高层楼宇内接力式垂直输送系统任务组合优化研究

文 / 李明 韩冰 张恒 杜晓平

在人员密集的高层建筑内，高峰时段建筑交通压力巨大，导致长时间的人员排队等待，物资无法及时送达。为满足楼宇内大批量物资传输需求及疫情防控要求，越来越多的仓储自动化技术被成功应用到楼宇物流场景中。

一、楼宇物流传输系统

目前，以气动物流传输系统、轨道小车物流传输系统、箱式物流系统以及AGV物流系统为代表的楼宇物流自动化系统，正得到越来越多的成功应用。

气动物流传输系统通过空气压缩机抽取及压缩空气为动力，使装载货物的传输瓶在密闭管道中传送，在气流的推动下，通过专门管道实现货物在各站点进行双向点对点传输[1]。气动物流系统具有传递速度快、效率高、传输距离长、可扩展性好、占空间小等优点，但由于特性影响，无法传输箱式等较大的货物，只适合传输体积小、重量轻的货物。

轨道小车物流传输系统是指在计算机的控制下，利用智能化轨道小车，借助专用轨道传输物品[2]。轨道小车系统的优点在于传输量大，速度较快，缺点是安装复杂、价格昂贵，变更困难，灵活性差。

AGV物流系统采用AGV自动导引小车与传统电梯系统配合，实现跨楼层的物资搬运工作。该系统受小车数量和单车承载量的限制，无法实现大批量的物资高效搬运任务，在疫情防控时期要求减少外来人员进出的特定场所应用较多。

近些年，箱式物流系统在医院等发送物资量大的楼宇内得到广泛应用。箱式物流系统由水平输送设备、垂直输送设备以及辅助设备组成，周转箱承载物资在输送起始站与输送目的站之间往复传送。

近些年，箱式物流系统凭借传输载重量大、能力强等优势，在医院等发送物资量大的楼宇内得到广泛应用。箱式物流系统由水平输送设备、垂直输送设备以及辅助设备组成，周转箱承载物资在输送起始站与输送目的站之间往复传送。其中，垂直输送设备是不同楼层间平面输送设备的连接装置，实现将物资从某楼层分拣输送至其他楼层的功能[3]。常用的垂直输送设备包括两类：往复式提升机与连续式提升机。往复式提升机由链条带动，通过调速控制电机来提升载货台上下往复运动，单次运输一个或一组货物。连续式提升机是在楼层间连续不断垂直输送物料、物品的自动化设备，在链条的带动下完成货物进厢、升降、出厢及托板回程几个循环步骤，在楼层间单向、连续不断地输送货物。

一般来说，公共建筑楼层1～3层为低层，楼层4～6层为多层，楼层在7层以上为高层，高层的总高度超过24m（不包括高度超过24m的单层主体建筑）；住宅建筑楼层在1～3层为低层，楼层在4～9层为多层，楼层在10层以上为高层，高层的总高度超过27m[4]。在低层、多层楼宇内的箱式物流系统中，往复式提升机与连续式提升机的应用均较为广泛。但是，在高层楼宇内两类提升机的应用都受到一定限制。连续式提升机传输量大，但设计高度通常在20m以内；而往复提升机虽然高度可以更高，但是随着往复距离增加导致传输效率明显下降，无法满足大批量物资传输需求。

图1 接力式垂直输送系统效果图

图2 接力式垂直输送系统结构示意图

一类接力式垂直输送系统可以有效解决高层楼宇内大批量任务集中传输问题[5]。该系统由多段往复式提升机组合而成，每相邻的两段往复式提升机首尾通过缓存输送线连接，物资可由一个提升机转移至另一提升机内，构成接力式垂直输送系统。

二、接力式垂直输送系统

1.系统组成

接力式垂直输送系统由多台往复式提升机组成，其局部效果图，如图1所示。图2给出一个13层楼宇内接力式垂直输送系统结构示意，系统由五段提升机①、②、③、④、⑤首尾相接构成，设定4层为物资发起楼层，⑥是相邻提升机之间设置缓存输送站，为两段提升机进行物资传输接力提供中间缓存；⑦是每个楼层内设置输送站，与接力式垂直输送系统的楼层分拣口连接。每个输送站包含上下两层输送线，上层输送线用于接收物资，下层输送线用于发送物资。

