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基于标准《FEM9.851 堆垛机作业循环》的 特殊立体库的吞吐量出入库频率计算与应用研究
2021-10-26
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基于标准《FEM9.851 堆垛机作业循环》的
特殊立体库的吞吐量出入库频率计算与应用研究
（马笑 山西迎才物流设备科技有限公司 030000）
2021年10月26日
【摘要】按照FEM9.851，标准只给出了六种出入库形式的计算。实际应用中，种类繁多，而对出入库吞吐量的计算，要求日益精确。该文介绍了目前几种不同出入库形式的立体库中出入库频率的计算以及应用研究。该研究目前完全属于空白。
【关键词】FEM9.851、堆垛机、出入库频率
【参考文献】
- 《FEM9.851堆垛机作业循环》
- 《JB/T9018-2011自动化立体仓库设计规范》
- 马笑、刘昌祺《物流配送中心分类与拣货系统 实用技术》
- 马笑、刘昌祺《智能物流配送中心——设计·装备·案例》
【作者简介】马笑，男，高级工程师，山西省三晋英才，太原市高端创新人才，是多项科技成果获得者，多项专利发明人，出版专著两本，目前任山西迎才物流设备科技有限公司董事长。
欧洲机械搬运协会2003年颁布的《FEM9.851堆垛机作业循环》标准，我国的《JB/T9018-2011自动化立体仓库设计规范》，对常规立体库的出入库频率计算、测试做了详细的说明，是物流行业在规划方案时进行数据分析的重要依据。这两个标准中，FEM比JB的标准更详细，详细给出了立体库库区空间特征点的选择方法，给出了详细的计算出入库频率的流程分析、计算步骤与公式，为准确计算提供了很好的依据，在实际使用中也得到了大量的验证。
但，随着市场上各种型式立体库的出现，该标准已经不能完全涵盖市场形势。目前与客户接触时出现的各种情况。一个特殊的布局能不能满足生产节拍成为使用方与方案规划方讨论的焦点，下面是对固定转弯立体库、切换转弯立体库、智能行车立体库出入库频率的探讨。
- 固定转弯堆垛机、一个出入口型式：
（图1：某项目固定转弯型式，两个巷道，一套出入库系统）
上图是一个固定转弯、双深位型式的立体库俯视图，这样的布排在有限的空间内，显然可以存放更多的货物，用了最少的设备。上图中，除了货架外只用了一台堆垛机和一套出入库输送系统，显然，投资应该是最小的，那么，这样的布置出入库频率怎么计算呢？
在FEM9.851标准中，对双深位立体库出入库频率的计算，按照下图模型选特征点进行计算：
（图2：FEM9.851中直线段双深位型式，一套单边出入库系统出入库计算模型）
其中E点位入库点、A点位出库点、P1、P2两个特征坐标点则按照下面坐标参数进行尺寸选择。
点 | 坐标 | |
x | y | |
E=A | 0 | 0 |
P1 | 1/5L | 2/3H |
P2 | 2/3L | 1/5H |
按照此标准，以库房50米长，高度12米计算，算出的坐标点为：
点 | 坐标 | |
x | y | |
E | 0.00 | 0.70 |
N1 | 10.00 | 7.70 |
P1 | 10.00 | 7.70 |
U1 | 10.21 | 8.89 |
P1 | 10.00 | 7.70 |
N2 | 33.33 | 2.80 |
P2 | 33.33 | 2.80 |
U2 | 34.04 | 3.16 |
P2 | 33.33 | 2.80 |
A | 0.00 | 0.70 |
E | 0.00 | 0.70 |
图1所示，如果巷道没有转弯，堆垛机在直线段运行，而堆垛机以常规的运行速度为120m/min、起升速度为24m/min、货叉速度为空载60 m/min、满载30 m/min计算，按照FEM9.851模式，该库位直线段设计，计算的结果如下图，可见复合作业为27次每小时。
（图3：按照FEM9.851，直线段双深位型式，一套单边出入库系统，按照50米长13米高的出入库计算结果）
但实际上，由于堆垛机在两个巷道中运行，此计算不符合实际情况，按照图1的布置，堆垛机在行驶到最左端的转弯处的时候，线速度会从直线段的120m/min突降为30m/min，按照巷道中心距6.5m计算，该半径弯曲段需要时间t1很容易算出来，即：
t1=l1/v=6.5m*3.14/2/30=0.34min
由于货物正态分布在两个巷道中，堆垛机平均行驶在两个巷道中，因此0.34分钟内如果行驶在直线段上，堆垛机应该行驶距离为：
L2=0.34*120=40m，
这一行驶过程是影响堆垛机效率的重要因素，那我们在两个巷道的计算上，就应该叠加起来考虑，如下图，第一段实际运行50m，转弯处折合为40m，第二段为50m，合计140m，按照此段计算堆垛机运行出入库频率应重新选点：
（图4：按照FEM9.851，两个巷道加固定转弯，折合到单巷道运行，应为140米长单巷道运行。下图为按照140米长巷道运行的计算模型）
