任 征

（河南中煙工業(yè)有限公司，河南 鄭州 450000）

1 基于WCS系統(tǒng)的巷道式堆垛機(jī)作業(yè)模式

1.1 單一作業(yè)模式

單一作業(yè)模式即堆垛機(jī)僅完成存或取的單一作業(yè)，是指堆垛機(jī)僅執(zhí)行入庫或者出庫的單一作業(yè)，常在WCS系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)設(shè)置使用，該種情況下堆垛機(jī)調(diào)度的主要作用是保證貨物的及時(shí)出入庫，其流程如圖1所示[1]：

單一作業(yè)模式下堆垛機(jī)總是被一個(gè)作業(yè)所占用，只有某一項(xiàng)作業(yè)完成之后堆垛機(jī)才被釋放，當(dāng)出入庫作業(yè)繁忙時(shí)，會(huì)影響倉庫作業(yè)效率。

1.2 復(fù)合作業(yè)模式

通常情況下，WCS系統(tǒng)的作業(yè)任務(wù)是大于一個(gè)的，若均按優(yōu)先級(jí)設(shè)置，則堆垛機(jī)將一直被單一任務(wù)使用，降低堆垛機(jī)的利用率和倉庫作業(yè)效率。因此，在WCS系統(tǒng)中將各個(gè)出庫和入庫任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化組合，即復(fù)合作業(yè)模式，其流程如圖2所示。

比較單一作業(yè)模式，當(dāng)堆垛機(jī)面臨多條作業(yè)指令時(shí)可以進(jìn)行將入出庫作業(yè)進(jìn)行合理組合，縮短單一作業(yè)模式的整體作業(yè)時(shí)間，同時(shí)也可以解決當(dāng)入出庫作業(yè)具有相同的優(yōu)先級(jí)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)同一批次作業(yè)，通過一個(gè)作業(yè)循環(huán)直接完成優(yōu)先級(jí)相同的入庫和出庫作業(yè)。

圖1 單一作業(yè)模式判斷流程

圖2 復(fù)合作業(yè)調(diào)度流程圖

2 適應(yīng)WCS系統(tǒng)的貨架布局模式

2.1 通道式貨架布局

通道式貨架布局的特點(diǎn)是通道兩端設(shè)置出入口，對(duì)于在存貨區(qū)兩端設(shè)立貨物入出庫口的倉庫較為方便，這樣倉庫內(nèi)的貨物可以處于較高的流動(dòng)狀態(tài)，而且實(shí)現(xiàn)了物流之間的相互獨(dú)立，入庫與出庫操作之間的相互制約較小。缺點(diǎn)是該種布局方式對(duì)倉庫面積需求較大，同時(shí)對(duì)進(jìn)行作業(yè)輸送機(jī)器的數(shù)量要求也較高。通道式貨架布局的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示[2]。

2.2 死巷道式貨架布局

死巷道式貨架布局的特點(diǎn)是只有貨架的一端可以進(jìn)出，此時(shí)倉庫的貨物入出庫口就設(shè)置在貨架的同一端，此種模式對(duì)倉庫面積要求相對(duì)較小，同時(shí)對(duì)進(jìn)行輸送作業(yè)的設(shè)備數(shù)量也相對(duì)減小，使用效率也得到提升。但倉庫內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)物流作業(yè)的相對(duì)獨(dú)立，入出庫作業(yè)之間存在較大的相互制約。死巷道式貨架布局的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

入出庫臺(tái)分布在貨架兩側(cè)，考慮入庫貨位與出庫貨位，采用入出庫同時(shí)作業(yè)時(shí)，調(diào)度堆垛機(jī)時(shí)遵循巷道運(yùn)行路徑不重疊或重疊最小的原則。對(duì)于死巷道式貨架布局的倉庫，可以采用對(duì)入庫申請(qǐng)和出庫申請(qǐng)分別排序的策略，執(zhí)行時(shí)將第一個(gè)入庫作業(yè)與第一個(gè)出庫作業(yè)組合成一個(gè)聯(lián)合作業(yè)任務(wù)，盡量避免效率的損失。

