自动化立体仓库物流系统规划与仿真分析---优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

分类号 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - 一 u d c 密级 学校代码! q 4 9 7 劣多凄理歹大薯 学位论文 题目 自边垡皇堡佥庄堑速壅绫塑型鱼垡真金盘 英文题n t h ep l a n n i n ga n ds i m u l a t i o na n a l y s i s o f a u t o m a t e d 一一 受鱼! ! 出q 旦墨曼l q g i 曼! i 曼曼s ) 堡! 堂 研究生姓名邋查题 指导教师 副指导教师 姓名周堡职称 塾撞学位谴 单位名称 堑速墨猩鲎堕邮编 垒3 q q 鱼兰 姓名廛堑厶职称 高熟三堡竖 单位名称宝达鲞照佥盔丛金亟邮编 申请学位级别塑 论文提交日期2 q ! ! ! 垒 20 11 年5 月 撒葭 烂监 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它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了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可 以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经 武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本 学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：翻赤轨导师( 签名) ： f 司，；弓 日期2 0 1 1 r 2 9 摘要 自动化立体仓库( a s r s ) 作为物流系统的一个核心和枢纽，具有很高的空间 利用率和很强的出入库能力，可构建更有效率的物流系统，是许多货运枢纽、 配送中心不可缺少的重要组成部分。本文提出了在立体仓库的规划设计阶段利 用计算机仿真技术，针对规划设计中需要解决的关键问题，对立体仓库物流系 统模型进行仿真试验，这对于增强系统的认知度、优化系统资源配置以及定量 分析系统运行效率有很大的工程应用参考价值。 首先，阐述了自动化立体仓库的构成和作业流程，然后分析了影响自动化 立体仓库物流系统的各类因素，确定了平面布局规划与装卸工艺是规划设计中 最为关键的内容，并对各类因素之间的相互关联特点进行了详细的阐述。 其次，对立体仓库的规划原则和设计步骤进行了说明，并针对目前在自动 化立体仓库规划设计中普遍存在的几个关键问题，提出以系统建模仿真的方法 对立体仓库进行数值仿真，从而使规划设计更为完善。 再次，结合自动化立体仓库物流系统的特点，运用离散动态事件系统理论 和面向对象建模理论，对自动化立体仓库物流系统进行动态建模，完成立体仓 库物流系统从现实世界到概念模型的映射。 最后，利用w i t n e s s 仿真软件建立了一个自动化立体仓库系统仿真模型。 结合一定的工艺设计和平面布置方案，着重分析了在同一工况下，三种货架尺 寸对立体仓库物流系统的能力的影响。通过数据统计和分析，从中选出最优方 案。 本文利用系统建模与仿真技术，对自动化立体仓库的规划设计进行研究， 不仅能够显著缩短立体仓库物流系统的规划设计周期，还可以为方案的优化提 供参考和依据，提高了设计的质量。 关键词：自动化立体仓库，规划设计，仿真 a b s t r a c t a sac o i oa n dh i n g eo fl o g i s t i c ss y s t e m , a u t o m a t i cw a r e h o u s e ( a s r s ) ，w h i c h h a sah i g hi n t e r s p a c eu s a g ea n dg r e a ts t o r a g ec a p a b i l i t y , c a nm a k eu pam u c hm o l e e f f e c t i v el o g i s t i c ss y s t e m ，a n di st h ei n d i s p e n s a b l ea n di m p o r t a n tp a r to fm a n y f r e i g h th i n g ea n dd i s t r i b u t i o nc e n t e r t h i sa r t i c l eu s e dc o m p u t e re m u l a t i o nt e e h n i q u o t os o l v et h ek e yp r o b l e m si nw a r e h o u s ec o n c e p tp h a s e ，w h i c hc a l le n