一種新型智能倉(cāng)庫(kù)的研究

張 銘，張?zhí)祉槪瑥?冰，徐偉誠(chéng)，魯紹坤

ZHANG Ming1, ZHANG Tian-shun1, ZHANG Bing1, XU Wei-cheng1, LU Shao-kun2

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 大數(shù)據(jù)學(xué)院，云南 650201）

0 引言

近幾年，機(jī)械行業(yè)一直在不斷的向自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，在生產(chǎn)制造和加工等方面其自動(dòng)化、智能化已達(dá)到很高的水平，自動(dòng)化和智能化已經(jīng)成為了機(jī)械行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。而隨著智能倉(cāng)儲(chǔ)的興起，各種智能倉(cāng)庫(kù)紛紛涌現(xiàn)。所謂智能倉(cāng)庫(kù)是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動(dòng)互聯(lián)等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)體系智能化、集約化管理的智能型倉(cāng)庫(kù)[1]。

但是目前的倉(cāng)庫(kù)在空間布局上仍然屬于傳統(tǒng)的倉(cāng)庫(kù)形式，有一定的局限性，其空間利用率有待提高，若倉(cāng)庫(kù)離生產(chǎn)、包裝車(chē)間較遠(yuǎn)，則貨物運(yùn)輸需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，貨物損壞的幾率會(huì)很大。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于智能倉(cāng)庫(kù)的研究主要是在倉(cāng)庫(kù)的管理，倉(cāng)庫(kù)內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與調(diào)控以及倉(cāng)庫(kù)的輸送的方面，吳強(qiáng)等人[2]開(kāi)發(fā)的工業(yè)園區(qū)生產(chǎn)物流聯(lián)動(dòng)智能管理系統(tǒng)運(yùn)用了RFID等先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；劉建華等人[3]用勢(shì)場(chǎng)蟻群算法對(duì)運(yùn)輸機(jī)器人的路徑進(jìn)行規(guī)劃；李小笠等人[4]研究的嵌套分區(qū)算法對(duì)堆垛機(jī)的作業(yè)路徑進(jìn)行了優(yōu)化；田世海等人[5]通過(guò)構(gòu)建智能倉(cāng)庫(kù)出入庫(kù)系統(tǒng)復(fù)合作業(yè)周期模型和OOTPN模型，對(duì)出入庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。國(guó)內(nèi)的大型企業(yè)中天貓超市、菜鳥(niǎo)、蘇寧等物流企業(yè)的智能倉(cāng)庫(kù)在中國(guó)處于領(lǐng)先水平，在國(guó)外Autostore等企業(yè)的智能倉(cāng)庫(kù)技術(shù)的也非常成熟。如今的智能倉(cāng)庫(kù)的貨架結(jié)構(gòu)、堆垛技術(shù)、運(yùn)輸?shù)确矫嬉呀?jīng)發(fā)生了巨大的改變，智能化的倉(cāng)庫(kù)給我們的生活帶來(lái)了非常重要的影響。

雖然智能倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展十分迅速，在自動(dòng)化的運(yùn)輸、堆垛以及管理方面有很大的提高，但是土地價(jià)格的不斷提高，倉(cāng)庫(kù)空間大小受到很大的限制，這就導(dǎo)致了貨物存放的數(shù)量無(wú)法太大，同時(shí)，一些企業(yè)的倉(cāng)庫(kù)和生產(chǎn)、包裝車(chē)間之間距離較遠(yuǎn)，在物料的運(yùn)輸中會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間，貨物在運(yùn)輸時(shí)損傷的概率很大[6]，因此需要對(duì)倉(cāng)庫(kù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的布局從而增強(qiáng)空間的利用率，在有限的空間內(nèi)盡可能多的存放貨物，同時(shí)提高貨物運(yùn)輸?shù)男剩档臀锲窊p壞率，從而增強(qiáng)倉(cāng)庫(kù)的管理效率，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 倉(cāng)庫(kù)的結(jié)構(gòu)

