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窄道式穿梭车自动存取立体仓库建模仿真

摘要：自动存取系统的计算机仿真模型由5个仓储式输送机，5个检索输送机，2个双向传送带，2个拣选站，7个狭窄的通道堆垛机和9310个货位组成，用ARENA仿真软件1.1版本。本模型用穿梭车从货架上提取和运送货物。用计算机仿真的AS/RS模型是用来检验整个系统的运行逻辑以确定最优的穿梭车数量（穿梭车），最优的窄道式堆垛机的利用率和系统的最大存取货量，从而确定运行部署策略。本文是仿真模型运行结果的报告。例如，提高输送机一倍的存取能力能有效的减少穿梭车大约94%的死锁情况。穿梭车从一个区域到另一个区域的拓扑结构的变化稍微地减少了提取时间，同时使穿梭车的数量从5减少到4.在这样的条件下，系统的存取量约为430。自动存取系统的最大存取两预计达到每小时33件。最优的提取时间几乎是1205秒。因此，该系统在利用率不足的条件下可能需要更少的取货站和窄道式堆垛机。

关键词：计算机仿真；自动存取系统；运行策略

1.简介

同广义上讲，自动存取系统是一个不需要人工操作的且能够自动从仓库存取出入库货物的系统[1,2]。这项定义涵盖各种各样的不同复杂程度和大小的系统。然而，长期的自动存取系统已经意味着它是一种单一类型的系统:包括多层货架，可以自动从货位上存取托盘的有轨小车，中央监控计算机和通信系统。计算机有指示，控制，并记录零件、托盘和材料的功能，且在很少或者没有人的干预下进行。

计算机仿真使用模型来提供洞察任何现实世界的行为的系统[3]。一些复杂的现实世界系统，很难通过分析或数学模型表示，但计算机仿真是一个理想的选择。使用计算机模拟或仿真现实世界系统的运行要求在建立模型时所做的假设应考虑底层集合的逻辑与数学关系。然后可以借助这个模型的运行仿真分析来理解动态系统。仿真程序通常在一段时间内以数值计算和观测记录并用统计学解释来估计实际系统的可实现性。在日益复杂和高科技系统中，仿真已经被看作是一种不可或缺的常见工具，专门用来作出实施决策[4]。

本文撰写的是窄道式穿梭车自动存取立体仓库建模仿真，用来分析AS/RS的运行逻辑和对AS/RS性能的的重要影响因素的研究。

2.建立AS/RS模型

在进行大量的准备工作后，建模和分析不同复杂程度和不同仿真环境的AS/RS。穆勒[5]讨论了库存控制策略等仓储问题和货物的分区。他提出三个很有道理的建模方法——聚合仓储，分区仓储和细化仓储建模——取决于所需详细信息的水平，可以跟踪单个商品和它的存储位置。大型的AS/RS又分为多个子系统；仓库，运输工具和货物搬运系统，而且AS/RS仓库的构建由各个子系统的最优数量决定[6]。在一个新颖的论点里，E-Chaime[7]讨论了仓储作业如何与企业中其他功能进行交互，有单一控制或双重控制，还有两种控制的混合体。他发现尽管存储队列会需要更长的时间，但是混合控制室最好的方法，不像双重控制模式，混合控制不会导致超负荷而使系统不稳定。他还得出单位载荷在仓库外的停留时间影响系统性能。在他的论文里，他认为AS/RS不是一个缓冲站，而是一个计算机控制的生产中心。在一项研究中，发现并确定了堆垛机的最优数量和传输速度的最大值，还有全局最小值[8]。现今已有各种各样的AS/RS仿真模型被建立。SIMAN/CINEMA的AS/RS模型早已有所耳闻 [9,10];在一个案例中，仿真模型被比作排队模型，以算子活动为样本[10]。Pickup and deposit(Pamp;D)公司提供了一个由存储模块和I/O系统（输送机，穿梭车，叉车）组成的6通道的AS/RS自动化仿真模型，该模型以增量方式探讨堵塞和死锁问题。

