（系统工程专业论文）自动化立体仓库系统的优化及其三维建模仿真研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 自动化立体仓库系统的优化及 其三维建模仿真研究 摘要 自动化立体仓库系统( a 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 a s r s ) 是 现代物流系统的一个重要组成部分，广泛应用于各行各业中。由于自动化立 体仓库可以实现货物的自动存取，信息化检索，极大地提高劳动生产率，降 低物流成本，因而越来越受到人们的关注，已经成为了企业生产自动化和管 理信息化的标志之一。因此开发自动化立体仓库仿真系统软件具有很重要的 现实意义。采用仿真系统软件，能改变传统的设计流程，在系统安装调试前， 通过虚拟平台对立体仓库的各种物流流程进行仿真，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，节省企业的人力、物力和时间。 本文主要研究了自动化立体仓库的三维仿真建模技术，主要工作如下： ( 1 ) 物流及立体仓库的基础理论研究。在查阅大量与研究课题相关文献的 基础上，全面地综述了自动化立体仓库的发展，系统的研究了自动化立体仓 库的特点、分类和构成，管理和控制方法以及布置规划原则和过程。 ( 2 ) a u t o c a d 二次开发的关键技术。探讨了采用a u t o c a d 进行三维图形 参数化建模的方法，a u t o c a d 中的数据库技术和a u t o c a d 中的动态仿真技 术，并将这些技术应用于仿真系统软件中。 ( 3 ) 立体仓库物理单元的模型设计和仿真系统软件功能模块分析。仿真系 统软件设计了货架、堆垛机、输送设备、缓冲区设备四种基本图元来实现自 动化立体仓库中的基本物理设备单元，并分析了各个基本图元应具备的属性 参数。仿真系统软件由规划设计模块、建模布置模块、仿真运行模块和统计 分析模块四个功能模块组成。 ( 4 ) 立体仓库作业形式流程分析及数学模型的建立和求解。分析了单入 库、单出库、联合出入库、倒库、分拣作业五种作业形式流程，并建立了相 应的数学模型。针对其中的优化问题，用p b i l 算法求解。 ( 5 ) 以w i n d o w sx p 为平台，使用面向对象的v b n e t 为编程工具，采用 a u t o c a d 为三维图形的建模工具，开发并实现了自动化立体仓库仿真系统。 图元的仿真运动采用多线程技术实现。 关键词：立体仓库；三维；仿真；a u t o c a d ；多线程技术 1 1 查i ! 查兰塑主兰堡垒圭 些! ! 翌! 三- a b s t r a c t 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 mi sam a i n l ye o n s t i t u e n tp a r to fm o d e r n m a t e r i a l sh a n d l i n g s y s t e m s ，a n dh a sb e e nu s e di ne v e r yw a l ko ft h e l i f e b e c a u s et h ea s r sc a nr e a l i z et h ea u t o m a t i cr e t r i e v a lo fg o o d s ，i m p r o v el a r g e l y l a b o rp r o d u c t i v i t y , a n dd e c r e a s et h ec o s t o fl o g i s t i c s ，i ti sm o r ea n dm o r e n o t i c e da n dh a sb e c o m eo n eo ft h es i g n si ne n t e r p r i s ep r o d u c t i o na u t o m a t i z a t i o n a n dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s oi th a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et od e v e l o p t h es i m u l a t i o ns y s t e ms o , w a r et oa s r s t h es i m u l a t i o ns y s t e ms o f t w a r ec a n c h a n g et h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do ft h ea s r s ，p r o v i d e o n es i m u l a t e d e n v i r o n m e n tf o ra l lk i n d so fo p e r a t i o n so fa c t u a la s r sb e f o r ei n s t a l l i n ga n d a d j u s t i n gt h ea s r sa n dh 