自動化立體倉庫中出入庫系統(tǒng)的設計與分析

自動化立體倉庫中出入庫系統(tǒng)的設計與分析

自動立體倉（as-s）是目前廣泛使用的一種內存形式，可以實現(xiàn)存儲、裝卸和搬運的許多功能。出入庫系統(tǒng)是自動化立體倉庫的一個重要組成部分,它與存儲區(qū)域相連接,是自動化倉庫與外部區(qū)域的接口;出入庫系統(tǒng)一方面要保證外部物料的及時入庫,另一方面要保證內部作業(yè)的快速、準時。同時,出入庫系統(tǒng)也是整個自動化立體倉庫系統(tǒng)中形式最多樣、變化最繁多的部分,對整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性及實用性有很大的影響。1庫格管理系統(tǒng)績效影響因素分析出入庫系統(tǒng)是整個自動化立體倉庫中非常重要的一環(huán),其性能有如下的關鍵影響因素。1.1自動化立體倉庫存儲能力系統(tǒng)存儲區(qū)的主要技術參數(shù)有庫容量、貨架規(guī)格、巷道數(shù)量等。庫容量是最主要的技術參數(shù),決定了自動化立體倉庫的存儲能力。在庫容量、倉庫面積、存儲高度一定的基礎上,巷道的數(shù)量越多,存儲區(qū)的出入庫能力則越強;巷道的數(shù)目越少,有效庫容量就越大,但出入庫的能力則越弱。1.2種出庫策略自動化立體倉庫采用不同的存儲策略,出入庫系統(tǒng)的工作模式也不相同。自動化立體倉庫通常采用兩種出庫策略,一是集中原則,即將相同類型的物料集中在一起存儲,方便管理;二是分散原則,將相同的物料分散到多個貨架進行存儲,這樣可以增加立體庫的應變能力以及出庫能力。存儲策略會影響物料在立體庫中的流動形式,直接影響著堆垛機的運行效率,從而影響出入庫系統(tǒng)的工作。1.3動性作業(yè)量的變化。對于日期自動化立體倉庫的作業(yè)特點主要可以從訂單的時間維度和品項維度兩個方面進行分析。在時間維度上,自動化立體倉庫的作業(yè)量一般不是比較平穩(wěn)的,而是呈現(xiàn)出一定的波動性,這種作業(yè)量的變化,可能體現(xiàn)在一天當中的不同時段,也可能是一個月當中的不同日期,還可能是一年當中的不同月份。在一定的單位時間周期內,從作業(yè)量的角度分析,需求的波動性主要有4種類型的分布形式,如圖1所示。由于自動化立體倉庫的波動性比較明顯,出入庫系統(tǒng)作業(yè)強度也會發(fā)生相應的改變。除此之外還需要考慮訂單的品項需求的特征,在存儲策略以及出入庫策略一定的情況下,訂單的品項與存取區(qū)空間維度形成了一定的對應關系,進而影響了自動化立體倉庫的作業(yè)形式。2自動化立體倉庫出入庫系統(tǒng)評價的一般原則自動化立體倉庫是一個以快速完成出入庫作業(yè)為目標的復雜的物流系統(tǒng),而出入庫系統(tǒng)是其中一個有機的組成部分。構建自動化立體倉庫出入庫系統(tǒng)績效評價指標體系應遵循以下原則:(1)目的性和完備性原則。建立自動化立體倉庫出入庫系統(tǒng)指標應該以企業(yè)的目標作為導向,并能夠全面且客觀地反應出入庫系統(tǒng)的構成要素。同時指標的設置應緊緊圍繞出入庫系統(tǒng)及其構成的要素,并且應當全面綜合地考慮各個指標,以免遺漏。(2)科學性與實用性原則。評價指標體系的建立應當符合科學性和實用性的原則,即選擇的指標能很好地反應出入庫系統(tǒng)的能力,并具備良好的可操作性。選擇的指標在數(shù)量、相互關系和隸屬上都要真實、客觀。