圖3 通道式貨架布局

圖4 死巷道式貨架布局

3 堆垛機(jī)作業(yè)模式合理化測(cè)試

3.1 主要能力參數(shù)確定

以作業(yè)模式的平均單一作業(yè)循環(huán)時(shí)間和平均復(fù)合作業(yè)循環(huán)時(shí)間為衡量基準(zhǔn)。其中，平均單一作業(yè)循環(huán)時(shí)間是指堆垛機(jī)從入出庫口出發(fā)到達(dá)某一指定貨格完成一次取貨作業(yè)或者存貨作業(yè)后返回出發(fā)點(diǎn)所用時(shí)間；平均復(fù)合作業(yè)循環(huán)時(shí)間是指堆垛機(jī)自入出庫口到達(dá)某一指定貨格完成存貨后又前往另一指定貨格完成取貨作業(yè)并返回入出庫口所用時(shí)間。

3.1.1 單一作業(yè)循環(huán)。單一作業(yè)循環(huán)時(shí)間分為三個(gè)時(shí)間段，第一個(gè)時(shí)間段是從入出庫口出發(fā)至指定存取貨位所用時(shí)間，記為t1；第二個(gè)時(shí)間段是堆垛機(jī)通過伸縮貨叉完成貨物上架或下架所用時(shí)間，記為t2；第三個(gè)時(shí)間段是取到貨物或者完成貨物存放之后回到入出庫口所用時(shí)間，記為t3。另外記堆垛機(jī)橫縱向運(yùn)行速度分別為vx,vy,如圖5所示，如果橫縱向運(yùn)行同時(shí)到達(dá)指定位置，那么就滿足y=(vy/vx)x。

圖5 單一作業(yè)循環(huán)示意圖

其中L和H分別代表貨架的長(zhǎng)和高。而實(shí)現(xiàn)橫縱運(yùn)行同時(shí)到達(dá)指定位置的制約因素除了橫縱運(yùn)行速度外還有貨架的長(zhǎng)度和高度，即有w=(H/L)/(vx/vy)。為了減少作業(yè)等待時(shí)間，就要根據(jù)堆垛機(jī)的橫縱運(yùn)行速度調(diào)整貨架的長(zhǎng)度和高度，盡量達(dá)到堆垛機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)橫縱運(yùn)行機(jī)構(gòu)同時(shí)到達(dá)指定地點(diǎn)，也即盡量滿足w=1。

根據(jù)單一作業(yè)模式下堆垛機(jī)完成任務(wù)的方式，可以計(jì)算在單一作業(yè)循環(huán)作業(yè)模式下堆垛機(jī)完成一次任務(wù)量所需平均時(shí)間，計(jì)算公式如下：

式中，t表示堆垛機(jī)平均單一作業(yè)循環(huán)時(shí)間；

i表示貨架層數(shù)，范圍為1-m；

j表示貨架列數(shù)，范圍為1-m；

tij表示第i層第j列所對(duì)應(yīng)的貨格距離入出庫臺(tái)的運(yùn)行時(shí)間，也即到達(dá)貨格的橫縱運(yùn)行中較長(zhǎng)的時(shí)間值加上單次作業(yè)啟動(dòng)和停止時(shí)間；

t啟表示堆垛機(jī)啟動(dòng)達(dá)到行駛速度的時(shí)間；

t止表示堆垛機(jī)由運(yùn)行速度轉(zhuǎn)為停止的時(shí)間；

tf表示堆垛機(jī)伸（縮）貨叉取放貨物所用時(shí)間；

t0表示堆垛機(jī)控制延遲時(shí)間，也可以稱為反應(yīng)時(shí)間，是一個(gè)固定時(shí)間；

v運(yùn)表示堆垛機(jī)的運(yùn)行速度；

v升表示堆垛機(jī)縱向運(yùn)行速度；

l表示單個(gè)貨格長(zhǎng)度，等同于L m；

h表示單個(gè)貨格高度，等同于H n；

式（1）的含義即單一作業(yè)模式下堆垛機(jī)完成單個(gè)任務(wù)所需平均運(yùn)行時(shí)間，為了簡(jiǎn)化模型假定堆垛機(jī)伸縮貨叉的時(shí)間是對(duì)稱的，每一次調(diào)度堆垛機(jī)進(jìn)行作業(yè)的啟動(dòng)和停止所用時(shí)間也是固定的,那么堆垛機(jī)作業(yè)時(shí)啟動(dòng)和停止的行走距離也是固定的，將其定義為S啟和S止，與t啟和t止是相對(duì)應(yīng)的常量。

