田 博，李郝巖，李鯤鵬，王 焱，謝時(shí)軍

（北自所（北京）科技發(fā)展股份有限公司，北京 100120）

0 引言

近年來(lái)，隨著實(shí)際可供給建設(shè)存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)的土地短缺及倉(cāng)儲(chǔ)物流業(yè)務(wù)的發(fā)展，對(duì)倉(cāng)庫(kù)容量和運(yùn)行能力帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，要求在相同建筑面積內(nèi)盡可能多的設(shè)備和貨位，即增加存貨量。

堆垛機(jī)立體倉(cāng)庫(kù)（AS/RS）是最廣泛應(yīng)用的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)，但堆垛機(jī)立庫(kù)的局限性以及占地面積大的缺點(diǎn)限制了發(fā)展，并且系統(tǒng)的作業(yè)效率有限，尤其集中入出庫(kù)效率上并不理想，這些因素共同推動(dòng)了密集式存儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展。

密集存儲(chǔ)系統(tǒng)相比較堆垛機(jī)式自動(dòng)化立體庫(kù)系統(tǒng)，貨物間距進(jìn)一步壓縮，存儲(chǔ)量更大，密集存儲(chǔ)系統(tǒng)作為智能物流的新模式，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如乳業(yè)、藥業(yè)、酒業(yè)等行業(yè)，一方面提高了空間利用率，解決存貨量的問(wèn)題；一方面對(duì)使用方式提出新要求，對(duì)傳統(tǒng)模式產(chǎn)生沖擊。

子母車(chē)式密集存儲(chǔ)系統(tǒng)作為密集存儲(chǔ)系統(tǒng)的衍生與補(bǔ)充，其中穿梭母車(chē)替代了堆垛機(jī)的水平運(yùn)動(dòng)，子車(chē)替代了堆垛機(jī)貨叉運(yùn)動(dòng)，提升機(jī)替代了堆垛機(jī)的垂直運(yùn)動(dòng)，通過(guò)三者的組合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)貨物出入庫(kù)，其效率更高、柔性更強(qiáng)。目前大部分密集存儲(chǔ)系統(tǒng)為單層單車(chē)，每層都設(shè)置配套子母車(chē)設(shè)備，層與層之間互不相通，產(chǎn)品通過(guò)入出庫(kù)提升機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至相應(yīng)層后，該層的子母車(chē)設(shè)備只能完成該層的入出庫(kù)作業(yè)。

本文通過(guò)優(yōu)化物流規(guī)劃方案，子母車(chē)設(shè)備可互通換層，即通過(guò)子母車(chē)換層提升機(jī)實(shí)現(xiàn)將任意層的子母車(chē)設(shè)備調(diào)度轉(zhuǎn)運(yùn)到任意貨架層，再完成該層的入出庫(kù)作業(yè)。

換層子母車(chē)系統(tǒng)能夠根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)多層入出庫(kù)任務(wù)的執(zhí)行，在提升作業(yè)效率的同時(shí)，更具柔性和冗余度，可廣泛應(yīng)用于智能密集存儲(chǔ)系統(tǒng)中，具有很高的研究?jī)r(jià)值。

圖1 子母車(chē)密集存儲(chǔ)系統(tǒng)示意

1 系統(tǒng)組成

子母車(chē)式密集存儲(chǔ)系統(tǒng)主要由密集存儲(chǔ)貨架及子母車(chē)通道、子母穿梭車(chē)、子母穿梭車(chē)換層提升機(jī)、產(chǎn)品輸送提升機(jī)、庫(kù)端站臺(tái)設(shè)備和外設(shè)其他輸送設(shè)備系統(tǒng)組成；軟件系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等組成。

圖2 子母車(chē)換層系統(tǒng)組成方案示意圖及實(shí)物圖

1.1 密集存儲(chǔ)貨架

密集存儲(chǔ)貨架采用穿梭式貨架，是與子母車(chē)配合使用的專(zhuān)業(yè)特殊貨架類(lèi)型，相較于常規(guī)的橫梁式貨架，穿梭式貨架通過(guò)子車(chē)軌道以及母車(chē)軌道與貨架的互相連接，具有更加緊密的連接結(jié)構(gòu)，使貨架的整體性更強(qiáng)，相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度和剛度也隨之提高，保證貨架穩(wěn)定性。

穿梭式貨架中使用的軌道，既要保證子母車(chē)高速平穩(wěn)的運(yùn)行，也同時(shí)需要保證可正常承載貨物，所以衍生了特殊的軌道類(lèi)型。既可以保證子車(chē)在軌道中順利運(yùn)行，又可保證貨物放置的穩(wěn)定性；且穿梭式貨架可以做到一端入庫(kù)，一端出庫(kù)，在物理上滿(mǎn)足貨物的先入先出。

