物流自動化技術文獻綜述

物流自動化技術文獻綜述摘要：物流自動化技術是指物流活動中所采用的自然科學與社會科學方面的理論、方法，以及設施、設備、裝置與工藝的總稱。本文從硬技術和軟技術兩個方面來介紹物流自動化倉儲技術。物流自動化硬技術是指組織物資實物流動所涉及的各種機械設備、運輸工具、站場設施及服務于物流的電子計算機、通信網(wǎng)絡設備等方面的技術。物流自動化軟技術是指，組成高效率的物流系統(tǒng)而使用的系統(tǒng)工程技術、仿真工程技術、配送技術等。關鍵字：物流，倉儲，自動化，綜述1、物流自動化技術介紹物流業(yè)的發(fā)展水平被認為是一個國家綜合國力和企業(yè)競爭能力的反映,是國民經(jīng)濟的核心競爭力?，F(xiàn)代物流在國際上被公認為是成長潛力巨大的朝陽產(chǎn)業(yè)。吳邦國指出,物流業(yè)是“國民經(jīng)濟的重要產(chǎn)業(yè)和新的經(jīng)濟增長點”,美國著名咨詢公司麥肯錫公司在對中國物流業(yè)進行調(diào)查后撰寫的《中國物流市場白皮書》認為,物流業(yè)“將在未來中國的經(jīng)濟發(fā)展中起到關鍵作用”。物流自動化在整個物流業(yè)中發(fā)揮著關鍵的作用。所謂物流自動化就是有機的將自動化的思想和方法應用于物流過程中,使物流過程各環(huán)節(jié)合理結合以提高效率滿足用戶需求。美國、日本和歐洲的物流業(yè)最為發(fā)達,其物流自動化技術和裝備也最為先進。以美國為例,由于物流自動化水平的提高,美國物流成本占國內(nèi)生產(chǎn)總值的比重在近十年來有了明顯的下降，由11%以上降到10%左右。國內(nèi)的物流自動化水平遠落后于美國日本等發(fā)達國家,提高物流自動化的水平必然會給我國國民經(jīng)濟帶來巨大的效益,促進我國經(jīng)濟實現(xiàn)由粗放經(jīng)營向集約經(jīng)營的重大轉(zhuǎn)變。物流所要解決的問題是物流活動的機械化、自動化和合理化。物流自動化是現(xiàn)代信息技術集成的產(chǎn)物,能實現(xiàn)物流管理、作業(yè)及控制過程的自動化。現(xiàn)代物流業(yè)正在世界各國廣泛興起，物流產(chǎn)業(yè)已成為各個國家經(jīng)濟發(fā)展的動脈和基礎盧業(yè)。從上世紀60年代逐步采用自動化物流系統(tǒng)以來，到今天已成為企業(yè)生產(chǎn)管理部可缺少的重要組成部分，建立自動化物流系統(tǒng)已成為現(xiàn)代企業(yè)的重要標志之一。自動化物流系統(tǒng)是典型的現(xiàn)代機械與電子技術相結合的系統(tǒng)，由具有一定智能的物流設備和計算機管理與控制系統(tǒng)組成。其空間利用率高，倉儲能力強，能夠通過計算機進行控制管理，實現(xiàn)貨物搬運、存取的機械化和自動化歸結起來由四大子系統(tǒng)構成，即自動化立體庫系統(tǒng)、自動揀選輸送系統(tǒng)、自動分揀系統(tǒng)和計算機管理與控制系統(tǒng)，如圖1-1所示。圖1-1自動化倉庫構成1.自動化立體倉庫系統(tǒng)(Automated StorageandRetrievalSystem,簡稱AS&RS)是自動化物流技術的核心。系統(tǒng)既可以有效利用空間又便于迅速進庫出庫,實現(xiàn)既簡單又精確的庫存管理，利用計算機進行控制，可以快速、簡便地完成日常的進出庫作業(yè)避免庫存過?；虿蛔?。2.自動輸送系統(tǒng)(Automatic ConveyorSystem)是將各揀選作業(yè)區(qū)域揀選出的貨物自動輸送,最后統(tǒng)一合流到自動分揀系統(tǒng)的入口。是銜接自動化倉庫和自動分揀系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。3.自動分揀系統(tǒng)(AutomaticSortingSystem)是物流中心不可缺少的一部分。物流中心在最短的時間內(nèi)將這些商品卸下并按商品特點進行快速準確的分類。4.計算機控制和管理系統(tǒng)(WarehouseManagementSystem)是自動化物流系統(tǒng)充分發(fā)揮優(yōu)越性的關鍵。能把所有設備有機地組合在一起,形成一個系統(tǒng),高級的自動化物流系統(tǒng)是由管理計算機、中央控制計算機和直接控制現(xiàn)場設備的可編程控制器組成。