換層子母車在智能密集存儲系統中的研究與應用

田 博，李郝巖，李鯤鵬，王 焱，謝時軍

（北自所（北京）科技發展股份有限公司，北京 100120）

0 引言

近年來，隨著實際可供給建設存儲倉庫的土地短缺及倉儲物流業務的發展，對倉庫容量和運行能力帶來了巨大挑戰，要求在相同建筑面積內盡可能多的設備和貨位，即增加存貨量。

堆垛機立體倉庫（AS/RS）是最廣泛應用的自動化倉儲物流系統，但堆垛機立庫的局限性以及占地面積大的缺點限制了發展，并且系統的作業效率有限，尤其集中入出庫效率上并不理想，這些因素共同推動了密集式存儲系統的發展。

密集存儲系統相比較堆垛機式自動化立體庫系統，貨物間距進一步壓縮，存儲量更大，密集存儲系統作為智能物流的新模式，應用越來越廣泛，如乳業、藥業、酒業等行業，一方面提高了空間利用率，解決存貨量的問題；一方面對使用方式提出新要求，對傳統模式產生沖擊。

子母車式密集存儲系統作為密集存儲系統的衍生與補充，其中穿梭母車替代了堆垛機的水平運動，子車替代了堆垛機貨叉運動，提升機替代了堆垛機的垂直運動，通過三者的組合運動來實現貨物出入庫，其效率更高、柔性更強。目前大部分密集存儲系統為單層單車，每層都設置配套子母車設備，層與層之間互不相通，產品通過入出庫提升機轉運至相應層后，該層的子母車設備只能完成該層的入出庫作業。

本文通過優化物流規劃方案，子母車設備可互通換層，即通過子母車換層提升機實現將任意層的子母車設備調度轉運到任意貨架層，再完成該層的入出庫作業。

換層子母車系統能夠根據需求實現多層入出庫任務的執行，在提升作業效率的同時，更具柔性和冗余度，可廣泛應用于智能密集存儲系統中，具有很高的研究價值。

圖1 子母車密集存儲系統示意

1 系統組成

子母車式密集存儲系統主要由密集存儲貨架及子母車通道、子母穿梭車、子母穿梭車換層提升機、產品輸送提升機、庫端站臺設備和外設其他輸送設備系統組成；軟件系統主要由控制系統、監控系統、調度系統、管理系統等組成。

圖2 子母車換層系統組成方案示意圖及實物圖

1.1 密集存儲貨架

密集存儲貨架采用穿梭式貨架，是與子母車配合使用的專業特殊貨架類型，相較于常規的橫梁式貨架，穿梭式貨架通過子車軌道以及母車軌道與貨架的互相連接，具有更加緊密的連接結構，使貨架的整體性更強，相對應的強度和剛度也隨之提高，保證貨架穩定性。

穿梭式貨架中使用的軌道，既要保證子母車高速平穩的運行，也同時需要保證可正常承載貨物，所以衍生了特殊的軌道類型。既可以保證子車在軌道中順利運行，又可保證貨物放置的穩定性；且穿梭式貨架可以做到一端入庫，一端出庫，在物理上滿足貨物的先入先出。

1.2 子母穿梭車

子母穿梭車由穿梭車（The Shuttle）和衛星小車（The Satellite）兩部分組成，穿梭車即為母車，衛星小車圍繞著母車進行工作，即為子車。

供電方式，母車的供電來源為軌道上的滑觸線，子車的供電來源為母車，子車自身采用48v電池供電，當每次子車完成任務回到母車時，會有自動的供電系統給子車進行充電；

信息通訊，母車是與巷道末端的AP基站進行信息交互，接收系統任務，而子車是通過與母車上的基站進行通訊接收具體任務，實現整體系統的正常通訊。

圖3 子車軌道形式及放貨示意圖和實物圖

子母穿梭車是通過子車與母車的配合運行，實現對具體貨物的入出庫。當接收入庫任務時，母車從入庫站臺接收貨物，運行至相對應的子車巷道，停準后，子車會將貨物輸送至具體的貨位地址，完成入庫任務；當接收出庫任務時，母車先運行到相對應的子車巷道，停準后，子車將相對應的貨物輸送至母車上，母車再將貨物輸送至出庫站臺，完成出庫任務。

1.3 子母穿梭車換層提升機

子母穿梭車換層提升機是根據子母穿梭車在換層使用時的特殊性而研制的專機設備，相對于常規往復式提升機的區別在于，提升機轎廂內的導軌采用母車軌道形式，且無動力輸入，需要安裝滑觸線，保證子母穿梭車從貨架區域轉換至提升機區域的持續供電，有穩定的動力來源，才能使子母穿梭車自主完成駛入，駛出和停準等動作。

