自动化立体仓库的规划与设计（学习笔记）
案例: 海尔物流和立体库
海尔集团公司分析发现在整个生产过程中，最受制约的就是仓储，就是原材料和零部件的仓储和配送，所以海尔选择了这个突破口。
在青岛海尔信息园里面建了一座机械化的立体库，在黄岛开发区建了一座全自动的立体库。在国内人们因为人工成本便宜，地皮又大而质疑立体库的效果。
但海尔的事实是，黄岛立体库长120米宽60米，仓储面积5400m2，立体库有9168个标准托盘位，托盘是1.2×1米的；立体库的建筑高度是16米，放货的高度可到12.8米，每天进出的托盘达到1200个，实际能力是1600个。
5400 m2取代了原来65000 m2的外租库，而且由于使用了计算机系统，管理人员从原来的300多人降为48人。通过减少外租库的租金，外租库到车间的来回费用，节省工人工资加起来一年是1200万。
第二个作用是降低了物料的库存。因为海尔在计算机系统里都设定了，比如说只允许放7天的料，超过7天不让进，相对来说使整个库存量下降。库存量下降当时空调事业部就是一个典型的例子，大约3个月，从9月到12月降了1.4亿。
第三个作用是深化了企业物流系统的规划。因为立体库使用后是两翼推动，一是海尔要求所有的分供方按照照标准化的模式送货，所有的都是标准化的托盘，标准的周转箱。
以往都是纸箱，纸箱的坏处在于，产品的零部件容易压坏，上线的时候还要倒箱，多次倒箱增加了人工拣选，保证不了产品的质量。现在采用统一的产品包装，从分供方的厂里到海尔的生产线整个过程不用倒箱。
对车间也是一样，以往车间的效果也是脏、乱、差，使用标准箱之后，全部是叉车作业标准化。立体库对两方都产生了有利的作用，对分供方也好，对海尔内部的整个物流推进也是很重要的。
立体库具有灵活性和扩展性，刚开始设计立体库想的只是放空调的东西，但是通过计算机系统管理以后，只占很少的库容，公司马上把冰箱、洗衣机、电脑全部放进去，一下减少了这些厂的外租库，整个效果非常明显。
立体库就有这么多好处。并不一定非要建立体库，在车间旁边也可以搭立体货架，这样就节约了车间里面宝贵的生产面积，每一寸土地都得到充分的利用。
【学习内容】
第一节 仓库布置设计
第二节 自动化立体仓库的分拣作业设计
第一节 仓库布置设计
自动化立体仓库，一般指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存货物，并且用专门的仓储作业设备进行货物出库或入库作业的仓库。由于这类仓库能充分利用空间进行储存，故形象地称为立体仓库。
组成：自动化立体仓库是采用自动化存储系统(AS/RS，Automated Storage and Retrieval System)，由高层货架(High Level Rock)、巷道堆垛起重机(Stacker Crane)、出入库输送机系统(Output/ Input Conveyor)、自动化控制系统(Automatic Control System)、计算机仓库管理系统(Warehouse Management System)及周边设备(Peripheral Equipment)组成，可实现对集装单元货物自动化保管和计算机管理的仓库。
一、仓库布置设计
1．空间利用
（1）蜂窝损失
分类堆码时计算面积要考虑蜂窝损失。以图所示的分类堆码为例，图a为一个通道各有一排货物，每排货物有若干列，而每一列堆码四层。
如果在一列货堆上取走一层或几层，只要不被取尽，所产生的空缺不能被别的货物填补，留下的空位有如蜂窝，故名蜂窝形空缺，它影响了库容量的充分利用。
- 蜂窝损失空缺系数的计算如下：
空缺系数H的期望值为
式中 n— 一列货位堆码货物件数；i= 0, 1, 2...
