仓库管理-自动化仓库中转作业与库容关系的研究论文(doc 76页)

学校代码_10463_ 密 级 硕 士 学 位 论 文 自动化仓库中转作业与库容关系 的研究 作 者 姓 名 刘 娟 指 导 教 师 周 全 申 教 授 学 科 门 类 工 学 学 科 专 业 机械设计及理论 培 养 单 位 机电工程学院 完 成 时 间 二 一 三 年 五 月 THE STUDIES OF AUTOMATED WAREHOUSE TRANSIT OPERATIONS WITH THE CAPICITY A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate：Liu Juan Supervisor：Prof. Zhou Quan shen School of Mechanical Engineering The most suitable storage capacity; Simulation Software ; Reasonable match of loading and unloading equipment I 目 录 摘 要 I Abstract .II 目 录 I 第一章 前言 .1 1.1 课题的提出及意义 1 1.2 自动化仓库的研究背景 2 1.3 随机模拟法的应用 9 1.4 课题研究内容 .10 1.5 课题的难点及关键点 .10 1.6 本章小结 .11 第二章 随机模拟理论研究 12 2.1 随机模拟理论 .12 2.1.1 随机数的产生方法 .12 2.1.2 随机函数发生器的建立 .13 2.2 本章小结 .22 第三章 自动化仓库仿真模型的建立 24 3.1 自动化仓库中转作业系统工艺分析 24 3.2 自动化仓库中转作业系统仿真模型 .26 3.2.1 自动化仓库汽车发放形式 .26 3.2.2 自动化仓库火车接收形式 .26 3.2.3 服务原则 .27 3.3 自动化仓库中转作业系统仿真数学模型的建立 .27 3.3.1 自动化仓库中转作业系统仿真的数学模型 .27 3.3.2 仿真模型模块 .29 3.3.3 等待概率、设备利用率等的确定 .30 3.4 自动化仓库的仿真数据 .31 3.5 本章小结 .36 4.1 软件功能 .37 II 4.2 软件模拟过程的程序框图 .37 4.3 软件的实现 .38 4.3.1 自动化仓库中转作业系统的仿真界面 .38 4.3.2 等待概率、设备利用率的程序实现 .40 4.4 软件仿真 .45 4.4.1 自动化仓库中转暂存库容量仿真 .45 4.4.2 仿真模块界面 .48 4.5 仿真及数据分析 49 4.5.1 自动化仓库中转作业与库容的仿真分析 .49 4.5.2 结论 .51 4.6 本章小结 .51 第五章 自动化仓库设备的配置 .53 5.1 自动化仓库货物周转设备的配置 .53 5.2 自动化仓库货架的配置 .53 5.3 自动化仓库搬运设备的配置 .54 5.3.1 自动化仓库搬运设备的选择原则 .54 5.3.2 自动化仓库搬运设备的选择 .54 5.3.3 自动化仓库搬运设备数量的配置 .54 5.4 巷道堆垛机结构稳定性分析 .55 5.5 本章小结 .58 第六章 结论与展望 59 6.1 结论 .59 6.2 展望 .59 参考文献 .61 致 谢 .65 个 人 简 历 66 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 1 第一章 前言 1.1 课题的提出及意义 本课题来源于：河南省教育厅基础研究项目：概率分布随机函数发生器理论研 究，项目编号为：074SGYS382524；郑州市科技攻关项目：社会与自然随机事 件发生概率理论研究，项目编号为：2007110008。 近代工程领域有许多复杂的随机系统，如：物流系统、自然灾害的预报系统、机 电设备可靠性分析系统、虚拟仿真系统、资源配置分析决策系统、移动通信客户服务 系统、重大工程安全评估系统等，此类系统中的某些参数服从某类概率规律，如： a. 某工厂大型车间一段时间内机床发生故障的次数服从泊松分布（Poisson） 1。 由于受气象变化的影响，散粮船抵港时间是随机的，联合国贸发会根据大量的 调查资料确定货船抵港的规律近似泊松分布 2。 b. 自然灾害的预报系统中，防洪时节河水日流量的最大值服从极值分布 3。 c. 随机服务系统中的服务时间服从指数分布 4。 d. 水文数据序列服从Gamma 5分布。 e. 机电设备可靠性分析系统中，机电设备元器件（如轴承）的失效服从威布尔 （Weibull）分布 6； 而随机模拟法正是针对对随机过程进行研究，自动化仓库中转作业系统是随机过 程中的一种，因此应用随机模拟理论能将自动化仓库中转作业系统中服从任意概率分 布的离散随机函数系统地以离散函数形式及程序模块形式固定下来，并能适应不同的 计算机语言环境及流行的统计软件，为随机模拟法应用做基础性工作。 现代物流搬运 杂志设计了一个关于 20 世纪世界重要的物流搬运技术与设备 的调查表，结果如表 1-1，从表 1-1 中可以看出 20 世纪发展起来的物料搬动技术与设 备中重要性占前 10 位的是：条形码、计算机控制、自动化高架仓库、自动数据采集、 准时制生产、机器人、物料需求计划软件、高速分拣机、高起升叉车和模拟技术，其 中自动化高架仓库系统在第三位 7。