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上海交通大学硕士论文 辊道存放型机械式停车设备的控制调度逻辑研究 摘要 ( 随着我国加入w t o 的日益临近，且汽车工业已被定为我国的支 柱产业，现在我国的汽车生产量和社会保有量迅速增长，城市停车 难的问题日益尖锐。占地少，泊车多的自动化立体机械式停车设备 也越来越为人们所重视。 然而，目前较常用的停车设备均有两大主要缺陷：第一，车库的 车辆存容量较小( 一般只有几十个存车位) ；第二，用托板来存放车 辆，且每块托板又带有一套移动装置，导致结构复杂和造价昂贵。 现在上海交通大学机械工程学院设计出一种辊道存放型机械式停车 设备，它采用辊道代替托板，结构简单，存容量大，造价相对较低。 并且可根据不同场合进行设计组合，有很好的市场前景。而如何构 建一种适合于该停车设备的控制调度模型，如何运用该控制逻辑进 行车库的调度仿真，使其在投入实际使用中时，能更好地发挥其优 势，这就是本文研究的主要内容和意义。) - 。 由于立体停车设备的调度管理属于物流学中一种特殊的仓储管 理，所以本文首先在第一章大致介绍了目前几种较常用的停车设备。 再从介绍物流及仓储管理的基本概念着手，在第二章分析了一般工 业仓库库位排列方式的重要性及库位优化策略。在第三章详细地介 绍了该停车设备的结构形式及运行特点。第四章则依据该停车设备 的一具体实例，合理地简化其结构模型。再结合第二章的库位优化 思想，提出了针对它的调度模型。最后，在第五章通过编程演示了 该停车设备控制系统的调度过程，并在第六章作此作出总结。 本文所研究的停车设备是新型的，且在国内外并没有一种较通 用的立体停车设备的控制调度模型，所以本文为这一方面的研究作 出了一定的贡献。 z 女一一 关键词：辊道存车设备，控制逻辑，优化设计 拈人 声瀛杜 、皆 上海交通大学硕士论文 a b s t r a c t t h es t u d yo fc o n t r o ll o g i co f r o l l e rt r a c kt y p em 匣c h a n i c a l p a r k i n gs y s t e m a b s t r a c t a st h e a p p r o a c h i n ga t t e n d i n g t ow t oo ft h ec h i n a ，a n da u t oi n d u s t r yh a s b e c o m eo u rm a i n s t a y s ot h ep r o d u c t i o nq u a n t i t ya n ds o c i a lh o l d i n gq u a n t i t yh a v e b e e ni n c r e a s e ds h a r p l yi nt h ec h i n a ，w h i c hc a u s eas e r i o u sp r o b l e ma b o u tp a r k i n gi n o u rc i t i e s t h e nk i n d so fa u t o m a t i cm e c h a n i c a lp a r k i n gs y s t e m sw i t ha d v a n t a g e so f o c c u p y i n gs m a l la n dl a r g eb e r t h i n gq u a n t i t y a r ev a l u e d d a yb yd a y h o w e v e r , t h e r e a r et w o p r i n c i p a ld i s a d v a n t a g e s a b o u tm e c h a n i c a l p a r k i n g s y s t e m si nc o m l d _ o nu s ec u r r e n t l y f i r s t l y , t h ev e h i c l e s s t o r a g i n gq u a n t i t yi ss m a l l ( g e n e r a l l yp a r k i n go n l yd o z e n so fc a r s ) s e c o n d l y , u s i n gs u p p o r t i n gb o a r d sb e r t h s v e h i c l e sa n de a c hb o a r dh a sas e to fm o v i n ge q i u p m e n t ，w h i c hc a u s e s c o m p l e x s t r u c t u r ea sw e l la se x p e n s i v ec o s to fc o n s t r u c t i o n n o w , an e w t y p eo f r o l l e rp a c k t y p em e c h a n i c a lp a r k i n