动化立体仓库是指由多层货架搭建而成, 也称之为高架仓库。这种立体仓库集货物的运输、存取、管理于一体, 通过上位机软件总体控制, 是一种性能优越的物流仓储系统。刚开始的时候, 这些立体仓库只是用来进行单纯的货物中转, 进行货物的存储和取出。随着社会经济的发展、生产规模的不断扩大以及电商的兴起, 社会对物流仓储的需求越来越大, 仓库的功能也不再仅仅局限于简单的货物存取, 需要具有货物的收取、挑选、分类、计数、存储、发送等多种功能, 大大提高自动化水平和工作效率。

从自动化立体仓库的出现到发展成熟来看, 大致可以分为5个阶段:

(1) 人工仓储技术阶段。仓库里货物的存储、取出以及管理基本都是靠专门的仓库管理员人工操作来实现。这一时期的仓库管理设备比较简单, 仓库里的所有工作基本都是依靠操作人员手动完成, 所以操作人员熟悉货物仓储的各个环节, 对仓库的情况也是非常了解的。

(2) 机械化仓储技术阶段。随着技术的发展, 专用的作业机械出现在了仓储过程中。仓库管理人员通过操作这些专用的作业机械来实现货物的存储、周转、搬运和取出等流程。在这一阶段使用的专用作业机械主要有传送带、专用的搬运车辆、堆垛机等。

(3) 自动化仓储技术阶段。这个阶段仓库的存储使用了更多的专业机械, 引入了自动化控制, 主要有传送带、自动导引AGV小车、RFID射频识别技术、自动分拣仓储等。但是没有将这些机械进行结合组成系统, 只是单独的对这些机械进行控制。各个环节之间没有进行数据传递, 各机械之间的信息汇总还是依靠操作人员来完成。

(4) 集成自动化仓储技术阶段。自动化立体仓库有了更进一步的发展, 将前述的各种专业机械整合成了一个专用的自动化控制系统, 称之为仓储管理系统。系统自动会对仓储各环节中机械进行统一地管理和指挥, 使它们密切配合、有机协作, 发挥出各自优势, 创造最大的总体效益。发展到这个阶段的时候, 货物的存储取出等过程已经基本实现了自动化处理, 操作人员的干预已经非常少了。

(5) 智能自动化仓储技术阶段。这个阶段也是目前还在不断改进的阶段, 人工智能技术进入了自动仓储技术。系统可以根据实际需求及外界环境的变化全自动运行, 同时将系统的实时信息反应到上位机软件界面中, 以便操作人员能够及时掌握系统信息。例如, 系统会根据历史数据中存储货物的数据进行大数据分析, 对某些货物在未来一段时间的存储情况进行预测, 以便操作人员或系统自身能够对自动化仓库做出合理的分配等, 也可以在同一个仓库中根据不同客户的需求, 对仓库存储路径进行合理的优化, 提高存储效率。

立体仓库是一个全自动化的系统, 可以实现多种功能, 系统主要由5个部分组成。

(1) 货架:货架通常是由钢结构焊接而成, 每个货架上再铺上托盘用来装载货物。每两个货架之间会留有一条大约1.5米宽的走道, 我们也称为巷道, 巷道是用来给堆垛机进行物品的存储和取出工作的。货架的结构也有固定式货架和旋转式货架两种, 本文以固定式货架为例进行分析。

(2) 输送系统:主要用来实现货物的收取、拣选到货架的衔接, 是自动化立体仓库中跟外部交换货物的设备。

(3) 堆垛机:主要在巷道内工作, 用于货物的存储和取出工作。堆垛机可以在巷道内进行三维运动, 既可以沿地面直线行走, 也可以使用货叉伸出与缩回存取货物, 同时也能在巷道内做上下垂直运动。

(4) AGV小车:使用磁条或者光学引导的方式, 可以按照预定的道路行驶。

(5) 上位机管理系统:是自动化立体仓库的操作系统。

自动化立体仓库主要功能是进行货物的存取, 堆垛机是完成货物存取的关键。当上位机发出入库或出库的命令给堆垛机时, 由堆垛机根据收到命令, 按顺序将货物从指定的位置取出或者将货物存入指定的位置。一个堆垛机可以专门为一个巷道工作, 也可以同时为几个巷道工作。一个堆垛机控制一个巷道, 这种模式适合需要频繁出入库的货架, 这种方式效率比较高。而一个堆垛机控制多个巷道是指在整个仓库内使用单个堆垛机服务于所有的巷道, 完成货物的出入库作业, 这种方式成本相对较低, 但运行效率不高。

当堆垛机同时接收到多个出入库命令时, 可以采用两用作业模式:单指令作业以及复合作业。单指令作业是指有多个任务命令时, 单独完成每一个任务;复合作业是指多个拣选作业命令时, 依次完成所接收到的多个拣选作业命令之后, 再返回出入库台。如图一所示。

图一堆垛机出库作业模式   下载原图

(1) 单指令作业时间分析

堆垛机单独完成一个任务, 需要从入库台出发, 进入巷道挑选货物, 然后再将货物运到出库台, 准备下一个任务, 单次任务所需要的时间为:

其中:Toi为堆垛机从出入库台到货物所需要的时间;D为对某一个货物拣选所需时间。

(2) 复合作业时间分析

堆垛机同时接收到多个拣选任务时, 将所有的任务都完成以后, 再把所有的货物一起送到出库台, 所需要的作业时间为:

其中, Toi, D同上, Ti-1, i表示堆垛机从该货位点到下一个货位点所需的时间。

以上两种模式的作业时间可以看出, 单指令作业模式虽然单次作业时间较短, 但是需要很长的取货排队时间。相比较, 复合作业模式对堆垛机的利用率更高, 减少了任务排队的时间, 是自动化立体仓库拣选作业的首选方式。

整个货物拣选作业的流程为:首先由管理人员将拣选作业任务输入系统, 系统自动生成出库单, 系统根据仓库数据库信息对堆垛机发送拣选作业指令, 堆垛机按照指令要求按顺序拣选货架上的货物, 挑选完成后将无货运送至出库台。最后堆垛机将任务完成信息反馈到系统中, 等待系统发出新的拣选指令。拣选作业流程如图二所示。

图二拣选作业流程图   下载原图

(1) 堆垛机是自动化立体仓库中的核心部件, 直接决定了货物出入库的效率。排除堆垛机本身的影响, 对堆垛机路径的合理规划也是影响整个系统运行效率的关键因素。目前比较有效的办法可以采用某些算法, 找到一条出现多个拣选命令时的最短运行路径, 路径越短堆垛机的运行效率就越高。

(2) 如何寻找多个拣选命令时的最短运行路径, 实际就是对多个拣选命令的执行顺序进行优化排列。通常采用神经网络算法, 其中用的最多的就是遗传算法, 但是由于单一算法的局限性, 在实际的应用中通常采用将遗传算法和其他智能算法相结合来求解。