2024上海物流展|第24屆亞洲國際物流技術與運輸系統展覽會(CeMAT ASIA)

時間：2024年11月5日－11月8日 地點：上海新國際博覽中心

中國物流與采購聯合會、中國機械工程學會、德國漢諾威展覽公司、漢諾威米蘭展覽（上海）有限公司

展會介紹

亞洲物料搬運和物流技術行業 具 規 模 的國際 展 會 之 一，亞洲國際物流技術與運輸系統展覽會（簡稱亞洲物流展）自2000年以來已成功舉辦了23屆，作為德國漢諾威全球工業系列展的一員，CeMAT ASIA始終秉承德國漢諾威展會科技、創新及服務的先進理念，立足中國市場，為各展商提供高端展示平臺。

參展詳情：馮先生131 2255 2507

一種環行穿梭車系統作業能力簡算方法

一座典型的托盤自動化立體倉庫主要由貨架、存儲設備、出入庫輸送系統等組成。出入庫輸送系統主要有存取站臺直出式、輸送機系統、直行穿梭車、環行穿梭車、AGV系統等。其中環行穿梭車系統因其寬泛的作業能力區間的特點在立庫系統中備受青睞，尤其近年越來越多的大場景、大liuliang的倉儲需求下，大liuliang環行穿梭車系統被提出，落地項目層出不窮。

本文提出一種簡便的環行穿梭車系統能力計算方法，以求可以快捷地估算環行穿梭車系統作業能力，為系統規劃提供設計依據。

工程項目中環行穿梭車系統能力計算通常是在已知場景、已知系統能力要求的情況下，推算系統最優的小車配置數量。目前主要采用系統仿真軟件模擬場景運算。以AutoMod軟件為例，其計算過程是先搭建環行穿梭車的虛擬運行場景，并對各個取放貨輸送站臺設定調度策略，再投入不同數量的小車，通過模擬出入庫工況連續運行一定時間得出對應小車數量下的系統能力。從而對比獲得最優的小車數量。

采用系統仿真模擬真實的物流和設備運行，可以實現復雜調度策略下的系統能力測算，為項目實施提供有效的設計依據。通過多個項目案例分析，仿真測算得到的系統能力與實物運行能力相差無幾。然而從仿真軟件的應用看，完成一套環行穿梭車系統的仿真計算需要配置輸入各種關聯參數，還要一定時間的軟件模擬運行，這在系統初步論證規劃階段將占用大量的資源投入。因此，本文通過分析環行穿梭車運行特點，提出基于運動學公式快速估算系統能力的方法。

圖1 典型環行穿梭車運行場景

如圖1所示為一套典型的環行穿梭車系統出庫發貨場景，托盤貨物從倉儲區向發貨區轉運托盤。以單循環作業為例，每臺穿梭小車運行一圈僅執行一條任務，從取貨站臺搬運一件托盤到放貨站臺，如圖2。如此較容易獲得小車單循環作業的時間T=T1（行走時間）+T2（輸送時間），T1和T2均可依據速度、距離等參數通過運動學公式計算。由單車單循環作業時間即可計算單位時間的小車能力n=T0（單位時間）÷T。則，依據系統需求能力N（盤/時）可計算小車數量m=N÷n。

圖2 典型環形穿梭車系統單循環作業流程

根據上節中計算公式，小車數量與系統能力成正比。然而，無限增加小車數量以滿足系統能力，顯然是不現實的。從環行穿梭車系統的結構特點看，所有小車是在一套封閉軌道上順序運行，當系統中第1臺車與最后1臺車出現“趕車效應”時系統即將達到峰值能力。好比環行場地賽車運動中，當倒數第1名的賽車被第1名套圈時，按賽事規定必需主動讓出賽道讓第1名超車，以確保第1名車手可以持續跑出好成績。遺憾的是固定軌道環行穿梭車系統不具備超車的功能，出現“趕車效應”后極有可能出現系統擁堵。