1.4 輸送設備

輸送設備系統是根據子母車式密集存儲特點所設計的滿足使用的整體輸送設備，子母穿梭車無法自主的將產品貨物進行垂直方向的輸送搬運，需要配套的產品提升輸送系統進行對接，保證把貨物可輸送至對應的每一層。

圖4 子母車設備實物圖

2 換層子母車系統的關鍵技術

子母車換層提升機是整套子母車換層系統中的核心設備，在子母車設備換層工作過程中，由于子母車設備自重較重，且再包括產品貨物后整體重量能夠達到2.5噸以上，子母車設備駛入和駛出換層提升專機設備時，提升機轎廂的提升鏈條會隨之產生形變（隨子母車設備駛入駛出轎廂會產生回彈現象），導致固定式軌道和轎廂內軌道的偏差增大，且子母車供電方式為滑觸線供電，所以在子母車換層過程中在不僅需要保證換層過程中轎廂穩定性，且還需考慮子母車供電滑觸線的接頭處的精度及安全性，否則無法實現子母車換層運行的穩定性。

2.1 機械關鍵技術

2.1.1 伸叉式停準機構

方案在換層提升機轎廂載貨臺的四角增加4套可控制的伸縮停準機構，可在對應層高位停準后，伸出停準機構，然后繼續下降至低位，4個機構平均分布在轎廂兩側，搭載在設備兩側的緊固板上，直至升降鏈條輕微松脫，停準機構與緊固板連接可靠，為對應層低位。此時子母車駛入和駛出均不再受設備提升鏈條的影響，且子母車駛入駛出時的滑觸線對接精度可控制在1mm以內，達到子母車可靠的切換，平穩駛入駛出。

2.1.2 雙集電臂設計

由于轎廂滑觸線與軌道滑觸線為分別供電，隨子母車駛入駛出換層提升機的過程中，會出現短暫斷電的情況，在子母穿梭車上設計為雙集電臂碳刷，即駛入駛出時如一端脫離滑觸線，保證另一端還能取電，以滿足子母穿梭車正常使用。

圖5 子母車換層提升機實物圖

2.1.3 增加提升機轎廂的機械阻擋

在保障子母車駛入駛出提升機轎廂的穩定性，同時需要提高子母車在提升機內部行走過程中的穩定性，重量大，且承載位置為軌道，較為光滑，而且輸送過程中會產生震動，增加機械結構進行鎖死，防止發生轎廂內部滑動。在端部增加阻擋，進入后彈出，駛出前落下。

2.2 電氣系統關鍵技術

2.2.1 單雙閉環切換復合控制

換層提升機提升采用伺服控制，外接BPS認址，能夠高速、穩定的運行。在停準機構搭載在緊固板上時，其外部編碼器值固定不變但內部編碼器值持續變化。若依舊按照原有的雙閉環控制進行控制，則會出現跟隨誤差持續增大情況，輕則伺服報警，嚴重則導致速度環持續增大，設備高速運行，損壞設備。

控制系統增加了單雙閉環切換復合控制的控制方式，在停準機構伸出情況下，切換為單閉環控制，避免跟隨誤差增大情況，切除外部編碼值的雙閉環跟隨效應，使此專機設備能夠在伺服的控制下，穩定的搭載在緊固板上。

2.2.2 防超限系統

因子母車和換層提升機使用的特殊性，子母車會運行到相對靠近轉運設備的站臺進行取放貨，由于子母車運行速度快，子母車存在沖進設備框架內的問題，導致轉運切換設備無法進行切換，針對此問題，該項目從三個方面進行解決：

1）機械設計：在保證整體方案滿足條件的前提下，增加入出庫站臺和設備框架的距離；

2）電氣設計：轉運設備框架和貨架子母車軌道對接位置增加對射光電設備，以此來探測子母車是否沖入換層提升機，若沖入，則報警，使設備處于急停狀態；

3）子母車控制算法：子母車定位方式為BPS定位，會記錄在站臺取貨時所能達到的最遠編碼值，若超過此編碼值，會進入報警狀態，使子母車和設備處于急停狀態；

從以上三個角度，保證了子母車運行的安全性及穩定性。

2.3 換層子母車系統貨位分配及調度分析

2.3.1 貨位分配優化分析

換層子母車式密集存儲系統具有母車通道，多層貨架及子車通道，貨位存儲的每個通道具有0至n個貨位，不同通道的入出邏輯也不相同，有的通道先進先出，有的通道先進后出，還有的通道可兩端同時入出，且需優化計算調度子母車，在不同產品的生產入庫頻率和單次入庫數量差異巨大，需要根據入出庫統計，給不同產品分配最優的貨位，該項目采用聚類算法實現：