1.2 子母穿梭車(chē)

子母穿梭車(chē)由穿梭車(chē)（The Shuttle）和衛(wèi)星小車(chē)（The Satellite）兩部分組成，穿梭車(chē)即為母車(chē)，衛(wèi)星小車(chē)圍繞著母車(chē)進(jìn)行工作，即為子車(chē)。

供電方式，母車(chē)的供電來(lái)源為軌道上的滑觸線，子車(chē)的供電來(lái)源為母車(chē)，子車(chē)自身采用48v電池供電，當(dāng)每次子車(chē)完成任務(wù)回到母車(chē)時(shí)，會(huì)有自動(dòng)的供電系統(tǒng)給子車(chē)進(jìn)行充電；

信息通訊，母車(chē)是與巷道末端的AP基站進(jìn)行信息交互，接收系統(tǒng)任務(wù)，而子車(chē)是通過(guò)與母車(chē)上的基站進(jìn)行通訊接收具體任務(wù)，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的正常通訊。

圖3 子車(chē)軌道形式及放貨示意圖和實(shí)物圖

子母穿梭車(chē)是通過(guò)子車(chē)與母車(chē)的配合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)具體貨物的入出庫(kù)。當(dāng)接收入庫(kù)任務(wù)時(shí)，母車(chē)從入庫(kù)站臺(tái)接收貨物，運(yùn)行至相對(duì)應(yīng)的子車(chē)巷道，停準(zhǔn)后，子車(chē)會(huì)將貨物輸送至具體的貨位地址，完成入庫(kù)任務(wù)；當(dāng)接收出庫(kù)任務(wù)時(shí)，母車(chē)先運(yùn)行到相對(duì)應(yīng)的子車(chē)巷道，停準(zhǔn)后，子車(chē)將相對(duì)應(yīng)的貨物輸送至母車(chē)上，母車(chē)再將貨物輸送至出庫(kù)站臺(tái)，完成出庫(kù)任務(wù)。

1.3 子母穿梭車(chē)換層提升機(jī)

子母穿梭車(chē)換層提升機(jī)是根據(jù)子母穿梭車(chē)在換層使用時(shí)的特殊性而研制的專(zhuān)機(jī)設(shè)備，相對(duì)于常規(guī)往復(fù)式提升機(jī)的區(qū)別在于，提升機(jī)轎廂內(nèi)的導(dǎo)軌采用母車(chē)軌道形式，且無(wú)動(dòng)力輸入，需要安裝滑觸線，保證子母穿梭車(chē)從貨架區(qū)域轉(zhuǎn)換至提升機(jī)區(qū)域的持續(xù)供電，有穩(wěn)定的動(dòng)力來(lái)源，才能使子母穿梭車(chē)自主完成駛?cè)?，駛出和停?zhǔn)等動(dòng)作。

1.4 輸送設(shè)備

輸送設(shè)備系統(tǒng)是根據(jù)子母車(chē)式密集存儲(chǔ)特點(diǎn)所設(shè)計(jì)的滿(mǎn)足使用的整體輸送設(shè)備，子母穿梭車(chē)無(wú)法自主的將產(chǎn)品貨物進(jìn)行垂直方向的輸送搬運(yùn)，需要配套的產(chǎn)品提升輸送系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，保證把貨物可輸送至對(duì)應(yīng)的每一層。

圖4 子母車(chē)設(shè)備實(shí)物圖

2 換層子母車(chē)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

子母車(chē)換層提升機(jī)是整套子母車(chē)換層系統(tǒng)中的核心設(shè)備，在子母車(chē)設(shè)備換層工作過(guò)程中，由于子母車(chē)設(shè)備自重較重，且再包括產(chǎn)品貨物后整體重量能夠達(dá)到2.5噸以上，子母車(chē)設(shè)備駛?cè)牒婉偝鰮Q層提升專(zhuān)機(jī)設(shè)備時(shí)，提升機(jī)轎廂的提升鏈條會(huì)隨之產(chǎn)生形變（隨子母車(chē)設(shè)備駛?cè)腭偝鲛I廂會(huì)產(chǎn)生回彈現(xiàn)象），導(dǎo)致固定式軌道和轎廂內(nèi)軌道的偏差增大，且子母車(chē)供電方式為滑觸線供電，所以在子母車(chē)換層過(guò)程中在不僅需要保證換層過(guò)程中轎廂穩(wěn)定性，且還需考慮子母車(chē)供電滑觸線的接頭處的精度及安全性，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)子母車(chē)換層運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.1 機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 伸叉式停準(zhǔn)機(jī)構(gòu)