圖3 系統初始運行場景

為方便分析系統“趕車效應”，預設如下一種初始運行場景。環穿系統中所有車輛順序排隊依次到起始站臺取貨執行任務，如圖3。再從圖4所示的作業流程中獲得一個時間等量判定關系，當T（單車循環時間）=T3（從第1到第m臺車取貨總時間）時，系統出現“趕車效應”的臨界點。其中T3主要包含小車運行到起始站臺的總時間以及物料托盤輸送對接的總時間，則T3的計算公式為：T3=(m-1)×S1/V1+(m-1)×S2/V2。由以上可推導臨界點小車數量計算式為：m=T÷(S1/V1+S2/V2)+1，式中m為小車數量、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 系統初始場景作業流程 

以上系統***能力計算方式是基于設定的計算模型以及一定的假設前提的，其中每臺車到同一個起始站臺取貨、T3取值為走行與輸送總時間是兩點重要假設。對于場景規模不大的工況，例如10個巷道左右的堆垛機立庫，第1臺車與最后1臺車在同一個站臺取貨的概率就比較大，中間車輛在臨近站臺作業對總時間影響較小。另外，對T3的定義是基于所有車輛排隊等待的極端情況，前一車輛取貨輸送時后一臺車是等待狀態，所以將輸送時間與行走時間疊加。

為了分析以上計算方法在實際項目中應用的可行性及適用范圍，通過三個案例演算與對比分析加以驗證。

1.案例一

某項目托盤入庫存儲轉運作業通過2套獨立的“L”形環行穿梭車系統執行。系統布局示意如圖5所示。

圖5 案例一系統布局圖

（1）系統車輛數計算

為確保公式計算快速準確，將影響環行穿梭車系統能力的各參數通過數據表格輔助計算，計算結果如表1。單位時間單車能力n=3600÷267=13.5盤/時，當系統能力需求為240盤/時，車輛數m=240÷13.5≈18臺車。

表1 案例一環穿系統能力計算表

（2）系統***能力計算

通過以上計算結果可估算臨界點的小車數量m=267÷(2.5/0.5+1.5/0.27)+1=26.3，圓整取值26臺車，即軌道內小車數量達到26臺時系統能力接近臨界值。根據上節單車能力13.5盤/時可推算系統峰值liuliang約351盤/時，考慮系統有效作業率0.9的系數，則系統***能力約316盤/時。

（3）仿真測算

通過AutoMod軟件進行建模測算，圖6為虛擬場景運行畫面。通過連續運行（通常取10小時）統計作業liuliang如圖7所示，當車輛數達到17臺車時系統能力超過248盤/時，系統利用率約99％。

圖6 案例一系統仿真運行畫面

圖7 案例一系統仿真數據統計

2.案例二

某項目成品托盤出庫發貨轉運作業通過一套“O”形環行穿梭車系統執行。系統布局示意如圖8。

圖8 案例二系統布局圖

（1）系統車輛數計算

相關運行參數通過數據表格計算結果如表2。單位時間單車能力n=3600÷196=18.3盤/時，當系統能力需求為140盤/時，車輛數m=140÷18.3≈8臺車。

表2 案例二環穿系統能力計算表

（2）系統***能力計算

通過以上計算結果可估算臨界點的小車數量m=196÷(2.5/0.5+3/0.23)+1=11.8，圓整取值12臺車，即軌道內小車數量達到12臺時系統能力接近臨界值。根據上節單車能力18.3盤/時可推算系統峰值liuliang約220盤/時，考慮系統有效作業率0.9的系數，則系統***能力約198盤/時。

（3）仿真測算

通過AutoMod軟件進行建模測算，圖9為虛擬場景運行畫面。通過連續運行（通常取10小時）統計作業liuliang如圖10所示，當車輛數達到7臺車時系統能力超過148盤/時，系統利用率約94％。

圖9 案例二系統仿真運行畫面

圖10 案例二系統仿真數據統計

3.案例三

某項目托盤入庫存儲轉運作業通過一套“O”形環行穿梭車系統執行。系統布局示意如圖11所示。

圖11 案例三系統布局圖 

（1）系統車輛數計算

相關運行參數通過數據表格計算結果如表3。單位時間單車能力n=3600÷202=17.8盤/時，當系統能力需求為220盤/時，車輛數m=220÷17.8≈13臺車。