gs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e ds u c c e s s f u l l yi nt h em e c h a n i c a l d e p a r t m e n to fs h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y b e c a u s et h ep a r k i n gs y s t e mu s e dr o l l e r t r a c k si n s t e a do fs u p p o t i n gb o a r d s ，i th a ss i m p l es t r u c t u r ea n dl a r g ep a r k i n gq u a n t i t y , m e a n w h i l e ，i t sc o s to f c o n s t r u c t i o ni sr e l a t i v e l yc h e a p e r f u r t h e r m o r e ，t h ep a r k i n g s y s t e mc o u l db ed e s i g n e da n dc o m p o s e da c c o r d i n gt od i f f e r e n ts i t u a t i o n so rl o c a t i o n s ， t h u sw h i c hh a sp r o s p e r o u sm a r k e t p o t e n t i a l i no r d e rt ot a k ea d v a n t a g eo ft h ep a r k i n gs y s t e mb e t t e rw h e ni tw o u l db eu s e di n p r a c t i c e ，h o w t os t r u c t u r eak i n do f c o n t r o l l i n ga n dd i s p a t c h i n gm o d e f o ri ta n dh o wt o s i m u l a t ed i s p a t c h i n g p r o c e s so f t h e p a r k i n gs y s t e mb yu s i n g i t sc o n t r o ll o g i ca r et h e e m p h a s e sa n dp u r p o r to f t h et h e s i s s i n c ed i s p a t c h i n gm a n a g eo f p a r k i n gs y s t e mi sat y p eo fs p e c i a ls t o r a g em a n a g e i nt h e l o g i s t i c s s ot h et h e s i sf i r s t l yb r i e f l yi n t r o d u c t sk i n d so fm e c h a n i c a lp a r k i n g s y s t e m si nc o m m o n u s ec u r r e n t l yi nc h a p t e r1 t h e nb e g i n n i n gw i t hb a s i cc o n c e p to f 卜海交通大学硕士论文 a b s t r a c t t h el o g i s t i c sa n ds t o r a g em a n a g e ，t h ei m p o r t a n c ea n di d e ao f o p t i m i z i n gs h e l v e s n u m b e ra r ep u tf o r w a r di n c h a p t e r2 t h es t r u c t u r ea n do p e r a t i n gc h a r a c t e ro ft h e r o l l e rt r a c kt y p em e c h a n i c a lp a r k i n gs y s t e ma r ed e c r i b e di nd e t a i l si nc h a p t e r3 i n s u c c e s s i o n ，i n t e g e r i n gaf o u r - l e v e li n - l i n ef o u rv e h i c l ep a r k i n gu n i ts y s t e ma n dt h e i d e ao f o p t i m i z i n gs h e l v e s sn u m b e r , t h ec o n t r o l l i n gm o d eo f t h ep a r k i n gs y s t e mi s p u tf o