2024上海物流展|第24屆亞洲國(guó)際物流技術(shù)與運(yùn)輸系統(tǒng)展覽會(huì)(CeMAT ASIA)

時(shí)間：2024年11月5日－11月8日 地點(diǎn)：上海新國(guó)際博覽中心

中國(guó)物流與采購(gòu)聯(lián)合會(huì)、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)、德國(guó)漢諾威展覽公司、漢諾威米蘭展覽（上海）有限公司

展會(huì)介紹

亞洲物料搬運(yùn)和物流技術(shù)行業(yè) 具 規(guī) 模 的國(guó)際 展 會(huì) 之 一，亞洲國(guó)際物流技術(shù)與運(yùn)輸系統(tǒng)展覽會(huì)（簡(jiǎn)稱亞洲物流展）自2000年以來(lái)已成功舉辦了23屆，作為德國(guó)漢諾威全球工業(yè)系列展的一員，CeMAT ASIA始終秉承德國(guó)漢諾威展會(huì)科技、創(chuàng)新及服務(wù)的先進(jìn)理念，立足中國(guó)市場(chǎng)，為各展商提供高端展示平臺(tái)。

參展詳情：馮先生131 2255 2507

一種環(huán)行穿梭車系統(tǒng)作業(yè)能力簡(jiǎn)算方法

一座典型的托盤自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)主要由貨架、存儲(chǔ)設(shè)備、出入庫(kù)輸送系統(tǒng)等組成。出入庫(kù)輸送系統(tǒng)主要有存取站臺(tái)直出式、輸送機(jī)系統(tǒng)、直行穿梭車、環(huán)行穿梭車、AGV系統(tǒng)等。其中環(huán)行穿梭車系統(tǒng)因其寬泛的作業(yè)能力區(qū)間的特點(diǎn)在立庫(kù)系統(tǒng)中備受青睞，尤其近年越來(lái)越多的大場(chǎng)景、大liuliang的倉(cāng)儲(chǔ)需求下，大liuliang環(huán)行穿梭車系統(tǒng)被提出，落地項(xiàng)目層出不窮。

本文提出一種簡(jiǎn)便的環(huán)行穿梭車系統(tǒng)能力計(jì)算方法，以求可以快捷地估算環(huán)行穿梭車系統(tǒng)作業(yè)能力，為系統(tǒng)規(guī)劃提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

工程項(xiàng)目中環(huán)行穿梭車系統(tǒng)能力計(jì)算通常是在已知場(chǎng)景、已知系統(tǒng)能力要求的情況下，推算系統(tǒng)最優(yōu)的小車配置數(shù)量。目前主要采用系統(tǒng)仿真軟件模擬場(chǎng)景運(yùn)算。以AutoMod軟件為例，其計(jì)算過(guò)程是先搭建環(huán)行穿梭車的虛擬運(yùn)行場(chǎng)景，并對(duì)各個(gè)取放貨輸送站臺(tái)設(shè)定調(diào)度策略，再投入不同數(shù)量的小車，通過(guò)模擬出入庫(kù)工況連續(xù)運(yùn)行一定時(shí)間得出對(duì)應(yīng)小車數(shù)量下的系統(tǒng)能力。從而對(duì)比獲得最優(yōu)的小車數(shù)量。

采用系統(tǒng)仿真模擬真實(shí)的物流和設(shè)備運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜調(diào)度策略下的系統(tǒng)能力測(cè)算，為項(xiàng)目實(shí)施提供有效的設(shè)計(jì)依據(jù)。通過(guò)多個(gè)項(xiàng)目案例分析，仿真測(cè)算得到的系統(tǒng)能力與實(shí)物運(yùn)行能力相差無(wú)幾。然而從仿真軟件的應(yīng)用看，完成一套環(huán)行穿梭車系統(tǒng)的仿真計(jì)算需要配置輸入各種關(guān)聯(lián)參數(shù)，還要一定時(shí)間的軟件模擬運(yùn)行，這在系統(tǒng)初步論證規(guī)劃階段將占用大量的資源投入。因此，本文通過(guò)分析環(huán)行穿梭車運(yùn)行特點(diǎn)，提出基于運(yùn)動(dòng)學(xué)公式快速估算系統(tǒng)能力的方法。

