張 銘，張?zhí)祉槪瑥?冰，徐偉誠，魯紹坤

ZHANG Ming1, ZHANG Tian-shun1, ZHANG Bing1, XU Wei-cheng1, LU Shao-kun2

（1.云南農業(yè)大學 機電工程學院，云南 650201；2.云南農業(yè)大學 大數(shù)據(jù)學院，云南 650201）

0 引言

近幾年，機械行業(yè)一直在不斷的向自動化和智能化方向發(fā)展，在生產制造和加工等方面其自動化、智能化已達到很高的水平，自動化和智能化已經(jīng)成為了機械行業(yè)的發(fā)展趨勢。而隨著智能倉儲的興起，各種智能倉庫紛紛涌現(xiàn)。所謂智能倉庫是結合物聯(lián)網(wǎng)技術與移動互聯(lián)等新技術，實現(xiàn)倉儲體系智能化、集約化管理的智能型倉庫[1]。

但是目前的倉庫在空間布局上仍然屬于傳統(tǒng)的倉庫形式，有一定的局限性，其空間利用率有待提高，若倉庫離生產、包裝車間較遠，則貨物運輸需要耗費大量的時間，貨物損壞的幾率會很大。目前國內外對于智能倉庫的研究主要是在倉庫的管理，倉庫內環(huán)境的監(jiān)測與調控以及倉庫的輸送的方面，吳強等人[2]開發(fā)的工業(yè)園區(qū)生產物流聯(lián)動智能管理系統(tǒng)運用了RFID等先進的物聯(lián)網(wǎng)技術；劉建華等人[3]用勢場蟻群算法對運輸機器人的路徑進行規(guī)劃；李小笠等人[4]研究的嵌套分區(qū)算法對堆垛機的作業(yè)路徑進行了優(yōu)化；田世海等人[5]通過構建智能倉庫出入庫系統(tǒng)復合作業(yè)周期模型和OOTPN模型，對出入庫系統(tǒng)進行了優(yōu)化。國內的大型企業(yè)中天貓超市、菜鳥、蘇寧等物流企業(yè)的智能倉庫在中國處于領先水平，在國外Autostore等企業(yè)的智能倉庫技術的也非常成熟。如今的智能倉庫的貨架結構、堆垛技術、運輸?shù)确矫嬉呀?jīng)發(fā)生了巨大的改變，智能化的倉庫給我們的生活帶來了非常重要的影響。

雖然智能倉庫的發(fā)展十分迅速，在自動化的運輸、堆垛以及管理方面有很大的提高，但是土地價格的不斷提高，倉庫空間大小受到很大的限制，這就導致了貨物存放的數(shù)量無法太大，同時，一些企業(yè)的倉庫和生產、包裝車間之間距離較遠，在物料的運輸中會浪費大量的時間，貨物在運輸時損傷的概率很大[6]，因此需要對倉庫的結構進行合理的布局從而增強空間的利用率，在有限的空間內盡可能多的存放貨物，同時提高貨物運輸?shù)男剩档臀锲窊p壞率，從而增強倉庫的管理效率，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

1 倉庫的結構

1.1 倉庫的布局

新型智能倉庫和傳統(tǒng)的倉庫在結構布局上有很大的不同，首先，一些工廠倉庫的建設離生產、包裝車間都有一定的距離，在一些兩者相隔很遠的情況下，貨物的運輸會耗費大量的時間以及金錢，同時貨物的損壞率也會隨著路程的增加而提高。其次，一般的倉庫都有巷道來方便堆垛設備以及運輸設備的通行，這在一定的程度上也占用了倉庫不少的空間，空間利用率與貨物提取效率不高。因此，針對以上的問題設計出了一個新型的倉庫結構形式。

為了方便倉庫與生產車間之間的運輸，并且考慮到占地面積及成本，將倉庫設計在生產車間上方，倉庫的形狀可以根據(jù)車間的形狀而改變，大大提高了空間利用率，所需的貨物可以順著專門的通道直接輸送到下方車間內的生產人員身邊，方便生產的進行，降低物品損壞率，節(jié)省了運輸?shù)某杀?，同時還提高了生產效率。

在倉庫的布局方面，去掉了傳統(tǒng)倉庫中的巷道，所有的貨物通過貨架相互堆疊在一起，貨物與貨物之間，規(guī)律的布置了垂直運輸通道，從貨架頂部向下看，貨架一行中每隔三個貨位就有一個垂直運輸通道，同時一列中每隔一個貨位就有一個垂直運輸通道，因其布置的特殊，此倉庫行數(shù)與列數(shù)必須為奇數(shù)（3，5，7，…）。運輸通道中設有鏈條傳動裝置從而實現(xiàn)運輸機器人在運輸通道內上下通行。

