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1、自动化仓库中转作业 与库容关系的研究 学校代码_10463_ 密级 硕士学位论文 自动化仓库中转作业与库容 关系的研究 作者姓名刘娟 指导教师 周全申教授 学科门类工学 学科专业 机械设计及理论 培养单位 机电工程学院 完成时间二一三年五月 THESTUDIESOFAUTOMATEDWAREHOUSETR ANSITOPERATIONSWITHTHECAPICITY ADissertationSubmittedfortheDegreeofMaster Candidate：LiuJuan Supervisor：Prof.ZhouQuanshen SchoolofMechanicalEnginee
2、ringThemostsuitablestoragecapacit y;SimulationSoftware;Reasonablematchofloadingandunloadingequipme nt 目录 摘要 I AbstractII 目录 I 第一章前言 1 1.1 课题的提出及意义 1 1.2 自动化仓库的研究背景 2 1.3 随机模拟法的应用 9 1.4 课题研究内容 10 1.5 课题的难点及关键点 10 1.6 本章小结 11 第二章随机模拟理论研究 12 2.1 随机模拟理论 12 2.1.1 随机数的产生方法 12 2.1.2 随机函数发生器的建立 13 2.2 本章小结
3、22 第三章自动化仓库仿真模型的建立 24 3.1 自动化仓库中转作业系统工艺分析 24 3.2 自动化仓库中转作业系统仿真模型 26 3.2.1 自动化仓库汽车发放形式 26 3.2.2 自动化仓库火车接收形式 26 3.2.3 服务原则 27 3.3 自动化仓库中转作业系统仿真数学模型的建立 27 3.3.1 自动化仓库中转作业系统仿真的数学模型 27 3.3.2 仿真模型模块 29 3.3.3 等待概率、设备利用率等的确定 30 3.4 自动化仓库的仿真数据 31 3.5 本章小结 36 4.1 软件功能 37 4.2 软件模拟过程的程序框图 37 4.3 软件的实现 38 4.3.1
4、自动化仓库中转作业系统的仿真界面 38 4.3.2 等待概率、设备利用率的程序实现 40 4.4 软件仿真 45 4.4.1 自动化仓库中转暂存库容量仿真 45 4.4.2 仿真模块界面 48 4.5 仿真及数据分析 49 4.5.1 自动化仓库中转作业与库容的仿真分析 49 4.5.2 结论 51 4.6 本章小结 51 第五章自动化仓库设备的配置 53 5.1 自动化仓库货物周转设备的配置 53 5.2 自动化仓库货架的配置 53 5.3 自动化仓库搬运设备的配置 54 5.3.1 自动化仓库搬运设备的选择原则 54 5.3.2 自动化仓库搬运设备的选择 54 5.3.3 自动化仓库搬运设
5、备数量的配置 54 5.4 巷道堆垛机结构稳定性分析 55 5.5 本章小结 58 第六章结论与展望 59 6.1 结论 59 6.2 展望 59 参考文献 61 致谢 65 个人简历 66 第一章前言 1.1 课题的提出及意义 本课题来源于：河南省教育厅基础研究项目：概率分布随机函数发生器 理论研究，项目编号为：074SGYS382524；郑州市科技攻关项目：社 会与自然随机事件发生概率理论研究，项目编号为：2007110008。 近代工程领域有许多复杂的随机系统，如：物流系统、自然灾害的预报系 统、机电设备可靠性分析系统、虚拟仿真系统、资源配置分析决策系统、移动 通信客户服务系统、重大工程