例 求图中的蜂窝损失空缺系数。
解：图中一列货物可能有四种状态：只堆1、2、3或4层，因此相应的空缺数分别为3/4、2/4、1/4和0。设4种状态的出现概率都是1/4，则空缺系数H的期望值
同理对右图中可算出为0.4375。
（2）通道损失
通道损失则是由于通道占据了有效的堆放面积，无论分类堆码，还是货架储存，都存在通道损失。若不考虑通道深度方向的情况，通道损失可用下式计算：
La=Wa/ (Wa +2d )
式中Wa—Width of asile通道宽度，d—depth货堆深度。
计算通道损失：
例：如下图a，托盘深度为1m，叉车作业通道宽度为3m，则通道损失为3/5，即60%。可见通道损失之多。
为降低此损失，可以增加货位深度，如图b堆两排，通道损失降到3/（4＋3）＝0.429，但此时增加了蜂窝损失。
对于常见的选择式货架来说，堆垛深度最多两排，即双深式货架，此时可配用带伸缩叉的叉车。但出入库和装卸搬运等操作不太方便，需要全面考虑，具体参见后面案例。
通过上述典型计算，在货物不同深度时的通道损失、蜂窝损失及总空间损失见下表7-1。
可见，货堆越深，通道的损失越小，虽然蜂窝形的空缺损失增大，但总的库容量损失有所减少。
平面损失率很大，要提高空间利用率，只有往高度发展和降低通道宽度，这也是高层自动化立体仓库发展的一个原因。
例：某种货物C为木箱包装形式，尺寸（长×宽×高）为1000×600×700mm，箱底部平行宽度方向有两根垫木，可用叉车搬运，在仓库中堆垛放置，最高可堆4层。C货物最大库存量为600件，请考虑通道损失（设叉车直角堆垛最小通道宽度为3.6m）和蜂窝损失确定其需要的存储面积。
（一般叉车货叉长达900~1000mm ）
解：货物堆垛4层，实际占地面积为1.0×0.6×600/4=90m2。
一般叉车货叉长达900~1000mm，因此堆码时一次可以叉两件C货物。则通道分类堆垛方式为每通道两边至少各有两排货物。
若按货堆深度两排计算，此时通道损失La=3.6/(3.6+2×(0.6×2))=0.6，但取出货物时一般是一件一件取，则蜂窝损失为一列8件计，可算出蜂窝损失空缺系数E(H)=7/16=0.4375，考虑通道损失后的蜂窝损失为0.4375×(1-0.6)=0.175，合计损失为0.6+0.175=0.775。故需要的存储面积为90/(1-0.775)=400 m2。
若货堆深度更多，如4排
货物堆垛4层，实际占地面积为1.0×0.6×600/4=90m2。
若货堆深度更多，如4排，则La=3.6/(3.6+2×(0.6×4))=0.429，蜂窝损失为一列16件计，蜂窝损失空缺系数E(H)=15/32=0.46875，合计损失为0.429+0.46875×(1-0.429)=0.697，故需要的存储面积为90/(1-0.697)=297 m2
二、库容量与仓库面积
（1）库容量
仓库规模主要取决于拟存货物的平均库存量。
货物平均库存量是一个动态指标，它随货物的收发经常发生变化。
作为流通领域的经营性仓库，其库存量难以计算，但可以确定一个最大吞吐量指标；
作为制造企业内仓库，可根据历史资料和生产的发展，大体估算出平均库存量，一般应考虑5~10年后预计达到的数量。库存量以实物形态的重量表示。
在库存量大体确定后，还要根据拟存货物的规格品种、体积、单位重量、形状和包装等确定每一个货物单元的尺寸和重量，以此作为仓库的存储单元(Stock Keeping Unit, SKU)。
仓库存储单元一般以托盘或货箱为载体，每个货物单元的重量多为200~500kg，单元尺寸最好采用标准托盘尺寸。
对托盘货架仓库以托盘为单位的库存量就是库容量，它可用来确定库房面积。
（2）面积计算
- 库房面积包括有效面积和辅助面积，
有效面积指货架、料垛实际占用面积；
辅助面积指收发、分拣作业场地、通道、办公室和卫生间等需要的面积。
- 面积计算方法一般有两种：直接计算法和荷重计算法。
直接计算法是直接计算出货架、堆垛所占的面积和辅助面积等，然后相加求出总面积。
荷重计算法是一种经验算法，它根据库存量、储备期和单位面积的荷重能力来确定仓库面积，在我国计划经济时代应用较多，但因为现在储备期时间大为缩短和采用货架、托盘后货物的单位面积荷重能力数据大为改变，应用较少。
