0 引言

在物流活动中, 仓储是物流的主要功能之一, 物流中的仓储业在现代服务行业中占有独特地位, 其发展对优化物流与供应链系统、 转变国民经济的增长方式、 提高国民经济的运行质量都具有重大意义[1]。 目前, 随着互联网技术的发展和应用, 物流业得到突飞猛进的发展, 这对物流的自动化立体仓库存储提出了更高的要求, 单从技术上对高层货架进行纵向拓展显然不满足物流的成本效益原则[2]。

通过改变堆垛机的结构, 可以在较少设备投资的情况下减少作业时间、 提高仓库的运行效率, 这在实际应用中具有十分重大的意义。 在该问题上, 相关行业的研发人员从不同的角度提出了各自的方法, 实现在有限空间内提高存储效率[3,5]。 例如, 桥式堆垛机的提出, 具有桥架和回转小车, 货架间需要的巷道宽度比叉车作业时所需要的小, 可以服务于多条巷道。 但是立柱高度的限制, 桥式堆垛机的作业高度不能太高。 进而又提出了巷道式堆垛机, 巷道式堆垛机是由叉车、 桥式堆垛机演变而来的。桥式堆垛机由于桥架笨重因而运行速度受到很大的限制, 它仅适用于出入库频率不高或存放长形原材料和笨重货物的仓库。 巷道堆垛机的主要用途是在高层货架的巷道内来回穿梭运行, 将位于巷道口的货物存入货格; 或者, 取出货格内的货物运送到巷道口, 如今巷道式堆垛机已经取代了桥式堆垛机。 然而随着物流行业突飞猛进的发展, 巷道式堆垛机的处理能力不能满足实际需求, 改变堆垛机的运行轨道成为一个突破口, 环形轨道使得堆垛机可以服务于两个货架平面, 该策略的提出的确有效提高了处理能力。

当前自动化立体仓库的研究主要是针对单台堆垛机的路径优化, 但是部分企业已经提出并研究并行堆垛机作业问题和进一步提高堆垛机作业效率。 因此, 本文主要分析并行堆垛机的处理能力, 具体内容为: 根据更接近于实际情况的堆垛机复合作业模式进行数学建模; 考虑堆垛机出入库计划期作业任务序列优化、 储位分配均衡、 复合循环作业等原则, 求解在单周期内并行堆垛机的处理时间; 对进一步的改进方案提出思路。

1 自动化立体仓库与并行堆垛机

1.1 自动化立体仓库。 自动化立体仓库由高层货架, 巷道堆垛起重机( 有轨堆垛机) 、 入出库输送机系统、 自动化控制系统、计算机仓库管理系统及其周边设备组成, 可对集装单元货物实现自动化保管和计算机管理的仓库。 仓储技术及自动化立体仓库( Automatic Storage and Retrieval System, AS/RS) 是支撑现代物流的基本环节, 堆垛机的处理能力又很大程度上决定了AS的存储能力。

堆垛机面向自动化立体仓库的货架平面进行存取作业, 有三种作业模式: 单指令周期, 即堆垛机单独进行一个任务的往返操作; 双指令周期, 即将一个入库任务和一个出库任务进行复合作业; 混合模式, 即根据实际任务部分作业采用单指令周期,另一部分采用双指令周期。 近年来, 为满足现代物流仓储面临的高库存周转率需求, 在堆垛机的技术改进上已经不断创新, 双货叉堆垛机通过在同一堆垛机上增加双向货叉, 使得在窄巷道内可以同时面向对立的两个货架面进行存取作业; 环形巷道式堆垛机在同一货架周围铺设环形轨道, 让单台堆垛机可以在同一货架正反面进行作业; 除此之外, 某些企业已经思考并行堆垛机的设计。

