（系统工程专业论文）自动化立体仓库的建模及其优化仿真研究.pdf

东北大学颅l 学位论史 摘盟 自动化立体仓库的建模及其 优化仿真研究 摘要 现阶段，随着自动化立体仓库在国内的应用越来越广泛，自动化立体仓库在企 业单位中的地位也越来越重要。而自动化立体仓库的建模与仿真系统的目的就是为 企业提供个用于表示实际立体仓库模型，并在此基础上对立体仓库的运行提供仿 真的环境，用来帮助企业评估欲建的立体仓库的性能是否达到企业的要求。相比以 实际立体仓库作为分析对象的仓库，它具有代价小、速度快的优势，节省了企业的 人力、物力和时削。 本自动化立体仓库系统由建模子系统与仿真子系统两大部分组成，在建模子系 统中，对立体仓库所需的各类基本组成元素进行了分类和整理，对企业来讲，只需 选择所需的元素，系统即可自动建立起用户所需的虚拟立体仓库。而仿真子系统则 是在此基础上，列立体仓库中的主要作业进行仿真运算，以监测是否满足企业的要 求，并在其i 十l 加进了对一些问题的优化算法，为企业提供相应的性能优化方案。 本文的优化算法有两个：其一是根掘国内自动化立体仓库物料的主要存放模 式，分析堆垛机自动存取方式，说明了库位号与堆垛机运作的关系；分析影响堆垛 机运作效率的各种因素，提出库位优化的思想，最后对优化库位及传统库位进行仿 真比较。其二通过对自动化立体仓库存取系统作业周期的计算，在周期和货位之问 建立一种对应关系，根据对一批货物存取时间的分析，说明了存取时间与货物存取 顺序的关系，归结为典型的t s p 问题，并应用一种改进的遗传算法进行求解，最后 对货物存取的优化顺序与随机顺序进行仿真比较。 关键词：立体仓库：货架；堆垛机：货位；库位号优化；t s p ；遗传算法 l ! ! i 苎兰! 至j ：兰! 燮一一 。 垒! ! ：! ! 垒! ! t h e s t u d y o n m o d e l i n g a n d o p t i m i z i n g s i m u l a t i o no f t h ea u t o m a t e d h i g h r i s ew a r e h o u s e a b s t r a c t t h ea u t o m a t e d h i g h r i s ew a r e h o u s eb o w b e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n tw i t hi t s e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n t h ep u r p o s e so ft h e m o d e l i n g a n d s i m u l a t i n g o fa u t o m a t e d h i g h - r i s e w a r e h o u s ea r et o p r o p o s e o n em o d e lr e p r e s e n t i n ga c t u a lw a r e h o u s ef o r e n t e r p r i s e s a n d p r o v i d e o n es i m u l a t e de n v i r o n m e n tf o rt h e o p e r a t i o n s o fa c t u a l t h r e e - d i m e n s i o n a lw a r e h o u s e ，t h u sh e l pe n t e r p r i s e se v a l u a t et h ec o s t e f f e c t i v eo fd e s i r e d w a r e h o u s e s p e r f o r m a n c e c o m p a r e dw i t h t h o s ee s t a b l i s h e d w a r e h o u s e ，t h ev i r t u a l w a r e h o u s e p r o p o s e dh e r e ，a s a n o b j e c tp r e p a r e d f o r e v a l u a t i o n ，h a s a d v a n t a g e s c h a r a c t e r i s t i co fl o wc o s ta n d t i m e c o s t ，s p a r eh u m a na n dm a t e r i a lr e s o u r c e s ，a n dt i m ef o r e n t e r p r i s e s t h i sa u t o m a t e dt h r e e d i m e n s i o n a lw a r e h o u s es y s t e mi n c l u d e st w os u b s y s t e m s m o d e l i n g s y s t e m a n ds i m u l a t e d s y s t e m