统计数据表明：自 2004 年开始中国自动化仓库投 资总额以每年 40%左右的速度递增 8，自动化仓库具有空间利用率高、作业效率高、库 容为“动态库容”等优势，因此自动化仓库在物流系统中的作用将越来越重要。将随 机模拟理论应用于自动化仓库接收发放作业与库容的关系研究，建立自动化仓库中转 作业随机仿真数学模型能为国家重点工程建设的方案论证、工程规划、投资决策提供 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 2 依据；为自动化仓库中转暂存仓容、物流中心建设规划提供依据；预估商业活动 中可能发生的费用。 表1-1 20世纪世界重要的物流搬运技术与设备 1 技术名称 选择率,% 技术名称 选择率,% 条形码 76 库存周转 24 计算机控制 58 职业安全与健康管理 23 自动化高架仓库系统 50 集装箱 21 自动数据采集 43 高效辅具 21 准时制生产 43 四向托盘 17 机器人 35 计量设备 16 物料需求计划软件 33 自动化高架仓库 15 高速分拣机 32 拣选系统 15 高速叉车 31 链式输送机 14 模拟技术 31 积放式输送机 13 自动导向车 （AGV） 28 自动化电动单轨车 5 本课题以自动化仓库作业系统为基础，应用随机模拟法，提出将随机模拟理论应 用于自动化仓库接收发放作业与库容的关系研究中，科学确定工程项目中自动化仓库 库容的大小，并给出等待概率、设备利用率、库容利用率等参数，为自动化仓库的建 设规划提供依据。同时对自动化仓库装卸设备的合理配置进行了分析。 1.2 自动化仓库的研究背景 自动化立体仓库于 1963 年诞生于美国，在此之后，迅速传到其他各国，并且得到 了飞快的发展，成为了一个学科。如今，像美国、日本等国家自动化仓库建库数均达 数千座，其仓库的机械化、自动化、标准化程度也较高，如货物的入出库、移动、码 盘、拆盘、分拣等都是通过计算机系统控制巷道堆垛机、叉车、铲车、吊车和码盘机 器人等进行作业，重力式货架已经在成功使用。 美国进入八十年代，自动化仓库库房数量增加，规模扩大，并走向标准化 9。在自 动化立体仓库理论研究方面美国做了很多贡献，其理论的研究以消费者为中心，大胆 的进行创新，因此其不仅是现代物流的发源地，而且是现今世界上这方面最发达的国 家之一，美国的企业对自动化仓库特别注意的两点是：一是仓储成本的控制，二是计 算机系统的升级优化，以提高了仓储的效率；日本非常注重实际，他们认为控制成本 及加强管理是关键，其次要在管理和自动化水平方面有所提高、使服务水平更加专业 化，同时使物流体系环保化。日本于 1969 年建成第一座自动化仓库以来 10，兴建立体 仓库，立体仓库的设计强调立体化和自动化，仓储用地不多，存量立体仓库的利用率 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 3 高，当然日本在自动化立体仓库数量方面也是最多的国家之一。荷兰注重采用集约型 分拨中心，仓库的集约度高，成本低，服务效率高；法国政府在规划和制定物流政策 时，十分重视仓储和标准化等物流设施基础建设，货物的包装实现标准化、通用化、 集装化、大型化，货物的分拣、装卸、搬运过程实现机械化、自动化 11。西德的自动 化仓库的特点是在各工业部门的分布都相当均匀 12。 国外主要研究自动化仓库设计、分析、优化及三维仿真等方面的理论。莱切大学 的 Pierpaolo Caricato 和 Antonio Grieco 在基于 AGV 的物料装卸系统下，运用模拟退火 算法有效解决 AGV 设计路径问题 13-15。德国杜伊斯堡-埃森大学物流运输系的 Bashir Salah, Mohammed Wasiullah 和 Bernd Noche 对基于斯图尔特高夫平台的自动化仓库进 行设计、优化和分析，预期自动化仓库系统的吞吐量 16。Mariagrazia Dotoli, Maria Pia Fanti 等应用着色赋时 Petri 网为多种自动化仓库提供了一种模型，该模型适用于窄巷道 堆垛机及有轨小车，该模型可以对系统动态行为实时监控，也可以应用与离散事件仿 真，该模型的控制策略可以解决调度问题和避免碰撞事件 17。南伊利诺伊大学机械和 工业工程系的 HEUNGSOON FELIX LEE 和华盛顿大学系统科学和数学系 SAMANTHA K. SCHAEFER 利用静态和动态结合的方法提出一种最优的存储路径的方 法，该方法具有简单、快速的优点，可以显著减少存储时间，从而提高吞吐量 18。技 术方面主要研究自动化仓库的设备控制，物流管理、监控系统的设计及升级优化，自 动寻址识别技术，拣选技术以及仿真软件的开发等，例如，美国邦纳的激光条码扫描 器已在巷道堆跺机中应用。德国乐易电子公司对自动化仓库中传送系统的运动用条码 定位系统进行控制，提高了系统效率，降低了成本，己应用于宜家家居及宝马汽车的 自动化仓库 19。 我国在二十世纪九十年代建成了第一座自动化仓库，该仓库是由计算机控制的。 由于土地资源的紧缺，因此，2010 年立体库的面积增幅最大 20。再加上货物周转率的 快速要求，产品的低损坏率、低丢失率的要求，使自动化仓库的优势的体现了出来， 因此，我国自动化仓库的数量越来越多，而且自动化仓库对机械设备智能化的要求越 来越高。建设较高水平的自动化仓库势在必行 21-22。 在我国自动化仓库迅速发展的同时，不可避免的在使用中会存在一些问题，例如， 存储规模小、存储能力低，设施的技术水平低 23，优势不突出，使许多库场资源闲置 24，作业效率低下，有一些企业虽然实现了仓库的自动化，但由于产品单一且批量小， 原来的非自动化仓库的设施设备已经有闲置现象了，而自动化的实现又引入了一些设 备，造成了设备的严重闲置，因此自动化仓库的使用要根据企业自身状况，而不能盲 目的配置。 