基于升降機-梭車自動化立體倉庫的船舶艙室物流系統設計與仿真

張 媛，胡玉龍，陳 思，周 強

（1.武漢理工大學，湖北 武漢 430063；2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430063）

0 引言

隨著我國海洋科考與深海勘探事業的飛速發展，對于在海洋中作業的專用運輸船的要求越來越高。由于貨物形狀特殊以及海上運輸環境復雜等因素[1]，目前具有貨物搭載與出庫功能的專用運輸船舶的件貨艙室，件貨存放方式為平鋪存放，并采用人工操作的橋式起重機進行出庫運輸，造成艙室貨物搭載數量少、出庫效率低，越來越不能適應日益增長的海運需求。隨著船舶自動化程度的提高，亟需運用自動化設施設備實現船舶艙室物流系統的自動化，以提升艙室的物流性能[2]。

針對船舶艙室載物存儲空間利用率低的問題，考慮設計專用的存儲立體式貨架[3-4]，能有效提高艙室的空間率和載物的搭載數量；對于船舶載物出庫效率低的問題，考慮采用自動化立體倉庫的自動存取運輸設備[5-6]，通過設計自動化轉運工藝和規劃出庫調度策略[7-9]來提升船舶艙室載物轉運系統的自動化程度，保證艙室載物出庫安全、高效的進行。

結合立體倉儲技術，本文提出了一種新型的自動化立體倉庫式船舶艙室物流系統，通過仿真試驗對轉運出庫的調度策略及設備運行參數進行了深入研究，以提高船舶艙室的出庫效率、自動化程度，同時填補了自動化立體倉儲領域對海上貨物自動存儲、出庫工藝的空白，對促進我國海洋勘探及遠洋運輸的發展具有重大的戰略意義。

1 船舶艙室系統

船舶艙室由艙內物流系統和艙室底部的出庫口組成。艙內物流系統是整個海上專用船舶至關重要的組成部分，主要負責載物從艙室存儲區到出庫部位的空間轉移。船舶艙室系統的工藝流程、結構可靠性及自動化程度直接影響到船舶載物運輸的作業性能。

船舶艙室自動化立體倉庫的艙室空間長100m，寬22m，高7.5m；出庫部位位于艙室底部，長16m，寬6m，艙室空間示意圖如圖1所示。

圖1 艙室空間示意圖

其中貨物規格主要分為兩種：載物一長：3.62m，直徑0.85m，重1.35t；載物二：長11.8m，寬2.13m，高2.18m，重22t。為保證船舶的平衡，載物調度過程中橫向對中心線力矩不超過220t·m，縱向對中心線力矩不超過2 400t·m。

2 升降機-梭車自動化船舶艙室物流系統總體設計

自動化倉庫常利用貨架配合巷道堆垛機，實現種類繁多、大批量貨物的存儲、搬運，但巷道堆垛機的貨叉最多能伸進雙深貨位。由于本次設計搭載貨物的種類少、搭載數量大以及艙室的空間有限，考慮到子穿梭車可離開母車進入多深貨位，且具有速度快、精度高的特點，因此采用子母穿梭車和垂直升降機代替巷道堆垛機，設計一套運用升降機、子母穿梭車、出庫梭車作為運輸設備的艙室工藝轉運系統。

為滿足艙室載物布置數量以及艙室力矩平衡要求，考慮兩種載物各自的尺寸和規格特點，載物一體積小、自重輕、數量多，出庫頻率高，適合放在貨架上，存放位置布置在出庫口周圍；載物二體積大、自重重、數量少，出庫頻率低，因此單層貨架存放，平鋪在艙室左右兩端。

2.1 設備選型與技術參數

（1）升降機選型。升降機是在垂直通道上進行人或貨物升降的設備或機械。導軌鏈條式液壓升降貨梯是一種非剪叉式液壓升降貨梯，具有載重量大、升降平穩、速度快、能實現智能控制等特點，是廣泛應用于自動化立體倉庫中貨物垂直運輸的設備。設計升降機配合穿梭子車用于載物一的垂直運輸，升降機尺寸4 200*1 200*6 300mm，運載量不低于2.0t，運行行程0-4.6m，升降速度25m/min。