方案在換層提升機(jī)轎廂載貨臺(tái)的四角增加4套可控制的伸縮停準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，可在對(duì)應(yīng)層高位停準(zhǔn)后，伸出停準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，然后繼續(xù)下降至低位，4個(gè)機(jī)構(gòu)平均分布在轎廂兩側(cè)，搭載在設(shè)備兩側(cè)的緊固板上，直至升降鏈條輕微松脫，停準(zhǔn)機(jī)構(gòu)與緊固板連接可靠，為對(duì)應(yīng)層低位。此時(shí)子母車(chē)駛?cè)牒婉偝鼍辉偈茉O(shè)備提升鏈條的影響，且子母車(chē)駛?cè)腭偝鰰r(shí)的滑觸線對(duì)接精度可控制在1mm以?xún)?nèi)，達(dá)到子母車(chē)可靠的切換，平穩(wěn)駛?cè)腭偝觥?/p>

2.1.2 雙集電臂設(shè)計(jì)

由于轎廂滑觸線與軌道滑觸線為分別供電，隨子母車(chē)駛?cè)腭偝鰮Q層提升機(jī)的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)短暫斷電的情況，在子母穿梭車(chē)上設(shè)計(jì)為雙集電臂碳刷，即駛?cè)腭偝鰰r(shí)如一端脫離滑觸線，保證另一端還能取電，以滿(mǎn)足子母穿梭車(chē)正常使用。

圖5 子母車(chē)換層提升機(jī)實(shí)物圖

2.1.3 增加提升機(jī)轎廂的機(jī)械阻擋

在保障子母車(chē)駛?cè)腭偝鎏嵘龣C(jī)轎廂的穩(wěn)定性，同時(shí)需要提高子母車(chē)在提升機(jī)內(nèi)部行走過(guò)程中的穩(wěn)定性，重量大，且承載位置為軌道，較為光滑，而且輸送過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，增加機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行鎖死，防止發(fā)生轎廂內(nèi)部滑動(dòng)。在端部增加阻擋，進(jìn)入后彈出，駛出前落下。

2.2 電氣系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 單雙閉環(huán)切換復(fù)合控制

換層提升機(jī)提升采用伺服控制，外接BPS認(rèn)址，能夠高速、穩(wěn)定的運(yùn)行。在停準(zhǔn)機(jī)構(gòu)搭載在緊固板上時(shí)，其外部編碼器值固定不變但內(nèi)部編碼器值持續(xù)變化。若依舊按照原有的雙閉環(huán)控制進(jìn)行控制，則會(huì)出現(xiàn)跟隨誤差持續(xù)增大情況，輕則伺服報(bào)警，嚴(yán)重則導(dǎo)致速度環(huán)持續(xù)增大，設(shè)備高速運(yùn)行，損壞設(shè)備。

控制系統(tǒng)增加了單雙閉環(huán)切換復(fù)合控制的控制方式，在停準(zhǔn)機(jī)構(gòu)伸出情況下，切換為單閉環(huán)控制，避免跟隨誤差增大情況，切除外部編碼值的雙閉環(huán)跟隨效應(yīng)，使此專(zhuān)機(jī)設(shè)備能夠在伺服的控制下，穩(wěn)定的搭載在緊固板上。

2.2.2 防超限系統(tǒng)

因子母車(chē)和換層提升機(jī)使用的特殊性，子母車(chē)會(huì)運(yùn)行到相對(duì)靠近轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的站臺(tái)進(jìn)行取放貨，由于子母車(chē)運(yùn)行速度快，子母車(chē)存在沖進(jìn)設(shè)備框架內(nèi)的問(wèn)題，導(dǎo)致轉(zhuǎn)運(yùn)切換設(shè)備無(wú)法進(jìn)行切換，針對(duì)此問(wèn)題，該項(xiàng)目從三個(gè)方面進(jìn)行解決：

1）機(jī)械設(shè)計(jì)：在保證整體方案滿(mǎn)足條件的前提下，增加入出庫(kù)站臺(tái)和設(shè)備框架的距離；

2）電氣設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備框架和貨架子母車(chē)軌道對(duì)接位置增加對(duì)射光電設(shè)備，以此來(lái)探測(cè)子母車(chē)是否沖入換層提升機(jī)，若沖入，則報(bào)警，使設(shè)備處于急停狀態(tài)；