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 4 国内对自动化仓库的发展及应用、关键技术、货位的优化管理、主要设备的配置 及运行的优化控制、存储路径优化、认证识别系统、AGV调度问题、出入库能力、故 障分析、监控与管理系统、三维仿真等方面进行研究。如，机械工业部自动化研究所 的张锡麟，北京起重机械研究所的尹军琪，北京联合大学电子工程学院的姜小丹对自 动化仓库的发展及技术进行研究 25。浙江理工大学的林天翔对自动化仓库货位管理进 行优化，提高了吞吐量 26。黑龙江省工程咨询评审中心的吴勇，李双祥分析了有轨巷 道式堆垛机的结构及作用 27。华红艳、张丹利用蚁群优化算法优化了自动化仓库中的 存取路径 28。杨磊、刘会等利用指派问题的匈牙利算法优化了堆垛机的复合作业时间 29。云南昆船设计院关宏，苑韬，熊捷等基于空间的布局算法对整个货架区进行设计 30。装甲兵工程学院继红任曾对自动化立体仓库的规划进行了分析论证 31。后勤指挥 学院的王光辉、王云涛和李庆全详细分析了自动识别技术（如条码及射频技术）对物 流管理的影响 32。中南大学的雷定猷，张兰给出了AGV系统的调度优化模型 33。马永 杰，蒋兆远对自动化仓库的出入库能力进行分析 34。江苏理工大学的贡文伟，陈骏， 施国洪开发了自动化仓库故障自诊断系统 35。太原理工大学的刘毅对自动化仓库管理 和监控系统进行研究 36。刘巍巍，王霄开发了自动化仓库三维仿真系统 37。浙江大学 的张欢欢、黄芳等人、后勤工程学院冯云以及翟跃文、蔡晓来对用FLEXSIM软件仿真 的自动化仓库系统进行研究分析 38-39。吴迅舟，陈静对自动化仓库监控系统进行详细 介绍 40。尹军琪实例分析了计算机模拟的使用方法 41。 图 1-1 金士顿自动化仓库 在自动化仓库迅猛发展的同时，自动化仓库的建设更显得尤为重要，在自动化仓 库的建设中，以中转暂存能力的确定为例：自动化仓库的投资占整个工程预算的 70% 以上，确定合适的自动化仓库库容是工程规划的重要指标，这在工程开工前进行充分 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 5 论证。 自动化仓库库容的确定与许多因素有关:年接收发放总量、进出库规律、装载能力、 运输机械数量、发放规律、作业工艺等。本文主要是针对上述关键参数进行调研，调 研自动化仓库如下： 浙江森马服饰股份有限公司上海物流配送中心自动化仓库（调研日期：2011.9） 浙江森马服饰股份有限公司上海物流配送中心于 2009 年投入使用；该项目总投资 约一亿元，日吞吐能力 70 万件 42。浙江森马服饰股份有限公司上海物流配送中心自动 化仓库主要技术参数为：年总周转量为 1 亿件，自动化仓库库容量为 4 万个货位，占 地一万二千平方米；表 1-2 为浙江森马服饰股份有限公司物流配送中心自动化仓库主 要设备配置。 图 1-2 浙江森马服饰股份有限公司物流配送中心自动化仓库 表 1-2 浙江森马服饰股份有限公司物流配送中心自动化仓库主要设备配置 设备配置 数量 巷道堆垛机：（台） 16 托盘输送机系统（套） 2 分拣输送系统 （套） 1 高速分拣系统 （套） 1 设备监控系统 （套） 6 箱流力货架 （套） 1 电子标签系统 （套） 1 下面以浙江森马服饰股份有限公司上海物流配送中心自动化仓库为例，简要对自 动化仓库作业系统设备进行分析（如图 1-3,1-4)： 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 6 图 1-3 自动化仓库接收系统工艺 图 1-4 自动化仓库发放系统工艺 1.高速有轨巷道堆垛机 巷道堆垛机是目前整个自动化立体仓库的核心装卸专用设备，巷道式堆垛机是由 桥架笨重的桥式堆垛机演变来的；桥式堆垛机运行速度较慢，它适用于存取出入库频 率不高的笨重货物；巷道堆垛机在高层货架的窄巷道内往复作业，将位于巷道口的货 物存入货格；或者，取出货格内的货物运送到巷道口 43-44。 有轨巷道堆垛机是指堆垛机沿着轨道运行 45。这种堆垛机由于上部和下部都有导 轨，可以沿导轨的其中之一运行，另一个导轨防止堆垛机摇摆或倾倒。巷道堆垛机由 操作室、升降机构、水平运行机构、载物台、货叉、机架、电气部分、伸缩机构等组 成 46-47。激光测距定位技术已经能使巷道堆垛机精确定位。由图 1-5 浙江森马服饰股 份有限公司物流配送中心自动化仓库堆垛机图可以看出采用的是有轨巷道堆垛机。该 有轨巷道堆垛机运行速度可达到 200 米每分，高度达到 24 米，是搬运托盘入、出库的 主要工具。 图 1-5 浙江森马服饰股份有限公司物流配送中心自动化仓库堆垛机 2.辊筒输送机 辊筒输送机（见图 1-6）是负责完成整托盘的自动入库和自动出库的输送机械。该 机由辊子、机架、支架、驱动装置等部件组成，辊筒输送机具有的较大货物重量与规 卸 货 码盘、输 送 有轨巷道堆垛机 入库火 车 堆垛机 输送托盘 分拣机、装汽车 出库 库 立体库 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 7 格范围，无线路压力，运行简单、轻快、无噪音、可靠。 图 1-6 托盘辊子输送机 3.