r w a r df i n a l l y , t h ec o m p u t e rs i m u l a t i n gr e s u l ti sa n a l y z e di nc h a p t e r5 ，a n dt h e c o n c l u s i o ni sm a d ei nc h a p t e r6 b e c a u s et h er o l l e ru a c kt y p em e c h a n i c a lp a r k i n gs y s t e mi san e w t y p ep a r k i n g u n i t ，a n dt h e r ei s n tak i n do fu n i v e r s a lc o n t r o l l i n gm o d eo f p a r k i n gs y s t e m ，s ot h i s t h e s i sp r o v i d e sc e r t a i nt r a i no f t h o u g h ti nt h i sf i e l d k e yw o r d s ：r o l l e rt r a c kt y p em e c h a n i c a l p a r k i n gs y s t e m ，c o n t r o l l i n gl o g i c o p t i m i z i n gd e s i g n 上海交通大学硕士论文 第一章 第一章绪论 第一节城市停车现状 1 1 我国汽车工业的前景 汽车工业的发展水平，是国家工业化程度的重要标志。随着城市化生活的 高度发展，在美国、日本以及欧洲等发达国家和地区，无论是汽车工业水平， 还是汽车人均拥有量都始终雄居世界前列。因此，中国作为一个发展中国家， 在迈向很高工业化程度的进程中，也必然会大力发展汽车工业，把汽车工业作 为骨干支柱产业。 改革开放以来，我国汽车的生产和社会保有量迅速增长。1 9 9 8 年我国机动 车保有量已达1 3 6 0 余万辆，其中轿车拥有量约为4 0 0 万辆左右。1 9 9 4 年国家 已把汽车行业列为我国的支柱产业来发展，因此今后汽车尤其是轿车的保有量 仍将快速增长。 随着中国汽车工业激烈的市场竞争和中国加入w t 0 日期临近，再加上国家 鼓励信贷消费汽车等耐用消费品以刺激国内需求，以及征徼“燃油税”后大大 降低养车的固定成本，肯定会刺激个人购买汽车的热情，汽车会快速走进家庭。 1 2 立体车库的发展必要 汽车工业作为我国国民经济的支柱产业，还要大发展；随着经济持续增长 和人民生活水平不断提高，汽车的社会保有量还将大幅度增长，停车位的供给 将比较难赶上需求。 根据有关部门统计：在上海，每天有3 5 万辆汽车停泊在马路两边；而在北 京每天又有9 0 万辆车无“家”可归。专家们认为，在我国，各大中城市交通设 施落后，道路堵塞严重，停车难、乱停车矛盾日益突出，早已成为社会普遍关 注的焦点。 我国地大物博，但是巨大的人e l 基数却使得几乎所有资源的人均占有量居 世界多数国家之后，其中土地资源亦如此。大、中城市的经济较发达，人口高 度集中，人均土地占有量与日本无二。城市中人口密度大，建筑物密度大。随 着经济的发展、各种基础设施建设都在争夺有限的土地和空间资源，用地会更 加紧张。特别是大中型城市的繁华地区土地面积越来越紧张而受到制约。 上海交通大学硕士论文 第一章 停车问题事关城市的发展，是现代化城市规划、建设、管理的重要内容。 新兴的停车产业正在成长，其对下个世纪的城市建设具有不容置疑的影响，对 推动经济增长具有不容低估的力量( 美国的停车产业年收益大约为2 6 0 亿美 元) ，对稳定社会具有不容忽视的作用( 美国的停车产业提供大约1 0 0 万个就业 机会) 。对于我国的停车业，政府主管部门给予了有力的支持。1 9 9 8 年1 月1 日起执行的国家计委6 号令把机械式停车设备和立体停车库列入“国家重 点鼓励发展的产业、产品和技术目录”；国家海关总署对机械式停车产品规定“国 内投资项目免征进口税”，上述措施为我国停车产业的成长提供了良好的条件。 由上所述，我国国情及国家政策决定了我国城市停车问题的解决方向 向空中及地下建立停车位，发展机械式立体停车库。立体停车库具有占地少、 泊车多、投资少等优点，是解决停车难、乱停车问题的重要途径。而中国的立 体车库产业正处于新兴阶段，目前全国只有3 0 多家立体车库产业，远远不能满 足现各大、中型城市的停车需求。所以，随着汽车工业以及房地产业不断发展， 立体车库这一朝阳产业必将成为我国国民经济新的增长点，它会有很好的发展 前景。 第二节常用立体车库简介 2 1 立体车库的由来 立体车库是根据自动物流系统物料传输的原理，采用多层高架式存放车辆 的大型停车设备。它发源于2 0 年代的美国，是为了解决繁华都市停车难所采取 的一种措施。5 0 年代以后，伴随着私人小汽车的大量涌现，美国、欧洲相继发 明了多种形式的立体车库。到了六七十年代，德国、日本、韩国等国家以及香 港和台湾等地区则大有后来居上之势。近年来，立体车库从造型、结构、驱动、 控制、监测和材料等方面不断更新换代，日益完善，并广泛应用于宾馆、商业 大楼、机场及繁华商业街等车辆密集地区。