智能输送系统中一种非标库的效率计算

卢宗慧，于多加*，李 健，赵 林，李 岩

（1.北自所（北京）科技发展有限公司，北京 100120；2.北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

0 引言

随着经济的发展，技术水平不断的提高，在德国工业4.0和中国制造2025的大环境下，企业对智能输送系统的需求也在不断增加[1]。随着业务范围的逐渐扩展，企业对物流输送系统的要求也越来越高[2]。自动化立体仓库作为智能物流系统中的关键环节，如何对其作业效率进行快速准确地计算也是物流行业的关注热点之一[3]。本文研究的自动化立体仓库是一种根据用户需求进行高度个性化定制的非标准型立体仓库（以下简称非标库），其目的是为了解决生产物流输送系统中前后工艺效率不均带来的货物积压问题，是一种平衡库、缓存库。其出入库对接产品检验、出货等多个生产线，效率直接影响企业生产。因此非标库的效率计算是整个智能输送系统的核心设计之一。目前，对其进行效率计算可参考的资料较少。本文以某项目物流输送系统中的非标库为例，对该非标库的效率进行分析计算，并与项目实际运行效率进行对比分析，验证了计算方法的可行性。

1 非标库的作业流程

根据项目的实际需求，该非标库采用双排货架、双巷道的解决方案，布局如图1所示，其出入库站台均对接生产线，在智能输送系统中起到缓存、平衡的作用。

图1 非标库布局图

其中：

E1～E6——货物出入库站台；

A1——空托盘入库位置；

E7—货物出库站台，部分空托盘入库站台；

E81、E81—待检货物出库站台，不合格货物入库站台；

a～c—拆盘机；

1号/2号堆垛机—货物搬运；

转运货位—第1排货架中1～4层所有货位，起到暂存、转运货物的功能。

与普通立体仓库相比，非标立体仓库具有出入库点多，流程复杂等特点，其作业循环不是单次循环与复合循环的简单组合，要对其作业效率进行计算，首先需要根据项目需求明确具体作业流程，该非标库的作业流程如下：

1）产品运送至环穿车流程

流程1：成品货物经过输送机运送至E1～E6站台，通过1号堆垛机运送至E7点；

流程2：成品货物经过输送机运送至E1～E6站台，经1号堆垛机运送至转运站台，再通过2号堆垛机送至高层货架暂存。需要出库时，由2号堆垛机送回转运站台，再通过1号堆垛机送至E7点；

2）产品检验流程

成品货物经过输送机运送至E1～E6站台，经1号堆垛机运送至转运站台，再通过2号堆垛机送至高层货架暂存，需要出库时，由2号堆垛机直接送至E81/E82位置出库检验产品；

3）不合格产品回流流程

不合格产品回流流程：货物从E81/E82位置入库，通过2号堆垛机将其暂存至高层货架内，可以出库时，经2号堆垛机将其运送至转运站台，最后再由1号堆垛机送至E1～E6站台；

4）空托盘运送流程

流程1：空托盘从A1点入库，通过2号堆垛机进入高层货架暂存，需要出库时，2号堆垛机将其送至转运站台，再由1号堆垛机将其送至拆盘机进行拆盘后送至E1～E6站台；

流程2：空托盘从E7点入库，通过1号堆垛机将其送至转运站台暂存，一段时间后将其送至拆盘机进行拆盘后运送至E1～E6站台；

流程3：空托盘从E7点入库，通过1号堆垛机直接将其送至拆盘机进行拆盘后运送至E1～E6站台；

根据流程可知，1号堆垛机与2号堆垛机水平运行互不影响，故在计算非标库效率过程中可将两台堆垛机分别计算后再根据需求进行整合。

2 非标库的效率计算

堆垛机的效率取决于其作业的循环时间，堆垛机的循环时间包含可变时间和固定时间两部分。其中，可变时间取决于堆垛机的行程，需要根据具体流程进行计算，固定时间由堆垛机的特定参数决定。在本案例中，两台堆垛机的具体参数如表1所示。