圖1 典型環(huán)行穿梭車運(yùn)行場(chǎng)景

如圖1所示為一套典型的環(huán)行穿梭車系統(tǒng)出庫(kù)發(fā)貨場(chǎng)景，托盤貨物從倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)向發(fā)貨區(qū)轉(zhuǎn)運(yùn)托盤。以單循環(huán)作業(yè)為例，每臺(tái)穿梭小車運(yùn)行一圈僅執(zhí)行一條任務(wù)，從取貨站臺(tái)搬運(yùn)一件托盤到放貨站臺(tái)，如圖2。如此較容易獲得小車單循環(huán)作業(yè)的時(shí)間T=T1（行走時(shí)間）+T2（輸送時(shí)間），T1和T2均可依據(jù)速度、距離等參數(shù)通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式計(jì)算。由單車單循環(huán)作業(yè)時(shí)間即可計(jì)算單位時(shí)間的小車能力n=T0（單位時(shí)間）÷T。則，依據(jù)系統(tǒng)需求能力N（盤/時(shí)）可計(jì)算小車數(shù)量m=N÷n。

圖2 典型環(huán)形穿梭車系統(tǒng)單循環(huán)作業(yè)流程

根據(jù)上節(jié)中計(jì)算公式，小車數(shù)量與系統(tǒng)能力成正比。然而，無(wú)限增加小車數(shù)量以滿足系統(tǒng)能力，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。從環(huán)行穿梭車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)看，所有小車是在一套封閉軌道上順序運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)中第1臺(tái)車與最后1臺(tái)車出現(xiàn)“趕車效應(yīng)”時(shí)系統(tǒng)即將達(dá)到峰值能力。好比環(huán)行場(chǎng)地賽車運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)?shù)箶?shù)第1名的賽車被第1名套圈時(shí)，按賽事規(guī)定必需主動(dòng)讓出賽道讓第1名超車，以確保第1名車手可以持續(xù)跑出好成績(jī)。遺憾的是固定軌道環(huán)行穿梭車系統(tǒng)不具備超車的功能，出現(xiàn)“趕車效應(yīng)”后極有可能出現(xiàn)系統(tǒng)擁堵。

圖3 系統(tǒng)初始運(yùn)行場(chǎng)景

為方便分析系統(tǒng)“趕車效應(yīng)”，預(yù)設(shè)如下一種初始運(yùn)行場(chǎng)景。環(huán)穿系統(tǒng)中所有車輛順序排隊(duì)依次到起始站臺(tái)取貨執(zhí)行任務(wù)，如圖3。再?gòu)膱D4所示的作業(yè)流程中獲得一個(gè)時(shí)間等量判定關(guān)系，當(dāng)T（單車循環(huán)時(shí)間）=T3（從第1到第m臺(tái)車取貨總時(shí)間）時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)“趕車效應(yīng)”的臨界點(diǎn)。其中T3主要包含小車運(yùn)行到起始站臺(tái)的總時(shí)間以及物料托盤輸送對(duì)接的總時(shí)間，則T3的計(jì)算公式為：T3=(m-1)×S1/V1+(m-1)×S2/V2。由以上可推導(dǎo)臨界點(diǎn)小車數(shù)量計(jì)算式為：m=T÷(S1/V1+S2/V2)+1，式中m為小車數(shù)量、S1為小車最小跟車距離、V1為小車走行速度、S2為托盤輸送距離、V2為托盤輸送速度。