无线终端 RF 技术 射频识别是一自动识别技术 48。射频识别系统一般由电子标签和阅读器构成，电 子标签和阅读器需要协同完成目标对象的识别 49。电子标签是数据载体。该技术能在 恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快 50，其频谱范围 75kHz 到 3000GHz51。RFID 具有使用寿命长、读取距离大、数据可加密等优点 52。射频技术已应用于公交调度系 统、门禁系统、汽车防盗、产品防伪、自动收费、仓储管理、火车识别、生产自动化、 畜牧管理、运动计时等方面。如瑞士全部旅客列车上都安装了射频自动识别系统 53。 4.GPS 全球卫星定位系统与地理信息系统（GIS）技术 利用 GPS 和电子地图可以实时对多窗口、多车辆动态跟踪，获得车辆目前所处的 位置、速度及时间等信息。 蒙牛乳业泰安有限责任公司乳制品自动化立体仓库（调研日期：2012.4） 蒙牛乳业泰安有限责任公司系内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司投资在山东 省内惟一的子公司，公司位于山东省泰安市高新技术开发区黄金地段，园区一期工程 占地面积 320 亩，建筑面积 65000 平方米。于 2003 年 8 月 1 日开工建设，2004 年 4 月 初正式投产。项目总投资 6 亿元，建设有 12 条冰淇淋生产线和 17 条液体奶生产线。 日处理鲜奶 800 吨，年销售收入可达 15 亿元。 表 1-3、1-4 为内蒙古蒙牛乳业泰安有限公司乳制品自动化立体仓库主要设备配置 及参数。 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 8 表 1-3 内蒙古蒙牛自动化立体仓库主要设备配置 设备配置 数量 有轨巷道堆垛机 （台） 17 入库链式输送机 （台） 66 双工位高速穿梭车 （台） 3 入库输送机 （台） 14 出库输送机 （台） 46 管理与控制系统 （套） 1 表 1-4 内蒙古蒙牛自动化立体仓库主要设备参数 有轨 式 巷 道 堆 垛 机 穿 梭 车 （双 工 位 ） 辊 筒 输 送 机 载货台宽度：1200 毫米 结构形式：双立柱 接送货物+托盘尺寸规格： 1200 * 1000 * 1470mm(毫米) 输送货物+托盘单元尺寸规格： 1200 * 1000 * 1470mm(毫米) 运行速度：5100 米 / 分(变频调速 ) 起升速度： 440 米 / 分 (变频调速 ) 运行速度：5160 米 / 分 (变频调速 ) 输送速度：12.4 米 / 分 输送速度：12.4 米/ 分 货 叉 速 度 ： 330 米 / 分 (变频调速 ) 最大能拆空托盘个数：8 个 北京双鹤药业工业园生产自动化立体仓库（调研日期：2012.7） 北京双鹤药业工业园生产自动化立体仓库（见图 1-7）位于北京东郊，规模宏大， 技术先进、组成复杂，该立体仓库分两层楼，每层与生产车间紧密结合，能实现原材 料和成品在立体仓库和车间之间的短距离快速搬运。立体仓库货位数达 22000 个，是 国内特大型立体仓库之一，在全国立体仓库的规模中名列前茅。北京双鹤药业工业园 生产自动化立体仓库基本技术参数如下表 1-5。 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 9 图 1-7 北京双鹤药业工业园生产自动化立体仓库 表 1-5 北京双鹤药业工业园生产自动化立体仓库基本技术参数 自动化仓库 参数 存储单元尺寸 1200mmx1000mmx1160mm 巷道数/货架排数 8个/16排 货位数 22000个货位 堆垛机台数 8台 入出库输送机系统 1套（一楼，分布在立库三面，含3台小车） 集成化物流管理系统 1套 入出库输送机系统 1套（二楼，分布在立库三面，含4台小车） 1.3 随机模拟法的应用 蒙特卡罗法，又称为概率模拟法、模拟抽样法、统计试验法、随机抽样法、随机 采样法及随机模拟法，是一种依据统计抽样理论，利用计算机产生的服从各种分布的 随机变量的采样序列，对实际系统的概率模型求解近似解的数值计算模拟方法。由著 名匈牙利数学家冯诺伊曼（Von Neumanm）用驰名世界的赌城 Monte Carlo 来命名的。 学术界一般将 Metropolis 和 Ulam 在 1949 年发表的论文作为蒙特卡洛方法诞生的标志 54。 它的基本原理是，为了求解工程、管理、资源配置、可靠性分析、虚拟仿真等方 面的问题，先根据实际问题，对实际资料进行分析，建立一个模型，可以是数学概率 模型，也可以是模拟系统模型，得到建立的模型的参数（如概率分布、数学期望、方 差），然后通过对模型中的随机自变量进行统计抽样，随后进行统计分析，根据模型 的特点进行改进（因为模型本身是可控的） ，反复进行仿真模拟（仿真模拟次数越多， 仿真结果越精确） ，从而求得最近似于该问题的解答。 蒙特卡罗模拟法应用广泛，在水文、物流、地质地理、管理、电力、航天、化工、 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 10 动物医学、港口、建筑、石油钻探等领域都有应用。如蒙特卡罗在水文领域应用于推 求工程设计流量；在物流领域，应用于库存控制模拟。在地质地理领域，应用于矿产 资源量的预测，边坡可靠性分析，应用于山区路网应急中心选址。