倉(cāng)儲(chǔ)物流中并行堆垛機(jī)的處理能力分析

蔣春艷 裘高飛 石繼兵 添玉

摘 要：現(xiàn)代物流倉(cāng)儲(chǔ)不斷依托于自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的存儲(chǔ)，如何利用有限的空間和成本提高自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的存儲(chǔ)能力已成為倉(cāng)儲(chǔ)部門面臨的重要難題。針對(duì)面向同一貨架的并行堆垛機(jī)的處理能力建立了數(shù)學(xué)模型，考慮堆垛機(jī)運(yùn)行原則以及復(fù)合循環(huán)作業(yè)調(diào)度等約束，通過(guò)數(shù)字驗(yàn)證得出并行堆垛機(jī)的出入庫(kù)處理效率理論上優(yōu)于普通單臺(tái)堆垛機(jī)，并證明并行堆垛機(jī)的提出能夠提高庫(kù)存周轉(zhuǎn)率，提出了并行堆垛機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展思路。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)；并行堆垛機(jī)；復(fù)合作業(yè)；效率分析

中圖分類號(hào)：F253.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dòng)中，倉(cāng)儲(chǔ)是物流的主要功能之一，物流中的倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)在現(xiàn)代服務(wù)行業(yè)中占有獨(dú)特地位，其發(fā)展對(duì)優(yōu)化物流與供應(yīng)鏈系統(tǒng)、轉(zhuǎn)變國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)方式、提高國(guó)民經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行質(zhì)量都具有重大意義[1]。目前，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，物流業(yè)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，這對(duì)物流的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)提出了更高的要求，單從技術(shù)上對(duì)高層貨架進(jìn)行縱向拓展顯然不滿足物流的成本效益原則[2]。

通過(guò)改變堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)，可以在較少設(shè)備投資的情況下減少作業(yè)時(shí)間、提高倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)行效率，這在實(shí)際應(yīng)用中具有十分重大的意義。在該問(wèn)題上，相關(guān)行業(yè)的研發(fā)人員從不同的角度提出了各自的方法，實(shí)現(xiàn)在有限空間內(nèi)提高存儲(chǔ)效率[3，5]。例如，橋式堆垛機(jī)的提出，具有橋架和回轉(zhuǎn)小車，貨架間需要的巷道寬度比叉車作業(yè)時(shí)所需要的小，可以服務(wù)于多條巷道。但是立柱高度的限制，橋式堆垛機(jī)的作業(yè)高度不能太高。進(jìn)而又提出了巷道式堆垛機(jī)，巷道式堆垛機(jī)是由叉車、橋式堆垛機(jī)演變而來(lái)的。橋式堆垛機(jī)由于橋架笨重因而運(yùn)行速度受到很大的限制，它僅適用于出入庫(kù)頻率不高或存放長(zhǎng)形原材料和笨重貨物的倉(cāng)庫(kù)。巷道堆垛機(jī)的主要用途是在高層貨架的巷道內(nèi)來(lái)回穿梭運(yùn)行，將位于巷道口的貨物存入貨格；或者，取出貨格內(nèi)的貨物運(yùn)送到巷道口，如今巷道式堆垛機(jī)已經(jīng)取代了橋式堆垛機(jī)。然而隨著物流行業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，巷道式堆垛機(jī)的處理能力不能滿足實(shí)際需求，改變堆垛機(jī)的運(yùn)行軌道成為一個(gè)突破口，環(huán)形軌道使得堆垛機(jī)可以服務(wù)于兩個(gè)貨架平面，該策略的提出的確有效提高了處理能力。

當(dāng)前自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的研究主要是針對(duì)單臺(tái)堆垛機(jī)的路徑優(yōu)化，但是部分企業(yè)已經(jīng)提出并研究并行堆垛機(jī)作業(yè)問(wèn)題和進(jìn)一步提高堆垛機(jī)作業(yè)效率。因此，本文主要分析并行堆垛機(jī)的處理能力，具體內(nèi)容為：根據(jù)更接近于實(shí)際情況的堆垛機(jī)復(fù)合作業(yè)模式進(jìn)行數(shù)學(xué)建模；考慮堆垛機(jī)出入庫(kù)計(jì)劃期作業(yè)任務(wù)序列優(yōu)化、儲(chǔ)位分配均衡、復(fù)合循環(huán)作業(yè)等原則，求解在單周期內(nèi)并行堆垛機(jī)的處理時(shí)間；對(duì)進(jìn)一步的改進(jìn)方案提出思路。

1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)與并行堆垛機(jī)

1.1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)由高層貨架，巷道堆垛起重機(jī)（有軌堆垛機(jī)）、入出庫(kù)輸送機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)及其周邊設(shè)備組成，可對(duì)集裝單元貨物實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化保管和計(jì)算機(jī)管理的倉(cāng)庫(kù)。倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)及自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)（Automatic Storage and Retrieval System，AS/RS）是支撐現(xiàn)代物流的基本環(huán)節(jié)，堆垛機(jī)的處理能力又很大程度上決定了AS的存儲(chǔ)能力。