1）將不同貨位分為k個聚類質心點：u1，u2，u3，…，∈Rn；

2）對于每一個產品xi，需要計算與每個質心uj的距離，xi則屬于與他距離最近質心uj的簇cj：cj=argminj‖xiuj‖2，j∈1，2，3，…，k；

3）對于每個類cj，重新計算該簇質心的值：。之后重復2）、3）進行算法收斂，得出每個產品最適合存放的貨位。

2.3.2 子母車調度優化分析

由于換層子母車式密集存儲系統子母車數量少于貨架層數，即并非每層貨架都有一套子母車設備，所以在產品入出庫時需優化調度子母車設備，以具有8層貨架共4套子母車的方案為例，主要設計了以下4種調度分配方式，可根據實際的使用需求，采用不同模式或者可相互切換的模式。

1）固定分配原則，此方式是較簡單的分配作業方式，一套子母車設備只進行固定兩層的入出庫任務執行，即平均分配4臺子母車固定初始位置為1，3，5，7層，子母車1，2，3，4號依次控制1、2層，3、4層，5、6層，7、8層。

根據上圖所示，將子母車控制的貨架區域進行固定分配確定，不需要進行過多的計算判斷，邏輯算法簡單，但是靈活性較低，適應于品相數量少，入出庫效率要求不高的項目。

2）就近分配原則，如4臺子母車初始位置為1，3，5，7層，2層有任務，就近調度原則進行分配，1層和3層的子母車都可以通過換層提升機來執行此任務，即空閑巷道最近的子母車執行任務。

圖6 子母車固定分配示意及流程圖

根據圖7所示，就近分配原則下，中間層有入出庫作業時，可靈活調度上下兩層子母車設備來執行該層的入出庫的任務，對比固定式分配方式增加了調度的靈活性，但是此時如果上下兩層子母車設備都有連續的作業任務，此時中間層的任務只能等待，此原則還是有一定的局限性。

圖7 子母車就近分配示意及流程圖

3）空閑分配原則，如子母車初始位置為1，3，5，7層，2層有任務，1層、3層、5層子母車都正執行任務，則7層子母車設備將通過換層來進行執行此任務。

根據圖8所示，在空閑分配原則下，子母車所控制的區域會根據實際任務的需要來靈活調度子母車設備，無設備必須負責的貨架層，只針對任務來進行執行。對比之前兩種方式設備調度更加靈活，但是未考慮高層換至低層換層時間。

圖8 子母車空閑分配示意及流程圖

4）空閑就近分配原則，子母車初始位置為1，3，5，7層，2層有任務，1層、3層、5層子母車都正執行任務，但是5層子母車執行完任務后不再有任務下發，且5層子母車進入二層時間短于7層子母車進入2層時間，將調度5層子母車進行執行任務。

圖9 子母車空閑下的就近分配原則示意及流程圖

根據上圖所示，空閑就近分配原則下，計算每臺子母車的空閑時間及整體換層時間，整體考慮換層子母車系統的效率，會最大程度節省換層時間及次數，同時保證子母車控制層數的相對穩定性。

子母車的調度方式主要依據實際客戶的使用情況而定，品相數量少可采用固定分配原則此方式簡單快捷；若品相數量多，采用空閑就近分配原則可更好的滿足使用效率，減少不必要的換層。

3 工程應用與價值

本文子母車換層系統在實際某乳業項目進行了應用及驗證，此乳業項目占地面積約為1600m2，采用換層式子母車密集式存儲，每層2個母車通道，將貨架區域分為3個部分，共計4624個貨位，其中左右貨架區域先入后出，中間區域可實現先入先出，每個母車通道區域的8層貨架使用4套子母車，共8套子母車，在每個母車通道最端頭設置了1臺子母車換層提升機，共2臺換層提升機；其他設備包含4臺產品入庫提升機，4臺產品出庫提升機及100多臺鏈式輸送設備。通過有優化機械設計、電控及調度設計滿足了密集存儲系統中的子母車設備能夠調度到任意層，并實現產品的入出庫作業。

該項目實際使用中，換層調度兼顧設備位置和設備利用率，調度采用的空閑就近分配原則，實現了入庫效率135托盤/小時，出庫效率為150托盤/小時，系統循環作業效率180托盤/小時以上，滿足了項目要求的較高的的作業效率。項目的成功實施驗證方案的可行性及解決了密集存儲系統中子母車換層的設計及技術難點。

圖10 某乳業項目方案及實際圖

4 結語

通過對子母車換層在密集儲存系統研究及應用驗證，探索了密集存儲系統新模式及新應用，拓寬了子母車密集存儲系統應用，以此方案為核心，可延伸出更系統智能化的物流方案。該系統在子母車式密集存儲系統的應用，不僅節省了前期業主投資，并且滿足了高效率高冗余使用，為日后密集存儲系統的應用提供了良好的借鑒。