一种新型智能仓库的研究

张 铭，张天顺，张 冰，徐伟诚，鲁绍坤

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

（1.云南农业大学 机电工程学院，云南 650201；2.云南农业大学 大数据学院，云南 650201）

0 引言

近几年，机械行业一直在不断的向自动化和智能化方向发展，在生产制造和加工等方面其自动化、智能化已达到很高的水平，自动化和智能化已经成为了机械行业的发展趋势。而随着智能仓储的兴起，各种智能仓库纷纷涌现。所谓智能仓库是结合物联网技术与移动互联等新技术，实现仓储体系智能化、集约化管理的智能型仓库[1]。

但是目前的仓库在空间布局上仍然属于传统的仓库形式，有一定的局限性，其空间利用率有待提高，若仓库离生产、包装车间较远，则货物运输需要耗费大量的时间，货物损坏的几率会很大。目前国内外对于智能仓库的研究主要是在仓库的管理，仓库内环境的监测与调控以及仓库的输送的方面，吴强等人[2]开发的工业园区生产物流联动智能管理系统运用了RFID等先进的物联网技术；刘建华等人[3]用势场蚁群算法对运输机器人的路径进行规划；李小笠等人[4]研究的嵌套分区算法对堆垛机的作业路径进行了优化；田世海等人[5]通过构建智能仓库出入库系统复合作业周期模型和OOTPN模型，对出入库系统进行了优化。国内的大型企业中天猫超市、菜鸟、苏宁等物流企业的智能仓库在中国处于领先水平，在国外Autostore等企业的智能仓库技术的也非常成熟。如今的智能仓库的货架结构、堆垛技术、运输等方面已经发生了巨大的改变，智能化的仓库给我们的生活带来了非常重要的影响。

虽然智能仓库的发展十分迅速，在自动化的运输、堆垛以及管理方面有很大的提高，但是土地价格的不断提高，仓库空间大小受到很大的限制，这就导致了货物存放的数量无法太大，同时，一些企业的仓库和生产、包装车间之间距离较远，在物料的运输中会浪费大量的时间，货物在运输时损伤的概率很大[6]，因此需要对仓库的结构进行合理的布局从而增强空间的利用率，在有限的空间内尽可能多的存放货物，同时提高货物运输的效率，降低物品损坏率，从而增强仓库的管理效率，提高企业的经济效益。

1 仓库的结构

1.1 仓库的布局

新型智能仓库和传统的仓库在结构布局上有很大的不同，首先，一些工厂仓库的建设离生产、包装车间都有一定的距离，在一些两者相隔很远的情况下，货物的运输会耗费大量的时间以及金钱，同时货物的损坏率也会随着路程的增加而提高。其次，一般的仓库都有巷道来方便堆垛设备以及运输设备的通行，这在一定的程度上也占用了仓库不少的空间，空间利用率与货物提取效率不高。因此，针对以上的问题设计出了一个新型的仓库结构形式。

为了方便仓库与生产车间之间的运输，并且考虑到占地面积及成本，将仓库设计在生产车间上方，仓库的形状可以根据车间的形状而改变，大大提高了空间利用率，所需的货物可以顺着专门的通道直接输送到下方车间内的生产人员身边，方便生产的进行，降低物品损坏率，节省了运输的成本，同时还提高了生产效率。

在仓库的布局方面，去掉了传统仓库中的巷道，所有的货物通过货架相互堆叠在一起，货物与货物之间，规律的布置了垂直运输通道，从货架顶部向下看，货架一行中每隔三个货位就有一个垂直运输通道，同时一列中每隔一个货位就有一个垂直运输通道，因其布置的特殊，此仓库行数与列数必须为奇数（3，5，7，…）。运输通道中设有链条传动装置从而实现运输机器人在运输通道内上下通行。

货物通过进库的输送带输送到智能运输机器人上，运输机器人进入货架下方运行到相应的运输通道内，然后机器人底部的小轮缩进后进入运输通道，通过链条上行至相应的货位处，最后将货物存储在货位上，图1为仓库整体图，图2为仓库货架的结构图。