h a n c e dt h e s y s t e mp e r c e i v e , o p t i m i z e ds y s t e mr c s o u l c e sc o n f i g u r a t i o na n dp r o v i d e dg r e a t c o n s u l t a t i o nt oa n a l y z es y s t e mo p e r a t i o ne f f i c i e n c y a tf i r s t , t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h es t r u c t u r e sa n d o p e r a t i o np r o c e d u r eo f a u t o m a t i cw a l e h o u s e ，a n da n a l y z e dt h ed i f f e r e n tk i n d so ff a c t o r st h a th a v ei n f l u e n c e s t oa u t o m a t i ew i l t e h o u s e t h e np l a t el a y o u ta n dh a n d i n gt e c h n o l o g yw e r ea s s u r e di l l s t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m si nw a r e h o u s ec o n c e p tp h a s e , a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e s ef a c t o r sw a se x p a t i a t e di nd e t a i l s s e c o n d l y , t h ep l a n n i n gp r i n c i p l ea n dd e s i g ns t e p st ow a r e h o u s ew e l ei l l u s t r a t e d c o n c e r n e dw i t ht h ek e yi s s u e si nw a r e h o u s ec o n c e p tp h a s e , t h i sp a p e rd e c i d e dt o a p p l yt h em e t h o do fs y s t e ms i m u l a t i o na n dm o d e l i n gt oe m u l a t ew a r e h o u s et o c o n s u m m a t et h ed e s i g np l a n t h e n , a c c o r d i n gt o t h ef e a t u r eo fa u t o m a t i cw a r e h o u s e , t h ep a p e ru s e d d i s p e r s i b l ed y n a m i ci n c i d e n ts y s t e mt h e o r ya n do b j e c t i v em o d e l i n gt h e o r yt om a k ea d y n a m i cs i m u l a t i o na n dc o m p l e t e dt h em a p p i n gf r o mr e a l i t yt oc o n c e p t a tl a s t , t h ep a p e rb u i l tas i m u l a t i o nm o d e lo fa u t o m a t i cw a r e h o u s es y s t e mb y u s i n gt h es i m u l a t i o ns o t t w a r eo fw i t n e s s t h e nt h ep a p e ra n a l y z e dt h ei n f l u e n c e so f t h r e e s h e l fs i z et oa u t o m a t i cw a r e h o u s ec o m b i n e dw i ms o m ed e f i n i t eh a n d i n g t e c h n o l o g ya n dp l a t el a y o u tp l a n s ，i nt h es a m ew o r k i n gc o n d i t i o n i na d d i t i o n , t h e b e s tp l a nw i l ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ed a t as t a t i s t i c sa n da n a l y s i s a p p l i e dw i t l ls y s t e mm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nt e c h n i q u e s ，t h i sa r t i c l ed i da r e s e a r c ht ot h ed e s i g no fa u t o m a t i cw a r e h o u s e , w h i c hn o to n l y a b r i d g e dt h e d e s i g n i n gt i m e , b u ta l s op r o v i d e dc o n s u l t a t i o n t oo p t i m i z ed e s i g n p l a n , a n d i m p r o v e dt h ed e s i g n i n gq u a l i t y k e yw o r d s ：a u t o m a t i cw a r e h o u s e ，p l a n n i n ga n dd e s i g n , s i m u l a t i o n l i 目录 第1 章绪论l 1 1 课题背景与意义。l 1 2 自动化立体仓库的发展现状l 1 3 系统建模与仿真技术的研究发展现状5 1 4 论文研究的主要内容6 第2 章自动化立体仓库物流系统的作业流程与不确定因素8 2 1 立体仓库物流系统的构成8 2 1 1j 唯j 哚机9 2 1 2 货架9 2 1 3 传送设备一1 1 2 2 立体仓库物流系统的作业流程1 2 2 2 1 入库作业流程1 2 2 2 2 出库作业流程。1 4 2 2 3 盘库作业流程1 6 2 2 4 库内搬移作业流程。16 2 3 立体仓库物流系统的不确定因素1 7 2 3 1 影响立体仓库物流系统的因素。1 7 2 3 2 立体仓库物流系统中各因素的适应性1 7 2 3 3 不确定因素的特点1 8 2 4 本章小结1 8 第3 章自动化立体仓库的规划与设计1 9 3 1 立体仓库的主要参数1 9 3 2 立体仓库的规划原则与设计过程2 0 3 2 1 立体仓库的规划原则2 0 3 2 2 立体仓库的设计步骤2 1 3 3 立体仓库的总体规划2 2 3 3 1 仓库形式和作业方式的确定2 2 3 3 2 托盘单元的参数和货格尺寸设计2 2 3 3 3 货架总体尺寸。2 4 i 3 3 4 货物单元出入高层货架的形式2 5 3 3 5 货架区与作业区的衔接方式2 7 3 4 立体仓库规划设计中的关键问题3 0 3 5 本章小结3 0 第4 章自动化立体仓库物流系统仿真模型3l 4 1 离散事件系统3 1 4 1 1 仿真方法3 1 4 1 2 仿真系统的组成和建模技术3 2 4 1 3 仿真步骤3 3 4 2 立体仓库物流系统流程模型二。3 4 4 2 1 立体仓库物流系统的层次模型3 5 4 2 2 基于p e t r i 网的立体仓库物流系统的动态模型3 5 4 3 计算机仿真模型的构建3 9 4 3 1w i t n e s s 仿真模型3 9 4 3 2 仿真模型的基础数据及随机变量模型4 2 4 4 本章小结4 2 第5 章自动化立体仓库物流系统仿真试验及数据分析4 3 5 1 仿真目的4 3 5 2 仿真条件与工况4 3 5 3 评估方法及统计参数4 5 5 4 仿真试验数据分析4 5 5 5 本章小结4 7 第6 章总结与展望。4 8 6 1 全文总结4 8 6 2 工作展望4 8 参考文献一5 0 致谢5 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 i 课题背景与意义 第1 章绪论 随着社会经济的持续发展和科学技术的突飞猛进，现代物流业已成为国民 经济的支柱产业，在社会经济发展中起着越来越重要的作用。经过上世纪8 0 年 代至今的现代物流理论的飞速发展，物流关于“第三方利润源泉 的观点也被 企业所广泛接受，物流系统的组织方式和管理技术为企业寻求成本优势和差别 化优势提供了新的视角，企业的重点也均投向了企业的供应链物流的管理和一 系列物流基础设施的建设上面。先进的物流设施及技术和高效的供应链要求同 时也促进自动化物流的快速发展。 自动化立体仓库( a s r s ) 作为物流系统的一个核心和枢纽，具有很高的空间 利用率和很强的出入库能力，可构建更有效率的物流系统，是许多货运枢纽、 配送中心不可缺少的重要组成部分，也是物流系统实现物流合理化的关键所在。 目前自动化立体仓库系统主要应用于自动化生产线和物资配送中心两大领域。 然而，在我国自动化立体仓库的设计和规划过程中，仍以人工的经验管理为主， 忽视了科学的设计和规划方法，缺乏现代化的管理手段，很少利用自动化的作 业设备，系统不优化的现象明显，难以在运作的过程中体现物流为“第三利润 源泉 的作用。