（机械制造及其自动化专业论文）自动化立体仓库的若干关键技术与仿真.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 自动化立体仓库成为企业生产自动化和管理信息化的标志之一，其设计、优 化和仿真是现代物流关键技术之一。本文系统地分析了自动化立体仓库的总体规 划和设计方法，在此基础上研究了自动化立体仓库货位分配策略及优化分析、堆 垛机出入库作业路径优化设计技术，并基于f l e x s i m 仿真优化技术对自动化立体 仓库的运行状况进行了可视化仿真研究。论文的主要研究内容和相关章节如下： 1 阐述了自动化立体仓库的定义、组成、功能和特点，回顾了自动化立体仓 库在国内外的发展历程，展望了自动化立体仓库的发展趋势，分析了国内外自动 化立体仓库及物流系统仿真的研究现状。最后给出了本论文的主要研究内容和组 织结构。 2 研究了自动化立体仓库规划设计流程。首先分析了自动化立体仓库规划设 计的原则、方法、过程及主要工作内容，接下来探讨了自动化仓库规划设计中货 架最佳高度和长度确定、货位尺寸计算模型和仓库的布局方法；最后结合一个自 动化立体仓库规划设计实例，分析了设计的流程。 3 研究了自动化立体仓库货位分配策略及优化分析。在分析自动化立体仓库 常见的货物存放模式的基础上，按照自动化立体仓库货位分配原则建立合理的货 位分配数学模型，并应用遗传算法来求解该数学模型，寻求最优的货位分配方案。 最后给出了实例验证。 4 基于时间最优研究了自动化立体仓库中堆垛机出入库作业路径优化技术。 分析了堆垛机出入库作业运行时间，在此基础上建立了堆垛机出入库作业基于时 间最优的作业路径优化数学模型，采用遗传算法，设计了相应的编码方法、初始 n i 浙江大学硕士学位论文 摘要 群体生成策略和遗传算子，对这一组合优化数学模型进行求解。最后结合具体实 例对所提方法的可行性进行验证分析。 5 探讨了物流系统仿真的建模方法、仿真步骤。研究了基于f l e x s i m 仿真平 台的物流系统仿真优化技术，在此基础上建立了自动化立体仓库的动态仿真模型， 对自动化立体仓库运行状态进行可视化研究。通过观察模型的运行情况和分析仿 真结果，验证分析设计方案的可行性。 6 回顾与总结全文的主要研究内容，归纳了本文的主要研究成果，并对今后 的研究工作做了展望。 关键词：自动化立体仓库，货架最佳参数，货位设计，布局设计，货位分配， 遗传算法，巷道堆垛机，出入库作业，路径优化，仿真，f l e x s i m i v 浙江大学硕士学位论文 a b s t n ：t a b s t r a c t 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 ) h a sb e c o m eas i g no fe n t e r p r i s e p r o d u c t i o na u t o m a t i o na n dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n t h ed e s i g n , o p t i m i z a t i o na n d s i m u l a t i o no fa s r sh a sb e c o m eak e yi nm o d e m l o g i s t i c st e c h n o l o g i e s t h i st h e s i s a n a l y z e dt h ef a c i l i t i e sp l a n n i n ga n dd e s i g no fa s r sf i r s t l y t h e n ，t h i st h e s i ss t u d i e d t h eo p t i m a lc e l l sd i s t r i b u t i o ns t r a t e g i e sa n dt h es t o r a g ea n dr e t r i e v a lp a t ho p t i m i z a t i o n o fs t o r a g ea n dr e t r i e v a lv e h i c l e ( r g v ) f i n a l l y , t h i st h e s i ss t u d i e dt h es i m u l a t i o no f a s r so nt h eb a s i so ff l e x s i ms i m u l a t i o ns o f t - w a r e 啊1 em a i nc o n t e n to ft 1 1 i st h e s i si s a sf o l l o w i n g ： i nc h a p t e r1 ，t h ec o n c e p t s ，c o m p o n e n t s ，f u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fa s r sa r e i n t r o d u c e d t h e n , t h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo fa s r si nh o