（2）子母梭車選型。子母穿梭車由穿梭子車、穿梭母車及其行走軌道構成。穿梭車是一種用于自動化物流系統中的智能型搬運設備，具有動態移載的特點。在電控系統控制下，精確定位于各個輸入、輸出工位，接收貨物后進行往復運輸，主要應用于自動化物流系統中單元貨物高速、高效的平面自動運輸，具有高度的自動化和靈活性。

梭車軌道設計為凹型或L 型，梭車車輪設置輪緣，梭車靠近軌道側設計導向輪以防止船舶搖晃時梭車滑出梭車運行軌道；梭車上設計載物的固定防滑裝置，防止載物運輸時滑出梭車，使梭車船舶搖晃時仍能進行自動化作業。

本方案中，載物一：子母穿梭車，載物二：子母穿梭車，分別用于載物一、載物二的水平運輸，具體技術參數見表1。

表1 子母梭車技術參數

（3）出庫梭車選型。出庫梭車是一種無線穿梭車，即獨立運行的穿梭子車，由電池提供能源，可進入升降機的升降平臺，實現升降機與出庫點間載物一的水平往返運輸。采用直軌內行穿梭車，梭車尺寸2 070*920*320mm，空載速度60m/s，滿載速度50m/s。

（4）設備配置。升降機-梭車自動化工藝方案的設備配置見表2。

表2 升降機-梭車方案設備配置表

2.2 總體布局設計

為滿足投送艙室的力矩平衡要求，載物一和載物二盡量平均分布在船艙兩側，艙室空間布置如圖2所示。根據貨物大小及形狀尺寸，設計載物一儲存單元規格：4 300*950*2 200mm；載物二儲存單元規格：12 500*2 330*2 180mm。

圖2 “升降機-梭車”自動化物流系統布置圖

載物一和載物二貨位軸線都是平行于艙室水平軸線布置，載物一布置在艙室水平軸線中間，載物二布置在艙室水平軸線兩端。綜合考慮船艙尺寸及載物存儲單元規格，載物一貨位布置三層，每層布置16排、12 列，其中5-8 排為放置升降機僅布置10 列，共528個貨位；考慮到載物二體積、重量較大，載物二均勻布置一層，布置在艙室底層，8 排、4 列，共32 個貨位。

2.3 工藝作業流程設計

（1）載物一工藝流程設計。工藝流程如圖3 所示，詳細工藝描述如下：

圖3 載物一轉運出庫流程圖

1—子母梭車離開交接點前往指定載物一貨位；

2—子梭車離開母梭車進入貨位抬起載物一；

3—子梭車負載載物一回到母梭車；

4—母梭車返回交接點；

5—升降機升降平臺從初始位置向交接點垂直移動；

6—子梭車離開母梭車進入升降平臺放下載物一；

7—子梭車空載回到母梭車；

8—升降平臺返回初始位置；

9—出庫梭車離開出庫點進入升降平臺抬起載物一；

10—出庫梭車返回出庫點。

（2）載物二轉運出庫工藝流程設計

工藝流程如圖4所示，詳細工藝描述如下：

圖4 載物二轉運出庫流程圖

1—母梭車離開出庫口前往指定載物二貨位；

2—子梭車離開梭車進入貨位抬起載物二；

3—子梭車負載載物二回到母梭車；

4—母梭車返回出庫口。

本方案的主要目的是設計自動化轉運出庫工藝，在載物入庫工藝方面，通過移開艙室上方的艙蓋板，由港口岸邊起重機或艙蓋吊將載物一與載物二吊運至船舶艙室內的出庫口處，由艙室內運輸設備逆過程轉運到相應的貨位處存放。

3 船舶艙室自動立體倉庫式物流系統建模仿真分析

結合船舶艙室自動化立體倉庫物流系統的工藝流程，在Witness 仿真平臺上建立仿真模型，研究新型物流系統方案的物流性能。物流工藝方案應用于船舶艙室表現出的物流性能可反映艙室的作業情況，對艙室自動化立體倉庫物流系統方案的適用性有直觀體現，物流性能評價指標如下：