物流的问题往往是空间变量、时间变量和随机变量同时存在并 相互依存的动态系统问题，计算机仿真技术是解决这类问题的有效方法。对我 国兴建的自动化物流系统应用计算机仿真技术，可以不需等待设计和规划的方 案建设实施完成，仅利用计算机即可验证系统的规划布局效果和比较各种方案 的优劣，还可以避免建立物理试验模拟系统的投资，减少设计成本。在工程建 设设计阶段就能够迅速发现问题之所在，降低系统开发成本，并且缩短物流系 统由设计至实施的周期。 1 2 自动化立体仓库的发展现状 自动化立体仓库简称立库，即所谓的高层货架仓库、自动仓储a s r s 。它 武汉理工大学硕士学位论文 是一种采用多层货架存储货物单元，用相应的搬运设备和计算机控制管理系统 来进行货物出入库作业的仓库。它的出现改变了仓储行业劳动密集、效率低下 的落后面貌，还实现了高效率物流和大容量储藏，适应了现代化生产和商品流 通的发展方向，是物流技术领域的一个划时代的变革。自动化立体仓库能够自 动的按照指令实现对货物的存取和储存保管等功能，已经广泛应用于机械制造、 医药保健、食品、烟草等行业。 自动化立体仓库产生和发展于第二次世界大战之后。1 9 5 9 年美国开发了世 界上最早的自动化立体仓库，并在1 9 6 3 年使用计算机进行自动化立体仓库的控 制管理。此后，自动化立体仓库在世界各国迅速发展，使用范围几乎涉及所有 行业，并形成了专门的学科。1 9 7 4 年我国建立第一座自动化立体仓库，但我国 在这一领域发展速度比较缓慢。经过十几年的发展，到8 0 年代我国共建成立体 仓库5 0 余座，但自动化程度相对较低。9 0 年代至今，我国的物流行业发展突 飞猛进，物流行业的自动化和信息化较之过去都有了长足的进步，目前已有九 州通集团、海尔集团、蒙牛集团等大型自动化物流系统建成，这些系统的自动 化设备水平和设计理念达到了国际上先进或主流的水平，同时填补了我国仓库 自动化设备研发及自动化立体仓库规划设计领域的某些空白，体现了我国在自 动化仓储领域的领先水平。 对于企业来说，自动化立体仓库的优越性可以从以下几个方面得到体现： ( 1 ) 提高空间利用率 立体仓库采用高层货架存储货物，充分利用了空间资源，从而节约了土地资 源，提高了仓库的空间利用率。一般来说，采用立体仓库形式来存储货物，其空 间利用率是普通仓库的2 至5 倍。 ( 2 ) 提高生产管理水平 自动化立体仓库中有各种计算机管理控制系统，能够对立体仓库内各种信 息进行处理和存储，从而实现对货物的有效管理，因此，能有效的控制物流系统 运行过程中错误的发生，加之立体仓库采用先进的自动化物料搬运设备，便于立 体仓库清点、盘库、库内搬移等作业，可以有效的缓解生产各环节之间的流通 问题和供求矛盾，减少立体仓库的库存，加快货物周转量，节约资金。 ( 3 ) 自动存取，减轻劳动强度，提高生产效率 自动化立体仓库使用的是先进的机械和搬运设备，这些自动化设备运行速 度快、作业效率高，极大的提高了立体仓库的出入库能力，同时降低了操作人 员的劳动强度，改善了仓库内的工作环境。 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 现代化企业的标志 由于自动化立体仓库的自动化程度高，仓库内工作环境好，是企业向外界 展示其生产规模、科技管理水平的最佳窗口。 自动化立体仓库正处在不断发展和完善的阶段，大致经历了四代发展，现 在已经进入智能储运技术阶段。随着信息技术的高速发展，以全自动化、智能 化、集成化、信息化为主要特点的第五代立体仓库正在逐步推广使用。自动化 立体仓库具体的发展状况变化表现在以下两个方面。 ( 1 ) 硬件方面 即对自动化立体仓库中使用的各种物料搬运设备的进行改进。因为堆垛机 是物流的载体，是立体仓库的关键设备，因此大多数研究主要集中在堆垛机方 面，比较典型的有：双货叉存取方式，即堆垛机拥有两个货叉，它在一次出入 库的工作流程中就可以完成存货和取货的操作运作，缩短了在货架作业点到出 入库台之间的运行时间。还研发了将加减速时间缩短的高加减速技术、将机械 设备的各动作时间发生的无功停滞时间完全消除的减振控制技术、为缩短移载 时间的先行移载技术。通过技术的革新，使得堆垛机的电子控制技术得到进一 步的提高，具有更高的定位精度，大大提高了堆垛机的搜索能力和运行速度。 立体仓库的巷道堆垛作业双循环次数也从最初的每小时1 5 2 0 次增加到每小 时5 0 7 0 次，仓库的利用效率可达到9 6 9 8 。 射频数据通信、扫描技术、数据采集和条形码技术越来越多的被应用于堆 垛机、自动导引小车和传送带等设备上，大大的提高了立体仓库的效率。 ( 2 ) 软件方面 近来对于立体仓库的出入库策略、货位分配策略、库存管理、智能算法等 方面进行的研究比较多。 出入库策略方面。