環形穿梭車調度策略優化

蘇 建，周春雷

（1.中國煙草總公司重慶市公司物流分公司，重慶 400026；2.中國煙草總公司重慶市公司煙葉分公司，重慶 400023）

0 引言

隨著互聯網經濟的快速發展，現代物流技術日新月異，物流生產作業設備快速發展，裝備水平大幅提升，穿梭車作為物流系統中常見的搬運輸送設備，廣泛應用于物流系統中[1]。環形穿梭車由直線往復式穿梭車發展而來，因直線穿梭車在運動過程中需要間歇停頓以防止碰撞，限制了其搬運速度，降低了穿梭車的工作效率[2]。環形穿梭車軌道在平面內呈閉環布置，穿梭車沿軌道單向運行，可以同時運行多臺穿梭車，實現多站臺作業，從而改善了往復式穿梭車輸送能力有限的缺點。

雙軌道環形穿梭車具有以下特點：①穿梭車采用雙軌道運行，在較小轉彎半徑條件下也能流暢運行，行走和貨物輸送均采用變頻器控制，可實現無極調速；②采用條碼定位技術，簡化了位置及速度控制，系統的可維護性大為改善，增加車輛或站臺也非常簡單；③環形穿梭車集成了計算機調度管理系統、可編程控制技術，可調度所有穿梭車協調運行，基于無線以太網通信系統可實時顯示穿梭車的運行狀態，如接貨、送貨、行走位置等。

1 貨物接運概述

1.1 主要流程

該物流配送中心出庫環節主要包括立庫、環形穿梭車、自動拆垛機械手、備貨庫和監控系統等。監控系統負責各類設備的調度，使得各項業務能夠規范有序且高效地進行，并對各種設備的運行情況進行實時監控[3]。貨物以托盤為載體，按固定的數量和堆碼方式存儲在立庫中，當備貨庫貨物數量低于設定的臨界值時向監控系統發出要貨請求，監控系統根據貨物存放的位置、數量等信息，生成出庫任務并下發給相關設備。堆垛機根據任務信息將貨物叉取到立庫出口，然后監控系統調度環形穿梭車，將貨物運輸到對應的機械手拆垛工位，貨物經拆垛后進入備貨庫（圖1）。

圖1 主要流程

1.2 環形穿梭車配置

該物流配送中心立庫設置有18 列貨架，每列貨架對應一個出口，即立庫有18 個貨物出口（圖2）。一臺自動拆垛機械手有左、右2 個拆垛工位，4 臺機械手共有8 個拆垛工位，每個拆垛工位可以暫存2 盤貨物。立庫出口與機械手拆垛工位不存在固定的一一對應關系，而是多對多的關系，每個出口的貨物都可能被運輸到8 個拆垛工位的任何一個工位，屬于多站臺貨物運輸。

圖2 出庫環節設備布局

為滿足多站臺貨物運輸的需要，基于雙軌道環形穿梭車的特點，在立庫出口和拆垛工位之間設置了一套雙軌道環形穿梭車運輸系統，穿梭車驅動單元采用變頻調速，具有起動性能好、調速范圍寬、速度變化平滑、運行穩定，同時有完善的過壓、過流保護功能。環形穿梭車空載運行速度為1.5 m/s，荷載運行速度為1 m/s，沿軌道順時針方向單向運行，單臺環形穿梭車的設備運輸能力為30 盤/h，整個出庫環節最大出庫效率需求為117 盤/h，因此在環形穿梭車運輸系統中設置了4 臺穿梭車，理論出庫效率為120 盤/h，滿足貨物出庫的效率要求。

1.3 環形穿梭車的調度

穿梭車由監控系統負責調度，在沒有貨物運輸任務的情況下穿梭車處于空閑狀態，在軌道起點位置排隊等待調度，軌道起點位于立庫1 號出口左邊；當有貨物在立庫出口需要運輸時，監控系統根據設定的調度策略，安排穿梭車運輸任務。監控系統將貨物的任務信息寫入穿梭車，任務信息包括任務流水號、任務生成時間、貨物類別、貨物數量、立庫出口號、拆垛工位號等，接到運輸任務后，環形穿梭車控制系統自動解讀任務信息，并完成貨物的運輸。當出口的貨物調度穿梭車運輸后，該貨物標記為已調度，已調度的穿梭車在完成運輸任務前不能再次被調度。