貨物通過進庫的輸送帶輸送到智能運輸機器人上，運輸機器人進入貨架下方運行到相應的運輸通道內，然后機器人底部的小輪縮進后進入運輸通道，通過鏈條上行至相應的貨位處，最后將貨物存儲在貨位上，圖1為倉庫整體圖，圖2為倉庫貨架的結構圖。

圖1 倉庫整體圖

圖2 貨架的結構

1.2 倉庫的優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)倉庫的布局，新型智能倉庫是封閉式的，倉庫內只有運輸機器人可以在里面運行，不設置人工通道，同時，運輸機器人小巧的特性使得它們在倉庫內運行時不占用太多的空間，因此這種智能倉庫的空間利用率更高。以下將新型智能倉庫與傳統(tǒng)的倉庫形式做了一個數(shù)據(jù)對比：

新型智能倉庫，普通倉庫1和普通倉庫2的平面布置圖如圖3所示，其中新型智能倉庫的布置平面圖中畫十字部分表示運輸通道，貨架空白部分表示為貨位，貨位的大小由存放的物料決定，下圖貨位設定為1m×1m×1m，貨架周圍只有很少的多余空間，貨架幾乎占滿倉庫整個空間；普通倉庫1中貨架占倉庫空間的56.6%左右；普通倉庫2中貨架占倉庫空間的55.4%左右，實際情況不同的倉庫中貨架占據(jù)空間比會有上下浮動。

圖3 三種倉庫布置平面圖

表1是新型智能倉庫與普通智能倉庫布局的對比。

表1 新型智能倉庫與普通智能倉庫布局的對比

1）本次對比將倉庫空間按照正方形貨位大小等分的劃為數(shù)格空間。

2）取貨比：表示一個空位所對應四周貨位的比率，可以反映機器人在相同位置能取到多少貨物。

3）貨架空間利用率=貨位數(shù)/總格數(shù)。

4）倉庫空間利用率=貨位面積/倉庫總面積。

5）三種倉庫的貨位大小相同，整體高度相同。

可以發(fā)現(xiàn)新型智能倉庫相比于目前應用廣泛的倉庫，在結構上更加緊湊，空間利用效率更高，存放的貨物更多。由于新型智能倉庫的結構特點，堆垛運輸機器人更加簡單小巧，成本更低。

1.3 識別系統(tǒng)

識別系統(tǒng)是智能倉儲中很重要的一部分，倉庫的自動化、智能化都是建立在識別系統(tǒng)上，通過識別裝置檢測到貨物信息，然后傳遞給管理系統(tǒng)，最終實現(xiàn)倉庫的自動化管理。

新型智能倉庫采用的識別系統(tǒng)是目前應用最為廣泛的RFID（無線射頻識別技術）。RFID是一種無線通信技術，通過無線電訊號識別相應的目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，這種技術不需要識別裝置與特定目標之間進行物理接觸或者光學接觸，因此相比于普通的二維碼、條形碼等具有很強的優(yōu)勢。RFID的主要特點有：1）穿透性強；2）能夠快速掃描；3）數(shù)據(jù)容量大；4）體積小型化，形狀多樣化；5）可重復使用；6）使用壽命長[7]。圖4為RFID系統(tǒng)結構示意圖。

圖4 RFID系統(tǒng)

1.4 輸送系統(tǒng)

1.4.1 輸送裝置的選擇

新型智能倉庫所采用的輸送系統(tǒng)為智能運輸機器人以及輸送帶，運輸機器人可以在貨架上行走，同時可以通過鏈條傳動裝置在運輸通道中運行，運輸機器人通過旋轉輸送帶完成對四個貨位的放料和取料。

在選擇使用何種輸輸裝置時，考慮到新型智能倉庫是在車間上方，并且倉庫與車間之間空間不大，因此傳統(tǒng)的叉車無法完成工作，同時智能運輸機器人的自動化程度更高，體積更小巧，管理員可以通過無線電輕松的控制所有的運輸機器人。運輸機器人通過系統(tǒng)設定的最佳路徑以及感應器來規(guī)避其他的運輸機器人，自動的完成貨物的進庫與出庫工作。圖5為運輸機器人示意圖。

圖5 運輸機器人

1.4.2 路徑規(guī)劃

智能倉儲中的路徑規(guī)劃是十分重要的，這涉及到多機器人任務分配問題，多機器人任務分配的好壞將直接影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運行效率[8]。因此設計一個好的算法，使得運輸機器人在倉庫內流暢的運行是十分重要的，它可以幫助倉庫管理員更好地管理倉庫，節(jié)省大量的時間，使倉庫的運行變得井然有序。

