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自動(dòng)化立體倉庫的總體布置由諸多影響因素決定，例如物料流程，出、入庫能力，貨架高度，貨格尺寸，貨架總體布置形式，巷道堆垛機(jī)能力等。在項(xiàng)目前期規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，通常會(huì)根據(jù)工藝布置的相關(guān)原則以及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算布置；進(jìn)入到深化設(shè)計(jì)階段時(shí)，會(huì)根據(jù)前期規(guī)劃設(shè)計(jì)階段估算的布置尺寸進(jìn)行設(shè)備初步選型，然后再根據(jù)選定的關(guān)鍵設(shè)備巷道堆垛機(jī)的作業(yè)周期參數(shù)（即作業(yè)循環(huán)時(shí)間），對(duì)立體倉庫的估算布置面積進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證和優(yōu)化調(diào)整，從而完成優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。這是設(shè)計(jì)過程中非常重要的一環(huán)。

1 總體布置原則

立體倉庫的總體布置規(guī)劃需要遵循以下原則：

（1）直線前進(jìn)原則。要求設(shè)備安排、操作流程應(yīng)使物料搬運(yùn)和儲(chǔ)存按自然順序逐步進(jìn)行，避免迂回。

（2）能力匹配原則。設(shè)備的存儲(chǔ)和輸送能力要和系統(tǒng)的需求相協(xié)調(diào)，避免設(shè)備能力的浪費(fèi)。

（3）能力均衡原則。保持進(jìn)出庫的設(shè)備工作負(fù)荷均衡，使倉庫整體維持合理的運(yùn)行速度。

（4）最經(jīng)濟(jì)原則。保持倉庫內(nèi)每一段流程之間的最經(jīng)濟(jì)距離，節(jié)省物料轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，降低成本。

（5）冗余原則。保證一定的空間以便將來設(shè)備的改造和維修。

（6）安全性原則。設(shè)計(jì)時(shí)考慮操作人員的安全和方便。

2 立體倉庫面積靜態(tài)計(jì)算

目前主流的設(shè)計(jì)工作中，一般由業(yè)主提供工廠生產(chǎn)能力、貨物的儲(chǔ)存周期、總儲(chǔ)存量、貨物種類及尺寸、托盤規(guī)格等相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等，再根據(jù)下列經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行倉庫面積靜態(tài)估算：

式中S1——倉庫儲(chǔ)存區(qū)占地面積，m2；

S2——倉庫出入庫作業(yè)區(qū)占地面積，m2；

Qua——存儲(chǔ)貨物量，t；

G——單元貨物重量，kg；

Hw——庫房有效高度；

a1——貨架至屋架下緣距離，單深式貨架可取1.2 m；雙深式貨架可取1.4 m；

a2——下層貨物至上層貨物底之間的距離，單深式貨架可取0.24 m，雙深式貨架可取0.3 m；

K1——存儲(chǔ)密度系數(shù)，單深式貨架可取2～2.5，雙深式貨架可取1.8～2；

H——單元貨物高度，m；

L——單元貨物長度，m；

W——單元貨物寬度，m。

值得注意的是確定立體庫貨架的有效高度Hw是極其重要的，因?yàn)楦叨戎苯佑绊憘}庫的占地面積、長度、寬度、堆垛機(jī)的作業(yè)效率及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的選擇。通常，為了使巷道堆垛機(jī)在長度和高度方向移動(dòng)速度均衡，高度和長度的比值范圍采用 （1/6～1/4）[2]。由此估算出的倉庫面積S1再根據(jù)項(xiàng)目總圖特點(diǎn)得出倉庫初步的長、寬尺寸。

雖然按照經(jīng)驗(yàn)公式可以算出初步的倉庫面積及尺寸，但是上式中的設(shè)計(jì)參數(shù)均為靜態(tài)值或是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，沒有結(jié)合實(shí)際倉庫中的輸送設(shè)備即巷道堆垛機(jī)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行周期、堆垛機(jī)數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，無法滿足深化設(shè)計(jì)的要求。因此，有必要對(duì)堆垛機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)和出入庫能力計(jì)算進(jìn)行研究。

3 巷道堆垛機(jī)

自動(dòng)化立體倉庫巷道式堆垛起重機(jī)是自動(dòng)化立體倉庫中應(yīng)用最廣泛的貨物搬運(yùn)設(shè)備，也是物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)最重要的設(shè)備。堆垛機(jī)主要的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)主要有：運(yùn)行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、振動(dòng)與噪聲等。

