基于升降机-梭车自动化立体仓库的船舶舱室物流系统设计与仿真

2021-06-01胡玉龙

物流技术 2021年5期

张媛，胡玉龙，陈思，周强

（1.武汉理工大学，湖北武汉 430063；2.中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430063）

0 引言

随着我国海洋科考与深海勘探事业的飞速发展，对于在海洋中作业的专用运输船的要求越来越高。由于货物形状特殊以及海上运输环境复杂等因素[1]，目前具有货物搭载与出库功能的专用运输船舶的件货舱室，件货存放方式为平铺存放，并采用人工操作的桥式起重机进行出库运输，造成舱室货物搭载数量少、出库效率低，越来越不能适应日益增长的海运需求。随着船舶自动化程度的提高，亟需运用自动化设施设备实现船舶舱室物流系统的自动化，以提升舱室的物流性能[2]。

针对船舶舱室载物存储空间利用率低的问题，考虑设计专用的存储立体式货架[3-4]，能有效提高舱室的空间率和载物的搭载数量；对于船舶载物出库效率低的问题，考虑采用自动化立体仓库的自动存取运输设备[5-6]，通过设计自动化转运工艺和规划出库调度策略[7-9]来提升船舶舱室载物转运系统的自动化程度，保证舱室载物出库安全、高效的进行。

结合立体仓储技术，本文提出了一种新型的自动化立体仓库式船舶舱室物流系统，通过仿真试验对转运出库的调度策略及设备运行参数进行了深入研究，以提高船舶舱室的出库效率、自动化程度，同时填补了自动化立体仓储领域对海上货物自动存储、出库工艺的空白，对促进我国海洋勘探及远洋运输的发展具有重大的战略意义。

1 船舶舱室系统

船舶舱室由舱内物流系统和舱室底部的出库口组成。舱内物流系统是整个海上专用船舶至关重要的组成部分，主要负责载物从舱室存储区到出库部位的空间转移。船舶舱室系统的工艺流程、结构可靠性及自动化程度直接影响到船舶载物运输的作业性能。

船舶舱室自动化立体仓库的舱室空间长100m，宽22m，高7.5m；出库部位位于舱室底部，长16m，宽6m，舱室空间示意图如图1所示。

图1 舱室空间示意图

其中货物规格主要分为两种：载物一长：3.62m，直径0.85m，重1.35t；载物二：长11.8m，宽2.13m，高2.18m，重22t。为保证船舶的平衡，载物调度过程中横向对中心线力矩不超过220t·m，纵向对中心线力矩不超过2 400t·m。

2 升降机-梭车自动化船舶舱室物流系统总体设计

自动化仓库常利用货架配合巷道堆垛机，实现种类繁多、大批量货物的存储、搬运，但巷道堆垛机的货叉最多能伸进双深货位。由于本次设计搭载货物的种类少、搭载数量大以及舱室的空间有限，考虑到子穿梭车可离开母车进入多深货位，且具有速度快、精度高的特点，因此采用子母穿梭车和垂直升降机代替巷道堆垛机，设计一套运用升降机、子母穿梭车、出库梭车作为运输设备的舱室工艺转运系统。

为满足舱室载物布置数量以及舱室力矩平衡要求，考虑两种载物各自的尺寸和规格特点，载物一体积小、自重轻、数量多，出库频率高，适合放在货架上，存放位置布置在出库口周围；载物二体积大、自重重、数量少，出库频率低，因此单层货架存放，平铺在舱室左右两端。

2.1 设备选型与技术参数

（1）升降机选型。升降机是在垂直通道上进行人或货物升降的设备或机械。导轨链条式液压升降货梯是一种非剪叉式液压升降货梯，具有载重量大、升降平稳、速度快、能实现智能控制等特点，是广泛应用于自动化立体仓库中货物垂直运输的设备。设计升降机配合穿梭子车用于载物一的垂直运输，升降机尺寸4 200*1 200*6 300mm，运载量不低于2.0t，运行行程0-4.6m，升降速度25m/min。

（2）子母梭车选型。子母穿梭车由穿梭子车、穿梭母车及其行走轨道构成。穿梭车是一种用于自动化物流系统中的智能型搬运设备，具有动态移载的特点。在电控系统控制下，精确定位于各个输入、输出工位，接收货物后进行往复运输，主要应用于自动化物流系统中单元货物高速、高效的平面自动运输，具有高度的自动化和灵活性。

梭车轨道设计为凹型或L 型，梭车车轮设置轮缘，梭车靠近轨道侧设计导向轮以防止船舶摇晃时梭车滑出梭车运行轨道；梭车上设计载物的固定防滑装置，防止载物运输时滑出梭车，使梭车船舶摇晃时仍能进行自动化作业。

本方案中，载物一：子母穿梭车，载物二：子母穿梭车，分别用于载物一、载物二的水平运输，具体技术参数见表1。

表1 子母梭车技术参数

（3）出库梭车选型。出库梭车是一种无线穿梭车，即独立运行的穿梭子车，由电池提供能源，可进入升降机的升降平台，实现升降机与出库点间载物一的水平往返运输。采用直轨内行穿梭车，梭车尺寸2 070*920*320mm，空载速度60m/s，满载速度50m/s。

