基于多品种、多规格及小批量的自动化柔性仓储中心研究

冉文学，胡意敏 （云南财经大学 物流学院，云南 昆明 650221）

0 引 言

自动化仓储系统作为现代物流系统的核心和枢纽，对于企业提升工作效率和创造效益具有重要意义。目前，自动化仓储系统已在大面积使用，以往企业为提高反应能力，通常倾向于制造大批量且规格统一化的物品。但随着市场的急剧变化和客户的个性化需求，消费者更趋向于多元化的产品，这使得更多大型企业也逐渐从以前的单品种大批量生产转变为多品种、多规格及小批量生产。据统计，目前主要存在着多品种、多规格及小批量和少品种、大批量两种生产类型，而前者约占到机械工业总产值的70%～85%左右。由此可知，多品种、多规格及小批量成为了当下多数企业的生产模式，但它正对企业的生产效率和效益造成损害，成为制造业高质量发展的主要障碍。与此同时，现代物流业也对仓储管理提出了更高的要求，传统单一的库存管理已经无法满足当前物流业发展的需要。

所以，如何提高自动化立体仓储系统的包容力以改善多品种、多规格及小批量货物的作业效率是急需解决的难题。故而，本文的研究将解决以下两个问题：

（1） 多品种、多规格及小批量存储企业该如何解决多规格自动化仓储问题？

（2） 如何在多规格的前提下解决小批量的问题？

本文针对多品种、多规格及小批量的货物仓储提出使用新型堆垛机设备配备多规格立库货架的解决方法。其中新型堆垛机设备是指单个堆垛机配备多种型号货叉解决小批量的情况，同时可根据企业的出入库流量的情况决定用多少数量的堆垛机，避免一个巷道用一台堆垛机。这将为企业节省大额的设备成本，同时避免造成资源浪费。通常的立库都是单一规格，但本文提出使用多规格的立库解决货物规格多的问题。这一问题的解决，使得有这类型需求的企业均可实现自身效率的提升、解放劳动力、促进社会的自动化进步。综上所述，本文的研究以及所做的方案对于如今仓储行业和社会的进一步发展具有非常重要的现实意义。

1 国内外研究现状以及存在的问题

1.1 堆垛机研究现状

根据对文献的梳理发现对堆垛机的研究主要从调度和结构进行优化。在调度上，蔡安江等对两端式出入库站台的堆垛机进行命令调度的优化；郑振宇等通过仿真模型来实现调度优化；李媛媛等和唐磊等以堆垛机运行时间最短进行堆垛机的出入库路径优化。在结构上，Z. Chen 等针对小型轨道堆垛机的重复设计和效率低下，利用C#编程语言和SolidWorks 接口技术设计了小型轨道堆垛机参数化设计系统，而Lu Z 等设计并开发了新型轻型高速堆垛机。除小型堆垛机外，JIANG J 等对重型堆垛机的龙门柱和三层货叉的结构进行了优化，而黄红军发明了一种柔性伸缩货叉，徐其航等对搬运阶段中使用的性能参数和结构形式提出优化设计。以上几类研究均是对于堆垛机的内外部优化研究，但无法解决本文所提出的多规格和小批量自动化仓储的问题，但这些研究对本文所研究的新型堆垛机具有借鉴意义。

1.2 多规格货架

基于对文献的梳理，发现对多规格货架的研究主要是订单货物的分散和数量所导致的分拣问题，Nils Boysen 等对此提出多种设备混合的自动化立体仓库系统，例如混合货架存储、批处理和分区等重要仓储方法。基于混合货架的理念，研究者们开始从货架的组成结构对多规格货架开始进行研究，李国维基于混合货架存储设计了多种规格抽屉型货柜；钱柏贤通过设置货架的零部件调节承重板左右移动，使得其能存放不同规格的板材；同样可调节宽度的研究还有彭中发等通过调节式连接件调节两个框架间距。此外，还有在高度上的调节，例如余义全也是通过设置货架的组成构件使得可根据商品的规格来调节展示座之间的高度以及展示区域的面积，提高展示货架功能性。在此研究的基础上，吴春华提供了一种多功能组合货架，通过组装主货架和副货架来分别增大货架的长度或宽度。以上研究在原有的货架基础上都进行了多规格的设计，但对于货物的载具以及取放货的方式对于本文的设计对象都会有一定的限制，故而，本文在以上研究的基础上进行多规格货架的设计。

