物資儲運系統中立體庫外輸送系統效率的研究

陳佳梁，孫海龍，劉　昭

（1.北京郵電大學 自動化學院，北京 100876；2.北京機械工業自動化研究所，北京 100011）

物資儲運系統中立體庫外輸送系統效率的研究

陳佳梁1，孫海龍2，劉昭2

（1.北京郵電大學 自動化學院，北京 100876；2.北京機械工業自動化研究所，北京 100011）

針對自動化立體庫因庫外輸送系統設計不當導致整體系統效率低下，物流設備不能達到應有效率的問題，給出幾種常見的庫外輸送系統設計方案，并通過建模與仿真對各個方案的效率進行分析。采用對比分析的方法，對幾種常用的庫外輸送線的設計方案中影響出入庫效率的主要因素進行分析，并選擇其中較優的模式進行建模仿真，定量得出幾種模式的實際效率。仿真實驗表明，不同設計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計模式為最優方案。

物資儲備；庫外輸送系統；建模與仿真；效率

0　引言

隨著現代物流的不斷發展，物流用地及倉儲空間逐漸緊張，實際業務對倉儲作業效率的要求也在不斷增加，考慮到自動化設備可以降低作業的錯誤率并能夠減少人工成本，因此自動化立體倉庫逐漸替代普通倉庫，成為現代倉儲系統的主流。針對自動化立體倉庫造價較高且改造難度大的特點，在其前期設計及建設過程中就要保證設計方案中各設備互相匹配且均能發揮應有的作用，以使整體的自動化立體倉庫達到最大使用率及作業效率，防止因設計不當而在后期使用不便。影響自動化立體倉庫使用率及作業效率的最主要設備因素除了庫內的堆垛機等設備外，很重要的一點就是庫外輸送系統的輸送效率，因此為了使整個自動化立體倉庫的作業效率達到最優，并為設備的設計過程提供可靠的理論支持，庫外輸送系統的效率研究必不可少。

現有對自動化立體庫的研究主要集中于兩個方面，第一是自動化立體庫貨位設計及相關尋址策略的研究，第二是針對立體庫配套設備及其作業效率的研究，在這兩方面中王化禎［1］介紹了不同類別自動化立體庫的特點及發展歷程和現狀，肯定了自動化立體庫的實用性和發展必然性。張世臣［2］分析了立體庫在現代制造企業中的應用并逐條介紹了自動化立體倉庫的優點。李程［3］簡要分析了自動化立體倉庫作業模式，并基于粒子群算法對自動化立體庫的調度模式進行了優化。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，并對其存儲策略進行了分析。Oliveira［5］等介紹了一種改變立體庫內運行模式的改進算法。康馨［6，7］介紹了常用的幾種輸送設備，并針對各類型輸送機的特點和設計模式進行了詳盡解釋。

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

綜上所述，國內外學者的主要研究大多針對立體庫內的存儲策略或堆垛機的運行模式，少數關注庫外輸送系統的研究也僅限于輸送設備本身的單機效率，而對庫外輸送系統整體的輸送效率研究不多。實際設計和使用過程中，輸送系統的整體輸送效率決定了自動化立體倉庫的使用效果，也是保障庫內設備可以按照設計要求運行的必要環節。為此，本文基于以上研究，對幾種常用庫外輸送系統的設計模式及整體效率進行分析，并通過建模與仿真對其進行驗證同時得出定量效率參數。

1　幾種輸送系統設計及分析

決定立體庫系統作業效率的因素如圖1所示，其中影響庫外輸送機系統的主要因素有五個方面，即：輸送機總體設計模式，巷道數量，緩存位數量，緩存位設計模式，出入庫口數量及設計模式。

圖1　決定立體庫系統作業效率的相關因素

下面就針對上圖中除巷道數量外的四種因素列出幾種常見的輸送系統設計模式，并對其優缺點進行對比及分析（如表1所示）。

表1　幾種常用的庫外輸送系統設計模式

設計模式　優點　缺點4出入庫口在同一側，可以節約場地　系統流量持續增大的情況下會發生場地混用，造成作業錯誤率提高5占地面積較大，系統整體造價高系統容錯率及承載能力高，且可以柔性分配各出入庫口的流量，適應不同情況下的作業需求6占地面積較大，系統整體造價高系統容錯率及承載能力進一步提升，且可以柔性分配各出入庫口的流量，適應不同情況下的作業需求。