1.1 倉(cāng)庫(kù)的布局

新型智能倉(cāng)庫(kù)和傳統(tǒng)的倉(cāng)庫(kù)在結(jié)構(gòu)布局上有很大的不同，首先，一些工廠倉(cāng)庫(kù)的建設(shè)離生產(chǎn)、包裝車(chē)間都有一定的距離，在一些兩者相隔很遠(yuǎn)的情況下，貨物的運(yùn)輸會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間以及金錢(qián)，同時(shí)貨物的損壞率也會(huì)隨著路程的增加而提高。其次，一般的倉(cāng)庫(kù)都有巷道來(lái)方便堆垛設(shè)備以及運(yùn)輸設(shè)備的通行，這在一定的程度上也占用了倉(cāng)庫(kù)不少的空間，空間利用率與貨物提取效率不高。因此，針對(duì)以上的問(wèn)題設(shè)計(jì)出了一個(gè)新型的倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)形式。

為了方便倉(cāng)庫(kù)與生產(chǎn)車(chē)間之間的運(yùn)輸，并且考慮到占地面積及成本，將倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)在生產(chǎn)車(chē)間上方，倉(cāng)庫(kù)的形狀可以根據(jù)車(chē)間的形狀而改變，大大提高了空間利用率，所需的貨物可以順著專門(mén)的通道直接輸送到下方車(chē)間內(nèi)的生產(chǎn)人員身邊，方便生產(chǎn)的進(jìn)行，降低物品損壞率，節(jié)省了運(yùn)輸?shù)某杀荆瑫r(shí)還提高了生產(chǎn)效率。

在倉(cāng)庫(kù)的布局方面，去掉了傳統(tǒng)倉(cāng)庫(kù)中的巷道，所有的貨物通過(guò)貨架相互堆疊在一起，貨物與貨物之間，規(guī)律的布置了垂直運(yùn)輸通道，從貨架頂部向下看，貨架一行中每隔三個(gè)貨位就有一個(gè)垂直運(yùn)輸通道，同時(shí)一列中每隔一個(gè)貨位就有一個(gè)垂直運(yùn)輸通道，因其布置的特殊，此倉(cāng)庫(kù)行數(shù)與列數(shù)必須為奇數(shù)（3，5，7，…）。運(yùn)輸通道中設(shè)有鏈條傳動(dòng)裝置從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)器人在運(yùn)輸通道內(nèi)上下通行。

貨物通過(guò)進(jìn)庫(kù)的輸送帶輸送到智能運(yùn)輸機(jī)器人上，運(yùn)輸機(jī)器人進(jìn)入貨架下方運(yùn)行到相應(yīng)的運(yùn)輸通道內(nèi)，然后機(jī)器人底部的小輪縮進(jìn)后進(jìn)入運(yùn)輸通道，通過(guò)鏈條上行至相應(yīng)的貨位處，最后將貨物存儲(chǔ)在貨位上，圖1為倉(cāng)庫(kù)整體圖，圖2為倉(cāng)庫(kù)貨架的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 倉(cāng)庫(kù)整體圖

圖2 貨架的結(jié)構(gòu)

1.2 倉(cāng)庫(kù)的優(yōu)勢(shì)

相較于傳統(tǒng)倉(cāng)庫(kù)的布局，新型智能倉(cāng)庫(kù)是封閉式的，倉(cāng)庫(kù)內(nèi)只有運(yùn)輸機(jī)器人可以在里面運(yùn)行，不設(shè)置人工通道，同時(shí)，運(yùn)輸機(jī)器人小巧的特性使得它們?cè)趥}(cāng)庫(kù)內(nèi)運(yùn)行時(shí)不占用太多的空間，因此這種智能倉(cāng)庫(kù)的空間利用率更高。以下將新型智能倉(cāng)庫(kù)與傳統(tǒng)的倉(cāng)庫(kù)形式做了一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)比：

