郭熾陽 王 兵 張 挺 林秀儀 胡傳雙*

（1.華南農(nóng)業(yè)大學材料與能源學院，廣東 廣州 510642；2.廣東賽爾日盛家居科技有限公司，廣東 廣州511370；3.索菲亞家居股份有限公司，廣東 廣州 511358）

在工業(yè)4.0和智能制造技術(shù)時代，定制家具行業(yè)的智能制造技術(shù)應用走在了整個家具行業(yè)前列。定制家具融合了信息技術(shù)[1-2]、大數(shù)據(jù)[3-4]、云計算[5-6]、物聯(lián)網(wǎng)[7-9]、工業(yè)機器人[10-13]等新技術(shù)，實現(xiàn)工廠、產(chǎn)品、訂單數(shù)據(jù)和消費者的互聯(lián)互通，重構(gòu)整個企業(yè)的生產(chǎn)方式和經(jīng)營模式。定制家具企業(yè)的智能制造系統(tǒng)除了應用生產(chǎn)系統(tǒng)（Manufacturing Execution System, MES）外，還實現(xiàn)了前端銷售與后端生產(chǎn)數(shù)據(jù)的互通，涌現(xiàn)出一系列集銷售、設計和制造為一體的軟件解決方案家具企業(yè)，提供了技術(shù)、系統(tǒng)產(chǎn)品和服務支持[14]。智能倉儲管理系統(tǒng)，是現(xiàn)代制造企業(yè)供應鏈管理的核心環(huán)節(jié)[15]，可將企業(yè)內(nèi)部復雜的采購與生產(chǎn)、生產(chǎn)與銷售、直營與經(jīng)銷等業(yè)務流程，變成清晰、準確的有機整體，為生產(chǎn)經(jīng)營提供物流倉儲技術(shù)的核心競爭力。智能倉儲系統(tǒng)綜合利用信息技術(shù)[16]、云計算[17]、物聯(lián)網(wǎng)[18]、ZigBee[19]、射頻掃碼[20]、區(qū)塊鏈[21]、AGV[22]等高科技技術(shù)，集成高位立體倉庫、巷道堆垛機、升降設備、自動出入庫傳送系統(tǒng)、自動分揀系統(tǒng)、搬運設備和機器人等設備，形成具有感知能力、推理判斷能力、自動操作能力的智能系統(tǒng)，實現(xiàn)管理系統(tǒng)信息化、儲運操作自動化、數(shù)據(jù)計算智慧化、網(wǎng)絡協(xié)同化和決策智能化。

智能倉儲管理系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個部分[23-25]。板式定制家具企業(yè)智能倉儲系統(tǒng)硬件主要包括立體倉、傳送系統(tǒng)、裝載系統(tǒng)等子系統(tǒng)。隨著板式定制家具企業(yè)前端線下銷售渠道和電商渠道的快速發(fā)展，為提高服務響應速度和降低物流成本部分，部分單一龍頭企業(yè)也快速地實現(xiàn)了全國布局。筆者實地調(diào)研了華南地區(qū)某大型定制家具企業(yè)，以產(chǎn)能3 000 單/d為例，從立體倉（倉儲能力）、傳送系統(tǒng)（傳送系統(tǒng)能力）和裝載系統(tǒng)（裝載系統(tǒng)能力）三個方面進行硬件選取與設計分析，以期為板式定制家具企業(yè)構(gòu)建智能倉儲管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)建設提供借鑒。

1 倉儲能力需求分析

基于3 000 單/d的訂單業(yè)務數(shù)據(jù)，實地統(tǒng)計分析了訂單組成、產(chǎn)品分類、周轉(zhuǎn)率、產(chǎn)品尺寸、實際可用于建庫空間等數(shù)據(jù)和信息，測算立體倉的主要參數(shù)，包括庫位數(shù)量、貨架層高、巷道數(shù)量等。

