換層子母車在智能密集存儲系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

田 博，李郝巖，李鯤鵬，王 焱，謝時軍

（北自所（北京）科技發(fā)展股份有限公司，北京 100120）

0 引言

近年來，隨著實際可供給建設(shè)存儲倉庫的土地短缺及倉儲物流業(yè)務(wù)的發(fā)展，對倉庫容量和運行能力帶來了巨大挑戰(zhàn)，要求在相同建筑面積內(nèi)盡可能多的設(shè)備和貨位，即增加存貨量。

堆垛機立體倉庫（AS/RS）是最廣泛應(yīng)用的自動化倉儲物流系統(tǒng)，但堆垛機立庫的局限性以及占地面積大的缺點限制了發(fā)展，并且系統(tǒng)的作業(yè)效率有限，尤其集中入出庫效率上并不理想，這些因素共同推動了密集式存儲系統(tǒng)的發(fā)展。

密集存儲系統(tǒng)相比較堆垛機式自動化立體庫系統(tǒng)，貨物間距進(jìn)一步壓縮，存儲量更大，密集存儲系統(tǒng)作為智能物流的新模式，應(yīng)用越來越廣泛，如乳業(yè)、藥業(yè)、酒業(yè)等行業(yè)，一方面提高了空間利用率，解決存貨量的問題；一方面對使用方式提出新要求，對傳統(tǒng)模式產(chǎn)生沖擊。

子母車式密集存儲系統(tǒng)作為密集存儲系統(tǒng)的衍生與補充，其中穿梭母車替代了堆垛機的水平運動，子車替代了堆垛機貨叉運動，提升機替代了堆垛機的垂直運動，通過三者的組合運動來實現(xiàn)貨物出入庫，其效率更高、柔性更強。目前大部分密集存儲系統(tǒng)為單層單車，每層都設(shè)置配套子母車設(shè)備，層與層之間互不相通，產(chǎn)品通過入出庫提升機轉(zhuǎn)運至相應(yīng)層后，該層的子母車設(shè)備只能完成該層的入出庫作業(yè)。

本文通過優(yōu)化物流規(guī)劃方案，子母車設(shè)備可互通換層，即通過子母車換層提升機實現(xiàn)將任意層的子母車設(shè)備調(diào)度轉(zhuǎn)運到任意貨架層，再完成該層的入出庫作業(yè)。

換層子母車系統(tǒng)能夠根據(jù)需求實現(xiàn)多層入出庫任務(wù)的執(zhí)行，在提升作業(yè)效率的同時，更具柔性和冗余度，可廣泛應(yīng)用于智能密集存儲系統(tǒng)中，具有很高的研究價值。

圖1 子母車密集存儲系統(tǒng)示意

1 系統(tǒng)組成

子母車式密集存儲系統(tǒng)主要由密集存儲貨架及子母車通道、子母穿梭車、子母穿梭車換層提升機、產(chǎn)品輸送提升機、庫端站臺設(shè)備和外設(shè)其他輸送設(shè)備系統(tǒng)組成；軟件系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等組成。

圖2 子母車換層系統(tǒng)組成方案示意圖及實物圖

1.1 密集存儲貨架

密集存儲貨架采用穿梭式貨架，是與子母車配合使用的專業(yè)特殊貨架類型，相較于常規(guī)的橫梁式貨架，穿梭式貨架通過子車軌道以及母車軌道與貨架的互相連接，具有更加緊密的連接結(jié)構(gòu)，使貨架的整體性更強，相對應(yīng)的強度和剛度也隨之提高，保證貨架穩(wěn)定性。

穿梭式貨架中使用的軌道，既要保證子母車高速平穩(wěn)的運行，也同時需要保證可正常承載貨物，所以衍生了特殊的軌道類型。既可以保證子車在軌道中順利運行，又可保證貨物放置的穩(wěn)定性；且穿梭式貨架可以做到一端入庫，一端出庫，在物理上滿足貨物的先入先出。

1.2 子母穿梭車

子母穿梭車由穿梭車（The Shuttle）和衛(wèi)星小車（The Satellite）兩部分組成，穿梭車即為母車，衛(wèi)星小車圍繞著母車進(jìn)行工作，即為子車。

供電方式，母車的供電來源為軌道上的滑觸線，子車的供電來源為母車，子車自身采用48v電池供電，當(dāng)每次子車完成任務(wù)回到母車時，會有自動的供電系統(tǒng)給子車進(jìn)行充電；

信息通訊，母車是與巷道末端的AP基站進(jìn)行信息交互，接收系統(tǒng)任務(wù)，而子車是通過與母車上的基站進(jìn)行通訊接收具體任務(wù)，實現(xiàn)整體系統(tǒng)的正常通訊。

