單夢(mèng)蕊，周明珠，徐雪峰，邵傳斌，楊 海

（一汽-大眾汽車(chē)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130031）

0 引言

“中國(guó)制造2025”明確指出中國(guó)要推行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化制造。汽車(chē)行業(yè)作為制造業(yè)的標(biāo)桿，新一輪的自動(dòng)化和數(shù)字化革命正在引發(fā)其各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域的變革和交融。為了提高工廠內(nèi)物流自動(dòng)化水平和物流區(qū)域空間利用率進(jìn)而降低單車(chē)物流成本，一汽-大眾汽車(chē)有限公司自2019年起開(kāi)始投入自動(dòng)化立體庫(kù)用以存儲(chǔ)汽車(chē)零部件。

隨著立體庫(kù)技術(shù)日趨成熟，為了減少立體庫(kù)內(nèi)巷道的面積占用率，針對(duì)包裝尺寸小于600mm*400mm*300mm的零件，擬采用雙貨位穿梭式立體庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。立體庫(kù)貨格尺寸為1 280mm*465mm*503mm，每個(gè)貨格均設(shè)置為雙進(jìn)深貨位，即一個(gè)貨格內(nèi)有前后兩個(gè)貨位。與堆垛機(jī)立體庫(kù)相比，該存儲(chǔ)模式空間利用率顯著提高（見(jiàn)表1）。

表1 零件存儲(chǔ)模式比較分析

雙貨位穿梭式立體庫(kù)入庫(kù)流程大致為：零件入庫(kù)時(shí)提升機(jī)在1樓傳送帶端頭取入庫(kù)零件并送至指定層巷道口端頭的動(dòng)力站臺(tái)暫存，該層穿梭車(chē)在動(dòng)力站臺(tái)取貨后送至指定貨位存儲(chǔ)。出庫(kù)流程反之。

1 立體庫(kù)貨位策略仿真分析及驗(yàn)證

1.1 立體庫(kù)貨區(qū)的ABC分類(lèi)

穿梭式立體庫(kù)貨位分區(qū)優(yōu)化的基本思想是按照各貨位出入庫(kù)作業(yè)時(shí)間的不同，將這些貨位劃分為幾個(gè)不同的作業(yè)區(qū)域，在倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行出入庫(kù)作業(yè)時(shí)，優(yōu)先考慮將消耗量高的零件放在作業(yè)時(shí)間短的區(qū)域，以減少穿梭車(chē)取放貨的平均行走距離，進(jìn)而提高穿梭車(chē)出入庫(kù)效率。

目前行業(yè)內(nèi)提升機(jī)和穿梭車(chē)的設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 提升機(jī)和穿梭車(chē)設(shè)備參數(shù)

零件入庫(kù)到第n層第m列貨格所需的總時(shí)間t等于提升機(jī)所用時(shí)間與穿梭車(chē)所用時(shí)間之和。

設(shè)提升機(jī)所用時(shí)間t1，其中行駛時(shí)間為t11，通訊時(shí)間為t12，定位時(shí)間為t13，取放貨時(shí)間為t14，則：

設(shè)穿梭車(chē)所用時(shí)間t2，其中行駛時(shí)間為t21，通訊時(shí)間為t22，定位時(shí)間為t23，取放貨時(shí)間為t24，則：

根據(jù)式（5）分別計(jì)算零件入庫(kù)到每個(gè)貨格所需時(shí)間，結(jié)果如圖1所示。后續(xù)實(shí)際項(xiàng)目中均可參考該結(jié)果進(jìn)行庫(kù)位劃分。為驗(yàn)證上述策略的有效性，以某車(chē)間現(xiàn)有穿梭式立體庫(kù)為例重新對(duì)其進(jìn)行ABC類(lèi)庫(kù)區(qū)劃分[1]，如圖2所示，并據(jù)此確定該立體庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)零件ABC類(lèi)屬性（見(jiàn)表3）。其中A庫(kù)區(qū)零件出入庫(kù)時(shí)間小于等于20s，用于存放小時(shí)消耗量大于等于1箱的高消耗零件，B庫(kù)區(qū)零件出入庫(kù)時(shí)間大于20s且小于等于23s，用于存放小時(shí)消耗量大于等于0.13箱且小于1箱的中消耗零件，C庫(kù)區(qū)存放其它低消耗零件。

圖2 某車(chē)間穿梭式立體庫(kù)分區(qū)側(cè)視圖

表3 某車(chē)間穿梭式立體庫(kù)分區(qū)及對(duì)應(yīng)零件屬性

圖1 立體庫(kù)貨格與零件入庫(kù)時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過(guò)仿真對(duì)該立體庫(kù)按上述狀態(tài)分庫(kù)區(qū)和不分庫(kù)區(qū)兩種策略下穿梭車(chē)?yán)寐蔬M(jìn)行分析，在零件出入庫(kù)任務(wù)量相同的情況下，立體庫(kù)分庫(kù)區(qū)比不分庫(kù)區(qū)時(shí)穿梭車(chē)?yán)寐式档?1.3%。該策略有效的避免了穿梭車(chē)行走浪費(fèi)，節(jié)約了設(shè)備的利用率。