太原重型机械学院的师向丽( 2 0 0 4 ) 结合某公司大型自 动化立体仓库系统实施过程，研究了自动均匀出库算法，通过分析自动均匀出 库的相关因素，给出了自动均匀出库算法，算法主要包括获得客户优先级的算 法，出库托盘序列号的算法、按巷道均衡距离优先出库的算法、作业优先级的 算法、作业优先级的算法【3 】。周奇才( 2 0 0 3 ) 提出立体仓库运行控制的优化准则， 分析确定仓库系统控制的优化控制数学模型，并运用有关原理，提出仓库巷道 堆垛机及出入库系统货箱运行的优化控制程序等【4 】 5 1 。山东大学的宁春林研究了 基于蚁群算法立体仓库拣选路径的优化问题【6 】，窦金风( 2 0 0 1 ) 对立体仓库物流 管理优化模型及其物理实现进行了探讨 7 1 。 3 武汉理工大学硕士学位论文 货位分配策略方面。清华大学的贾煜亮( 2 0 0 7 ) 研究了单元货格式自动化 立体仓库中的货位实时分配问题。将该问题可分为两方面：为入库分配空货位和 为出库选择货位。在考虑了堆垛机的加减速对其运行速度的影响后，以堆垛机将 要进行的所有操作的行程时间之和作为优化目标，通过调整堆垛机的后续操作 的行程时间在总行程时间中的权重，依次构建了三个优化目标函数。然后利用结 合了模拟退火方法的遗传算法对其进行了求解，并利用了多种技术提高算法的 效率【8 】。赵炯提出了一种新颖的利用网络技术和触摸屏进行载人巷道堆垛机上的 可视化拣选操作方案，配合存储货位分配策略和执行批量拣选作业的优化顺序 方式，可以提高自动化立体仓库中载人拣选作业方式的工作效率，增加拣选操 作的吞吐率。在概述了这种新方案的实现框架之后，给出了这种方案的性能模 型，并对具有动态作业插入时的系统性能进行了分析 9 1p o 。 库存管理方面。( q ，r ) 模型是库存管理中的重要控制模型，控制变量q 和r 都取决于需求过程和提前期，但是绝大多数文献在库存模型研究中都把提前期 作为一个常量，主要考虑不同的随机需求过程。而在连续的多级供应链库存问 题中，随机提前期的变化是供应链上下级库存协调的主要影响因素。马士华和 林勇( 2 0 0 2 ) 研究了基于随机提前期的( q ，r ) 库存控制模型，分别考虑了需求是 常量和需求是随机变量两种情况下的库存模型【l i l 。林勇、蒋莲( 2 0 0 7 ) 等建立了 基于随机提前期的( q ，s ) 库存控制模型，并建立了相应的算法进行优化求解 1 2 】。 金海和和郭仁( 2 0 0 7 ) 拥给出一个供应链多级库存随机模型，该模型以供三应链 总利润最大为目标，其中顾客需求、低层节点缺货量都是随机的，并引入有效 供应量的概念，说明了低层节点的随机缺货量对高层节点的影响，给出一种特 殊情况下模型的优化和分析【1 3 1 。 智能算法方面。近年来，随着计算技术的发展，一些新的智能算法，如 g e n f e n s t e t t e 等提出的遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 【1 4 1 、模拟退火算法【1 5 】、 禁忌搜索算法【1 6 1 得到了迅速发展和广泛应用。人工蚁群算法是一种新型的模拟 进化算法m 【1 8 】【聊，该算法是由意大利学者g d o r i g o 、y m a n i e z 、a c o f o r i n i 等 人首先提出的，称之为蚁群系统( a n t c o l o n ys y s t e m ) ，并应用该算法求解t s p 问题、分配问题、j o b s h o p 调度问题，取得了较好的效果。受其影响，蚁群系 统模型逐渐引起了其他研究者的注意，并用该算法来解决一些实际问题 2 0 1 2 1 1 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 系统建模与仿真技术的研究发展现状 系统仿真技术是一门多学科的综合性技术，它是以控制论、系统论、相似 原理、数理统计和信息技术为基础，以计算机及其他专业物理效果模拟设备为 工具，通过构建系统模型对实际或构想的系统进行试验，并参照经典系统评价 体系、系统逻辑参数及运行统计结果对系统各项指标进行评价和分析研究。目 前，其应用领域已经非常的广泛，已成为现代科学技术研究的主要内容，已渗 透到各学科和工程技术领域。 以往人们研究复杂系统的方法是直接对目标系统进行物理实验，这种研究 方法针对性强，有很高的可信度。但是这种研究方法往往具有投资风险大、研 究周期长、安全性差等缺陷，因此利用构建系统模型的方式对系统进行研究不 仅是必要的，某些情况下该方法甚至是唯一可行的。 系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模型，并将其转换 为适合在计算机上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。由于连续系统 和离散事件系统的数学模型有很大差别，所以系统仿真方法基本上分为两大类， 即连续系统仿真方法和离散系统仿真方法。也有人将建立数学模型的方法列入 仿真方法，这是因为对于连续系统虽然已经有一套理论建模和实验建模的方法， 但在进行系统仿真时，经常先用通过假设获得的近似模型来检验假设是否正确， 必要时修改模型，使它更接近于真实系统。