算法對網(wǎng)格型的倉儲系統(tǒng)進(jìn)行了分區(qū)設(shè)計，有效提高了倉庫的工作效率。飛毯智能技術(shù)具有高密度、低成本的優(yōu)勢，能夠滿足緊致型倉儲要求，本文對飛毯智能技術(shù)在緊致型倉儲中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。

2 飛毯智能技術(shù)介紹

2.1 基本構(gòu)成

飛毯智能是一項極具創(chuàng)新性的電磁流機器人技術(shù)，是基于電磁場的模塊化平臺系統(tǒng)，其運作系統(tǒng)由PU和Mover兩部分構(gòu)成。PU類似于家裝的瓷磚，由一塊塊拼接而成，如圖1所示。在倉庫平面鋪設(shè)充足數(shù)量的PU，可形成整體的智能平面。如果單個單元發(fā)生故障，可以輕松快速地更換。Mover 尺寸為標(biāo)準(zhǔn)托盤1 000*1 200mm，一定數(shù)量的Mover分布在由PU形成的智能平面上。在Mover和PU之間會產(chǎn)生一個僅在實際運動期間有效的電磁場。將物品放置在Mover上，當(dāng)接收到系統(tǒng)指令時，PU會產(chǎn)生運動方向上的電磁推進(jìn)力，實現(xiàn)物品的在庫運輸。如圖2所示。

圖1 PU智能平面

圖2 Mover和PU模型

2.2 技術(shù)原理

飛毯在庫內(nèi)運作的核心技術(shù)是電磁技術(shù)。飛毯創(chuàng)新性地將磁懸浮和電磁推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于倉儲環(huán)節(jié)，其原理與磁懸浮列車有異曲同工之處。磁懸浮列車是利用電磁力進(jìn)行列車和鐵軌間無接觸的懸浮和導(dǎo)引，只受到來自空氣的阻力，為降低能源消耗、提高運行速度提供空間。在Mover的制動方面，也與列車有相似之處，采用的是盤形渦流制動，圖3為Mover電磁制動原理[8]。飛毯技術(shù)正是借助磁懸浮的力量支撐起裝載物品的托盤，實現(xiàn)二維平面內(nèi)的移動。

圖3 Mover電磁制動原理[8]

飛毯在庫內(nèi)的運行主要是通過電磁推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行。電磁推進(jìn)是借助導(dǎo)電氣體中磁場和電流間的相互作用力，使氣體高速噴出從而產(chǎn)生推力的一種推進(jìn)方式。應(yīng)用的工作介質(zhì)是等離子體，因此又稱等離子體推進(jìn)。飛毯通過精確的電磁推進(jìn)控制算法，能夠?qū)崿F(xiàn)各種規(guī)格、不同重量的負(fù)載物品的自由移動，與叉車、AMR、AGV等運輸工具比較，飛毯應(yīng)用方案具備密度高、通量高、成本低等優(yōu)勢。

2.3 運作流程

開始作業(yè)前，飛毯位于庫內(nèi)的等待區(qū)。當(dāng)有物品入庫時，系統(tǒng)先通過分析物品信息和可用飛毯信息確定作業(yè)飛毯，通過電磁推進(jìn)使飛毯按最優(yōu)路線移動到指定區(qū)域進(jìn)行上貨。上貨完成后，貨物信息自動與飛毯信息進(jìn)行綁定。當(dāng)物品需要出庫時，直接通過系統(tǒng)調(diào)度指定的飛毯即可。當(dāng)任務(wù)完成后，飛毯會通過自檢判斷是否需要充電，電量充足后前往等待區(qū)等候新的任務(wù)。整體運作流程如圖4所示。

圖4 飛毯運作流程

2.4 技術(shù)優(yōu)勢

對比當(dāng)前市場的主要倉儲設(shè)備：各式貨架、AGV等等，飛毯智能技術(shù)具有以下獨特優(yōu)勢：

2.4.1 倉儲緊致化。飛毯智能技術(shù)使得每一個Mover既是存儲設(shè)備，又是搬運設(shè)備，在智能地板上可以鋪設(shè)足夠多的Mover，相比傳統(tǒng)的貨架存儲密度將更高，從而提高了倉儲面積利用率。

2.4.2 抗干擾性強。由于采用模塊化設(shè)計，整套系統(tǒng)可以靈活、單獨運輸并且適應(yīng)特定的應(yīng)用，還能夠隨時進(jìn)行擴展。各個PU的分散控制使整個系統(tǒng)能夠抵抗中斷，系統(tǒng)也能夠智能、實時地適應(yīng)需求，如果某個PU發(fā)生故障，其他載體會自動繞過該PU，消除了整個系統(tǒng)發(fā)生故障，并因此中斷貨物流動的風(fēng)險。萬一單個單元發(fā)生故障，可以直接進(jìn)行更換，提高了系統(tǒng)的流動性。