如果指標選擇得不好,就難以反映出出入庫系統(tǒng)的真實水平,另外指標要便于獲取,這樣才能得出一個準確有效的評價結果。(3)互斥性與有機結合原則。為了避免指標之間相互包含或是重復,建立的指標之間不應存在很強的相關性,避免指標的內涵出現(xiàn)重疊。各個指標之間應當有一定的獨立性,當然,它們之間不可能完全獨立,往往存在一定的有機聯(lián)系,這樣建立的評價指標將使得對出入庫系統(tǒng)的評價更具邏輯性。(4)定量原則。由于定性的指標不直觀,難以給人一個直觀的結果和概念,必須要通過一定的方式來將其轉化為定量的,這樣在各個自動化立體倉庫出入庫系統(tǒng)之間就可以方便地比對。根據(jù)上述原則,選擇成本、效率、技術以及柔性4個指標對自動化立體倉庫出入庫系統(tǒng)進行評價,相應的評價體系如圖2所示。成本指標是出入庫系統(tǒng)經(jīng)濟性的體現(xiàn),成本指標中最基本的指標就是設備的單價,因為出入庫系統(tǒng)是由不同的設備組合而成。再結合設備的數(shù)量,就可以很清楚地計算出系統(tǒng)的投資總額,這是成本指標的主體,其他的指標還包括設施設備檢維修、保養(yǎng)費用以及人員培訓費用。效率指標是反映出入庫系統(tǒng)優(yōu)劣的一個重要的指標,主要反映出入庫系統(tǒng)的作業(yè)能力。技術指標是從技術角度對出入庫系統(tǒng)進行評價,包括設備利用率、設備可靠性、機械作業(yè)化程度、人員有效利用率、人員技能掌握情況及自我學習應用能力、日出入庫量或品項數(shù)、品項差異程度、出入庫形式數(shù)量、出入庫流程標準化及靈活性等。柔性指標是反映出入庫系統(tǒng)應變能力的一個指標,主要是針對輸入輸出條件會經(jīng)常變化的自動化立體倉庫而言。3方案設計的上,主要考慮物流裝備的發(fā)展條件現(xiàn)代物流裝備在現(xiàn)代物流體出入庫系統(tǒng)的設計是在綜合分析不同種類需求的基礎之上,結合物流裝備的特點,進行相應的方案設計。為了便于說明,將貨架數(shù)統(tǒng)一設定為8排,單排貨架共有貨位200個,存儲區(qū)內共有貨位1600個。3.1自動立體倉庫系統(tǒng)的形態(tài)結構輸送機模式是最常見的出入庫系統(tǒng)所采用的設備,具有輸送能力大的優(yōu)點,同時也是最為復雜的出入庫系統(tǒng),其線路的布置多種多樣。首先,對于輸送機模式,最簡單的是單線型布置。即輸送機垂直于巷道作單線布置,以8條巷道的自動化立庫為例,如圖3所示。圖3是單線線路布置的一種形式,物料從輸送機的一側輸入,另一側輸出,輸送機可以連續(xù)作業(yè)。物料在輸送機上轉向進入出入庫平臺時,移載裝置工作,后端的輸送機會停機等待,因此,要最大限度地利用輸送機的使用效率,就要減少由于移載所產(chǎn)生的停機現(xiàn)象。如果移載裝置工作不花費時間,則輸入速度由輸送機的速度與輸送機的間隔規(guī)則決定,此為理論最大輸入速度,如果將物料連續(xù)輸入某一個巷道,則物料的輸送速度將由移載裝置決定,移載裝置的處理時間就是輸入作業(yè)的節(jié)拍,此為理論最小能力。通常而言,單線線路布置適合于出入庫作業(yè)互不干擾的自動化立體倉庫,在出入庫作業(yè)同時進行時,這種布局形式容易產(chǎn)生出入庫作業(yè)相沖突的情況。而其處理能力主要受移載裝置的處理時間以及輸送速度影響。單線輸送機的另一個優(yōu)點是其占地面積較小,在本例中其占地面積約為24m2,對于企業(yè)而言投資不大,是一種比較經(jīng)濟的出入庫系統(tǒng)模式。