因为其仿真实验结果的分析研究运用 了统计分析的数学方法、专家经验知识及相关资料，因此系统仿真包含了多门 学科以及最新的技术。 在系统建模与仿真方面，国外的学者对于物流系统的研究主要集中在整个 供应链或者供应链的管理和控制上，e j a c kc h e r t ( 2 0 0 2 ) 等人运用离散事件建模 的方法研究了化工企业的物流行为，通过对系统的仿真，测定出允许化工制造 业连续作业的物流作业能力 2 4 1 。m a r c oa d u r a n ( 2 0 0 4 ) 等人设计了一种用于决 策支持物流系统的建模仿真算法。这种方法可以研究和改善存储运输系统的最 优化问题，此算法将离散事件建模和随机优化控制相结合，统一的建模构架使 建模模型和控制器一体化。采用这种算法可以使决策者了解动态随机系统的行 为，是评价不同策略系统的有力工具【2 5 】。a o y a m a y u k o 等( 2 0 0 5 ) 分析了物流 产业的模式和最近发展趋势，特别强调了企业到企业的电子商务的影响，建立 了一个包含物流以及信息流两个内部连接网络的最优化模型，应用蒙特卡洛仿 真法突出了物流产业中对企业到企业的电子商务影响反应较大的环节，并且通 5 武汉理工大学硕士学位论文 过仿真找到了在物流企业中影响信息和运输费用的因素 2 6 1 。a r i ap a u l ai a n n o n i ( 2 0 0 6 ) 采用离散系统建模的方法对农产品加工业中原材料的运输问题进行研 究，着重分析了车辆在多种队列情况下的等待时间，并以甘蔗作物为例，分析 了系统的作业进程，研究了作业过程中设备的配置 2 7 1 。 在国内，常发亮等( 1 9 9 5 ) 研究了一类物资配送中心的库存管理与布局优化 问题，讨论了库存量的确定方法，提出了货位的布局策略及其优化算法，并对 货位的再调整进行了阐述。除此之外，他还在输送系统的调度方面深有研究， 他分析了自动化立体仓库输送系统的若干调度问题，给出了启发式调度规则和 优化算法，建立了该离散系统的仿真p c t r i 网模型，在此基础上，对系统进行了 动态的优化仿真，试验效果很好【3 6 】 3 7 1 3 8 】【3 9 】；徐菱( 2 0 0 4 ) 介绍了在网络环境下将 自动化立体仓库管理机的货位管理与监控机的动态模拟联接起来的工作原理及 方法 4 0 1 ；武汉理工大学于蒙，王少梅，肖峰( 2 0 0 7 ) 利用三维仿真软件f l e x s i m 建立集装箱码头装卸作业仿真模型，为生产管理者提供视觉上的决策支持，利用 其核心机制任务序列驱动设备模型，实现装卸作业过程的三维动态仿真f 4 3 】。北 京邮电大学肖江波、杨福兴( 2 0 0 7 ) 在基于f l e x s i m 仿真的物流配送中心优化探 讨中以某物流配送中心为例，探讨了物流配送中心规划中的规模确定、功能布 置方案以及装卸工作对配送中心仓库布局的要求，配送中心仓库建筑物的位置 布局等要求【4 1 1 。常鹏( 2 0 0 7 ) 基于f l c x s i m 对散货码头物流系统建立了散货码头 设备的三维模型并对其进行了仿真研究 4 2 1 。李俊等( 2 0 0 7 ) 从企业仓储作业中 出入库调度策略的需求出发，利用面向对象建模理论和f l e x s i m 仿真软件进行入 库策略的建模。给出一种将复杂策略结果映射到仿真模型的方法并将其应用与 仿真实例中。最后比较两种策略下的仿真运行结果，并进行比较分析得到两种 策略的适用范围为企业选择调度策略提供依据。 1 3 论文研究的主要内容 本文分析了自动化立体仓库的发展历史和研究现状，给出了自动化立体仓 库规划设计的步骤、原则及其各个参数的计算求解方法，运用p e t r i 网理论建 立自动化立体仓库物流系统的动态模型，使用w i t n e s s 系统仿真软件作为开发 平台对自动化立体仓库规划设计中的关键问题进行了建模仿真并对实验结果进 行了分析，从三种货架尺寸方案中选出了最优方案。 ( 1 ) 在研究自动化立体仓库物流系统的基础上，阐述了自动化立体仓库的 6 武汉理工大学硕士学位论文 作业流程、规划原则和设计步骤，给出了立体仓库的规划设计步骤及参数的计 算方法，并对其物流流程中的不确定因素进行分析 ( 2 ) 介绍了系统建模仿真的方法和步骤，然后建立了自动化立体仓库物流 系统的流程模型，最后利用w it n e s s 仿真软件对立体仓库物流系统进行仿真建 模，并对仿真模型中的各元素进行说明。 ( 3 ) 基于自动化立体仓库物流系统的仿真模型，就立体仓库的货架总体尺 寸对整个物流系统的影响进行仿真调试试验，根据试验数据分析三种货架尺寸 方案对立体仓库物流系统的影响，最后推荐方案一为最优方案。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章自动化立体仓库物流系统的作业流程与 不确定因素 2 1 立体仓库物流系统的构成 目曰卧 l 货架2 巷道堆垛机3 输送设备4 往复式穿梭车轨道5 往复式穿梭车 6 码垛机器人7 环形穿梭车8 叉车9 运输车辆 图2 1 自动化立体仓库设备平面图 自动化立体仓库是电气和机械、弱点控制和强电控制相结合的产品。