第二章 智能物流系统的底层要素

智能物流：系统构成与技术实践about第二章智能物流系统的底层要素目录物料单元物料的搬运方式物流上下游2.12.22.32.1物料单元2.1.1物料的物理特性物料的形状影响着物料的存放方式，库存的容量，也影响着搬运的效率和系统吞吐量等。外形特征码放方式合理的物料码放会更加节省空间，更加提升搬运效率或者更加增强拣选的便利性码放的稳定性方便物料信息提取方便物料快速提取与智能物流装备兼容业务便利性2.1物料单元2.1.2物料的信息特性1、物料身份识别像给每个人赋予一个身份证一样，每个物料单元也需要能唯一标识的“身份证”。通常物料的“身份证”采用的是条码、二维码或RFID标签。每个标签里都存有唯一标识该物料的号码或者其他信息。2.1物料单元2.1.2物料的信息特性2、物料的信息关联物流管理软件可以基于物料标识衍生出更多的功能。比如可以将这个条码对应的物料在发生事件的同时记录下是谁引发的这个物流作业事件、是几点几分发生的、发生的物流作业的时候还有伴随哪些其他条码物料等等2.1物料单元2.1.2物料的信息特性3、二维码和RFID的特殊应用二维码可存放更多信息，可以在库外继续保有信息，无需解析RFID也改写内容，可批量读取2.1物料单元2.1.2物料的信息特性4、物料信息的其它应用方式试别文字标签作为物料信息试别颜色作为物料信息2.1物料单元2.1.3物料的标准化：物流中的各个环节的标准化，能极大的提升物流的效率，并且在宏观角度能节省大量成本12345采用标准物料容器单元由于要覆盖到大批的物料，单个标准物料容器的成本控制成本因素信息介质要方便读取信息兼容性与搬运效率、上下游搬运工况有关容量因素标准容器最大承重、容器的内尺寸、外尺寸、有效尺寸、还有堆码承重等等其它因素物料是否方便与智能装备匹配兼容设备兼容性2.1物料单元2.1.4物料的数量统计比如仓库内的库容量（A仓库库容可容纳2000个托盘）各个区域物料存放量比如仓库内的库容量（A仓库库容可容纳2000个托盘）各个区域物料进出量比如统计仓库去向不同区域的物流量去向不同的物料量比如在打包工作区域，每小时收到200个标准物料盒物料拆分\合并后的量比如库内要预留多少空料箱备用空物料单元量平均值用来分析常规物流业务时提供数据依据，峰值用来在特殊业务要求情境下的提供设计参考平均值和峰值2.2物流上下游物料先被作用的物流设备为上游设备，物料后被作用的物流设备为下游设备给本段物流设备输入物料单元的设备为上游设备，而本段物流设备将物料单元输出后，来接收这些输出的物料单元的物流设备为下游设备从物料单元角度从物料设备角度1个上游1个下游1个上游多个下游多个上游1个下游多个上游多个下游2.2物流上下游2.2.1上下游衔接物料上下游过渡问题物理衔接设备动作机制要匹配控制系统衔接上下游能力要匹配效率衔接上下游数据传递信息衔接2.2物流上下游2.2.2缓存衔接1、需要设置缓存的上下游场景离散式与连续式上下游衔接如果上下游都是离散型搬运，那上下游环节只有在两个离散型搬运设备都处在正好对接的位置和时机时才能完成上下游衔接。这样不论对于上游还是下游都会存在一定的等待对方的时间，导致整体物流效率低下。通常会在两者之间设置一个缓存，来解决衔接效率问题离散式与离散式上下游衔接若与离散型搬运对接的上下游是连续式搬运，由于连续式搬运的效率较高，则在对接的某些时间端内会有衔接的效率要求超过了每次循环搬运能力本身，此时，就需要在上游或者下游设置一定的缓存2.2物流上下游2、缓存量的设置2.2.2缓存衔接水池的设置就类似于物流系统中的缓存设置，在实际生产中，某些时间段内上游涌入大量的物料单元，同时上游设备效率又高于下游设备的效率，此时就需要将物料临时存储在缓存区内等下游物流设备逐步"消化"。上游和下游同时不停的接收和输出物料，缓存内的物料数量也会动态的发生变化。而在实际生产中，物料的发生会随着物流业务或者是生产节拍而发生周期有规律的变化。在一个比较长的周期来观察缓存，会发现有个时刻对应的缓存内的物料最多，而此刻对应的物料单元的数量就是缓存应该设置的缓存量。2.2物流上下游2.2.3上下游效率分析某一段物流环节的效率，可以先从分析这一段环节中各个上下游的设备和之间的衔接关系入手与水管组合同样的道理，某段物流系统的总体吞吐效率决定于某个具有最小吞吐能力的物流设备智能物流系统中的物料单元是可变的，经过某些环节，物料可能变多，也有可能变少。