圖3 子車軌道形式及放貨示意圖和實物圖

子母穿梭車是通過子車與母車的配合運行，實現(xiàn)對具體貨物的入出庫。當(dāng)接收入庫任務(wù)時，母車從入庫站臺接收貨物，運行至相對應(yīng)的子車巷道，停準(zhǔn)后，子車會將貨物輸送至具體的貨位地址，完成入庫任務(wù)；當(dāng)接收出庫任務(wù)時，母車先運行到相對應(yīng)的子車巷道，停準(zhǔn)后，子車將相對應(yīng)的貨物輸送至母車上，母車再將貨物輸送至出庫站臺，完成出庫任務(wù)。

1.3 子母穿梭車換層提升機

子母穿梭車換層提升機是根據(jù)子母穿梭車在換層使用時的特殊性而研制的專機設(shè)備，相對于常規(guī)往復(fù)式提升機的區(qū)別在于，提升機轎廂內(nèi)的導(dǎo)軌采用母車軌道形式，且無動力輸入，需要安裝滑觸線，保證子母穿梭車從貨架區(qū)域轉(zhuǎn)換至提升機區(qū)域的持續(xù)供電，有穩(wěn)定的動力來源，才能使子母穿梭車自主完成駛?cè)?，駛出和停?zhǔn)等動作。

1.4 輸送設(shè)備

輸送設(shè)備系統(tǒng)是根據(jù)子母車式密集存儲特點所設(shè)計的滿足使用的整體輸送設(shè)備，子母穿梭車無法自主的將產(chǎn)品貨物進(jìn)行垂直方向的輸送搬運，需要配套的產(chǎn)品提升輸送系統(tǒng)進(jìn)行對接，保證把貨物可輸送至對應(yīng)的每一層。

圖4 子母車設(shè)備實物圖

2 換層子母車系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

子母車換層提升機是整套子母車換層系統(tǒng)中的核心設(shè)備，在子母車設(shè)備換層工作過程中，由于子母車設(shè)備自重較重，且再包括產(chǎn)品貨物后整體重量能夠達(dá)到2.5噸以上，子母車設(shè)備駛?cè)牒婉偝鰮Q層提升專機設(shè)備時，提升機轎廂的提升鏈條會隨之產(chǎn)生形變（隨子母車設(shè)備駛?cè)腭偝鲛I廂會產(chǎn)生回彈現(xiàn)象），導(dǎo)致固定式軌道和轎廂內(nèi)軌道的偏差增大，且子母車供電方式為滑觸線供電，所以在子母車換層過程中在不僅需要保證換層過程中轎廂穩(wěn)定性，且還需考慮子母車供電滑觸線的接頭處的精度及安全性，否則無法實現(xiàn)子母車換層運行的穩(wěn)定性。

2.1 機械關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 伸叉式停準(zhǔn)機構(gòu)

方案在換層提升機轎廂載貨臺的四角增加4套可控制的伸縮停準(zhǔn)機構(gòu)，可在對應(yīng)層高位停準(zhǔn)后，伸出停準(zhǔn)機構(gòu)，然后繼續(xù)下降至低位，4個機構(gòu)平均分布在轎廂兩側(cè)，搭載在設(shè)備兩側(cè)的緊固板上，直至升降鏈條輕微松脫，停準(zhǔn)機構(gòu)與緊固板連接可靠，為對應(yīng)層低位。此時子母車駛?cè)牒婉偝鼍辉偈茉O(shè)備提升鏈條的影響，且子母車駛?cè)腭偝鰰r的滑觸線對接精度可控制在1mm以內(nèi)，達(dá)到子母車可靠的切換，平穩(wěn)駛?cè)腭偝觥?/p>

2.1.2 雙集電臂設(shè)計

由于轎廂滑觸線與軌道滑觸線為分別供電，隨子母車駛?cè)腭偝鰮Q層提升機的過程中，會出現(xiàn)短暫斷電的情況，在子母穿梭車上設(shè)計為雙集電臂碳刷，即駛?cè)腭偝鰰r如一端脫離滑觸線，保證另一端還能取電，以滿足子母穿梭車正常使用。

圖5 子母車換層提升機實物圖

2.1.3 增加提升機轎廂的機械阻擋

在保障子母車駛?cè)腭偝鎏嵘龣C轎廂的穩(wěn)定性，同時需要提高子母車在提升機內(nèi)部行走過程中的穩(wěn)定性，重量大，且承載位置為軌道，較為光滑，而且輸送過程中會產(chǎn)生震動，增加機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行鎖死，防止發(fā)生轎廂內(nèi)部滑動。在端部增加阻擋，進(jìn)入后彈出，駛出前落下。

2.2 電氣系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 單雙閉環(huán)切換復(fù)合控制