m ea n da b r o a di sr e v i e w e d a n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fa s r si sp r o s p e c t e d i na d d i t i o n ，t h er e s e a r c ha r e a so f a s r sa n dl o g i s t i c ss i m u l a t i o na r ed i s c u s s e d f i n a l l y , t h em a i nc o n t e n t sa n ds t r u c t u r e o ft h i st h e s i sa r eg i v e n i nc h a p t e r2 ，t h ep r i n c i p l e s ，p r o c e s sa n dt h em a i nw o r ko fa s 瓜sd e i g na r e a n a l y z e d t h e nt h em o d e lo fg e t t i n gt h eo p t i m a ll e n g t ha n dh e i g h to fa s r sr a c k s ， d e s i g n i n gt h ec e l l sa n dd i s p l a yp l a n n i n ga r es t u d i e d f i n a l l y ，a ne x a m p l eo fh o wt o d e s i g na l la s r sf o rd e p o s i t i n gm a c h i n ei sg i v e nt od e m o n s t r a t et h em e t h o da n d p r o c e s so f a s r sd e s i g n i nc h a p t e r3 ，t h en o r m a lc a r g os t o r a g ep a t t e r n sa n dt h ec e l l sd i s t r i b u t i o n p r i n c i p l e si na s r sa r ed i s c u s s e d t h e n , t h em a t h e m a t i cm o d e lo fc e l l sd i s t r i b u t i o ni n a s ，r si sf o u n d e db a s e do nt h ec e l l sd i s t r i b u t i o np r i n c i p l e s t h i sm a t h e m a t i cm o d e li s s o l v e db ym e a n so fg e n e t i ca l g o r i t h m s ( g a ) f i n a l l y , a ne x a m p l ei ss t u d i e dt o d e m o n s t r a t et h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h ep r e s e n t e dm e t h o d o l o g y i n c h a p t e r4 ，t h es t o r a g ea n dr e t r i e v a lt i m eo fr g vi sa n a l y z e da n dt h e m a t h e m a t i c sp a t ho p t i m i z a t i o nm o d e li sf o u n d e db a s e do nt h ea n a l y s i s t h i sm o d e li s s o l v e db ym e a n so fg a a n dt h ec o d i n ga n dd e c o d em e t h o d ，p o p u l a t i o ni n i t i a l i z a t i o n v 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e t h o da n dg e n e t i c so p e r a t o r sa l ee s p e c i a l l yd e s i g n e df o rt h i sm o d e l f i n a l l y , a l l e x a m p l ei sg i v e nt od e m o n s t r a t et h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h i sm e t h o d o l o g y i nc h a p t e r5 ，t h eb a s i cc o n c e p t sa n dp r o c e s so fl o g i s t i c ss i m u l a t i o na n dt h e f l e x s i ms