2.4.3 靈活匹配不同規(guī)格貨物。目前，單個Mover最大承載量為3t，能夠滿足重載物流運輸需求。整體系統(tǒng)協(xié)同控制使得物體可以單獨運輸，也可以成組運輸。通過連接多個負(fù)載體，創(chuàng)建一個更大的Mover，能夠?qū)崿F(xiàn)不同大小和形狀的物體的運輸。

2.4.4 節(jié)能環(huán)保。在Mover和PU之間，運用磁懸浮技術(shù)，會產(chǎn)生一個僅在實際運動期間有效的電磁場。因此，用時通電，不用時斷電，大大節(jié)省了電能。

3 基于飛毯智能技術(shù)的倉儲優(yōu)化

飛毯智能技術(shù)運用于實際倉庫場景，需要同步配套優(yōu)化倉庫環(huán)境。下面以Z公司冷庫應(yīng)用飛毯智能技術(shù)方案為例，從倉庫整體布局、內(nèi)部布局、設(shè)施設(shè)備等方面進(jìn)行優(yōu)化。其中，整體布局優(yōu)化是滿足飛毯運行的流程需要，內(nèi)部布局是滿足飛毯智能技術(shù)的場所條件，設(shè)施設(shè)備采納光伏儲能技術(shù)滿足飛毯智能技術(shù)的能源要求。

3.1 基于飛毯智能技術(shù)的整體布局優(yōu)化

3.1.1 Z 公司冷庫原有布局。Z 公司是合肥知名生鮮冷鏈物流公司，其冷庫為變溫倉，總面積為16 000m2，內(nèi)含2 500m2的冷凍區(qū)，主要提供包括肉類、畜牧業(yè)、農(nóng)特產(chǎn)品以及藥品的儲存加工服務(wù)；周邊布局有2 500m2恒溫區(qū)，引進(jìn)智能存儲貨架，智能流水線作業(yè)，主要為電商企業(yè)、新零售企業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)營企業(yè)提供服務(wù)；5 000m2冷藏倉主要儲存工業(yè)制品和食品；剩下的功能區(qū)分別為入庫暫存區(qū)、裝卸搬運區(qū)、流通加工區(qū)、辦公區(qū)、退貨區(qū)、產(chǎn)品配送區(qū)。原布局如圖5所示。

圖5 原冷庫布局圖

3.1.2 運用SLP方法對Z公司冷庫布局進(jìn)行優(yōu)化。為滿足飛毯運行的流程需要，采用SLP法對Z公司運用飛毯設(shè)備的冷庫進(jìn)行區(qū)域劃分、空間布局以及面積確定的設(shè)計。首先，確定飛毯倉庫的具體作業(yè)流程，使各作業(yè)流程銜接得當(dāng)；然后，對功能區(qū)進(jìn)行規(guī)劃，使各功能區(qū)劃分完善，滿足貨品儲存需要，并使資源利用最大化。由于飛毯設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)物品在庫內(nèi)的自由移動，無需其他的裝卸搬運，因此，合并入庫暫存區(qū)與裝卸搬運區(qū)；最后，對飛毯倉庫的平面布局進(jìn)行優(yōu)化。

（1）SLP法基本要素分析。表1是飛毯倉庫五項基本要素的具體內(nèi)容。

表1 基本要素具體內(nèi)容

（2）功能區(qū)優(yōu)化。合并入庫暫存區(qū)與裝卸搬運區(qū)。物品可直接傳輸?shù)組over上，飛毯設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)物品在庫內(nèi)的自由移動，因此，無需進(jìn)行復(fù)雜的裝卸搬運。調(diào)整倉庫面積和布局，保證飛毯設(shè)備在各倉運作的貫通性。

（3）物流關(guān)系分析。根據(jù)調(diào)研得到倉庫實際物流量情況，見表2。

表2 物流量從至情況

由于恒溫區(qū)、冷藏區(qū)、冷凍區(qū)的物品進(jìn)入展示區(qū)的物流量較少，可以忽略不計，根據(jù)表2進(jìn)行倉庫物流關(guān)系強度匯總，見表3。

