基于仿真的穿梭式立體庫方案設計及優化

單夢蕊，周明珠，徐雪峰，邵傳斌，楊 海

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130031）

0 引言

“中國制造2025”明確指出中國要推行數字化、網絡化和智能化制造。汽車行業作為制造業的標桿，新一輪的自動化和數字化革命正在引發其各個細分領域的變革和交融。為了提高工廠內物流自動化水平和物流區域空間利用率進而降低單車物流成本，一汽-大眾汽車有限公司自2019年起開始投入自動化立體庫用以存儲汽車零部件。

隨著立體庫技術日趨成熟，為了減少立體庫內巷道的面積占用率，針對包裝尺寸小于600mm*400mm*300mm的零件，擬采用雙貨位穿梭式立體庫進行存儲。立體庫貨格尺寸為1 280mm*465mm*503mm，每個貨格均設置為雙進深貨位，即一個貨格內有前后兩個貨位。與堆垛機立體庫相比，該存儲模式空間利用率顯著提高（見表1）。

表1 零件存儲模式比較分析

雙貨位穿梭式立體庫入庫流程大致為：零件入庫時提升機在1樓傳送帶端頭取入庫零件并送至指定層巷道口端頭的動力站臺暫存，該層穿梭車在動力站臺取貨后送至指定貨位存儲。出庫流程反之。

1 立體庫貨位策略仿真分析及驗證

1.1 立體庫貨區的ABC分類

穿梭式立體庫貨位分區優化的基本思想是按照各貨位出入庫作業時間的不同，將這些貨位劃分為幾個不同的作業區域，在倉庫進行出入庫作業時，優先考慮將消耗量高的零件放在作業時間短的區域，以減少穿梭車取放貨的平均行走距離，進而提高穿梭車出入庫效率。

目前行業內提升機和穿梭車的設備參數見表2。

表2 提升機和穿梭車設備參數

零件入庫到第n層第m列貨格所需的總時間t等于提升機所用時間與穿梭車所用時間之和。

設提升機所用時間t1，其中行駛時間為t11，通訊時間為t12，定位時間為t13，取放貨時間為t14，則：

設穿梭車所用時間t2，其中行駛時間為t21，通訊時間為t22，定位時間為t23，取放貨時間為t24，則：

根據式（5）分別計算零件入庫到每個貨格所需時間，結果如圖1所示。后續實際項目中均可參考該結果進行庫位劃分。為驗證上述策略的有效性，以某車間現有穿梭式立體庫為例重新對其進行ABC類庫區劃分[1]，如圖2所示，并據此確定該立體庫內存儲零件ABC類屬性（見表3）。其中A庫區零件出入庫時間小于等于20s，用于存放小時消耗量大于等于1箱的高消耗零件，B庫區零件出入庫時間大于20s且小于等于23s，用于存放小時消耗量大于等于0.13箱且小于1箱的中消耗零件，C庫區存放其它低消耗零件。

圖2 某車間穿梭式立體庫分區側視圖

表3 某車間穿梭式立體庫分區及對應零件屬性

圖1 立體庫貨格與零件入庫時間對應關系

通過仿真對該立體庫按上述狀態分庫區和不分庫區兩種策略下穿梭車利用率進行分析，在零件出入庫任務量相同的情況下，立體庫分庫區比不分庫區時穿梭車利用率降低11.3%。該策略有效的避免了穿梭車行走浪費，節約了設備的利用率。

1.2 出入庫貨位分配邏輯

制定零件出入庫貨位選擇策略的主要目標有兩個：（1）各類設備的利用率相對均衡，不會出現同類設備中某一臺設備的利用率過高或過低的現象；（2）部分設備出現故障時依然可以保證全部品類的零件一段時間內正常出庫，進而保證車間生產的穩定性。為實現上述目標，需要設計合適的策略將零件均勻的分布在立體庫的不同巷道和不同層，同時均勻分配作業任務給提升機和穿梭車。

按照行業內立體庫調度系統中邏輯執行先后順序，需先確定巷道再確定層最后確定入庫貨位。為平衡零件在庫內的分布和設備作業任務，按照逐級均勻分配任務且調度策略簡單易行的整體原則，制定入庫貨位選擇策略如下：

（1）選擇入庫巷道。選擇入庫任務量最少的巷道入庫；若存在兩條巷道任務量相同且最少，隨機選擇其中一個巷道。

（2）選擇入庫層。選擇該巷道中入庫任務量最少的層入庫；若存在多層入庫任務量相同且最少，選擇同種零件庫存量最少的層入庫；若該種零件在多層中庫存量相同且最少，選擇該零件對應貨區內可用貨位最多的層入庫。

