CN103287772A - 基于传送带的三维智能紧致化仓储系统的最优尺寸设计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一类三维智能紧致化仓储系统的最优设计，分别说明了系统在执行随机存储策略或分类存储策略(基于货物周转率的高低把系统分成两块存储区域)下，找出了货架在水平、垂直以及深度方向三个维度上的不同尺寸对自动存取堆垛机运行时间的影响，确定了货架设计的最优尺寸和在分类仓储时仓储区域的最优边界问题。最优设计服从于最小化系统对顾客的反应时间，提高了三维智能紧致化仓储系统系统的作业效率。

Description

基于传送带的三维智能紧致化仓储系统的最优尺寸设计

技术领域

本发明涉及一种最优设计方法，具体的说，是一种适用于三维智能紧致化仓储系统的货架结构比例的最优尺寸设计。

背景技术

近年来，伴随着土地资源的稀缺、信息和自动化技术的不断发展，紧致化仓储系统的应用需求日益增加。相对于传统的仓储系统，智能紧致化仓储系统具有以下优点：(1)高密度存储。只需要相对较小的占地面积，从而节约了空间资源。(2)仓储系统全自动化。这种仓储系统的全自动化使其快速检索和存储货物，极大地节省了人力资源和时间资源。(3)智能化。如果可以预知检索需求的分布信息，该系统就可以自动提前将单元负载分类，从而使得某负载在需要时被迅速地检索。

本发明主要是关于仓储系统中货架的最优长度、深度和高度的设计，以及系统在执行分类仓储时各个仓储区域最优边界尺寸的确定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的基于传送带的三维智能紧致化仓储系统的货架设计方法以及如何使用分类仓储。这个系统的仓储效率不仅依赖于它的物理设计、所采用的物料处理系统的速度，并且还依赖于货架的结构比例以及所采用的存储策略。

本发明中所介绍的系统的结构和工作方式如下：一类基于传送带的三维智能紧致化仓储系统，其结构由货架、自动存取堆垛机、以及一系列安装在货架中的可以把货物转出的回路传送带组成，可使货物在货架深宽高三维方向上均实现多层紧密排放并且每一个货物均可被快速的取出。存储货物的方法是：自动存取堆垛机把货物放到指定传送带前面存取台的空位上，然后用回路传送带把货物送到指定的存储位置。取货的方法是：回路传送带可把放在其上的货物从货架里面移出至货架前面的仓储面，再由自动存取堆垛机从货架的前面取货到系统的出入点。

本发明主要解决了基于两个仓储策略下的系统最优设计问题，分别是基于随机和分类仓储策略下的仓储系统最优边界的设计问题。对于分类仓储，我们考虑以下ABC曲线特征，其表示所有货物单位时间内周转率分布，可表达为：

A(i)＝i

其中，i表示库存产品所占的百分比，A(i)表示整个负载中需求(即用单位时间内对应负荷被取货的次数来衡量)的累积百分比，s(i/A(i))表示ABC曲线的倾斜系数，s越小表明越多的存取活动是针对第I区域中的货物。据此可以区分出货物是属于高周转率还是低周转率，从而决定把它们放置在仓储系统中的哪个区域。当s＝1即20％/20％，表示20％的货物对应20％的存取活动，当s＝0.07即20％/90％，表示20％的货物对应90％的存取活动。

我们主要考虑把系统中的负载按照周转率分类，分为高周转率负荷和低周转率负荷，并把系统对应分为两个区域。离出入口比较近的第I区域用来存储高周转率负荷，而高出入口比较远的第II区域用来存储低周转率负荷，在各个区域中的负荷采取随机存储。这时最优边界的设计主要包括第II区域(也就是货架)在三个维度(水平方向、垂直方向以及深度方向)上的最优尺寸的设计以及第I区域在整个货架中所应占的体积比的最优设计问题。通过这些边界的最优设计，以实现自动存取堆垛机的运行时间的最小，从而提高仓储作业的效率。事实上，随机仓储是分类仓储下当s＝1(20％/20％)，G₁＝1或0时的特例。此时，仓储的作业效率不受ABC曲线变化的影响，属随机仓储。

本发明得出的主要结果如下：

(1)在系统执行随机存储策略下，当货架在水平方向、垂直方向和深度方向上的尺寸(以堆垛机移货时间为衡量单位)比例为

0.72∶0.72∶1

这时自动存取堆垛机的最小期望取货时间可达：

其中，V是以时间来衡量的货架的存储容量且V＝t_h*t_v*t_c。由于模型中假设自动存取堆垛机在水平方向、垂直方向以及传送带在深度方向上匀速运行，从而可以用t_h、t_v、t_c(即自动存取堆垛机在水平方向、垂直方向上的运行时间以及传送带在深度方向上的运行时间)来分别表示货架在水平方向、垂直方向以及深度方向上的长度。当用立方米来衡量货架的存储容量V′时，V′＝L*H*S，其中L、H、S分别为用来来衡量的货架在水平、垂直以及深度方向的尺寸。V和V′两者之间的换算为：