立体车库尽管目前仍有许多有待改 进之处，但它的确为缓解交通拥挤解决停车难开辟了一条新的途径。 2 2 立体车库的种类 机械式立体停车库的种类繁多，分类也多种多样，在此根据我国建筑工业 行业标准j g t 5 1 0 5 - - 1 9 9 8 机械式停车设备类别、型式与基本参数的分类， ! 塑奎望盔兰堡主堡苎 一塞二羔 简单介绍几种目前较为常用的机械式停车设备，主要可分为：升降移动式、竖 直循环式、水平循环式、多层循环式、平面往复式、垂直升降式和巷道堆垛式 等等。下面给出了这些常用立体停车设备的结构简图： 囊杰葱 乱下部出入式b ) 中部出入式c ) 上部出入式 图卜l 竖直循环式 蠲，圆 a 1 圆形循环式b ) 矩形循环式 图1 - 2 多层循环式 鳙融圃 图卜3 水平循环式 b ) 矩形循环式 a 1 升降横移式b ) 升降式 图1 - 4 多层式 ：! 塑奎望查堂堡主堡奎! ! 二墨 鼠 髓 撼 qq - “一一- 一+一一h 一 b 1 档戤c 1 圆置式( 升降装置回转)由圆置式( 抬s 童器回转j 图i - 5 升降机式 f i g l - 5e l e v a t o rm o d e t 苎l 吏 - i 式 图1 6 升降移动式 f i g1 - 6e l e v a t o rm o v i n g m o d e 2 3 常用立体车库的特点 这些常用立体车库的主要特点有： ( 1 ) 占地面积小，空间利用率高。它可以使停放汽车所占的上下左右间距 尽量地小，其空间利用率大大超过自行式停车场。这是机械式停车设备的最为 显著的优点。 ( 2 ) 型式灵活多样。即可独立建造，又可建于建筑物内，还可附属于建筑 物建造；可建于地上，也可地下或半地下建造；即可建只有几个停车位的小型 停车库，也可建成拥有上百个停车位的中大型停车库等等。 ( 3 ) 出入库管理简便。出入口少，而且一般都是自动化管理和操作，可以 方便地掌握库存量、存车位置、存车时间和费用等情况。 总之，立体车库发展到今天，其优越性已十分明显。它不仅大大提高了土 地使用率，而且大大缩短了车辆进出时间。同时还具有施工期短、管理先进、 土生奎望_ 大兰堡主堡壅兰! 二旦 运行安全、操作方便等优点；它适应性强，可根据车库的实际情况进行灵活组 合，以最小的空间，尽可能发挥大的容纳效果。 虽然这些常用车库有以上的优点，但由前面所示的结构及运作简图可见， 它们有着共同的缺点。即，这些停车设备大都因车辆存容量较小( 一般只有几 十个存车位：例如，竖直循环式存车位一般在3 6 个以下；而垂直升降式停车位 通常为2 0 5 6 个) ，而带来投资和使用成本昂贵的问题；尽管目前有一种现代 综合停车系统( h i p ) 的设计能力较高，但它比较适用于像超大型购物中心所需 的大型综合停车设备，不十分符合繁华地段立体停车库的要求。除了上述这点 以外，这些停车设备最主要的缺点是：均用托板来存放车辆( 即每辆车均需一 块相对的拖板来存放) ，而每块托板均又配有一套移动装置，结果导致结构复杂 和造价昂贵，一般，这些停车设备的每个车位的造价为3 1 5 万元( 进口设备 价格更贵) 。这些缺点在较大程度上限制了这些停车设备在我国的推广应用。 第三节一种新型机械式停车设备的提出及课题意义 为解决目前常用停车设备的不足之处，一种新型机械式停车设备在上海交 通大学机械工程学院研究成功并获得国家专利。即，并排多车位辊道存放型机 械式停车设备。 该停车设备是一种结构简单，采用统一形式辊道来托放和输送移动车辆、 从而省出托板及其移动装置，并且存容量范围大、造价相对低，可根据不同应 用场合及占地设计组合，便于标准化系列化生产的新型巷道类别的自动化立体 停车设备。 由于并排多车位辊道存放型机械式停车设备是一种最近才提出的新型停车 设备，因而没有相应于该车库的较为成熟的控制系统。而车库的调度规则( 控 制管理系统) 的优劣对于一个车库的充分利用及高质量的服务有着很大的影响。 在这种情况下，引发了该课题的研究。本课题的工作正是针对该停车设备的控 制调度问题进行研究，即在最短的时间内存取车辆，这也是任何一个车库在投 入实用时应解决的首要问题，所以本课题有很大的实用价值。 详细研究将在以下几章分别介绍。 上海交通大学硕士论文 第二鼋 第二章立体仓库仓储管理及库位优化策略 第一节简介物流的基本概念 立体仓库仓储管理是现代物流系统中一个重要的组成部分，所以在介绍仓 储管理之前，先简单叙述一下物流的基本内容。 德国r 尤尼曼对物流给出了比较完整的定义：“物流学( l o g i s t i c s ) 是研究对 系统( 企业、地区、国家、国际) 的物料流( m a t e r i a lf l o w ) 及有关的信息流( i n f o r m a t i o n f l o w ) 进行规划与管理的科学理论”。 对物流学的概念描述有以下要点： ( 1 ) 物流学的研究对象是贯穿流通领域和生产经营领域的一切物料流以及有 关的信息流，研究目的是对其进行科学的规划、管理与控制。 ( 2 ) 物流的作用是将物资由供给主体向需求主体转移( 包含物资的废弃与还 原1 ，创造时间价值和空间价值，并且创造部分形质效果。 ( 3 ) 物流的活动包括运输、保管、装卸搬运、包装、流通加工以及有关的信 息活动等。 物流活动或是物流的功能，一般认为有运输、储存、装卸搬运、包装、流 通加工和流通信息等内容。仓储( 保管) 在物流系统中起着缓冲调节和平衡的作 用，是物流的一个中心环节。 仓储技术亦成为物流技术中一个重要部分。仓储观念由以前的单纯保管、 存储发展成为对物流系统的调节、缓冲。现代化仓库以成为促进各物流环节平 衡运转的物流集散中心。仓库结构代表性的变化是高度自动化的保管和搬运结 合成一体的高层货架系统，用计算机进行集中控制，自动进行存取作业。货架 的结构有各式各样，目前还发展了小性自动仓库，可以更灵活地布置，方便生 产，可用计算机实行联网控制，实现高度自动化。 第二节仓储管理 2 1 库存管理 库存管理是指在物流过程中商品数量的管理。库存多，占用资金多，利息 负担加重。但是如果过分降低库存，则会出现断档。 ：! 童窒望查兰堡主堡壅! 三兰 对于库存控制的典型方法主要分为几种，如：在确定性需求下，有经济定 货批量法( e c o n o m i co r d e rq u a l i t y ，e o q ) ；在时变需求下，有动态规划法及西 尔弗一米尔启发 法( s i l v e r m e a i ，s q ) 、零件区间平衡法( p a n - - p e r i o db a l a n d n g ， p p b ) ：在随机需求下，为连续检查库存控制系统( q r ) 和定期检查库存控制系统 ( t s ) 。 在信息和计算机技术日益发达的今天，企业应根据各自的特点和要求来开 发适应自身的库存管理系统。但一般而言，库存管理应该特别考虑下述几个问 题： ( 1 ) 根据销售计划，按计划生产的商品在市场上流通时，要考虑在什么 士也方，存放多少： ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 从服务水平和经济效益出发来确定库存量以及如何保i , v * b 充的问 题； 有效解决物流、信息流、资金流三者之间的关系的问题； 物流信息的准确输送，信息反馈与共享的问题； 物流系统的敏捷性和灵活性问题。 2 2 一种常用的库存分析法 一般用累积率进行分析，这是一种明确重点项目的方法，亦称a b c 分析。 应用这一方法可得出8 0 ：2 0 法则。在物流领域中，用这种方法对商品品种与销 售额或商品品种与数量的相关性加以分析，来决定企业生产的重要品种、服务 率、断档率、库存规则和库存量等等。后来，这种分析用在经济活动之中，如 一个企业2 0 的品种其销售额占该企业总销售额的8 0 ；2 0 的顾客的购买金 额占企业销售额的8 0 。如企业生产的产品其1 0 的品种，它的销售额占总销 售额的6 5 时为a 类品种；其2 5 的品种它的销售额占总销售额的2 0 时为b 类品种；其6 5 的品种它的销售额占总销售额的1 5 时为c 类品种。实际算出 的比率可能多少有些差异，但大体上会有a b c 法则所显示的倾向。在管理方针 上合理的做法是把a 类定为基础商品，把b 类定为中间商品，把c 类定为多品 种少批量商品。 a 类商品是社会需求量大的商品，应放在离消费地点近、配送服务好的配 送中心。c 类商品是品种多、管理费用高、获利少的商品，应尽量放在工厂仓 l 海交通大学硕士论文 第二童 库，或存储中心集中保管。b 类商品的性质位于a 类与c 类之间，应放在中间 性质的存储据点，如地区物流中心存放。配送中心的库存极端地说，只要达到 每天的配送量就可以了。存储中心的库存则应根据预定销售时间和实际销售时 间来决定适当的库存量以尽可能地减少库存。见图2 - 1 。 图2 - 1 库存分配示意图 f i g 2 1g r a p h o f s t o c kd i s t r i b u t i n g 2 3 仓储管理的特点 仓储式管理与一般的小型简单仓库管理不同。简单仓库的特点是：存储物 品数量、品种较少，物品尺寸也有一定限制，一般采用中小型货架堆放物品， 人工操作较多；较大型零、部件采用吊车或叉车直接搬运，自动化程度低；出 入库信息采用人工或简单电脑处理，库存信息采用盘片传送到各信息需求部门。 综上所述，小型仓库的工作特点是以劳动密集型为主。 大型仓储设备一般用在物品数量和品种繁多、尺寸多样、进出仓库频繁、 客户请求多的企业或第三方物流配送中心，采用高层高架货物存储架，存放单 元采用栈板式料盒式，通过无线信息发射系统、a g v 小车、分类运输机等进 行传送并反馈完成情况：出入库操作采用条形码扫描传输系统快速记录出入信 息：采用对象式仓储物流管理系统；采用分布式网络管理，各部门能同步获取 仓库库存、资金信息；要求系统能以自检方式运作，使已发生的错误收敛化， 并且要求系统每天对库存物品进行监测。 一般大型仓库多为自动仓库。自动化立体仓库采用高层货架存储，结合 a s r s ( 自动化存取设备) ，通过计算机系统的集成控制，实现物料的自动存取 及物料信息的集成管理，大大地提高了仓库的操作能力，降低了操作人员的劳 动强度，加快了物料的出入库速度。它能及时地向其相关部门提供各种物料信 l 海交通大学硕士论文 第二章 息，为工业、商业及各物料配置中心管理的决策、统计、计划提供详实的依据。 