各個子系統(tǒng)相互協(xié)調(diào),配合工作構成完整的自動化物流系統(tǒng)。自動化物流系統(tǒng)的應用主要集中在制造業(yè)、醫(yī)藥、食品、煙草等行業(yè)領域[1]。如圖1-2所示,是海爾公司的國際自動化物流中心。圖1-2海爾國際自動化立體倉庫自動化立體倉庫是自動化物流整體系統(tǒng)的一個子系統(tǒng),作為物流自動化的核心技術,具有利用率高、出入庫能力強、倉儲自動化水平高等諸多優(yōu)點,已發(fā)展成為衡量物流運作與管理水平的重要指標,也是物流系統(tǒng)的研究重點。2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2、1自動化立體倉庫調(diào)度主要研究內(nèi)容自動化立體倉庫技術涉及到管理、硬件、軟件控制于一體,研究內(nèi)容非常廣泛。在自動化立體倉庫的設計過程中,也常常涉及到對自動化立體倉庫內(nèi)設備的管理、調(diào)度等優(yōu)化技術。就自動化立體倉庫的設計和優(yōu)化來說,國內(nèi)外主要在以下幾個方面進行了研究:1.自動化立體倉庫效率的優(yōu)化策略的研究。主要包括貨位優(yōu)化的研究,出入庫作業(yè)的優(yōu)化調(diào)度研究,堆垛機揀選作業(yè)的路徑優(yōu)化設計,輸送系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度等。貨位分配問題是管理中的一個重要部分,自動化立體倉庫要達到存取高效,則要求貨物貨位方面配合合理化,從而提高立體倉庫的空間利用率。出入庫作業(yè)的調(diào)度問題的研究也不斷深入,對優(yōu)化策略進行研究具有重大意義。2.自動化立體倉庫本身的布局進行研究。對于自動化立體倉庫來說,其靜態(tài)布局設計是進行其他設計活動的基礎,在靜態(tài)設計中,要根據(jù)貨物確定貨位尺寸和倉庫總體布局,恰當?shù)卮_定倉庫布局是一項極其重要的內(nèi)容,它直接關系到倉庫面積和空間利用率,也關系到倉庫能否順利地存取貨物。3.自動化立體倉庫內(nèi)運行的主要設備,如巷道堆垛機,輸送系統(tǒng)及周邊運輸小車等設備的設計進行研究。巷道堆垛機是自動化立體倉庫的主要作業(yè)機械,是自動化立體倉庫中關鍵設備之一。輸送系統(tǒng)作為立體倉庫儲存區(qū)與外界交接的關鍵設備,其設計好壞直接影響整個立體倉庫系統(tǒng)的物流通暢性。不同的自動化立體倉庫的設備職能各異,研究主要集中在對各個設備的整體優(yōu)化上。自動化倉庫出入庫調(diào)度的合理化、工藝任務的分配合理性,作業(yè)任務響應的實時性以及倉庫的智能化程度等的要求也越來越高,而這些要求都可以歸結為自動化立體倉庫的作業(yè)調(diào)度與策略優(yōu)化問題。作業(yè)優(yōu)化直接關系到化成自動化倉庫的作用是否能夠得到充分發(fā)揮,任務調(diào)度的合理又是保證化成工藝各個工序有條不紊進行的前提。所以進行自動化倉庫的調(diào)度及優(yōu)化研究有重要意義和實用價值。2、2自動化立體倉庫貨位優(yōu)化的研究現(xiàn)狀在貨位分配優(yōu)化方面,最早有關分配策略的研究是Heskett[2]提出的單位訂單體積索引原則COI(cube-per-orderindex),COI為某種貨品存儲總量所需的庫存容量與該種貨品的出庫頻率的比值,體現(xiàn)了貨品的周轉(zhuǎn)速度。規(guī)則計算某種貨品的COI值,按貨品的COI值由小到大進行貨位分配。Heragup[3]建立數(shù)學模型并提供了一種啟發(fā)性算法,他將倉庫分為收貨區(qū)、保留區(qū)、直接換裝區(qū)、發(fā)貨區(qū),同時將倉庫的物流分為四種類型,然后建立優(yōu)化模型,并給出一種啟發(fā)式算法實現(xiàn)倉庫分配。VenkataReddyMuppani等[4]使用模擬退火算法應用在貨位分配調(diào)度,文章通過假設,定義參數(shù),算法進程到結果對比,證明其算法較COI的動態(tài)分析具有優(yōu)越性。上海交通大學的陳璐[5]等在自動化倉庫中對儲位分配和存取作業(yè)路徑優(yōu)化問題進行同時決策。