圖4所示為出入口處于同端的單線線路圖,這樣物料在出入庫時都從一側進入。在此模式下,出入庫作業(yè)區(qū)可以合并,有效減少面積的使用。但這種形式不適合于出入庫作業(yè)同時進行的情況,容易出現(xiàn)作業(yè)沖突的情況。并且,這種模式對輸送機的承載裝置有較高要求,必須能夠實現(xiàn)雙向輸送。對于單線輸送機,可以有多個入口或出口,對于多個入口的情況,可以分為兩種,一種是入口相對于巷道均勻分布(如圖5所示),一種是入口集中在一側。出入口均勻分布的單線輸送機模式增加了出入口的數(shù)量,這樣在實際出入庫作業(yè)時,各分段的輸送機可以各司其職。對于物料來說,其出庫和入庫作業(yè)所經(jīng)過的輸送機的路徑長度就比在單出入口的輸送機模式下要短,這樣可以提高設備的使用效率。這種類型的出入庫系統(tǒng)可以正對月臺或是作業(yè)區(qū),提供了充足的空間進行作業(yè)。本例中此種模式占地約30m2。單線輸送機適合于出入庫作業(yè)互不干擾的情況,但仍容易出現(xiàn)瓶頸的現(xiàn)象,因此,在單線布局的基礎上也出現(xiàn)了雙線輸送機模式,如圖6所示。雙線布置是在單線的基礎上再加入一條輸送線,通常用于同端出入式的自動化立體倉庫,兩條輸送線之間會有一定數(shù)量的連接線進行連接。雙線性輸送機模式中包含有多個“井”字型布局,這樣物料在某一出入口位置要進入某一巷道或是從某一巷道出庫至某一出入口時,都有兩條以上路徑可供選擇,尤其是出入庫作業(yè)同時存在時,出入庫作業(yè)可以各行其道,互不干擾,有效提高使用效率。通常情況下,雙線型輸送機模式的占地面積以及設備數(shù)量都是單線輸送機模式的兩倍。如圖7所示,環(huán)形輸送機布置也是一種常見的出入庫形式。自動化立體庫的存儲區(qū)通常是長方形的,環(huán)形輸送機系統(tǒng)將兩條輸送機延伸,將出入口或月臺相對貨架作平行布置,這樣出入口或月臺有更廣闊的作業(yè)空間,尤其對于入庫作業(yè)量大而貨架數(shù)量較少的自動化立體倉庫,環(huán)形布置非常有效。多入口型雙線布置也是一種常見的布局形式,如圖8所示。這種形式的優(yōu)點在于保證了外部物料的輸入速度,使物料能夠快速地進入出入庫系統(tǒng)。這種模式要求輸送機系統(tǒng)的入庫速度很快,適合于物料大量到達的情況。3.2環(huán)形穿透車式穿梭車模式是另一種常用的出入庫系統(tǒng)。主要采用穿梭車在軌道上快速輸送,完成出入庫作業(yè)。直線穿梭車形式是最基本的穿梭車輸送模式,如圖9所示。其系統(tǒng)簡單明了,由穿梭車在直線軌道上往來輸送完成出入庫作業(yè)。這種模式下,單次輸送的速度會很快,但整個系統(tǒng)僅依靠一臺穿梭車完成輸送,能力較弱。如圖10所示,環(huán)形穿梭車在環(huán)形軌道上放置若干輛輸送小車,在環(huán)線的另一側設置若干出入口,這樣,由于有多臺穿梭車同時運動,其處理能力較直線穿梭車有大幅提升,但環(huán)形穿梭車形式的小車調度難度較大。環(huán)形穿梭車的軌道布置并不是一成不變的,也可鋪設成其他形式。圖11所示為“T”字形穿梭車布置形式,將環(huán)形線路的一部分突出,再沿線設置多個出入口,這樣可以增加出入口的數(shù)量,加大了外部的輸入能力,同時,也使得環(huán)形軌道的長度加長,可以配置更多的小車,提升出入庫系統(tǒng)的能力。4出入庫作業(yè)能力分析借助Flexsim仿真軟件對輸送機構成的出入庫系統(tǒng)的能力進行分析,以便分析各種因素的影響。