基于多品種、多規格及小批量的自動化柔性倉儲中心研究

冉文學，胡意敏 （云南財經大學 物流學院，云南 昆明 650221）

0 引 言

自動化倉儲系統作為現代物流系統的核心和樞紐，對于企業提升工作效率和創造效益具有重要意義。目前，自動化倉儲系統已在大面積使用，以往企業為提高反應能力，通常傾向于制造大批量且規格統一化的物品。但隨著市場的急劇變化和客戶的個性化需求，消費者更趨向于多元化的產品，這使得更多大型企業也逐漸從以前的單品種大批量生產轉變為多品種、多規格及小批量生產。據統計，目前主要存在著多品種、多規格及小批量和少品種、大批量兩種生產類型，而前者約占到機械工業總產值的70%～85%左右。由此可知，多品種、多規格及小批量成為了當下多數企業的生產模式，但它正對企業的生產效率和效益造成損害，成為制造業高質量發展的主要障礙。與此同時，現代物流業也對倉儲管理提出了更高的要求，傳統單一的庫存管理已經無法滿足當前物流業發展的需要。

所以，如何提高自動化立體倉儲系統的包容力以改善多品種、多規格及小批量貨物的作業效率是急需解決的難題。故而，本文的研究將解決以下兩個問題：

（1） 多品種、多規格及小批量存儲企業該如何解決多規格自動化倉儲問題？

（2） 如何在多規格的前提下解決小批量的問題？

本文針對多品種、多規格及小批量的貨物倉儲提出使用新型堆垛機設備配備多規格立庫貨架的解決方法。其中新型堆垛機設備是指單個堆垛機配備多種型號貨叉解決小批量的情況，同時可根據企業的出入庫流量的情況決定用多少數量的堆垛機，避免一個巷道用一臺堆垛機。這將為企業節省大額的設備成本，同時避免造成資源浪費。通常的立庫都是單一規格，但本文提出使用多規格的立庫解決貨物規格多的問題。這一問題的解決，使得有這類型需求的企業均可實現自身效率的提升、解放勞動力、促進社會的自動化進步。綜上所述，本文的研究以及所做的方案對于如今倉儲行業和社會的進一步發展具有非常重要的現實意義。

1 國內外研究現狀以及存在的問題

1.1 堆垛機研究現狀

根據對文獻的梳理發現對堆垛機的研究主要從調度和結構進行優化。在調度上，蔡安江等對兩端式出入庫站臺的堆垛機進行命令調度的優化；鄭振宇等通過仿真模型來實現調度優化；李媛媛等和唐磊等以堆垛機運行時間最短進行堆垛機的出入庫路徑優化。在結構上，Z. Chen 等針對小型軌道堆垛機的重復設計和效率低下，利用C#編程語言和SolidWorks 接口技術設計了小型軌道堆垛機參數化設計系統，而Lu Z 等設計并開發了新型輕型高速堆垛機。除小型堆垛機外，JIANG J 等對重型堆垛機的龍門柱和三層貨叉的結構進行了優化，而黃紅軍發明了一種柔性伸縮貨叉，徐其航等對搬運階段中使用的性能參數和結構形式提出優化設計。以上幾類研究均是對于堆垛機的內外部優化研究，但無法解決本文所提出的多規格和小批量自動化倉儲的問題，但這些研究對本文所研究的新型堆垛機具有借鑒意義。

1.2 多規格貨架

基于對文獻的梳理，發現對多規格貨架的研究主要是訂單貨物的分散和數量所導致的分揀問題，Nils Boysen 等對此提出多種設備混合的自動化立體倉庫系統，例如混合貨架存儲、批處理和分區等重要倉儲方法。基于混合貨架的理念，研究者們開始從貨架的組成結構對多規格貨架開始進行研究，李國維基于混合貨架存儲設計了多種規格抽屜型貨柜；錢柏賢通過設置貨架的零部件調節承重板左右移動，使得其能存放不同規格的板材；同樣可調節寬度的研究還有彭中發等通過調節式連接件調節兩個框架間距。此外，還有在高度上的調節，例如余義全也是通過設置貨架的組成構件使得可根據商品的規格來調節展示座之間的高度以及展示區域的面積，提高展示貨架功能性。在此研究的基礎上，吳春華提供了一種多功能組合貨架，通過組裝主貨架和副貨架來分別增大貨架的長度或寬度。以上研究在原有的貨架基礎上都進行了多規格的設計，但對于貨物的載具以及取放貨的方式對于本文的設計對象都會有一定的限制，故而，本文在以上研究的基礎上進行多規格貨架的設計。