圖4 系統(tǒng)初始場(chǎng)景作業(yè)流程 

以上系統(tǒng)***能力計(jì)算方式是基于設(shè)定的計(jì)算模型以及一定的假設(shè)前提的，其中每臺(tái)車到同一個(gè)起始站臺(tái)取貨、T3取值為走行與輸送總時(shí)間是兩點(diǎn)重要假設(shè)。對(duì)于場(chǎng)景規(guī)模不大的工況，例如10個(gè)巷道左右的堆垛機(jī)立庫(kù)，第1臺(tái)車與最后1臺(tái)車在同一個(gè)站臺(tái)取貨的概率就比較大，中間車輛在臨近站臺(tái)作業(yè)對(duì)總時(shí)間影響較小。另外，對(duì)T3的定義是基于所有車輛排隊(duì)等待的極端情況，前一車輛取貨輸送時(shí)后一臺(tái)車是等待狀態(tài)，所以將輸送時(shí)間與行走時(shí)間疊加。

為了分析以上計(jì)算方法在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用的可行性及適用范圍，通過(guò)三個(gè)案例演算與對(duì)比分析加以驗(yàn)證。

1.案例一

某項(xiàng)目托盤入庫(kù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)通過(guò)2套獨(dú)立的“L”形環(huán)行穿梭車系統(tǒng)執(zhí)行。系統(tǒng)布局示意如圖5所示。

圖5 案例一系統(tǒng)布局圖

（1）系統(tǒng)車輛數(shù)計(jì)算

為確保公式計(jì)算快速準(zhǔn)確，將影響環(huán)行穿梭車系統(tǒng)能力的各參數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)表格輔助計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1。單位時(shí)間單車能力n=3600÷267=13.5盤/時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)能力需求為240盤/時(shí)，車輛數(shù)m=240÷13.5≈18臺(tái)車。

表1 案例一環(huán)穿系統(tǒng)能力計(jì)算表

（2）系統(tǒng)***能力計(jì)算

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可估算臨界點(diǎn)的小車數(shù)量m=267÷(2.5/0.5+1.5/0.27)+1=26.3，圓整取值26臺(tái)車，即軌道內(nèi)小車數(shù)量達(dá)到26臺(tái)時(shí)系統(tǒng)能力接近臨界值。根據(jù)上節(jié)單車能力13.5盤/時(shí)可推算系統(tǒng)峰值liuliang約351盤/時(shí)，考慮系統(tǒng)有效作業(yè)率0.9的系數(shù)，則系統(tǒng)***能力約316盤/時(shí)。

（3）仿真測(cè)算

通過(guò)AutoMod軟件進(jìn)行建模測(cè)算，圖6為虛擬場(chǎng)景運(yùn)行畫面。通過(guò)連續(xù)運(yùn)行（通常取10小時(shí)）統(tǒng)計(jì)作業(yè)liuliang如圖7所示，當(dāng)車輛數(shù)達(dá)到17臺(tái)車時(shí)系統(tǒng)能力超過(guò)248盤/時(shí)，系統(tǒng)利用率約99％。

圖6 案例一系統(tǒng)仿真運(yùn)行畫面

圖7 案例一系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.案例二

某項(xiàng)目成品托盤出庫(kù)發(fā)貨轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)通過(guò)一套“O”形環(huán)行穿梭車系統(tǒng)執(zhí)行。系統(tǒng)布局示意如圖8。

圖8 案例二系統(tǒng)布局圖

（1）系統(tǒng)車輛數(shù)計(jì)算

相關(guān)運(yùn)行參數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)表格計(jì)算結(jié)果如表2。單位時(shí)間單車能力n=3600÷196=18.3盤/時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)能力需求為140盤/時(shí)，車輛數(shù)m=140÷18.3≈8臺(tái)車。

表2 案例二環(huán)穿系統(tǒng)能力計(jì)算表

（2）系統(tǒng)***能力計(jì)算

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可估算臨界點(diǎn)的小車數(shù)量m=196÷(2.5/0.5+3/0.23)+1=11.8，圓整取值12臺(tái)車，即軌道內(nèi)小車數(shù)量達(dá)到12臺(tái)時(shí)系統(tǒng)能力接近臨界值。根據(jù)上節(jié)單車能力18.3盤/時(shí)可推算系統(tǒng)峰值liuliang約220盤/時(shí)，考慮系統(tǒng)有效作業(yè)率0.9的系數(shù)，則系統(tǒng)***能力約198盤/時(shí)。