從上述表格可以看出，第一種設計模式（單一線體）雖然大幅節省了空間但是實際可實現的功能較少，例如不同巷道之間的移庫只能單向進行，物料的一定也只能單向進行，這樣系統的整體容錯能力及承載能力都很低，因此這種模式僅適用于作業模式單一，且出入庫量很小的情況。第二種設計模式（雙向線體）保持了占地面積較小的優勢，且有效解決了作業模式簡單，方向單一的問題，但是由于兩條線體之間沒有設定緩存位，因此系統容錯率和承載能力仍然沒有大幅的提升。第三種設計模式在前兩種的基礎上進一步改進，增加了緩存位，使得系統的容錯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雜作業情況下與其他作業沖突的問題。最后的三種設計模式（4～6）在第三種設計模式上進行微調以適應一些特殊的需求，但實際的效率改變不大。

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計模式進行比對，以此來詳細分析設計模式，巷道數等因素對自動化立體倉庫整體作業效率的影響。

圖2　不含緩存位的輸送線設計

2　兩種輸送線主要設計模式的對比分析及模型設計

2.1兩種設計模式具體設計

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

1）不存在緩存位

圖3　含有一個緩存位的輸送線設計

這種設計模式采用緊湊式設計，由兩條橫向的主要輸送線連接立體庫的全部出入庫巷道，同時兩條主要輸送線間使用頂升移栽機進行連接，可采用單一出入庫口，也可以設計為多出入庫口。

優點：節省空間，節約成本。

缺點：系統整體容量低，且系統容錯率較差，容易出現死鎖。

2）存在緩存位

這種設計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，同時在兩條線之間增加一臺輸送機，將兩條線連接起來，連接處使用頂升移栽機進行轉換。

優點：兩條主要輸送線間增加了緩存位，使整個系統容量增大，且容錯率大幅上升，只有當整個系統各處作業壓力均增大到接近瓶頸時才會發生擁堵，使系統不能正常運行

缺點：由于增加了多臺設備，整個輸送線的占地面積大幅增加，且成本也發生了一定的增加。在系統壓力較低的情況下會發生設備閑置的情況。

2.2兩種設計模式參數對比

表2　本文選取的兩種設計模式參數對比

兩種設計模式的主要區別在于緩存位的設置，這種區別主要反映在系統整體容納能力及容錯率上，有緩存位的設計相較于沒有緩存位的設計將大幅增加系統容錯率，不會發生死鎖，且針對作業高峰流量大幅增加的情況也有較好的容納效果。但同時，由于緩存位的加入，整個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必須考慮的問題，同時設備數量的增加使得成本也會有一定增加，因此，在滿足使用需求的情況下，要結合實際情況選擇設計方案。

2.3模型的抽象與假設

為定量考察輸送線的實際出入庫能力及輸送線本身條碼掃描尺寸檢測承載能力，我們使用Automod軟件按照以上參數進行仿真，通過Automod中的Conveyor系統可以對輸送線進行模擬，將輸送線等效為Conveyor系統中的一條等長度的輸送路徑（設計圖與仿真模型對比如圖4所示），并在出入庫口的位置設置AS/RS系統輔助模擬和輸送線系統對接的其他系統。

圖4　設計圖與仿真模式對比圖

該系統可以對線體速度、加速度、貨物停止間隔距離、運行間隔距離等參數進行設定，以模擬線體的實際運行情況，同時在仿真過程中。

因為兩種設計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連續輸送機的組合，頂升移載機的工作時間通過降低貨物的移動速度進行等效，相關參數設定如下。

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，輸送線貨物運行間隔0.2m。有緩存位的設計方案，兩條橫向輸送線間間隔一個緩存位。仿真時長8h。

對兩個方案分別設計多組實驗：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，逐步增加入庫數量，直到輸送線出現擁堵或死鎖位置，記錄停止時的出入庫量，并進行比對。

3　仿真結果分析

在仿真過程中，不斷增大出入庫數量，可以得到在相同時間下輸入數量和輸出數量的關系（如圖5所示），這種情況是因為在前期非常暢通時相同時間下的輸入輸出數量完全相等，因此呈現線性相關，但是隨著數量的增加，局部區域會出現小范圍的等待和擁堵，致使相同時間的輸入輸出量出現波動，在達到系統瓶頸后，繼續增加輸入量，則輸出部分不會有明顯增加，甚至會因為出現死鎖的情況而導致輸出量大幅下降。

