張 媛，胡玉龍，陳 思，周 強(qiáng)

（1.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430063）

0 引言

隨著我國海洋科考與深?？碧绞聵I(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)于在海洋中作業(yè)的專用運(yùn)輸船的要求越來越高。由于貨物形狀特殊以及海上運(yùn)輸環(huán)境復(fù)雜等因素[1]，目前具有貨物搭載與出庫功能的專用運(yùn)輸船舶的件貨艙室，件貨存放方式為平鋪存放，并采用人工操作的橋式起重機(jī)進(jìn)行出庫運(yùn)輸，造成艙室貨物搭載數(shù)量少、出庫效率低，越來越不能適應(yīng)日益增長的海運(yùn)需求。隨著船舶自動(dòng)化程度的提高，亟需運(yùn)用自動(dòng)化設(shè)施設(shè)備實(shí)現(xiàn)船舶艙室物流系統(tǒng)的自動(dòng)化，以提升艙室的物流性能[2]。

針對(duì)船舶艙室載物存儲(chǔ)空間利用率低的問題，考慮設(shè)計(jì)專用的存儲(chǔ)立體式貨架[3-4]，能有效提高艙室的空間率和載物的搭載數(shù)量；對(duì)于船舶載物出庫效率低的問題，考慮采用自動(dòng)化立體倉庫的自動(dòng)存取運(yùn)輸設(shè)備[5-6]，通過設(shè)計(jì)自動(dòng)化轉(zhuǎn)運(yùn)工藝和規(guī)劃出庫調(diào)度策略[7-9]來提升船舶艙室載物轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，保證艙室載物出庫安全、高效的進(jìn)行。

結(jié)合立體倉儲(chǔ)技術(shù)，本文提出了一種新型的自動(dòng)化立體倉庫式船舶艙室物流系統(tǒng)，通過仿真試驗(yàn)對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)出庫的調(diào)度策略及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了深入研究，以提高船舶艙室的出庫效率、自動(dòng)化程度，同時(shí)填補(bǔ)了自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)領(lǐng)域?qū)Ｉ县浳镒詣?dòng)存儲(chǔ)、出庫工藝的空白，對(duì)促進(jìn)我國海洋勘探及遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義。

1 船舶艙室系統(tǒng)

船舶艙室由艙內(nèi)物流系統(tǒng)和艙室底部的出庫口組成。艙內(nèi)物流系統(tǒng)是整個(gè)海上專用船舶至關(guān)重要的組成部分，主要負(fù)責(zé)載物從艙室存儲(chǔ)區(qū)到出庫部位的空間轉(zhuǎn)移。船舶艙室系統(tǒng)的工藝流程、結(jié)構(gòu)可靠性及自動(dòng)化程度直接影響到船舶載物運(yùn)輸?shù)淖鳂I(yè)性能。

船舶艙室自動(dòng)化立體倉庫的艙室空間長100m，寬22m，高7.5m；出庫部位位于艙室底部，長16m，寬6m，艙室空間示意圖如圖1所示。

圖1 艙室空間示意圖

其中貨物規(guī)格主要分為兩種：載物一長：3.62m，直徑0.85m，重1.35t；載物二：長11.8m，寬2.13m，高2.18m，重22t。為保證船舶的平衡，載物調(diào)度過程中橫向?qū)χ行木€力矩不超過220t·m，縱向?qū)χ行木€力矩不超過2 400t·m。

2 升降機(jī)-梭車自動(dòng)化船舶艙室物流系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)化倉庫常利用貨架配合巷道堆垛機(jī)，實(shí)現(xiàn)種類繁多、大批量貨物的存儲(chǔ)、搬運(yùn)，但巷道堆垛機(jī)的貨叉最多能伸進(jìn)雙深貨位。由于本次設(shè)計(jì)搭載貨物的種類少、搭載數(shù)量大以及艙室的空間有限，考慮到子穿梭車可離開母車進(jìn)入多深貨位，且具有速度快、精度高的特點(diǎn)，因此采用子母穿梭車和垂直升降機(jī)代替巷道堆垛機(jī)，設(shè)計(jì)一套運(yùn)用升降機(jī)、子母穿梭車、出庫梭車作為運(yùn)輸設(shè)備的艙室工藝轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。

為滿足艙室載物布置數(shù)量以及艙室力矩平衡要求，考慮兩種載物各自的尺寸和規(guī)格特點(diǎn)，載物一體積小、自重輕、數(shù)量多，出庫頻率高，適合放在貨架上，存放位置布置在出庫口周圍；載物二體積大、自重重、數(shù)量少，出庫頻率低，因此單層貨架存放，平鋪在艙室左右兩端。