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 l e f f e c t i v eo fd e s i r e d a s r s sp e r f o r m a n c e ，t h u ss a v et h em a n p o w e r ，m a t e r i a lr e s o u r c e sa n dt i m eo f t h ee n t e r p r i s e s i nt h i sp a p e r ，t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o na n dm o l d i n gt e c h n o l o g yi n a s r si sd i s c u s s e d t h ec o n t e n t sa r eg e n e r a l i z e da sf o l l o w s ： 1 t h es t u d yo ft h el o g i s t i c sa n da s r si nt h e o r y b a s e do nr e a d i n gm o r e a r t i c l e so fr e s e a r c ht a s k ，t h ed e v e l o p m e n to fa s r si ss u m m e du pc o m p l e t e l y a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c ，c a t e g o r i e sa n dc o m p o n e n t ，m a n a g e m e n t a n dc o n t r o l m e t h o da n dl a y o u tp r i n c i p l ei ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y 2 p i v o t a lt e c h n o l o g yi nt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fa u t o c a d t h e t h r e e d i m e n s i o n a lg r a p h 7 sm o l d i n gm e t h o dw i t hp a r a m e t e r ，d a t a b a s et e c h n o l o g y a n dd y n a m i cs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi na u t o c a di sd i s c u s s e d a n da p p l yt h e i i l 悠 ：莩噼 裟哪矾沁毗 呱印黜罐 n 灿善= 蓍m淼m m 叫 普 东北大学硕士学位论文 a b s 姐c t t e c h n ol o g yi ns i m u l a t i o ns y s t e ms o f t w a r e 3 t h em o l d i n gd e s i g no ft h ed e v i c e si na s r sa n dt h ef u n c t i o nm o d u l e s a n a l y s i so ft h es i m u l a t i o ns y s t e ms o f t w a r e t h es o f t w a r ed e s i g n sf o rg r a p h i c u n i t s g o o ds h e l v e s ，s t a c k e r ，c o n v e y i n gd e v i c e ，b u f f e rd e v i c et or e a l i z et h e d e v i c e so f a s r sa n da n a l y z e st h eb a s i cg r a p h i cu n i t sp r o p e r t yp a r a m e t e r t h e s o f t w a r ei sc o n s t i t u t e db yf o u rm o d u l e s - p r o g r a m m i n gd e s i g nm o d u l e ，m o l d i n g m o d u l e ，s i m u l a t i o nm o d u l ea n da n a l y s i sm o d u l e 4 t h ef l o wa n a l y s i s ，m a t h e m a t i cm o l d i n ga n ds o l v i n go ft h eh o m e w o r ki n a s r s t h ef l o wo ff i v ek i n d so fh o m e w o r k l o a d i n go ru n l o a d i n g ，l o a d i n ga n d u n l o a d i n gi