3.1 巷道堆垛機(jī)的作業(yè)周期特點(diǎn)

巷道堆垛機(jī)的作業(yè)周期是自動(dòng)化立體倉庫總體布置的一個(gè)重要參數(shù)，它決定了系統(tǒng)是否能滿足出、入庫能力的需要和巷道堆垛機(jī)性能參數(shù)的選擇。

巷道堆垛機(jī)的出、入庫工況可分為平均單一作業(yè)循環(huán)和復(fù)合作業(yè)循環(huán)兩種，從原始位置出發(fā)到指定貨位完成一次取貨或存貨后重新回到原始位置待命為一個(gè)單一作業(yè)循環(huán)，如圖1所示。

將貨架的左下角看作坐標(biāo)原點(diǎn)O，貨架的高設(shè)為H，長設(shè)為L，在貨架中取（0.2L，0.67H）和（0.67L，0.2H）兩個(gè)貨位（即圖1 中的P1和P2），分別測量或計(jì)算到P1、P2 兩點(diǎn)的作業(yè)周期，之后求平均值，即可得到立體倉庫單作業(yè)周期的近似值。單循環(huán)作業(yè)周期計(jì)算如下：

從O點(diǎn)到P1點(diǎn)：

圖1 單一作業(yè)循環(huán)示意圖Fig.1 Single circulation sketch

從O點(diǎn)到P2點(diǎn)：

單循環(huán)作業(yè)周期：

Ts=[max （T1L，T1H） + max （T2L，T2H） ]+ 2Tf

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可得：

式中TS——堆垛機(jī)單一作業(yè)循環(huán)時(shí)間；

H——立體倉庫貨架有效高度；

L——立體倉庫貨架區(qū)總長；

VL——堆垛機(jī)水平運(yùn)行速度；

VH——堆垛機(jī)水平運(yùn)行速度；

aL——堆垛機(jī)水平運(yùn)行加速度；

aH——堆垛機(jī)垂直運(yùn)行加速度；

Tf——堆垛機(jī)貨叉伸叉時(shí)間。

從原始位置出發(fā)到某指定貨位完成一次存貨之后又到另一指定貨位完成一次取貨，然后返回原始位置為一個(gè)復(fù)合作業(yè)循環(huán)，如圖2所示。測量從原點(diǎn)至P1（P2）點(diǎn)，再到P2（P1）點(diǎn)，最后返回原點(diǎn)的作業(yè)周期并求取平均值，即可得到立體倉庫復(fù)合作業(yè)周期的近似值。

（1）從O點(diǎn)到P1點(diǎn)：

圖2 復(fù)合作業(yè)循環(huán)原理示意圖Fig.2 Double circulation sketch

（2）從P1點(diǎn)到P2點(diǎn)

（3）從O點(diǎn)到P2點(diǎn)：

復(fù)合循環(huán)作業(yè)周期：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可得：

式中TD——堆垛機(jī)復(fù)合作業(yè)循環(huán)時(shí)間。

4 立體倉庫面積動(dòng)態(tài)計(jì)算

一旦確定了巷道堆垛機(jī)的作業(yè)循環(huán)時(shí)間之后，就可以根據(jù)巷道堆垛機(jī)在巷道中的工作狀態(tài)（即單、雙循環(huán)所占比例）和巷道堆垛機(jī)使用效率計(jì)算出滿足出入庫能力的巷道堆垛機(jī)最小臺(tái)數(shù)，即巷道數(shù)[3]：

式中P——托盤單位時(shí)間內(nèi)的出入庫總量；

P1——堆垛機(jī)單循環(huán)所占比例；

P2——堆垛機(jī)復(fù)合循環(huán)所占比例；

η——堆垛機(jī)期望使用效率，0.8～0.9。

當(dāng)堆垛機(jī)最小臺(tái)數(shù)確定后，即可確定貨架行數(shù)，單伸貨架行數(shù)為2n，雙伸貨架行數(shù)為4n。

再根據(jù)單位貨架的長度、進(jìn)深、堆垛機(jī)外形尺寸、巷道行數(shù)、列數(shù)計(jì)算出立體倉庫的理論長度、寬度，最終結(jié)合立體倉庫建筑的柱網(wǎng)布置和預(yù)留公用工程的凈空、凈距離等，計(jì)算出立體倉庫的最終長度、寬度和高度。從而達(dá)到深化設(shè)計(jì)的要求。