提出了一個混合整數(shù)規(guī)劃模型對該問題進行優(yōu)化建模,設計開發(fā)了一個基于有向連接圖的兩階段優(yōu)化算法對問題求初始解,并利用禁忌搜索算法對所求得的結果進行改進。實例計算證明了算法的有效性,以及交叉存取方式對提高系統(tǒng)效率的重要性。浙江大學的柳賽男等[6]提出了庫區(qū)分配策略、任務分配策略和貨位分配策略三種調(diào)度策略來提高自動化倉庫的出入庫操作的效率。在一般庫區(qū)分配策略的基礎上,提出了基于映射的貨品貨位稱合庫區(qū)分配策略。該策略釆用貨品按出庫頻率高低排列形成不同優(yōu)先級的貨品鏈。貨位按照距離出入庫臺，遠近劃分為優(yōu)先級不同的貨位鏈,優(yōu)先級高的貨品鏈優(yōu)先相匹配耦合,形成相應的貨位分區(qū),并進行聯(lián)合編號,基本模型如圖1-3所示,實現(xiàn)了較好的貨位分配。2、3自動化立體倉庫出入庫作業(yè)優(yōu)化的研究現(xiàn)狀對于出入庫作業(yè)優(yōu)化問題,F.Basile等[5]把倉庫系統(tǒng)的分成幾大類子系統(tǒng),針對子系統(tǒng)之間的中問環(huán)節(jié)的調(diào)度進行研究。把調(diào)度建立成一系列離散事件的模型,并使用ColoredTimedPetriNet的方法分析,在實例的仿真中得出中間連接環(huán)節(jié)的重要。Hanli[6]的研究結果表明,當堆垛機的空駛時間降低50%時,系統(tǒng)效率可以提高10-15%。LinWu等[7]認為由于堆垛機在一個時刻只能處理一個任務,所以合理的的調(diào)度是提高效率的關鍵。文章提三種有效調(diào)度原則:先到先服務,不打斷優(yōu)先級和最短運行時間原則。制定調(diào)度算法表,采用ERP-WMS模式任務傳送給下位機執(zhí)行。實驗證明采用這種調(diào)度策略能明顯縮短時間。ValentinaColla等[8]以實際的鋼鐵倉庫系統(tǒng)為背景提出了存儲策略解決方法,基于遺傳算法對比了三個不同的解決方案處理多標優(yōu)化的方法:線性加權函數(shù),模糊系統(tǒng)目標函數(shù)和強度帕累托遺傳算方法。實驗證明三種解決方案都提供了良好的結果。BashirSalahl[9]在處理存放貨物時間方面,用一種基于Stewart-GoughPlatform的有線機器人替代原有的堆垛機完成存取貨物的任務。這種新機器的運行軌跡有效的減少了處理時間,且能讓倉庫機架配置更為靈活。2、4物流系統(tǒng)仿真的研究現(xiàn)狀對于自動化物流系統(tǒng)的研究國外主要是從研究離散事件系統(tǒng)衍生而來的，主要研究物流離散系統(tǒng)建模、仿真和優(yōu)化。JackG.A.J.vanderVorst對多層行食物供給系統(tǒng)進行研究，運用Petri網(wǎng)對這種動態(tài)離散系統(tǒng)的建模，并運用仿真呈現(xiàn)了這個復雜的供給系統(tǒng)[10]。LiFeiCheng將世界原油的物流運輸同樣看做一個離散系統(tǒng)。他們將仿真建模和優(yōu)化配置相結合，提出了一種用于決策的建模方法及配套算法[11]。AnaPaulaIannoni結合一群算法，對離散仿真分析對物流供應鏈這個較大的概念進行了剖析[12]。FrancescoParola通過對聯(lián)運集裝箱貨流在左舷系統(tǒng)網(wǎng)絡的運作模型進行仿真，找到了系統(tǒng)提升的切入點[13]。DemetriLagana提出的網(wǎng)絡計算系統(tǒng)可以有效的解決仿真模型的優(yōu)化問題，為優(yōu)化模型求解提供了廣闊的思路[14]。YoungM.Lee主要對化工廠的仿真模型中物流活動進行研究，其將該工廠內(nèi)的物流活動加以提煉，構建了廠內(nèi)物流優(yōu)化模型，用神經(jīng)元算法計算得到優(yōu)化的結果[15][11]。Aoyama等人將Monte-Carlu仿真手段應用在B2B企業(yè)的交涉環(huán)節(jié)，分析影響企業(yè)受益的根本因素，提出了物流伴隨信息流的全新的優(yōu)化理念[16]。Chin,Chia,Jane主要研究合理配送中心的存儲單元分配控制手段，這種分配方式是根據(jù)客戶訂單拉動的，通過仿真和優(yōu)化使得操作人員的分工更加合理[17]。