sa n a l y z e d b u i l du pt h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i cm o l d i n ga n d s o l v et h eo p t i m i z e dp r o b l e mw i t hp b i la l g o r i t h m 5 t h er e a l i z a t i o no ft h es i m u l a t i o ns y s t e ms o f t w a r e a d o p tw i n d o w sx pa s p l a t f o r m ，v i s u a lb a s i c n e ta sc o d et o o la n da u t o c a d 叠sg r a p h i c sd i s p o s a lt o o l t od e v e l o pa n dr e a l i z et h ea u t o m a t i cs t o r a g e r e t r i e v a ls i m u l a t i o ns y s t e m t h e m o v e m e n ts i m u l a t i o no ft h e g r a p h i c su n i t s i sr e a l i z e d b ym u l t i t h r e a d i n g t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：a u t o m a t i c s t o r a g e r e t r i e v a ls y s t e m ；t h r e e d i m e n s i o n a l ； s i m u l a t i o n ；a u t o c a d ；m u l t i t h r e a d i gt e c h n o l o g y i v 独创性声明 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，不包含其他人己经 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己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：务1 县 1 3期：加而) 芯 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 一i 一 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 自动化立体仓库又称自动存取系统a s r s ( a u t o m a t ies t o r a g ea n d r e t r i e v a ls y s t e m ) ，是近年来国际上迅速发展起来的一种新型仓储物流设 施。它是一种在不直接进行人工处理的情况下，以高层立体货架( 托盘系统) 为储存物资的主体，用电子计算机控制并管理仓库的运行，用自动控制堆垛 运输车执行存取任务，从而能自动地实现存储和取出作业的仓库系统。由于 立体仓库具有高层货架存储、自动存取、计算机控制和信息集成等优点，因 而提高了空间利用率、劳动生产率和作业准确率，适应了现代化生产、物资 交流和仓储的需要，使其广泛应用于医药、电子、汽车、机械、化工、交通 运输等行业，日益成为现代物流系统中不可或缺的重要组成部分。同时随着 计算机技术和通信技术的进步，立体仓库在和企业的e r p 等上位系统连接后， 使立体仓库的功能脱离了简单的物资存储和保管，实现了企业信息管理的自 动化，把物流系统与生产制造、销售、财务等系统有机的联系起来，构成一 个整体，提高了企业的管理水平和经济效益，进而提高企业的竞争力。 1 1 研究背景及意义 自动化立体仓库是现代物流系统的重要组成部分，立体仓库中物流效率 的高低将直接影响整个企业生产效率。一般情况下，设计一个立体仓库需要 先根据用户的基本要求计算总体参数；然后以参数为依据进行总体工艺设 计、绘制总体工艺布置图；再根据总体工艺布置图进行现场安装调试。这种 设计方法一般都要到安装调试的时候才能发现一些重大问题，一旦问题发生 就需要重新进行参数计算、总体工艺设计，具体设计过程如图1 1 。 图1 1立体仓库系统的传统设计方法 f i g 1 1t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do ft h ea 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 由于立体仓库的建成需要大量的资金投入，而立体仓库一旦建成，物理 东北大学硕士学位论文第一章绪论 结构就很难改变，存储方式、运行控制及通讯方式的改变也需要对软件做相 应调整。同时，立体仓库的种类虽然多种多样，但是同型的仓库系统具备一 定的相似性，这样在设计中会经常造成重复性工作，影响开发效率，使物流 公司在竞标时由于效率低下而失去一些商机。 因此，在建立立体仓库之前，有必要对立体仓库进行的整体规划设计和 对立体仓库中各种作业形式的进行仿真。