i n t h e m o d e l i n gs u b - s y s t e m ，a l l e s s e n t i a l e l e m e n t sa n dp a r t sc o n s i s t i n go ft h r e e d i m e n s i o n a lw a r e h o u s ea r ed e f i n e da n d c l a s s i f i e d ， a n dt h es u b s y s t e mc a na u t o m a t i c a l l yg e n e r a t eav i r t u a lw a r e h o u s ea c c o r d i n gt oas e to f p a r a m e t e r sg i v e nb y u s e r t h es i m u l a t e ds u b - s y s t e mc a r r i e so ns i m u l a t e dc o m p u t a t i o nf o r t h em a i n o p e r a t i o n so f t h r e e d i m e n s i o n a lw a r e h o u s et os e ew h e t h e rt h ev i r t u a lw a r e h o u s e m e e t su s e r sd e m a n do rn o ta n da c c o r d i n gt h er e s u l t so fs o m eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s ， g i v e su s e rs o m e c o n c r e t ep r o p o s a l sf o ri m p r o v i n gi ti f i t sn o t s a t i s f y i n g ， t w oo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sa r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h e m a i ns t o r es t y l e so fs t u f f si nc h i n a sa u t o m a t e ds t e r e ow a r e h o u s e s ，t h er e l a t i o nb e t w e e n t h es h e l v e sn u m b e ra n ds t a c k e ro p e r a t i o ni sd i s c u s s e do nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i sr e l a t e d t oa u t o m a t e ds t o r a g ea n dr e t r i e v a ls y s t e m t h ei d e ao f o p t i m i z i n gt h es h e l v e sn u m b e r i s p u t f o r w a r da f t e r m l a l y z i n gt h e f a c t o r s h a v i n g e f f e c to nt h ee f f i c i e n c yo fs t a c k e r s o p e r a t i o n f h e n ，t h es i m u l a t i o nr e s u l ti sa n a l y z e dt oc o m p a r et h er e c o m m e n d e ds t y l e w i t ht r a d i t i o n a l s t y l e 。s e c o n d l y , b yc o m p u t i n gt h eo p e r a t i n gt i m e c o s t o fa u t o m a t e d s t o r a g ea n dr e t r i e v a l ，t h er e l a t i o nb e t w e e n t i m e c o s ta n ds h e l v e si sp r o p o s e d ；a c c o r d i n g i l l 东北人学f 乳卜学位论文a b s t r a c t t ot h e a n a l y s i s o ft i m e c o s to fs t o r i n ga n dr e t r i e v i n gag r o u po fg o o d s ，t h er e l a t i o n b e t w e e ns t o r a g ea n dr e t r i e v a lt i m e c o s ta n dt h es e q