在管理领域，应用 于项目风险分析，工程造价风险分析，工程项目财务风险评估，项目风险量化，美式 期权及金融衍生品定价，应可转换债券的风险价值评价，量本利分析。在电力领域， 应用于输电系统分层可靠性模拟，配电网供电可靠性模拟，电压骤降的评估研究，蓄 能电站经济运行的判据，电力生产模拟，高压电热特性绝缘寿命评估。在航天领域， 应用于合金材料寿命模拟，航空发动机装配公差分析。在化工领域，应用于焦炭塔疲 劳寿命可靠性分析。在动物医学领域，应用于抗微生物药物药动学研究，抗微生物药 效学研究，药物的给药方案优化。在港口领域，应用于港口投资风险分析 55。港口船 只排队模拟。在建筑领域，应用于结构可靠性分析，钢筋混凝土结构的计算，房地产 薪酬率的确定。在石油钻探领域，应用于钻井工程费用预测。在物探化探领域，应用 于磁法勘探。在雷达领域，应用于雷达虚警。在激光与红外领域，用于分析红外光学 系统公差。武器装备领域，应用于防空作战毁伤过程模拟，应用于红外坦克仿真。 1.4 课题研究内容 本文主要研究以下理论问题和技术问题： 1.随机函数发生器的建立 研究工程中常见的、服从不同概率分布（如:泊松分布、均匀分布、正态分布等） 随机数的产生方法。建立相应的随机函数发生器。 2.建立自动化仓库中转作业的数学模型 依据服从不同概率分布规律，建立自动化仓库中转暂存能力系统仿真数学模型。 3.利用 VB 编程技术与 MATLAB 仿真技术，编制自动化仓库仿真系统软件。 利用 VB 编程技术与 MATLAB 仿真技术，建立自动化仓库仿真系统，科学确定工 程项目中中转暂存能力的大小。 3.自动化仓库装卸设备的合理配置 根据自动化仓库中转暂存能力对装卸设备的合理配置进行了分析，并给出等待概 率、设备利用率等概率数值。 1.5 课题的难点及关键点 （1）本课题的难点是通过实地调研、广泛收集资料，确定自动化仓库物流系统的 随机参数：发放时间间隔记录、接收时间间隔记录。 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 11 （2）本课题的关键点是根据发放时间间隔记录、接收时间间隔记录建立服从某概 率规律的随机函数发生器,来产生相应的时间间隔。这是正确的对自动化仓库库容量进 行仿真设计的基础。 1.6 本章小结 简要介绍了课题的提出及意义，自动化仓库的研究背景。 对浙江森马服饰股份有限公司、蒙牛乳业泰安有限责任公司自动化仓库和北京 双鹤药业工业园的自动化立体仓库进行了调研。 明确本文要研究的主要内容、关键点及难点。 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 12 第二章 随机模拟理论研究 2.1 随机模拟理论 所谓随机模拟法就是把数理统计理论方法作为基础，然后将一定的概率模型或者 是系统模型与所求解的问题相联系，运用计算机进行随机模拟，以近似解的方式得出 所求问题的一种模拟方法。模拟的次数越多，求出的统计指标越精确，越能反映实际 状况。由于计算机的强大运算功能，在模拟时计算机上产生的伪随机数比真随机数使 用更方便、且运算速度快。因此，可以节省大量的人力物力和时间，基于随机模拟的 大量优点，使随机模拟法得到了更广泛的应用。随机模拟法求出的解为近似解，因此， 也就意味着模拟的结果是不完善的，需要人们根据经验加以衡量、判断。 2.1.1 随机数的产生方法 本课题应用的是随机模拟理论，产生与之相关概率分布的随机数是应用该理论研 究随机问题的关键，真正的随机数的基础是自然界之中物理现象的随机特征，如电阻 和二极管的热噪声，再如掷硬币、掷骰子、抽签及摇号等，这样的随机数发生器是物 理真随机数发生器，使用物理随机数，很难被发现规律和周期。事实上，物理随机数 可以认为是没有周期和规律，对技术的水平要求高是它们的缺点。而由随机数发生器 产生的随机数在实际应用中经常被使用到。随机数发生器生成随机数需要通过一个确 定的算法，它的初始状态被称为种子 56-57。本课题就是通过调研实际自动化仓库的运 行数据，利用随机数发生器，在计算机中生成服从该自动化仓库运行规律的随机数。 随机数分为均匀分布和其它分布，前者是产生后者的基础，要产生任一种具有连 续分布的随机数。可以通过直接抽样、函数变换、顺序技巧、舍选补偿、渐近模拟等 方法，产生出任意分布的随机数 58。线性同余法因其自由度高、计算简便的优点使其 成为目前应用最广泛的方法之一，它用同余运算来产生随机数；陶思沃思利用反馈位 移寄存器法产生随机数。组合发生器法就是以某种方式将多个独立的随机数发生器组 合起来来产生随机数的方法 59。国内的学者针对随机数理论也做了大量工作。南京邮 电大学的韩璐、肖兆鸾研究出了一种新型的混合型随机数发生器 60。孙晓辉，林秋华， 郝育闻将 Logistic 和无限折叠两种混沌映射组合，得到一种新随机数发生器方法 61。 王怡林将抛物线映射用于生成无固定周期随机数 62。广东技术师范学院的肖化昆研究 了 C+中产生服从任意概率分布随机数的方法 63。朱晓林，耿恒山设计了高效生成优 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 13 质伪随机数的 LPQ 算法 64。冯艳利用无理数无限不循环的性质，产生无周期的随机数 65。 2.1.2 随机函数发生器的建立 2.1.2.1 均匀分布 区间上均匀分布是连续型分布，其密度函数和分布函数为：1,0 产生 区间上随机数，其递推公式如下 66：1,0 。