它主 要由货物存取和传送系统、货物储存系统、控制和管理等三大系统组成，还有 与之配套的供电系统、消防报警系统、空调系统、称重计量系统、信息通信系 武汉理工大学硕士学位论文 统等。以下主要对堆垛机、货架及传送设备进行介绍。 2 1 1 堆垛机 堆垛机是自动化立体仓库中货物流动的载体，是自动化立体仓库中最为重 要的运输设备，它运行于高层货架之间的巷道中，将货物存入或取出，从而实现 货物的流动。堆垛机在自动化立体仓库巷道中的轨道上的行走动作为前进和后 退，其载物台的运动为上升和下降，载物台的运动和整机轨道上的运动可同时 进行，堆垛机货叉的动作为左出与右出。堆垛机控制系统综合了p l c 技术、调 速技术、光电检测、条码技术及计算机技术等多学科知识，其运行性能的优劣 对于自动化立体仓库系统的作业效率影响极大。 堆垛机可分为桥式堆垛机和巷道式堆垛机。此处以有轨巷道式堆垛机为例 进行说明，巷道式堆垛机主要由机架( 车身) 、电气设备、水平行走机构、提升 机构、载货台、货又及各种安全保护装置构成。其结构组成如图2 2 所示。 2 1 2 货架 i 上横梁2 平衡重3 爬梯4 立柱5 电器控制柜6 载物台 7 伸缩货叉8 松绳、过载与断绳安全装置9 安全护栏 1 0 下横梁1 1 提升机1 2 运行机构 图2 2 堆垛机结构示意图 立体仓库的高层货架一般采用钢材或钢筋混凝土，钢货架的优点是尺寸小， 安装建设时间短，仓库利用率高。货架常用的形式有横梁式货架、贯通式货架、 9 武汉理工大学硕士学位论文 流动式货架、搁板式货架、水平或垂直旋转货架等。货架的高度是关系到自动 化立体仓库全局性的重要参数，而其钢结构的成本也随其高度的增加而迅速增 加。当货架高度超过2 0 米时，其稳定性要求会大幅度提高，成本也会急剧上升， 同时堆垛机等配套设备的采购费用也会随之增长，造成不必要的资源浪费。 图2 3 贯通式货架图2 - 4 重力式货架 图2 5 阁楼式货架图2 - 6 横梁式货架 图2 3 _ 2 6 为四种典型货架类型，不同类型的货架各自不同的特点，以下 是几种典型货架的特点： 1 ) 横梁式货架：横梁式货架是以存取托盘货物为目的的专业仓库货架，承 载能力极强，规格型号齐全，适合于各种仓库。横梁式货架由柱片、横梁组成， 横梁式货架结构简洁、安全可靠，根据用户实际使用情况提供不同规格的横梁 式货架以供选择，出入库不受物品先后顺序的限制。广泛应用于以托盘存储、 叉车存取的仓储模式。 2 ) 贯通式货架：又称通廊式货架或驶入式货架，是结构最为简单的货架形 式，一般采用托盘存取模式，适用于品种少，批量大类型的货物储存。采用贯 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 通式货架叉车可直接驶入货架内部存取货物，通常单面取货建议不超过7 个货 位深度。但是存取性差，不易做到先进先出的储存管理，也不宜存储过长、过 重的物品。 3 ) 重力式货架：是横梁式货架衍生品之一，结构与横梁式货架相似，只是 在横梁上安上滚筒式轨道，轨道呈3 - 5 。倾斜。适合于存储高密度、高效率的货 物，采用自由出入式设计，极高的存货流转率，良好的地面利用率。 4 ) 阁楼式货架：阁楼式货架是在已有的工作场地或货架上建一个中间阁 楼，以增加存储空间，可设计成多楼层，通常2 至3 层。钢结构楼板，楼板 平整，整体性强承载能力强而均匀，造价低，施工快，宣存取一些中小件货 物，适于多品种大批量或多品种小批量货物，可充分利用节约库房面积。广 泛应用于机械、电子、化工等领域。 本文规划设计的立体仓库货架形式为横梁式货架。 2 1 3 传送设备 传送系统是立体仓库的重要组成部分，负责将货物运送至入库台或从出库 台将货物移走。它是完成整个出入库物流搬运作业不可或缺的设备出入库输送 系统的结构布置合理与否对规划合理性具有重要的意义。传送设备的种类有很 多种，常见的为网带式输送机、链式输送机、辊道式输送机、皮带式输送机。 分别如图2 7 - _ 2 一1 0 所示。 图2 7 网带式传送机图2 8 链式传送机 图2 - 9 辊道式传送机图2 1 0 皮带式传送机 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 立体仓库物流系统的作业流程 2 2 1 入库作业流程 在货物到达后，经过输送机的自动分拣，然后码盘，以托盘为单位输出。 叉车再将托盘搬运至入库输送机上，入库输送机将托盘运至入库处理器处进行 入库处理作业( 如：贴条码、条码扫描、外形尺寸校核、校核入库清单等) ，处 理结束后托盘经传送带运至立体仓库巷道口，准备入库。 准备入库的托盘会得到一个由系统分配的货位，分配的规则可根据立体仓 库的实际情况不同而不同。