- 面积较难计算时，还可以类比同类仓库面积，比较类推出所需面积。
直接计算法面积的计算与库内货物存储方式、存取策略、空间利用、装卸搬运机械的类型以及通道等有关，在设计时应根据实际情况具体计算。
三、库房布置设计
（1）库房设计
由上述直接计算法得出存储的有效面积后，加上必要的辅助面积，就可得仓库总面积，以此可作库房设计。库房的长度与宽度（跨度）与库房面积有关，在确定的面积下，长宽可以有无数种组合，但设计要按优先比例选取，一般如下表所示。
- 确定了宽长比后，选定宽度，再定长度。如库房需要面积800m2，取宽长比1:4，则算出宽度取14m，长56m。
长宽尺寸还要符合建筑标准GBJ-2-86《建筑模数协调统一标准》，该标准规定了基本模数M0 =100mm，倍模、分模优选M0 /10， M0 /5， M0 /2，1 M0，3 M0，6 M0，15 M0，30 M0，60 M0。如库房柱距应采用6m，当库房跨度≤18m时，跨度应为3 m的倍数，当库房跨度>18 m时，跨度应为6m的倍数。故常用库房跨度6m, 9m, 12m, 15m, 18m, 24m, 30m。
如上例面积648 m2，按建筑模数修正为15m×54m或15m×60m ，总面积超出一点是可以的，因为还有许多其他因素没有考虑，应留有余地。
（2）收发站台设计
收发站台(dock)主要用于货物的装卸暂放。而且因为仓库是一个动态系统，进出频繁，需要专门考虑系统进出两端，也即收发站台的设计。
现代仓库和物流中心进出货频繁，收发货作业离不开门，库门也是站台设计布置时必须考虑的问题。为满足收发作业要求，我们还要考虑门的数量。
（3）通道设计
通道设计也是仓库规划的重要内容。通道布置的合理与否，将影响仓库作业和物流合理化，以及生产率的提高。通道设计不合理，会造成作业场地的拥挤、阻塞、生产不安全、甚至影响机械作业率。
出入库通道连接仓库收发站台和外部道路，是仓库的出入口。根据运输方式不同，对有铁路专用线的入库区，铁路专线的长度应根据出入库物料的数量和频度来确定，线路的宽度及两边的留量应根据铁路有关规定执行。对一般的汽车通道，应根据运输量、日出入库的车辆数量、机动车辆的载重量、型号等来设计道路的宽度、地面承载能力等。库区的出入口，即站台，应按作业流程设计，做到物流合理化。
- 库房通道
一般库房通道应设有纵向或横向的进出库通道，大型库房还应同时设纵向和横向进出库通道。
- 作业通道
库房内各作业区之间还应留有作业通道，通道的宽窄应根据装卸搬运机械的类型确定。
（4）物流动线
仓库布置要考虑物流模式，我们在前面所介绍的直线型、L型、U型和S型还适用。
为更好地表示仓库作业时物料、设备和人员移动的方式，我们用动线表示商品、设备（包括货品箱、托盘、料箱等）、废弃物和人员的移动路线。
布置要求全部动线完整、合理，物料、设备和人员等不能发生阻断、迂回、绕远和相互干扰等现象。
根据这一要求，可以在仓库或物流中心平面布置图上布置动线，就成为下图所示的动线图。
▲总结：
1.空间利用
（1）蜂窝损失（2）通道损失 确定其需要的存储面积。
2.库容量与仓库面积
（1）库容量（2）面积计算 货架长宽高、层数和排数
3.库房布置设计
（1）库房设计（2）收发站台设计 确定仓库收发货门数
（3）通道设计（4）物流动线
第二节 自动化立体仓库的分拣作业设计
一、拣货方式主要有哪几种？
拣货方式有4 种，即：
♦ 摘果式(Discreet picking)。一次将一个订单的所有货物从头到尾拣取。
- 优点：
一次完成，不必再分选、合并，作业方法简单；
弹性大，调整容易
适合客户少，大量订单处理，订单数量变化频繁，有季节性趋势。
- 缺点：
品种多时，拣选路径加长，拣选效率降低；
多个工人拣选不同的大数量订单时，会通道拥挤；
拣选区域大时，搬运系统设计困难。
♦ 播种式(Batch picking)。先将所有订单所要的同一种货物拣出，在暂存区再按各用户的需求二次分配。
- 优点：
缩短拣选距离；
适合订单数量庞大的系统，订单大小变化小，订单数量稳定。
- 缺点：
订单响应慢；
拣取后还要分拣，如数量多，则费时。