均 为 非 负 整 数，为 增 量 ，为 乘 数 ，为 模 数 ，为 初 值 ，其 中 caMxcaMx 00 程序算法如下： （1）给定参数 的值,计算 ； c,0x0 （2）若 ,则 ；axx01 （3）否则， 取 的余数；1/)(0 （4）以此类推，得到数列 ，用 分别除以 ，得到序nx,.,4321 nx,.,4321 列 是0,1 区间上的随机数。nrr,.,4321 程序框图图 2-1： 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 14 图 2-1 均匀分布随机函数发生器 图2-2是在 Visual Basic与MATLAB 混合编程调用0,1 区间均匀分布函数发生器，验 证密度函数直方图，从程序运行结果看与理论十分吻合。 图 2-2 验证均匀分布随机数发生器直方图 产生任意区间 的均匀分布随机数，只需要先产生的服从 区间的随机数 ，ba, 1,0u 然后令公式 ， 即是 区间的均匀分布随机数。uR)1(Rba, 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 15 2.1.2.2 负指数分布 负指数分布，又称指数分布，可以用来表示一些事件的时间间隔，比如独立随机 事件发生的时间间隔。因此指数分布可以用来对时间间隔进行建模，指数分布也用于 对服务时间进行建模。这些建模的例子中， 是每小时到达的次数和每分钟服务的次 数 67。该分布同时还可以近似地为一些系统的失效分布建立模型，如高可靠性系统。 若 是指数分布的随机变量，其参数 ，则其密度函数为：x 0 （2-4） ()xef 其分布函数为： （2-5）10()()0xxeFftd 图 2-3 显示了在 Matlab 中产生的几种不同的指数分布的密度函数。纵轴上的值总 是等于 的值。 图 2-3 Matlab 中产生的几种指数分布的密度函数 设 是在 区间服从均匀分布的随机数，令 等于指数分布的分布函数：u0,1 u 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 16 （2-6）()1xuFe 由反变换法得： （2-7）)ln(ux 由于 和 都是服从 上的均匀分布随机数，上式可以简化为：u10,11lx （2-8） 程序算法： （1）产生均匀分布随机数 u （2）计算 1lnx 程序框图 2-4： 计算 1lnxu 产生 u U ( 0 , 1 ) 图 2-4 指数分布随机函数发生器程序框图 伪随机数序列在使用前是要经过随机性检验的，经过检验后才能判断产生的伪随 机数是否具有随机数应有的性质和规律，才能肯定其统计特征是否符合该分布函数， 以及确定该伪随机数序列能否完美的应用于实际生活。图 2-5 是在 Visual Basic 与 MATLAB 混合编程调用指数随机函数发生器，验证密度函数曲线，从程序运行结果看与 理论十分吻合。 本文中利用随机函数发生器产生的伪随机数序列，是通过式2-8计算得到的参数序 列 ，这些伪随机数序列服从指数分布，在本文中，可以用产生的参数序列 代表发x x 放汽车的时间间隔。令式2-8中的 =ta,ta为本文中汽车发放的平均时间间隔。 2-6是在1 Visual Basic与 MATLAB混合编程调用指数随机函数发生器，验证指数分布的频率直方 图。 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 17 图 2-5 验证指数分布密度函数曲线 图 2-6 验证指数分布随机函数发生器直方图 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 18 2.1.2.3 正态分布 正态分布在多种领域都非常重要，它广泛存在于心理和教育、自然界、生产生活 以及科学实验的诸多领域之中，如能力的高低，学生成绩的好坏；在生产条件不变的 情况下，产品的强力、抗压强度、长度等指标；同一种生物体的身高、体重等指标； 弹着点沿某一方向的偏差；以及理想气体分子的速度分量，电子管的使用寿命；测量 同一物体的误差；铁水的含碳量；某地水文中的水位、平均气温、年降水量；同质群 体的红细胞数、血红蛋白量等等。它是在 1733 年引入的。直到 1809 年正态分布才具 有了真正意义的应用价值。若随机变量 服从正态分布（均值为 、方差为 ） ，则其x 密度函数为： 其分布函数为： 对于正态分布来说，它的分布函数的表达式不是直接封闭的，所以它的随机变量 表达式无法直接采用反变换法进行求解，目前最常用的方法是 Box-Muller 法和中心极 限定理法。Box-Muller 法将正态分布的分布函数转换到极坐标系，然后采用反变换法 得到。中心极限定理法是利用近似法产生正态分布随机数。 1. Box-Muller 法 68： 设 和 是 区间上的均匀分布随机数，且它们是相互独立的，用 Box-1u2,0U Muller 法对 其 进 行 坐 标 变 换 有： 则 和 是 区间上的标准正态分布的随机数，且它们是相互独立的。由于函1x2,0 数计算量大，所以用单位圆内的随机点 替换 ， ，由 代替 ，则12(,)v1u221rv2u , ，而 ，若 ,则 ， 是（-1,1）上的均匀随机1cosvr2sinvr*r 数，则有 ， ，因此，有：1 sin2rv 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 19 在 VB 程序中的算法如下： （1）产生 两 个 独 立 的，在 区间上的，服从 均 匀 分 布 的 随 机 数 ， ；1,0U1u2 （2）令 ， ， ；121uv2uv21vr （3）若 ，则返回第（1）步；r （4）否则，输出： 程序的框图如图 2-7： 图 2-7 Box-Muller 法产生正态分布随机数程序框图 2. 