表1 堆垛机参数

堆垛机在工作中的固定时间为货叉在存取货物过程中所消耗的时间，其中包括货叉伸缩、到位等待和载货台微升降的时间，可以根据下式计算堆垛机货叉的运行时间，t01=2×（T11+T12+T13+T03）+2×（T21+T22+T23+T03）+2×T01+2×T02

其中：

T11——货叉负载时升速运行时间；

T12——货叉负载时匀速运行时间；

T13——货叉负载时减速运行时间；

T21——货叉空载时升速运行时间；

T22——货叉空载时匀速运行时间；

T23——货叉空载时减速运行时间；

T01——货叉微升降时间；

T02——堆垛机到位等待时间；

T03——货叉到位等待时间。

由于两台堆垛机货叉的参数相同，所以其运行时间也相同。经计算得出堆垛机作业货叉运行的固定时间t01：

2.1 1号堆垛机的循环时间计算

根据非标库布局图可知，E1～E6号站台和a～c拆盘机是与货架同一中心，对称分布，为方便计算，可以沿巷道方向取货架中心C点作为货物和托盘的平均出入库点计算1号堆垛机的效率。

由于C点既是E1～E6号站台的中心，又是a～c拆盘机的中心，并且有托盘经拆盘机进入站台的流程，所以该流程需要进行单独计算。在不考虑伸缩货叉的情况下，计算堆垛机从拆盘机的中心位置分别到达E1～E6号站台的时间，取得平均时间t02，即为空托盘经拆盘机进入站台的平均时间，如下式。

其中：

tE1-b—堆垛机从E1点至b点运行时间。（以下此类型代号均以此类推，不再进行解释说明）。

经计算：

根据欧标FEM9.851[4]，堆垛机在不同出入站台情况下的平均作业点的选择参考为P1(L/5，2H/3)和P2(2L/3，H/5)，具体情况如下。

当以C点为出入库点时，取Pc1、Pc2作为堆垛机作业的平均点；当以E7点为出入库点时，取PE7-1、PE7-2为堆垛机入库作业的平均点。图2为1号堆垛机的单次作业循环过程，图3为1号堆垛机的复合作业循环过程。

图2 1号堆垛机单次作业循环

图3 1号堆垛机复合作业循环

当堆垛机将货物从站台C点直接搬运至E7点，不考虑货叉伸缩时间时，其所用时间tm0如下式：

当堆垛机以C点为出入库位置时，其单次作业循环时间t11如式(1)所示：

当堆垛机以E7点为出入库站台时，其单次作业循环时间t12如式(2)所示：

当堆垛机以C点为出入库站台时，其复合作业循环时间t21如式(3)所示：

当堆垛机以E7点为入库站台，C点为出库站台时，其复合作业循环时间t22如式(4)所示：

2.2 2 号堆垛机的循环时间计算

分析非标库搬运流程可知，2号堆垛机是从暂存货位处取货，存入高层货位，即所有的转运货位都是2号堆垛机的入库站台。因为转运货位上的货物均由1号堆垛机进行入库作业时存入，故可将1号堆垛机的入库点看作2号堆垛机的入库站台，所以取1号堆垛机的入库平均点PC1、PC2作为2号堆垛机入库站台。出入库点E81、E82位置相邻，可以取其中点E8作为2号堆垛机的出入库点。由于PC1、PC2、E8三点的位置均在立体库内，在取平均点时需要根据欧标FEM 9.851中的案例与实际相结合，当站台既不在X轴上，也不在Y轴上时，堆垛机出入库平均点的坐标如表2所示。

表2 堆垛机出入库平均点坐标

其中，L为堆垛机水平方向的最大行程，H为堆垛机垂直方向的最大行程。

根据表2中所列公式，可以分别计算出以PC1、PC2、E8、A1点为出入库站台时，其平均取放货物的参考点如图4所示。在图示可以看出，出入库站台的参考点位置相近，为方便计算，可以取参考点的平均点P1’、P2’作为2号堆垛机PC1、PC2、E8、A1出入库站台理论计算的存取参考点，如图5所示。