2.1 設(shè)備選型與技術(shù)參數(shù)

（1）升降機(jī)選型。升降機(jī)是在垂直通道上進(jìn)行人或貨物升降的設(shè)備或機(jī)械。導(dǎo)軌鏈條式液壓升降貨梯是一種非剪叉式液壓升降貨梯，具有載重量大、升降平穩(wěn)、速度快、能實(shí)現(xiàn)智能控制等特點(diǎn)，是廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化立體倉庫中貨物垂直運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備。設(shè)計(jì)升降機(jī)配合穿梭子車用于載物一的垂直運(yùn)輸，升降機(jī)尺寸4 200*1 200*6 300mm，運(yùn)載量不低于2.0t，運(yùn)行行程0-4.6m，升降速度25m/min。

（2）子母梭車選型。子母穿梭車由穿梭子車、穿梭母車及其行走軌道構(gòu)成。穿梭車是一種用于自動(dòng)化物流系統(tǒng)中的智能型搬運(yùn)設(shè)備，具有動(dòng)態(tài)移載的特點(diǎn)。在電控系統(tǒng)控制下，精確定位于各個(gè)輸入、輸出工位，接收貨物后進(jìn)行往復(fù)運(yùn)輸，主要應(yīng)用于自動(dòng)化物流系統(tǒng)中單元貨物高速、高效的平面自動(dòng)運(yùn)輸，具有高度的自動(dòng)化和靈活性。

梭車軌道設(shè)計(jì)為凹型或L 型，梭車車輪設(shè)置輪緣，梭車靠近軌道側(cè)設(shè)計(jì)導(dǎo)向輪以防止船舶搖晃時(shí)梭車滑出梭車運(yùn)行軌道；梭車上設(shè)計(jì)載物的固定防滑裝置，防止載物運(yùn)輸時(shí)滑出梭車，使梭車船舶搖晃時(shí)仍能進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)。

本方案中，載物一：子母穿梭車，載物二：子母穿梭車，分別用于載物一、載物二的水平運(yùn)輸，具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 子母梭車技術(shù)參數(shù)

（3）出庫梭車選型。出庫梭車是一種無線穿梭車，即獨(dú)立運(yùn)行的穿梭子車，由電池提供能源，可進(jìn)入升降機(jī)的升降平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)升降機(jī)與出庫點(diǎn)間載物一的水平往返運(yùn)輸。采用直軌內(nèi)行穿梭車，梭車尺寸2 070*920*320mm，空載速度60m/s，滿載速度50m/s。

（4）設(shè)備配置。升降機(jī)-梭車自動(dòng)化工藝方案的設(shè)備配置見表2。

表2 升降機(jī)-梭車方案設(shè)備配置表

2.2 總體布局設(shè)計(jì)

為滿足投送艙室的力矩平衡要求，載物一和載物二盡量平均分布在船艙兩側(cè)，艙室空間布置如圖2所示。根據(jù)貨物大小及形狀尺寸，設(shè)計(jì)載物一儲(chǔ)存單元規(guī)格：4 300*950*2 200mm；載物二儲(chǔ)存單元規(guī)格：12 500*2 330*2 180mm。

圖2 “升降機(jī)-梭車”自動(dòng)化物流系統(tǒng)布置圖

載物一和載物二貨位軸線都是平行于艙室水平軸線布置，載物一布置在艙室水平軸線中間，載物二布置在艙室水平軸線兩端。綜合考慮船艙尺寸及載物存儲(chǔ)單元規(guī)格，載物一貨位布置三層，每層布置16排、12 列，其中5-8 排為放置升降機(jī)僅布置10 列，共528個(gè)貨位；考慮到載物二體積、重量較大，載物二均勻布置一層，布置在艙室底層，8 排、4 列，共32 個(gè)貨位。

2.3 工藝作業(yè)流程設(shè)計(jì)

（1）載物一工藝流程設(shè)計(jì)。工藝流程如圖3 所示，詳細(xì)工藝描述如下：

圖3 載物一轉(zhuǎn)運(yùn)出庫流程圖

1—子母梭車離開交接點(diǎn)前往指定載物一貨位；

2—子梭車離開母梭車進(jìn)入貨位抬起載物一；

3—子梭車負(fù)載載物一回到母梭車；

4—母梭車返回交接點(diǎn)；

5—升降機(jī)升降平臺(tái)從初始位置向交接點(diǎn)垂直移動(dòng)；

6—子梭車離開母梭車進(jìn)入升降平臺(tái)放下載物一；

7—子梭車空載回到母梭車；

8—升降平臺(tái)返回初始位置；

9—出庫梭車離開出庫點(diǎn)進(jìn)入升降平臺(tái)抬起載物一；

10—出庫梭車返回出庫點(diǎn)。

（2）載物二轉(zhuǎn)運(yùn)出庫工藝流程設(shè)計(jì)