图1 仓库整体图

图2 货架的结构

1.2 仓库的优势

相较于传统仓库的布局，新型智能仓库是封闭式的，仓库内只有运输机器人可以在里面运行，不设置人工通道，同时，运输机器人小巧的特性使得它们在仓库内运行时不占用太多的空间，因此这种智能仓库的空间利用率更高。以下将新型智能仓库与传统的仓库形式做了一个数据对比：

新型智能仓库，普通仓库1和普通仓库2的平面布置图如图3所示，其中新型智能仓库的布置平面图中画十字部分表示运输通道，货架空白部分表示为货位，货位的大小由存放的物料决定，下图货位设定为1m×1m×1m，货架周围只有很少的多余空间，货架几乎占满仓库整个空间；普通仓库1中货架占仓库空间的56.6%左右；普通仓库2中货架占仓库空间的55.4%左右，实际情况不同的仓库中货架占据空间比会有上下浮动。

图3 三种仓库布置平面图

表1是新型智能仓库与普通智能仓库布局的对比。

表1 新型智能仓库与普通智能仓库布局的对比

1）本次对比将仓库空间按照正方形货位大小等分的划为数格空间。

2）取货比：表示一个空位所对应四周货位的比率，可以反映机器人在相同位置能取到多少货物。

3）货架空间利用率=货位数/总格数。

4）仓库空间利用率=货位面积/仓库总面积。

5）三种仓库的货位大小相同，整体高度相同。

可以发现新型智能仓库相比于目前应用广泛的仓库，在结构上更加紧凑，空间利用效率更高，存放的货物更多。由于新型智能仓库的结构特点，堆垛运输机器人更加简单小巧，成本更低。

1.3 识别系统

识别系统是智能仓储中很重要的一部分，仓库的自动化、智能化都是建立在识别系统上，通过识别装置检测到货物信息，然后传递给管理系统，最终实现仓库的自动化管理。

新型智能仓库采用的识别系统是目前应用最为广泛的RFID（无线射频识别技术）。RFID是一种无线通信技术，通过无线电讯号识别相应的目标并读写相关数据，这种技术不需要识别装置与特定目标之间进行物理接触或者光学接触，因此相比于普通的二维码、条形码等具有很强的优势。RFID的主要特点有：1）穿透性强；2）能够快速扫描；3）数据容量大；4）体积小型化，形状多样化；5）可重复使用；6）使用寿命长[7]。图4为RFID系统结构示意图。

图4 RFID系统

1.4 输送系统

1.4.1 输送装置的选择

新型智能仓库所采用的输送系统为智能运输机器人以及输送带，运输机器人可以在货架上行走，同时可以通过链条传动装置在运输通道中运行，运输机器人通过旋转输送带完成对四个货位的放料和取料。

在选择使用何种输输装置时，考虑到新型智能仓库是在车间上方，并且仓库与车间之间空间不大，因此传统的叉车无法完成工作，同时智能运输机器人的自动化程度更高，体积更小巧，管理员可以通过无线电轻松的控制所有的运输机器人。运输机器人通过系统设定的最佳路径以及感应器来规避其他的运输机器人，自动的完成货物的进库与出库工作。图5为运输机器人示意图。

图5 运输机器人

1.4.2 路径规划

智能仓储中的路径规划是十分重要的，这涉及到多机器人任务分配问题，多机器人任务分配的好坏将直接影响到整个系统的稳定性和运行效率[8]。因此设计一个好的算法，使得运输机器人在仓库内流畅的运行是十分重要的，它可以帮助仓库管理员更好地管理仓库，节省大量的时间，使仓库的运行变得井然有序。

新型智能仓库采用的是拍卖算法对运输机器人的路径进行规划。拍卖算法是基于合同网协议而建立市场机制方法，其交互情形简单，实现方式可自动化。拍卖算法的任务分配形式如下：

1）任务发布。

2）系统进行投标。

3）所有机器人根据自身的执行指定任务的适合度进行竞标。

4）系统判断将任务分配给哪个机器人。

5）机器人与发布任务者建立合同，并完成任务。

新型智能仓库中，货物在进出仓库时向系统发布任务，每个运输机器人可以通过自身的任务需求与离货物距离的远近程度进行竞标，系统通过判断竞标机器人的情况来确定哪一个运输机器人竞标成功，然后系统发送任务授权合同，运输机器人与货物完成合同的建立。如图6为拍卖算法流程示意图。