模拟叠加上转弯部分后，计算出的特征坐标点为：
| x | y |
E | 0.00 | 0.70 |
N1 | 28.00 | 7.70 |
P1 | 28.00 | 7.70 |
U1 | 28.21 | 8.89 |
P1 | 28.00 | 7.70 |
N2 | 93.33 | 2.80 |
P2 | 93.33 | 2.80 |
U2 | 94.04 | 3.16 |
P2 | 93.33 | 2.80 |
A | 0.00 | 0.70 |
E | 0.00 | 0.70 |
按照此特征点计算的结果应该如下图，计算的结果如下图，可见复合作业为19次每小时：
（图5：弯线段双深位型式，一套出入库系统模型，按照140米长巷道运行的计算结果）
至于以上计算是否为最佳的速度搭配，还要看速度与距离运行曲线。
此过程中，以E点到P1点为例，绘制水平运行与升降两个速度与距离曲线可以看出，此速度与加速度匹配是比较完美的。
（图6：从特征点E到P1点，运行与起升的速度距离曲线图）
- 固定转弯堆垛机、两个出入口型式：
如果，布置图调整为下图，两个巷道有两个出入口：
（图7：某项目固定转弯、双深位型式，两个巷道，两套出入库系统）
由于出入口在两端，那么出入库频率的计算应该包含实际的运行轨迹如下，计算的结果如下图，可见复合作业为13次每小时：
（图8：如图4，按照将弯线段折合到单巷道的双深位型式，两套出入库系统模型，按照140米长13米高的运行进行的计算结果）
从单一巷道运行次数27次，到单一巷道单面出入库形式的运行19 次，到双面出入库的13次，对效率的影响非常大。是否能达到或者满足客户需求，需要慎重考虑。
- 固定转弯堆垛机、两个出入口型式下，软件干预的结果会大相径庭：
在实际使用中，如果如图4的型式，但是在WMS软件干预的情况下，就会出现不同的结果。其使用原理是，在出入库的过程中，我们让客户在入库或者MES生产时，按照最终客户的需求，按照巷道有序进行存取，比如，第一巷道只放北京某客户的货物，第二巷道只放南京某客户的货物，这样的工作情况下，实际上真实的使用过程就会出现当北京的客户装货，南京的客户不装货的情况下或者说分时控制的情况下，尽量减少堆垛机转弯的时间浪费。
毫无疑问，这样的管控是有效的，转弯所占用的时间甚至于可以忽略，当直线段堆垛机使用，计算的结果依据图3。其效率会大大提高。
- 切换装置的转弯堆垛机、多个出入口型式，该形式下需要加权计算：
有的立体库布置，需要更多的巷道和更少的堆垛机，那么就需要切换装置。天地轨道的切换，为更多的巷道使用更少的堆垛机提供了可能。2003年，笔者参与的建设广州白云机场南航机修库，当时15个巷道运用了3台堆垛机。
（图9：带切换装置的立体库）
切换装置的使用，其影响占用了系统的时间，所以要在计算频率时按照图1转弯的方法，叠加到运行上进行考虑。比如，1巷道入3巷道出，还是1巷道入2巷道出，然后加权计算到综合系统中。
举例计算如下图：
（图9：第一巷道到第二巷道，单巷道运行模型）
（图10：第一巷道到第二巷道，双巷道，每个巷道有一个出入口运行计算结果）
（图11：第一巷道到第三巷道，单巷道运行模型）
（图12：第一巷道到第三巷道，双巷道，每个巷道有一个出入口运行计算结果计算结果）
某个案例中，如果第一巷道到第二巷道，如图10为12次每小时；如果第一道第三巷道，由于滑行转弯距离更长，计算的结果为11次每小时；再加上实际运行或者软件调度的要求为第一到第二为60%的时间，第一到第三位40%的时间，那么加权计算复合效率应该是：
12´60%+11´40%=11.6次每小时。
- 智能行车出入库频率的计算
（图13，某智能行车立体库）
如上图，采用行车式堆垛机进行不同的巷道切换，其出入库的计算方法实际上一样的。在每个巷道中按照直线段计算，切换的过程折合为堆垛机转弯的运行，然后利用FEM9.851的计算即可得出。
智能行车的种类非常多，如果将其转换为堆垛机的计算模型，其结果就很容易计算出来。
- 计算与仿真结合，可互相验证其结果：
实际过程中也有大量的仿真软件可以投入使用，供决策使用。在一个多点输入输出的立体库中，以上的仔细计算到底是否正确，在设备投入之前，再利用仿真的结果进行校核，可以使应用更接近于真相，数据更准确。
（图14，某智能立体库仿真结果输出）
- 结束语
物流方案，没有最好，适合客户的才是最好的。如何规划到一个适合客户又投资较少的方案，需要反复比较，深入探讨。目前，单纯的立体库趋向于与周边设备融合为一体，其功能也越来越复杂，出入库常常有多层多排多列出入，出入库频率分析不好直接影响到工厂的成败。
有效的较为准确的计算可以为决策提供依据，但这些计算需要逐步分解，细致准确。只有把每一步都计算进去才是准确的，才是对决策可以提供帮助的。希望我们的研究能有助于效率计算。
关键词：
迎才物流设备
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