換層提升機提升采用伺服控制，外接BPS認(rèn)址，能夠高速、穩(wěn)定的運行。在停準(zhǔn)機構(gòu)搭載在緊固板上時，其外部編碼器值固定不變但內(nèi)部編碼器值持續(xù)變化。若依舊按照原有的雙閉環(huán)控制進(jìn)行控制，則會出現(xiàn)跟隨誤差持續(xù)增大情況，輕則伺服報警，嚴(yán)重則導(dǎo)致速度環(huán)持續(xù)增大，設(shè)備高速運行，損壞設(shè)備。

控制系統(tǒng)增加了單雙閉環(huán)切換復(fù)合控制的控制方式，在停準(zhǔn)機構(gòu)伸出情況下，切換為單閉環(huán)控制，避免跟隨誤差增大情況，切除外部編碼值的雙閉環(huán)跟隨效應(yīng)，使此專機設(shè)備能夠在伺服的控制下，穩(wěn)定的搭載在緊固板上。

2.2.2 防超限系統(tǒng)

因子母車和換層提升機使用的特殊性，子母車會運行到相對靠近轉(zhuǎn)運設(shè)備的站臺進(jìn)行取放貨，由于子母車運行速度快，子母車存在沖進(jìn)設(shè)備框架內(nèi)的問題，導(dǎo)致轉(zhuǎn)運切換設(shè)備無法進(jìn)行切換，針對此問題，該項目從三個方面進(jìn)行解決：

1）機械設(shè)計：在保證整體方案滿足條件的前提下，增加入出庫站臺和設(shè)備框架的距離；

2）電氣設(shè)計：轉(zhuǎn)運設(shè)備框架和貨架子母車軌道對接位置增加對射光電設(shè)備，以此來探測子母車是否沖入換層提升機，若沖入，則報警，使設(shè)備處于急停狀態(tài)；

3）子母車控制算法：子母車定位方式為BPS定位，會記錄在站臺取貨時所能達(dá)到的最遠(yuǎn)編碼值，若超過此編碼值，會進(jìn)入報警狀態(tài)，使子母車和設(shè)備處于急停狀態(tài)；

從以上三個角度，保證了子母車運行的安全性及穩(wěn)定性。

2.3 換層子母車系統(tǒng)貨位分配及調(diào)度分析

2.3.1 貨位分配優(yōu)化分析

換層子母車式密集存儲系統(tǒng)具有母車通道，多層貨架及子車通道，貨位存儲的每個通道具有0至n個貨位，不同通道的入出邏輯也不相同，有的通道先進(jìn)先出，有的通道先進(jìn)后出，還有的通道可兩端同時入出，且需優(yōu)化計算調(diào)度子母車，在不同產(chǎn)品的生產(chǎn)入庫頻率和單次入庫數(shù)量差異巨大，需要根據(jù)入出庫統(tǒng)計，給不同產(chǎn)品分配最優(yōu)的貨位，該項目采用聚類算法實現(xiàn)：

1）將不同貨位分為k個聚類質(zhì)心點：u1，u2，u3，…，∈Rn；

2）對于每一個產(chǎn)品xi，需要計算與每個質(zhì)心uj的距離，xi則屬于與他距離最近質(zhì)心uj的簇cj：cj=argminj‖xiuj‖2，j∈1，2，3，…，k；

3）對于每個類cj，重新計算該簇質(zhì)心的值：。之后重復(fù)2）、3）進(jìn)行算法收斂，得出每個產(chǎn)品最適合存放的貨位。

2.3.2 子母車調(diào)度優(yōu)化分析

由于換層子母車式密集存儲系統(tǒng)子母車數(shù)量少于貨架層數(shù)，即并非每層貨架都有一套子母車設(shè)備，所以在產(chǎn)品入出庫時需優(yōu)化調(diào)度子母車設(shè)備，以具有8層貨架共4套子母車的方案為例，主要設(shè)計了以下4種調(diào)度分配方式，可根據(jù)實際的使用需求，采用不同模式或者可相互切換的模式。

1）固定分配原則，此方式是較簡單的分配作業(yè)方式，一套子母車設(shè)備只進(jìn)行固定兩層的入出庫任務(wù)執(zhí)行，即平均分配4臺子母車固定初始位置為1，3，5，7層，子母車1，2，3，4號依次控制1、2層，3、4層，5、6層，7、8層。

根據(jù)上圖所示，將子母車控制的貨架區(qū)域進(jìn)行固定分配確定，不需要進(jìn)行過多的計算判斷，邏輯算法簡單，但是靈活性較低，適應(yīng)于品相數(shù)量少，入出庫效率要求不高的項目。