1.3 柔性倉儲系統研究現狀

柔性倉儲系統的研究根據研究者所針對的企業而有所不同，例如陳振偉等提出一種適用于不同規格的手機金屬壓鑄件的自動化柔性作業系統；申鑫提出一種針對數控沖床的柔性制造自動化控制系統，研究可以給予機械結構上的研究靈感；楊黎明等針對多規格的存儲通過堆垛機機械結構進行柔性組合式存儲控制系統的設計，該研究提出如果分巷道存放貨物，則每個巷道都要有唯一對應的堆垛機，而本文設計的堆垛機正好可以解決此問題。此外，該研究設計了兩種大小的托盤，配備四種貨叉堆垛機用以取貨，該堆垛機結構還是會對物料有一定的限制，但是四種貨叉配以單雙叉的取貨方式確實會提升取貨效率，這是值得借鑒的地方。

考慮到多規格和小批量生產模式帶來的生產環境變化，Zhou 等提出了一種新的多工位系列系統半動態機會維護策略。此外，李亞凱等通過生產調度邏輯的靈活設計實現了柔性制造系統，此類研究的優化模型對于本文的多品種出入庫任務的調度具有借鑒意義。還可通過設備布局提升柔性化，例如通過設計環形倉實現柔性倉儲系統。根據以上研究可知，實現柔性倉儲的方法多種多樣，關鍵在于適合自己的研究對象。

綜上研究可以發現，針對多規格、小批量的自動化倉儲問題，有不少學者提出使用組合式貨架或其他形式的多規格貨架的設計，但如何結合堆垛機等搬運設備提升倉儲的自動化水平的研究還相對較少。因而，為同時解決這二個問題，本文將從堆垛機設備和多規格貨架同時出發，尋求兩者的變化，結合能夠同時滿足兩者的要求，為多品種、多規格及小批量貨物的自動化倉儲問題提出新的解決方案。

2 多規格自動化柔性倉儲研究

本文所設計的多規格自動化柔性倉儲系統包括新型的堆垛機設備以及多規格貨架，立庫的出入庫接口可根據企業的具體布局進行修改，可與企業的其他分揀系統、運輸系統等實現無縫對接。該系統相較于市場上統一規格的倉儲系統具有更強柔性，可根據企業的物品規格進行設計，使得物料規格限制得以打破。同時，考慮到貨物的存儲和不同貨物的流量問題，設計新型可換貨叉的堆垛機設備，可以滿足一臺堆垛機存取所有規格類型的貨物，避免每種規格都要使用一臺堆垛機，為企業節省大量的成本。

2.1 多規格貨架研究

多規格立庫是指立庫中貨架的貨格大小不統一，具備多種貨格單位，使得物料多規格的企業可以全部使用自動化的存儲系統。其中貨格單位的分配主要有兩種方式（如圖1 所示），第一種是使用單排統一規格貨架，這種單排統一規格的適合于貨物儲存量大且流量多的貨物。第二種單排混合規格的貨架，這種分配方式主要適用于不是批量進出且需要不同大小單位調配的倉儲，而每種物料所占據的比例可以根據儲存量的大小來分配。

圖1 兩種多規格貨架俯視圖

2.2 可換貨叉式堆垛機研究

本方案的堆垛機與現有市場的裝備有很大的不同，它的特點在于可以換取不同類型的貨叉以取不同大小的物料，這樣就不用被多種物料規格所限制，同時也不用因為多種物料規格而配備多種規格堆垛機。堆垛機本體的設計是此系統的核心所在，而堆垛機本體實現貨叉的換取是整個系統得以實現的基礎。

堆垛機本體的立面構成，包括堆垛機本體設備、出入庫站臺、貨架最低位貨格，其中堆垛機本體的總高與貨物最高位相同，堆垛機本體設備立面構成圖如圖2 所示，圖2 中堆垛機立體的虛線框處為貨叉的預留位置。

圖2 堆垛機本體立面圖

3 案例應用分析

3.1 基礎參數設計

本文的案例對象是日用百貨超市A，眾所周知，百貨超市的物品種類繁多，且大小不一，正好與本文的研究類型符合。本文的案例應用設計將從物料的規格、貨架、貨叉或貨叉庫進行闡述，最后給出一個總體設計方案。此外，本節數據是根據物料的大小需求結合市場上通常使用的數據進行假設。

3.1.1 物料規格設計

對A 超市設計四種物料規格的倉儲單元，第一種物料A大小為525*650*850mm，包裝為四種物料中最小的一種，對于日用百貨而言，適宜裝載一些量少但貴重的物品，例如手機、電腦、手表等存貨不多，但單價很貴的物品。在大型日用百貨超市中，每天的出入庫量不定，這類商品存儲量本身便不多，與堆積成山一樣的物品相比，很容易出現被忽略或者想出庫時半天找不到貨的情況，這會讓顧客的等待時間加長、服務效率減慢、影響顧客的購物體驗、對企業造成一定的人流量損失。

此外，考慮到量少的特殊性，所使用的箱子也較小。針對此類小存儲單位的物品可以使用兩種裝載方式，一種是使用周轉箱或者托盤，另外一種是直接使用普通紙箱進行運輸，減少承載類器具的成本占用。由此，A將使用箱子裝載直接運輸。與此對應的，A的貨架部分可以在橫梁上設計高度與托盤相同的墩子用以承載物料，也可以使用兩邊擔板中間留有空隙的方法，其目的是為堆垛機叉取貨物留有空間。