板式定制家具企業(yè)訂單分為兩類：1）加盟店訂單（經(jīng)銷單），到貨后分揀再配送；2）直營店訂單（直營單），工廠直接配送到終端客戶家。不同類別的訂單需要不同的物流方式，為了提高實際倉儲物流的效率，經(jīng)銷單可將多個訂單拼單，把多個訂單的產(chǎn)品存放在一個托盤上，而直營單只能一個托盤存放一個訂單產(chǎn)品。

1.1 存儲貨位凈空尺寸確定

在測算庫位數(shù)量需求前，首先需要分析拼單對現(xiàn)場存儲貨位凈空尺寸的影響?；诙ㄖ萍揖弋a(chǎn)品規(guī)格，選擇常用規(guī)格（長×寬×高）的托盤A盤（2 000 mm×1 300 mm×170 mm）和B盤（2 900 mm×1 300 mm×170 mm），隨機抽樣6單。在實際生產(chǎn)中，拼單數(shù)均不少于3單，因此拼單后尺寸測量從第3單后開始，如表1所示。

表1 不同規(guī)格托盤存放拼單產(chǎn)品高度測量值Tab.1 Height of pallet storage of different specifications

為了提高材料利用率，實際生產(chǎn)中經(jīng)銷單可實現(xiàn)20～30單多單混排，生產(chǎn)完畢后產(chǎn)品根據(jù)長度和質(zhì)量需分揀包裝，每包質(zhì)量控制在30 kg。所調(diào)研的工廠經(jīng)銷單平均拼單數(shù)為4單/托，此時兩種規(guī)格托盤存放拼單產(chǎn)品后的總高度分別為610 mm和545 mm。考慮到后期擴產(chǎn)后產(chǎn)量可能會超出3 000單/d，實際測算按照經(jīng)銷單拼單數(shù)6 單/托為準，則對應的兩種規(guī)格托盤存放拼單產(chǎn)品后的總高度則分別為960 mm和820 mm。根據(jù)產(chǎn)品及部位的不同，所用刨花板和中密度纖維板的厚度規(guī)格差異約20%，因此造成存放產(chǎn)品后的高度差相應地也為20%左右。拼單產(chǎn)品高度測算安全系數(shù)取1.2，所以每個托盤單元存放拼單產(chǎn)品后的測算高度分別為960 mm×1.2=1 152 mm和820 mm×1.2=984 mm。由于實際貨架的可調(diào)節(jié)距離最小為50 mm，向上取整則高度分別為1 200 mm和1 000 mm。為了保證存取貨物的安全，貨位存放產(chǎn)品后還需要預留150 mm的操作空間。因此，實際庫位高度分別為1 350 mm和1 150 mm。

通過對現(xiàn)場兩種規(guī)格托盤存放經(jīng)銷單拼單產(chǎn)品結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，在拼單數(shù)相同條件下，雖然B盤比A盤存放拼單產(chǎn)品后的高度降低了10%～14%，提升了立體倉庫的空間利用率，但B盤每托拼單所用的時間約為A盤的2倍。考慮到拼單時間會影響整個生產(chǎn)線的速率，在立體倉庫位充足的條件下，建議優(yōu)先采用A盤。直營單每托僅存放1單，存放高度平均約為415 mm，考慮高度變異、安全系數(shù)和庫位操作空間，則直營單庫位高度為410 mm×1.2+50 mm+150 mm=692 mm，向上取整為700 mm。

綜上，針對日產(chǎn)3 000單工廠，經(jīng)銷單拼單數(shù)5～6單/托，通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)及合理測算結(jié)果為：對應經(jīng)銷單和直銷單，單個庫位的空間高度分別為1 350 mm和900 mm，托盤規(guī)格為2 000 mm×1 300 mm×170 mm。

