動化立體倉庫是指由多層貨架搭建而成, 也稱之為高架倉庫。這種立體倉庫集貨物的運輸、存取、管理于一體, 通過上位機軟件總體控制, 是一種性能優越的物流倉儲系統。剛開始的時候, 這些立體倉庫只是用來進行單純的貨物中轉, 進行貨物的存儲和取出。隨著社會經濟的發展、生產規模的不斷擴大以及電商的興起, 社會對物流倉儲的需求越來越大, 倉庫的功能也不再僅僅局限于簡單的貨物存取, 需要具有貨物的收取、挑選、分類、計數、存儲、發送等多種功能, 大大提高自動化水平和工作效率。

從自動化立體倉庫的出現到發展成熟來看, 大致可以分為5個階段:

(1) 人工倉儲技術階段。倉庫里貨物的存儲、取出以及管理基本都是靠專門的倉庫管理員人工操作來實現。這一時期的倉庫管理設備比較簡單, 倉庫里的所有工作基本都是依靠操作人員手動完成, 所以操作人員熟悉貨物倉儲的各個環節, 對倉庫的情況也是非常了解的。

(2) 機械化倉儲技術階段。隨著技術的發展, 專用的作業機械出現在了倉儲過程中。倉庫管理人員通過操作這些專用的作業機械來實現貨物的存儲、周轉、搬運和取出等流程。在這一階段使用的專用作業機械主要有傳送帶、專用的搬運車輛、堆垛機等。

(3) 自動化倉儲技術階段。這個階段倉庫的存儲使用了更多的專業機械, 引入了自動化控制, 主要有傳送帶、自動導引AGV小車、RFID射頻識別技術、自動分揀倉儲等。但是沒有將這些機械進行結合組成系統, 只是單獨的對這些機械進行控制。各個環節之間沒有進行數據傳遞, 各機械之間的信息匯總還是依靠操作人員來完成。

(4) 集成自動化倉儲技術階段。自動化立體倉庫有了更進一步的發展, 將前述的各種專業機械整合成了一個專用的自動化控制系統, 稱之為倉儲管理系統。系統自動會對倉儲各環節中機械進行統一地管理和指揮, 使它們密切配合、有機協作, 發揮出各自優勢, 創造最大的總體效益。發展到這個階段的時候, 貨物的存儲取出等過程已經基本實現了自動化處理, 操作人員的干預已經非常少了。

(5) 智能自動化倉儲技術階段。這個階段也是目前還在不斷改進的階段, 人工智能技術進入了自動倉儲技術。系統可以根據實際需求及外界環境的變化全自動運行, 同時將系統的實時信息反應到上位機軟件界面中, 以便操作人員能夠及時掌握系統信息。例如, 系統會根據歷史數據中存儲貨物的數據進行大數據分析, 對某些貨物在未來一段時間的存儲情況進行預測, 以便操作人員或系統自身能夠對自動化倉庫做出合理的分配等, 也可以在同一個倉庫中根據不同客戶的需求, 對倉庫存儲路徑進行合理的優化, 提高存儲效率。

立體倉庫是一個全自動化的系統, 可以實現多種功能, 系統主要由5個部分組成。

(1) 貨架:貨架通常是由鋼結構焊接而成, 每個貨架上再鋪上托盤用來裝載貨物。每兩個貨架之間會留有一條大約1.5米寬的走道, 我們也稱為巷道, 巷道是用來給堆垛機進行物品的存儲和取出工作的。貨架的結構也有固定式貨架和旋轉式貨架兩種, 本文以固定式貨架為例進行分析。

(2) 輸送系統:主要用來實現貨物的收取、揀選到貨架的銜接, 是自動化立體倉庫中跟外部交換貨物的設備。

(3) 堆垛機:主要在巷道內工作, 用于貨物的存儲和取出工作。堆垛機可以在巷道內進行三維運動, 既可以沿地面直線行走, 也可以使用貨叉伸出與縮回存取貨物, 同時也能在巷道內做上下垂直運動。

(4) AGV小車:使用磁條或者光學引導的方式, 可以按照預定的道路行駛。

(5) 上位機管理系統:是自動化立體倉庫的操作系統。

自動化立體倉庫主要功能是進行貨物的存取, 堆垛機是完成貨物存取的關鍵。當上位機發出入庫或出庫的命令給堆垛機時, 由堆垛機根據收到命令, 按順序將貨物從指定的位置取出或者將貨物存入指定的位置。一個堆垛機可以專門為一個巷道工作, 也可以同時為幾個巷道工作。一個堆垛機控制一個巷道, 這種模式適合需要頻繁出入庫的貨架, 這種方式效率比較高。而一個堆垛機控制多個巷道是指在整個倉庫內使用單個堆垛機服務于所有的巷道, 完成貨物的出入庫作業, 這種方式成本相對較低, 但運行效率不高。

當堆垛機同時接收到多個出入庫命令時, 可以采用兩用作業模式:單指令作業以及復合作業。單指令作業是指有多個任務命令時, 單獨完成每一個任務;復合作業是指多個揀選作業命令時, 依次完成所接收到的多個揀選作業命令之后, 再返回出入庫臺。如圖一所示。

圖一堆垛機出庫作業模式   下載原圖

(1) 單指令作業時間分析

堆垛機單獨完成一個任務, 需要從入庫臺出發, 進入巷道挑選貨物, 然后再將貨物運到出庫臺, 準備下一個任務, 單次任務所需要的時間為:

其中:Toi為堆垛機從出入庫臺到貨物所需要的時間;D為對某一個貨物揀選所需時間。

(2) 復合作業時間分析

堆垛機同時接收到多個揀選任務時, 將所有的任務都完成以后, 再把所有的貨物一起送到出庫臺, 所需要的作業時間為:

其中, Toi, D同上, Ti-1, i表示堆垛機從該貨位點到下一個貨位點所需的時間。

以上兩種模式的作業時間可以看出, 單指令作業模式雖然單次作業時間較短, 但是需要很長的取貨排隊時間。相比較, 復合作業模式對堆垛機的利用率更高, 減少了任務排隊的時間, 是自動化立體倉庫揀選作業的首選方式。

整個貨物揀選作業的流程為:首先由管理人員將揀選作業任務輸入系統, 系統自動生成出庫單, 系統根據倉庫數據庫信息對堆垛機發送揀選作業指令, 堆垛機按照指令要求按順序揀選貨架上的貨物, 挑選完成后將無貨運送至出庫臺。最后堆垛機將任務完成信息反饋到系統中, 等待系統發出新的揀選指令。揀選作業流程如圖二所示。

圖二揀選作業流程圖   下載原圖

(1) 堆垛機是自動化立體倉庫中的核心部件, 直接決定了貨物出入庫的效率。排除堆垛機本身的影響, 對堆垛機路徑的合理規劃也是影響整個系統運行效率的關鍵因素。目前比較有效的辦法可以采用某些算法, 找到一條出現多個揀選命令時的最短運行路徑, 路徑越短堆垛機的運行效率就越高。

(2) 如何尋找多個揀選命令時的最短運行路徑, 實際就是對多個揀選命令的執行順序進行優化排列。通常采用神經網絡算法, 其中用的最多的就是遺傳算法, 但是由于單一算法的局限性, 在實際的應用中通常采用將遺傳算法和其他智能算法相結合來求解。