♦ 分区式(Zone picking)。每个拣货员负责一片存储区内货物的拣货，在一个拣货通道内，先将订单上所要货物中该通道内有的全部拣出，汇集一起后再分配。这是一种分区播种式，但要多个拣货员才能完成拣货任务。
- 优点：
每区可采用不同的技术和设备。
- 缺点：
难平衡各区工人的工作量和速度。
♦ 波浪式(Wave picking)。按照某种特征将要发货的订单分组，如同一承运商的所有订单为一组，一次完成这一组订单，下一波再拣选另一组的。例如UPS 自动仓库分拣系统就是采用这种方式。
只适合自动拣选机械的拣选。
二、自动化立体仓库按货物存取方式可分为哪两种类型？
自动库按货物存取形式可以分为单元货架式、拣选货架式。
1、ABC分类法
ABC分析法又称帕雷托(Pareto)分析法 等。它是根据事物有关方面的特征，进行分类、排队，重点和一般，以有区别地实施管理的一种分析方法 ，为了能更好的结合实际，专家提出以下的公式 :
p——总的权重，pi——各属性值，k——各属性系数 。
2、节约算法优化分拣路径
在分拣的过程中，分拣路径是很重要的因素，特别是在人工拣选的时候，在很大程度上影响着拣选的时间和效率。节约算法可以缩短拣选的路径，很合理的安排出拣选的先后顺序。
节约量公式 节约算法又称C-W 算法。它的基本思想是首先把各点单独与源点0(车场)相连，构成1条仅含一个点的线路。总费用为两倍的从原点到各点的距离的费用 。然后计算将点i和j连接在一条线路上费用的“节约值” 。
S(i,j) 越大，说明把i和i连接在一起时总路程减少越多。
图中的路线是普通的情况下，工作人员接到订单的时候要沿着货架顺序拣选一遍，这样拣选很浪费时间。
一共2500厘米，历时2分钟
这是每种货物间的距离，根据节约算法的公式，将下列数据带入，可以得出节约的路程：
|
开始 |
开始 |
||||||||||
|
a |
25 |
a |
|||||||||
|
b |
50 |
25 |
b |
||||||||
|
c |
50 |
35 |
20 |
c |
|||||||
|
d |
45 |
40 |
25 |
5 |
d |
||||||
|
e |
65 |
35 |
55 |
20 |
25 |
e |
|||||
|
f |
45 |
35 |
60 |
45 |
40 |
45 |
f |
||||
|
g |
50 |
45 |
65 |
50 |
45 |
40 |
10 |
g |
|||
|
h |
65 |
45 |
25 |
35 |
35 |
10 |
35 |
30 |
h |
||
|
i |
100 |
40 |
15 |
30 |
30 |
10 |
50 |
50 |
20 |
i |
|
|
j |
75 |
65 |
45 |
50 |
55 |
35 |
30 |
45 |
40 |
25 |
j |
根据公式得到以下的数据，按照节约算法的思想，将节约最多的两个地点一定要联合一起拣选。
|
a |
a |
||||||||||
|
b |
50 |
b |
|||||||||
|
c |
25 |
75 |
c |
||||||||
|
d |
15 |
65 |
80 |
d |
|||||||
|
f |
5 |
5 |
15 |
15 |
f |
||||||
|
g |
60 |
5 |
15 |
15 |
45 |
g |
|||||
|
h |
30 |
75 |
60 |
55 |
30 |
40 |
h |
||||
|
e |
50 |
100 |
85 |
80 |
30 |
40 |
100 |
e |
|||
|
i |
50 |
75 |
80 |
75 |
30 |
35 |
90 |
115 |
i |
||
|
j |
0 |
45 |
35 |
25 |
25 |
15 |
65 |
75 |
80 |
j |
图中的拣选的路径中共经历了1800厘米，节省距离700厘米，节省时间0.25秒，上图是分拣区的货架的一个缩影，如果运用在实际当中，节省的拣选路径和时间都要相对的增多，对分拣过程也会有很大的影响。
这个例子里的货物较多，当货物的种类很少的时候缩短的时间会更加的明显。
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