3）子母車(chē)控制算法：子母車(chē)定位方式為BPS定位，會(huì)記錄在站臺(tái)取貨時(shí)所能達(dá)到的最遠(yuǎn)編碼值，若超過(guò)此編碼值，會(huì)進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，使子母車(chē)和設(shè)備處于急停狀態(tài)；

從以上三個(gè)角度，保證了子母車(chē)運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性。

2.3 換層子母車(chē)系統(tǒng)貨位分配及調(diào)度分析

2.3.1 貨位分配優(yōu)化分析

換層子母車(chē)式密集存儲(chǔ)系統(tǒng)具有母車(chē)通道，多層貨架及子車(chē)通道，貨位存儲(chǔ)的每個(gè)通道具有0至n個(gè)貨位，不同通道的入出邏輯也不相同，有的通道先進(jìn)先出，有的通道先進(jìn)后出，還有的通道可兩端同時(shí)入出，且需優(yōu)化計(jì)算調(diào)度子母車(chē)，在不同產(chǎn)品的生產(chǎn)入庫(kù)頻率和單次入庫(kù)數(shù)量差異巨大，需要根據(jù)入出庫(kù)統(tǒng)計(jì)，給不同產(chǎn)品分配最優(yōu)的貨位，該項(xiàng)目采用聚類(lèi)算法實(shí)現(xiàn)：

1）將不同貨位分為k個(gè)聚類(lèi)質(zhì)心點(diǎn)：u1，u2，u3，…，∈Rn；

2）對(duì)于每一個(gè)產(chǎn)品xi，需要計(jì)算與每個(gè)質(zhì)心uj的距離，xi則屬于與他距離最近質(zhì)心uj的簇cj：cj=argminj‖xiuj‖2，j∈1，2，3，…，k；

3）對(duì)于每個(gè)類(lèi)cj，重新計(jì)算該簇質(zhì)心的值：。之后重復(fù)2）、3）進(jìn)行算法收斂，得出每個(gè)產(chǎn)品最適合存放的貨位。

2.3.2 子母車(chē)調(diào)度優(yōu)化分析

由于換層子母車(chē)式密集存儲(chǔ)系統(tǒng)子母車(chē)數(shù)量少于貨架層數(shù)，即并非每層貨架都有一套子母車(chē)設(shè)備，所以在產(chǎn)品入出庫(kù)時(shí)需優(yōu)化調(diào)度子母車(chē)設(shè)備，以具有8層貨架共4套子母車(chē)的方案為例，主要設(shè)計(jì)了以下4種調(diào)度分配方式，可根據(jù)實(shí)際的使用需求，采用不同模式或者可相互切換的模式。

1）固定分配原則，此方式是較簡(jiǎn)單的分配作業(yè)方式，一套子母車(chē)設(shè)備只進(jìn)行固定兩層的入出庫(kù)任務(wù)執(zhí)行，即平均分配4臺(tái)子母車(chē)固定初始位置為1，3，5，7層，子母車(chē)1，2，3，4號(hào)依次控制1、2層，3、4層，5、6層，7、8層。

根據(jù)上圖所示，將子母車(chē)控制的貨架區(qū)域進(jìn)行固定分配確定，不需要進(jìn)行過(guò)多的計(jì)算判斷，邏輯算法簡(jiǎn)單，但是靈活性較低，適應(yīng)于品相數(shù)量少，入出庫(kù)效率要求不高的項(xiàng)目。

2）就近分配原則，如4臺(tái)子母車(chē)初始位置為1，3，5，7層，2層有任務(wù)，就近調(diào)度原則進(jìn)行分配，1層和3層的子母車(chē)都可以通過(guò)換層提升機(jī)來(lái)執(zhí)行此任務(wù)，即空閑巷道最近的子母車(chē)執(zhí)行任務(wù)。

圖6 子母車(chē)固定分配示意及流程圖

根據(jù)圖7所示，就近分配原則下，中間層有入出庫(kù)作業(yè)時(shí)，可靈活調(diào)度上下兩層子母車(chē)設(shè)備來(lái)執(zhí)行該層的入出庫(kù)的任務(wù)，對(duì)比固定式分配方式增加了調(diào)度的靈活性，但是此時(shí)如果上下兩層子母車(chē)設(shè)備都有連續(xù)的作業(yè)任務(wù)，此時(shí)中間層的任務(wù)只能等待，此原則還是有一定的局限性。

圖7 子母車(chē)就近分配示意及流程圖

3）空閑分配原則，如子母車(chē)初始位置為1，3，5，7層，2層有任務(wù)，1層、3層、5層子母車(chē)都正執(zhí)行任務(wù)，則7層子母車(chē)設(shè)備將通過(guò)換層來(lái)進(jìn)行執(zhí)行此任務(wù)。