（3）仿真測(cè)算

通過(guò)AutoMod軟件進(jìn)行建模測(cè)算，圖9為虛擬場(chǎng)景運(yùn)行畫面。通過(guò)連續(xù)運(yùn)行（通常取10小時(shí)）統(tǒng)計(jì)作業(yè)liuliang如圖10所示，當(dāng)車輛數(shù)達(dá)到7臺(tái)車時(shí)系統(tǒng)能力超過(guò)148盤/時(shí)，系統(tǒng)利用率約94％。

圖9 案例二系統(tǒng)仿真運(yùn)行畫面

圖10 案例二系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.案例三

某項(xiàng)目托盤入庫(kù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)通過(guò)一套“O”形環(huán)行穿梭車系統(tǒng)執(zhí)行。系統(tǒng)布局示意如圖11所示。

圖11 案例三系統(tǒng)布局圖 

（1）系統(tǒng)車輛數(shù)計(jì)算

相關(guān)運(yùn)行參數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)表格計(jì)算結(jié)果如表3。單位時(shí)間單車能力n=3600÷202=17.8盤/時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)能力需求為220盤/時(shí)，車輛數(shù)m=220÷17.8≈13臺(tái)車。

表3 案例三環(huán)穿系統(tǒng)能力計(jì)算表

（2）系統(tǒng)***能力計(jì)算

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可估算臨界點(diǎn)的小車數(shù)量m=202÷(2.5/0.5+1.5/0.27)+1=20.1，圓整取值20臺(tái)車，即軌道內(nèi)小車數(shù)量達(dá)到20臺(tái)時(shí)系統(tǒng)能力接近臨界值。根據(jù)上節(jié)單車能力17.8盤/時(shí)可推算系統(tǒng)峰值liuliang約356盤/時(shí)，考慮系統(tǒng)有效作業(yè)率0.9的系數(shù)，則系統(tǒng)***能力約320盤/時(shí)。

（3）仿真測(cè)算

通過(guò)AutoMod軟件進(jìn)行建模測(cè)算，圖12為虛擬場(chǎng)景運(yùn)行畫面。通過(guò)連續(xù)運(yùn)行（通常取10小時(shí)）統(tǒng)計(jì)作業(yè)liuliang如圖13所示，當(dāng)車輛數(shù)達(dá)到14臺(tái)車時(shí)系統(tǒng)能力超過(guò)220盤/時(shí)，系統(tǒng)利用率約98％。本項(xiàng)目落地實(shí)施方案配車數(shù)為16臺(tái)車，主要考慮系統(tǒng)利用率及應(yīng)對(duì)峰值liuliang預(yù)留一定的能力冗余，目前項(xiàng)目運(yùn)行情況良好，項(xiàng)目環(huán)穿系統(tǒng)實(shí)景如圖14所示。

圖12 案例三系統(tǒng)仿真運(yùn)行畫面

圖13 案例三系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖14 案例三環(huán)行穿梭車系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)景

4.案例對(duì)比分析

三個(gè)案例的相關(guān)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。從表中數(shù)據(jù)可知，應(yīng)對(duì)不同物料尺寸、不同軌道路徑（“O”形、“L”形）的一般環(huán)行穿梭車系統(tǒng)能力均可應(yīng)用以上公式計(jì)算方法。其中系統(tǒng)車輛數(shù)公式計(jì)算結(jié)果比較接近仿真測(cè)算，作系統(tǒng)估算時(shí)具有一定的參考價(jià)值。本文提出的公式算例雖然是以最基本的單循環(huán)作業(yè)為計(jì)算基礎(chǔ)，通過(guò)分析計(jì)算過(guò)程也是可以進(jìn)行復(fù)合循環(huán)計(jì)算的，但對(duì)于更復(fù)雜的單圈執(zhí)行多任務(wù)作業(yè)場(chǎng)景則難以勝任。調(diào)度策略因素對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的影響比重隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度大幅增加。