1.3 柔性仓储系统研究现状

柔性仓储系统的研究根据研究者所针对的企业而有所不同，例如陈振伟等提出一种适用于不同规格的手机金属压铸件的自动化柔性作业系统；申鑫提出一种针对数控冲床的柔性制造自动化控制系统，研究可以给予机械结构上的研究灵感；杨黎明等针对多规格的存储通过堆垛机机械结构进行柔性组合式存储控制系统的设计，该研究提出如果分巷道存放货物，则每个巷道都要有唯一对应的堆垛机，而本文设计的堆垛机正好可以解决此问题。此外，该研究设计了两种大小的托盘，配备四种货叉堆垛机用以取货，该堆垛机结构还是会对物料有一定的限制，但是四种货叉配以单双叉的取货方式确实会提升取货效率，这是值得借鉴的地方。

考虑到多规格和小批量生产模式带来的生产环境变化，Zhou 等提出了一种新的多工位系列系统半动态机会维护策略。此外，李亚凯等通过生产调度逻辑的灵活设计实现了柔性制造系统，此类研究的优化模型对于本文的多品种出入库任务的调度具有借鉴意义。还可通过设备布局提升柔性化，例如通过设计环形仓实现柔性仓储系统。根据以上研究可知，实现柔性仓储的方法多种多样，关键在于适合自己的研究对象。

综上研究可以发现，针对多规格、小批量的自动化仓储问题，有不少学者提出使用组合式货架或其他形式的多规格货架的设计，但如何结合堆垛机等搬运设备提升仓储的自动化水平的研究还相对较少。因而，为同时解决这二个问题，本文将从堆垛机设备和多规格货架同时出发，寻求两者的变化，结合能够同时满足两者的要求，为多品种、多规格及小批量货物的自动化仓储问题提出新的解决方案。

2 多规格自动化柔性仓储研究

本文所设计的多规格自动化柔性仓储系统包括新型的堆垛机设备以及多规格货架，立库的出入库接口可根据企业的具体布局进行修改，可与企业的其他分拣系统、运输系统等实现无缝对接。该系统相较于市场上统一规格的仓储系统具有更强柔性，可根据企业的物品规格进行设计，使得物料规格限制得以打破。同时，考虑到货物的存储和不同货物的流量问题，设计新型可换货叉的堆垛机设备，可以满足一台堆垛机存取所有规格类型的货物，避免每种规格都要使用一台堆垛机，为企业节省大量的成本。

2.1 多规格货架研究

多规格立库是指立库中货架的货格大小不统一，具备多种货格单位，使得物料多规格的企业可以全部使用自动化的存储系统。其中货格单位的分配主要有两种方式（如图1 所示），第一种是使用单排统一规格货架，这种单排统一规格的适合于货物储存量大且流量多的货物。第二种单排混合规格的货架，这种分配方式主要适用于不是批量进出且需要不同大小单位调配的仓储，而每种物料所占据的比例可以根据储存量的大小来分配。

图1 两种多规格货架俯视图

2.2 可换货叉式堆垛机研究

本方案的堆垛机与现有市场的装备有很大的不同，它的特点在于可以换取不同类型的货叉以取不同大小的物料，这样就不用被多种物料规格所限制，同时也不用因为多种物料规格而配备多种规格堆垛机。堆垛机本体的设计是此系统的核心所在，而堆垛机本体实现货叉的换取是整个系统得以实现的基础。

堆垛机本体的立面构成，包括堆垛机本体设备、出入库站台、货架最低位货格，其中堆垛机本体的总高与货物最高位相同，堆垛机本体设备立面构成图如图2 所示，图2 中堆垛机立体的虚线框处为货叉的预留位置。

图2 堆垛机本体立面图

3 案例应用分析

3.1 基础参数设计

本文的案例对象是日用百货超市A，众所周知，百货超市的物品种类繁多，且大小不一，正好与本文的研究类型符合。本文的案例应用设计将从物料的规格、货架、货叉或货叉库进行阐述，最后给出一个总体设计方案。此外，本节数据是根据物料的大小需求结合市场上通常使用的数据进行假设。

3.1.1 物料规格设计

对A 超市设计四种物料规格的仓储单元，第一种物料A大小为525*650*850mm，包装为四种物料中最小的一种，对于日用百货而言，适宜装载一些量少但贵重的物品，例如手机、电脑、手表等存货不多，但单价很贵的物品。在大型日用百货超市中，每天的出入库量不定，这类商品存储量本身便不多，与堆积成山一样的物品相比，很容易出现被忽略或者想出库时半天找不到货的情况，这会让顾客的等待时间加长、服务效率减慢、影响顾客的购物体验、对企业造成一定的人流量损失。

此外，考虑到量少的特殊性，所使用的箱子也较小。针对此类小存储单位的物品可以使用两种装载方式，一种是使用周转箱或者托盘，另外一种是直接使用普通纸箱进行运输，减少承载类器具的成本占用。由此，A将使用箱子装载直接运输。与此对应的，A的货架部分可以在横梁上设计高度与托盘相同的墩子用以承载物料，也可以使用两边担板中间留有空隙的方法，其目的是为堆垛机叉取货物留有空间。