比如物料被合并或者拆分后2.2物流上下游2.2.4典型上下游模式1、分流物料转机分道模块滑靴分拣机POPUP分拣分拣机器人交叉带分拣机垂直移栽分拣机常见分流设备2.2物流上下游2.2.4典型上下游模式2、合流并入原有一路合并到新主路2.2物流上下游2.2.4典型上下游模式3、装配合流装配合流的上游至少有两种物料单元，而且其中一种物料单元是可以当作容器的。在装配合流过程中，其他的物料会被合并进入物料容器中，到下游设备时只剩这一种容器物料。从效率上来讲，装配合流的下游效率不会高于用于供给容器物料的上游支流效率2.2物流上下游2.2.4典型上下游模式4、拆散分流与上述的装配合流类似的，还有拆散分流。即将上游的物料拆分成不同的物料，而后进入到不同的下游支路。下游的某些支路效率可能会远远高于上游的物料供给效率，也会有某些支路的效率不高于上游效率。2.2物流上下游2.2.4典型上下游模式5、缓存连续式缓存离散式缓存缓存是用来解决上下游临时效率无法匹配的情况，比如上游的物料临时存放在缓存里，等下游可以接受物料时，再将缓存里的物料搬运到下游设备中。缓存要完成两方面的功能：存储和输出。存储要解决缓存在有效的空间内尽量多存放物料，而输出要解决下游需要物料时，缓存能根据下游的需要，定时定量的供给物料。2.3物料的搬运方式人是运水的载体，水是随着人的往返循环，从打水点A被搬运到家B点每次人挑的水是有一定量的人往回返的时候是空载水缸里的水在间隔的时间点才能收到水可以多个人一起挑水，挑的人越多，水缸满的越早不需要给人建专门的挑水的路，不占用公共资源人的机动性高，打水点换了位置也没关系，人移动到新的打水点取水即可水管是运水的载体，水管是不动的，水顺着水管从A点到B点没有"每次"的概念，水是连续的水管是一直有水流的，没有空的情况，即没有返程的概念只要水龙头打开，水是可不间断接收到的通常只有一根主水管到B点，水的流量决定于水管的粗细为了不占用人们行走的路面，水管需要建设在地下或者其他不占用公共资源的地方，需要不小的投资如果水源的位置发生了变化，至少有部分环节管道需要重新建设VS挑水自来水离散式搬运连续式搬运2.3物料的搬运方式2.3.1离散式搬运离散式搬运要完成的任务是搬运物料从A点到B点，那在B点接受物料的节拍大致如图从时间轴上来看，B点接受到的物料单元是周期性的，可数的，离散式的。离散搬运设备常见的有：叉车、AGV，穿梭车、提升机、堆垛机、机器人等2.3物料的搬运方式2.3.1离散式搬运1、离散式搬运效率概述搬运设备的运行速度v；搬运设备的单次承载量l；搬运设备的数量n；离散式搬运系统的整体效率正比于v，l，n。其中搬运设备的数量较为特殊，与v和l不同的是，v和l只关乎单个搬运设备自身的参数，而n随着数量的变化带来的搬运效率变化并非是n倍的正比变化，因为搬运设备与搬运设备之间在工作过程中会互现制约。离散搬运设备在运行期间都会占用一定的公共资源，比如通道、收货接驳权限，送货接驳权限等等，多个设备同时运行要互相抢占资源，因此n个搬运设备同时运行的整体效率会小于n倍。多个离散搬运设备之间的制约往往会带来互相等待、设备绕行等影响。2.3物料的搬运方式2.3.1离散式搬运2、离散式搬运效率计算（1）A点到B点离散式搬运效率根据搬运设备的性能和搬运环境，可以得出单个搬运设备组成的搬运系统的搬运效率为n台搬运设备同时运行时的搬运总效率为N为搬运系统的搬运效率，指每小时搬运的物料单元的个数，单位为个/小时；n为搬运设备的台数，单位为个；k为多台设备并行时导致的损失折扣，n<100%；I为离散搬运设备的单车单趟装载量，单位为个；T为单个搬运设备从A点到B点循环一次的周期时间，单位为秒。2.3物料的搬运方式2.3.1离散式搬运2、离散式搬运效率计算（1）A点到B点离散式搬运效率设备运行周期时间T定义为：搬运设备从A点接驳到物料单元，再运行到B点并接驳到下游设备后，再次返回运行到A点，总共需要的时间。如果A点到B点的距离为s，搬运设备周期搬运时间可以得到为：T为设备搬运的周期时间，单位为秒；s为搬运设备从A点运行到B点的实际运行轨迹距离，单位为米；v为搬运设备的平均运行速度，单位为米/秒；t1为搬运设备与上游的接驳时间，单位为秒；t2为搬运设备与下游的接驳时间，单位为秒。