产生正态分布随机数的中心极限定理法 69： 设 为相互独立，服从同一分布且具有相同的数学期望与方差的随机(1,2)iun 变量 的随机变量序列，其均值为 ，方差为 ，随机变量为 服从标准正态分布，Y2Z 则有： 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 20 10.5(,1)2niuYZN 其程序算法如下： （1）产生均匀分布随机序列 ；(,)iu （2）对 ，令 ,计算 ，输出 ； ninu112/)(12iSu6ZS （3）计算 = + ， 为正态分布 的随机数yZy,N 其程序框图如图 2-8： 图 2-8 产生标准正态分布随机数的中心极限定理法程序框图 图 2-9、图 2-10 和 2-11 是利用 Visual Basic 和 MATALB 混合编程产生的正态分布 直方图，以及用 Box-Muller 坐标变换法和中心极限定理法产生正态随机函数，并将产 生的随机数形成曲线以验证正态分布的钟形特征。从程序运行结果看 Box-Muller 坐标 变换法程序运行速度快、效率高，其不足之处就是随机数的质量不高，所以其适合仿 真精度较低的场合。 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 21 图 2-9 正态分布直方图 图 2-10 验证中心极限定理法正态分布鼓形特征 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 22 图 2-11 正态分布 Box-Muller 法鼓形特征验证 MATLAB 的图像处理功能强大；但单纯的用 MATLAB 来实现需要使用者有较高 的专业水平，且开发出的界面过于简单、不够美观；VB 可视化界面好，若全部用 VB 来实现则工作非常繁重，因此，本文采用 MATLAB 与 VB 集成的技术，取二者长处， 开发出美观实用，功能强大的图像处理软件 70，可大大提高开发效率。 VB调用MATLAB可以借助ActiveX部件、动态数据交换（DDE）、编译M文件、 引入MatrixVB或将MATLAB函数转换为VB可用的 DLL等技术实现，本文借助ActiveX 部件将MATLAB作为VB的一个的ActiveX部件调用 71-73。 2.2 本章小结 简要介绍了不同概率分布随机数的产生及方法。 给出了服从均匀、指数分布、正态分布随机函数发生器建立的方法，其中序列 是后续自动化仓库汽车发放的时间间隔。yxRr, 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 23 简述了 VB 与 MATLAB 进行混合编程的方法，这是本文采用的编程方法。 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 24 第三章 自动化仓库仿真模型的建立 3.1 自动化仓库中转作业系统工艺分析 以自动化仓库为中心的中转作业系统主要包括 74：运输输送设备，如连续输送机 (带式输送机、辊筒输送机)；自动引导小车（AGV ） 、巷道式堆垛机、穿梭车和叉车等； 其他设备,如周转设备（托盘、集装箱） 、出入库站台、货架、计算机管理及监控系统 等。影响自动化仓库系统在运行过程性能状态的主要因素有：总体布置规划，外界环 境（如订单流和补货车流） 、装卸工艺、设备配置、控制管理。 本文对自动化仓库中转作业系统进行研究,其结构图如图 3-1，火车运来货物到自 动化仓库，货物经装卸设备和入库输送系统进行卸载及输送进入自动化仓库存储，入 库作业完成，出库时，货物由装卸设备及出库输送系统运至出库口进行装载，出库作 业完成。 图 3-1 自动化仓库物流系统结构图 自动化仓库大多采用的机械有巷道堆垛机、桥式堆垛起重机、拖车、高架叉车、 叉车、拣选式电动堆垛机、自动搬运车、有轨小车、穿梭车等。装卸搬运作业选用上 述的机械组成不同的装卸工艺系统。下面对该工艺做一简要介绍。 1.装卸工艺过程 卸火车作业。卸火车作业由叉车承担。火车到达自动化仓库时，由叉车将托盘 从火车上卸下，放至入库输送机上，然后由巷道堆垛机运至自动化仓库的货架进行存 储，完成入库作业。 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 25 装汽车作业。巷道堆垛机（见图 3-2）将自动化仓库的货架上的托盘放在出库输 送机上，然后由叉车将托盘从出库输送机运至汽车进行装车，完成出库作业。 2.该作业工艺特点及使用范围 巷道堆垛机高度大都在 10-50 米左右，可对一个巷道内的货架上的货物进行存储 作业，即大约 1500-2000 个左右的托盘货位。使自动化仓库仓储能力增加。有效地利 用了自动化仓库的面积。叉车采用普通电动叉车，其主要技术参数如表 3-1。输送机的 运行速度一般为 5-10 m/min。 