根據(jù)圖8所示，在空閑分配原則下，子母車(chē)所控制的區(qū)域會(huì)根據(jù)實(shí)際任務(wù)的需要來(lái)靈活調(diào)度子母車(chē)設(shè)備，無(wú)設(shè)備必須負(fù)責(zé)的貨架層，只針對(duì)任務(wù)來(lái)進(jìn)行執(zhí)行。對(duì)比之前兩種方式設(shè)備調(diào)度更加靈活，但是未考慮高層換至低層換層時(shí)間。

圖8 子母車(chē)空閑分配示意及流程圖

4）空閑就近分配原則，子母車(chē)初始位置為1，3，5，7層，2層有任務(wù)，1層、3層、5層子母車(chē)都正執(zhí)行任務(wù)，但是5層子母車(chē)執(zhí)行完任務(wù)后不再有任務(wù)下發(fā)，且5層子母車(chē)進(jìn)入二層時(shí)間短于7層子母車(chē)進(jìn)入2層時(shí)間，將調(diào)度5層子母車(chē)進(jìn)行執(zhí)行任務(wù)。

圖9 子母車(chē)空閑下的就近分配原則示意及流程圖

根據(jù)上圖所示，空閑就近分配原則下，計(jì)算每臺(tái)子母車(chē)的空閑時(shí)間及整體換層時(shí)間，整體考慮換層子母車(chē)系統(tǒng)的效率，會(huì)最大程度節(jié)省換層時(shí)間及次數(shù)，同時(shí)保證子母車(chē)控制層數(shù)的相對(duì)穩(wěn)定性。

子母車(chē)的調(diào)度方式主要依據(jù)實(shí)際客戶(hù)的使用情況而定，品相數(shù)量少可采用固定分配原則此方式簡(jiǎn)單快捷；若品相數(shù)量多，采用空閑就近分配原則可更好的滿(mǎn)足使用效率，減少不必要的換層。

3 工程應(yīng)用與價(jià)值

本文子母車(chē)換層系統(tǒng)在實(shí)際某乳業(yè)項(xiàng)目進(jìn)行了應(yīng)用及驗(yàn)證，此乳業(yè)項(xiàng)目占地面積約為1600m2，采用換層式子母車(chē)密集式存儲(chǔ)，每層2個(gè)母車(chē)通道，將貨架區(qū)域分為3個(gè)部分，共計(jì)4624個(gè)貨位，其中左右貨架區(qū)域先入后出，中間區(qū)域可實(shí)現(xiàn)先入先出，每個(gè)母車(chē)通道區(qū)域的8層貨架使用4套子母車(chē)，共8套子母車(chē)，在每個(gè)母車(chē)通道最端頭設(shè)置了1臺(tái)子母車(chē)換層提升機(jī)，共2臺(tái)換層提升機(jī)；其他設(shè)備包含4臺(tái)產(chǎn)品入庫(kù)提升機(jī)，4臺(tái)產(chǎn)品出庫(kù)提升機(jī)及100多臺(tái)鏈?zhǔn)捷斔驮O(shè)備。通過(guò)有優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)、電控及調(diào)度設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了密集存儲(chǔ)系統(tǒng)中的子母車(chē)設(shè)備能夠調(diào)度到任意層，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的入出庫(kù)作業(yè)。

該項(xiàng)目實(shí)際使用中，換層調(diào)度兼顧設(shè)備位置和設(shè)備利用率，調(diào)度采用的空閑就近分配原則，實(shí)現(xiàn)了入庫(kù)效率135托盤(pán)/小時(shí)，出庫(kù)效率為150托盤(pán)/小時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)作業(yè)效率180托盤(pán)/小時(shí)以上，滿(mǎn)足了項(xiàng)目要求的較高的的作業(yè)效率。項(xiàng)目的成功實(shí)施驗(yàn)證方案的可行性及解決了密集存儲(chǔ)系統(tǒng)中子母車(chē)換層的設(shè)計(jì)及技術(shù)難點(diǎn)。

圖10 某乳業(yè)項(xiàng)目方案及實(shí)際圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)子母車(chē)換層在密集儲(chǔ)存系統(tǒng)研究及應(yīng)用驗(yàn)證，探索了密集存儲(chǔ)系統(tǒng)新模式及新應(yīng)用，拓寬了子母車(chē)密集存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)用，以此方案為核心，可延伸出更系統(tǒng)智能化的物流方案。該系統(tǒng)在子母車(chē)式密集存儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅節(jié)省了前期業(yè)主投資，并且滿(mǎn)足了高效率高冗余使用，為日后密集存儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用提供了良好的借鑒。