u e n c eo f s t o r i n ga n dr e t r i e v i n gs t u f f s i si l l u s t l a t e da n dt h ep r o b l e mw i t hm i n i m i z i n gt i m e c o s ta so b j e c t i v ei sd e s c r i b e da sa t s p p i o b l e m ；a ni m p r o v e dg a ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) i sa p p l i e dt os o l v et h ep r o b l e ma n d t h es e q u e n c eo fs t o r i n ga n dr e t r i e v i n gs t u f f si nn o n o p t i m i z e dw a yi sc o m p a r e dw i t ht h e o p t i m i z e ds e q u e n c eo b t a i n e db y t h ea l g o r i t h m t h ek e y w o r d ：t h r e e d i m e n s i o n a lw a r e h o u s e ；s h e l v e s ； s t a c k e r ；g o o d s l o c a t i o n o p t i n m ms h e l v e sn u m b e r ；t s p ；g e n e t i ca l g o r i t h m i v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 本人签名：壹1 导科 日 期：2 0 。啦2 悖 末北人学坝【学位论义 鹕一章绪论 1 1 本文的研究背景 第一章绪论 现阶段，我国国民经济发展的主要方向就是从个别机器的制造和使用及其工艺 过程的确立与实施，逐步过渡到生产和大规模应用高效机器系统、设备及仪器，制 定和实施先进的工艺过程，以保证所有生产作业，尤其是辅助作业和贮运作业，实 现机械化和自动化。 目前，装卸和贮运作业在国民经济中占用了大批劳动力。贮运工作机械化和自 动化的主要优点，在于能够提高劳动生产率和节省劳动资源。当前，这个因素对于 装卸和贮运作业具有头等重要的意义，从节省劳动资源和降低经营费用这个角度来 看，如果仓库系统贮运过程实现自动化，将使其达到很大的经济效果。 近几年来，在建立自动化仓库方面采取了一些行之有效的措施。在工业、技术 物资供应、建筑业和商业等部门，都在建设高度机械化和自动化的仓库。而自动化 起重运输机、自动包装机和自动拆装机的结构f 在进行改进。工业机器人和操作机 在装卸和贮运作业中的推广应用也在顺利的进行。 二十一世纪，随着我国国民经济的迅速发展及加入w t o 后的竞争形势，要求 物流体系必须迅速实现现代化，现在物流系统的优化往往都集中在宏观方面。自动 化立体仓库( a s r s - - a u t o m a t i cs t o r a g e r e t r i e v a ls y s t e m ) 是生产物流的重要组成 部分，是生产过程中的物流中心和调度中心。而作为其重要组成部分的立体仓库， 它内部的优化却比较少。现已经出现的一些相关优化理论和算法大多是关于库存管 理的理论，关于立体仓库内部的运输工具存取路径方面和库位号排列的优化少之又 少，考虑到这种情况，本文在自动化立体仓库的仿真中，加进了对库位号排列方式 和货物存耿顺序部分的优化算法。优化算法主要为：其一是根据国内自动化立体仓 库物料的主要存放模式，分析堆垛机自动存取方式，说明了库位号与堆垛机运作的 关系；分析影响堆垛机运作效率的各种因素，提出优化库位号排列顺序的一种启发 式算法，并对优化顺序与传统库位号排列顺序进行了仿真比较。其二通过对自动化 立体仓库存取系统作业周期的计算，在周期和货位之间建立一种对应关系，根据对 一批货物存取时间的分析，说明了存取时间与货物存取顺序的关系，归结为典型的 t s p 问题，并应用一种改进的遗传算法进行求解，最后对货物存取的优化顺序与随 东北人学倾i 。学位论义第一币绪论 机顺序所用的时间进行比较，使企业对立体仓库货物的出入库运作效益有一一个大致 的了解，而避免在建立自动化立体仓库上走弯路，浪费人力、物力和财力资源。 同时，以往的库存管理系统，都是针对某个特定的仓库进行设计和开发的，这 样就局限了企业的对所需立体仓库的选择范围，因为假设某企业要建立一个新的立 体仓库，而适合该企业的货品存储的立体仓库的类型不只一个时，企业将面临两难 的问题，由于实际的立体仓库的建立会花费企业大量资金，因此当它确定了所需要 的立体仓库的设备、外形等等的概要后，面对它的即为立体仓库的运作效率的问题， 如果此仓库能满足该企业的要求，那固然是好事，但是如果不满足，情况就复杂了， 这样就将对现有的仓库进行改造，而改造只能解决表面的问题，其实质问题还是存 在的。要彻底解决问题，就只能重新建立新的仓库，就还要重复之丽的种种工作， 浪费了企业的大量的人力、物力和时帕j 资源。 