本课题的目的就是研究、设计、开 发面向自动化立体仓库的仿真系统软件，以改变目前工作方式的缺陷，缩短 设计周期，减少不必要的经费，使设计更具有科学性。改用仿真系统后，具 体设计过程如图1 2 。 图1 2立体仓库系统的改进设计方法 f i g 1 2i m p r o v e dd e s i g nm e t h o do ft h ea 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 基于以上的种种考虑，本课题主要目的是研究自动化立体仓库仿真系统 的三维建模及其优化仿真。在原有的常规立体仓库设计方法的基础之上，将 三维仿真技术应用于立体仓库的总体规划设计中，并模拟立体仓库中的各种 作业形式，把存储设备( 高层立体货架) 、运输设备( 堆垛小车、轨道) 、控 制系统等有机的组织在立体仓库仿真系统中。能够在立体仓库的初步设计阶 段，通过建立三维设备模型，形成不同的立体仓库可视化布局，动画的显示 立体仓库各种形式作业的仿真过程，获得不同方案下的仿真结果( 如设备利 用率，物流效率等) 。设计人员可以根据监测的结果对立体仓库的初步设计 方案进行评价，并予以适当的修正，直观而轻松。 1 2 立体仓库及其仿真的知识介绍 1 2 1 立体仓库的发展历史、现状与趋势 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， 刭目前为止其发展可分为五个阶段：人工仓储阶段、机械化仓储阶段、自动 化仓储阶段、集成化仓储阶段和智能自动化仓储阶段1 1 1 2 】 3 】。 第一阶段：人工仓储阶段。物资的输送、存储、管理和控制主要靠人工 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 实现，其实时性和直观性是明显的优点。人工仓储技术在初期设备投资的经 济指标也具有优越性。 第二阶段：机械化仓储阶段。2 0 世纪6 0 年代在美国首先产生了机械式 立体仓库系统( m e c h a n i c a lh 堙h r i s ew a r e h o u s es y s t e m ) ，在该仓库系统中， 物料可以通过各种各样的传送带、工业输送车、机械手、吊车、堆垛机和升 降机来移动和搬运，用货架托盘和可移动货架存储物料，通过人工操作机械 存取设备、用限位开关，螺旋机械只动和机械监视器等控制设备的运行。机 械化满足了人们速度、精度、高度、重量、重复存取和搬运等要求。 第三阶段：自动化仓储技术阶段。到2 0 世纪7 0 年代末，随着可编程控 制器p l c ，堆垛机( s t o r a g ea n dr e t r i e v a lm a c h i n e ) 、自动导引小车a g v s ( a u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e s ) 、条形码阅读器( b a r c o d es c a n n e r ) 等设备在立 体仓库中的应用，出现了自动化立体仓库系统( a u t o m a t e dh i g h r i s e w a r e h o u s es y s t e m ) ，实现了控制自动化。 第四阶段：集成化仓储技术阶段。到本世纪8 0 年代末，自动化技术被 越来越多地应用到生产和分配领域，导致了第三代集成化立体仓库系统的诞 生，显然，各种自动化装置需要集成化，形成了管理级、监控级、执行级三 级控制结构，于是便形成了“集成系统”的概念。在集成化系统中，整个系 统的有机协作，使总体效益和生产的应变能力大大超过各部分独立效益的总 和。 第五阶段：智能自动化仓储技术阶段。进入9 0 年代，出现了智能型立体 仓库系统( i n t e l l i g e n th i 曲一r i s ew a r e h o u s es y s t e m ) ，现在智能自动化仓储技 术还处于初级发展阶段，具有广阔的应用前景。 用自动化功能齐全的立体仓库取代传统的普通式仓库己成为世界仓库建 设发展的潮流。据不完全统计，美国拥有各种类型的自动化立体仓库2 0 0 0 多座，日本拥有4 0 0 0 多座，德国拥有1 0 0 0 多座，英国有4 0 0 多座，前苏联 有1 5 0 多座，且向高度4 0 米以上的巨型立体仓库发展。 早在7 0 年代初期，我国开始采用巷道式堆垛机的立体仓库。1 9 8 0 年， 由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成的我国第一座自动化立体仓 库在北京汽车制造厂投产，从此以后立体仓库在我国得到迅速的发展。据不 完全统计，目前我国己简称的立体仓库近三百座，其中全自动的立体仓库有 3 0 多个。我国的自动化仓库技术已实现了与其他信息决策系统的集成，正在 做智能控制和模糊控制的研究工作【4 】。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 由于自动化立体仓库在当今物流和制造业中的广泛应用，计算机技术和 网络技术的推波助澜，使得立体仓库的发展十分迅速，其主要发展趋势有【5 】： ( 1 ) 仓储作业管理自动化水平逐步提高。随着生产的进一步发展，对物 流的要求更加严格。具体说来，就是在要求的时间内，在准确的地点，按准 确的顺序与方法，提供准确的品种和数量的物体。 ( 2 ) 智能技术将会获得应用。人工智能技术的发展，推动了自动化技术 向其高级阶段一一智能化方向发展，已经在仓库的设计、搬运系统的控制和 存储设备的选用等方面应用了专家系统。相关研究成果在自动化仓库的兴建 和管理中的应用，使得立体仓库进入智能化阶段。 ( 3 ) 仓库作业向柔性化发展。多品种小批量的生产将是今后的发展方向， 仓储物流系统如何适应这种生产方式，将会是今后研究的一个重要课题。随 着柔性化的普及，立体仓库的储运作业也将向柔性化发展，以适应生产的需 要，提高物科利用率、减少库存。 1 2 2 三维虚拟建模与系统仿真方法 系统仿真是指利用计算机来运行仿真模型，模仿实际系统的运行状态及 其随时间变化的过程，并通过对仿真运行过程的观察和统计，得到被仿真系 统的仿真输出参数和基本特性，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真 实性能【6 】 7 1 。 仿真通过对系统模型的实验去研究一个真实系统，此系统可以是现实世 界中已经存在豹或将要存在并已在设计中的系统。计算机仿真技术是以计算 机系统为工具，以相似原理、信息技术和控制论为基础，根据系统实验的目 的，建立实际或联想的系统模型，并在不同的条件下，对模型进行动态运动 的一门综合性技术。仿真技术的本质是对真实物理系统在某一层次上的抽 象，使得此模型既可以反映真实系统的本质特征，又易于进行试验分析。与 实际的物理系统相比用户在这些抽象模型上可以更高效、更节省、更灵括、 更安全地对物理系统进行了解和设计。仿真的基本步骤为：研究系统一 收集数据一建立系统模型一确定仿真算法一建立仿真模型 一运行仿真模型一输出结果并分析。 随着现代化信息技术的告诉发展，仿真技术也得到了飞速的发展，主要 表现在：应用领域的扩大和计算机仿真的智能化。计算机仿真技术不仅在传 表现在：应用领域的扩大和计算机仿真的智能化。计算机仿真技术不仪在传 东北大学硕士学位论文第一章绪论 统的工程技术领域( 航空、航天、化工等方面) 继续发展，而且扩大到社会 经济、生物、农业、交通、商业等许多非工程领域，此外，并行处理、人工 智能、知识库和专家系统等技术的发展也影响着计算机仿真的发展。 三维虚拟仿真( 3 d v i r t u a ls i m u l a t i o n ) 就是利用三维建模技术，构建现 实世界的三维场景并通过一定的软件环境驱动整个三维场景，响应用户的输 入，根据用户的不同动作做出相应的反应，并在三维环境中显示出来。三维 仿真的关键主要有动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和 传感器技术、应用系统开发工具、系统集成技术等【8 】。 仿真平台通常构建在基于w i n d o w s 系统的p c 机或图形工作站上。仿 真平台主要有以下3 个模块组成：特征造型数据类库、三维场景管理模块和 交互接口模块。各模块功能如下： ( 1 ) 特征造型数据类库：由各类设备的抽象类组成。设备类中封装了 各类设备的造型特征，以及设备的行为。 ( 2 ) 三维场景管理模块：负责三维场景的构造、变换及显示。 ( 3 ) 交互接口模块：处理人机交互输入。 在面向对象系统仿真建模时，对象是基本的运行实体，既包括数据( 属 性) ，又包括作用于数据的操作( 行为) ，所以一个对象把属性和行为封装成 一个整体。一个类定义了一组大体上相似的对象。一个类所包含的方法和数 据描述一组对象的共同行为和属性。对象之间进行通信的方式称为消息机 制。不同层次类之间共享数据和操作的机制叫继承。一切事物以对象为唯一 模型，对象间除了互相传送消息外，没有别的联系【8 。 1 2 3 计算机仿真在立体仓库设计中的研究 利用计算机仿真技术来辅助工厂生产物流系统的设计，是当前仿真领域 研究的热点之一，从二十世纪6 0 年代开始，国外就已着手研制仿真语言， 比较著名的仿真语言有g p s s ，g a s p ，s l a m 和s i m a n 等。近二十年来，由于 建模方法、可视化编程和虚拟现实技术的长足进展，开发出了一些功能强大、 建模直观方便的仿真软件。我国的仿真研究和应用开始于二十世纪5 0 年代， 近年来在供应链管理、企业生产作业控制、物流系统分析等方面得到了成功 应用。目前国内外已经开发出一些比较成熟的软件可供使用，几个主要的仿 真软件包如下【9 】【1 0 1 ： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) g c m s ( g e n e r a lc o m p u t e r i z e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 由p u r d u e 大 学开发的，是数据驱动的仿真软件，可以统计设备利用情况，任务完成情况， 能够用来评价详细设计方案。 ( 2 ) s i m a n c i n e m a 由美国s y s t e mm o d e l i n g 公司在x i m e n 的基础 上开发的，具有实时动画功能，可以用来对详细设计方案进行仿真。 ( 3 ) a u t o m o d a u t o g r a m 由美国a u t os i m u l a t i o n 公司研制，是面向 制造系统的仿真软件，具有友好的建模环境，允许用户以图形的方式容易的 构造模型，可通过菜单选择标准的制造或物料处理部件，如机器人、加工中 心、传送带、自动引导小车、存储系统等，软件自动将模型转化为g p s s h 模型，可以动画显示仿真的执行过程。 ( 4 ) s h o wf l o w 仿真软件可为制造业和物流业提供建模、仿真、动画和 统计分析工具。s h o wf l o w 可以提供生产系统的生产量，确定瓶颈位置，估 测提前期和报告资源利用率。s h o wf l o w 还可以被用来支持投资决定，校验 制造系统设计的合理性，通过对不同的制造策略进行仿真实验来找出最优 解。 ( 5 ) i m m s ( i n t e g r a t e dm u l t i - v i e wm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ) 是由清华大 学开发的，可用于生产物流系统的初步设计方案的评估软件。 ( 6 ) i m s s ( i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs i m u l a t i o ns y s t e m ) 以清华大学为首 开发的一体化仿真软件，可以为生产物流系统详细阶段的设计提供有力的帮 助。 1 3 论文的研究成果 本课题是以自动化立体仓库系统为背景的三维仿真软件的研究，通过综 合国内外立体仓库系统的研究现状，并借鉴国内外先进的物流仿真软件开发 经验，在前人的工作基础之上，开发出自动化立体仓库仿真系统的三维建模 和仿真平台。论文工作的主要内容包括： ( 1 ) 物流及立体仓库的基础理论及a u t o c a d 的二次开发技术研究。系 统研究了自动化立体仓库的分类、组成和各种作业方式，以及采用a u t o c a d 进行二次开发，从而实现参数化三维建模的方法。 ( 2 ) 设计了仿真系统软件的功能模块和结构。把软件划分为规划设计 模块、建模布置模块、仿真运行模块、统计分析模块四个功能模块。提出了 东北大学硕士学位论文第一章绪论 应用图元实现自动化立体仓库中的基本物理设备单元、用动画模拟立体仓库 中作业仿真的总体设计方案。并相应的设计了货架、堆垛机、输送设备、缓 冲设备等四种自动化立体仓库中的基本物理设备图元，并分析了各个基本图 元应具备的属性参数。设计了单入库、单出库、联合出入库、倒库、分拣五 种作业形式的流程。 ( 3 ) 基于托盘需送回和不需送回两种情况建立了单出入库作业中货物 调度、联合出入库作业中货物调度的数学模型，对倒库作业、分拣作业、输 送系统与存储系统结合的条件下的单独作业和联合作业也建立了相应的数 学模型。针对其中的部分优化问题，用p b i l 算法求解。 ( 4 ) 以w i n d o w sx p 为平台，使用面向对象的v b n e t 为编程工具，采 用a u t o c a d 为三维图形的建模工具，开发并实现了自动化立体仓库仿真系 统。在不同的运行方式下对立体仓库中的作业进行仿真，真实再现立体仓库 的运转过程、货物单元的执行顺序和所需作业时间。 采用仿真系统软件进行立体仓库的规划设计和仿真测试可以尽早纠正 规划设计中的不足，为合理设计、运作和管理立体仓库提供支持。 东北大学硕士学位论文 第二章自动化立体仓库系统概述 第二章自动化立体仓库系统概述 2 1 自动化立体仓库的特点、分类及构成 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 ) 是在不直 接进行人工处理情况下自动地存储和取出物料的系统。它是指这样一个系 统，使用多层货架、能在巷道内的任何货位存储和取出货物的搬运车以及计 算机控制和通信系统，有的系统可以直接与其他生产系统相联。使用自动化 立体仓库有助于实现高效率物流和大容量存储，能适应现代化生产和商品流 通的需要。 2 1 1 自动化立体仓库的特点 历史和现实已充分证明，使用自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益 和经济效益，它的效益主要来自以下几个方面： ( 1 ) 占地面积小，仓储容量大。 由于使用高层货架存储货物，存储区可以大幅度地向高空发展，同时堆 垛机的作业通道宽度减小，充分利用仓库的地面和空间，因此节省了库存占 地面积，大大提高了仓库面积的利用率和空间利用率。 ( 2 ) 提高保管质量，降低货物破损率。 采用高层货架存储，并结合计算机管理，可以容易地实现先入先出的原 则，防止货物的自然老化、变质、生锈和发霉，也便于防止货物的丢失及损 坏、对防火防盗等大有好处。 ( 3 ) 提高劳动生产率，降低劳动强度。 自动化立体仓库采用机械化、自动化作业，运行和处理速度快，提高了 劳动生产率，降低操作人员的劳动强度。改善了工作环境，保证安全操作， 促进文明生产。同时，能方便地纳入整个企业的物流系统，使企业物流更为 合理。 ( 4 ) 加快仓储设备资金的周转，有效利用货物资源。 采用计算机为工具，能够方便快捷且准确无误地对系统各种信息进行存 储和管理，因此能减少货物处理和信息处理过程中的差错，而人工管理不能 做到这一点。同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库的存储能力，便于 一。