1.2 出入庫(kù)貨位分配邏輯

制定零件出入庫(kù)貨位選擇策略的主要目標(biāo)有兩個(gè)：（1）各類(lèi)設(shè)備的利用率相對(duì)均衡，不會(huì)出現(xiàn)同類(lèi)設(shè)備中某一臺(tái)設(shè)備的利用率過(guò)高或過(guò)低的現(xiàn)象；（2）部分設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)依然可以保證全部品類(lèi)的零件一段時(shí)間內(nèi)正常出庫(kù)，進(jìn)而保證車(chē)間生產(chǎn)的穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要設(shè)計(jì)合適的策略將零件均勻的分布在立體庫(kù)的不同巷道和不同層，同時(shí)均勻分配作業(yè)任務(wù)給提升機(jī)和穿梭車(chē)。

按照行業(yè)內(nèi)立體庫(kù)調(diào)度系統(tǒng)中邏輯執(zhí)行先后順序，需先確定巷道再確定層最后確定入庫(kù)貨位。為平衡零件在庫(kù)內(nèi)的分布和設(shè)備作業(yè)任務(wù)，按照逐級(jí)均勻分配任務(wù)且調(diào)度策略簡(jiǎn)單易行的整體原則，制定入庫(kù)貨位選擇策略如下：

（1）選擇入庫(kù)巷道。選擇入庫(kù)任務(wù)量最少的巷道入庫(kù)；若存在兩條巷道任務(wù)量相同且最少，隨機(jī)選擇其中一個(gè)巷道。

（2）選擇入庫(kù)層。選擇該巷道中入庫(kù)任務(wù)量最少的層入庫(kù)；若存在多層入庫(kù)任務(wù)量相同且最少，選擇同種零件庫(kù)存量最少的層入庫(kù)；若該種零件在多層中庫(kù)存量相同且最少，選擇該零件對(duì)應(yīng)貨區(qū)內(nèi)可用貨位最多的層入庫(kù)。

（3）選擇入庫(kù)貨位。選擇該貨區(qū)子母穿梭車(chē)入庫(kù)作業(yè)用時(shí)最短的可用貨位入庫(kù)。

同理，在保證零件按批次先進(jìn)先出的基礎(chǔ)上制定出庫(kù)貨位選擇策略如下：

（1）選擇存儲(chǔ)周期。選擇在立體庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)時(shí)間最長(zhǎng)的批次對(duì)應(yīng)零件出庫(kù)。

（2）選擇出庫(kù)巷道。若同一批次存在多個(gè)該種零件，選擇巷道任務(wù)量最小的進(jìn)行出庫(kù)。

（3）選擇出庫(kù)層。若同一巷道內(nèi)存在多個(gè)該種零件，選擇出庫(kù)任務(wù)量最少的層出庫(kù)；若立體庫(kù)內(nèi)存在多層任務(wù)量最少且相等，選擇該種零件庫(kù)存量最多的層出庫(kù)。

（4）選擇出庫(kù)貨位。選擇子母穿梭車(chē)出庫(kù)作業(yè)用時(shí)最短的零件出庫(kù)。

為驗(yàn)證上述策略是否能夠有效地為每個(gè)任務(wù)選定貨位且滿足預(yù)設(shè)的兩個(gè)目標(biāo)，利用Flexsim仿真復(fù)現(xiàn)上述邏輯并運(yùn)行模型200個(gè)小時(shí)進(jìn)行分析。以代號(hào)為100100的零件為例，該零件相對(duì)均勻的分布在立體庫(kù)的不同巷道、不同貨架和不同層的C區(qū)域，見(jiàn)表4。隨機(jī)截取部分設(shè)備利用情況，如圖3和圖4所示，穿梭車(chē)和提升機(jī)的利用率相對(duì)均衡。經(jīng)仿真驗(yàn)證，上述出入庫(kù)策略邏輯正確且有效。

圖4 提升機(jī)利用率分析

表4 某零件在庫(kù)內(nèi)分布圖

圖3 穿梭車(chē)?yán)寐史治?/p>

2 立體庫(kù)設(shè)備調(diào)度策略仿真分析及優(yōu)化

基于車(chē)間高度限制、消防安全規(guī)定以及后期維保限制等因素，主機(jī)廠內(nèi)穿梭式立體庫(kù)的高度普遍小于15m，長(zhǎng)度小于120m?；谑剑?）和式（4）可知提升機(jī)取放貨一次所需時(shí)間在5～9s，穿梭車(chē)取放貨一次所需時(shí)間在10～26s，二者所需時(shí)間相差不大。如圖5所示。由于立體庫(kù)同一巷道內(nèi)存在多層貨格，導(dǎo)致一臺(tái)提升機(jī)需對(duì)應(yīng)多臺(tái)穿梭車(chē)，進(jìn)而可能造成提升機(jī)運(yùn)力不足或穿梭車(chē)?yán)寐世速M(fèi)等現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖5 提升機(jī)和穿梭車(chē)運(yùn)力分析