i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya l ei n 仃o d u c e d t h e n , b a s e do nt h ea s r sd e s i g na n d o p t i m i z a t i o nt h e o r ys t u d i e di nl a s tc h a p t e r s ，d y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l so fa s r sa l e b u i l tb ym e a n so ff l e x s i ms i m u l a t i o ns o f t w a r e t h i ss i m u l a t i o nm o d e li su s e dt os t u d y t h er u n n i n gc o n d i t i o n so fa s r s b yo b s e r v i n gt h er u n n i n gc o n d i t i o n so ft h em o d e l a n da n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h ea s r sd e s i g ni s d e m o n s t r a t e d i nc h a p t e r6 ，t h er e v i e wa n dc o n c l u s i o n so ft h i st h e s i sa l es u m m a r i z e da n dt h e f u t u r er e s e a r c hw o r ki ss k e t c h e do u t k e y w o r d s ：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 ) ，o p t i m a l p a r a m e t e r so fr a c k s ，c e l l sd e s i g n , l a y o u td e s i g n , c e l l sd i s t r i b u t i o n ，g e n e t i c a l g o r i t h m s ( g a ) ，r e t r i e v a lv e h i c l e ( r g v ) ，s t o r a g ea n d r e t r i e v a lt a s k , p a t h o p t i m i z a t i o n ，s i m u l a t i o n ，f l e x s i m v i 学号2 0 6 0 8 0 7 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。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。 学位论文作者签名：呈良啶影己签字日期： 一2 。驴年乡月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝至三盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 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。本人授权滥鎏盘堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：舣z 己 签字日期：) 。8 年月乜日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 新阴 络加 裼萨 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 本文是在我的导师杨将新教授的悉心指导和严格要求下完成的。从资料的准 备、论文的研究、撰写到论文的审阅与修改，杨老师都在百忙之中倾注了大量的 心血。值此论文完成之际，谨向杨老师致以衷心的感谢和诚挚的敬意。 感谢曹衍龙副教授。在我研究期间，曹老师在学习上给予了我无私的指导， 对论文提出了很多建设性的指导意见。正是曹老师对我的论文一遍遍不厌其烦的 修改，我的论文才能最终圆满完成。 感谢同我一起求学的茅健博士、徐旭松博士、郑华文博士、何元峰博士、黄 芳硕士、邹旺硕士、乔元绍硕士、马彬荣硕士、朱惊浪硕士、刘少玉硕士、曹乃 亮硕士、万星新硕士、张娇娜硕士、陈晓和硕士等同学在学习、论文和生活上的 帮助。在大家的陪伴下我度过了美好的研究生生活。 感谢我的父母。在我多年的求学生涯中，你们给予了我一如既往的支持和关 爱，并提供了最可靠的保障，使我能够最终顺利完成学业。 感谢我的男朋友马小超，舍友王俊霞、张晓风、王慧，感谢你们在生活上的 关心和精神上的鼓励，使我能够在求学的道路上时刻都能感受到你们默默支持的 力量。 最后，谨向在百忙中抽出宝贵时间评审我的论文的各位专家、教授和学者致 以真挚的感谢! 谢谢你们! 