一 东北大学硕士学位论文第二章自动化立体仓库系统概述 清点和盘库，合理减少库存，加快储备资金周转，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。 ( 5 ) 实现科学管理，提高仓库管理水平。 自动化立体仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业 信息管理的自动化。同时，由于使用自动化立体仓库，促进了企业的科学管 理，减少浪费，保证均衡生产。另一方面也提高了操作人员素质和管理人员 的水平，从而提高仓库的管理水平。 但是自动化立体仓库也有其缺点：目前自动化立体仓库建设通常采用传 统的设计方式或采用国外原有的布局方式，即按照既定规划和设计进行施 工，仓库系统一经建成，难以有效的改进其物理结构，以至于不能完全发挥 出立体仓库的潜力；存储方式、运行控制及通讯方式的改变也需要对软件作 相应调整；自动化立体仓库的建成需要大量的资金投入。因此，建立自动化 立体仓库设计运行仿真软件平台，对自动化立体仓库设计方案和运行过程进 行研究，有着重要的意义。 2 1 2 自动化立体仓库的分类 自动化立体仓库是一个复杂的综合自动化系统，作为一种特定的仓库形 式，一般有以下几种分类方式】： ( 1 ) 按照建筑形式分类可以分为：整体式仓库和分离式仓库。 ( 2 ) 按照仓库高度分类可以分为：高层仓库、中层仓库和低层仓库。 ( 3 ) 按照货架的形式分类可分为：单元货格式货架仓库、贯通式货架 仓库、旋转式货架仓库和移动式货架仓库。单元货格式货架仓库是使用最广、 适用性较强的一种仓库形式。 ( 4 ) 按照仓库的作业方式分类可以分为：单元式仓库、拣选式仓库。 ( 5 ) 按照使用目的分类可以分为：配送中心式仓库、仓储中心式仓库 和物流中心式仓库。 ( 6 ) 按所起的作用分类可以分为：生产性仓库和流通性仓库。 ( 7 ) 按自动化仓库与生产连接的紧密程度分类可以分为：独立型仓库、 半紧密型仓库和紧密型仓库。其中独立型仓库也称为“离线”仓库，紧密型 仓库也称为“在线”仓库，半紧密型介于上面二者之间。 ( 8 ) 按照环境分类可分为：一般自动化立体仓库，低温、高温、防爆 一1 n 一 东北大学硕士学位论文第二章自动化立体仓库系统概述 和其它特殊环境用的自动化立体仓库。 2 i 3 自动化立体仓库的构成 一个完善的自动化立体仓库系统，是一个可对集装单元货物实现自动化 保管和计算机管理的智能仓库，是由机械、电气和控制系统相结合的产品。 它主要由货物存储系统、货物存取系统、货物传送系统和控制管理系统所组 成，还有与之配套的供电系统、空调系统、消防报警系统、称重计量系统、 信息系统等。 ( 1 ) 货物存储系统 本系统由立体货架( h i g h - l e v e lg o o d ss h e l f ) 的货格( 包括托盘和货箱) 组 成，借助于巷道堆垛机进行物资存放。高层货架机械结构一般有两种形式： 整体式一一货架与建筑物合二为一；分离式一一货架与建筑物分开，相互独 立。其高度分为高层货架( 1 2 m 以上) ，中层货架( 5 1 2 m ) ，低层货架( 5 m 以 下) 。货架按照排、列、层组合而成立体仓库储存系统，货架上货物的存放 形式多采用统一规格的集装单元。 ( 2 ) 货物存取系统 本系统承担货物存取功能，由无轨或有轨堆垛机( s t a c k e r ) 、装卸机械等 组成。堆垛机能依靠各种定位的传感器和安全装置，保证其能高速、精确、 安全地来回运行在货架巷道内，自动存取货物，并把货物放到出入、库台的 机械设备。通常一条巷道配置一台堆垛机，进出货不太频繁的仓库也可几条 巷道共用一台堆垛机。 ( 3 ) 货物传送系统 本系统是货物进出仓库的枢纽系统，一般由出入库输送机( c o n v e y o r ) 和 自动导引车( a u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e ，a g v ) 组成。输送机是能对物品进行连 续输送的机械，可以根据货物的特点采用传送带输送机、机动辊道、链传送 机等，主要将货物输送到堆垛机上、下料位置和货物出入库位置。自动导引 车是指能够自动行驶到指定地点的无轨搬运车辆。它以电池为动力，能够自 动寻址，并通过计算机系统控制完成无人驾驶及作业。 ( 4 ) 控制管理系统 本系统是高层货架仓库实现自动化作业的核心，负责整个自动化立体仓 库系统的管理、调度工作，是整个自动化立体仓库系统的控制中枢。一般采 用计算机控制和管理，视自动化、z 体仓库的不同情况，采取不同的控制方式。 东北大学硕士学位论文第二章自动化立体仓库系统概述 2 2 自动化立体仓库的布置形式和作业方式 自动化立体仓库的种类很多，其中应用最普遍的是单元货格式立体仓 库。这种仓库的特点是，货架沿仓库的宽度方向分为若干排，每两排货架为 一组，其间有一条巷道，供堆垛机行走和作业。每排货架沿仓库纵长方向分 为若干列，沿垂直方向分为若干层，从而形成大量的货格，用于储存单元货 物。货物是以集装单元的形式储存在立体库中的。在我国建成的所有立体仓 库中，单元货格式立体仓库约占到9 0 以上。本小节中立体仓库的布置形式 和作业方式主要是针对单元货格式立体仓库的，而仿真系统的分析和设计也 主要是针对单元货格式立体仓库的。 2 2 1 自动化立体仓库的总体物流模式 从自动化立体仓库的整体物流流向上看，可以分为以下几种方式【”】： ( 1 ) 贯通式 货物从巷道的一端入库，从另一端出库。