工藝流程如圖4所示，詳細(xì)工藝描述如下：

圖4 載物二轉(zhuǎn)運(yùn)出庫流程圖

1—母梭車離開出庫口前往指定載物二貨位；

2—子梭車離開梭車進(jìn)入貨位抬起載物二；

3—子梭車負(fù)載載物二回到母梭車；

4—母梭車返回出庫口。

本方案的主要目的是設(shè)計(jì)自動(dòng)化轉(zhuǎn)運(yùn)出庫工藝，在載物入庫工藝方面，通過移開艙室上方的艙蓋板，由港口岸邊起重機(jī)或艙蓋吊將載物一與載物二吊運(yùn)至船舶艙室內(nèi)的出庫口處，由艙室內(nèi)運(yùn)輸設(shè)備逆過程轉(zhuǎn)運(yùn)到相應(yīng)的貨位處存放。

3 船舶艙室自動(dòng)立體倉庫式物流系統(tǒng)建模仿真分析

結(jié)合船舶艙室自動(dòng)化立體倉庫物流系統(tǒng)的工藝流程，在Witness 仿真平臺(tái)上建立仿真模型，研究新型物流系統(tǒng)方案的物流性能。物流工藝方案應(yīng)用于船舶艙室表現(xiàn)出的物流性能可反映艙室的作業(yè)情況，對(duì)艙室自動(dòng)化立體倉庫物流系統(tǒng)方案的適用性有直觀體現(xiàn)，物流性能評(píng)價(jià)指標(biāo)如下：

（1）最大橫、縱向力矩差：在艙室載物轉(zhuǎn)運(yùn)出庫過程中，使船舶傾斜的最大力矩差，最大力矩差越小，船舶傾覆的可能性越低，方案的安全性越好。

（2）載物總轉(zhuǎn)運(yùn)出庫時(shí)間：將艙室中載物全部轉(zhuǎn)運(yùn)出庫的時(shí)間，載物轉(zhuǎn)運(yùn)出庫總時(shí)間越短，載物自動(dòng)出庫效率越高。

（3）載物平均轉(zhuǎn)運(yùn)出庫時(shí)間：將艙室中載物全部轉(zhuǎn)運(yùn)出庫完成后每個(gè)載物出庫時(shí)間的平均值。

3.1 出庫策略對(duì)比仿真分析

在整個(gè)艙室系統(tǒng)中，載物出庫系統(tǒng)連接艙室貨架和出庫部位，承擔(dān)著載物運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)。載物調(diào)度策略的不合理將導(dǎo)致載物運(yùn)輸?shù)拿摴?jié)，甚至導(dǎo)致艙室的嚴(yán)重失衡，影響艙室作業(yè)。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)智能調(diào)度的算法，對(duì)載物調(diào)度過程進(jìn)行規(guī)劃，以提高艙室載物的出庫效率，保證艙室出庫的服務(wù)質(zhì)量、保持艙室整體平衡。

（1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)。為了研究出庫調(diào)度規(guī)則對(duì)艙室自動(dòng)化出庫系統(tǒng)作業(yè)特性的影響，設(shè)計(jì)單一全局搜索調(diào)度策略、批量全局搜索策略，分別將調(diào)度策略嵌入仿真軟件中，建立相應(yīng)的仿真模型，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

①單一全局搜索調(diào)度策略是在轉(zhuǎn)運(yùn)出庫設(shè)備串行運(yùn)行的基礎(chǔ)，考慮艙室的力矩要求和載物出庫時(shí)間，搜索單一最佳出庫載物位置。即在收到單一載物出庫計(jì)劃后，搜索滿足艙室力矩約束下出庫時(shí)間最短貨位處的載物，然后將出庫指令發(fā)送給作業(yè)設(shè)備，當(dāng)出庫指令執(zhí)行完以后執(zhí)行下一單一出庫計(jì)劃。