基于以上的种种考虑，本课题主要研究自动化立体仓库的建模及其优化仿真， 并建立了自动化立体仓库系统，自动化立体仓库系统由建模子系统与仿真子系统两 大部分组成，在建模子系统中，对立体仓库所需的各类基本组成元素进行了分类和 整理，每一种基本组成元素为一个抽象类，对用户所选择的所有基本元素( 即列象) ， 系统可自动建立起用户所需的虚拟立体仓库。而仿真分系统则是在此基础上，对立 体仓库中的主要作业进行仿真运算，以监测是否满足用户的要求，并在其中加进了 对一些问题的优化算法，能更好达到用户的需求。对于企业来讲，可以根据自身的 需要，选择符合自身的各种设备和外形，系统可以自动为企业辅助建立好所需的立 体仓库的虚拟模型，并自动生成针对该立体仓库的库存管理系统，可以对其内部的 各种运作进行仿真，在此基础上还可以对其进行优化，给企业在进行立体仓库的选 择上以更广泛的考虑的空间，从而减少企业的总资源的浪费。 1 2 自动化立体仓库的发展问题及其意义 1 2 1 立体仓库的发展 立体仓库的出现和发展是第二次世界大战以后生产和技术发展的结果。5 0 年代 初，美国出现了采用桥式堆垛超重机的仓库，5 0 年代末6 0 年代初出现了司机操作 的巷道式堆垛起重机，1 9 6 3 年美国首先在仓库业务中采用计算机控制，建立了第一 座计算机控制的高架仓库。此后，高架仓库在美国和欧洲得到迅速的发展。6 0 年代 东北大学坝f 学位论文 第一章绪论 中期以后，r 本丌始兴建高架仓库，而且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有 高架仓库数量最多的国家。 我国对立体仓库及其专用的物流搬运设备的研究与开发开始得并不晚，早在 1 9 6 3 年就丌发试制成功了第一台桥式堆垛起重机。7 0 年代中期，我国开始丌发研 究采用巷道式堆垛起重机和高架叉车的高架仓库。1 9 8 0 年，我国第一座自行研制完 成的自动化立体仓库投产。以后，高架仓库在我国得到了迅速的发展。这些仓库使 用在机器制造业、电器制造业、航空港、轻q - a n 化工企业、商储业、军需部门等各 行各业。目前，国内对立体仓库的需要不断增加，高架仓库的建设在我国方兴未艾。 立体仓库的发展趋势表现为”： ( 1 ) 自动化程度不断提高 近年来，采用可编程序控制器( p l c ) 和微机控制搬运设备的仓库和采用计算 机管理与p l c 联网控制的全自动化仓库在全部立体仓库中的比重不断增加，闩本 1 9 9 1 年投产的1 6 2 8 座自动化仓库中，6 4 是计算机管理和控制的全自动化仓库， 而单靠人工操纵的仓库一座也没有。在生产企业，自动化仓库作为全厂计算机集成 制造系统( c i m s ) 的一部分与全厂计算机系统联网的应用也日渐增多，成为今后 发展的趋势。 ( 2 ) 与工艺流程结合更为紧密 a s r s 高架仓库与生产企业的工艺流程密切结合，成为生产物流的一个组成 部分。例如，柔性加工系统中的自动化仓库就是一个典型例子。在配送中心，自动 化仓库与物品的拣选、配送相结合成为分配中心的一个组成部分。 ( 3 ) 仓库储存货物品种多样化 大到长6 米以上、重4 1 0 吨的钢板、钢管等长大件，小到电子元器件的高架 仓库，还有专门用作汽车储存的高架仓库等均己出现。 ( 4 ) 提高仓库出入库周转率 除管理因素外，技术上主要是提高物料搬运设备的工作速度。巷道堆垛起重机 的提升速度己达9 0 米分，运行速度2 4 0 米分，货叉伸缩速度达3 0 米分，在 有的高度较大的高架仓库中，采用上下两层分别用巷道堆跺超重机进行搬运作业的 方法提高出入库能力。 ( 5 ) 提高仓库运转的可靠性与安全性及降低噪声 在自动控制与信息传输中采用高可靠性的硬、软件，增强抗干扰能力：采用自 动消防系统，货架涂刷时火涂层；开发新的更可靠的检测与认址器件：采用低噪声 东北人学坝l 学位论文第一章绪论 车轮和传动元件等等。 ( 6 ) 丌发可供实用的拣选自动化设备和系统 在拣选作业自动化方面正加紧研究丌发，但尚未真正达到能可靠地实用的阶 段。目前，提高拣选作业自动化程度的途径主要仍限于计算机指导拣选包括优选 作业路线、自动认址、提示拣选品种和数量等等，而当前拣选动作大多仍由人工完 成。 如何合理舰划和设计自动化立体仓库，如何实现仓库与生产系统或配送系统的 高效联接。已经成为急待解决的重要研究课题。 1 2 2 自动化立体仓库的优点及其在物流系统中的作用 自动仓储系统出现以后，获得了迅速的发展，主要是因为这种仓库具有一系列 突出的优点，在整个企业的物流系统中具有重要的作用。 ( 1 ) 能大幅度地增加仓库高度，减少占地面积 采用人工存取货物的仓库：货架高2 米左右。采用叉车的仓库可达3 4 米， 但所需通道要3 米多宽。用这种仓库储存机电零件，单位面积储存量一般为o 3 o 5 吨平方米。而高层货架仓库目前最高的已经达到4 0 多米，它的单位面积储存 量比普通的仓库高得多。一座货架l5 米高的高架仓库，储存机电零件和外协件， 其单位面积储存量可达2 1 5 吨平方米，是普通货架仓库的4 7 倍。