新型智能倉庫采用的是拍賣算法對運輸機器人的路徑進行規(guī)劃。拍賣算法是基于合同網(wǎng)協(xié)議而建立市場機制方法，其交互情形簡單，實現(xiàn)方式可自動化。拍賣算法的任務分配形式如下：

1）任務發(fā)布。

2）系統(tǒng)進行投標。

3）所有機器人根據(jù)自身的執(zhí)行指定任務的適合度進行競標。

4）系統(tǒng)判斷將任務分配給哪個機器人。

5）機器人與發(fā)布任務者建立合同，并完成任務。

新型智能倉庫中，貨物在進出倉庫時向系統(tǒng)發(fā)布任務，每個運輸機器人可以通過自身的任務需求與離貨物距離的遠近程度進行競標，系統(tǒng)通過判斷競標機器人的情況來確定哪一個運輸機器人競標成功，然后系統(tǒng)發(fā)送任務授權合同，運輸機器人與貨物完成合同的建立。如圖6為拍賣算法流程示意圖。

圖6 拍賣算法流程圖

在多臺運輸機器人即將相碰的時候，運輸機器人上的傳感器會事先發(fā)出信號給終端系統(tǒng)，系統(tǒng)則根據(jù)各機器人運輸?shù)呢浳锏倪\輸次序以及此貨物是進庫還是出庫（出庫的優(yōu)先級比進庫高）來判斷哪個運輸機器人先行。

1.5 系統(tǒng)報警裝置

每個系統(tǒng)都會有發(fā)生故障的時候，在發(fā)生故障時要做到及時發(fā)現(xiàn)、及時處理，新型智能倉庫的故障報警系統(tǒng)會在故障發(fā)生時，設定系統(tǒng)應該如何做出反應。

新型智能倉庫的輸送帶周圍會安裝監(jiān)控器，這些監(jiān)控器會實時的將輸送帶的運動數(shù)據(jù)發(fā)送給倉庫管理系統(tǒng)，管理員隨時可以在操作系統(tǒng)上查看輸送帶的運動信

【】【】息，一旦輸送帶發(fā)生故障或者運動發(fā)生錯誤，管理員就可以第一時間發(fā)現(xiàn)并做出相應的處理[10]。同時在每個智能運輸機器人上裝有故障檢測器，當該機器人發(fā)生故障時，便立刻向系統(tǒng)報警，該機器人停止工作，同時其他的運輸機器人來代替該機器人完成相應的工作，因此即使一兩個機器人發(fā)生故障，該系統(tǒng)也可以正常完成工作。在貨物出庫時，如果運輸機器人到達相應的貨位后未檢測要出庫的貨物，則會告知系統(tǒng)，同時運送下一個貨物，而錯誤信息則由管理員通過系統(tǒng)來排查糾正。

2 應用前景

隨著智能化趨勢的不斷發(fā)展，隨著各式各樣智能化產品的不斷涌現(xiàn)，越來越多的企業(yè)開始注意到智能倉儲的價值，傳統(tǒng)的倉庫管理已經(jīng)無法滿足企業(yè)的需求，智能倉庫可以為企業(yè)提供更科學、更高效、更精確地管理。

新型智能倉庫不僅能夠節(jié)省人力，降低勞動強度，管理變得數(shù)據(jù)化、系統(tǒng)化，不會出現(xiàn)人工管理時的賬目與實際貨物不相符的情況，而且空間利用率上有顯著的提高，通過智能倉庫與地面生產車間的直接相連，極大的提高了貨物的運輸效率，降低了物品損壞率，節(jié)省了運輸成本，同時還使得生產工作效率得到顯著提升。因為倉庫的貨物基本是互相堆疊在一起，中間通過少量的運輸通道進行貨物的運輸，使得整個倉庫的存放能力得到很大的提升，空間利用率和貨物提取效率都變得更高。多臺運輸機器人同時工作，即使一臺機器人需要維護，其他的機器人也可以正常的完成工作，系統(tǒng)的容錯率很高。同時物聯(lián)網(wǎng)的使用使得管理員可以通過系統(tǒng)高效快捷的處理各種情況，輕松方便的管理倉庫。應用智能倉庫，可以為企業(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益。

隨著科技的不斷進步，倉庫一定會變得更加自動化、智能化，我們的生活也會因為智能化倉庫的發(fā)展而發(fā)生巨大的改變。

3 結論

新型智能倉庫的創(chuàng)新之處在于倉庫的結構以及布局，通過將倉庫設置在車間上方，不僅提高的貨物的運送效率，降低貨物運輸時的損傷率，還提升了生產包裝的效率；同時倉庫的布局，貨架的結構，使得倉庫的空間利用率更高，存放的貨物更多，貨物的提取效率也更高。同時結合了物聯(lián)網(wǎng)RFID（無線射頻識別技術），使得倉庫的智能化水平更高，管理更加精確、便捷。

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