2 距離優先調度策略

該物流配送中心在前期運行中，監控系統采用距離優先策略調度環形穿梭車。所謂距離優先策略，就是當多個立庫出口有待運輸的貨物，監控系統比較貨物所在出口與穿梭車起點位置的距離遠近，距離近的貨物優先安排穿梭車運輸。如圖2 所示，立庫1 號出口距穿梭車起點的位置最近，18 號出口距穿梭車起點的位置最遠，即立庫出口的編號值越大，到穿梭車起點的距離越遠。監控系統在調度時，只需要比較貨物出口編號的值大小，就能很快完成調度任務。

距離優先的環形穿梭車調度策略使用簡單，控制方便，易于實施，適用于出庫量不大，出庫時間比較分散的場合。由于該物流中心出庫量大，出庫時間比較集中，應用距離優先策略調度穿梭車時，穿梭車總是優先運輸編號較小的出口的貨物，存在以下3 個問題：①補貨的及時性不夠，由于急需的貨物出口距離較遠，得不到及時運輸，導致生產中斷；②容易出現穿梭車堵塞軌道的情況，在某工位貨物已滿的情況下，穿梭車運輸到該工位的貨物無法卸貨，只有停止在軌道上等待，導致軌道上的穿梭車堵塞；③設備利用率不夠高，因缺貨和穿梭車堵塞，導致原本有拆垛任務的機械手無貨可拆，機械手被迫處于空閑狀態，降低了機械手的利用率，堵塞同時也會降低環形穿梭車利用率，不能體現出環形穿梭車的優勢。

3 調度策略優化

3.1 原因分析

針對距離優先策略在實際運行過程中出現的問題，逐一進行了分析，主要有兩方面的原因：

（1）沒有考慮貨物運輸的緊急程度。在大量貨物同時出庫的情況下，編號值小的立庫出口連續不斷有貨物出來，距離優先策略單純按距離遠近安排運輸任務，忽略了對所需貨物緊急性的影響，不能滿足出庫峰值期間的貨物運輸需要。

（2）沒有考慮機械手拆垛工位的忙閑狀態。因每個拆垛工位只能暫存2 盤貨物，在拆垛工位已有2 盤貨物的情況下，運輸到該工位的貨物只能在軌道上等待卸貨，造成軌道上環形穿梭車堵塞。

3.2 優化后的調度策略

根據對距離優先調度策略存在問題的原因分析，使用一種帶有約束條件的排序調度策略，對穿梭車調度策略進行優化。即在調度時先對拆垛工位的忙閑狀態進行判斷，避免出現穿梭車在軌道堵塞的情況，然后對符合條件的任務按緊急程度進行排序，優先搬運急需的貨物。

監控系統調度穿梭車的具體流程如下（圖3）：

圖3 優化后的調度策略

（1）當有貨物需要調度環形穿梭車運輸，且有處于空閑狀態下的穿梭車時，監控系統查詢所有待出庫的任務。即根據備貨庫的要貨請求，已經生成出庫任務，但該任務還沒有調度穿梭車運輸，得到一個待出庫任務集合A。

（2）根據約束條件對集合A 內的任務進行篩選。約束條件有兩個，一是該任務的貨物已經到達立庫出口位置，二是該任務的貨物要去的拆垛工位有空閑工位，能夠接納貨物托盤。同時滿足兩個約束條件的任務留下，得到待運輸任務集合B。

（3）根據貨物的需要的緊急程序進行排序。在任務信息中，可以根據要貨時間來判斷所需貨物的緊急程序，要貨時間越早對貨物的需求越緊急，因此對所有待運輸任務按要貨時間先后進行排序，得到排序后的任務集合C。

（4）監控系統按照集合C 中任務的先后順序調度穿梭車。經過實踐，優化后的調度策略有效避免了拆垛機械手因補貨不及時造成的設備空閑，提高了機械手的利用率，同時也沒有再發生穿梭車因待卸貨在軌道上堵塞的情況，提高了穿梭車的利用率，從而提高補貨到備貨庫的及時性，避免因補貨不及時造成生產中斷的情況。

4 小結

環形穿梭車在貨物輸送方面的優勢比較明顯，在物流行業的應用逐漸增多。針對穿梭車使用過程中出現補貨不及時、穿梭車堵塞等問題，本文分析了問題產生的原因，有針對性地對環形穿梭車調度策略進行了優化，從只關注立庫出口與穿梭車起點的距離，轉變到綜合考慮貨物出庫任務信息的各方面，在實際應用中取得良好效果，提高了出庫效率，滿足了生產需要。