1.2 庫位數(shù)量確定

在表1測算的基礎上，考慮訂單組成產(chǎn)品種類、周轉(zhuǎn)率、標件備貨、標件理貨、呆滯品等因素，結(jié)合工廠生產(chǎn)實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對庫位的需求數(shù)據(jù)列于表2。由于工廠實際生產(chǎn)的經(jīng)銷單每托拼單單數(shù)從1.0到6.0不等，主要根據(jù)部分產(chǎn)品每托拼單后的尺寸、質(zhì)量、拼單耗時等綜合因素考量。吸塑門、背板、木線、五金、導軌、標件原料等根據(jù)生產(chǎn)實際，未考慮經(jīng)銷單拼單。統(tǒng)計數(shù)據(jù)測算表明，需要凈空高度1 200 mm的庫位3 096個、凈空高度700 mm的庫位4 208個，合計7 304個。由于部分產(chǎn)品長度超出2 000 mm的長度，托盤全部采用較長的B盤。

表2 庫位需求分析測算Tab.2 Analysis and calculation of warehouse storage demands

2 傳送系統(tǒng)能力需求分析

傳送系統(tǒng)主要由出入庫傳送滾筒、移栽機、提升機和堆垛機等設備組成，測算傳送系統(tǒng)能力需求時，不僅需要考慮入庫頻率及每日入庫工作時長、出庫頻率和每日入庫工作時長，而且還需要考慮空托盤回收、傳送帶行走速度和堆垛機效率等因素。

根據(jù)調(diào)研，該企業(yè)日工作時長為20 h?？紤]到出庫涉及到銜接外部物流，智能倉庫每日出庫工作時長按10 h/d計，則根據(jù)實際訂單業(yè)務分析及計算，3 000 單/d的出入庫托數(shù)的測算數(shù)據(jù)見表3。

表3 出入庫流量測算表Tab.3 In- and out-flow of the warehouse

2.1 堆垛機數(shù)量確定

3 000單產(chǎn)品分別含有柜體、柜門、背板、木線、五金、導軌、標件等不同類別，根據(jù)經(jīng)銷單和直營單不同類別產(chǎn)品拼單拼托的規(guī)則及每日出入庫工作時長，計算得到每小時出入庫的托盤數(shù)，從而計算傳送滾筒、提升機、堆垛機的能力需求。每小時入庫托數(shù)由產(chǎn)生的日托數(shù)除以每日入庫工作時長20 h得到，同理可計算每小時出庫托數(shù)。因為每日入庫工作時長和每日出庫工作時長相差兩倍，所以每小時出入庫流量也相差兩倍?？胀斜P回流時，每6個空托盤碼成一垛，車間倉儲需求托盤垛數(shù)和裝車產(chǎn)生的垛數(shù)分別由出入庫托盤數(shù)除以6得到。綜合表3測算分析數(shù)據(jù)可以得知，每小時產(chǎn)品入庫和出庫數(shù)量分別為127.8 托和236.8 托，流量合計364.6 托；每小時空托盤出庫和入庫數(shù)量分別為26.2 托和52.4 托。因為空托盤直接流轉(zhuǎn)入生產(chǎn)線而不需要入庫，所以不需占用堆垛機的能力。

根據(jù)表3測算，得到每小時出入庫托數(shù)合計為364.6 托。根據(jù)堆垛機選型后的堆垛機效率參數(shù)，則可以計算出巷道數(shù)和堆垛機數(shù)量。為了避免轉(zhuǎn)彎半徑對立體倉空間的占用，優(yōu)先選用直道雙立柱堆垛機，僅占用一個巷道，因此巷道數(shù)與堆垛機臺數(shù)一一匹配。堆垛機選型時，根據(jù)出入立體倉的走行距離、貨物升降高度以及叉取重量等作業(yè)需求，選擇堆垛機的變頻器和馬達功率。考慮企業(yè)立體倉庫的實際升降高度21 m、走行距離100 m和單元載貨承重1 500 kg，選用性價比高、市場成熟度高和系統(tǒng)集成接口易的SDF-1500KG-21M雙立柱單升堆垛機。

由表4 可知，雙立柱單升堆垛機工作能力為37.9 托/h，因此由巷道數(shù)量=堆垛機數(shù)量=出入庫需求/堆垛機效率計算公式可知，堆垛機需求量即立體倉巷道數(shù)經(jīng)計算為9.6個，向上取整可得到巷道數(shù)為10。