2.3物料的搬运方式2.3.1离散式搬运2、离散式搬运效率计算（1）A点到B点离散式搬运效率设备运行周期时间T可能要考虑的因素要更加复杂一点：由于布局的需要，或者是物流工艺的要求，又或者是为了减少离散搬运设备之间的互相干扰，在很多物流场景下，从A点到B点的搬运时设备行走的路线与从B点返回A点时行走的路线是不同的搬运设备运行时可能是多个维度的机构同时动作，比如同时既有水平运行又有垂直运行，此时需要取与上下游接驳过程中的最大时间搬运设备在运行时可能会遇到一些与外部交互的场合，每次搬运需要在某个固定位置点等待一个人工的额外作用时间t3，此时t3也要计算到周期搬运时间T内搬运设备在运行时也可能会将运行动作转移给第三方设备，第三方设备转移过程消耗的时间t4也要计算在T内某些搬运设备的动作比较复杂，需要逐步分解动作计算各个子动作时间实际运行的搬运设备并不是直接以平均速度运行的，有加减速的过程，因此总的循环周期可以根据实际的运行情况得到更加精确的计算结果2.3物料的搬运方式2.3.1离散式搬运2、离散式搬运效率计算（2）离散式搬运上下游效率在现实物流系统中，上游到下游的搬运往往不是一个简单的A点到B点的过程。更多的情况是上游有多个点：A1点、A2点、A3点……，下游的是B1点、B2点、B3点……。和计算从A点到B点的搬运效率的方法类似，让离散搬运设备连续不停的从上游搬运物料到下游，我们可以在B1、B2、B3……所有的下游点观察并计入总数：在一定的时间T内总共被搬运到所有这些下游点处共计有多少个物料单元。另外也可以采用计算搬运周期时间间接估算效率的方法。不过，从上游A1、A2……Am个上游接驳点到下游的B1、B2……Bn个下游接驳点，其中的运行路径不止有m*n条，不同的复合行走搬运路径对应的搬运周期时间T是不同的。2.3物料的搬运方式2.3.1离散式搬运2、离散式搬运效率计算（2）离散式搬运上下游效率如果有m个上游点，有n个下游点，从某个上游点出发将m个上游点的物料遍历搬运到所有的下游n点，总共的搬运方案有n*m！简化算发：从上游只选择一个点当仅有的一个上游A点，从下游只选择一个点当仅有的一个下游B点，则所有可能的AB点组合有m*n种，我们将所有AB点组合对应的距离列出为d1，d2，……dmn为了能有效的覆盖大部分的搬运情况，可以选择一个系数比如2/3或者3/4的最大距离来估算系统的搬运效率，这样可以兼顾大部分的效率要求，并且也不会一直出现搬运能力过剩的情况。2.3物料的搬运方式2.3.1离散式搬运3、离散式搬运效率提升方法增加更多的搬运设备到系统中提升离散搬运系统的物理运行速度提升单台设备的承载量让设备返程时做有负载的复合作业，减少空载的运行时间2.3物料的搬运方式2.3.1离散式搬运4、离散式搬运的优势离散搬运设备往往灵活机动，占用较少的公共资源，仅为非全时占用，比如通道、门等等；离散搬运设备之间可互相冗余、可互相备份，系统鲁棒性好；相比连续式搬运，离散式搬运系统可以通过增加搬运设备的数量，更容易达到灵活扩容的目的；离散搬运设备通常可以在本体上做一些机构，设备异形改造成本低，便于与多种上下游以不同的形式接驳物料单元；离散搬运设备，柔性化强，更有可能做成终极智慧化搬运单元，无需安装调试，直接投入到新现场即可使用。2.3物料的搬运方式2.3.1离散式搬运5、离散式搬运的通讯由于离散搬运系统的一个重要特点是机动性，也即意味着搬运设备可以通过自由移动的方式在不同的位置之间进行物料的搬运。由于设备本身具有不停移动的特点，因此如何解决移动通信的问题是个挑战。互相避让离散设备之间数据上传下达与上位软件之间互相接驳上下游之间资源授权与第三方之间通讯对象2.3物料的搬运方式2.3.1离散式搬运4、离散式搬运的通讯由于离散搬运系统的一个重要特点是机动性，也即意味着搬运设备可以通过自由移动的方式在不同的位置之间进行物料的搬运。由于设备本身具有不停移动的特点，因此如何解决移动通信的问题是个挑战。无线网络通讯方式红外通讯动力路线物理传递2.3物料的搬运方式2.3.1离散式搬运6、离散式搬运的动力供电由于离散搬运系统的一个重要特点是机动性，也即意味着搬运设备可以通过自由移动的方式在不同的位置之间进行物料的搬运。电池坦克链滑触线非接触供电2.3物料的搬运方式2.3.2连续式搬运1、连续式搬运效率概述连续式搬运的"横截面"上的物料单元数p连续式搬运设备的传输速度v被搬运的物料单元的尺寸s连续式搬运的效率正比于p和v，同时反比于物料单元的尺寸，同样的条件下，物料单元尺寸越小，单位时间内的输送效率越高与离散式的搬运过程中可以数出搬了多少趟不同，连续式搬运自身的特点决定了没有"趟"的概念，因为连续式搬运没有“往返”。对于连续式搬运，可能用"带动"或"输送"更合适2.3物料的搬运方式2.3.2连续式搬运2、连续式搬运效率计算式中E为连续输送效率，单位为个/分钟；T为一个物料单元经过一个截面时需要的时间，单位为秒；l为物料沿着输送方向的尺寸，单位为毫米；v为设备输送速度，单位为米/秒。一个单独的物料单元被输送机时经过某个截面时所需