表3 物流關(guān)系強度匯總

根據(jù)表3繪制功能區(qū)物流關(guān)系，如圖6所示。

圖6 功能區(qū)物流關(guān)系設(shè)計

由圖6可得，冷庫布局需要優(yōu)先考慮產(chǎn)品配送區(qū)和冷藏區(qū)之間的物流關(guān)系；其次，考慮冷藏區(qū)到暫存區(qū)，恒溫區(qū)、冷凍區(qū)到產(chǎn)品配送區(qū)之間的物流關(guān)系；最后，考慮暫存區(qū)到恒溫區(qū)，冷凍區(qū)、恒溫區(qū)到流通加工區(qū)的物流關(guān)系。

（4）非物流關(guān)系分析。非物流關(guān)系的分析主要圍繞飛毯設(shè)備進(jìn)行。引入飛毯設(shè)備后，原有作業(yè)流程的變化引發(fā)倉庫布局更改，需要考慮飛毯作業(yè)的便捷性；其次，飛毯設(shè)備完全自動化控制，無需人工進(jìn)行倉庫間的操作，需要考慮飛毯設(shè)備在倉庫間穿梭的貫通性；另外，飛毯設(shè)備是基于電磁推動技術(shù)的模塊化設(shè)計，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，只需要替換損壞的PU或者M(jìn)over，需要考慮倉庫維護(hù)保養(yǎng)的可操作性和倉庫應(yīng)用模塊的耦合度；最后，飛毯設(shè)備極大地減少了倉庫人力投入，需要考慮人員減少時如何做好倉庫管理工作。非物流關(guān)系等級劃分見表4。

表4 等級劃分理由

根據(jù)表4繪制出非物流關(guān)系密切程度表，見表5。

表5 非物流關(guān)系密切程度

根據(jù)表5繪制出功能區(qū)非物流關(guān)系圖，如圖7所示。

圖7 功能區(qū)非物流關(guān)系

由圖7可得，冷庫布局需要優(yōu)先考慮冷藏區(qū)、恒溫區(qū)和冷凍區(qū)到產(chǎn)品配送區(qū)的非物流關(guān)系；其次，考慮產(chǎn)品配送區(qū)到流通加工區(qū)，恒溫區(qū)、冷藏區(qū)、冷凍區(qū)到暫存區(qū)的非物流關(guān)系；最后，考慮恒溫區(qū)到流通加工區(qū)，恒溫區(qū)到冷藏區(qū)的非物流關(guān)系。

（5）綜合物流關(guān)系分析。結(jié)合上述分析，可以對飛毯倉庫進(jìn)行綜合物流關(guān)系分析，并給出最終功能區(qū)之間的位置關(guān)系和它們之間聯(lián)系的密切程度。由于本研究的目的是將飛毯設(shè)備更好地應(yīng)用于倉庫，助力物流自動化、智慧化轉(zhuǎn)型升級，所以，物流因素應(yīng)該占據(jù)主導(dǎo)地位，這里取比值2：1進(jìn)行綜合物流關(guān)系分析，得到功能區(qū)綜合關(guān)系圖，如圖8所示。

圖8 功能區(qū)綜合關(guān)系

由圖8可得，冷庫布局需要優(yōu)先考慮冷藏區(qū)到產(chǎn)品配送區(qū)的綜合物流關(guān)系；其次，考慮暫存區(qū)到冷凍區(qū)，恒溫區(qū)、冷凍區(qū)到產(chǎn)品配送區(qū)的綜合物流關(guān)系；然后，考慮暫存區(qū)到恒溫區(qū)、冷藏區(qū)，恒溫區(qū)到流通加工區(qū)，流通加工區(qū)到產(chǎn)品配送區(qū)的綜合物流關(guān)系；最后，考慮恒溫區(qū)到冷藏區(qū)的綜合物流關(guān)系。

（6）最終布局?；谝陨戏治觯嬎愠鰞?yōu)化后的面積占比見表6，最終飛毯倉庫布局如圖9所示。

表6 各區(qū)域面積占比

圖9 飛毯倉庫布局圖

3.2 基于飛毯智能技術(shù)的內(nèi)部布局優(yōu)化

將智能飛毯鋪設(shè)在倉庫內(nèi)需要對原來各區(qū)域內(nèi)部的布局進(jìn)行調(diào)整，即將原有貨架區(qū)域及叉車作業(yè)區(qū)域均調(diào)整為飛毯區(qū)域。

以冷藏區(qū)為例，該區(qū)面積為5 000m2，可用面積為4 800m2，其中長80m，寬60m。根據(jù)冷庫設(shè)計國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求[9]，冷藏區(qū)劃分為A、B兩個區(qū)域，兩個區(qū)域間隔2m。引入飛毯前每個分區(qū)內(nèi)有15排貨架，每排貨架深度為1m，兩排貨架之間有寬3m的叉車作業(yè)通道，如圖10所示。