②批量全局搜索策略是在轉(zhuǎn)運(yùn)出庫設(shè)備并行運(yùn)行的基礎(chǔ)上，即在多臺(tái)子母梭車并行運(yùn)輸、子母梭車與升降機(jī)的并行運(yùn)輸下，考慮艙室的力矩要求和載物出庫時(shí)間，搜索最佳出庫載物位置?？刂葡到y(tǒng)收到載物出庫計(jì)劃后，依據(jù)批量出庫載物的數(shù)量，隨機(jī)選取規(guī)定數(shù)量的載物進(jìn)入出庫序列，然后遍歷全部貨架上的載物，判斷載物是否滿足艙室力矩要求、是否離出庫點(diǎn)更近，以全局搜索進(jìn)行迭代選優(yōu)的方式，將更優(yōu)項(xiàng)替換進(jìn)出庫隊(duì)列中，達(dá)到優(yōu)化的目的。依據(jù)需求計(jì)劃規(guī)劃一批出庫指令，將出庫指令同時(shí)發(fā)送給多個(gè)設(shè)備，使設(shè)備能同時(shí)進(jìn)行出庫作業(yè)。

（2）試驗(yàn)工況。①模型邊界：船舶艙室內(nèi)；②仿真時(shí)間長度：從貨物一次性全部入庫到貨物分批在不同海域出庫完成為止；③出庫命令到達(dá)時(shí)間間隔：服從均值為30min的指數(shù)分布；④每批次載物出庫數(shù)量：根據(jù)艙室每次出庫任務(wù)需求，載物一單次出庫數(shù)量服從UNIFORM（8,12），載物二出庫數(shù)量服從UNIFORM（0,2），每次先轉(zhuǎn)運(yùn)完載物一再轉(zhuǎn)運(yùn)載物二；⑤所有設(shè)備每次只能運(yùn)輸一種單一載物；⑥傾斜力矩要求：橫向力矩差小于等于220t·m，縱向力矩差小于等于2 400t·m；⑦設(shè)備參數(shù)：按照設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行；⑧試驗(yàn)次數(shù)：每種情況試驗(yàn)10次，結(jié)果取10次平均數(shù)。

（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)載物一平均出庫時(shí)間、載物二平均出庫時(shí)間、載物出庫總時(shí)間、橫向力矩差、縱向力矩差，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

由表3 可以看出，在橫向、縱向力矩控制方面，橫向最大力矩差小于220t·m，縱向最大力矩差小于2 400t·m，滿足最初設(shè)計(jì)要求。批量全局搜索策略縱向力矩過大，是由于載物二的移動(dòng)所致，載物二處于艙室最前端與最后端，在出庫時(shí)會(huì)出現(xiàn)前后數(shù)量差，從而產(chǎn)生力矩差，導(dǎo)致縱向力矩差過大。批量全局搜索調(diào)度策略的出庫總時(shí)間、“載物一”的平均出庫時(shí)間遠(yuǎn)低于單一全局搜索調(diào)度策略，降低了大約56%，“載物二”的平均出庫時(shí)間沒有差別。

表3 物流性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

單一全局搜索調(diào)度策略在滿足力矩要求的前提下調(diào)度設(shè)備串行運(yùn)輸作業(yè)。批量全局搜索策略則是對(duì)整個(gè)貨架上的載物進(jìn)行整體決策，先選擇規(guī)定數(shù)量的載物，組成出庫隊(duì)列，對(duì)后續(xù)每個(gè)載物進(jìn)行搜索判斷，若在力矩、時(shí)間上更優(yōu)，則將此項(xiàng)替換進(jìn)出庫隊(duì)列，將原隊(duì)列中的最差項(xiàng)篩除，以此保證每個(gè)計(jì)劃的出庫決策達(dá)到最優(yōu)，然后將出庫命令發(fā)送給多臺(tái)母梭車，調(diào)度設(shè)備并行運(yùn)輸，符合本設(shè)計(jì)工藝方案設(shè)備并行運(yùn)輸作業(yè)的特點(diǎn)，大大提高了出庫效率。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析，批量全局搜索策略優(yōu)于單一全局搜索調(diào)度策略。

3.2 設(shè)備參數(shù)仿真分析

基于前文的仿真分析，批量全局搜索策略下多臺(tái)子母穿梭車與其他設(shè)備并行運(yùn)輸?shù)南到y(tǒng)作業(yè)效率更高。為了深入研究設(shè)備速度參數(shù)對(duì)物流系統(tǒng)作業(yè)性能的影響，設(shè)計(jì)了基于不同設(shè)備速度參數(shù)的仿真試驗(yàn)，分析運(yùn)輸設(shè)備與物流系統(tǒng)的匹配程度，為艙室的整體布局、出入庫流程、設(shè)備參數(shù)等優(yōu)化方面提供一定數(shù)據(jù)支撐。