5 項(xiàng)目驗(yàn)證案例

5.1 項(xiàng)目背景

海外某項(xiàng)目為8×105t/a 聚丙烯裝置，成品為塑料粒子，工廠操作時(shí)間為8 000 h/a，產(chǎn)品包裝規(guī)格為小袋（25 kg），小袋包裝需進(jìn)行碼垛、套膜，托盤每層5 袋，共12 層。倉儲(chǔ)周期15 天，最大儲(chǔ)存能力可達(dá)7.2×104t。某該立體倉庫采用庫架一體式設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

表1 立體倉庫設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 ASRS warehouse parameters

5.2 出入庫流程簡述

包裝、碼垛、套膜后的產(chǎn)品經(jīng)過環(huán)形懸掛穿梭系統(tǒng)輸送至立體庫入庫工作臺(tái)處，自動(dòng)化管理系統(tǒng)（WMS）根據(jù)堆垛機(jī)的繁忙程度和儲(chǔ)存區(qū)域的容量分析將托盤分配到相應(yīng)的巷道位置等待存儲(chǔ)。在出庫端，堆垛機(jī)根據(jù)自動(dòng)化管理系統(tǒng)指令提取符合牌號(hào)、日期等要求的托盤貨物送至出庫端，由出庫端的輸送機(jī)送至指定位置等待叉車裝車。

包裝碼垛系統(tǒng)所需的空托盤、包裝袋等可由出庫端叉車送入立體倉庫輸送線上，等待堆垛機(jī)送至管理系統(tǒng)指定的貨位。當(dāng)包裝廠房需要空托盤時(shí)，管理系統(tǒng)根據(jù)指定位置的信息、貨物類別信息等出庫指令找出相應(yīng)貨物，通過輸送線送至相應(yīng)的等待位置。流程如圖3所示。

圖3 包裝及立體倉庫流程圖Fig.3 Warehouse flow diagram

5.3 倉庫建筑、設(shè)備布置形式

（1）該立體倉庫采用整體式貨架，即貨架及其主要結(jié)構(gòu)均與房屋的屋頂和墻壁固連一體。

（2）儲(chǔ)存方式為單裝載單元，即在貨架貨位的深度方向只存儲(chǔ)一個(gè)貨位單元

（3）堆垛機(jī)布置為同一層建筑兩端出入庫方式。

5.4 工藝參數(shù)計(jì)算

（1）根據(jù)靜態(tài)估算公式可得貨架儲(chǔ)存區(qū)域初步面積和尺寸：

S1=13 600 m2；

L可取160 m；

W可取85 m。

倉庫出入庫作業(yè)區(qū)S2根據(jù)設(shè)備、土建需要考慮1 700 m2?？偯娣e為15 300 m2，L可取180 m，W可取85 m。

（2）巷道堆垛機(jī)性能參數(shù)如表2所示。

表2 巷道堆垛機(jī)性能參數(shù)Tab.2 Stack crane parameters

即可得出堆垛機(jī)的單一作業(yè)循環(huán)和復(fù)合作業(yè)循環(huán)時(shí)間：

TS=88 s，TD=137 s

（3）根據(jù)物流統(tǒng)計(jì)出入庫能力，如圖4所示。

圖4 出入庫能力平衡表Fig.4 Entrance and exit balance table

入庫能力為200 托盤/h，出庫能力為220 托盤/h，即單循環(huán)所占比例為10%，雙循環(huán)所占比例為90%。堆垛機(jī)使用效率按90%考慮。則堆垛機(jī)數(shù)量為：

N=18臺(tái)，單伸貨架行數(shù)為36 行。

根據(jù)已知倉庫有效高度、單層貨架高度和貨架行數(shù)，可推出貨架列數(shù)為48 列。

貨位數(shù)排列方式為：

48（列）×36（行）×14（層）=24 192（個(gè)）

最終根據(jù)單位巷道的進(jìn)深（4 250 mm）和長度（3 350 mm），可將倉庫的貨架區(qū)儲(chǔ)存面積定為80 m×165 m=13 200 m2。

倉庫出入庫作業(yè)區(qū)S2 根據(jù)設(shè)備占地、維修空間、土建需要考慮1 600 m2。總面積為14 800 m2，L可取180 m，W可取85 m。

6 結(jié)論

通過對(duì)巷道堆垛機(jī)的作業(yè)周期特點(diǎn)進(jìn)行研究以及對(duì)實(shí)際項(xiàng)目案例的說明可以看出，利用動(dòng)態(tài)計(jì)算可以使立體倉庫的總體布置面積更加精確，更加優(yōu)化，滿足深化設(shè)計(jì)過程中的要求。