基于貨架分類布局影響的堆垛機作業模式合理化研究

任 征

（河南中煙工業有限公司，河南 鄭州 450000）

1 基于WCS系統的巷道式堆垛機作業模式

1.1 單一作業模式

單一作業模式即堆垛機僅完成存或取的單一作業，是指堆垛機僅執行入庫或者出庫的單一作業，常在WCS系統的優先級設置使用，該種情況下堆垛機調度的主要作用是保證貨物的及時出入庫，其流程如圖1所示[1]：

單一作業模式下堆垛機總是被一個作業所占用，只有某一項作業完成之后堆垛機才被釋放，當出入庫作業繁忙時，會影響倉庫作業效率。

1.2 復合作業模式

通常情況下，WCS系統的作業任務是大于一個的，若均按優先級設置，則堆垛機將一直被單一任務使用，降低堆垛機的利用率和倉庫作業效率。因此，在WCS系統中將各個出庫和入庫任務進行優化組合，即復合作業模式，其流程如圖2所示。

比較單一作業模式，當堆垛機面臨多條作業指令時可以進行將入出庫作業進行合理組合，縮短單一作業模式的整體作業時間，同時也可以解決當入出庫作業具有相同的優先級時，能夠實現同一批次作業，通過一個作業循環直接完成優先級相同的入庫和出庫作業。

圖1 單一作業模式判斷流程

圖2 復合作業調度流程圖

2 適應WCS系統的貨架布局模式

2.1 通道式貨架布局

通道式貨架布局的特點是通道兩端設置出入口，對于在存貨區兩端設立貨物入出庫口的倉庫較為方便，這樣倉庫內的貨物可以處于較高的流動狀態，而且實現了物流之間的相互獨立，入庫與出庫操作之間的相互制約較小。缺點是該種布局方式對倉庫面積需求較大，同時對進行作業輸送機器的數量要求也較高。通道式貨架布局的結構示意圖如圖3所示[2]。

2.2 死巷道式貨架布局

死巷道式貨架布局的特點是只有貨架的一端可以進出，此時倉庫的貨物入出庫口就設置在貨架的同一端，此種模式對倉庫面積要求相對較小，同時對進行輸送作業的設備數量也相對減小，使用效率也得到提升。但倉庫內無法實現物流作業的相對獨立，入出庫作業之間存在較大的相互制約。死巷道式貨架布局的結構示意圖如圖4所示。

入出庫臺分布在貨架兩側，考慮入庫貨位與出庫貨位，采用入出庫同時作業時，調度堆垛機時遵循巷道運行路徑不重疊或重疊最小的原則。對于死巷道式貨架布局的倉庫，可以采用對入庫申請和出庫申請分別排序的策略，執行時將第一個入庫作業與第一個出庫作業組合成一個聯合作業任務，盡量避免效率的損失。

圖3 通道式貨架布局

圖4 死巷道式貨架布局

3 堆垛機作業模式合理化測試

3.1 主要能力參數確定

以作業模式的平均單一作業循環時間和平均復合作業循環時間為衡量基準。其中，平均單一作業循環時間是指堆垛機從入出庫口出發到達某一指定貨格完成一次取貨作業或者存貨作業后返回出發點所用時間；平均復合作業循環時間是指堆垛機自入出庫口到達某一指定貨格完成存貨后又前往另一指定貨格完成取貨作業并返回入出庫口所用時間。

3.1.1 單一作業循環。單一作業循環時間分為三個時間段，第一個時間段是從入出庫口出發至指定存取貨位所用時間，記為t1；第二個時間段是堆垛機通過伸縮貨叉完成貨物上架或下架所用時間，記為t2；第三個時間段是取到貨物或者完成貨物存放之后回到入出庫口所用時間，記為t3。另外記堆垛機橫縱向運行速度分別為vx,vy,如圖5所示，如果橫縱向運行同時到達指定位置，那么就滿足y=(vy/vx)x。

圖5 單一作業循環示意圖

其中L和H分別代表貨架的長和高。而實現橫縱運行同時到達指定位置的制約因素除了橫縱運行速度外還有貨架的長度和高度，即有w=(H/L)/(vx/vy)。為了減少作業等待時間，就要根據堆垛機的橫縱運行速度調整貨架的長度和高度，盡量達到堆垛機進行作業時橫縱運行機構同時到達指定地點，也即盡量滿足w=1。

根據單一作業模式下堆垛機完成任務的方式，可以計算在單一作業循環作業模式下堆垛機完成一次任務量所需平均時間，計算公式如下：

式中，t表示堆垛機平均單一作業循環時間；

i表示貨架層數，范圍為1-m；

j表示貨架列數，范圍為1-m；

tij表示第i層第j列所對應的貨格距離入出庫臺的運行時間，也即到達貨格的橫縱運行中較長的時間值加上單次作業啟動和停止時間；

t啟表示堆垛機啟動達到行駛速度的時間；

t止表示堆垛機由運行速度轉為停止的時間；

tf表示堆垛機伸（縮）貨叉取放貨物所用時間；

t0表示堆垛機控制延遲時間，也可以稱為反應時間，是一個固定時間；

v運表示堆垛機的運行速度；

v升表示堆垛機縱向運行速度；

l表示單個貨格長度，等同于L m；

h表示單個貨格高度，等同于H n；

式（1）的含義即單一作業模式下堆垛機完成單個任務所需平均運行時間，為了簡化模型假定堆垛機伸縮貨叉的時間是對稱的，每一次調度堆垛機進行作業的啟動和停止所用時間也是固定的,那么堆垛機作業時啟動和停止的行走距離也是固定的，將其定義為S啟和S止，與t啟和t止是相對應的常量。