堆垛機(jī)面向自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的貨架平面進(jìn)行存取作業(yè)，有三種作業(yè)模式：?jiǎn)沃噶钪芷冢炊讯鈾C(jī)單獨(dú)進(jìn)行一個(gè)任務(wù)的往返操作；雙指令周期，即將一個(gè)入庫(kù)任務(wù)和一個(gè)出庫(kù)任務(wù)進(jìn)行復(fù)合作業(yè)；混合模式，即根據(jù)實(shí)際任務(wù)部分作業(yè)采用單指令周期，另一部分采用雙指令周期。近年來(lái)，為滿足現(xiàn)代物流倉(cāng)儲(chǔ)面臨的高庫(kù)存周轉(zhuǎn)率需求，在堆垛機(jī)的技術(shù)改進(jìn)上已經(jīng)不斷創(chuàng)新，雙貨叉堆垛機(jī)通過(guò)在同一堆垛機(jī)上增加雙向貨叉，使得在窄巷道內(nèi)可以同時(shí)面向?qū)α⒌膬蓚€(gè)貨架面進(jìn)行存取作業(yè)；環(huán)形巷道式堆垛機(jī)在同一貨架周圍鋪設(shè)環(huán)形軌道，讓單臺(tái)堆垛機(jī)可以在同一貨架正反面進(jìn)行作業(yè)；除此之外，某些企業(yè)已經(jīng)思考并行堆垛機(jī)的設(shè)計(jì)。

1.2 并行堆垛機(jī)。并行堆垛機(jī)的最大特點(diǎn)是在立體倉(cāng)庫(kù)的單巷道中同時(shí)設(shè)置2×2臺(tái)堆垛機(jī)，以同步協(xié)調(diào)控制，使其在各自獨(dú)立的作業(yè)中互不干擾，堆垛機(jī)為兩層，巷道內(nèi)的4臺(tái)堆垛機(jī)同時(shí)作業(yè)，出入庫(kù)作業(yè)效率高于4臺(tái)普通堆垛機(jī)的效率；可以根據(jù)處理能力的不同，優(yōu)化堆垛機(jī)的同時(shí)運(yùn)行臺(tái)數(shù)和運(yùn)行速度，在一臺(tái)堆垛機(jī)減速時(shí)產(chǎn)生的電能傳輸給其他堆垛機(jī)使用，降低整體能耗；巷道內(nèi)的4臺(tái)堆垛機(jī)均可獨(dú)立進(jìn)行作業(yè)，因此系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)停運(yùn)現(xiàn)象，在單臺(tái)堆垛機(jī)檢修時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)仍可正常工作。接下來(lái)針對(duì)同時(shí)設(shè)置2×2臺(tái)堆垛機(jī)（如圖1）的處理能力進(jìn)行理論分析。

2 作業(yè)效率分析

巷道式堆垛機(jī)有兩種作業(yè)方式，單一循環(huán)作業(yè)（圖2）和復(fù)合循環(huán)作業(yè)（如圖3）。

2.1 參數(shù)設(shè)置

2.2 問(wèn)題分解。以普通巷道式堆垛機(jī)同樣的作業(yè)空間為研究對(duì)象，將2×2并行堆垛機(jī)首先分解為上下兩層（如圖4），由于上下兩層堆垛機(jī)作業(yè)不存在干擾，在作業(yè)分配均勻的情況下，面向同一貨架平面，效率較單臺(tái)巷道式堆垛機(jī)提高2倍。

分別再考慮上下各層增加一臺(tái)堆垛機(jī)，設(shè)計(jì)如圖5，該設(shè)計(jì)在堆垛機(jī)水平運(yùn)動(dòng)方向互相平行，不存在干擾，但是在垂直方向堆垛機(jī)的載貨臺(tái)之間有一定干涉，因此每一層的并行堆垛機(jī)會(huì)因垂直方向干涉而減速。假設(shè)將同層的兩臺(tái)堆垛機(jī)之間變換到對(duì)立的空間平面（如圖6），兩個(gè)作業(yè)任務(wù)分別為存貨A和取貨B，當(dāng)只有一臺(tái)堆垛機(jī)時(shí)S=2h+2×h=6.123h。

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

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中的并行堆垛機(jī)作業(yè)效率建立模型進(jìn)行理論分析，證明了2×2并行堆垛機(jī)的處理能力明顯優(yōu)于4臺(tái)普通堆垛機(jī)，以及并行機(jī)的實(shí)際應(yīng)用具有可行性。進(jìn)一步的研究可以根據(jù)實(shí)例數(shù)值模擬，仿真以及實(shí)物模型開發(fā)等方法，精確計(jì)算出并行堆垛機(jī)的實(shí)際處理能力。此外，為減少并行堆垛機(jī)作業(yè)時(shí)的干擾性，水平垂直方向的PLC協(xié)調(diào)控制技術(shù)至關(guān)重要；根據(jù)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的儲(chǔ)位分配均衡原則，復(fù)合作業(yè)原則及就近原則來(lái)優(yōu)化作業(yè)任務(wù)序列，也能有效提高并行堆垛機(jī)的出入庫(kù)效率。

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