（1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)。設(shè)備參數(shù)的差異主要體現(xiàn)在子母穿梭車的運(yùn)行速度、升降機(jī)起升速度以及出庫梭車的移動(dòng)速度，本次試驗(yàn)主要針對(duì)這三項(xiàng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。采用單因子變量法，當(dāng)取一個(gè)設(shè)備的速度參數(shù)作為變量因子時(shí)，須確保另外兩項(xiàng)設(shè)備參數(shù)一致，避免對(duì)試驗(yàn)造成影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表4。

表4 速度參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

（2）試驗(yàn)工況。除載物出庫策略均采用全局搜索策略外，其他實(shí)驗(yàn)工況均與上一個(gè)仿真試驗(yàn)一致。

（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。針對(duì)設(shè)備速度參數(shù)的變化，統(tǒng)計(jì)仿真輸出數(shù)據(jù)：載物一平均出庫時(shí)間、載物二平均出庫時(shí)間、載物出庫總時(shí)間，如圖5 至圖7所示。

圖5 子母梭車速度參數(shù)變化試驗(yàn)分析

由圖5 可以看出，隨著母梭車速度的增加，載物一的平均出庫時(shí)間幾乎不變，載物二平均出庫時(shí)間和載物出庫總時(shí)間逐漸減小。這說明改變母梭車速度對(duì)載物一出庫效率沒有影響，對(duì)載物二有一定的影響，但這種影響隨著梭車速度增加逐漸減小。因此母梭車速度提升不能提高載物一出庫效率，可以通過提高母梭車速度來提高載物二出庫的效率，但由于載物二的重量、體積較大，這種方法有一定的局限性。

從圖6 中可以看出，隨著升降機(jī)速度的增加，升降機(jī)-梭車方案中載物一的平均出庫時(shí)間、出庫總時(shí)間，先逐漸減小，等到升降機(jī)速度大約為18m/min時(shí)，平均出庫時(shí)間、出庫總時(shí)間減少趨于飽和。這說明，大約在15-18m/min 范圍內(nèi)，提高升降機(jī)速度可以提高載物一出庫效率，但超過此范圍時(shí)，提升升降機(jī)速度對(duì)載物一出庫效率沒有影響。

圖6 升降機(jī)速度參數(shù)變化試驗(yàn)分析

從圖7 可以看出，隨著出庫梭車速度的逐漸增加，載物一的平均出庫時(shí)間和載物出庫總時(shí)間逐漸減小，這說明提升出庫梭車的速度，可以有效提高載物一的出庫效率。

圖7 出庫梭車速度參數(shù)變化試驗(yàn)分析

總體來說，子母穿梭車和升降機(jī)速度的改變對(duì)載物一出庫效率影響不大，母穿梭車速度的改變對(duì)載物二出庫效率有直接的影響，但載物二的體積、重量特性對(duì)載物二母梭速度的提升有一定的限制，因此可以通過提升出庫梭車的速度來提升載物一的出庫效率。影響載物一出庫效率的主要因素是出庫梭車的速度參數(shù)，這是因?yàn)檩d物一前期的水平運(yùn)輸和垂直運(yùn)輸是并行的，整個(gè)艙室共有6臺(tái)子母穿梭車、2臺(tái)升降機(jī)可同時(shí)工作，但是載物一的最終運(yùn)輸出庫只能通過出庫梭車，造成了出庫梭車本身的作業(yè)效率對(duì)整個(gè)出庫效率的限制。因此本工藝方案物流系統(tǒng)若要進(jìn)一步提升作業(yè)效率，最為有效的方式是提升出庫梭車的速度。

4 結(jié)語

（1）通過對(duì)子母梭車、升降機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備的選型及組合配置，完成對(duì)船舶艙室不同載物智能化轉(zhuǎn)運(yùn)和出庫功能的工藝方案設(shè)計(jì)；在滿足船舶穩(wěn)定性要求的情況下，設(shè)計(jì)了滿足不同載物搭載要求的倉儲(chǔ)貨架及總體布局，充分利用了艙室空間。

（2）針對(duì)基于船舶平衡的出庫調(diào)度問題，設(shè)計(jì)了兩種出庫調(diào)度策略，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明批量全局調(diào)度策略具有較高的出庫效率；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于不同設(shè)備速度參數(shù)的仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明出庫梭車的速度參數(shù)是整個(gè)物流系統(tǒng)的瓶頸所在，為船舶艙室的調(diào)度管理提供了參考。