3.1.2 復合作業循環。這就要求堆垛機要以復合作業循環模式進行作業。復合作業的路徑如圖6所示。

圖6 堆垛機復合作業途徑

對比單一作業模式的作業途徑，堆垛機在進行聯合作業時，首先完成入庫任務，隨后經歷入庫任務與出庫任務貨位之間的一段空載距離，隨即完成出庫任務，一次作業循環可以完成一組入出庫任務。根據復合作業模式下堆垛機作業的模式和作業路徑，可以計算出堆垛機復合作業模式下完成一次任務量所需平均時間，計算公式如下：

式中，T表示堆垛機平均復合作業循環時間；

i與k表示貨架層數，范圍為1-m；

j與q表示貨架列數，范圍為1-n；

tij表示堆垛機從起始點到第i層第j列所對應的貨格的運行時間，擇橫縱運行時間較長的時間與啟動和停止時間的和；

tkq表示堆垛機從取貨貨位（第k行第q列對應的貨格）回到起始點的運行時間，擇橫縱運行時間較長的時間與啟動和停止時間的和；

TAB表示堆垛機由入庫貨位A（第i層第j列）到入庫貨位B（第k行第q列）所需運行時間，擇橫縱運行時間較長的時間與啟動和停止時間的和；

t啟表示堆垛機啟動達到行駛速度的時間；

t止表示堆垛機由運行速度轉為停止的時間；

tf表示堆垛機伸縮貨叉取放貨物所用時間；

t0表示堆垛機控制延遲時間，也可以稱為反應時間，是一個固定時間；

S啟表示堆垛機啟動達到運行速度過程中所運行距離；

S止表示堆垛機由運行速度降到停止過程中所運行距離；

v運表示堆垛機的運行速度；

v升表示堆垛機縱向運行速度；

l表示單個貨格長度，等同于L m；

h表示單個貨格高度，等同于H n；

N表示任務作業總量，等同于2(m×n)2；

式（3）表示在復合作業模式下堆垛機完成單次任務所需平均作業時間，因為在復合作業模式下一次作業循環完成兩個任務量，包含三次機器響應時間，因此單個任務量的機器響應時間為1.5次。復合作業中的前往存貨貨位與從存貨貨位返回的作業路徑可以交換，即上一次的存貨路徑可以作為這一次的返回路徑，前后存在路徑重疊，因此在總量計算時也是雙倍計算。

3.2 合理化驗證設計

3.2.1 實例參數。根據研究實例，現有倉庫貨架10排，貨架高度與長度均為15m，則視其貨格長寬規格為1.5m*1.5m，倉庫內設施相關變量值見表1。

表1 設備屬性表

經由計算得出堆垛機在單次作業循環模式下完成一次任務量的平均作業時間為19.79s，而復合作業模式下堆垛機完成一次任務量的平均作業時間為15.64s，平均作業時間優化近20.97%，可見復合作業模式對于提高庫內設備整體作業效率有很大作用。

3.2.2 作業模式的合理化實驗。

（1）死巷道式布局下作業模式的選擇。根據死巷道式的貨架布局特點，可知堆垛機在進行作業時的運行路徑分為以下情況，見表2：

表2 死巷道式作業模式流程對比表

根據表1提供的倉庫數據，先擬定100項存取平均的作業任務，即可由單一作業模式和復合作業模式下堆垛機的平均作業時間計算得出在死巷道式布局倉庫中單一作業模式與復合作業模式執行100項（存取任務平均）作業所消耗的時間分別為197.8s和156.4s，差值為43.5s。

因在死巷道式布局的倉庫中入出庫臺位于貨架的同一端，因此存儲作業與出庫作業之間的獨立性較弱，若存取作業數量相對平衡，那么采取復合作業模式無疑將會大幅度提高庫內作業效率，但當庫內存取作業數量懸殊較大時，單一作業模式的運行時間將顯著大于復合作業模式運行時間，嚴重影響庫內作業的效率。

（2）通道式布局下作業模式的選擇。根據通道式貨架布局的特點，可將堆垛機在進行作業時的運行路徑分為以下情況，見表3。

表3 通道式作業模式流程對比表

根據表1中提供的倉庫內設施參數值，以堆垛機在單一作業模式下和復合作業模式下的平均作業時間為基礎可計算出堆垛機在通道式布局倉庫中完成100項（存取任務平均）作業的單一模式作業時間和復合模式作業時間分別為197.9s和406.4s，差值為208.5s。由表3中的作業路徑可看出單一作業模式在通道式布局中因堆垛機所在起始位置不同或終止位置可選存在多條作業路徑，為使堆垛機空載調度（即堆垛機所在位置到任務起始位置之間的調度）的時間最短，單一作業模式下堆垛機的作業路徑應盡量保證上一項作業任務終止位置即下一項作業任務起始位置，最理想化即可以零空載調度完成作業任務。

4 結論

當庫內作業存取作業數量平衡的時候顯然并不適宜采用復合作業模式。但是當庫內存取作業數量懸殊較大時（取＞存），復合作業模式可與單一作業模式相結合為混合作業模式，如一組復合作業任務執行完畢后，堆垛機可直接由出庫臺出發執行取貨的單一作業。因此單一作業模式更有利于發揮出通道式布局的優點，尤其在存取任務極度不平衡時更為顯著。

[]

[1]黃金.自動化立體倉庫管理與控制系統的研究與開發[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學,2014.

[2]周奇才.基于現代物流的自動化立體倉庫系統（AS/RS）管理及控制技術研究[D].成都:西南交通大學,2002.