2）就近分配原則，如4臺子母車初始位置為1，3，5，7層，2層有任務(wù)，就近調(diào)度原則進(jìn)行分配，1層和3層的子母車都可以通過換層提升機來執(zhí)行此任務(wù)，即空閑巷道最近的子母車執(zhí)行任務(wù)。

圖6 子母車固定分配示意及流程圖

根據(jù)圖7所示，就近分配原則下，中間層有入出庫作業(yè)時，可靈活調(diào)度上下兩層子母車設(shè)備來執(zhí)行該層的入出庫的任務(wù)，對比固定式分配方式增加了調(diào)度的靈活性，但是此時如果上下兩層子母車設(shè)備都有連續(xù)的作業(yè)任務(wù)，此時中間層的任務(wù)只能等待，此原則還是有一定的局限性。

圖7 子母車就近分配示意及流程圖

3）空閑分配原則，如子母車初始位置為1，3，5，7層，2層有任務(wù)，1層、3層、5層子母車都正執(zhí)行任務(wù)，則7層子母車設(shè)備將通過換層來進(jìn)行執(zhí)行此任務(wù)。

根據(jù)圖8所示，在空閑分配原則下，子母車所控制的區(qū)域會根據(jù)實際任務(wù)的需要來靈活調(diào)度子母車設(shè)備，無設(shè)備必須負(fù)責(zé)的貨架層，只針對任務(wù)來進(jìn)行執(zhí)行。對比之前兩種方式設(shè)備調(diào)度更加靈活，但是未考慮高層換至低層換層時間。

圖8 子母車空閑分配示意及流程圖

4）空閑就近分配原則，子母車初始位置為1，3，5，7層，2層有任務(wù)，1層、3層、5層子母車都正執(zhí)行任務(wù)，但是5層子母車執(zhí)行完任務(wù)后不再有任務(wù)下發(fā)，且5層子母車進(jìn)入二層時間短于7層子母車進(jìn)入2層時間，將調(diào)度5層子母車進(jìn)行執(zhí)行任務(wù)。

圖9 子母車空閑下的就近分配原則示意及流程圖

根據(jù)上圖所示，空閑就近分配原則下，計算每臺子母車的空閑時間及整體換層時間，整體考慮換層子母車系統(tǒng)的效率，會最大程度節(jié)省換層時間及次數(shù)，同時保證子母車控制層數(shù)的相對穩(wěn)定性。

子母車的調(diào)度方式主要依據(jù)實際客戶的使用情況而定，品相數(shù)量少可采用固定分配原則此方式簡單快捷；若品相數(shù)量多，采用空閑就近分配原則可更好的滿足使用效率，減少不必要的換層。

3 工程應(yīng)用與價值

本文子母車換層系統(tǒng)在實際某乳業(yè)項目進(jìn)行了應(yīng)用及驗證，此乳業(yè)項目占地面積約為1600m2，采用換層式子母車密集式存儲，每層2個母車通道，將貨架區(qū)域分為3個部分，共計4624個貨位，其中左右貨架區(qū)域先入后出，中間區(qū)域可實現(xiàn)先入先出，每個母車通道區(qū)域的8層貨架使用4套子母車，共8套子母車，在每個母車通道最端頭設(shè)置了1臺子母車換層提升機，共2臺換層提升機；其他設(shè)備包含4臺產(chǎn)品入庫提升機，4臺產(chǎn)品出庫提升機及100多臺鏈?zhǔn)捷斔驮O(shè)備。通過有優(yōu)化機械設(shè)計、電控及調(diào)度設(shè)計滿足了密集存儲系統(tǒng)中的子母車設(shè)備能夠調(diào)度到任意層，并實現(xiàn)產(chǎn)品的入出庫作業(yè)。

該項目實際使用中，換層調(diào)度兼顧設(shè)備位置和設(shè)備利用率，調(diào)度采用的空閑就近分配原則，實現(xiàn)了入庫效率135托盤/小時，出庫效率為150托盤/小時，系統(tǒng)循環(huán)作業(yè)效率180托盤/小時以上，滿足了項目要求的較高的的作業(yè)效率。項目的成功實施驗證方案的可行性及解決了密集存儲系統(tǒng)中子母車換層的設(shè)計及技術(shù)難點。

圖10 某乳業(yè)項目方案及實際圖

4 結(jié)語

通過對子母車換層在密集儲存系統(tǒng)研究及應(yīng)用驗證，探索了密集存儲系統(tǒng)新模式及新應(yīng)用，拓寬了子母車密集存儲系統(tǒng)應(yīng)用，以此方案為核心，可延伸出更系統(tǒng)智能化的物流方案。該系統(tǒng)在子母車式密集存儲系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅節(jié)省了前期業(yè)主投資，并且滿足了高效率高冗余使用，為日后密集存儲系統(tǒng)的應(yīng)用提供了良好的借鑒。