张欢欢 2 0 0 8 年5 月于浙江大学 浙江大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 i 内容提要l 阐述了自动化立体仓库的定义、组成、功能和特点，回顾了自动化立体仓 库在国内外的发展历程，展望了自动化立体仓库的发展趋势，分析了国内外自动化立体仓库 及物流系统仿真技术的研究现状。最后给出了本论文的主要研究内容和组织结构。 1 1 引言 在生产制造业发展的初期，人们并没有足够重视物流。结果是，生产制造过 程越自动化、越柔性化、生产规模越大，物流落后的矛盾就越突出。生产制造系 统的高效率与物流系统的低效率越来越不适应。统计和分析表明，从原材料进厂 到成品出厂，仅仅5 1 0 的时间用于加工和制造，此时物料真正处于加工等纯 工艺过程中，剩余9 0 9 5 的时间都用于储存、装卸、等待加工和输送1 1 。在西 方发达国家，直接劳动成本在工厂生产总成本中所占的比例不足1 0 ，并且这个 比例还在一直下降。而储存、运输所支付的费用却占生产成本的4 0 皖2 上 2 1 。在 我国，随着技术和经济的快速发展，直接劳动成本和储存、运输所支付的费用在 生产总成本中所占的比例也具有这种发展趋势。因此，人们深切地感到，生产过 程中的利润空间越来越小，要想从生产过程中获得明显的效益已经是相当困难了。 人们同时也发现，物料储存和运输等物流过程中存在着极大的潜力，是利润的。第 三源泉”，在降低生产成本和销售成本的同时降低储存、运输等物流成本，可以获 得更大的效益。 对于企业，随着面临的竞争日益激烈，如何降低物流成本，已经成为企业的 一个重要课题。物流成本中很大一部分是物料的储存，降低物料储存成本，提高 物流储存的效率也因此受到企业和投资者的重视。自动化立体仓库就是在这种情 况下应运而生。随着现代制造技术的不断发展和进步，自动化立体仓库的作用也 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 越来越大，它是计算机集成制造系统和现代物流技术的重要组成部分，如何合理 规划和设计自动化立体仓库，如何实现仓库的高效运行，已经成为2 1 世纪工业工 程的重要研究课题1 2 , - 1 1 。 1 2 自动化立体仓库简介 1 2 1 自动化立体仓库的定义 自动化立体仓库又称为高架仓库、自动仓储a s r s ( a u t o m a t e ds t o r a g ea n d r e t r i e v a l s y s t e m ) 或自动存储自动检索系统。它是一种高层立体货架( 托盘系统) 储存物资，用电子计算机控制管理，并使用自动控制的巷道堆垛机进行存取作业 的系统闱。它集高架仓库及规划、管理、机械、电气于一体，以先进的计算机控 制技术为主要手段，具有高效率的物流、大容量和科学的储存闭。自动化立体仓 库技术是一种新型的仓储技术，是物料搬运和仓储科学中的一门综合科学技术工 程。 1 2 2 自动化立体仓库的组成与功能 自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。其组成 如图1 1 所示嘲。 ( 1 ) 货架。一般为钢铁结构构成储存商品的单元格，一般单元格内存放托盘 货物。货架一般有固定货架和旋转货架两种，如图1 1 中1 、3 所示。其中旋转货 架还配有升降台7 。 ( 2 ) 巷道堆垛机。在自动存取系统林立的两排高层货架之间一般留有1 1 5 m 宽的巷道，安装着堆垛机运行轨道2 。巷道堆垛机5 在巷道内作来回运动，巷道 堆垛机上的升降平台可上下运动，升降平台上的存取货物装置可对巷道堆垛机和 升降机确定的某一个货位进行存取作业。 新尢学硕学位论文 绪论 ( 3 ) 出库台和入库台。货物在入库前先在入库站台4 等待巷道堆垛机的取货 入库；货物在出库时先被巷道堆垛机从货架上取出，通过输送系统运送到出库站 台6 上等待运出。因此出、入库站台是临时储存物料，以便交接或转载的装置。 曹删 口 n 口 二亟蔓匹 1 固定货槊2 巷道内轨道，旋转货槊4 入库站台5 善道堆垛机6 出库站台7 升降台 图11 自动化立体仓库的基本构成 ( 4 ) 输送系统。由输送带组成，主要用于输送物料。 ( 5 ) 货物自动分拣系统。完成货物入库前的分类、集中。 自动化立体仓库的功能一般包括收货，存货、取货、发货以及仓库信息查询 筹“： ( 1 ) 收货是指仓库从原材料供应方或生产车闻接受各种材料或半成品，供工 厂生产加工装配之用。 ( 2 ) 存货是指将卸下的货物存放到自动化系统规定的位置，一般是存放到高 层货架上。 ( 3 ) 取货是指根据需求情况从货架上取出所需的货物。 浙江大学硕士学位论文1 绪论 ( 4 ) 发货是将取出的货物按照严格的要求发往客户。 ( 5 ) 信息查询是指能随时查询仓库的有关信息，包括库存信息、作业信息以 及其他相关信息。 1 2 3 自动化立体仓库的特点 自动仓储系统出现以后，获得了迅速的发展，这主要是因为这种仓库具有一 系列突出的特点，在整个企业的物流系统中具有重要的作用m q 。 ( 1 ) 自动化立体仓库能提高单位面积内存储货物的容量，提高空间利用率， 减小占地面积。目前其高度已经达到4 0 多米，它的单位面积储存量比普通的仓库 储存量大得多，而占地面积约为相同货位的普通仓库的1 1 0 左右。 ( 2 ) 自动存取物资，提高仓库出入库频率。自动化立体仓库采用机械化、自 动化作业，出入库频率高并能方便地纳入整个物流系统，成为它的一环，使企业 物流更加合理。 ( 3 ) 计算机控制，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。由于采用了货架储存， 并借助于计算机管理，可以很容易地实现先入先出，防止货物的自然老化、变质、 生锈。 ( 4 ) 降低人力资源成本，特别是降低特殊仓储环境中的人力资源成本。采用 自动化技术以后，能较好地适应黑暗、有毒、低温等特殊场合的需要。同时也减 少作业人员，降低人员劳动强度，人员作业环境更优，差错率低，工作质量提高， 作业安全也得到有效的保障。 总之，由于自动化立体仓库这一新技术的出现，使有关仓储的传统观念发生 了根本的改变。原先的人工搬运和码放、人工管理、货位固定的以储存为主的仓 4 浙江大学硕士学位论文1 绪论 储作业已经变成了机械化和自动化的新型仓储作业。这种新型的仓储作业具有传 统仓储作业无可比拟的优势，在竞争激烈的现代制造过程中不断的发展、普及， 成为企业物流中关键的一环。 1 3 自动化立体仓库的发展过程及发展趋势 1 3 1 自动化立体仓库的发展过程 自从有了生产活动，仓储就出现了，它是生产活动中的一个重要组成部分， 并随着生产的发展而发展。仓储在经历了人工仓储阶段和机械化仓储阶段之后， 进入自动化仓储阶段。随着计算机技术的应用，仓储向集成化仓储阶段和智能化 仓储阶段发展1 4 1 。自动化立体仓库的雏形就出现在自动化仓储阶段。它的发展和 仓储发展息息相关，仓储技术的进步带动自动化立体仓库技术的发展，自动化立 体仓库技术的发展也是仓储发展阶段的明显标志之一。自动化立体仓库技术的发 展过程如图1 2 所示。 人 机自集智 2 1 工 械动 出现自动化 成能 世 仓 化化 立体仓库 化化 纪 储 仓仓仓仓 继 阶 储储储储 续 阶阶阶阶 发 段 展 段段段段 图1 2 自动化立体仓库技术发展示意图 自动化立体仓库的第一个发展阶段始于上世纪5 0 年代末。上世纪5 0 年代到 6 0 年代，人们相继研制和采用了自动导引小车( a g v ) 、自动货架、自动存取机 器人、自动识别和自动分拣等系统。在这股研究热潮中，美国于1 9 5 9 年开发了世 界上第一个自动化立体仓库，后来德国和日本也相继开发了自动化立体仓库。随 着计算机技术的发展，1 9 6 3 年，美国率先使用计算机进行自动化立体仓库的控制 管理，借助仓储计算机进行物资的控制和管理，及时地记录订货和到货时间，显 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 示库存量，计划人员据此做出供货决策，管理人员实时掌握货源及需求。到了7 0 年代，旋转体式货架、移动式货架、巷道堆垛机和其他搬运设备也相继在自动化 仓储中运用。但是在自动化仓储阶段，各个设备仍是局部自动化并各自独立应用， 称为。自动化孤岛”i 】。 自动化立体仓库的第二个发展阶段始于上世纪7 0 年代末。此时自动化技术越 来越多地应用到生产和分配领域，自动化孤岛需要集成化，因此形成了“集成系 统”的概念。集成化仓库技术作为计算机集成制造系统中物资存储的中心受到人 们的重视。进入2 0 世纪8 0 年代，自动化立体仓库在世界各国发展迅速，使用范 围涉及各行各业。 在经历了上述两个主要的发展阶段后，自动化立体仓库进入第三个发展阶段。 在集成化仓储的基础上继续研究，实现与其他信息决策的集成，朝着智能化和模 糊控制的方向发展，进入人工智能仓储的初级发展阶段。目前人们在人工智能及 物料储运领域中的专家系统技术方面正进行着大量的工作。 2 1 世纪仓储技术的智能化将具有更加广阔的应用前景。目前世界上拥有自动 化立体仓库数量最多的是日本，其次是美国。我国对自动化立体仓库的研究起步 较晚。上世纪7 0 年代初期，我国开始研究采用巷道堆垛机的立体仓库。1 9 8 0 年， 由北京机械工业自动化研究所等单位研制建设的我国第一座自动化立体仓库在北 京第一汽车制造厂投产。从此以后，自动化立体仓库在我国得到了迅速的发展。 据不完全统计，我国已建成的立体仓库有3 0 0 座左右，其中全自动的立体仓库有 5 0 多座，主要集中在烟草、食品、机械制造业等传统优势行业。虽然在此基础上 向智能化方向发展，但是目前我国还处于自动化仓储的推广和应用阶段。我国自 动化立体仓库的研究总体起步较晚，在信息处理，自动化程度等各个方面与西方 浙江大学硕士学位论文1 绪论 发达国家有很大的差距，但是可以确信，在我国科研人员的不断努力下，我国的 自动化立体仓库的技术也是不断完善和发展，自动化立体仓库的技术水平在不久 的将来一定会有质的飞跃，跟得上经济发展的步伐。 1 3 2 自动化立体仓库的发展趋势 自动化立体仓库的发展趋势包括以下几点2 , 4 j ： ( 1 ) 自动化程度不断提高。近年来，采用可编程控制器( p l c ) 与微机控制 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立体仓库在全部 高架仓库中的比重不断增加。在生产企业，自动化仓库作为全厂计算机集成制造 系统的一部分，与全厂计算机系统联网的应用也日渐增多，成为今后的趋势。 ( 2 ) 与工艺流程结合更加紧密。a s r t s 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，成为配送中心的一 个组成部分。 ( 3 ) 储存货物品种多样化。