(2)在系统总的存储容量V给定的情况下，如果货架在高度或者水平维度上的尺寸受到了限制，仍然可以在不改变存储体积的情况下通过调整其他两个维度上的尺寸比例来降低自动存取堆垛机的期望取货时间。总的原则是当货架的存储表面越接近正方形时，即货架在水平和垂直方向上的尺寸越接近时，自动存取堆垛机的期望运行时间越短。

(3)本发明给出了系统在执行分类存储策略(基于货物周转率的高低把系统分成两个存储区域)下，第I区域和第II区域在水平方向、垂直方向以及深度方向三个维度上的最优尺寸比例以及第I区域在整体货架中所占的体积(用运行时间来衡量)比例的最优解。

(4)当系统中第I区域和整个货架的体积比G₁取最优解时，第I区域和第II区域在水平、垂直以及深度方向三个维度上的最优尺寸比例的作用效果(即对自动存取堆垛机期望运行时间的缩短幅度)在很大程度上取决于ABC曲线的倾斜系数s(x％/y％，即x％的货物对应y％的存取活动)的取值，并且当s越小时，这种改善效果越明显。例如在表1中，当ABC曲线从20％/20％变为20％/30％时，自动存取堆垛机的期望运行时间降低(1.38-1.34)/1.38＝2.73％，当ABC曲线从20％/80％变为20％/90％时，自动存取堆垛机的期望运行时间降低(0.98-0.77)/0.98＝22.13％。

(5)若ABC曲线改变，为实现自动存取堆垛机的运行时间最短，第I区域的最优边界(即第I区域在水平方向、垂直方向以及深度方向三个维度上的尺寸比例和在整个货架中所占的体积比例)也需随之改变，但第II区域的最优边界不需要随之而改变，即对于任意ABC曲线，都可以确定一个最优的货架结构比例，或者说无论是在随机存储策略下，还是在基于分成两类的存储策略下，都可以找到一个最优的货架结构比例来最小化自动存取堆垛机的运行时间。

附图说明

图1为基于传送带的三维智能紧致化仓储系统的示意图。

图2为电力回路传送带的运作示意图。

图3为分类存储示意图。

图1中：仓储货架1、回路传送带2、堆垛机3、载货台4、载货台高度方向轨道5、地面横向轨道6。

描述了基于传送带的三维紧致化仓储系统，该系统中货物在货架深宽高三维方向上均实现多层紧密排放，最大程度地利用仓储空间。该系统主要由仓储货架(1)、一系列的回路传送带(2)、堆垛机(3)组成。取货时回路传送带可把放在其上的货物从货架里面移出至货架前面的仓储面，再由自动存取堆垛机从货架的前面取货到系统的出入点。

图2中：电力传送带上货物槽位7、电力回路传送带8。

图3中：第I区域9、第II区域10。第I区域离出入口较近，用来存储周转率较高的货物。第II区域离出入口较远，用来存储周转率较低的货物。

具体实施方式

本发明中用自动存取堆垛机的存取运行时间来衡量仓储系统的运作效率。首先是基于一定的假设提出了自动存取堆垛机运行时间的一般表达式即ESC＝E(U)+E(W)。其中ESC表示自动存取堆垛机在执行单指令下的期望运行时间，W表示下面三个时间中的最大值，即自动存取堆垛机在水平方向和垂直方向上的运行时间以及传送带将需要被检索的单元负荷移动到检索位置所需的时间。U表示自动存取堆垛机返回到出入点所需的时间。对于V＝1的情况下，得出的解析表达式为：

$t_{h1}*=t_{v1}*=\sqrt[3]{(\sqrt{10}-1)G_1/3},$ $t_{c1}*=\sqrt[3]{9G_1/{(\sqrt{10}-1)}^2},$ $t_{h2}*=t_{v2}*=\sqrt[3]{(\sqrt{10}-1)/3},$ $t_{c2}*=\sqrt[3]{9/{(\sqrt{10}-1)}^2},$

${\mathrm{ESC}}^{*}=\frac{1.38G_1^{43}(G_1^{-43}+G_1^{-(1-s)(1+s)}-G_1^{-(2/3)(2-S)(1-S)}-1}{1-G_1}$