考虑一座 拥有6 0 0 0 个货位的仓库，如果托盘尺寸为8 0 0 x1 2 0 0 毫米，对于普通的高5 5 米的 货架仓库，占地面积需要3 ，6 0 9 平方米；而对于3 0 米高的高架仓库，占地面积仅 需3 9 9 平方米。 ( 2 提高仓库出入库频率 自动化仓库采用机械化、自动化作业，出入库频率高并能方便地纳入整个企业 的物流系统，成为它的一环，使企业物流更为合理。 ( 3 ) 提高仓库管理水平 借助于计算机管理能有效地利用仓库储存能力，便于清点盘库，合理减少库存， 节约流动资金。对用于生产流程中的半成品仓库，还能对半成品进行跟踪，成为企 业物流的一个组成部分。 ( 4 ) 提高效率，减少货损 由于采用了货架储存，并结合计算机管理可以很容易地实现先入先出，防止 东北人学硕f + 学位论义 兰：! 笪篓 高架仓库也便于防止货物的丢失，减少货损。 货物自然老化、变质、生锈。 ( 5 ) 适用场合更广 采用自动化技术后，能较好地适应黑暗、有毒、低温等特殊场合的需要。例如： 胶片厂储存胶片卷袖的自动化仓库，在完全黑暗的条件下，通过计算机控制自动实 现胶片卷轴的入库和出库。 总之，由于自动仓储系统这一新技术的出现，使有关仓储的传统观念发生了根 本性的改变。原来那种固定货位、人工搬运和码放、人工管理、以储存为主的仓储 作业已改变为优化选择货位，按需要实现先入先出的机械化、自动化仓库作业。在 这种仓库旱，在储存的同时可以对货物进行跟踪以及必要的拣选和组配，并根据整 个企业生产的需要，有计划地将库存货物按指定的数量和时间要求送到恰当地点， 以满足均衡生产的需求。从整个企业物流的宏观角度看，货物在仓库中短时间的逗 留只是物流中的个环节，在完成拣选、组配以后，将继续流动，高架仓库本身是 整个企业物流的部分，是它的个子系统( 3 0 3o 用形象化一些的比喻况法可以 说，使“静态仓库”变成了“动态仓库”。 1 3 本文的主要工作 从对建立自动化立体仓库进行规划丌始的设计流程如图1 1 所示。系统设计的 任务是将构成系统的各专业技术有效地进行组合。具体地说，主要是明确各专业技 术间的联结点。从全局着眼，规划自动仓库系统的功能，使其成为统一的高效率的 体系。这是系统设计的目的所在。 本系统率赣高效率的观点，在所建的自动化立体仓库系统中加进丁划多种可能 澎响仓库存储运作效率的作、l k 处理的优化算法实施，从提商效率的观点 发z k 觇 划币u 研究自动化立体仓库系统实施的过程中，充分考虑影响仓库存储运作和作、舭处 理效率的多种倒索，通过优化配置，使之的运作效率得到了明照的提商，提高自动 化最体仓牵的整体的运作效率，侵之照适应现代生产物流的要求与标准。 本论文研究的主要内容是根掘对立体仓库的构建的需求，进行系统的设计，建 立立体仓库的虚拟模型，并在所建模型的基础上，对多种影响仓储运作效率作业如 出入库作业等，进行仿真与优化研究，应用改进的遗传算法解决了现行仓库的出入 库作业中所存在的优化问题。 全文的结构如下： 东北人学坝 学位论文第章绪论 首先，为了便于理解，简要介绍了立体仓库的构成与分类。 其次，是a s r s 系统的分析、设计及解决方案。 然后，是优化算法的研究和仿真结果。 最后，列出了本系统的主要功能界面。 用户的流程 厂家的流程 幽i 1 系统设计的流狂 f i g 1 1 t h ef l o wo f t h es y s t e md e s i g n 东北人学坝i j 学位论义 第一二章自动化体仓库概述 第二章自动化立体仓库概述 2 1 立体仓库的概念 立体仓库又叫高架仓库，简单来讲一般是指应用几层、十几层乃至几十层高的 货架存储单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物出库和入库作业的仓库。之所 以称其为立体仓库主要是区别于平面仓库而言的阳”。 立体仓库一般由高层货架、物料搬运设备、控制和管理设备及土建公用设施等 部分组成。货架一般用钢材制作，在防火要求高的场合也可用钢筋混凝土货架。常 用的物料搬运设备有巷道式堆垛起重机、高架叉车、辊子输送机、链式输送机、升 降机、自动导向车，等等。 2 2 立体仓库的分类 ( 1 ) 按高层货架仓库的建筑形式分： ( a ) 整体式 货架既是储存货物的构件，又是建筑承重的构件，它的上部支承着屋盖，四面 围上保温墙板就形成了立体仓库建筑物。这种结构无论在材料的消耗、施工量还是 立体仓库空间的利用方面，都是比较经济与合理的。这种结构重量轻，整体性好， 对抗震也特别有利。但是不利于企业对立体仓库的重建、改建与扩建。 ( b ) 分离式 在仓库建筑物内独立地建起货架，货架与建筑物是分开的。这种形式适用于利 用原有建筑物作库房，当仓库高度在1 2 米以下和地面荷载不大时，采用这种形式 比较方便。由于这种仓库可以先建库房后立货架，所以施工安装比较灵活方便。 ( 2 ) 按库房高层分： 可分为高层、中层和低层三种。一般高度在5 米以下的为低层仓库，而5 1 2 米的为中层仓库，高于1 2 米以上的为高层仓库。在立体仓库高度上，国际上一般 认为1 0 2 0 米较佳。最高可达4 0 4 5 米。美国绝大多数立体仓库高度为1 3 1 8 米。在1 8 米以上的只占其中的1 0 ，而在3 0 米以上的立体仓库为数更少。瑞士的 推荐高度为1 5 1 6 米。