3.AS/RS研究的叙述

高能力的计划和视角布局，由有轨导引小车（穿梭车）作业的多产品AS/RS立库分别由下图1和图2表示。

该AS/RS立库由5台存储输送机，5台提取输送机，2台双向输送机，1个存取货站，2个订单提取站，7台堆垛机，有轨导引小车（穿梭车）和14个货架，总共可以存储9310个货位。货物流动方式有存储（入库），提取（出库）和拣选等，可供选择。每种操作将在后面几节介绍到。

3.1存储操作

当部分货物达到两个存储站的其中一个，如图1所示，会被给定一个ID然后放在托盘上。运输车（穿梭车）将被呼叫，当穿梭车到达时同时，托盘将会被搬运到小车上。托盘搬运到小车上的时间被定义为延迟时间。然后，有轨导引小车(穿梭车)将托盘运送到输送机的工作位置，最后由输送机将托盘输送到给定货位的货架上（见图3）。在穿梭车到达存储输送机前，监控计算机会确定队列是否已满；如果是的话，计算机将传输给穿梭车等待命令，直到有存储输送机处于空闲状态。然后由机械手将托盘从穿梭车上搬运到输送机上，最后监控计算机发出命令给窄道式堆垛机，堆垛机将托盘搬运到已定的货位。

3.2取货操作

如果实体是要提取的，对应的窄道堆垛机将由监控计算机调用到货架的某一位置，取下货物并运输到取货输送机（见图4）。如果取货输送机已满，堆垛机将会等待预定的一段时间，该货物将被送往较近的临时货位暂放。这种作业逻辑需要有空闲的堆垛机来做剩下的任务，才能避免死锁的情况。

如果取货输送机的队列被占满，堆垛机将会执行另一项取货任务，直到输送机有空闲位置可用时，计算机召回堆垛机，将暂放的货物搬运到输送机上。输送机送出后，由穿梭车将货物运送到取货站。这里穿梭车的调用准则将在第5节中解释。

3.3拣选操作

拣选操作是一个从存储位置的特别取货项目，是为了满足内外部订单的操作[11]。在某种意义上，这是批发式的库存为了满足客户的需求而制定的零售方式。拣选是任何AS/RS立库的主要功能之一，也是在所有操作中的主要出库形式。

堆垛机将会从每一个特定实体或实体集的存储位置搬运它或它们到拣选站，就像一个简单的存储或提取操作一样，当特定的实体被获取后，托盘中剩余的货物将会被送回货架上（见图5）。图6说明了在拣选散件时的运动示意图。

3.4在AS/RS作业时的潜在的死锁

当非系统故障而是因为控制逻辑出现问题时，整个AS/RS立库系统被迫停止，这就是所谓的死锁现象。在AS/RS系统中，死锁可能发生在穿梭车处于如图7所示的位置。在图中，穿梭车 B要从取货输送机提取实体C。然而被正在存储输送机卸货实体A的穿梭车 A挡住了前进的道路。存储输送机却正被实体B占用，而每个存储式或提取式输送机只能承载一个托盘的重量。与此同时，实体B在等待窄道式堆垛机将其搬运到货架上。而窄道式堆垛机上已经承载着实体D，正要搬运到取货输送机上。实体D要搬运的目的地正被实体C占据。死结就这样产生了。只有窄道式堆垛机将实体B搬离存储输送机，这个死锁才能解开。这可以通过知道窄道式堆垛机的等待存储输送机有空闲位置的等待时间来解开死锁，如果等待时间超过50秒，也就是说堆垛机将会中止当前的任务，并把实体B从存放区搬走。输送机反转，因此死锁解开。然后，实体A将被放置在存储输送机上，所以穿梭车 A可以给穿梭车 B让位，从而穿梭车 B可以提取实体C。实体C被提取后，堆垛机也可以将实体D放入取货输送机上。

4．仿真模型

该AS/RS模型是用ARENA仿真软件（1.1版本）建模的。ARENA仿真软件具有完整的仿真环境，集成了输入数据分析，建立模型，交互执行，动画，执行跟踪和核实与验证[12,13]。AS/RS仿真模型包括入库，出库，拣选操作，这些都是由ARENA的routines(模板)中创建的，即常用、辅助、运输模板。图8是ARENA仿真软件的AS/RS立库模型的截图。任何仿真软件，AS/RS仿真动画都是用来验证仿真模型的。

4.1模型参数

以下是建模的系统参数:

4.2资源分配

实体资源的分配，例如穿梭车和窄道式堆垛机通常按先到先服务（FCFS）或者先到后服务（FCLS）的排队规则。然而，相较于其他10台存储/提取输送机，实体在双向输送机上有更高的优先通过级别。因为双向输送机需要承担储存和提取两种操作，在一定的程度上可以减缓所有的操作。实体在存储/提取输送机，以及存储、提取、拣选站时，都是按先到先服务处理。穿梭车被派遣去某一个服务站或者输送机是按它们之间的距离和每台穿梭车的使用频率决定的。因此，距离最近的又使用频率最少的穿梭车将被分配任务。

拣选站的需求

5.仿真结果

建立的ARENA的AS/RS立库模型，是用来确定：

1. 三种不同的系统配置下的穿梭车的最佳数量；
   1. 穿梭车的拓扑结构在1区和2区之间
   2. 存储和提取输送机能力为1托或者2托；
2. 在三种不同的业务战略下，系统的吞吐量、出库时间、资源利用率和队列的长度；
3. 在1个小时到5个小时内实体最大提取量；

系统仿真实验结果记录在下表1和表2，其中系统配备了5台穿梭车,不同运输能力的存储和提取输送机，还有穿梭车工作拓扑区。表1记录的是性能指标，表2记录的是记录的是不同数量的穿梭车工作时的输入输出量。

根据仿真结果可以初步得出，5台穿梭车 同时工作时，穿梭车大多时间处于置忙状态，而窄道式堆垛机则常处于空闲状态。1号和13号堆垛机的使用率尤其低，造成这样的原因，我们会在6.2节中讨论。AS/RS立库的平均吞吐量在420~433之间，平均出库时间在1308~1205s之间，分别对应的是单一能力输送机/1区穿梭车拓扑和双向运输机/2区穿梭车拓扑。可以得出，如果输送机的能力是双向的话，就可以改善这种结果，此外穿梭车拓扑需要两个分区。

6仿真结果分析

6.1吞吐量

吞吐量是AS/RS立库执行操作的能力，即在给定的条件下，系统的输入，传递，输出数量，这取决于穿梭车的工作能力，控制的过程，操作的类型和系统的可靠性。图9所示的是在各种不同输送机输送能力(1/2)和不同穿梭车拓扑结构（1/2区）时，穿梭车数量变化对吞吐量的影响。当输送机的输送能力是1，而穿梭车拓扑未划分时，当穿梭车的数量从4增加到5时，吞吐量增加。在这个例子中穿梭车的最优数量是5辆。4辆穿梭车不是最优数量，而6辆穿梭车的工作量几乎等同于5辆时的工作量。因为6辆穿梭车会额外增加成本，并且更容易造成阻塞，所以穿梭车的最佳数目为配置5辆。当输送机的输送能力增加到2时而穿梭车拓扑结构未划分，当穿梭车的数量从4增加到5时，相较于单一输送能力的模型，会稍微的提高吞吐量。当模型配置4辆穿梭车和穿梭车拓扑结构为2区，且输送机输送能力为2时，最大吞吐量能达到约430件。在三种配置中，很容易知道这个配置是吞吐量最高的。

1个区穿梭车路径

2个区穿梭车路径

6.2资源的利用率

例如窄道式堆垛机、穿梭车和出入库站等资源的使用率，是指他们繁忙的时间比例。

6.2.1 穿梭车

表1中的吞吐量数字表明穿梭车被占用了大部分时间，但不幸的是ARENA软件不能记录这些。

6.2.2 站

存储站、提取站、拣选站的操作次数比为3：2：1。存储站的平均使用率为75%，提取站的使用率约32%，拣选站约60%。站的使用率取决于进入站台的实体数目和站台的处理时间。提取站相较于存储站和拣选站没有得到充分利用，所以可以将提取站和它的队列从2减小为1。

6.2.3窄道式堆垛机

所有堆垛机的平均整体使用率为15%，这意味着堆垛机的使用率低。但是，由于货架的性质使得堆垛机少于巷道数是不可行的。所以，应该尽量减少货架的数量得以减少堆垛机的数量。另一种减少堆垛机的方法是用转运车[3]，使得堆垛机能从一个巷道移动到另一个巷道。但

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