大到储存长6 m 以上、重4 l o t 的钢板、钢管等 大长件，小到储存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 均已出现。 ( 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。巷道堆垛机的起升速度已达9 0 m m i n ，运行速度2 4 0 m m i n ，货 叉伸缩速度达3 0 m m i n 。在有的高度较大的高架仓库中采用上下两层分别用巷道 堆垛机进行搬运作业的方法提高入库能力。 ( 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，货架涂刷耐火 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 涂层；开发新的更可靠的检测与认址器件；采用低噪声车轮和传动元件等。 ( 6 ) 开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 研究开发，但尚未真正达到能可靠地实用阶段。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，包括优化拣选作业路线、自动认址、提示拣 选品种和数量等，而当前拣选动作大多仍由人工完成。 1 4 国内外自动化立体仓库设计研究状况 1 4 1 国内外自动化立体仓库设计主要研究内容 自动化立体仓库技术涉及到规划、管理、机械、电气、计算机控制于一体， 研究内容非常广泛。在自动化立体仓库的设计过程中，也常常涉及到对自动化立 体仓库内设备的管理、调度等优化技术。就自动化立体仓库的设计和优化来说， 国内外主要在以下几个方面进行了研究： 一是对自动化立体仓库本身的静态设计进行研究。对于自动化立体仓库来说， 其静态设计是进行其他设计活动的基础。在静态设计中，要确定货位尺寸和仓库 总体尺寸，恰当地确定货位尺寸是一项极其重要的内容，它直接关系到仓库面积 和空间利用率，也关系到仓库能否顺利地存取货物。国内外就货位数量的规划、 货架的优化设计、货位尺寸设计方法等一系列问题进行了研究。静态设计还需要 确定仓库的整体布置。布置设计通过对仓库内物流、信息流进行分析，对建筑物、 机器设备、辅助设备、运输通道和场地进行合理有效的配置，达到系统内部布置 最优化。在布置设计过程中，先要进行总体方案设计，再进行详细布置，然后把 详细布置设计反馈到总体布置方案中。 二是对在自动化立体仓库内运行的主要设备，如巷道堆垛机、输送系统及周 边运输小车等设备的设计进行研究。巷道堆垛机是自动化立体仓库的主要作业机 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 械，是自动化立体仓库中关键设备之一。对于巷道堆垛机的设计研究国内外一般 是从机械结构、拖动技术、寻址定位方式等方面进行研究。输送系统作为立体仓 库储存区与外界交接的关键设备，其设计好坏直接影响整个立体仓库系统的物流 通畅性。每个立体仓库的输送系统各异，目前的研究主要集中在对输送系统子系 统的设计、方案选择和控制系统设计上。 三是对与自动化立体仓库效率紧密相关的优化策略的研究。主要包括仓储货 位优化的研究、堆垛机进行出入库作业的优化调度研究、堆垛机拣选作业的路径 优化设计、输送系统优化调度等。仓储货位优化问题是仓储管理中的一个重要部 分。自动化立体仓库要达到存取效率高、省时、省力，则要求货物定位方面要合 理化，从而提高立体仓库的效率和空间利用率。随着国内外研制生产的巷道堆垛 机越来越成熟，巷道堆垛机在自动化立体仓库内进行拣选作业和出入库作业的路 径优化问题的研究也不断深入。巷道堆垛机的运行效率对自动化立体仓库的效率 影响较大，通过对巷道堆垛机的路径优化、出入库作业调度、堆垛机运行时间和 定位方法等问题的研究，提高了巷道堆垛机的作业效率，进而也提高了自动化立 体仓库的效率。输送系统负责把各出库站台上的托盘货物输送到分拣系统和把空 托盘输送到相应的入库站台。由于分拣系统的分拣速度和堆垛机的取货速度较快， 当固定货架和旋转货架全部开动时，输送系统就容易成为整个仓库的“瓶颈”。此 时多个托盘货物的出、入库过程同时进行，输送系统的路径对整个仓库的运行效 率影响极大，若调度不合理，甚至会出现“死锁”状态，对输送系统的调度问题 进行研究也具有重大意义。 9 浙江大学硕- k q ：位论文 1 绪论 1 4 2 国内外自动化立体仓库设计的研究现状 静态设计研究现状 自动化立体仓库的静态设计研究主要包括货架设计、仓库的规划、布置设计 等。国内外主要使用解析和仿真两种主要方法进行研究。前苏联的著名工程师斯 麦霍夫提出了仓库最佳货架高度和长度的确定方法，并以货架高度和长度作为连 续变量建立了货架和货位建设费用函数。关宏、苑韬馏，刘昌棋嗍，周奇才【1 习等以 斯麦霍夫模型为基础，做出了相应的改进，对货架最佳高度、长度做了相关研究， 但总体上仍未摆脱斯麦霍夫模型。h e r b e r t l l 卅从工程角度出发，考察纽约港口的仓 库货架，提出以最小改造费用为目标函数的货架设计模型，用于确定货架最佳高 度和长度参数。r o b e r t s 和r e e d ”5 1 提出了以立体仓库建设和运行费用为目标函数的 优化模型，用于确定立体仓库货架的参数。