为了减少建库的投资，瑞典各公司在1 9 7 5 年以后，就一直 东北人学坝 学位论文第二章自动化讧体仓库慨述 倾向于建造8 m 左右高的高架立体仓库。在同本，由于多地震的原因，立体仓库一 般都比较矮、规模也比较小。1 9 7 2 年以后简易立体仓库得到了广泛的发展。同本的 单层建筑高度一般为7 8 米，改建成生产工序型自动化仓库，其价格便宜、工作 可靠、容易操作、便于中、小型企业采用。近年来它的数量有较大的增加。 我国现行建筑设计防火规范将货架高度超过7 米的机械化或自动化控制的高架 库定义为高架仓库( 即立体仓库) 。 ( 3 ) 按库房容量分： 高层货架仓库的库容量一般以所能储存货物的单元托盘数表示。一般库容量在 2 0 0 0 托盘以下为小型库；库容量在2 0 0 0 5 0 0 0 托盘的为中型库；库容量在5 0 0 0 托 盘以上的为大型库。目前高层货架仓库的最大库存量已达十多月个托盘。 ( 4 ) 按仓库作业的控制方式分： 可分为手动控制、远距离控制和电子计算机控制。手动控制包括手动和半自动 两种，远距离控制包括单机自动和远距离集中控制两种，电子计算机控制包括离线 控制、在线控制和计算机在线实时控制三种。 ( 5 ) 按仓库存取方式分： ( a ) 以货物单元存取的仓库 在这种仓库罩，货物在标准容器中或托盘上储存。出库和入库都以整个单元进 行。所用的物料搬运机械均是适用于整个单元搬运的，例如带伸缩货叉的巷道式堆 垛机等。 ( b ) 拣选式仓库 在这种仓库罩，货物虽以单元化方式入库和储存，但出库时并非整个单元一起 出，而是根据出库提货单的要求从货物单元中拣选一部分出库。这种拣选又可分为 二种：一种是仓库工人乘坐拣选式堆垛起重机或叉车到需要取货的货格前，从货物 单元中拣选必要数量的贷出库。这种方式叫做“人到货前拣选”。另一种方式恰好 相反，是用一般的巷道式堆垛机或其他搬运机械将所需货物单元整个搬运出巷道到 拣选区，由工人选取必要的数量，然后将带有剩余货物的单元重新送回原址。这种 方式叫做“货到人处拣选”。用哪一种合适，需视仓库作业需要决定。如果对于整 个仓库来讲，只有拣选作业，而不需要整个单元出库，那么，多采用“人到货前拣 选”的方式。但如果仓库作业中仍有相当一部分货物需要整个单元出库，或者拣选 出来的各种货物往往还需要按用户的要求进行组合选配，那么也可以采用“货到人 处拣选”的方式。 东北人学坝j ：学位论文 第二二章自动化札体仓库概述 ( 6 ) 按仓库在生产和流通中的作用分类： ( a ) 单纯储存的仓库 货物以单元化形式入库之后，在货架上储存定的时i 刈。需要时，出库供使用。 绝大多数高层货架仓库都是这样的。 ( b ) 配送中心式仓库 在这种仓库旱，各种货物先是各自以货物单元的形式储存在货架上。出库时， 往往需要根据订单的要求将不同货物以不同的数量进行选配，组成新的货物单元， 送往需要的地方供使用。典型例子是“配送中心”。这类仓库除了有高货架以外， 一般都有比较大的选配作业面积。那里配有许多输送机和拣选作业站以及一系列的 配套设备，供进行商品选配之用。 2 3 立体仓库构成主要部件概述 2 3 1 立体仓库货架技术概述 2 3 1 1 货架的概念、作用及功能 ( 1 ) 货架 就一般字面而言，货架泛指存放货物的架子。在仓库设备中，货架是指专门用 于存放成件物品的保管设备。货架在生产物流及仓库中占有非常重要的地位。随着 现代工业的迅猛发展，物流量的大幅度增加，为实现仓库的现代化管理，改善仓库 的功能，不仅要求货架数量多，而且要求具有多功能，并能实现机械化、自动化要 求。 ( 2 ) 货架的作用及功能。 货架在现代生产物流活动中，起着相当重要的作用，仓库管理实现现代化与货 架的种类、功能有直接的关系。 货架的作用及功能有如下几方面： 货架是一种架式结构物，可以充分的利用仓库的空间，提高库容利用率， 扩大仓库的储存能力； 存入货架中的货物，互不挤压，物资损耗小，可以完整保证物资本身的 功能，减少货物的损失； 东北人学倾l 学位论文第- 二章白幼化体仓库概述 货架中的货物，存取方便，便于清点及计量，可以做到先进先出( f i f o ) ； 保证存储货物的质量，可以采取防潮、防尘、防盗、防破坏等措施，以 提高物资的存储质量： 很多新型货架的结构及功能有利于实现仓库的机械化及自动化管理。 2 3 1 2 货架的种类 按形式的不同货架可分为： ( 1 ) 通道式货架 这种形式的货架需按人工作业或机械作业方式，根据所使用不同的机械类型预 留一定宽度的通道。其中有货柜式货架、托盘式货架和悬臂式货架、贯通式货架等。 ( 2 ) 密集型货架 这种形式的货架可大大节省通道面积。其中常见的有移动式货架和重力式货 架。 ( 3 ) 旋转式货架 这种形式的货架，便于对储存货物的选拣。其中常见的有水平回转货架和垂直 回转货架。 2 3 1 3 几种典型货架 ( 1 ) 通道式货架 ( a ) 货柜式货架 一般用于储存小件、零星货物，根据需要可有各种不同格式，其中又可分货格 式及抽屉式等等。这种货架一般每格里面都有底板，货物可以直接搁置在底板上， 这种货架的作业方式一般都是人工操作的。 ( b ) 托盘货架 托盘货架是存放装有货物托盘的货架。托盘货架所用材质多为钢材结构，也可 以用钢筋混凝土结构。可做单排型连接，也可做双排型连接。