倉儲物流中并行堆垛機的處理能力分析

蔣春艷 裘高飛 石繼兵 添玉

摘 要：現代物流倉儲不斷依托于自動化立體倉庫的存儲，如何利用有限的空間和成本提高自動化立體倉庫的存儲能力已成為倉儲部門面臨的重要難題。針對面向同一貨架的并行堆垛機的處理能力建立了數學模型，考慮堆垛機運行原則以及復合循環作業調度等約束，通過數字驗證得出并行堆垛機的出入庫處理效率理論上優于普通單臺堆垛機，并證明并行堆垛機的提出能夠提高庫存周轉率，提出了并行堆垛機的進一步發展思路。

關鍵詞：自動化立體倉庫；并行堆垛機；復合作業；效率分析

中圖分類號：F253.9 文獻標識碼：A

Abstract： Modern logistics warehousing on automated storage system， how to use limited space and higher costs of automation storage capacity has become the important problem of the storage department. On the same shelf oriented parallel stacking machine processing capacity has established the mathematical model， considering stacker operating principle as well as job scheduling and composite cycle constraints， educed through digital parallel loading and unloading processing efficiency of stacker is superior to the ordinary single stacker in theory， and proved that the parallel stacking machine is put forward to improve inventory turns， put forward the further development of parallel stacker.

Key words： automated storage system； parallel stacker； composite homework； efficiency analysis

0 引 言

在物流活動中，倉儲是物流的主要功能之一，物流中的倉儲業在現代服務行業中占有獨特地位，其發展對優化物流與供應鏈系統、轉變國民經濟的增長方式、提高國民經濟的運行質量都具有重大意義[1]。目前，隨著互聯網技術的發展和應用，物流業得到突飛猛進的發展，這對物流的自動化立體倉庫存儲提出了更高的要求，單從技術上對高層貨架進行縱向拓展顯然不滿足物流的成本效益原則[2]。

通過改變堆垛機的結構，可以在較少設備投資的情況下減少作業時間、提高倉庫的運行效率，這在實際應用中具有十分重大的意義。在該問題上，相關行業的研發人員從不同的角度提出了各自的方法，實現在有限空間內提高存儲效率[3，5]。例如，橋式堆垛機的提出，具有橋架和回轉小車，貨架間需要的巷道寬度比叉車作業時所需要的小，可以服務于多條巷道。但是立柱高度的限制，橋式堆垛機的作業高度不能太高。進而又提出了巷道式堆垛機，巷道式堆垛機是由叉車、橋式堆垛機演變而來的。橋式堆垛機由于橋架笨重因而運行速度受到很大的限制，它僅適用于出入庫頻率不高或存放長形原材料和笨重貨物的倉庫。巷道堆垛機的主要用途是在高層貨架的巷道內來回穿梭運行，將位于巷道口的貨物存入貨格；或者，取出貨格內的貨物運送到巷道口，如今巷道式堆垛機已經取代了橋式堆垛機。然而隨著物流行業突飛猛進的發展，巷道式堆垛機的處理能力不能滿足實際需求，改變堆垛機的運行軌道成為一個突破口，環形軌道使得堆垛機可以服務于兩個貨架平面，該策略的提出的確有效提高了處理能力。

當前自動化立體倉庫的研究主要是針對單臺堆垛機的路徑優化，但是部分企業已經提出并研究并行堆垛機作業問題和進一步提高堆垛機作業效率。因此，本文主要分析并行堆垛機的處理能力，具體內容為：根據更接近于實際情況的堆垛機復合作業模式進行數學建模；考慮堆垛機出入庫計劃期作業任務序列優化、儲位分配均衡、復合循環作業等原則，求解在單周期內并行堆垛機的處理時間；對進一步的改進方案提出思路。

1 自動化立體倉庫與并行堆垛機

1.1 自動化立體倉庫。自動化立體倉庫由高層貨架，巷道堆垛起重機（有軌堆垛機）、入出庫輸送機系統、自動化控制系統、計算機倉庫管理系統及其周邊設備組成，可對集裝單元貨物實現自動化保管和計算機管理的倉庫。倉儲技術及自動化立體倉庫（Automatic Storage and Retrieval System，AS/RS）是支撐現代物流的基本環節，堆垛機的處理能力又很大程度上決定了AS的存儲能力。