表4 發(fā)貨暫存區(qū)測算Tab.4 Calculation of buffer area

2.2 移栽機和提升機確定

除了堆垛機外，傳送系統(tǒng)還包括移栽機、提升機和傳輸輥筒。傳輸輥筒設計速度為18 m/min，移栽機和提升機選型及數(shù)量，需要根據(jù)具體布線以及移栽機和提升機的工作效率參數(shù)計算。根據(jù)方案設計移栽機出入庫荷載能力為130 托/h，需求數(shù)量364.6 托/h÷130 托/h·臺=2.8 臺，但倉儲實際共有轉(zhuǎn)向移栽的位置102 個，因此實際需要的移栽機數(shù)量為102 臺。提升機的荷載能力為120 托/h，需求數(shù)量為364.6 托/h÷120 托/h·臺=3.1 臺，取整為4 臺。

3 裝載系統(tǒng)能力需求分析

裝載系統(tǒng)能力需根據(jù)發(fā)貨暫存區(qū)和裝載通道計算。

3.1 發(fā)貨暫存區(qū)

對3 000 單/日的企業(yè)，出庫總需求為236.8 托/h，堆垛機臺數(shù)10 臺，按每臺堆垛機出庫能力23.7 托/h，因此每托出庫間隔為2.4 min。實際發(fā)貨裝車口數(shù)量為5 個，是巷道數(shù)的一半，即兩個巷道共享一個發(fā)貨裝車。每托裝車時間約為2.5 min，出庫產(chǎn)品到每個發(fā)貨裝車口的間隔約為裝車時間的2倍。因此需要設置發(fā)貨暫存區(qū)，否則裝完一個托盤產(chǎn)品需要等待2.3 min才有下一個托盤產(chǎn)品轉(zhuǎn)送到發(fā)貨裝車口，從而導致裝車無法連貫作業(yè)。發(fā)貨暫存區(qū)數(shù)量為發(fā)貨口間隔與裝車時間之比，計算數(shù)據(jù)為1.9個，取整為2個，如表4所示。

3.2 裝車通道

3 000單/日的企業(yè)，裝車通道需求測算見表5。數(shù)據(jù)表明: 3 000單產(chǎn)品出庫總質(zhì)量約630 t，其中直營單和經(jīng)銷單占比分別為10%和90%。實際承運車輛型號及數(shù)量統(tǒng)計為：2 t 4.2 m廂車7 臺、5 t 6.2 m廂車13 臺、7 t 6.8 m廂車6 臺、10 t 7.2 m廂車10 臺、15 t 9.6 m廂車11 臺、20 t 13 m高欄車3 臺、30 t 13 m高欄車4 臺和30 t+17.5 m平板車2 臺，合計56 臺?？傃b車時間需求118.9 h，理論計算需12通道，考慮實際有效裝載時間約為75%，計算得到裝車通道需要16 條，才能完成每天裝載任務。

表5 裝車通道測算Tab.5 Calculation table of loading channel

4 結(jié)論

本文以日產(chǎn)3 000 單的產(chǎn)能為例，直營單和經(jīng)銷單占比分別為10%和90%，產(chǎn)品主要包括柜體、柜門、線條、背板、五金、導軌、標件備貨、標件理貨、呆滯品等，其倉儲系統(tǒng)配置如下：

1）托盤尺寸規(guī)格為2 900 mm（長）× 1 300 mm（寬）× 170 mm（高），需凈空高度1 200 mm的庫位3 096 個，凈空高度700 mm的庫位4 208 個；

2）出入庫流量為365 托/h，巷道數(shù)10 個，堆垛效率37.9 托/h的堆垛機10 臺，移栽機102 臺，提升效率為120 托/h的提升機4 臺；

3）每天出庫總質(zhì)量為630 t，需各型車輛56 臺，裝載車道16 個；

4）本文建立的智能倉儲硬件系統(tǒng)需求分析方法和流程適用于板式定制家具企業(yè)，企業(yè)可根據(jù)自身訂單能力，通過改變訂單數(shù)量即可實現(xiàn)。