（3）選擇入庫貨位。選擇該貨區子母穿梭車入庫作業用時最短的可用貨位入庫。

同理，在保證零件按批次先進先出的基礎上制定出庫貨位選擇策略如下：

（1）選擇存儲周期。選擇在立體庫內存儲時間最長的批次對應零件出庫。

（2）選擇出庫巷道。若同一批次存在多個該種零件，選擇巷道任務量最小的進行出庫。

（3）選擇出庫層。若同一巷道內存在多個該種零件，選擇出庫任務量最少的層出庫；若立體庫內存在多層任務量最少且相等，選擇該種零件庫存量最多的層出庫。

（4）選擇出庫貨位。選擇子母穿梭車出庫作業用時最短的零件出庫。

為驗證上述策略是否能夠有效地為每個任務選定貨位且滿足預設的兩個目標，利用Flexsim仿真復現上述邏輯并運行模型200個小時進行分析。以代號為100100的零件為例，該零件相對均勻的分布在立體庫的不同巷道、不同貨架和不同層的C區域，見表4。隨機截取部分設備利用情況，如圖3和圖4所示，穿梭車和提升機的利用率相對均衡。經仿真驗證，上述出入庫策略邏輯正確且有效。

圖4 提升機利用率分析

表4 某零件在庫內分布圖

圖3 穿梭車利用率分析

2 立體庫設備調度策略仿真分析及優化

基于車間高度限制、消防安全規定以及后期維保限制等因素，主機廠內穿梭式立體庫的高度普遍小于15m，長度小于120m?；谑剑?）和式（4）可知提升機取放貨一次所需時間在5～9s，穿梭車取放貨一次所需時間在10～26s，二者所需時間相差不大。如圖5所示。由于立體庫同一巷道內存在多層貨格，導致一臺提升機需對應多臺穿梭車，進而可能造成提升機運力不足或穿梭車利用率浪費等現象的產生。

圖5 提升機和穿梭車運力分析

以圖3和圖4為例，該情景下穿梭車利用率40%，提升機的利用率90%，提升機利用率遠高于穿梭車。為解決上述問題，通過仿真實驗尋找合適的設備調度策略平衡二者的利用率，進而避免提升機效率過高成為系統瓶頸或穿梭車效率浪費等問題的產生。

2.1 穿梭車調度策略仿真分析及優化

目前，密集倉儲系統采用的穿梭車主要有子母穿梭車、四向穿梭車和自動換層穿梭車等。其中子母穿梭車和提升機組合，穿梭車可以實現在豎直方向換層；四向穿梭車可在水平方向換巷道，適用于一臺穿梭車在多條巷道作業的場景；自動換層穿梭車沿貨架立柱自動爬升，但其對貨架的制造、安裝精度要求極高，后期維護困難。以上三種模式均可以在立體庫布局不變的前提下，減少穿梭車臺數?？紤]到汽車生產物流的強節拍需求，在自動換層穿梭車技術尚未成熟之前暫不考慮實際應用。

以圖3和圖4對應實際情況為例，在零件的小時消耗量、布庫策略和立體庫結構參數保持一致的前提下，設計仿真實驗分析子母穿梭車和提升機組合換層和四向穿梭車換巷道方案與原方案相比的優劣勢，分析結果見表5。

表5 不同穿梭車策略的仿真分析

原方案優勢在于設備調度邏輯簡單、穩定性高，但穿梭車的利用率只有40%，在數量上存在浪費。優化方案1采用四向穿梭車，每臺穿梭車負責同層的2個巷道，臺數較原方案減半，通過仿真復現該方案發現其設備調度邏輯相對簡單、穩定性好且穿梭車利用率提升到84%，該方案優于原方案。優化方案2使用子母穿梭車和提升機配合實現穿梭車換層，穿梭車臺數較基礎方案減半。雖然該方案穿梭車利用率較原方案有較大提升，但設備調度邏輯復雜，需要穿梭車和提升機配合，易造成二者死鎖。從保證生產穩定性和系統維護便利性角度來看，不建議采用此方案。

2.2 提升機調度策略仿真分析及優化

原方案中提升機一次運送1箱零件。在充分考慮提升機硬件設備能力的基礎上，為降低提升機利用率，基于仿真實驗分析提升機一次最多運送2箱零件的可行性，結果見表6。雖然優化方案的調度邏輯較原方案略復雜，但該方案僅需要對提升機自身狀態進行判斷，無需其它設備配合，系統穩定性較好。同時，該方案可以降低提升機利用率至85%，故仿真推薦該方案。

表6 不同提升機策略的仿真分析

3 結語

基于汽車零部件物流行業背景和穿梭式立體庫行業發展現狀，給出了穿梭式立體庫庫區分類的計算公式和出入庫選貨位策略。通過仿真動態復現上述策略，驗證了其正確性和有效性。同時基于仿真實驗分析不同的設備調度策略的優劣勢并提出仿真建議。本文在汽車零部件物流領域穿梭式立體庫的建設上具有較高的參考價值和可移植性。