2.工作原理

接力式垂直输送系统工作过程主要包括发送进程、回收进程。

发送进程是系统将发起楼层输送站的物资周转箱送至目的楼层输送站的过程，运行过程包含以下三个步骤：

（1）承载物资的周转箱到达发起楼层输送站，通过站上安装的条码扫描装置自动获取周转箱上的条码，确定发送目的楼层；

（2）系统内设置未执行任务列表，用来记录每台提升机当前未执行任务情况。周转箱到达发起楼层输送站后查询未执行任务列表，当未执行任务列表为空或所有任务都是发送任务时，将当前周转箱任务记录在未执行任务列表内，执行步骤（3）；否则，周转箱在发起楼层输送站等待，直至未执行任务列表任务为空时，将当前周转箱任务记录在列表内，执行步骤（3）；

（3）发起楼层输送站内周转箱进入提升机载货台，将其送至目的楼层输送站。在输送过程中，每当周转箱离开提升机载货台，系统立即将该任务从未执行任务列表中清空。

回收进程是系统将各楼层输送站的物资周转箱送至发起楼层输送站的过程。回收进程步骤与发起进程基本相同，仅在步骤（3）中 “未执行任务列表为空或所有任务都是发送任务时”改为“未执行任务列表为空或所有任务都是回收任务时”。

三、接力式垂直输送系统任务组合优化

1.提升机间作业节拍差问题

接力式垂直输送系统相比单台往复式提升机，效率有明显提升，但在系统运行中存在提升机间作业节拍不同步造成的等待浪费问题。当发起层处于系统首尾楼层之间时，发起层提升机将同时承担上行、下行双向传输任务，而与其相连的提升机一个时间段内仅需承担单向传输任务，因此物资发起楼层提升机效率高低是决定系统运行效率的瓶颈。周转箱从物资发起楼层输送至上端或下端缓存输送站的距离，小于其他段提升机两端缓存输送站间输送距离，因此当出现连续上行任务或下行任务时，就可能造成其他提升机跟不上发起层提升机作业效率的情况，产生设备间作业节拍时间差累计，导致发起层提升机工作等待，造成系统效率的降低。

2.任务组合算法

根据往复式提升机与物资发起楼层相对位置关系，将系统划分为A段、B段和C段。物资发起楼层连接的提升机简称为B段，B段下方所有提升机简称为A段，B段上方的所有提升机简称为C段。如图2所示，A段对应图中提升机①，B段对应图中提升机②，C段对应图中提升机③、④、⑤。

将目的楼层分布在A段的周转箱定义为A类任务，目的楼层分布在B段的周转箱定义为B类任务，目的楼层分布在C段的周转箱定义为C类任务。针对提升机间作业节拍差问题，设计一种对A、B与C类任务组合的启发式算法，通过在物资发起楼层增加一套输送机构自动实现算法所设计的任务组合功能。

如图3所示，在物资发起楼层，物资输送起始站、回收站与接力式垂直输送系统之间通过两条水平输送线相连接，其中上方水平输送线为发送输送线，用于将物资输送起始站投入的物资送至该楼层输送站；下方水平输送线为回收输送线，用于将其他楼层送至发起楼层输送站的物资送至物资输送回收站。在发送输送线中部一侧设置一段暂存线，因现实中C类任务对应楼层多、发运量大，暂存线用于实现对A类任务与B类任务的暂存以及排队发运功能。在暂存线入口端和出口端相连的发送输送线上，分别设置具有任务识别与移载功能的识别点1、识别点2。当物资周转箱到达识别点1与识别点2时，应用任务组合算法对任务进行组合排序，尽可能形成 “CA”或“CB”的任务组合，从而避免多个C类任务或A类任务的连续作业导致的B段作业等待，提高系统的整体运行效率。

图3 暂存线模型示意图

图4 案例仿真模型示意图

任务组合算法步骤如下：

（1）周转箱物资经发送输送线到达识别点1，识别点1对任务类别进行判断：当周转箱物资为A类任务或B类任务，且暂存线未满，则识别点1处移载装置将周转箱物资转移至暂存线，前行至识别点2侧排队；当周转箱物资为A类任务或B类任务，且暂存线已满，则周转箱物资沿发送输送线继续前行；当周转箱物资为C类任务，直行通过识别点1。

图5 案例仿真暂存线示意图

（2）周转箱物资经发送输送线到达识别点2，识别点2对周转箱物资类别进行判断：周转箱物资为A类任务或B类任务，直行通过识别点2；周转箱物资为C类任务，将暂存线内离识别点2最近的一箱周转箱物资通过移载装置转移至发送输送线，使其紧随在C类任务后方。