（1）最大橫、縱向力矩差：在艙室載物轉運出庫過程中，使船舶傾斜的最大力矩差，最大力矩差越小，船舶傾覆的可能性越低，方案的安全性越好。

（2）載物總轉運出庫時間：將艙室中載物全部轉運出庫的時間，載物轉運出庫總時間越短，載物自動出庫效率越高。

（3）載物平均轉運出庫時間：將艙室中載物全部轉運出庫完成后每個載物出庫時間的平均值。

3.1 出庫策略對比仿真分析

在整個艙室系統中，載物出庫系統連接艙室貨架和出庫部位，承擔著載物運輸的任務。載物調度策略的不合理將導致載物運輸的脫節，甚至導致艙室的嚴重失衡，影響艙室作業。為了解決這個問題，設計智能調度的算法，對載物調度過程進行規劃，以提高艙室載物的出庫效率，保證艙室出庫的服務質量、保持艙室整體平衡。

（1）試驗設計。為了研究出庫調度規則對艙室自動化出庫系統作業特性的影響，設計單一全局搜索調度策略、批量全局搜索策略，分別將調度策略嵌入仿真軟件中，建立相應的仿真模型，進行仿真試驗。

①單一全局搜索調度策略是在轉運出庫設備串行運行的基礎，考慮艙室的力矩要求和載物出庫時間，搜索單一最佳出庫載物位置。即在收到單一載物出庫計劃后，搜索滿足艙室力矩約束下出庫時間最短貨位處的載物，然后將出庫指令發送給作業設備，當出庫指令執行完以后執行下一單一出庫計劃。

②批量全局搜索策略是在轉運出庫設備并行運行的基礎上，即在多臺子母梭車并行運輸、子母梭車與升降機的并行運輸下，考慮艙室的力矩要求和載物出庫時間，搜索最佳出庫載物位置。控制系統收到載物出庫計劃后，依據批量出庫載物的數量，隨機選取規定數量的載物進入出庫序列，然后遍歷全部貨架上的載物，判斷載物是否滿足艙室力矩要求、是否離出庫點更近，以全局搜索進行迭代選優的方式，將更優項替換進出庫隊列中，達到優化的目的。依據需求計劃規劃一批出庫指令，將出庫指令同時發送給多個設備，使設備能同時進行出庫作業。

（2）試驗工況。①模型邊界：船舶艙室內；②仿真時間長度：從貨物一次性全部入庫到貨物分批在不同海域出庫完成為止；③出庫命令到達時間間隔：服從均值為30min的指數分布；④每批次載物出庫數量：根據艙室每次出庫任務需求，載物一單次出庫數量服從UNIFORM（8,12），載物二出庫數量服從UNIFORM（0,2），每次先轉運完載物一再轉運載物二；⑤所有設備每次只能運輸一種單一載物；⑥傾斜力矩要求：橫向力矩差小于等于220t·m，縱向力矩差小于等于2 400t·m；⑦設備參數：按照設備設計參數運行；⑧試驗次數：每種情況試驗10次，結果取10次平均數。

（3）試驗數據統計分析。統計載物一平均出庫時間、載物二平均出庫時間、載物出庫總時間、橫向力矩差、縱向力矩差，試驗數據見表3。

由表3 可以看出，在橫向、縱向力矩控制方面，橫向最大力矩差小于220t·m，縱向最大力矩差小于2 400t·m，滿足最初設計要求。批量全局搜索策略縱向力矩過大，是由于載物二的移動所致，載物二處于艙室最前端與最后端，在出庫時會出現前后數量差，從而產生力矩差，導致縱向力矩差過大。批量全局搜索調度策略的出庫總時間、“載物一”的平均出庫時間遠低于單一全局搜索調度策略，降低了大約56%，“載物二”的平均出庫時間沒有差別。

表3 物流性能試驗數據

單一全局搜索調度策略在滿足力矩要求的前提下調度設備串行運輸作業。批量全局搜索策略則是對整個貨架上的載物進行整體決策，先選擇規定數量的載物，組成出庫隊列，對后續每個載物進行搜索判斷，若在力矩、時間上更優，則將此項替換進出庫隊列，將原隊列中的最差項篩除，以此保證每個計劃的出庫決策達到最優，然后將出庫命令發送給多臺母梭車，調度設備并行運輸，符合本設計工藝方案設備并行運輸作業的特點，大大提高了出庫效率。結合實驗數據和分析，批量全局搜索策略優于單一全局搜索調度策略。