6、安全评估系统等，此类系统中的某些参数服从某 类概率规律，如： a. 某工厂大型车间一段时间内机床发生故障的次数服从泊松分布 （Poisson）1。由于受气象变化的影响，散粮船抵港时间是随机的， 联合国贸发会根据大量的调查资料确定货船抵港的规律近似泊松分布2。 b.自然灾害的预报系统中，防洪时节河水日流量的最大值服从极值分布3。 c.随机服务系统中的服务时间服从指数分布4。 d.水文数据序列服从Gamma5分布。 e.机电设备可靠性分析系统中，机电设备元器件（如轴承）的失效服从威 布尔（Weibull）分布6； 而随机模拟法正是针对对随机过程进行研究，自动化仓库中转作业系统是 随机过程中的一种，
7、因此应用随机模拟理论能将自动化仓库中转作业系统中服 从任意概率分布的离散随机函数系统地以离散函数形式及程序模块形式固定下 来，并能适应不同的计算机语言环境及流行的统计软件，为随机模拟法应用做 基础性工作。 现代物流搬运杂志设计了一个关于 20 世纪世界重要的物流搬运技术 与设备的调查表，结果如表 1-1，从表 1-1 中可以看出 20 世纪发展起来的物 料搬动技术与设备中重要性占前 10 位的是：条形码、计算机控制、自动化高 架仓库、自动数据采集、准时制生产、机器人、物料需求计划软件、高速分拣 机、高起升叉车和模拟技术，其中自动化高架仓库系统在第三位7。统计数据 表明：自 2004 年开始中国
8、自动化仓库投资总额以每年 40%左右的速度递增8， 自动化仓库具有空间利用率高、作业效率高、库容为“动态库容”等优势，因 此自动化仓库在物流系统中的作用将越来越重要。将随机模拟理论应用于自动 化仓库接收发放作业与库容的关系研究，建立自动化仓库中转作业随机仿真数 学模型能为国家重点工程建设的方案论证、工程规划、投资决策提供 依据；为自动化仓库中转暂存仓容、物流中心建设规划提供依据；预估商 业活动中可能发生的费用。 表1-120世纪世界重要的物流搬运技术与设备1 技术名称选择率,%技术名称选择率,% 条形码 76 库存周转 24 计算机控制 58 职业安全与健康管理 23 自动化高架仓库系统 50
9、 集装箱 21 自动数据采集 43 高效辅具 21 准时制生产 43 四向托盘 17 机器人 35 计量设备 16 物料需求计划软件 33 自动化高架仓库 15 高速分拣机 32 拣选系统 15 高速叉车 31 链式输送机 14 模拟技术 31 积放式输送机 13 自动导向车（AGV） 28 自动化电动单轨车 5 本课题以自动化仓库作业系统为基础，应用随机模拟法，提出将随机模拟 理论应用于自动化仓库接收发放作业与库容的关系研究中，科学确定工程项目 中自动化仓库库容的大小，并给出等待概率、设备利用率、库容利用率等参数， 为自动化仓库的建设规划提供依据。同时对自动化仓库装卸设备的合理配置进 行了分
10、析。 1.2 自动化仓库的研究背景 自动化立体仓库于 1963 年诞生于美国，在此之后，迅速传到其他各国， 并且得到了飞快的发展，成为了一个学科。如今，像美国、日本等国家自动化 仓库建库数均达数千座，其仓库的机械化、自动化、标准化程度也较高，如货 物的入出库、移动、码盘、拆盘、分拣等都是通过计算机系统控制巷道堆垛机、 叉车、铲车、吊车和码盘机器人等进行作业，重力式货架已经在成功使用。 美国进入八十年代，自动化仓库库房数量增加，规模扩大，并走向标准化9。 在自动化立体仓库理论研究方面美国做了很多贡献，其理论的研究以消费者为 中心，大胆的进行创新，因此其不仅是现代物流的发源地，而且是现今世界上 这
11、方面最发达的国家之一，美国的企业对自动化仓库特别注意的两点是：一是 仓储成本的控制，二是计算机系统的升级优化，以提高了仓储的效率；日本非 常注重实际，他们认为控制成本及加强管理是关键，其次要在管理和自动化水 平方面有所提高、使服务水平更加专业化，同时使物流体系环保化。日本于 1969 年建成第一座自动化仓库以来10，兴建立体仓库，立体仓库的设计强调 立体化和自动化，仓储用地不多，存量立体仓库的利用率高，当然日本在自动 化立体仓库数量方面也是最多的国家之一。荷兰注重采用集约型分拨中心，仓 库的集约度高，成本低，服务效率高；法国政府在规划和制定物流政策时，十 分重视仓储和标准化等物流设施基础建设，