其中，t_h1 ^*，分别表示第I区域在三个维度(水平方向、垂直方向以及深度方向)上的最优尺寸。t_h2 ^*，

分别表示第II区域在三个维度(水平方向、垂直方向以及深度方向)上的最优尺寸，即系统货架在三个维度上的尺寸。G₁表示第I区域在整个货架中所占的体积比。ESC′表示自动存取堆垛机的期望运行时间的最优值，并且这种最优值和第I区域在整体货架中所占的体积比例(即G₁)以及ABC曲线的倾斜系数s有关。如表1所示，本发明得出了当G₁和s取某些具体值时，系统的最优结构。例如当s取0.75时，货架中第I区域在水平方向、垂直方向以及深度方向上的尺寸比例应设定在0.55∶0.55∶0.77，并且第I区域在整个货架中所应占的比例为0.24，此时自动存取堆垛机的期望运行时间达到最小值1.38。从表1中还可以看出，相对于随机存储政策，系统在执行分类存储下自动存取堆垛机的期望运行时间可以得到一定的改善(即缩短)，并且当s越小时，这种改善越显著(即缩短的幅度越大)。另外，还可以通过选择最优的G₁来进一步缩短自动存取堆垛机的期望运行时间。例如在系统执行分类存储策略下，当s＝0.07(即20％的货物对应80％的存储活动)时，若第I区域所占的体积(用运行时间来衡量)比例G₁取固定值0.2时，相对于执行随机存储策略，系统可以节约32.21％的运行时间，若取最优值0.02时，则可以节约44.52％的运行时间。

表1：当ABC曲线中倾斜系数取某些具体值时系统的最优结构

注：其中s表示ABC曲线的倾斜系数；t_h′和

分别是用时间度量的货架第I区域在水平方向和垂直方向上的最优尺寸；G₁′表示第I区域与整个货架的体积比值的最优解；

表示在G₁取最优值时自动存取堆垛机的期望运行时间，ESC表示在G₁取固定值0.2时自动存取堆垛机的期望运行时间；Impro_G1(％)表示相对于随机存储政策，系统在执行分类存储政策且G₁取最优值G₁′时自动存取堆垛机的期望运行时间的改善程度(即缩短的幅度)，Impro_G1 0.2(％)表示当G₁取固定值0.2时，系统在执行分类存储政策下，相对于在随机存储政策下自动存取堆垛机的期望运行时间缩短的幅度。

表1中的数据都是在假定V＝1从而t_h1*t_v1*t_c1＝G₁的情况下得到的。当V是任意值时，利用表1中的数据均可得系统的最优解，且货架中第I区域在水平方向、垂直方向以及深度方向上的最优长度(用米来衡量)的解析表达式应为：

${L_1}^{*}={t_{h1}}^{*}{s}_h\sqrt[3]{V},$ $H_1^{*}={t_{v1}}^{*}{s}_v\sqrt[3]{V},$ ${S_1}^{*}={t_{c1}}^{*}{s}_c\sqrt[3]{V},$ ${{\mathrm{ESC}}_V}^{*}=\sqrt[3]{V}{\mathrm{ESC}}^{*}$

$L^{*}={t_{h2}}^{*}{s}_h\sqrt[3]{v},$ $H^{*}={t_{v2}}^{*}{s}_v\sqrt[3]{v},$ $S^{*}={t_{c2}}^{*}{s}_c\sqrt[3]{v}$

其中

、H₁′、S₁′、L′、H和S′以米来衡量，V以时间来衡量。s_h、s_v、s_c分别表示自动存取堆垛机在水平方向、垂直方向上以及传送带在深度方向上的运行速度(以米/秒来衡量)。

在系统执行随机存储策略下，得出的结论等同于在执行分类存储策略下当s＝1，G₁＝1或0下仓储系统的运作，此时的t_h′、

可以利用分类存储策略下

的公式得到，从而 ${t_h}^{*}={t_v}^{*}={t_{h2}}^{*}\sqrt[3]{V}={t_{v2}}^{*}\sqrt[3]{V}=0.90\sqrt[3]{V},$ ${t_c}^{*}={t_{c2}}^{*}\sqrt[3]{V}=1.24\sqrt[3]{V},$ ${\mathrm{ESC}}^{*}=1.38\sqrt[3]{V}.$

Claims (10)

1.一类基于传送带的三维智能紧致化仓储系统的最优设计，其结构特征在于：由货架(1)、自动存取堆垛机(3)、以及一系列安装在货架中的可以把货物转出的回路传送带(2)组成，可使货物在货架水平、垂直以及深度方向三个维度上均实现多层紧密排放。