其尺寸大小，视仓库 的大小及托盘尺寸的大小而定。 采用托盘式货架，每一个托盘占一个货位，较高的托盘式货架使用堆垛起重机 存耿货物，较低的托盘式货架可用叉车存取货物。托盘式货架可实现机械化装卸作 业，便于单元化存取，库容利用率高，可以提高劳动生产率，实现高效率的存取作 东北人学颂l j 学位论文 第二市自动化、) ：仲仓库概述 业，便于实现计算机的管理和控制。 ( c ) 悬臂式长形料货架 悬臂式长形料货架又称悬臂架。它是由3 4 个塔形悬臂和纵梁相连而成。这 种货架，分单面和双面两种，悬臂架用金属材料制造，为防止材料碰伤或产生刻痕， 在令属悬臂上挚上木质衬挚，也可用橡胶带保护。悬臂架的尺寸不定，一般根据所 放长形材料的尺j j j 大小而定其尺寸。 悬臂架为边丌式货架的一种。其特点是可在架子两边存放货物，但不大便于机 械化作业，存取货物作业强度大，一般适于轻质的长条形材料存放，可用人力存取 操作，重型悬架用于存放长条形金属材料。 ( d ) 驶入式货架 驶入式货架：这种货架采用钢质结构，钢柱上一定位置有向外伸出的水平突出 构件。当托盘送人时，突出的构件将托盘底部的两个边托住，使托盘本身起架子横 梁作用：当架上没有放托盘货物时，货架正面便成了无横梁状态，这时就形成了若 = f 通道，可方便出入叉车等车辆作业。 这种货架特点是叉车直接驶入货架进行作业，叉车与架子的正面成垂直方向驶 入，在最内部设有托盘的位鼍卸放托盘货载直至装满，取货时再从外向内顺序取货。 驶入式货架能起到保管场所及叉车通道的双重作用，但叉车只能从架子的j 下面驶 入。这样，从一个方面看可以提高库容率及空间的利用率，但从另一方面看，很难 实现先进先出。因此，每一巷道只宜保管同一品种货物，此种货架只适用于保管少 品种、大批量的以及不受保管时间限制的货物。驶入式货架是高密度存放货物的重 要货架，库容利用率可达9 0 以上。 ( 2 ) 密集型货架 ( a ) 移动式货架 有移动式普通商品货架和移动式托盘货架两种。这种货架底部装有轮子，可在 地面敷设的轨道上移动，固定式货架一般每两排货架需有个通道，而移动式货架 可在较多排货架中只留出一条通道。可以通过货架的移动，选择所需要的通道的位 置，让出通道，由叉车进行装卸。移动货架的方式一般是电动的，但轻型移动式普 通商品货架也可以手动。控制货架移动有两种方法：一种是操纵设在货架上的按钮 开关：一种是声音控制，叉车司机可在车上用声音遥控。货架上装有自动防碰撞的 安全设备。这种货架移动速度较慢，设备结构也较复杂，只适用于出入库不太频繁 的保管系统。 东北人学坝| 学位论义第一二币自动化t 休仓库慨述 ( b ) 重力式货架 重力式货架主要有两类：一类是储存整批纸箱包装商品；另一类是储存托盘商 品。储存纸箱包装商品的重力式货架比较简单，由多层并列的辊道传送带所组成， 商品上架及取出使用人力。储存托盘商品的重力式货架一般为2 4 层，每格货架 内设置重力滚道两条。滚道由左右两组辊轮、导轨和缓冲装置组成。其坡度一般为 1 5 3 5 ，滚道长度一般可以存放5 1 2 只托盘，每个托盘载重量为5 0 0 1 ，5 0 0 公斤。商品进库存放时，用叉车从货架后面将托盘送入货格，托盘依靠本身重力沿 滚道向前滑行，也有采用电磁阀控制托盘定位。取货时，则用叉车从货架前面将托 盘取出。 重力式货架的优点是： 能保证货物的先进先出。 它是一种高密集型的货架储存系统，空间利用率极高，比普通通道托盘货架 的通道面积大大节省。 进出货时叉车或巷道堆垛机行程最短。 使货架的货位“空缺”减至最少。 能最大限度地防止货物的失窃，因为这种型式的货架，外人仅能接触到滑道 端部的第一个托盘货物，因而使失窃率大大降低。 重力式货架适用于零进整出或整进整出，尤其适用于大批量进出、储存，进 出系统如与自动传送带衔接，吞吐能力可达2 8 0 板时。 它的缺点是： 投资成本高，一般重力式货架的成本约为普通托盘货架成本的5 7 倍。 对托盘及货架的制造加工要求高，否则易造成滑道阻塞，同时对这种货架的 同常维护、保养要求也高。 ( 3 ) 旋转式货架 旋转式货架设有电力驱动装置( 驱动部分可设于货架上部，也可设于货架底座 内) 。货架沿着由两个直线段和两个曲线段组成的环形轨道运行。由开关或用小型 电子计算机操纵。存取货物时，把货物所在货格编号由控制盘按钮输入，陔货格则 以最近的距离自动旋转至拣货点停止。拣货路线短，拣货效率则可以提高。 旋转式货架的货格样式很多，一般有提篮状、箭状、盘状等，可根据所存货物 的种类、形态、大小、规格等不同要求选择。货格可以出硬纸板，塑料板制成，也 可以是金属架子。透明塑料密封盒则适于贮存电子元件等防尘要求的货物。 东托大学顿i j 学位论文 第二幸自动住试棒仓瘁概述 旋转式货粲适于小物品的存取，尤其对于多品种的货物更为方便，它贮存密度 大，货架间不设通道，易管理，投资少，由于操作人员位置固定，敌可采用局韶通 胍和照明来改善工作条件，并且节约了大量能源。 如果仓库的空阍利用刁i 作为主要问题，雨以便予拣货和库存管理豁目的出发， 那么就显出旋转式货絮的优越性了。 