堆垛機面向自動化立體倉庫的貨架平面進行存取作業，有三種作業模式：單指令周期，即堆垛機單獨進行一個任務的往返操作；雙指令周期，即將一個入庫任務和一個出庫任務進行復合作業；混合模式，即根據實際任務部分作業采用單指令周期，另一部分采用雙指令周期。近年來，為滿足現代物流倉儲面臨的高庫存周轉率需求，在堆垛機的技術改進上已經不斷創新，雙貨叉堆垛機通過在同一堆垛機上增加雙向貨叉，使得在窄巷道內可以同時面向對立的兩個貨架面進行存取作業；環形巷道式堆垛機在同一貨架周圍鋪設環形軌道，讓單臺堆垛機可以在同一貨架正反面進行作業；除此之外，某些企業已經思考并行堆垛機的設計。

1.2 并行堆垛機。并行堆垛機的最大特點是在立體倉庫的單巷道中同時設置2×2臺堆垛機，以同步協調控制，使其在各自獨立的作業中互不干擾，堆垛機為兩層，巷道內的4臺堆垛機同時作業，出入庫作業效率高于4臺普通堆垛機的效率；可以根據處理能力的不同，優化堆垛機的同時運行臺數和運行速度，在一臺堆垛機減速時產生的電能傳輸給其他堆垛機使用，降低整體能耗；巷道內的4臺堆垛機均可獨立進行作業，因此系統不會出現停運現象，在單臺堆垛機檢修時，整個系統仍可正常工作。接下來針對同時設置2×2臺堆垛機（如圖1）的處理能力進行理論分析。

2 作業效率分析

巷道式堆垛機有兩種作業方式，單一循環作業（圖2）和復合循環作業（如圖3）。

2.1 參數設置

2.2 問題分解。以普通巷道式堆垛機同樣的作業空間為研究對象，將2×2并行堆垛機首先分解為上下兩層（如圖4），由于上下兩層堆垛機作業不存在干擾，在作業分配均勻的情況下，面向同一貨架平面，效率較單臺巷道式堆垛機提高2倍。

分別再考慮上下各層增加一臺堆垛機，設計如圖5，該設計在堆垛機水平運動方向互相平行，不存在干擾，但是在垂直方向堆垛機的載貨臺之間有一定干涉，因此每一層的并行堆垛機會因垂直方向干涉而減速。假設將同層的兩臺堆垛機之間變換到對立的空間平面（如圖6），兩個作業任務分別為存貨A和取貨B，當只有一臺堆垛機時S=2h+2×h=6.123h。

由公式（5）明顯得出，一層并行堆垛機的處理能力是單臺堆垛機的2.53倍，則本文開始提出2×2并行堆垛機的處理能力可以達到5.06倍。

3 結 論

通過對自動化立體倉庫中的并行堆垛機作業效率建立模型進行理論分析，證明了2×2并行堆垛機的處理能力明顯優于4臺普通堆垛機，以及并行機的實際應用具有可行性。進一步的研究可以根據實例數值模擬，仿真以及實物模型開發等方法，精確計算出并行堆垛機的實際處理能力。此外，為減少并行堆垛機作業時的干擾性，水平垂直方向的PLC協調控制技術至關重要；根據自動化立體倉庫的儲位分配均衡原則，復合作業原則及就近原則來優化作業任務序列，也能有效提高并行堆垛機的出入庫效率。

參考文獻：

[1] 翟壘壘. 智能化轉型下我國制造業倉儲物流發展策略研究[J]. 中國物流與采購，2015（4）：70-71.

[2] 周翔. 建設自動化立體倉庫的經濟性分析[D]. 北京：北京交通大學（碩士學位論文），2007.

[3] 嚴云中，孫小明，潘爾順. 立體倉庫庫位號與堆垛機運作效率關系的探討[J]. 工業工程與管理，2000，5（6）：29-33.

[4] 鄭玉巧，黃建龍，趙榮珍，等. 基于有限元分析的單立柱堆垛機結構優化與改進[J]. 組合機床與自動化加工技術，2010（9）：83-85.

[5] 劉增曉，馮占營，吳建，等. 揀選式自動化倉庫堆垛機作業路徑簡易優化算法[J]. 起重運輸機械，2006（8）：49-51.