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摘要：近年來，我國智能倉儲物流行業(yè)迅猛發(fā)展，為滿足市場對密集化和智能化的需求，四向穿梭車倉儲系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注，而四向穿梭車系統(tǒng)在售前階段多需要通過仿真展示方案并與客戶溝通。本文利用Plant Simulation軟件，根據(jù)四向穿梭車倉儲系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行模塊化、參數(shù)化建模，并整理出系統(tǒng)與模塊的關(guān)鍵參數(shù)，在此基礎(chǔ)上搭建了一個(gè)快速生成各類四向穿梭車倉儲系統(tǒng)方案的參數(shù)化仿真模型，適用于四向穿梭車倉儲系統(tǒng)售前階段。

關(guān)鍵詞：四向穿梭車倉儲系統(tǒng)、模塊化建模、物流仿真

作者：劉嘉慧 趙寧

北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院物流工程系

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著5G互聯(lián)網(wǎng)、AI、智能傳感等新技術(shù)發(fā)展，我國倉儲物流向智能化加速轉(zhuǎn)型。同時(shí)，由于倉儲用地資源緊張，人力成本不斷升高，企業(yè)對于密集倉儲的需求也逐步增長。為滿足市場需要，基于四向穿梭車的倉儲系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

作為穿梭車倉儲系統(tǒng)的升級換代，該系統(tǒng)在同一層貨架中可以放置多輛四向穿梭車，且四向穿梭車可在多個(gè)巷道及多層間運(yùn)行，系統(tǒng)中的四向穿梭車數(shù)量可根據(jù)出入庫效率需求進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，系統(tǒng)柔性更強(qiáng)、成本更低，并且多深度的存儲巷道能夠保證較高的倉儲空間利用率。業(yè)界普遍認(rèn)為，四向穿梭車倉儲系統(tǒng)是未來倉儲物流的主要發(fā)展方向，而四向穿梭車系統(tǒng)的科學(xué)規(guī)劃及驗(yàn)證，則是售前階段的重要需求。

在四向穿梭車倉儲系統(tǒng)的售前階段，通過搭建四向穿梭車系統(tǒng)的仿真模型，便于向客戶展示和溝通設(shè)計(jì)方案，并通過仿真結(jié)果快速迭代到最佳方案。傳統(tǒng)四向穿梭車仿真需要耗費(fèi)仿真工程師人力完成仿真建模，而且場景一旦發(fā)生改變，就需要重新建模，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以給售前提供支撐。本文基于西門子Plant Simulation軟件，根據(jù)四向穿梭車倉儲系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行模塊化、參數(shù)化建模，整理了系統(tǒng)和各模塊的關(guān)鍵參數(shù)，而后搭建了一個(gè)兼具出入庫功能的四向穿梭車倉儲物流系統(tǒng)參數(shù)化仿真模型，可快速生成各類四向穿梭車倉儲方案，便于售前階段的方案展示、評估和快速迭代。

一

四向穿梭車倉儲系統(tǒng)基本描述

四向穿梭車倉儲系統(tǒng)由存儲貨架、四向穿梭車、提升機(jī)和軌道等組成。其中，存儲貨架用于貨物存儲，每個(gè)儲貨巷道可有多個(gè)存儲貨位，同一儲貨巷道存放同一類貨物；四向穿梭車用于實(shí)現(xiàn)貨物的水平運(yùn)轉(zhuǎn)；提升機(jī)用于實(shí)現(xiàn)四向穿梭車的垂直轉(zhuǎn)運(yùn)；軌道分為縱向子通道和橫向的主通道。四向穿梭車倉儲系統(tǒng)俯視圖，如圖1所示。

圖1 四向穿梭車倉儲系統(tǒng)俯視圖

在圖1中，1是叉車，主要在相應(yīng)的出入庫口配合四向穿梭車叉取貨物；2和4為四向穿梭車行駛軌道，縱向軌道為子通道，橫向軌道為主通道；3是貨架，倉庫中存放貨物的存儲設(shè)備；5是四向穿梭車，具備多向行駛、側(cè)移、提升等功能，可根據(jù)需要進(jìn)行貨物的存儲和取出；6是提升機(jī)，倉庫中搬運(yùn)四向穿梭車進(jìn)行跨層作業(yè)的升降機(jī)構(gòu)。