在经济活动中，自动化立体仓库越来越发挥出巨大的作用。 作为现代物流系统的主体立体仓库，其构成和设计也对物流的高效合 理运转起着重大的作用。传统的立体仓库在设计时较注重于仓库的选址和储存 能力，宏观安排库位号区域，即根据出入库频率将存储区域人为地划分为a ，b ， c 等区域，但对库位地址号( 与堆垛机作业的寻址方式有关) 的合理安排方面 考虑较少。其确定高架库的库位地址号，只是按高架库库位行列的物理地址或 按物料的堆放形式确定，较少考虑堆垛机在接受指令后寻址的运作效率，这种 方式将大大影响物料出入的效率。 现代化自动仓库功能不仅仅要便于存储物料的管理，更应要讲究具体物料 的堆放次序，提高堆垛机出入库的运行速度，快速响应各方的请求，从而充分 利用现代化的管理方法和工具。 总之，仓储管理在软件和硬件上都必须要有完整的系统整合力，库存运作 和数据交换才能高效而准确( 图2 2 ) 。 图2 - 2 仓储管理的整合性 f i g ，2 2i n t e g r a t i n gc h a r a c t e ro f s t o r a g em a n a g e m e n t 2 4 仓储管理的功能 整个仓储管理系统的功能构成有以下五个部分： 1 工程数据维护系统：对于仓储管理系统来说，该系统的功能是完成从工 程数据库向仓储管理数据库发送工程设计的产品结构b o m 。 2 基础数据维护系统：对于仓储管理系统来说，它的功能是能够查询物料 字典、以得到产品零件的特征数据，如零件的外形尺寸、重量、材料、 图号、物料的企业编码、名称、计划价格等信息。 罗 上海交通大学硕士论文 第二章 3 仓储数据操作系统：这是本文研究的内容。它的功能是完成生产所需要 的出入库管理、盘库管理、库位管理、库位查询和仓储数据库的维护等。 4 指令传输系统：主要功能是执行仓储管理系统发出的操作指令，控制堆 垛机运行( 寻址、出托盘、回托盘) ，并对堆垛机运行状况进行监控。 5 仓储信息查询系统：该系统的作用是实现企业其它部门对仓储系统存放 物料的查询，如企业的综合计划部、装配分厂、产品销售部等。 3 和4 即为仓储运作过程( 见图2 3 ) ，其中还包括工作人员分检与确定过程。 图2 - 3 仓储运作过程 f i g 2 3s t o r a g eo p e r a t i n gp r o c e s s 2 4 物件出入库的一般流程 仓储管理总体而言都包括进货管理、仓库管理和发货管理。进货管理主要 包括外部订货( 外购和外协) 、内部订货( 自制件) 和其他入库类型的管理。仓 库管理主要支出入库物品的台帐管理( 登记、扫描及安排库位等) 和仓库物品 盘整。发货管理主要指包括企业内部和其他企业( 市场) 的订单的相应问题。 物品出入库运作的一般形式入图2 - 4 和2 5 r 见下页) ： 从物件出入库流程图中可以看出，影响出入库速度的关键因素是处在“运 作”点，其他位置只要信息准确，操作正常，系统读取速度横快。因此仓储的 运作是流程中的关键因素，它主要涉及到读取物件的地址( 库位分布) 、物件排 队等候( 组织形式) 、信息发送与接收( 通讯) 、堆垛机寻址及送出送回托盘， 条码打印( 条码设计) 等。所以，优化运作方式的设计越合理，则物件出入库 ! 生奎望查兰堡主笙塞! ! i ：重 的效率越高，也就能更快更准确地响应用户的要求。即优化的仓储控制辑是关 键。 图2 - 4 物件入库流程 f i g 2 4s t o r e i n gp r o c e s so f a r t i c l e 图2 - 5 物件出库流程 f i g2 5w a r e h o u s e o u tp r o c e s so f a r t i c l e j i 海交通大学硕士论文 第二章 第三节立体仓库库位优化问题的提出 3 1 仓库库位的主要分配模式 自动立体仓库的库位管理，主要内容是合理地分配和使用货位，即要考虑 如何提高货位的利用率，又要保证出库效率。目前，仓库库位地址的分配主要 有以下两种模式： ( 1 ) 随机存放模式 物件入库时，根据物件的出入库频率统计，管理系统随机分配其对应的存 放地址。即库位号与库位物理地址暂时一一对应，系统根据物件的出入概率调 整库位号。该模式的优点是操作简便，出入库速度快，缺点是不便于人工干预， 一旦管理系统出现故障，整个仓库的作业将出现全部瘫痪的可能，难以进行手 工作业。 ( 2 ) 固定存放模式 物件入库时，物件的存放地址是采取人工干预的方式进行分配，物件的信 息与库位号是一一对应的，即库位号与库位物理地址一一对应。该模式的优点 是便于自动作业和人工作业，灵活性较强，缺点是操作较麻烦，堆垛机运行效 率差。 这两种模式均需确定库位优化地址，即根据一定控制管理逻辑确定出一系 列在物理上连续的优化地址号，越小表示越靠近仓库的出入1 3 ，然后使优化地 址与物理地址一一对应。从上述两种存放模式来看，随机存放模式的自动化和 智能化较高，但根据目前我国国情和自动化状况，直接采用第一种模式的风险 性较大，一般先采用第二种模式，即固定存放模式。 