k a r a s a w a 和n a k a y a m a 提出了非线性 混合整数规划模型，用于自动化立体仓库货架的设计，减少立体仓库的整体建设 费用。a s h a y a r i 在目前升降机速度的基础上，建立了确定仓库最佳长度、宽度以 及需要的升降机数目。y o u n g h a el e e ，m o o nh w a nl e e 和s u nh u r t l q 提出了一种自 动化立体仓库具有标准货位货架的最优设计方法。这种设计方法使得货架的货位 长、宽、高可以根据货物的体积进行相应的改变，提高货架的空间使用效率。 在仿真设计方法的研究上，国内外的研究主要集中在对于用解析法设计出来 的自动化立体仓库的货架和设备等的运行进行仿真实验，验证设计方法的正确性， 这在前面提到的一些文章中都有体现。另外，b a f n a 和r e e d ( 1 嘲对具有高层货架的 自动化立体仓库的设计使用了仿真程序来评估设计的优劣。r o s e n b l a t t 和r o l l 对于自动化立体仓库的仿真模型使用一种搜索程序，寻求减少自动化立体仓库建 设和运行的最低费用。p e r r y 等2 0 开发出了优化搜寻程序，用于仿真自动化立体仓 1 0 浙江大学硕士学位论文1 绪论 库模型。r o s e n b l a t t 等【2 1 1 还提出了一种递归启发式优化仿真模型，用于获得自动化 立体仓库的最优设计参数。 自动化立体仓库优化策略研究现状 在自动化立体仓库中，立体式货架、巷道堆垛机和输送系统是重要的组成部 分。为了提高仓库的运行效率和空间利用率，仓储货位优化研究有重要意义。严 云中，孙小明等阎详细地分析了立体仓库货位号与堆垛机运行效率之间的关系， 提出了货位优化的思想，并根据具体参数通过编程给出了几种优化分布的货位号。 刘金平韧提出了基于储存特征码的货位分配方法。银光球，何福英等2 4 ) 根据存取 物资时能量消耗最小的原则，提出了库位优化数学模型，有效地解决现有存储模 式存在的若干问题，降低仓库的运行成本，提高立体仓库物资的出入库节奏。h s i e l 和t s a i l 2 5 1 提出了面向b o m 基于分类的库位分配方法，将货物分类存放在货架的 相应区域中。t h o n e m a n n 和b r a n d e a u t 2 q 提出了在随机环境中应用周转率和分类进 行库位分配的方法。r o s e n b l a t t 和e y n a n 阳针对分类存储的库位分配问题，研究了 货物分成几类存储才最优的问题，发现堆垛机完成一批作业的运行时间有随着货 物分类增加而增加的趋势，并提出将仓库内货物分类不超过十类可以保证自动化 立体仓库存储效率最高。m u r a l i d h r a n 和n 1 1 等闭采用启发式方法，研究了自动化 立体仓库采用随机存储和分类存储相结合的存储策略。m o o n 和k i m l 2 9 j 在分类存储 和随机存储相结合的存储策略基础上，研究了货物的二次分类和三次分类方法， 解决立体仓库存储的货物数量波动较大时货物的存储策略问题。 物资出入库的效率取决于堆垛机的工作效率。如何使巷道堆垛机发挥最大的 优势性能是广泛关注的问题之一。目前很多研究都集中在路径设计优化的算法研 究上，如遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法以及在此基础上的其他各种混合优 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 化算法和改进优化算法等。田国会等阻3 习针对自动化立体仓库固定货架系统中堆 垛机拣选作业路径优化问题和旋转货架系统中堆垛机拣选作业路径优化问题进行 了一系列的研究。常发亮、刘增晓蚓等通过分析自动化立体仓库拣选作业的工作 特点，为自动化立体仓库拣选作业创建了含集装箱约束条件的多目标优化新型数 学模型，用遗传算法对该数学模型进行了求解。冯艳君等针对自动化立体仓库 单拣选台分层水平旋转货架系统给出了数学模型，提出了一种改进的蚁群算法， 用于解决货物拣选路径规划问题。王钊，林家恒姗卿对使用遗传算法及其改进算 法对旋转货架拣选路径优化问题进行了较多的研究。y ah o n gh u ，s h e uy i n gh u a n g 等 4 0 l 对自动化立体仓库内拣选作业的运行时间问题进行了比较全面的研究。 g l e v i t i n a ，r a b e z g a o u z b 对自动化立体仓库内多任务货物拣选路径提出了l i f o 优化方法。 在堆垛机的出入库作业优化调度方面，魏飞，周燕飞h 习针对堆垛机的复合出 入库作业问题，使用动态规划法建立堆垛机最优路径的逆序递归数学模型，求解 复合作业的最佳配对组合，使堆垛机复合作业的路径优化方法更加简单。吕广明， 陆念力等一司运用动态规划的方法建立堆垛机出入库作业的优化数学模型，对堆垛 机同时完成多个货物出、入库任务的最优路径进行求解。王钊，林家恒等设计 了改进的模拟退火算法用于研究自动化仓库中分层水平旋转货架存取货物路径的 优化问题，可以在较短时间内计算出十分接近全局最优解的次优解。龚国清m 采 用分支界定法对旋转货架的存取路径进行优化，解决了旋转货架在面对多品种、 多储位存取时的存取路径优化问题，有利于提高存取效率。