表 3-1 叉车技术参数 参数名称 参数要求 最大起升重量 3000 kg 载荷中心距 500 mm 最大起升高度 3000 mm 自由提升高度 160-305 mm 空载最大行驶速度 18km/h 满载最大行驶速度 19km/h 满载上升速度 450 mm/s 空载上升速度 470-480 mm/s 满载下降速度 450 mm/s 空载下降速度 450-500 mm/s 货叉尺寸 107012545 (mm) 表 3-2 巷道堆垛机主要技术参数 参数名称 参数要求 水平运行速度 80-180 m/min 工作速度 15 25 m/min 慢速档 3 5 m/min升降速度 最大速度 60 m/min 货叉伸缩速度 15-30 mmin 货叉尺寸 107012545 (mm) 额定负荷 1000 kg 巷道宽度 最小 1500 mm 堆垛机高度 24 m 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 26 图 3-2 巷道堆垛机、辊筒输送机、叉车 3.2 自动化仓库中转作业系统仿真模型 自动化仓库系统是一个随机服务系统，它有三部分组成： （1）汽车发放的规律 即它是按什么样的概率分布发放的。 （2）服务时间 由于汽车发放是随机的，因此装载服务的时间也是随机的，服务 时间长短，这要由装载机械的技术状态等因素而定。 （3）排队原则 即是按什么样的原则对排队的汽车进行装载服务。 3.2.1 自动化仓库汽车发放形式 由于用户需求是随机的，因此，汽车的发放形式也是随机的，为了简化模型，使 每次汽车的发放量为固定值（如每批发放汽车 2 辆） ，汽车发放的时间间隔服从一定的 概率分布，如正态分布，指数分布，均匀分布等。序列 （ ，yxR, uab)1( ， （其中 0,1） ）分别是利用随机函数发生器产生uxln-ta）（ 126-iuyu 的均匀分布汽车发放的时间间隔、指数分布汽车发放的时间间隔、正态分布汽车发放 的时间间隔。其中 是全年汽车发放的平均时间间隔。ta 对于一般的自动化仓库，装卸机械的生产率基本稳定，装卸时间主要由汽车装载 的托盘数量大小来决定。在这种情况下，装卸时间 tc 是可以直接通过公式 3-1 计算出 来 75： （3-1）34装 卸 效 率装 载 机 械 能 力汽 车 装 载 的 托 盘 数 量ct 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 27 3.2.2 自动化仓库火车接收形式 一般情况下，由于自动化仓库的年总需求量是一固定值，为了保证供货充足，自 动化仓库每隔一段时间就应该有一批货物入库，因此，自动化仓库对火车的接收形式 为均匀接收，根据年总工作时间及年接收火车列数可以确定火车接收的平均时间间隔。 卸载一班火车需要时间 tt可由式（3-2 ）求得： （3-2）34装 卸 效 率装 载 机 械 能 力火 车 装 载 的 托 盘 数 量t 3.2.3 服务原则 服务的原则是：先发放先服务：先发放的汽车先进行装载作业。根据我国现时自 动化仓库作业情况,作业按照随机发放汽车,即时开始装汽车作业。本文仿真采取“先 发放先服务”原则。 火车按班次发放，每46.8小时一班。 3.3 自动化仓库中转作业系统仿真数学模型的建立 3.3.1 自动化仓库中转作业系统仿真的数学模型 按照来火车、发汽车作业的时序图（图 3-3）可以计算每小时自动化仓库库容，程 序计算公式如下： Q（k）=Q(k-1)+VB-VC （3-3） 其中，Q(k)代表在某时刻的库容，Q(k-1) 代表某时刻前一时刻的库容，库容的大小 以托盘个数表示。 VB代表汽车每小时卸托盘的个数(SKU/h) VC代表火车每小时装托盘的个数(SKU/h)。 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 28 图 3-3 来火车、发汽车作业时序图 由于，火车和汽车的接收和发放是有时间间隔的，如图3-3，图中t0 为火车接收的 时间间隔，图中阴影处分别为火车、汽车的装、卸货时间，t1 、t2 、t3、t4为汽车到达 自动化仓库的间隔时间。在前一辆汽车未完成装货时后一辆汽车就已经在等待装载了， 那么后一批汽车到达的时间和前一批汽车装货完成的时间间隔为负值，如图3-3中的- t4。因此，由于火车、汽车的作业，在任一时刻， 3-3式就分可以细分为以下4种情况： 有火车，有汽车时，Q（k）=Q(k-1)+VB-VC 有火车，无汽车时，Q（k）=Q(k-1)+VB 无火车，有汽车时，Q（k）=Q(k-1)-VC 无火车，无汽车时，Q（k）=Q(k-1) 正是由于自动化仓库的中转作业使得自动化仓库的库容发生动态变化，如图3-3。 仿真模拟系统总体结构(见图 3-4): 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 29 图3-4 模拟系统总体结构 3.3.2 仿真模型模块 程序模块如图3-5： 图 3-5 发放汽车模拟模块结构图 自动化仓库服务系统中待装载汽车可看作是一队列。当要发放的汽车到自动化仓 库服务时，若有空闲位就停靠进行装车作业，若月台被占用，就按先后次序排队，并 且排队达到一定长度时汽车选择中途离开自动化仓库。汽车的调度可简化为从这一队 列中按顺序选择下一待装货的汽车。另外，对于每一辆汽车来说，被选中后的工作过 程可分为靠近月台、装货、离开月台三个部分，而且先后的两辆汽车的进出自动化仓 库的过程不能重叠，即只有上一辆汽车离开月台之后，下一条汽车才能靠近自动化仓 库的月台。 根据以上情况，设计汽车调度模块的结构如图 3-6。 自动化仓库中转作业与库容关系的研究 30 图 3-6 汽车调度模块结构图 3.3.3 等待概率、设备利用率等的确定 利用0,1之间的均匀分布随