表3 案例三環穿系統能力計算表

（2）系統***能力計算

通過以上計算結果可估算臨界點的小車數量m=202÷(2.5/0.5+1.5/0.27)+1=20.1，圓整取值20臺車，即軌道內小車數量達到20臺時系統能力接近臨界值。根據上節單車能力17.8盤/時可推算系統峰值liuliang約356盤/時，考慮系統有效作業率0.9的系數，則系統***能力約320盤/時。

（3）仿真測算

通過AutoMod軟件進行建模測算，圖12為虛擬場景運行畫面。通過連續運行（通常取10小時）統計作業liuliang如圖13所示，當車輛數達到14臺車時系統能力超過220盤/時，系統利用率約98％。本項目落地實施方案配車數為16臺車，主要考慮系統利用率及應對峰值liuliang預留一定的能力冗余，目前項目運行情況良好，項目環穿系統實景如圖14所示。

圖12 案例三系統仿真運行畫面

圖13 案例三系統仿真數據統計

圖14 案例三環行穿梭車系統項目實景

4.案例對比分析

三個案例的相關數據匯總如表4所示。從表中數據可知，應對不同物料尺寸、不同軌道路徑（“O”形、“L”形）的一般環行穿梭車系統能力均可應用以上公式計算方法。其中系統車輛數公式計算結果比較接近仿真測算，作系統估算時具有一定的參考價值。本文提出的公式算例雖然是以最基本的單循環作業為計算基礎，通過分析計算過程也是可以進行復合循環計算的，但對于更復雜的單圈執行多任務作業場景則難以勝任。調度策略因素對復雜場景的影響比重隨著系統復雜程度大幅增加。

從計算對比看，車輛數的公式計算結果相較仿真測算既有正偏差也有負偏差。主要因為在各設計參數相同的條件下，公式計算的結果是固定的。而仿真測算可以設置站臺位置、liuliang分配、調度策略等參數，對于同一項目的多次仿真測算結果都有可能不同。因此，公式計算與仿真測算存在差異是難免的，基于公式估算應用時建議增加一定冗余量以保障設備配置留有設計冗余。

對于系統***能力，通過案例一、案例三可見，小車運行參數及物料尺寸相近時，系統***能力值也很接近。而案例二因托盤長度尺寸大，系統***能力值與前兩者差異較大。從計算公式也可以看出單循環作業下系統峰值能力主要受最小跟車距離及物料在小車與對接站臺間輸送時間的影響，其中最小跟車距離主要與物料寬度相關、輸送時間主要與物料長度相關。因此，對于物料托盤尺寸相近的環穿系統峰值能力趨于定值。對此，可以將其視為環穿系統的一階能力，不受關聯系統影響，只要系統穩定、車輛充足即可實現。而更大liuliang環穿系統則是一個大系統問題，需與上下游系統協作，通過合理的車輛調度邏輯來實現。從以上系統仿真的曲線圖也可以發現，當系統能力超過300盤/時的能力曲線還有上升空間。因為軟件仿真模擬場景通常會設定比較理想的調度策略，站臺liuliang均勻分配，使得系統內小車可以持續執行搬運任務。

采用運動學基礎公式計算穿梭車系統能力是基于小車行走啟動加減速、托盤水平位移行程等物理基礎原理，并借助excel等數據處理工具輔助快速獲得系統車輛配置等初始設計參數。

對于系統***能力，通過提出“趕車效應”的理論模型，獲得了公式計算系統能力臨界值的方法。通過案例對比，對于常用的托盤尺寸物料在一般工況下系統單循環***能力值基本在320盤/時左右，這一結論也在多個項目中采用以上計算方法得到了驗證，本文不再逐一累述計算過程。

由此，可將“趕車效應”視為制約系統能力tisheng的一種極端工況，實際項目中可表現為在某個站臺或某個區域頻繁出現車輛擁堵。通?？梢酝ㄟ^優化站臺布局、優化取放貨流程、設計換軌道岔等方式降低“趕車效應”出現的可能性，確保環穿系統高效運行，以獲得更高的系統能力。

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