这种方式总体布置比较简单， 便于管理操作和维护保养。但是，对于每一个货物单元来说，要完成它的入 库和出库全过程，堆垛机需要穿过整个巷道。 ( 2 ) 同端出入式 这是货物入库和出库在巷道的同一端的布置方式，包括同层同端出入式 和多层同端出入式两种。这种布置的最大优点是能缩短出、入库周期，提高 搬运效率。特别在仓库存货不满，而且采用自由货位存储时，优点更为明显。 此时，可以挑选距离入库、出库口较近的货位存放货物，缩短搬运路程，提 高出入库效率。此外，入库作业区和出库作业区可以合在一起，便于集中管 理。除非整个工艺流程要求入库区和出库区拉开距离，一般应优先采用同端 出入式布置。 ( 3 ) 旁流式 货物从仓库的一端( 或侧面) 入库，从侧面( 或一端) 出库。这种方式是在货 架中间分开，设立通道，同侧门相通。这样减少了货格，即减少了库存量。 但由于可以组织两条路线进行搬运，提高了搬运效率，方便了不同方向的 出、入库。 东北大学硕士学位论文第二章自动化立体仓库系统概述 2 2 2 高层货架区布局模式 在单元货格式自动化立体仓库中，其主要作业设备是堆垛机。立体仓库 中堆垛机的布置有三种方式 13 i ： ( 1 ) 直线式，每个巷道配备一台堆垛机。 ( 2 ) u 型轨道式，每台堆垛机可服务于多条巷道，通过u 型轨道实现 堆垛机的换巷道作业。 ( 3 ) 转轨车式，堆垛机通过转轨车服务于多条巷道。 通常，以每条巷道配备一条堆垛机最为常见。但当库容量很大，巷道数 多而出入库频率要求较低时，可以采用u 形轨或转轨车方式以减少堆垛机的 数量。 2 2 3 出入库区布局模式 对于采用巷道式堆垛机的自动化立体仓库，巷道式堆垛机只能在高架区 的巷道内运行，故还需要各种搬运设备与之配套连接，使入库作业区、出库 作业区( 包括检验、理货、包装、发运等作业) 与高层货架区联结起来，构 成一个完整的物流系统。究竟采用什么搬运设备，组成怎样的搬运系统，这 就是总体设计中要解决的问题。大体上说，高层货架区与作业区之间可噬有 以下4 种衔接方式 h 】。 ( i ) 叉车一一出、入库台方式 这是最简单的一种配置方式，采用这种方式时，在高层货架的端部设立 入库台和出库台。入库时，用搬运车辆( 叉车、有轨小车、无人搬运车等) 将货物单元从入库作业区运到入库台，由高架区内的堆垛机取走送入货格。 出库时，由堆垛机从货格内取出货物单元，放到出库台上，由搬运车辆取走， 送到出库作业区。 ( 2 ) 自动导引小车( a g v ) 方式 这种连接方式是由a g v 和巷内输送机组成的出入库系统，此种系统的最 大优点是系统柔性好，可根据需要增加a g v 的数量，也是一种全自动的输 送方式。 ( 3 ) 穿梭车( 有轨小车方式) 这种衔接方式是由巷内输送机、穿梭车和出入库输送机构成的出入库系 统，由于穿梭午动作敏捷、容易更换的特点，因此也被广泛的应用在自动化 一l j 东北大学硕士学位论文第二章自动化立体仓库系统概述 立体仓库中。它的柔性介于输送机和a g v 之间，是一种经济、高效的出入 库输送系统。 ( 4 ) 连续输送机方式 这种衔接方式是一些大型自动化仓库和流水线中立体仓库最常采用的方 式，整个出入库系统可根据需要设计成各种形式。其出、入库运输系统可以 分开设置，也可以合为一体，既可出库又可入库。通常还可配置一些升降台、 称重、检测和分拣装置，以满足系统的需求。 根据前面讨论的物流模式类型、高架区布局方案、出入库区输送系统标 准方案，可以组合成多种布置方案： 同端式：3 x 4 = 1 2 种 贯通式：4 x 4 = 1 6 种 旁流式：4 x 4 = 1 6 种 多层同端：3 x 4 x 4 = 4 8 种，总计9 2 种 在自动化立体仓库的实际设计中，究竟采用哪一种布置方案，应视仓库 在整个企业物流中的位置而定。 2 2 4 货物单元的存取方式和主要存放模式 立体仓库中货物单元存取有单元存取式和零散存取式两种【”】： ( 1 ) 单元存取式 适用于中型、大型货物，在存取货物单元托盘不需送回时，每次存取时 将托盘连同货物取出或者将托盘和货物一同存入货架，也就是货物始终与相 应托盘在一起。在这种情况下的出库典型操作流程为：接到出库指令一运行 至相应货位地址一取出托盘与货物一返至巷道口一放到输送机上一执行下 一条指令。托盘需送回时候情况比较复杂，取货物单元的时候，将托盘连同 货物取出后，还应把托盘放回原货位，存货物单元的时候，堆垛机先去取托 盘，把货物单元放到托盘，然后运送到相应货位。 ( 2 ) 零散存取式 适用于小型货物，许多相同或相关货物都放在一个货箱里，要取出时， 先要将货箱取出，再由人工取走所需的货物和数量，然后再将货箱送回。要 存放的时候，也要先将存放该货物的货箱取出。这种情况下的出库典型操作 流程为：接到出库指令一运行至相应货位地址一取出货箱一返至巷道口一放 到输送机上一取件一送回货箱一返p i 巷道口一执行下一条指令。 1 4 东北大学硕士学位论文第二章自动化立体仓库系统概述 可以看出，零散存取方式要比单元存取方式耗时多，在大批量、高频率 存取货物时，后者的效率就要明显高出前者。单元操作方式带来的好处不仅 体现在时间的节省上，而且体现在改善了在制品、托盘和货物运输的管理。 立体仓库中货物的存放模式可以归纳为随机存放和固定存放两种【16 】： ( 1 ) 随机存放模式