圖10 初始冷藏區(qū)布局

引入飛毯設(shè)備后，省去叉車在庫內(nèi)作業(yè)的空間，圖11中的灰色區(qū)域（貨架）和白色區(qū)域（叉車作業(yè)區(qū)域）全部鋪滿飛毯設(shè)備，實現(xiàn)倉儲緊致化。以A區(qū)為例：A區(qū)長方向：60÷1.2=50（個）；A 區(qū)寬方向：39÷1=39（個）；飛毯總數(shù)：50×39=1 950（個）。即改造后的倉庫A、B 每個分區(qū)內(nèi)能夠配備1 950個飛毯。引入飛毯后的冷藏區(qū)布局如圖11所示。其他各區(qū)域均按照同樣的方法布置處理。

圖11 引入飛毯后的冷藏區(qū)布局

3.3 利用光伏儲能技術(shù)優(yōu)化飛毯倉庫

為更好地滿足飛毯智能技術(shù)的能源需求，可為Z公司倉庫設(shè)施增設(shè)光伏儲能設(shè)備。

3.3.1 光伏儲能原理。光伏儲能主要應(yīng)用到的能源為太陽能。倉庫上的太陽能電池板可以遮擋日光照射，較低的外部溫度將有助于降低冷庫的用電量。另外，冷庫擁有較充足的屋頂面積，所以選擇將光伏發(fā)電設(shè)備安裝在屋頂上。3.3.2 連接方式。飛毯設(shè)備與光伏儲能設(shè)備結(jié)合，使用連接線把太陽能電源控制器和蓄電池連接起來，太陽能電源控制器的正極連接蓄電池的正極，太陽能電源控制器的負(fù)極連接蓄電池的負(fù)極。連接線可從倉庫墻體和飛毯PU的內(nèi)部穿過，有效隱藏且無需對原有倉庫進(jìn)行大規(guī)模改造。再用連接線連接太陽能電源控制器和太陽能板，太陽能電源控制器的正極連接太陽能板的正極，太陽能電源控制器的負(fù)極連接太陽能板的負(fù)極。太陽能板接線連接成功后，可將飛毯的PU直接接在太陽能電源控制器輸出端，實現(xiàn)光伏發(fā)電。

3.3.3 電池選擇。主流電池儲能技術(shù)對比見表7。本研究是將飛毯應(yīng)用于冷庫，密封及低溫環(huán)境會縮短電池使用壽命，考慮購買成本及性能條件等因素，建議該冷庫采用全釩液流電池。

表7 主流電池儲能技術(shù)

3.3.4 效益分析。數(shù)據(jù)表明，光伏屋頂分布式發(fā)電平均每平米年發(fā)電量90～100kW·h 左右。Z 公司冷庫總面積為16 000m2，實際可用平頂面積為15 000m2，經(jīng)合理估算，每年光伏發(fā)電量約為150萬kW·h。每度光伏發(fā)電可減少二氧化碳的排放量為0.734g，相當(dāng)于減少碳排放0.272kg，那么每年150萬kW·h的光伏發(fā)電量可以減少二氧化碳排放1 101kg，相當(dāng)于減少碳排放為408kg[10]?，F(xiàn)有工業(yè)用電普通時段電費為0.725元/kW·h，國家出臺的關(guān)于倉庫屋頂光伏分布式發(fā)電的政策補貼標(biāo)準(zhǔn)為0.42元/kW·h（含稅），即采用光伏發(fā)電后Z公司冷庫可節(jié)約大約45.75萬元的電費成本。

4 結(jié)語

本文創(chuàng)新性地將飛毯智能技術(shù)應(yīng)用于實際倉儲環(huán)節(jié)。未來該技術(shù)將不斷改進(jìn)，更好地應(yīng)用于物流業(yè)以及其他更多行業(yè)領(lǐng)域：（1）全自動無人倉庫。Mover之間靈活的拼接和運輸可以取代叉車、AGV以及貨架等倉儲運輸物流設(shè)備，實現(xiàn)倉庫無人化、自動化管理。（2）生產(chǎn)制造工廠。未來Mover可以配備機器人、機械吊臂等，產(chǎn)品生產(chǎn)可以直接在飛毯上進(jìn)行，實現(xiàn)車間或倉庫等內(nèi)部區(qū)域空間的最佳利用。（3）城市交通運輸。未來飛毯可以與城市基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)作，如輔助全自動停車場的運作，實現(xiàn)車輛位置的自動調(diào)度，解決超載問題，提高安全性，減輕城市中心基礎(chǔ)設(shè)施的負(fù)擔(dān)。