12、货物的包装实现标准化、通用化、 集装化、大型化，货物的分拣、装卸、搬运过程实现机械化、自动化11。西德 的自动化仓库的特点是在各工业部门的分布都相当均匀12。 国外主要研究自动化仓库设计、分析、优化及三维仿真等方面的理论。莱 切大学的 PierpaoloCaricato 和 AntonioGrieco 在基于 AGV 的物料装卸系统 下，运用模拟退火算法有效解决 AGV 设计路径问题13-15。德国杜伊斯堡-埃森 大学物流运输系的 BashirSalah,MohammedWasiullah 和 BerndNoche 对基 于斯图尔特高夫平台的自动化仓库进行设计、优化和分析，预期自动化仓库系 统
13、的吞吐量16。MariagraziaDotoli,MariaPiaFanti 等应用着色赋时 Petri 网为 多种自动化仓库提供了一种模型，该模型适用于窄巷道堆垛机及有轨小车，该 模型可以对系统动态行为实时监控，也可以应用与离散事件仿真，该模型的控 制策略可以解决调度问题和避免碰撞事件17。南伊利诺伊大学机械和工业工程 系的 HEUNGSOONFELIXLEE 和华盛顿大学系统科学和数学系 SAMANTHAK.SCHAEFER 利用静态和动态结合的方法提出一种最优的存储路 径的方法，该方法具有简单、快速的优点，可以显著减少存储时间，从而提高 吞吐量18。技术方面主要研究自动化仓库的设备控制，
14、物流管理、监控系统的 设计及升级优化，自动寻址识别技术，拣选技术以及仿真软件的开发等，例如， 美国邦纳的激光条码扫描器已在巷道堆跺机中应用。德国乐易电子公司对自动 化仓库中传送系统的运动用条码定位系统进行控制，提高了系统效率，降低了 成本，己应用于宜家家居及宝马汽车的自动化仓库19。 我国在二十世纪九十年代建成了第一座自动化仓库，该仓库是由计算机控 制的。由于土地资源的紧缺，因此，2010 年立体库的面积增幅最大20。再加 上货物周转率的快速要求，产品的低损坏率、低丢失率的要求，使自动化仓库 的优势的体现了出来，因此，我国自动化仓库的数量越来越多，而且自动化仓 库对机械设备智能化的要求越来越高
15、。建设较高水平的自动化仓库势在必行21- 22。 在我国自动化仓库迅速发展的同时，不可避免的在使用中会存在一些问题， 例如，存储规模小、存储能力低，设施的技术水平低23，优势不突出，使许多 库场资源闲置24，作业效率低下，有一些企业虽然实现了仓库的自动化，但由 于产品单一且批量小，原来的非自动化仓库的设施设备已经有闲置现象了，而 自动化的实现又引入了一些设备，造成了设备的严重闲置，因此自动化仓库的 使用要根据企业自身状况，而不能盲目的配置。 国内对自动化仓库的发展及应用、关键技术、货位的优化管理、主要设备 的配置及运行的优化控制、存储路径优化、认证识别系统、AGV调度问题、出 入库能力、故障分
16、析、监控与管理系统、三维仿真等方面进行研究。如，机械 工业部自动化研究所的张锡麟，北京起重机械研究所的尹军琪，北京联合大学 电子工程学院的姜小丹对自动化仓库的发展及技术进行研究25。浙江理工大学 的林天翔对自动化仓库货位管理进行优化，提高了吞吐量26。黑龙江省工程咨 询评审中心的吴勇，李双祥分析了有轨巷道式堆垛机的结构及作用27。华红艳、 张丹利用蚁群优化算法优化了自动化仓库中的存取路径28。杨磊、刘会等利用 指派问题的匈牙利算法优化了堆垛机的复合作业时间29。云南昆船设计院关宏， 苑韬，熊捷等基于空间的布局算法对整个货架区进行设计30。装甲兵工程学院 继红任曾对自动化立体仓库的规划进行了分析论证31。后勤指挥学院的王光辉、 王云涛和李庆全详细分析了自动识别技术（如条码及射频技术）对物流管理的 影响32。中南大学的雷定猷，张兰给出了AGV系统的调度优化模型33。马永杰， 蒋兆远对自动化仓库的出入库能力进行分析34。江苏理工大学的贡文伟，陈骏， 施国洪开发了自动化仓库故障自诊断系统35。太原理工大学的刘毅对自动化仓 库管理和监控系统进行研究36。刘巍巍，王霄开发