旋转式货架分为整体旋转式( 整个货架是一个旋转整体) 和分层旋转式( 各层 矜设驱动装置，形成各自独立的旋转体系) ，其中整体旋转式又分为水平旋转式( 货 架的旋转轨迹平行于地面，即旋转轴垂赢于地面) 和垂直旋转式( 货架的旋转轨迹 垂直于地面，即其旋轴与地面平行) ，可根据具体要求而选定。 2 , 3 。2 立体仓库货架存取设备 2 , 3 2 1 巷道式堆垛起重机 ( 1 ) 定义 巷道式堆垛起重枧简称巷遴堆垛极。巷遭式堆垛起重机的主要用途是在裹层货 架的巷道内来回穿梭运行，将位于巷遂明的货物存入货格，或者指反，驳出货格内 的货物运送到巷道口。 ( 2 ) 巷道式堆垛起重机的特点1 ( a ) 整机结构高而窄。采用巷道式堆垛起重机的高架仓库很高，而且货架巷通 又非常狭窄，超重机宽度一般和所搬运的单元货物的宽度相等。 ( b ) 起重机金属结构设计除需满足强度要求外，还应有足够的刚性和精度。制 动时机架顶端水平位移一般要求不超过2 0 毫米，而且振动衰减时问簧短。机架立 柱上升降导轨的不垂直度应严格控制，一般全长不应超过3 5 毫米。 ( c ) 超重车凡配备有特殊的取货装置，常用的有伸缩货叉或者仲缩平板，能向两 例货格4 串出存玻货物。 ( d ) 起重枫的电力施动系统要同时满足快速、平稳和准确三方面的要求： 快速性。工作速度离；启动、制动挟；尽量缩短搬运对涮； 平稳性。启动、制动要平稳，以防止货物单元在货台上发生滑移或者装 在托盘上的货物发生倒塌，减少金属结构的动载荷；保证司机舒适和超 重机上的电子元件免受冲击振动； 准确性。起重机的电力拖动系统应能保证起重机与货台准确地停靠在指 东北人学坝f j 学位论义 第二章自动化：体仓库概述 定的位置。停准偏差一般不超过5 1 0 毫米。这就要求起重机具有良好 的低速特性。 安全要求高，必须配备齐全的安全装置，并在电气控制上采取一一系列联 锁和保护措施。对于自动控制的巷道式堆垛起重机尤其要这样。 2 3 2 2 高架叉车 高架叉车又称作无轨巷道堆垛机或三向堆垛叉车。它是一种变型叉车，主要适 用于高度不太大，作业不太频繁并要求出库搬运的仓库。 ( 1 ) 高架叉车的结构特点 从结构上看，高架叉车与一般叉车相比主要有下列特点陀引： c a ) 采用多节门架。高架叉车为了提高起升高度采用了三节或四节门架，使 起升高度可达到1 2 米。 ( b ) 备有特殊的货叉机构。高架叉车的货叉机构能够在水平面内左右各转9 0 度，又能够向左或向右作侧移。这样，巷道的宽度就可以显著减小，只比货物或叉 车宽4 0 0 毫米左右即可。 ( c ) 设导向装置。车体下部两侧各有两个水平导向轮，货架下部设导轨进行导 向。为了便利叉车从巷道外进入巷道，在巷道端口上，水平导轨呈弧形段，形成一 个“喇叭口”，能引导高架叉车进入巷道。 ( 2 ) 其他特点 司机室可随门架一起上升，以便看清楚货叉在高处的作业。也可采用货叉自动 平层机构，准确停在所需货格层上。有的高架叉车驱动轮能旋转9 0 度，使叉车能 够方便地作横向移动，提高了叉车运行的灵活性和便于转移巷道。 ( 3 ) 高架叉车的优缺点及适应范围 综上所述，高架叉车有以下优点： 高架叉车的起升高比一般叉车高，可以达到1 2 米，但比巷道式堆垛起重机 所能达到的高度低得多。 所需巷道宽度比一般叉车所需的窄得多，但不如巷道式堆垛起重机窄。 高架叉车机动性比巷道式堆垛起重机高，它可以在巷道外作业，可以方便 地转移到其他巷道工作，甚至可以开出仓库外作业。 仓库巷道必须有平整的地面。 由于采用蓄电池作动力，充电时间长，自重大。 东北人学颂l 学位论文第二章自动化口体仓库慨述 工作速度比巷道式堆垛起重机和一般叉车均低，因而作业效率低。 所以高架叉车比较适用于高度1 2 米以下，出入库不频繁的仓库。特别是在旧 库技术改造，或者需要用同一台叉车完成库内和库外作业的场合，高架叉车尤为适 用。 2 3 3 立体仓库出、入库运输系统 高架仓库还必须利用各种输送机、叉车、自动搬运小车、升降机和其高货架区 与各作业区联成一体。从这个意义上讲，只有通过上述各种搬运机械构成的出入库 运输系统才能最终形成高架仓库的物流。出入库运输系统协调的工作是保证高架仓 库有效运转必不可少的条件。 出、入库输送机主要分以下几类3 ： 输送机 兀动力式 篓墓霎 f 辊子输送机 动力式 链条输送机 i 皮带输送机 东北人学坝l 学位论文第三章a s r s 系统分析、眦计 第三章a s r s 系统分析、设计 随着我国生产和经济的不断发展，对自动化立体仓库数量和质量的需求将会越 束越大，而如何规划和设计立体仓库，使之既能满足生产物流系统的要求又能充 分利用资源，最大限度地减少投资，将是我们面临的一个非常重要的问题。 3 1a s r s 系统的分析 3 1 1 系统分析 自动化立体仓库系统属于比较典型的离散事件动态系统( d e d s - - d i s c r e t e e v e n t d y n a m i cs y s t e m s ) 。为了达到信息集成和功能集成的目标，需要建立良好的子 系统模型和全局模型。对于自动化立体仓库这样个复杂的系统，必须从多个视角 和层次进行建模。 就担负的作业内容和数量及其本身的构成而亩，自动化立体仓库是一个复杂的 管理系统。自动化仓库的管理业务有：运输工具卸货、货物验收、搬运、分配、存 贮、分选、发货、包装等作业以及运输工具装货和货运统计等作业。此外