图4 2号堆垛机存放货物参考点

图5 2号堆垛机存放货物计算参考点

与1号堆垛机相同，2号堆垛机的循环时间也分为单次作业循环和复合作业循环，由于以PC1、PC2为入库站台，E8为出库站台的流程，与以E8为入库站台，PC1、PC2为出库站台的流程是对称的，所以可以省略其中一种计算。如图6为2号堆垛机单次作业，图7为2号堆垛机复合作业循环。

图6 2号堆垛机单次作业循

图7 2号堆垛机复合作业循环

当2号堆垛机以PC1点为出入库站台时，其单次循环时间如式(5)所示：

当2号堆垛机以PC2点为出入库站台时，其单次循环时间如式(6)所示：

当2号堆垛机以E8点为出入库站台时，其单次循环时间如式(7)所示：

当2号堆垛机以A1点入库时，其单次入库循环时间如式(8)所示：

当2号堆垛机以PC1点为入库站台，E8点为出库站台时，其复合作业循环时间如式(9)所示：

当2号堆垛机以PC1点为出入库站台时，其复合作业循环时间如式(10)所示：

当2号堆垛机以PC2点为入库站台，E8点为出库站台时，其复合作业循环时间如式(11)所示：

当2号堆垛机以PC2点为出入库站台时，其复合作业循环时间如式(12)所示：

当2号堆垛机以PC1点为入库站台、PC2为出库站台或PC1点为出库站台、PC2为入库站台时，其复合作业循环时间如式(13)所示：

当2号堆垛机以A1点为入库站台，PC1点为出库站台时，其复合作业循环时间如式(14)所示：

当2号堆垛机以A1点为入库站台，PC2点为出库站台时，其复合作业循环时间如式(15)所示：

根据两台堆垛机的具体参数和计算公式，可以得出堆垛机运行中各个行程的具体时间。

2.3 效率计算

结合非标库具体流程，将堆垛机具体参数数据代入上述公式中进行计算，得出非标库各流程的作业效率如表3所示。

表3 非标库理论效率

3 试验结果分析

3.1 试验数据分析

根据项目的实际运行情况，调取该非标库一个月内的运行账单进行分析，如图8所示，为非标库部分账单截图。

图8 非标库部分账单截图

以3天为一个周期，对该非标库一个月内的实际运行数据进行提取、整合，得到非标库近一个月内的单次作业循环时间分布图和复合作业循环时间分布图分别如图9和图10所示。

图9 非标库单次作业循环时间分布图

图10 非标库复合作业循环时间分布图

对该异形库的实际作业运行数据进行分析计算，得出堆垛机单次作业和复合作业的平均循环时间，从而计算出该立体库的实际作业效率，如表4所示。

3.2 结果分析

在实际项目的运行使用过程，设备参数需要根据实际情况进行调整，实际的平均入出库位置也会与理论计算时选定的参考位置有所不同，这就会导致理论计算结果与实际运行结果有偏差。立库实际库存的饱和度，堆垛机调度算法都会影响库的效率，将非标库实际运行效率和理论计算效率进行对比，我们可以发现运行数据显示的平均效率在计算效率的81.5%之内，是物流行业内设计效率的合理范围。从而验证了非标库效率计算方法的合理性。

4 结语

本文研究的非标立体仓库作业流程复杂，在进行效率计算之前本文先对该非标库的作业流程进行了梳理分类，然后找到合适的效率计算方法：首先将非标库的两台堆垛机看作独立的两部分，分别计算其运行时间，然后根据实际作业流程将两部分的作业时间进行整合计算，最终计算出非标库的总体作业效率。这对定制化非标立体仓库的方案设计，具有一定的参考价值。在实际应用的自动化立体仓库中，堆垛机在每个货位取放货并非是等概率的，导致理论计算结果与实际运行结果存在偏差。如何结合实际使用中作业货位在非标立体库中的分布概率对其作业效率进行计算，以及立库饱和度及调度算法对效率得影响有待持续深入研究。