第二種物料A大小為800*1 000*1 000mm，第二種物料可以用來存儲那些通常用作綁定售賣的。例如在節日促銷或者日常打折等，此時可以提前將這種綁定的消費品進行一起存儲，等到售賣時一起取出即可，這樣可為企業節省大量的時間，做好售前充足的準備。A2 的承載方式考慮到重量問題，采用托盤進行運輸，同時堆垛機采取雙貨叉進行查取，而貨架就采用普通的橫梁貨架即可。

第三種物料A（900*1 300*1 800mm） 與第四種物料A（900*900*1 800mm） 物件較大且重量較大的可能性較高，針對此類大型包裝物件使用木制托盤進行承載運輸，以減少物體重量所帶來的箱子在運輸途中的摩擦；同時，也保證了物品的安全性和運輸途中的穩定性，避免對箱中的物品造成損傷。此外，家具產品、生活用品等這類體積稍大的貨物適用于A，而A適用于裝載存儲量大的快消品類的貨物，這類貨物出入庫流量相對較大，A會更加方便、快捷。A與A的存儲物品可以對換，可根據企業具體的出入庫流量與存儲量進行調度設計。

3.1.2 貨架設計

本文案例的倉儲布局初步按照面積大約128*59m 的倉庫進行設計，包括貨架和出入庫站臺。其中貨架的形式采取單排貨架統一規格，四種物料的比例初步按照1∶1∶1∶1 進行布局。表1 為物料的貨架數據，展示了物料的貨格數以及貨架數，并給出了貨架的排數、列數和層數，其中，長寬高是指物料加上托盤即實托盤的值。此外，為合理地使用占地資源以及設備布局，本案例中的貨架在寬和高的方向上均保持一定的平衡。

表1 貨架設計數據

3.2 貨叉與貨叉站臺研究

3.2.1 貨叉設備研究

根據上文設計的四種物料規格，相對應的也要具備四種貨叉（如圖3 所示）。其中，貨叉設備的結構原理相同、構成相似，利于批量化生產，生產時只需要根據物料所需要的尺寸進行修改零部件的大小即可。在本案例中，四種物料規格中A的物料規格最大，而其他三種貨叉相對較小。除A使用單貨叉以外，其余都使用雙叉。其中，A與A的托盤寬度一樣，但因為寬度不相同，故貨叉也有區別。

圖3 四種物料貨叉立面圖

3.2.2 貨叉庫研究

本文中設計的堆垛機為可換貨叉型，堆垛機的組成主要由堆垛機本體、貨叉以及貨叉庫所構成，貨叉庫是用來放置未使用的貨叉。在本案例中，貨叉庫的位置定于出入庫站臺的上方（如圖4 所示），此位置可節約占地面積、方便堆垛機本體換取貨叉后直接就近出入庫站臺取貨，節約時間。對于放置貨叉的設備初步設置為簡易的穿梭車站臺，使用此設備的原因是貨叉之間的寬度不同，需要借助穿梭車使得貨叉自動移動到與堆垛機的本體的對接位置。

圖4 四種物料的貨叉站臺

3.2.3 柔性倉儲系統總體方案展示

本案例對A 超市設計了四種物料的存儲規格，在基礎數據上，以四種物料1:1:1:1 進行貨架和貨格的設計，以最低一臺堆垛機數量進行布局。總體設計方案包括立庫、堆垛機和出入庫站臺。其中，貨架與貨架之間均有堆垛機換軌路徑進行連接，采取換軌技術，可實現堆垛機數量小于巷道數量，以滿足企業在出入庫流量滿足的需求下減少堆垛機的購買數量，從而減少企業的成本支出和閑置資源，為企業達到資源合理利用最大化。此外，為節省占地面積，對A 超市的總體布局采取出入庫站臺一端式，換叉堆垛機應用案例局部布局圖如圖5 所示。此倉儲系統的布局方案可以提升以往統一規格倉儲系統的柔性，解決企業多品種、多規格及小批量的問題。

圖5 換叉堆垛機應用案例局部布局圖

4 結 論

多品種、多規格及小批量的生產模式已是必然，本文針對這種生產模式設計出一種柔性倉儲系統，系統的構成主要由可換貨叉的堆垛機和多規格貨架進行結合。其中，如果設計單排貨架混合規格進行貨架布局，堆垛機可以在同一巷道中更換貨叉存取多種貨物。除對貨物的大小無限制以外，還可對貨物的載具進行一定的變化，例如重量輕的貨物可省去托盤承載，為企業節約設備成本。此外，本研究讓堆垛機在以往的性能上更具適應性，可幫助企業打造柔性倉儲系統，為多品種、多規格及小批量的倉儲問題提供新的解決方案，也為該領域的研究發展提供新的思路。