3 2 问题分析 现假设一个巷道( 即一台堆垛机) ，并只考虑一侧( 也适用于两侧) 的简单 方式，假设库位地址的编号( 下称库位号) 是从小到大排列的，编号越小则越靠 近仓库的出入库工作台，并且在出入库作业中，仓库中的存物托盘( 以下简称 托盘) 与库位号是一一对应的( 也就是说，托盘不随物件出库) 。 出入库作业开始时，操作人员先将一批需要出入库的地址清单送到由p l c 控 制的堆垛机指令接受器中( 一般先按址分类，对同一地址只产生一条指令，具 体出入何种物料由管理系统打印出单据送到出入库操作人员手中，地址清单一 一l 海交通大学硕士论文 第二章 般从小到大排列) ，当堆垛机收到第一个指令，即从原点( 出入库工作台) 出发 寻找到第一个库位，将其托盘取出送到原点，由操作人员按单据具体内容取出 或放入物料，接着堆垛机再将托盘放回原库位处，完成第一个库位的作业。堆 垛机完成第一个库位作业后并不回到原点，而直接运作下一个指令，即寻找下 个库位，完成相应的操作。 因此，堆垛机执行一批指令( n 条) 需要的作业时间7 1 为： r = 一+ t ，+ 2 f ：+ l ( 式2 - 1 ) 其中：第部分乃为堆垛机执行第一条指令所需时间( 执行完在第一库位处) ， 第二部分f ，为操作完当前库位后堆垛机从当前库位到下一库位所需时间，第 三部分2 正，为堆垛机从当前库位到原点来回所需时间，第四部分兀为堆垛 机送回最后一个库位后从该库位回到原点所需的时间。 由式2 1 可知，堆垛机运行时间主要为第二部分和第三部分，也就是说下一 库位相对于当前库位的位置及该库位相对于原点的位置非常重要，如果说堆垛 机在执行整批指令前不将地址指令按现行物理地址进行优化( 即重新排列找出执 行该批指令a , 1 f 闭最少的种排列方式) ，那么堆垛机将走不合理的线路，从而浪 费许多时间。如图2 6 ( 已将库位简化，格内数字即地址号) 。原点位于第一层 ( 即最低层) ，与第一库位相隔一个库格处，库格为1 l 长度单位，速度v x ( 堆 垛机纵向速度) ，v y ( 堆垛机竖向速度) 为单位长度单位时间( 以下同) ，堆垛 机作业点为库格中心处。 5l o1 5 491 4 381 3 271 2 l 6i i 图2 - 6 传统库位号排列简图 f i g 2 - 6 t r a d i t i o n a l q u e u e i n g d i s c i p l i n eo fs t o c kc o n t r o l v x = 3 56781 01 2 l23491 1 图2 - 7 某优化库位号排列简图 f i g 2 7 a n o p t i m i z i n gq u e u e i n g d i s c i p l i n e o fs t o c kc o n t r o l 若有一批指令( 已按从小到大顺序排列) ：1 ，2 ，5 ，6 ，1 0 ，1 1 。堆垛机按 此顺序执行时间为： 丁= 正+ 一l + 2 f 2 + l = 正+ ( 1 + 3 + 4 + 4 + 4 ) + 2 ( 1 + 4 + 1 + 4 + 4 3 ) + 4 3 1 = 2，；2 上海交通大学硕士论文 第二章 2 ，：+ 1 2 0 3 而有另一种库位号排列方式，即库位号与物理地址脱离开，见图2 7 。其他 参数同图2 6 ，指令顺序仍为1 ，2 ，5 ，6 ，1 0 ，1 1 。 7 = 正+ i l + 2 z 2 + 瓦= 正+ ( 1 3 + i + 1 3 + 1 + 1 ) + 2 ( 1 + 2 3 + 1 + 2 + 7 3 ) + 7 3 忙2f = 2 2 正+ 6 0 3 第二种方式与第一种相比，运行时问减少( 1 2 0 - - 6 0 ) 3 = 2 0 ( 时间单位) 。显 然第二种方式优点是明显的。 现在分析一下高架库各参数对库位号的影响。 传统库位物理地址的分配特点是按行或列来排列，这种方式对仓库管理人 员来讲直观、简单，而且相邻库位号物理地址基本上紧靠，堆垛机p l c 指令容 器中的地址按从小到大排一定程度上体现了设计者让堆垛机走最少路径的思 想，但缺点也是显然的： ( 1 ) 库位号尽管在某一行或某一列上是连续的，但在行末或列末出现阶跃 点。高架库纵深越长或高度越高这种阶跃就越大。如图2 6 中5 号和6 号库位。显 然堆垛机连续作业5 号和6 号时间就长。 ( 2 ) 库位号并没有考虑到v x 和v y 的影响。堆垛机在实际运行时若先到达 终点的某一坐标，则该坐标方向速度为零。理想的情况应充分利用v x 和v y 。也 就是说不要让v x 或v y 在到达终点之前等于零。如图2 8 所示，库格呈方形。设 v x = 3 ，v y = 1 ，同样的直线距离a b 芹l l a d ，运行时间t 。b = 1 时间单位，t 。d = 2 时间单 位。这是因为对a b 线，堆垛机在到达终点之前两方向速度均不为零，而对a d 线 走的是折线，c 点后v x = o ，显然花费的时间也要多。考虑到这种情况，库位号 整体趋势应如n 2 9 。其中斜率k = t go 。v y v x 。 d 一 r b c ， 图2 - 8 同样距离而v 。v 。