托盘沿着入库输送机进行行走，在到达相应的入库 缓冲区最前端时，如果入库台空闲，则托盘可直接进入入库台等待堆垛机来进 行入库作业；否则，托盘将在入库缓冲区中继续等待。托盘进入入库台后，如 果此时堆垛机空闲，则堆垛机会根据指令数据从入库台上取得托盘并把它放到 相应货位处，如果此时又有出库任务，则堆垛机不返回起始点直接取出要出库 的托盘运到出库台，出库的托盘由出库台进入出库缓冲区，等待运走；如果堆 垛机正在进行作业则托盘停留在入库台等待入库。当入库缓冲区的容量已满时， 托盘在输送机上等待入库。具体入库流程如图2 - 11 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 l 自动化立体仓库入库流程 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 出库作业流程 当订单到达时，仓库操作员根据订单信息手动或自动的分解出库单，在分 解时，计算机控制系统会按照一定的出库原则产生出一系列出库货位的信息， 并将这些货位信息发送至相应的堆垛机处。若此时堆垛机空闲并且出库台也空 闲，则堆垛机根据货位信息行走至该货位处将该货位处托盘取出运送至出库台 处；否则继续等待。如果出库缓冲区容量未满，托盘将进入出库缓冲区队列； 否则继续等待。取出的托盘经输送机运送至出库处理器，完成出库处理作业( 如： 条码扫描、校核出库清单等) 后，再经输送机运至托盘分离器，由机械手或人 工进行拆盘作业。最后货物经过输送机的自动分拣机构后出库。 自动化立体仓库中巷道堆垛机的作业流程有三种模式：单入库作业、单出 库作业和复合作业。 ( 1 ) 单入库作业：在堆垛机只接收到入库作业指令时，堆垛机从入库台取 货，运行至相应货位，再将托盘送至货格中并退叉复位，最后返回起始点。 ( 2 ) 单出库作业：在堆垛机只接收到出库作业指令时，堆垛机运行到相应 的出库货位，伸出货叉、取货、复位，然后堆垛机将托盘运送至出库台，最后 返回起始点。 ( 3 ) 复合作业：在堆垛机同时接收到入库和出库的指令时，堆垛机先将托 盘运送至入库货位，然后不返回起始点，而是直接运行至待出库货位位置，然 后将托盘取出运送至出库台出库。 具体出库流程如图2 - 1 2 所示。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 2 自动化立体仓库出库流程 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 盘库作业流程 在实际的自动化立体仓库运营过程中要对仓库内的货物定期盘库，以及时 纠正出现的错误。盘库主要有两种方式： ( 1 ) 按托盘形式盘库：操作人员在工作站上生成盘库指令，发送到相应的堆 垛机p l c 中，托盘经输送机运送到入口处，操作人员核对完货物后，堆垛机将 托盘送回到原位。 ( 2 ) 按货物盘库：操作人员在工作站上针对某种货物下达盘库指令，系统自 动对立体仓库内的此种货物进行统计，操作员按照统计结果核对货物。 2 2 4 库内搬移作业流程 系统库内搬移作业流程图如图2 - 1 3 所示。在实际的立体仓库运营过程中， 货架中有的区域托盘货位有时会很少，可以通过库内搬移指令将这些托盘搬移 到托盘比较集中的区域，从而对货位进行有效的管理。 图2 1 3 库内搬移作业流程 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 立体仓库物流系统的不确定因素 2 3 1 影响立体仓库物流系统的因素 自动化立体仓库物流系统是一个复杂的非线性开放系统，其生产过程是一 个开放的复杂过程。在立体仓库系统运行过程中影响其性能状态的主要因素有 以下几个。 ( 1 ) 外界环境。外界环境对立体仓库系统的主要作用是订单流和补货车流， 外界环境的波动会对立体仓库整体规划和设计造成很大干扰。 ( 2 ) 平面布局规划。其主要内容包括分配货架区、出货区、集货区、传送 区等，确定各功能区域的位置和大小尺寸。 ( 3 ) 装卸工艺。立体仓库装卸工艺是指实现仓库货物从一种运载工具( 或 库场) 转移到另一种工具( 或库场) 的空间位移的组织方法和程序。 ( 4 ) 设备选型。主要指立体仓库系统中各种设备参数的选择。如堆垛机、 输送机、叉车运行速度的选择。 ( 5 ) 生产管理策略。包括货位分配、补货策略、订单处理等。 在立体仓库的规划设计方案确定后，可根据这些因素对物流系统的影响方 式将这些因素可分为以下两大类： ( 1 ) 不确定因素。即这类因素对物流系统的影响是不确定的、随机的、无 法控制的。如订单到达时间间隔、补货到达时间间隔、需求量等规划设计者无 法确定的因素。 ( 2 ) 确定因素。即这类因素对物流系统的影响是确定的、可控的。如自动 化立体仓库的平面布置、装卸工艺的选择等规划设计者可以确定的因素。 2 3 2 立体仓库物流系统中各因素的适应性 不确定因素对于物流系统的影响是在基于确定因素之上而表现出来。对于 自动化立体仓库物流系统来说，存在许多的不确定因素来干扰系统的正常运行， 这时，系统中的确定因素究竟能多大