新型智能倉(cāng)庫(kù)，普通倉(cāng)庫(kù)1和普通倉(cāng)庫(kù)2的平面布置圖如圖3所示，其中新型智能倉(cāng)庫(kù)的布置平面圖中畫(huà)十字部分表示運(yùn)輸通道，貨架空白部分表示為貨位，貨位的大小由存放的物料決定，下圖貨位設(shè)定為1m×1m×1m，貨架周?chē)挥泻苌俚亩嘤嗫臻g，貨架幾乎占滿倉(cāng)庫(kù)整個(gè)空間；普通倉(cāng)庫(kù)1中貨架占倉(cāng)庫(kù)空間的56.6%左右；普通倉(cāng)庫(kù)2中貨架占倉(cāng)庫(kù)空間的55.4%左右，實(shí)際情況不同的倉(cāng)庫(kù)中貨架占據(jù)空間比會(huì)有上下浮動(dòng)。

圖3 三種倉(cāng)庫(kù)布置平面圖

表1是新型智能倉(cāng)庫(kù)與普通智能倉(cāng)庫(kù)布局的對(duì)比。

表1 新型智能倉(cāng)庫(kù)與普通智能倉(cāng)庫(kù)布局的對(duì)比

1）本次對(duì)比將倉(cāng)庫(kù)空間按照正方形貨位大小等分的劃為數(shù)格空間。

2）取貨比：表示一個(gè)空位所對(duì)應(yīng)四周貨位的比率，可以反映機(jī)器人在相同位置能取到多少貨物。

3）貨架空間利用率=貨位數(shù)/總格數(shù)。

4）倉(cāng)庫(kù)空間利用率=貨位面積/倉(cāng)庫(kù)總面積。

5）三種倉(cāng)庫(kù)的貨位大小相同，整體高度相同。

可以發(fā)現(xiàn)新型智能倉(cāng)庫(kù)相比于目前應(yīng)用廣泛的倉(cāng)庫(kù)，在結(jié)構(gòu)上更加緊湊，空間利用效率更高，存放的貨物更多。由于新型智能倉(cāng)庫(kù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，堆垛運(yùn)輸機(jī)器人更加簡(jiǎn)單小巧，成本更低。

1.3 識(shí)別系統(tǒng)

識(shí)別系統(tǒng)是智能倉(cāng)儲(chǔ)中很重要的一部分，倉(cāng)庫(kù)的自動(dòng)化、智能化都是建立在識(shí)別系統(tǒng)上，通過(guò)識(shí)別裝置檢測(cè)到貨物信息，然后傳遞給管理系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)的自動(dòng)化管理。

新型智能倉(cāng)庫(kù)采用的識(shí)別系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的RFID（無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)）。RFID是一種無(wú)線通信技術(shù)，通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別相應(yīng)的目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，這種技術(shù)不需要識(shí)別裝置與特定目標(biāo)之間進(jìn)行物理接觸或者光學(xué)接觸，因此相比于普通的二維碼、條形碼等具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。RFID的主要特點(diǎn)有：1）穿透性強(qiáng)；2）能夠快速掃描；3）數(shù)據(jù)容量大；4）體積小型化，形狀多樣化；5）可重復(fù)使用；6）使用壽命長(zhǎng)[7]。圖4為RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 RFID系統(tǒng)

1.4 輸送系統(tǒng)

1.4.1 輸送裝置的選擇

新型智能倉(cāng)庫(kù)所采用的輸送系統(tǒng)為智能運(yùn)輸機(jī)器人以及輸送帶，運(yùn)輸機(jī)器人可以在貨架上行走，同時(shí)可以通過(guò)鏈條傳動(dòng)裝置在運(yùn)輸通道中運(yùn)行，運(yùn)輸機(jī)器人通過(guò)旋轉(zhuǎn)輸送帶完成對(duì)四個(gè)貨位的放料和取料。

在選擇使用何種輸輸裝置時(shí)，考慮到新型智能倉(cāng)庫(kù)是在車(chē)間上方，并且倉(cāng)庫(kù)與車(chē)間之間空間不大，因此傳統(tǒng)的叉車(chē)無(wú)法完成工作，同時(shí)智能運(yùn)輸機(jī)器人的自動(dòng)化程度更高，體積更小巧，管理員可以通過(guò)無(wú)線電輕松的控制所有的運(yùn)輸機(jī)器人。運(yùn)輸機(jī)器人通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的最佳路徑以及感應(yīng)器來(lái)規(guī)避其他的運(yùn)輸機(jī)器人，自動(dòng)的完成貨物的進(jìn)庫(kù)與出庫(kù)工作。圖5為運(yùn)輸機(jī)器人示意圖。