（3）当设定时间段内没有周转箱物资经过识别点1且暂存线仍有周转箱物资时，将暂存线中所有周转箱物资通过识别点2处的移载装置转移至发送输送线。

四、仿真建模验证

1.案例仿真建模

应用RaLC物流仿真软件，对某人民医院内医药物流系统进行建模仿真，如图4所示。该医院建筑总共18层，分南北两个病楼房，其中北楼3～18层每层设1个站点，南楼1～12每层设1个站点，共计28个物流站点。1层至5层为裙楼部分，物资输送起始站和回收站设置在4层，院内医药物流系统负责完成药品至各病区配送以及采样、单据和空药箱回收任务。

北楼接力式垂直输送系统由6段往复提升机组成，南楼接力式垂直输送系统由5段往复提升机组成，每台提升机对应3个楼层输送站，物资输送起始站将要传输给各楼层的药品经发送输送线传送至接力式垂直输送系统，经在线激光扫码识别周转箱物资目的楼层后，智能拣选输送至对应楼层住院部站点。

住院部28个站点均为标准化的智能物流收发站点，采用7英寸触摸显示屏记录周转箱物资数据。护士人员将到达的周转箱物资取出送往楼层内相应住院部。当采样、单据或空箱需返回4层的物资输送回收站进行化验、核查等环节时，护士人员再将盛有采样、单据的周转箱物资放回至楼层输送站，由系统运回至物资输送回收站。

在案例模型中，任务发起楼层暂存线设计如图5所示。在发送输送线一侧设置暂存线，用于缓存A类任务与B类任务，实现算法设计的任务组合功能。

2.仿真模型运行环境设置

模型仿真参数设置，如表1所示。

表1 仿真参数设置表

3.实验结果分析

（1）不同物资发起楼层算法优化效果比较

以南病房楼接力式垂直输送系统为实验研究对象，测试任务组合算法的优化效果。设置暂存线最大容量为6箱，假设将B段对应的3、4、5楼层分别作为物资发起楼层，系统随机连续下发1000个任务作为测试数据，每个楼层的任务数相同。提升接力式垂直输送系统效率的关键是解决B段与上下提升机之间的作业节拍差问题，因此本实验以B段作业耗时为优化目标，从第一个任务进入B段入口处作为作业开始时刻，最后一个任务离开B段时作为作业结束时刻。以随机任务为参照，分析任务组合算法的优化效果，如表2所示：

表2 任务组合算法实验测试表

通过物流仿真软件建立方案仿真模型，对算法的有效性进行验证，在任务保持连续下发的情况下，得到最佳发起楼层位置，为高层楼宇接力式垂直输送系统的物资发起楼层规划提供定量化数据。

根据表2的结果，可以得到以下两方面的结论：

①从B段任务作业耗时角度分析：B段从下到上分别对应的3、4、5楼层，中间四层作为物资发起楼层时，无论任务随机下发还是组合后下发，B段任务作业耗时最短。因此，在选择发起楼层时尽可能接近B段的中间位置。

②从算法优化效果角度分析：从3层到5层优化效果一直有所提升。由于系统C段连接楼层数量是A段和B段楼层数的1.4倍，因此C类任务数量多，B段提升机载货台向上输送任务多。当物资发起楼层越接近B段上端，B段提升机载货台向上传输的运行距离就越小，B段与向上提升作业节拍相差越大，B段在随机任务下产生的作业等待时间越长，因此任务组合算法优化后的效果越明显。

（2）不同缓存数优化效果比较

在以上仿真实验中，暂存线最大容量设置为6箱，仿真运行过程中出现因暂存线上满载而导致后续A类或B类任务无法进入的情况。设定物资发起楼层处于4层，以随机任务为参照，测试暂存线缓存容量对任务组合算法优化效果的影响，实验数据如表3所示。

从图6中可以看出，随着暂存线缓存容量不断增加，优化效果的增幅不断减小。在实际设计时，可以根据现场空间限制结合仿真实验结果，合理选择暂存线的缓存容量。

表3 暂存线缓存容量测试实验结果

图6 暂存线不同缓存容量优化效果分布图

五、结论

高层楼宇内接力式垂直输送系统在实际应用中，受建筑结构和功能布局的影响，经常出现任务发起层处于系统首尾楼层之间的情况。针对该情况下，系统运行过程中存在的提升机间作业节拍差问题，提出任务组合算法，设计专门的暂存线实现任务的自动组合。通过物流仿真软件建立方案仿真模型，对算法的有效性进行验证，在任务保持连续下发的情况下，得到最佳发起楼层位置，为高层楼宇接力式垂直输送系统的物资发起楼层规划提供定量化数据。同时，分析了暂存线容量对算法优化效果的影响，为高层楼宇接力式垂直输送系统对暂存线容量的选择提供了仿真验证与数据支持。