第二种物料A大小为800*1 000*1 000mm，第二种物料可以用来存储那些通常用作绑定售卖的。例如在节日促销或者日常打折等，此时可以提前将这种绑定的消费品进行一起存储，等到售卖时一起取出即可，这样可为企业节省大量的时间，做好售前充足的准备。A2 的承载方式考虑到重量问题，采用托盘进行运输，同时堆垛机采取双货叉进行查取，而货架就采用普通的横梁货架即可。

第三种物料A（900*1 300*1 800mm） 与第四种物料A（900*900*1 800mm） 物件较大且重量较大的可能性较高，针对此类大型包装物件使用木制托盘进行承载运输，以减少物体重量所带来的箱子在运输途中的摩擦；同时，也保证了物品的安全性和运输途中的稳定性，避免对箱中的物品造成损伤。此外，家具产品、生活用品等这类体积稍大的货物适用于A，而A适用于装载存储量大的快消品类的货物，这类货物出入库流量相对较大，A会更加方便、快捷。A与A的存储物品可以对换，可根据企业具体的出入库流量与存储量进行调度设计。

3.1.2 货架设计

本文案例的仓储布局初步按照面积大约128*59m 的仓库进行设计，包括货架和出入库站台。其中货架的形式采取单排货架统一规格，四种物料的比例初步按照1∶1∶1∶1 进行布局。表1 为物料的货架数据，展示了物料的货格数以及货架数，并给出了货架的排数、列数和层数，其中，长宽高是指物料加上托盘即实托盘的值。此外，为合理地使用占地资源以及设备布局，本案例中的货架在宽和高的方向上均保持一定的平衡。

表1 货架设计数据

3.2 货叉与货叉站台研究

3.2.1 货叉设备研究

根据上文设计的四种物料规格，相对应的也要具备四种货叉（如图3 所示）。其中，货叉设备的结构原理相同、构成相似，利于批量化生产，生产时只需要根据物料所需要的尺寸进行修改零部件的大小即可。在本案例中，四种物料规格中A的物料规格最大，而其他三种货叉相对较小。除A使用单货叉以外，其余都使用双叉。其中，A与A的托盘宽度一样，但因为宽度不相同，故货叉也有区别。

图3 四种物料货叉立面图

3.2.2 货叉库研究

本文中设计的堆垛机为可换货叉型，堆垛机的组成主要由堆垛机本体、货叉以及货叉库所构成，货叉库是用来放置未使用的货叉。在本案例中，货叉库的位置定于出入库站台的上方（如图4 所示），此位置可节约占地面积、方便堆垛机本体换取货叉后直接就近出入库站台取货，节约时间。对于放置货叉的设备初步设置为简易的穿梭车站台，使用此设备的原因是货叉之间的宽度不同，需要借助穿梭车使得货叉自动移动到与堆垛机的本体的对接位置。

图4 四种物料的货叉站台

3.2.3 柔性仓储系统总体方案展示

本案例对A 超市设计了四种物料的存储规格，在基础数据上，以四种物料1:1:1:1 进行货架和货格的设计，以最低一台堆垛机数量进行布局。总体设计方案包括立库、堆垛机和出入库站台。其中，货架与货架之间均有堆垛机换轨路径进行连接，采取换轨技术，可实现堆垛机数量小于巷道数量，以满足企业在出入库流量满足的需求下减少堆垛机的购买数量，从而减少企业的成本支出和闲置资源，为企业达到资源合理利用最大化。此外，为节省占地面积，对A 超市的总体布局采取出入库站台一端式，换叉堆垛机应用案例局部布局图如图5 所示。此仓储系统的布局方案可以提升以往统一规格仓储系统的柔性，解决企业多品种、多规格及小批量的问题。

图5 换叉堆垛机应用案例局部布局图

4 结 论

多品种、多规格及小批量的生产模式已是必然，本文针对这种生产模式设计出一种柔性仓储系统，系统的构成主要由可换货叉的堆垛机和多规格货架进行结合。其中，如果设计单排货架混合规格进行货架布局，堆垛机可以在同一巷道中更换货叉存取多种货物。除对货物的大小无限制以外，还可对货物的载具进行一定的变化，例如重量轻的货物可省去托盘承载，为企业节约设备成本。此外，本研究让堆垛机在以往的性能上更具适应性，可帮助企业打造柔性仓储系统，为多品种、多规格及小批量的仓储问题提供新的解决方案，也为该领域的研究发展提供新的思路。