2.根据权利要求1所述的一类基于传送带的三维智能紧致化仓储系统的最优设计，其特征在于：通过建立运行时间模型，建立系统在执行随机存储策略或分类存储策略下，货架的不同结构对自动存取堆垛机运行时间的不同影响，得出货架在三个维度上(水平方向、垂直方向以及深度方向)的最优尺寸和分类仓储时仓储区域间的最优边界。

3.根据权利要求1所述的一类基于传送带的三维智能紧致化仓储系统的最优设计，其特征在于：在系统执行随机存储策略下，当货架在水平方向、垂直方向和深度方向上的尺寸(单位为运行时间)比例为0.72∶0.72∶1时，自动存取堆垛机的期望运行时间达到最小值

(V是用时间来衡量的货架的存储容量)。

4.根据权利要求1所述的一类基于传送带的三维智能紧致化仓储系统的最优设计，其特征在于：在系统执行分类存储策略下，当给定V时，利用如下的解析式可以得到最优尺寸：

$t_{h1}^{*}=t_{v1}^{*}=\sqrt[3]{(\sqrt{10}-1)G_1/3V}$

$t_{c1}^{*}=\sqrt[3]{9G_1/{(\sqrt{10}-1)}^{2}V}$

$t_{h2}^{*}=t_{v2}^{*}=\sqrt[3]{(\sqrt{10}-1)/3V}$

$t_{c2}^{*}=\sqrt[3]{9/{(\sqrt{10}-1)}^{2}V}$

${\mathrm{ESC}}_V*=\frac{1.38{G_1}^{4/3}(G_1^{-4/3}+G_1^{-(1-S)/(1+S)}-G_1^{-(2/3)(2-S)/(1+S)}-1)}{1-G_1}*\sqrt[3]{V}$

其中，t_h1 ^*，t_v1 ^*，t_c1 ^*分别表示第I区域在三个维度(水平方向、垂直方向以及深度方向)上的最优尺寸，t_h2 ^*，t_v2 ^*，t_c2 ^*分别表示第II区域在三个维度(水平方向、垂直方向以及深度方向)上的最优尺寸，即系统货架在三个维度上的尺寸。

5.根据权利要求1所述的一类基于传送带的三维智能紧致化仓储系统的最优设计，其特征在于：在系统总的存储容量V给定的情况下，如果货架在水平或者垂直维度上的尺寸受到了限制，仍然可以在不改变存储体积的情况下，通过调整其他两个维度上的尺寸比例来降低自动存取堆垛机的期望运行时间，总的原则是当货架的存储表面越接近正方形时，即货架在水平和垂直方向上的尺寸越接近时，自动存取堆垛机的期望运行时间越短。

6.根据权利要求1所述的一类基于传送带的三维智能紧致化仓储系统的最优设计，其特征在于：在系统执行分类存储策略下，(即基于负荷的周转率分为两个存储区域，其中第I区域离出入口较近，用来存储周转率较高的负荷，第II区域离出入口较远，用来存储周转率较低的负荷)分别得出了第I区域和第II区域在三个维度(水平、垂直和深度方向)上的最优尺寸比例以及第I区域在整体货架中所占的体积比例的最优解，从而实现自动存取堆垛机的运行时间最短。

7.根据权利要求4所述的一类基于传送带的三维智能紧致化仓储系统的最优设计，其特征在于：分类存储策略比随机存储策略更节约自动存取堆垛机存取负荷的运行时间。

8.根据根据权利要求6所述的以分成两类为基础的三维智能紧致化仓储系统的最优设计，其特征在于：不同的G₁(即第I区域的体积与整体货架的体积的比值，体积以时间来衡量)会导致自动存取堆垛机的期望运行时间的不同，因此可以通过选择最优的G₁来缩短自动存取堆垛机的期望运行时间。

9.根据根据权利要求6所述的以分成两类为基础的三维智能紧致化仓储系统的最优设计，其特征在于：当系统中第I区域和第II区域的体积比G₁取最优解时，第I区域和第II区域在水平、垂直和深度方向三个维度上的最优尺寸比例的作用效果(即对自动存取堆垛机期望运行时间的缩短幅度)在很大程度上取决于s(i/A(i)，即ABC曲线的倾斜系数)的取值，并且当s越小时，这种改善效果越明显。

10.根据根据权利要求6所述的以分成两类为基础的三维智能紧致化仓储系统的最优设计，其特征在于：若ABC曲线改变，为实现自动存取堆垛机的运行时间最短，第I区域的最优边界(即第I区域在水平、垂直以及深度方向三个维度上的尺寸比例和在整个货架中所占的体积比例)也需随之改变，但第II区域的最优边界不需要随之而改变，即无论是在随机存储策略下，还是在基于货物周转率分成两类的存储策略下，都可以确定一个最优的整体货架结构比例来最小化自动存取堆垛机的运行时间。

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