图6 拍卖算法流程图

在多台运输机器人即将相碰的时候，运输机器人上的传感器会事先发出信号给终端系统，系统则根据各机器人运输的货物的运输次序以及此货物是进库还是出库（出库的优先级比进库高）来判断哪个运输机器人先行。

1.5 系统报警装置

每个系统都会有发生故障的时候，在发生故障时要做到及时发现、及时处理，新型智能仓库的故障报警系统会在故障发生时，设定系统应该如何做出反应。

新型智能仓库的输送带周围会安装监控器，这些监控器会实时的将输送带的运动数据发送给仓库管理系统，管理员随时可以在操作系统上查看输送带的运动信

【】【】息，一旦输送带发生故障或者运动发生错误，管理员就可以第一时间发现并做出相应的处理[10]。同时在每个智能运输机器人上装有故障检测器，当该机器人发生故障时，便立刻向系统报警，该机器人停止工作，同时其他的运输机器人来代替该机器人完成相应的工作，因此即使一两个机器人发生故障，该系统也可以正常完成工作。在货物出库时，如果运输机器人到达相应的货位后未检测要出库的货物，则会告知系统，同时运送下一个货物，而错误信息则由管理员通过系统来排查纠正。

2 应用前景

随着智能化趋势的不断发展，随着各式各样智能化产品的不断涌现，越来越多的企业开始注意到智能仓储的价值，传统的仓库管理已经无法满足企业的需求，智能仓库可以为企业提供更科学、更高效、更精确地管理。

新型智能仓库不仅能够节省人力，降低劳动强度，管理变得数据化、系统化，不会出现人工管理时的账目与实际货物不相符的情况，而且空间利用率上有显著的提高，通过智能仓库与地面生产车间的直接相连，极大的提高了货物的运输效率，降低了物品损坏率，节省了运输成本，同时还使得生产工作效率得到显著提升。因为仓库的货物基本是互相堆叠在一起，中间通过少量的运输通道进行货物的运输，使得整个仓库的存放能力得到很大的提升，空间利用率和货物提取效率都变得更高。多台运输机器人同时工作，即使一台机器人需要维护，其他的机器人也可以正常的完成工作，系统的容错率很高。同时物联网的使用使得管理员可以通过系统高效快捷的处理各种情况，轻松方便的管理仓库。应用智能仓库，可以为企业创造巨大的经济效益。

随着科技的不断进步，仓库一定会变得更加自动化、智能化，我们的生活也会因为智能化仓库的发展而发生巨大的改变。

3 结论

新型智能仓库的创新之处在于仓库的结构以及布局，通过将仓库设置在车间上方，不仅提高的货物的运送效率，降低货物运输时的损伤率，还提升了生产包装的效率；同时仓库的布局，货架的结构，使得仓库的空间利用率更高，存放的货物更多，货物的提取效率也更高。同时结合了物联网RFID（无线射频识别技术），使得仓库的智能化水平更高，管理更加精确、便捷。

[1]薛劭节,韩飞,宋纪恩.基于物联网技术的智能仓库研究[J].物流工程与管理,2016,38(11):70-71.

[2]吴强,刘轩,屈挺,等.基于RFID的工业园区生产物流联动智能管理系统[J].广东工业大学学报,2017(3):96-104.

[3]刘建华,杨建国,刘华平,等.基于势场蚁群算法的移动机器人全局路径规划方法[J].农业机械学报,2015(9):18-27.

[4]李小笠,刘桂芝,杨文亮.基于嵌套分区算法的堆垛机作业路径优化[J].机床与液压,2012(21):131-134.

[5]田世海,刘笑静.智能仓库出入库系统优化研究[J].计算机应用研究,2015(5):1437-1440.

[6]杨玮,李国栋,李雪莲.生产车间与仓库输送系统优化调度研究[J].计算机仿真,2015(10):354-359.

[7]钟汉.超高频RFID智能仓库关键技术研究[J].信息通信,2013(4):34-35.

[8]李文玉.智能仓库系统多机器人任务分配问题研究[D].北京物资学院,2016.

[9]田苗状.拍卖算法研究及其应用[D].青岛大学,2015.

[10]王明.基于物联网的仓库智能监控系统设计与实现[D].电子科技大学,2015.