不同时 堆垛机所走路线 f i g 2 8 t h er o u t eo fs t a c k e r w i t ht h es a m ed i s t a n c ea n d d i f i e r e n t a lv xa n dv y 图2 - 9 考虑到v ，v 。时库位号整 体排列趋势 f i g 2 9t h e o p t i m i z i n gq u e u e i n g d i s c i p l i n e o fs t o c kc o n t r o l w i t hc o n s i d e r i n gv xa n dv y 上海交通大学硕士论文 第二章 ( 3 ) 库位号没有考虑到应尽量靠近原点。由于考虑到堆垛机出入库的方便 运行，按e n da i s l e 方式，原点即在最低层靠近1 号库位的外层。这样越靠近原点， 该库位到原点来回的时间就越少。若堆垛机从一些库位运行到原点的时间相同， 则优先考虑低层或左侧，以减少堆垛机耗能。 ( 4 ) 库位号的安排没有考虑到库格x 向和y 向的距离。如果库格不是正 方形，则堆垛机从当前位置到达下一位置的时间与x 向和y 向的间隔有密切关 系。 因此，综合( 1 ) 、( 2 ) 和( 3 ) 的情况，库位的安排近似如图2 一l o 。 7 ， 图2 10 综合考虑的库位号排列趋势 f i g 2 1 0 t h eo p t i m i z i n g q u e u e i n gd i s c i p l i n e o f s t o c kc o n t r o lw i t hc o m p o s i t ec o n s i d e r i n g 因此，若我们在安排库位号时考虑到以上四种情况，就可以得到一种较优 化的地址分布，也就是第三种方式，尽管分布不是很有规则，但由于采用计算 机管理，将很方便地得到其对应物理地址。 这样每次指令过来，不必重排，直接按地址指令从小到大出入库，而运行 时间却最少。上面例子中仅仅只有6 条指令，若堆垛机每次执行很多条指令， 天执行上百批指令，那么以这种优化库位方式运行，不但可节省大量时间， 提高堆垛机的运行效率，最关键的是可以快速响应用户的需求。 以下较为详细地探讨寻找优化的库位号的策略。 第四节库位号优化的策略 4 1 分析库位优化的前提条件 根据第一节中所讨论的优化库位的寻址方法，可以设计出依据具体仓库实 际条件的仓储运作流程。但在研究这个问题之前，必须先假设一定的前提条件。 ( 1 ) 首先应参照m r p i i 或有关的标准将高架仓库的库位分区，这样可以使 库位分布比较清晰，而在每个区间内又可以划分成3 个小区间：a ) 经常用，b ) 上海交通大学硕士论文 第二蕈 次常用，c ) 不常用。要注意在三个小区的末尾通常需留有一些备用库位，防止 临时在该区增加物件。 ( 2 ) 在对仓库库位号进行优化排列时，暂时不考虑物件的出入库概率。也 即，在排列库位号时先只考虑数字大小的优先。只有在库位号全部排好后，才 将物件依其出入概率的大小顺序从1 号库位连续依次排列。 ( 3 ) 堆垛机是从小到大执行地址指令的。控制系统操作人员可在一批指令 中设定这些指令相应的优先权，对于优先权最高的的指令，系统将优先操作。 在出现当前指令尚无结束，而新一批的指令已到达的情况时，新的指令将进入 队列中排队等候，不会影响当前指令的运作。并且操作人员仍可以对新一批的 指令设定相应的优先权。 ( 4 ) 优化库位号越小，其库位的物件出入库的概率就越大。控制系统运 算出的优化库位号直接地反映出依据控制逻辑，物件的出入库在物理路径上运 行的时间长短。 ( 5 ) 为方便研究，假设堆垛机的v x 和v y 在刚起动时和到达终点时的加 减速度相同且稳定，并假定完成加速和减速都需要一个库位的距离( 包括左右 和上下) ，也即只有在运行过三个库位( 包括三个库位) 以上时，堆垛机才会稳 速前进。由此可假定在加减速期间速度为v x 2 和v y 2 。v x 和v y 分别为堆垛 机在巷道中的平行巷道和垂直于巷道的运行速度。 4 2 库位优化问题的分析 以上详细地说明了研究库位优化问题的前提条件，接下来就要对该问题进 行具体的分析。我们从第一节所推导出的公式2 - 1 可以看出，有以下几个问题 需要着重的研究。 ( 1 ) 库位号直接反映该库位中存放物件出入库的频率，库位号越小，表示 出入库频率越高。所以，库位号应该在数字上表现出库位的连续性和紧密性， 尽 量不出现断点或阶跃点。这样可减少z 。 ( 2 ) 库位号应尽量排列在原点的附近。 这样不仅可减少2 r ：，同时也可 = 2 e 海交通大学硕士论文 第二蕈 以减少堆垛机的运行距离。这样可以兼顾效率、安全和低耗能性。 ( 3 ) 库位的行列数与堆垛机的v x 和v y 应相互影响。高架库纵深越长， 相应v x 就应该越大，同样库架越高，v y 也一定程度地增大。但是，如果堆垛 机速度过高，又将会很容易地使支臂梁发生震动，结果运行不稳定。正如电梯 在超过极限速度时会发生振动，引起轿厢抖动，降低钢索的疲劳寿命。所以， 必须根据仓库的情况，对v x 和v y 给于一定程度上的限制。 ( 4 ) 库位的大小也将直接影响库位号的排列。例如x 向和y 向为7 0 0 5 0 0 的库位，若