图1 2×2 并行堆垛机 

1.2 并行堆垛机。 并行堆垛机的最大特点是在立体仓库的单巷道中同时设置2×2 台堆垛机, 以同步协调控制, 使其在各自独立的作业中互不干扰, 堆垛机为两层, 巷道内的4 台堆垛机同时作业, 出入库作业效率高于4 台普通堆垛机的效率; 可以根据处理能力的不同, 优化堆垛机的同时运行台数和运行速度,在一台堆垛机减速时产生的电能传输给其他堆垛机使用, 降低整体能耗; 巷道内的4 台堆垛机均可独立进行作业, 因此系统不会出现停运现象, 在单台堆垛机检修时, 整个系统仍可正常工作。 接下来针对同时设置2×2 台堆垛机( 如图1) 的处理能力进行理论分析。

2 作业效率分析

巷道式堆垛机有两种作业方式, 单一循环作业( 图2) 和复合循环作业( 如图3) 。

图2 单一循环作业   

图3 复合循环作业   

2.1 参数设置

m———立体货架的层数,(m≤500)

n———立体货架的列数,(n≤500)

j———货物所在的层数,j=1~m

k— ——货物所在的列数, k=1~n

tjk———堆垛机到达j层k列的货位所需的运行时间

tf———货叉叉取作业时间

ti———堆垛机作业的停机时间、控制延迟时间

tt———平均货位移动时间

Ns———单一循环作业堆垛机出入库能力

Nd———复合循环作业堆垛机出入库能力

单一循环作业时间:

复合循环作业时间:

2.2 问题分解。 以普通巷道式堆垛机同样的作业空间为研究对象, 将2×2 并行堆垛机首先分解为上下两层( 如图4) , 由于上下两层堆垛机作业不存在干扰, 在作业分配均匀的情况下, 面向同一货架平面, 效率较单台巷道式堆垛机提高2 倍。

图4 两层单台堆垛机作业   

图5 并行堆垛机作业 

图6   

分别再考虑上下各层增加一台堆垛机, 设计如图5, 该设计在堆垛机水平运动方向互相平行, 不存在干扰, 但是在垂直方向堆垛机的载货台之间有一定干涉, 因此每一层的并行堆垛机会因垂直方向干涉而减速。 假设将同层的两台堆垛机之间变换到对立的空间平面( 如图6) , 两个作业任务分别为存货A和取货B, 当只有一台堆垛机时

2.3 模型总结。 以实际情况来假设工作过程中两台堆垛机均80%为单一作业, 20%为复合作业, 同时假设所有作业起点为原点( 有考虑连续作业过程和就近原则) 计算单台堆垛机在同一作业时间:

(注:单一作业为2TS,复合作业为TD,复合作业经序列优化后与单一作业的处理时间之间有:TS<TD<2TS)。

在原假设基础上分析同一轨道并行堆垛机在同一周期内的作业时间:

并行堆垛机复合作业分别考虑两种情况: ①2 台机器分别完成出库和入库, 则处理时间为单一作业时间TS; ②2 台机器都进行复合作业, 这里需要增加另外一对出入库作业, 一共为四个任务, 处理时间为 ; 结合由公式 , 可以得出并行堆垛机处理时间为 。

比较单台堆垛机与并行堆垛机在对一任务处理时间上的进行比较:

由公式( 5) 明显得出, 一层并行堆垛机的处理能力是单台堆垛机的2.53 倍, 则本文开始提出2×2 并行堆垛机的处理能力可以达到5.06 倍。

3 结论

通过对自动化立体仓库中的并行堆垛机作业效率建立模型进行理论分析, 证明了2×2 并行堆垛机的处理能力明显优于4 台普通堆垛机, 以及并行机的实际应用具有可行性。 进一步的研究可以根据实例数值模拟, 仿真以及实物模型开发等方法, 精确计算出并行堆垛机的实际处理能力。 此外, 为减少并行堆垛机作业时的干扰性, 水平垂直方向的PLC协调控制技术至关重要;根据自动化立体仓库的储位分配均衡原则, 复合作业原则及就近原则来优化作业任务序列, 也能有效提高并行堆垛机的出入库效率