圖5 運(yùn)輸機(jī)器人

1.4.2 路徑規(guī)劃

智能倉(cāng)儲(chǔ)中的路徑規(guī)劃是十分重要的，這涉及到多機(jī)器人任務(wù)分配問(wèn)題，多機(jī)器人任務(wù)分配的好壞將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率[8]。因此設(shè)計(jì)一個(gè)好的算法，使得運(yùn)輸機(jī)器人在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)流暢的運(yùn)行是十分重要的，它可以幫助倉(cāng)庫(kù)管理員更好地管理倉(cāng)庫(kù)，節(jié)省大量的時(shí)間，使倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)行變得井然有序。

新型智能倉(cāng)庫(kù)采用的是拍賣(mài)算法對(duì)運(yùn)輸機(jī)器人的路徑進(jìn)行規(guī)劃。拍賣(mài)算法是基于合同網(wǎng)協(xié)議而建立市場(chǎng)機(jī)制方法，其交互情形簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方式可自動(dòng)化。拍賣(mài)算法的任務(wù)分配形式如下：

1）任務(wù)發(fā)布。

2）系統(tǒng)進(jìn)行投標(biāo)。

3）所有機(jī)器人根據(jù)自身的執(zhí)行指定任務(wù)的適合度進(jìn)行競(jìng)標(biāo)。

4）系統(tǒng)判斷將任務(wù)分配給哪個(gè)機(jī)器人。

5）機(jī)器人與發(fā)布任務(wù)者建立合同，并完成任務(wù)。

新型智能倉(cāng)庫(kù)中，貨物在進(jìn)出倉(cāng)庫(kù)時(shí)向系統(tǒng)發(fā)布任務(wù)，每個(gè)運(yùn)輸機(jī)器人可以通過(guò)自身的任務(wù)需求與離貨物距離的遠(yuǎn)近程度進(jìn)行競(jìng)標(biāo)，系統(tǒng)通過(guò)判斷競(jìng)標(biāo)機(jī)器人的情況來(lái)確定哪一個(gè)運(yùn)輸機(jī)器人競(jìng)標(biāo)成功，然后系統(tǒng)發(fā)送任務(wù)授權(quán)合同，運(yùn)輸機(jī)器人與貨物完成合同的建立。如圖6為拍賣(mài)算法流程示意圖。

圖6 拍賣(mài)算法流程圖

在多臺(tái)運(yùn)輸機(jī)器人即將相碰的時(shí)候，運(yùn)輸機(jī)器人上的傳感器會(huì)事先發(fā)出信號(hào)給終端系統(tǒng)，系統(tǒng)則根據(jù)各機(jī)器人運(yùn)輸?shù)呢浳锏倪\(yùn)輸次序以及此貨物是進(jìn)庫(kù)還是出庫(kù)（出庫(kù)的優(yōu)先級(jí)比進(jìn)庫(kù)高）來(lái)判斷哪個(gè)運(yùn)輸機(jī)器人先行。

1.5 系統(tǒng)報(bào)警裝置

每個(gè)系統(tǒng)都會(huì)有發(fā)生故障的時(shí)候，在發(fā)生故障時(shí)要做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，新型智能倉(cāng)庫(kù)的故障報(bào)警系統(tǒng)會(huì)在故障發(fā)生時(shí)，設(shè)定系統(tǒng)應(yīng)該如何做出反應(yīng)。

新型智能倉(cāng)庫(kù)的輸送帶周?chē)鷷?huì)安裝監(jiān)控器，這些監(jiān)控器會(huì)實(shí)時(shí)的將輸送帶的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送給倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)，管理員隨時(shí)可以在操作系統(tǒng)上查看輸送帶的運(yùn)動(dòng)信