從計(jì)算對(duì)比看，車輛數(shù)的公式計(jì)算結(jié)果相較仿真測(cè)算既有正偏差也有負(fù)偏差。主要因?yàn)樵诟髟O(shè)計(jì)參數(shù)相同的條件下，公式計(jì)算的結(jié)果是固定的。而仿真測(cè)算可以設(shè)置站臺(tái)位置、liuliang分配、調(diào)度策略等參數(shù)，對(duì)于同一項(xiàng)目的多次仿真測(cè)算結(jié)果都有可能不同。因此，公式計(jì)算與仿真測(cè)算存在差異是難免的，基于公式估算應(yīng)用時(shí)建議增加一定冗余量以保障設(shè)備配置留有設(shè)計(jì)冗余。

對(duì)于系統(tǒng)***能力，通過(guò)案例一、案例三可見(jiàn)，小車運(yùn)行參數(shù)及物料尺寸相近時(shí)，系統(tǒng)***能力值也很接近。而案例二因托盤長(zhǎng)度尺寸大，系統(tǒng)***能力值與前兩者差異較大。從計(jì)算公式也可以看出單循環(huán)作業(yè)下系統(tǒng)峰值能力主要受最小跟車距離及物料在小車與對(duì)接站臺(tái)間輸送時(shí)間的影響，其中最小跟車距離主要與物料寬度相關(guān)、輸送時(shí)間主要與物料長(zhǎng)度相關(guān)。因此，對(duì)于物料托盤尺寸相近的環(huán)穿系統(tǒng)峰值能力趨于定值。對(duì)此，可以將其視為環(huán)穿系統(tǒng)的一階能力，不受關(guān)聯(lián)系統(tǒng)影響，只要系統(tǒng)穩(wěn)定、車輛充足即可實(shí)現(xiàn)。而更大liuliang環(huán)穿系統(tǒng)則是一個(gè)大系統(tǒng)問(wèn)題，需與上下游系統(tǒng)協(xié)作，通過(guò)合理的車輛調(diào)度邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。從以上系統(tǒng)仿真的曲線圖也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)能力超過(guò)300盤/時(shí)的能力曲線還有上升空間。因?yàn)檐浖抡婺M場(chǎng)景通常會(huì)設(shè)定比較理想的調(diào)度策略，站臺(tái)liuliang均勻分配，使得系統(tǒng)內(nèi)小車可以持續(xù)執(zhí)行搬運(yùn)任務(wù)。

采用運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)公式計(jì)算穿梭車系統(tǒng)能力是基于小車行走啟動(dòng)加減速、托盤水平位移行程等物理基礎(chǔ)原理，并借助excel等數(shù)據(jù)處理工具輔助快速獲得系統(tǒng)車輛配置等初始設(shè)計(jì)參數(shù)。

對(duì)于系統(tǒng)***能力，通過(guò)提出“趕車效應(yīng)”的理論模型，獲得了公式計(jì)算系統(tǒng)能力臨界值的方法。通過(guò)案例對(duì)比，對(duì)于常用的托盤尺寸物料在一般工況下系統(tǒng)單循環(huán)***能力值基本在320盤/時(shí)左右，這一結(jié)論也在多個(gè)項(xiàng)目中采用以上計(jì)算方法得到了驗(yàn)證，本文不再逐一累述計(jì)算過(guò)程。

由此，可將“趕車效應(yīng)”視為制約系統(tǒng)能力tisheng的一種極端工況，實(shí)際項(xiàng)目中可表現(xiàn)為在某個(gè)站臺(tái)或某個(gè)區(qū)域頻繁出現(xiàn)車輛擁堵。通常可以通過(guò)優(yōu)化站臺(tái)布局、優(yōu)化取放貨流程、設(shè)計(jì)換軌道岔等方式降低“趕車效應(yīng)”出現(xiàn)的可能性，確保環(huán)穿系統(tǒng)高效運(yùn)行，以獲得更高的系統(tǒng)能力。

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