3.1.2 復(fù)合作業(yè)循環(huán)。這就要求堆垛機(jī)要以復(fù)合作業(yè)循環(huán)模式進(jìn)行作業(yè)。復(fù)合作業(yè)的路徑如圖6所示。

圖6 堆垛機(jī)復(fù)合作業(yè)途徑

對(duì)比單一作業(yè)模式的作業(yè)途徑，堆垛機(jī)在進(jìn)行聯(lián)合作業(yè)時(shí)，首先完成入庫任務(wù)，隨后經(jīng)歷入庫任務(wù)與出庫任務(wù)貨位之間的一段空載距離，隨即完成出庫任務(wù)，一次作業(yè)循環(huán)可以完成一組入出庫任務(wù)。根據(jù)復(fù)合作業(yè)模式下堆垛機(jī)作業(yè)的模式和作業(yè)路徑，可以計(jì)算出堆垛機(jī)復(fù)合作業(yè)模式下完成一次任務(wù)量所需平均時(shí)間，計(jì)算公式如下：

式中，T表示堆垛機(jī)平均復(fù)合作業(yè)循環(huán)時(shí)間；

i與k表示貨架層數(shù)，范圍為1-m；

j與q表示貨架列數(shù)，范圍為1-n；

tij表示堆垛機(jī)從起始點(diǎn)到第i層第j列所對(duì)應(yīng)的貨格的運(yùn)行時(shí)間，擇橫縱運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的時(shí)間與啟動(dòng)和停止時(shí)間的和；

tkq表示堆垛機(jī)從取貨貨位（第k行第q列對(duì)應(yīng)的貨格）回到起始點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間，擇橫縱運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的時(shí)間與啟動(dòng)和停止時(shí)間的和；

TAB表示堆垛機(jī)由入庫貨位A（第i層第j列）到入庫貨位B（第k行第q列）所需運(yùn)行時(shí)間，擇橫縱運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的時(shí)間與啟動(dòng)和停止時(shí)間的和；

t啟表示堆垛機(jī)啟動(dòng)達(dá)到行駛速度的時(shí)間；

t止表示堆垛機(jī)由運(yùn)行速度轉(zhuǎn)為停止的時(shí)間；

tf表示堆垛機(jī)伸縮貨叉取放貨物所用時(shí)間；

t0表示堆垛機(jī)控制延遲時(shí)間，也可以稱為反應(yīng)時(shí)間，是一個(gè)固定時(shí)間；

S啟表示堆垛機(jī)啟動(dòng)達(dá)到運(yùn)行速度過程中所運(yùn)行距離；

S止表示堆垛機(jī)由運(yùn)行速度降到停止過程中所運(yùn)行距離；

v運(yùn)表示堆垛機(jī)的運(yùn)行速度；

v升表示堆垛機(jī)縱向運(yùn)行速度；

l表示單個(gè)貨格長(zhǎng)度，等同于L m；

h表示單個(gè)貨格高度，等同于H n；

N表示任務(wù)作業(yè)總量，等同于2(m×n)2；

式（3）表示在復(fù)合作業(yè)模式下堆垛機(jī)完成單次任務(wù)所需平均作業(yè)時(shí)間，因?yàn)樵趶?fù)合作業(yè)模式下一次作業(yè)循環(huán)完成兩個(gè)任務(wù)量，包含三次機(jī)器響應(yīng)時(shí)間，因此單個(gè)任務(wù)量的機(jī)器響應(yīng)時(shí)間為1.5次。復(fù)合作業(yè)中的前往存貨貨位與從存貨貨位返回的作業(yè)路徑可以交換，即上一次的存貨路徑可以作為這一次的返回路徑，前后存在路徑重疊，因此在總量計(jì)算時(shí)也是雙倍計(jì)算。

3.2 合理化驗(yàn)證設(shè)計(jì)

3.2.1 實(shí)例參數(shù)。根據(jù)研究實(shí)例，現(xiàn)有倉庫貨架10排，貨架高度與長(zhǎng)度均為15m，則視其貨格長(zhǎng)寬規(guī)格為1.5m*1.5m，倉庫內(nèi)設(shè)施相關(guān)變量值見表1。