【】【】息，一旦輸送帶發(fā)生故障或者運(yùn)動(dòng)發(fā)生錯(cuò)誤，管理員就可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并做出相應(yīng)的處理[10]。同時(shí)在每個(gè)智能運(yùn)輸機(jī)器人上裝有故障檢測(cè)器，當(dāng)該機(jī)器人發(fā)生故障時(shí)，便立刻向系統(tǒng)報(bào)警，該機(jī)器人停止工作，同時(shí)其他的運(yùn)輸機(jī)器人來(lái)代替該機(jī)器人完成相應(yīng)的工作，因此即使一兩個(gè)機(jī)器人發(fā)生故障，該系統(tǒng)也可以正常完成工作。在貨物出庫(kù)時(shí)，如果運(yùn)輸機(jī)器人到達(dá)相應(yīng)的貨位后未檢測(cè)要出庫(kù)的貨物，則會(huì)告知系統(tǒng)，同時(shí)運(yùn)送下一個(gè)貨物，而錯(cuò)誤信息則由管理員通過(guò)系統(tǒng)來(lái)排查糾正。

2 應(yīng)用前景

隨著智能化趨勢(shì)的不斷發(fā)展，隨著各式各樣智能化產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始注意到智能倉(cāng)儲(chǔ)的價(jià)值，傳統(tǒng)的倉(cāng)庫(kù)管理已經(jīng)無(wú)法滿足企業(yè)的需求，智能倉(cāng)庫(kù)可以為企業(yè)提供更科學(xué)、更高效、更精確地管理。

新型智能倉(cāng)庫(kù)不僅能夠節(jié)省人力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，管理變得數(shù)據(jù)化、系統(tǒng)化，不會(huì)出現(xiàn)人工管理時(shí)的賬目與實(shí)際貨物不相符的情況，而且空間利用率上有顯著的提高，通過(guò)智能倉(cāng)庫(kù)與地面生產(chǎn)車(chē)間的直接相連，極大的提高了貨物的運(yùn)輸效率，降低了物品損壞率，節(jié)省了運(yùn)輸成本，同時(shí)還使得生產(chǎn)工作效率得到顯著提升。因?yàn)閭}(cāng)庫(kù)的貨物基本是互相堆疊在一起，中間通過(guò)少量的運(yùn)輸通道進(jìn)行貨物的運(yùn)輸，使得整個(gè)倉(cāng)庫(kù)的存放能力得到很大的提升，空間利用率和貨物提取效率都變得更高。多臺(tái)運(yùn)輸機(jī)器人同時(shí)工作，即使一臺(tái)機(jī)器人需要維護(hù)，其他的機(jī)器人也可以正常的完成工作，系統(tǒng)的容錯(cuò)率很高。同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)的使用使得管理員可以通過(guò)系統(tǒng)高效快捷的處理各種情況，輕松方便的管理倉(cāng)庫(kù)。應(yīng)用智能倉(cāng)庫(kù)，可以為企業(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著科技的不斷進(jìn)步，倉(cāng)庫(kù)一定會(huì)變得更加自動(dòng)化、智能化，我們的生活也會(huì)因?yàn)橹悄芑瘋}(cāng)庫(kù)的發(fā)展而發(fā)生巨大的改變。

3 結(jié)論

新型智能倉(cāng)庫(kù)的創(chuàng)新之處在于倉(cāng)庫(kù)的結(jié)構(gòu)以及布局，通過(guò)將倉(cāng)庫(kù)設(shè)置在車(chē)間上方，不僅提高的貨物的運(yùn)送效率，降低貨物運(yùn)輸時(shí)的損傷率，還提升了生產(chǎn)包裝的效率；同時(shí)倉(cāng)庫(kù)的布局，貨架的結(jié)構(gòu)，使得倉(cāng)庫(kù)的空間利用率更高，存放的貨物更多，貨物的提取效率也更高。同時(shí)結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)RFID（無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)），使得倉(cāng)庫(kù)的智能化水平更高，管理更加精確、便捷。

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