以圖3和圖4為例，該情景下穿梭車(chē)?yán)寐?0%，提升機(jī)的利用率90%，提升機(jī)利用率遠(yuǎn)高于穿梭車(chē)。為解決上述問(wèn)題，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)尋找合適的設(shè)備調(diào)度策略平衡二者的利用率，進(jìn)而避免提升機(jī)效率過(guò)高成為系統(tǒng)瓶頸或穿梭車(chē)效率浪費(fèi)等問(wèn)題的產(chǎn)生。

2.1 穿梭車(chē)調(diào)度策略仿真分析及優(yōu)化

目前，密集倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)采用的穿梭車(chē)主要有子母穿梭車(chē)、四向穿梭車(chē)和自動(dòng)換層穿梭車(chē)等。其中子母穿梭車(chē)和提升機(jī)組合，穿梭車(chē)可以實(shí)現(xiàn)在豎直方向換層；四向穿梭車(chē)可在水平方向換巷道，適用于一臺(tái)穿梭車(chē)在多條巷道作業(yè)的場(chǎng)景；自動(dòng)換層穿梭車(chē)沿貨架立柱自動(dòng)爬升，但其對(duì)貨架的制造、安裝精度要求極高，后期維護(hù)困難。以上三種模式均可以在立體庫(kù)布局不變的前提下，減少穿梭車(chē)臺(tái)數(shù)。考慮到汽車(chē)生產(chǎn)物流的強(qiáng)節(jié)拍需求，在自動(dòng)換層穿梭車(chē)技術(shù)尚未成熟之前暫不考慮實(shí)際應(yīng)用。

以圖3和圖4對(duì)應(yīng)實(shí)際情況為例，在零件的小時(shí)消耗量、布庫(kù)策略和立體庫(kù)結(jié)構(gòu)參數(shù)保持一致的前提下，設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)分析子母穿梭車(chē)和提升機(jī)組合換層和四向穿梭車(chē)換巷道方案與原方案相比的優(yōu)劣勢(shì)，分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同穿梭車(chē)策略的仿真分析

原方案優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備調(diào)度邏輯簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高，但穿梭車(chē)的利用率只有40%，在數(shù)量上存在浪費(fèi)。優(yōu)化方案1采用四向穿梭車(chē)，每臺(tái)穿梭車(chē)負(fù)責(zé)同層的2個(gè)巷道，臺(tái)數(shù)較原方案減半，通過(guò)仿真復(fù)現(xiàn)該方案發(fā)現(xiàn)其設(shè)備調(diào)度邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好且穿梭車(chē)?yán)寐侍嵘?4%，該方案優(yōu)于原方案。優(yōu)化方案2使用子母穿梭車(chē)和提升機(jī)配合實(shí)現(xiàn)穿梭車(chē)換層，穿梭車(chē)臺(tái)數(shù)較基礎(chǔ)方案減半。雖然該方案穿梭車(chē)?yán)寐瘦^原方案有較大提升，但設(shè)備調(diào)度邏輯復(fù)雜，需要穿梭車(chē)和提升機(jī)配合，易造成二者死鎖。從保證生產(chǎn)穩(wěn)定性和系統(tǒng)維護(hù)便利性角度來(lái)看，不建議采用此方案。

2.2 提升機(jī)調(diào)度策略仿真分析及優(yōu)化

原方案中提升機(jī)一次運(yùn)送1箱零件。在充分考慮提升機(jī)硬件設(shè)備能力的基礎(chǔ)上，為降低提升機(jī)利用率，基于仿真實(shí)驗(yàn)分析提升機(jī)一次最多運(yùn)送2箱零件的可行性，結(jié)果見(jiàn)表6。雖然優(yōu)化方案的調(diào)度邏輯較原方案略復(fù)雜，但該方案僅需要對(duì)提升機(jī)自身狀態(tài)進(jìn)行判斷，無(wú)需其它設(shè)備配合，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。同時(shí)，該方案可以降低提升機(jī)利用率至85%，故仿真推薦該方案。

表6 不同提升機(jī)策略的仿真分析

3 結(jié)語(yǔ)

基于汽車(chē)零部件物流行業(yè)背景和穿梭式立體庫(kù)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，給出了穿梭式立體庫(kù)庫(kù)區(qū)分類(lèi)的計(jì)算公式和出入庫(kù)選貨位策略。通過(guò)仿真動(dòng)態(tài)復(fù)現(xiàn)上述策略，驗(yàn)證了其正確性和有效性。同時(shí)基于仿真實(shí)驗(yàn)分析不同的設(shè)備調(diào)度策略的優(yōu)劣勢(shì)并提出仿真建議。本文在汽車(chē)零部件物流領(lǐng)域穿梭式立體庫(kù)的建設(shè)上具有較高的參考價(jià)值和可移植性。