圖5　一種設計模式下輸入輸出量的關系曲線

仿真得到的數據如表3所示，并可以在實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對應的系統作業能力

通過上述表格可以看出，每種方案中隨著巷道數增加，系統出入庫能力也在逐漸增加，且在仿真過程中仿真動畫可視系統容量逐漸增大，同時有一個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，相同巷道數下約提升作業能力50件/小時。

但是，在此過程中，也會出現一個問題，隨著巷道數增加，進入系統的總量提升，入庫口的壓力會逐漸增加，不同設計模式均會出現此種情況，因此，在巷道數增加到一定數量后要同時增加出入庫口的數量。

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

圖6　仿真過程中的輸送線系統

表4　出入庫口數量對系統能力的影響

由表4可知，在巷道數不變、單個出入庫口作業能力不變的情況下，由于增加出入庫口可以使貨物的實際走行距離減少，且分布均勻，因此每增加一個出入庫口，整體作業效率略有提升，且作業時間會相應減少，同時從仿真動畫上明顯可以看出在達到系統瓶頸之前，貨物分布更加均勻，系統整體壓力較小。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，針對上文提到的第四種設計模式，即改變出入庫口位置的設計模式。通過仿真動畫可以得出，在其他條件相同的情況下，出入庫口位于兩側時貨物的分布較為均勻，局部擁堵的情況出現較少；出入庫口在同一側時，隨著流量的增大，在出入庫口附近會出現局部擁堵，甚至死鎖，但系統其他部分則會出現空閑，因此除非有特殊需求需要將出入庫口放置于立體庫同側，一般不建議采用此種設計方案。

4　結束語

提高庫外輸送系統的實際作業能力是配合立體庫內設備作業以及提升整體作業效率的關鍵。為提升物資儲運系統中立體庫外輸送系統的效率，給輸送系統的整體設計提供可靠理論支持，本文對幾種輸送系統設計模式進行分析，并建立相關模型進行驗證。得到以下結論：

不同設計模式在增加相同巷道數時，系統處理能力提升的數量不同，但總體趨勢相同。

在本文進行仿真的設計模式中（設計4），其他參數相同的情況下，增加緩存位可以將系統整體的作業效率提升32%，系統承載能力也相應的得到了提升，同時增加巷道數會提升整體系統的出入庫能力。

在巷道數不變的情況下，增加出入庫口的數量有助于提升系統的作業效率，同時可以將系統出入庫壓力分散，使作業過程更加均衡平滑。

圖7　出入庫口位于系統兩段時的仿真截圖

圖8　出入庫口位于系統同端時的仿真截圖

【】【】

在場地有限等特殊情況下，可以選擇無緩存位的設計方案，并將出入庫口放置于立體庫的同一側，但對實際的作業效率會有一定影響，無法適應大流量的情況。

本文研究內容根據實際設計過程中出現的問題抽象而成，因此研究所得結果對實際設計過程具有一定的指導意義，可以為企業設計過程提供參考。同時，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行進一步深化討論，以提升模型的可信度，以此提高仿真數據結果的準確性。

［1］ 王化禎.淺析自動化立體倉庫類別及特點［J］.建筑工程技術與設計，2015，（19）:2195-2195，2000.

［2］ 張世臣.自動化立體倉庫在現代制造企業的應用與優勢［J］.城市建設理論研究（電子版），2015，（25）:1806-1807.

［3］ 李程.基于粒子群算法的AS/RS優化調度方法研究［D］.陜西科技大學，2015.

［4］Bortolini M， Accorsi R， Gamberi M， et al. Optimal design of AS/ RS storage systems with three-class-based assignment strategy under single and dual command operations［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2015，79（9-12）:1747-1759.

［5］ Oliveira J A， Ferreira J， Pereira G A B， et al. An Improved Evolutionary Algorithm to Sequence Operations on an ASRS Warehouse［M］.Soft Computing in Industrial Applications. Springer International Publishing， 2014:95-104.

［6］ 康馨.自動化立體倉庫規劃與設計［J］.物流技術（裝備版），2013，（7）: 76-80.

［7］ 自動化立體倉庫規劃與設計［J］.物流技術（裝備版），2013，（6）: 72-76.

［8］ 卞和營，方彥軍.基于改進遺傳算法的堆垛機調度路徑建模與優化研究［J］.科技通報，2015，（7）:135-139.

［9］ 陳金，車睿，陳欣然，等.基于Flexsim的堆垛機效率計算仿真法簡析［J］.機電產品開發與創新，2015，28（4）:62-64.

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，研究方向為自動化立體倉庫技術及設備。