3.2 設備參數仿真分析

基于前文的仿真分析，批量全局搜索策略下多臺子母穿梭車與其他設備并行運輸的系統作業效率更高。為了深入研究設備速度參數對物流系統作業性能的影響，設計了基于不同設備速度參數的仿真試驗，分析運輸設備與物流系統的匹配程度，為艙室的整體布局、出入庫流程、設備參數等優化方面提供一定數據支撐。

（1）試驗設計。設備參數的差異主要體現在子母穿梭車的運行速度、升降機起升速度以及出庫梭車的移動速度，本次試驗主要針對這三項進行設計分析。采用單因子變量法，當取一個設備的速度參數作為變量因子時，須確保另外兩項設備參數一致，避免對試驗造成影響。試驗設計數據見表4。

表4 速度參數試驗數據設計

（2）試驗工況。除載物出庫策略均采用全局搜索策略外，其他實驗工況均與上一個仿真試驗一致。

（3）試驗數據統計分析。針對設備速度參數的變化，統計仿真輸出數據：載物一平均出庫時間、載物二平均出庫時間、載物出庫總時間，如圖5 至圖7所示。

圖5 子母梭車速度參數變化試驗分析

由圖5 可以看出，隨著母梭車速度的增加，載物一的平均出庫時間幾乎不變，載物二平均出庫時間和載物出庫總時間逐漸減小。這說明改變母梭車速度對載物一出庫效率沒有影響，對載物二有一定的影響，但這種影響隨著梭車速度增加逐漸減小。因此母梭車速度提升不能提高載物一出庫效率，可以通過提高母梭車速度來提高載物二出庫的效率，但由于載物二的重量、體積較大，這種方法有一定的局限性。

從圖6 中可以看出，隨著升降機速度的增加，升降機-梭車方案中載物一的平均出庫時間、出庫總時間，先逐漸減小，等到升降機速度大約為18m/min時，平均出庫時間、出庫總時間減少趨于飽和。這說明，大約在15-18m/min 范圍內，提高升降機速度可以提高載物一出庫效率，但超過此范圍時，提升升降機速度對載物一出庫效率沒有影響。

圖6 升降機速度參數變化試驗分析

從圖7 可以看出，隨著出庫梭車速度的逐漸增加，載物一的平均出庫時間和載物出庫總時間逐漸減小，這說明提升出庫梭車的速度，可以有效提高載物一的出庫效率。

圖7 出庫梭車速度參數變化試驗分析

總體來說，子母穿梭車和升降機速度的改變對載物一出庫效率影響不大，母穿梭車速度的改變對載物二出庫效率有直接的影響，但載物二的體積、重量特性對載物二母梭速度的提升有一定的限制，因此可以通過提升出庫梭車的速度來提升載物一的出庫效率。影響載物一出庫效率的主要因素是出庫梭車的速度參數，這是因為載物一前期的水平運輸和垂直運輸是并行的，整個艙室共有6臺子母穿梭車、2臺升降機可同時工作，但是載物一的最終運輸出庫只能通過出庫梭車，造成了出庫梭車本身的作業效率對整個出庫效率的限制。因此本工藝方案物流系統若要進一步提升作業效率，最為有效的方式是提升出庫梭車的速度。

4 結語

（1）通過對子母梭車、升降機等自動化設備的選型及組合配置，完成對船舶艙室不同載物智能化轉運和出庫功能的工藝方案設計；在滿足船舶穩定性要求的情況下，設計了滿足不同載物搭載要求的倉儲貨架及總體布局，充分利用了艙室空間。

（2）針對基于船舶平衡的出庫調度問題，設計了兩種出庫調度策略，仿真試驗結果表明批量全局調度策略具有較高的出庫效率；在此基礎上設計基于不同設備速度參數的仿真試驗，結果表明出庫梭車的速度參數是整個物流系統的瓶頸所在，為船舶艙室的調度管理提供了參考。