Kim．Byung-In則是從控制的角度提出倉庫管理模式。這種系統(tǒng)基于智能代理理論闡述了通用的倉庫調(diào)度策略[18]。他還提出智能代理建模輔助工業(yè)倉庫的揀選作業(yè)[19]。Donald.Tepas針對倉庫揀選分工問題提出了用于倉儲系統(tǒng)決策支持的復雜問題解決模式[20]。物流仿真軟件對于物流系統(tǒng)模型分析，對構建的方案進行科學的決策與優(yōu)化具有重要的作用。西安理工大學的山東大學的張海峰運用面向?qū)ο蟮挠猩玃etri網(wǎng)對由工件對象、機床對象、AGV小車對象和自動化立體倉庫對象組成的FMS物流系統(tǒng)進行了建模,分析了系統(tǒng)模型中受控變遷發(fā)射的原理和控制方法，并將FMS物流系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型轉(zhuǎn)化為物流系統(tǒng)的仿真程序[21]。武漢理工大學的謝本凱利用PN建模，確定硬件之間的邏輯關系,主要針對貨品的進庫、出庫流程確定，利用witness軟件仿真,得出仿真數(shù)據(jù)。選擇三種不同的貨架設計方案，參考仿真結果擇優(yōu)[22]。武漢理工大學的谷曼介紹了自動化立體庫的設計規(guī)劃理論，討論離散系統(tǒng)的特性，構建仿真物理模型及數(shù)據(jù)模型，討論了仿真業(yè)務流程及事件的相互關系，并加以仿真[23]南京林業(yè)大學的胡學剛基于Petri網(wǎng)理論建模，利用Flexim軟件對該立體倉庫仿真，設定參數(shù)后得出仿真結果，找到了規(guī)劃模型的瓶頸[24]。沈陽工業(yè)大學的孔祥卓對立體倉庫的揀選作業(yè)進行分析建模，并對揀選作業(yè)的優(yōu)化方法加以探討，優(yōu)化了作業(yè)調(diào)度，并用Flexim軟件對實例仿真，建立了基本模型[25]。對于仿真結果的研究與分析是自動化立體倉庫設計、測試過程中不可或缺的一部分。通過對仿真結果的深入研究，運用科學的手段對設計環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，力求方案最優(yōu)，這對于工程實際與通用理論應用都具有重要的價值。山東科技大學的吳廣偉將遺傳算法應用于AS/RS中，針對堆垛機和AGV化問題，研究了與之相適應遺傳算子。根據(jù)堆垛機的運行過程，建立了數(shù)學模型，對于庫位與堆垛機的運行路徑進行優(yōu)化，采用C語言編寫了遺傳算法的源程序[26]。沈陽工業(yè)大學的馬濤從自動化立體倉庫的整體布局規(guī)劃與參數(shù)設計著手，基于對RFID技術對自動化立體倉庫的業(yè)務流程和組織進行設計，運用組合優(yōu)化算法對倉庫的揀選作業(yè)調(diào)度加以優(yōu)化[27]天津理工大學的張虹娟首先針對堆垛機的行走路線進行優(yōu)化，建立優(yōu)化模型，運用自創(chuàng)的基于非定長小窗的自適應蟻群遺傳混合算法求得最短路徑。其次將堆垛機的調(diào)度邏輯看做是商旅問題，同樣采用自創(chuàng)的具有離散參數(shù)的蟻群算法進行最優(yōu)求解[28]蘭州交通大學的杜亞江構建實際項目，運用排隊論基礎理論對I型、U型的自動化立體倉庫進行了排隊論模型的建立，并給出了各個參數(shù)的求解方法。運用eM-Plant物流仿真軟件分別對U型和I型兩種類型的自動化立體倉庫進行了仿真建模，對驗結果進行了分析，提出了合理的建設立體倉庫的方案[29]3、參考文獻[1]李衛(wèi)成.汽車生產(chǎn)物流自動化信息化管理系統(tǒng)的研制[D].上海交通大學,2013.[2]HeskettJL.Cube-per-orderindex-Akeytowarehousestocklocation[J].TransportandDistributionManagement,1963[3]HeraguSS,etal.Mathematicalmodelforwarehousedesignandproductallocation[J],InternationalJournalofProductionResearch,2005.[4]Venkata 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