二

四向穿梭車倉儲系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

利用Plant Simulation軟件，根據(jù)四向穿梭車倉儲系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行模塊化參數(shù)化建模。模型中包括軌道模塊、儲位模塊、提升機(jī)設(shè)備模塊，各模塊能夠完成獨(dú)立的物理功能，與實(shí)際設(shè)備相對應(yīng)。同時(shí)整理出系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)和模塊的關(guān)鍵參數(shù)，模型可以進(jìn)行參數(shù)修改，通過仿真驗(yàn)證，使得規(guī)劃方案快速迭代，達(dá)到最佳倉儲吞吐量等目標(biāo)。

1.系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

模型系統(tǒng)參數(shù)如表1 ，包括布局表、貨架層數(shù)和出入庫口位置索引表。布局表將數(shù)字與系統(tǒng)布局中的各種設(shè)施情況相對應(yīng)，調(diào)整模型的整體布局；貨架層數(shù)為模型基于布局表的布局情況產(chǎn)生的整體模型的層數(shù)，各層布局與布局表一致；出入庫口位置索引表中填寫出庫口和入庫口在布局表中的索引位置，可調(diào)整模型的出入庫口位置和數(shù)量。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

（1）倉庫布局表

如圖2所示，倉庫布局可由仿真模型內(nèi)的布局表進(jìn)行參數(shù)化調(diào)整。如表2所示，由數(shù)字0～7分別代表系統(tǒng)布局中的各種情況，在布局表中填入不同數(shù)值，可生成相應(yīng)布局。由此便可根據(jù)不同規(guī)劃，調(diào)整平面布局，在實(shí)際應(yīng)用中提高了模型的靈活性。

圖2 布局表

（2）出入庫口設(shè)計(jì)

出入庫口的數(shù)量及位置，可通過進(jìn)行參數(shù)化調(diào)整。索引表如圖3 ，表內(nèi)需填寫入庫口列索引、入庫口行索引、出庫口列索引、出庫口行索引。出入庫口索引與布局表索引相對應(yīng)，填寫的坐標(biāo)點(diǎn)將作為特殊的軌道位置，四向穿梭車配合叉車在該位置完成出入庫作業(yè)。

2.設(shè)備模塊設(shè)計(jì)

各模塊的搭建情況與相應(yīng)參數(shù)，如表3。

圖3 索引表

表3 模塊結(jié)構(gòu)及參數(shù)

（1）儲位模塊

儲位模塊包括貨架和托盤貨物，其可調(diào)整參數(shù)有貨位深度、貨位寬度、儲位高度和立柱寬度，儲位的尺寸由托盤貨物決定。四向穿梭車可在儲位模塊雙向運(yùn)行，以存放或取出貨物。

（2）提升機(jī)模塊

提升機(jī)模塊可調(diào)整參數(shù)有提升機(jī)速度、提升機(jī)寬度和提升機(jī)長度。提升機(jī)高度與貨架高度相關(guān)。

（3）軌道模塊

軌道分為主通道和子通道。當(dāng)四向穿梭車處于空載狀態(tài)時(shí)，可以在存有貨物的多深度巷道中自由穿梭，到達(dá)倉儲系統(tǒng)的任意存儲貨位，當(dāng)四向穿梭車處于載貨狀態(tài)時(shí)，只能在主通道和子通道上行駛。在作業(yè)中，每一條主通道上運(yùn)動的四向穿梭車負(fù)責(zé)兩側(cè)多深位貨物的出入庫作業(yè)，某一巷道中的貨物只能從就近的主通道完成出入庫作業(yè)。

（4）四向穿梭車

四向穿梭車可調(diào)整參數(shù)有四向穿梭車長度、四向穿梭車寬度、四向穿梭車厚度、四向穿梭車速度和四向穿梭車數(shù)量。

三

應(yīng)用案例

1.基本參數(shù)

基于以上模塊，搭建一個(gè)出入庫口分別位于貨架左右兩側(cè)、多輛四向穿梭車、多提升機(jī)作業(yè)的四向穿梭車倉儲系統(tǒng)仿真模型，具體參數(shù)值如表4。表4中系統(tǒng)參數(shù)里的布局表以及出入庫口位置索引表，分別如圖4以及圖5所示，布局表用不同顏色標(biāo)注了不同設(shè)施的位置情況，便于查看。最終生成的模型，如圖6所示。