表1 設(shè)備屬性表

經(jīng)由計(jì)算得出堆垛機(jī)在單次作業(yè)循環(huán)模式下完成一次任務(wù)量的平均作業(yè)時(shí)間為19.79s，而復(fù)合作業(yè)模式下堆垛機(jī)完成一次任務(wù)量的平均作業(yè)時(shí)間為15.64s，平均作業(yè)時(shí)間優(yōu)化近20.97%，可見復(fù)合作業(yè)模式對(duì)于提高庫內(nèi)設(shè)備整體作業(yè)效率有很大作用。

3.2.2 作業(yè)模式的合理化實(shí)驗(yàn)。

（1）死巷道式布局下作業(yè)模式的選擇。根據(jù)死巷道式的貨架布局特點(diǎn)，可知堆垛機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)的運(yùn)行路徑分為以下情況，見表2：

表2 死巷道式作業(yè)模式流程對(duì)比表

根據(jù)表1提供的倉庫數(shù)據(jù)，先擬定100項(xiàng)存取平均的作業(yè)任務(wù)，即可由單一作業(yè)模式和復(fù)合作業(yè)模式下堆垛機(jī)的平均作業(yè)時(shí)間計(jì)算得出在死巷道式布局倉庫中單一作業(yè)模式與復(fù)合作業(yè)模式執(zhí)行100項(xiàng)（存取任務(wù)平均）作業(yè)所消耗的時(shí)間分別為197.8s和156.4s，差值為43.5s。

因在死巷道式布局的倉庫中入出庫臺(tái)位于貨架的同一端，因此存儲(chǔ)作業(yè)與出庫作業(yè)之間的獨(dú)立性較弱，若存取作業(yè)數(shù)量相對(duì)平衡，那么采取復(fù)合作業(yè)模式無疑將會(huì)大幅度提高庫內(nèi)作業(yè)效率，但當(dāng)庫內(nèi)存取作業(yè)數(shù)量懸殊較大時(shí)，單一作業(yè)模式的運(yùn)行時(shí)間將顯著大于復(fù)合作業(yè)模式運(yùn)行時(shí)間，嚴(yán)重影響庫內(nèi)作業(yè)的效率。

（2）通道式布局下作業(yè)模式的選擇。根據(jù)通道式貨架布局的特點(diǎn)，可將堆垛機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)的運(yùn)行路徑分為以下情況，見表3。

表3 通道式作業(yè)模式流程對(duì)比表

根據(jù)表1中提供的倉庫內(nèi)設(shè)施參數(shù)值，以堆垛機(jī)在單一作業(yè)模式下和復(fù)合作業(yè)模式下的平均作業(yè)時(shí)間為基礎(chǔ)可計(jì)算出堆垛機(jī)在通道式布局倉庫中完成100項(xiàng)（存取任務(wù)平均）作業(yè)的單一模式作業(yè)時(shí)間和復(fù)合模式作業(yè)時(shí)間分別為197.9s和406.4s，差值為208.5s。由表3中的作業(yè)路徑可看出單一作業(yè)模式在通道式布局中因堆垛機(jī)所在起始位置不同或終止位置可選存在多條作業(yè)路徑，為使堆垛機(jī)空載調(diào)度（即堆垛機(jī)所在位置到任務(wù)起始位置之間的調(diào)度）的時(shí)間最短，單一作業(yè)模式下堆垛機(jī)的作業(yè)路徑應(yīng)盡量保證上一項(xiàng)作業(yè)任務(wù)終止位置即下一項(xiàng)作業(yè)任務(wù)起始位置，最理想化即可以零空載調(diào)度完成作業(yè)任務(wù)。

4 結(jié)論

當(dāng)庫內(nèi)作業(yè)存取作業(yè)數(shù)量平衡的時(shí)候顯然并不適宜采用復(fù)合作業(yè)模式。但是當(dāng)庫內(nèi)存取作業(yè)數(shù)量懸殊較大時(shí)（?。敬妫瑥?fù)合作業(yè)模式可與單一作業(yè)模式相結(jié)合為混合作業(yè)模式，如一組復(fù)合作業(yè)任務(wù)執(zhí)行完畢后，堆垛機(jī)可直接由出庫臺(tái)出發(fā)執(zhí)行取貨的單一作業(yè)。因此單一作業(yè)模式更有利于發(fā)揮出通道式布局的優(yōu)點(diǎn)，尤其在存取任務(wù)極度不平衡時(shí)更為顯著。

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[1]黃金.自動(dòng)化立體倉庫管理與控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2014.

[2]周奇才.基于現(xiàn)代物流的自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)（AS/RS）管理及控制技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2002.