在输送系统优化调度 方面，田国会h 5 1 在离散事件动态系统理论层次上对输送系统调度问题进行研究， 建立了o o c p n 模型，通过计算机仿真说明了该方法的先进性。常发亮应用p e t r i 浙江大学硕士学位论文1 绪论 网与面向对象着色p e t r i 网方法建立了输送系统调度问题的离散时间动态系统模 型，并给出了避免“死锁”的调度策略。 1 5 物流系统仿真及其研究现状 1 5 1 物流系统仿真概述 仿真是利用计算机来运行物流系统的仿真模型，模拟系统的运行状态及其随 时间变化的过程，并通过对仿真模型运行过程的观察和统计，得到被仿真系统的 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m 。2 0 世纪4 0 年代以来，伴随着计算机技术的发展，仿真技术在航空、航天、原子反应 堆等领域以及电力、石油化工、冶金、机械等重要工业部门发挥着重要的作用。 在计算机未普及以前，进行物流系统仿真，普遍采用数学方法建立数学模型。 当研究的物流系统不是十分复杂，或经过简化降低了系统的复杂程度时，可以利 用数学方法，如线性代数、微积分、运筹学、计算数学等方法去求解问题。但在 实际研究中，随着物流理论和实践的不断深入，所提出的问题日益复杂，非确定 因素、不可知因素、模糊因素众多，因果关系复杂，单独应用数学方法就难以进 行描述或无法求解，计算机仿真的方法成为现代物流系统研究中应用的最普遍的 方法之一1 4 訇。 1 5 2 物流系统仿真国内外研究现状 随着建模仿真技术本身的发展与物流管理、自动化水平的提高，物流系统仿 真技术水平也不断提高，推广应用。目前，国内外对物流系统仿真的研究主要集 中在供应链库存控制系统、交通运输系统、生产物流系统、仓储物流系统、港口 装卸系统等。对于仓储物流系统仿真的研究，主要集中在如何对项目的可行性 进行论证，寻求最佳设计方案以及对预期建成的项目如何进行总体性能评价，发 浙江大学硕士学位论文1 绪论 现其中可能存在的问题等等。 1 9 7 2 年，b a f n a 和r e e d | 1 田对具有高层货架的自动化立体仓库的设计使用了仿 真程序来评估设计的优劣。1 9 8 4 年，r o s e n b l a t t 和r o l l l l 9 1 对于自动化立体仓库的仿 真模型使用一种搜索程序，寻求减少自动化立体仓库建设和运行的最低费用。1 9 8 3 年，p e r r y 等2 q 开发出了优化搜寻程序，用于仿真自动化立体仓库模型。1 9 9 3 年， r o s e n b l a t t 等脚1 还提出了一种递归启发式优化仿真模型，用于获得自动化立体仓库 的最优设计参数。1 9 9 9 年，w i l l i a mb ，n o r d g r e n 跚1 对使用f l e x s i m 物流仿真软件进 行自动化立体仓库建模的流程进行了分析。a y a nf r i t z ，s t e p h e nh o r v a t h 阁等对自 动化立体仓库的系统建模与仿真技术进行了较为全面的研究，对f l e x s i m 在自动 化立体仓库建模流程和优化分析方法着重的进行了论述。2 0 0 5 年，y o n gh a e l e e 等使用计算机仿真的方法，验证了所提出的a s r s 货架优化设计方法。我国的物 流仿真研究起步较晚，研究成果相对有限。对于自动化立体仓库设计的仿真研究 主要集中在对解析设计方法的仿真验证上。1 9 9 8 年，常发亮、刘长有等建立了 分析自动化立体仓库输送调度系统的仿真p e t r i 网模型。2 0 0 1 年，田国会、刘长有 等 4 5 1 分别采用p e t r i 网、时态逻辑、模拟退火、遗传算法和神经网络等方法并结合 计算机仿真技术对自动化立体仓库的实际运行情况进行了研究。另外，在使用物 流仿真软件进行自动化立体仓库建模仿真优化研究上，2 0 0 5 年，郑晨升、神显豪 i s 3 1 使用f l e x s i m 软件及其二次开发实现了参数化的自动化立体仓库系统建模和人 机交互控制的仿真过程。2 0 0 6 年，张汉江，肖伟等刚使用f l e x s i m 物流仿真软件 建立了辅助自动化立体仓库设计的可视化仿真模型，并使用该仿真辅助设计，模 型对公司自动化立体仓库的设计进行了验证和进一步的优化调整。刘立军，阮建 敏等嘲利用系统建模和仿真技术对自动化立体仓库的系统运作进行分析，通过 浙江大学硕士学位论文1 绪论 f l e x s i m 仿真评价系统，提供系统可行性分析，为系统建模提供决策依据。梁瑞凤， 程国全和王转 5 6 1 在f l e x s i m 仿真平台的基础上，主要对自动化立体仓库内设备运行 进行了仿真优化，为生产实践中如何规划、优化卷烟厂配送a g v 探索一条可行 之道。 1 6 课题背景与论文的主要研究内容 1 6 1 课题背景 自动化立体仓库技术作为提高仓储效率进而提高企业竞争力和潜在市场的关 键因素之一，已经受到企业、各类学校和科研机构的广泛关注。企业加强仓储物 流的投入，建设自动化立体仓库，提高仓储效率；各类学校和科研机构也加大了 仓储物流理论的研究和人才培养。本文应用系统布置设计理论、遗传算法等对自 动化立体仓库的规划设计、货位分配策略、巷道堆垛机出入库作业路径设计与优 化进行研究，并使用f l e x s i m 物流仿真软件对自动化立体仓库的设计进行可视化 仿