表4 模型具體參數(shù)值

圖4 初始方案布局表

圖5 初始方案出入庫口索引表

圖6 初始方案模型俯視圖（左）及三維展示（右）

2.出入庫流程

出入庫流程如圖7。任務(wù)列表在初始時(shí)刻隨機(jī)生成，四向穿梭車根據(jù)列表指令，當(dāng)有入庫需求時(shí)，移動至入庫口，叉車將入庫貨物放置于四向穿梭車上，而后四向穿梭車移動至存儲貨位，將貨物放置在對應(yīng)的貨架上。當(dāng)有出庫需求時(shí)，四向穿梭車前往指定貨位并取出需要出庫的貨物，取貨完成后，四向穿梭車移動至出庫區(qū)域，叉車將出庫貨物從四向穿梭車上移出。

圖7 出入庫流程圖

3.模型假設(shè)

模型遵循以下假設(shè)：（1）出入庫任務(wù)隨機(jī)生成；（2）各貨物均在一樓完成出入庫作業(yè)；（3）四向穿梭車在存儲區(qū)域的貨格中雙向移動，在主通道中單向移動；（4）不考慮貨物的到貨頻率默認(rèn)貨物來源無限制，不考慮出庫頻率限制，叉車可連續(xù)進(jìn)行出庫作業(yè)；（5）載貨狀態(tài)下四向穿梭車不可在巷道中穿行。在作業(yè)中，每一條主通道上運(yùn)動的四向穿梭車負(fù)責(zé)兩側(cè)多深位貨物的出入庫作業(yè)，某一巷道中的貨物只能從就近的主通道完成出入庫作業(yè)；（6）四向穿梭車需要換層時(shí)隨機(jī)選擇提升機(jī)進(jìn)行換層作業(yè)。

4.統(tǒng)計(jì)與優(yōu)化

在初始方案下，系統(tǒng)有兩個(gè)提升機(jī)分別位于左右兩側(cè)，討論不同四向車數(shù)量對系統(tǒng)出入庫效率的影響，通過修改四向車數(shù)量這一參數(shù)，所得數(shù)據(jù)如表5。由圖8可以看出，隨著四向車數(shù)量的增加，四向車平均利用率較為穩(wěn)定，提升機(jī)的平均利用率顯著提升，但隨著四向車數(shù)量增加到35輛左右時(shí)，提升機(jī)平均效率提升變緩，此時(shí)可考慮增加提升機(jī)數(shù)量進(jìn)一步提高系統(tǒng)出入庫效率。

表5 初始方案統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖8 初始方案統(tǒng)計(jì)圖

通過修改布局表內(nèi)數(shù)值，快速生成新的布局方案，可統(tǒng)計(jì)在4個(gè)提升機(jī)運(yùn)作下該系統(tǒng)的作業(yè)效率。新的布局如圖9所示。

圖9 新方案布局表（左）及三維展示（右）

同樣通過對四向車數(shù)量參數(shù)的快速修改，得到表6統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和圖10統(tǒng)計(jì)圖。

表6 新方案統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖10 新方案統(tǒng)計(jì)圖

如表7，對比兩方案可得，在新布局下，當(dāng)新增的提升機(jī)得到利用，即提升機(jī)平均利用率達(dá)到50%以上時(shí)，新方案每小時(shí)完成任務(wù)數(shù)可較原方案增長40%左右。

表7 方案對比

四

總結(jié)

本文基于Plant Simulation軟件搭建了四向穿梭車倉儲系統(tǒng)的參數(shù)化、模塊化仿真模塊，包括軌道模塊、儲位模塊、提升機(jī)設(shè)備模塊，同時(shí)整理出系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)與模塊的關(guān)鍵參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出一個(gè)兼具出入庫功能、多輛四向穿梭車、多提升機(jī)作業(yè)的四向穿梭車倉儲系統(tǒng)仿真模型。模塊化建模能夠提高建模效率與降低建模難度，參數(shù)化使得模型的靈活性得到提高。

四向穿梭車倉儲系統(tǒng)是未來倉儲物流的主要發(fā)展方向，四向穿梭車系統(tǒng)的科學(xué)規(guī)劃及驗(yàn)證，是售前階段的重要需求。本軟件針對這一需求，以快速、準(zhǔn)確建模為核心，并具有自主可控、便于擴(kuò)展的特點(diǎn)，適用于各類四向穿梭車售前仿真場景，對四向穿梭車系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有重要價(jià)值。

———— 物流技術(shù)與應(yīng)用 ————

編輯、排版：羅丹

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