所選用的自動化立體倉庫模型設備參數(shù)如下:貨架16排,每排貨架都為10層,每層有20個存儲單元,其中貨架的存儲單元尺寸為長1100mm,高1050mm,寬2000mm。堆垛機運行水平速度為120m/min,堆垛機運行垂直速度為30m/min。在此條件下,堆垛機穿行整條巷道的時間為11s。依據(jù)堆垛機能力的經(jīng)驗算法,單排貨架的單作業(yè)周期為21.3s,復合作業(yè)的周期為15.6s。由于有16排貨架,8臺堆垛機,故在單作業(yè)情況下,平均完成一次存貨或是取貨的作業(yè)時間是2.6s,復合作業(yè)的周期是1.9s。單線輸送機用于較為簡單的出入庫系統(tǒng),影響單線輸送機模式的能力的主要因素是輸送速度以及出入口數(shù)量,提升運行速度以及增加出入口數(shù)量都可以提升系統(tǒng)能力。本次仿真的基本設置為:輸送機速度為0.2m/s,使用處理器模擬節(jié)點轉換裝置,設置轉向處理時間為2s,出入庫系統(tǒng)有一個入口,在輸送機的一端,完成建模后如圖12所示。批量處理時,假定物料隨機進入各個貨架,影響單線輸送機模式的主要因素是輸送速度以及出入口數(shù)量。經(jīng)過1307s,所有300個單元的物料全部完成入庫,此出入庫系統(tǒng)的處理速度為4.35s/單元。在相同的條件下,將輸送機的速度改為1m/s,再次運行,經(jīng)過929s,所有物料完成入庫。此時系統(tǒng)的極限處理速度為3.1s/單元,對比0.2m/s的速度條件下,能力增加了50%。增加一個入口,使兩個入口分別負責4個巷道的入庫,輸送機速度仍為0.2m/s,再次運行,經(jīng)過1032s,所有物料完成入庫。此時系統(tǒng)的極限處理速度為3.44s/單元,比單入口的情況下能力增加了26%。再增加一個入口,此時有3個入口,其他條件不變,再次運行。經(jīng)889s,所有物料完成入庫。此時系統(tǒng)的極限處理速度為2.96s/單元,比雙入口的條件下能力增加了16%。再增加一個入口,此時有4個入口,其他條件不變,再次運行。經(jīng)782s,所有物料完成入庫。此時系統(tǒng)的極限處理速度為2.66s/單元,比三個入口的條件下能力增加了11.2%。這一結果可輸出趨勢圖如圖13所示。當貨物批量處理時,物料按一定次序進入貨架,設定離入口端最近的貨架為1號,距離入口最遠端的為8號。設置若干種輸入序列,輸入80個單位的物料。序列1設置為依此輸入8批物料,每批數(shù)量為10,按序列1輸入,運行模型,可以看見每一時刻最多只有一臺堆垛機在工作,整條輸送線經(jīng)常處于停機狀態(tài),共耗時1120s完成入庫,效率很低;序列2中,也是到達8批物料,每批10個單位,但順序是從8到1。按序列2輸入,共耗時283s完成入庫;序列3中,共輸入80個單位的物料,按從8到1依次循環(huán)進行,共耗時230s完成入庫;第4種序列共輸入一批80個單位的物料,物料隨機均布為8種類型,再次輸入,經(jīng)327s完成入庫。通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)自動化立體倉庫的作業(yè)能力受任務序列的影響較大,應盡量減少在靠近入口端的停機等待。按序列2以及序列3輸入之所以效率較高,是因為這兩種輸入形式都是從距離入口較遠的巷道開始輸入,即使遠端的輸送機出現(xiàn)堵塞,也不會對后續(xù)的物料輸入產(chǎn)生影響。而這兩種形式不同之處在于序列2是按一定批量依次輸入,而序列3是將物料逐個輸入。如果按序列2的策略進行輸入的話,