（4）设备配置。升降机-梭车自动化工艺方案的设备配置见表2。

表2 升降机-梭车方案设备配置表

2.2 总体布局设计

为满足投送舱室的力矩平衡要求，载物一和载物二尽量平均分布在船舱两侧，舱室空间布置如图2所示。根据货物大小及形状尺寸，设计载物一储存单元规格：4 300*950*2 200mm；载物二储存单元规格：12 500*2 330*2 180mm。

图2 “升降机-梭车”自动化物流系统布置图

载物一和载物二货位轴线都是平行于舱室水平轴线布置，载物一布置在舱室水平轴线中间，载物二布置在舱室水平轴线两端。综合考虑船舱尺寸及载物存储单元规格，载物一货位布置三层，每层布置16排、12 列，其中5-8 排为放置升降机仅布置10 列，共528个货位；考虑到载物二体积、重量较大，载物二均匀布置一层，布置在舱室底层，8 排、4 列，共32 个货位。

2.3 工艺作业流程设计

（1）载物一工艺流程设计。工艺流程如图3 所示，详细工艺描述如下：

图3 载物一转运出库流程图

1—子母梭车离开交接点前往指定载物一货位；

2—子梭车离开母梭车进入货位抬起载物一；

3—子梭车负载载物一回到母梭车；

4—母梭车返回交接点；

5—升降机升降平台从初始位置向交接点垂直移动；

6—子梭车离开母梭车进入升降平台放下载物一；

7—子梭车空载回到母梭车；

8—升降平台返回初始位置；

9—出库梭车离开出库点进入升降平台抬起载物一；

10—出库梭车返回出库点。

（2）载物二转运出库工艺流程设计

工艺流程如图4所示，详细工艺描述如下：

图4 载物二转运出库流程图

1—母梭车离开出库口前往指定载物二货位；

2—子梭车离开梭车进入货位抬起载物二；

3—子梭车负载载物二回到母梭车；

4—母梭车返回出库口。

本方案的主要目的是设计自动化转运出库工艺，在载物入库工艺方面，通过移开舱室上方的舱盖板，由港口岸边起重机或舱盖吊将载物一与载物二吊运至船舶舱室内的出库口处，由舱室内运输设备逆过程转运到相应的货位处存放。

3 船舶舱室自动立体仓库式物流系统建模仿真分析

结合船舶舱室自动化立体仓库物流系统的工艺流程，在Witness 仿真平台上建立仿真模型，研究新型物流系统方案的物流性能。物流工艺方案应用于船舶舱室表现出的物流性能可反映舱室的作业情况，对舱室自动化立体仓库物流系统方案的适用性有直观体现，物流性能评价指标如下：

（1）最大横、纵向力矩差：在舱室载物转运出库过程中，使船舶倾斜的最大力矩差，最大力矩差越小，船舶倾覆的可能性越低，方案的安全性越好。

（2）载物总转运出库时间：将舱室中载物全部转运出库的时间，载物转运出库总时间越短，载物自动出库效率越高。

（3）载物平均转运出库时间：将舱室中载物全部转运出库完成后每个载物出库时间的平均值。

3.1 出库策略对比仿真分析

在整个舱室系统中，载物出库系统连接舱室货架和出库部位，承担着载物运输的任务。载物调度策略的不合理将导致载物运输的脱节，甚至导致舱室的严重失衡，影响舱室作业。为了解决这个问题，设计智能调度的算法，对载物调度过程进行规划，以提高舱室载物的出库效率，保证舱室出库的服务质量、保持舱室整体平衡。

（1）试验设计。为了研究出库调度规则对舱室自动化出库系统作业特性的影响，设计单一全局搜索调度策略、批量全局搜索策略，分别将调度策略嵌入仿真软件中，建立相应的仿真模型，进行仿真试验。

①单一全局搜索调度策略是在转运出库设备串行运行的基础，考虑舱室的力矩要求和载物出库时间，搜索单一最佳出库载物位置。即在收到单一载物出库计划后，搜索满足舱室力矩约束下出库时间最短货位处的载物，然后将出库指令发送给作业设备，当出库指令执行完以后执行下一单一出库计划。

②批量全局搜索策略是在转运出库设备并行运行的基础上，即在多台子母梭车并行运输、子母梭车与升降机的并行运输下，考虑舱室的力矩要求和载物出库时间，搜索最佳出库载物位置。控制系统收到载物出库计划后，依据批量出库载物的数量，随机选取规定数量的载物进入出库序列，然后遍历全部货架上的载物，判断载物是否满足舱室力矩要求、是否离出库点更近，以全局搜索进行迭代选优的方式，将更优项替换进出库队列中，达到优化的目的。依据需求计划规划一批出库指令，将出库指令同时发送给多个设备，使设备能同时进行出库作业。

（2）试验工况。①模型边界：船舶舱室内；②仿真时间长度：从货物一次性全部入库到货物分批在不同海域出库完成为止；③出库命令到达时间间隔：服从均值为30min的指数分布；④每批次载物出库数量：根据舱室每次出库任务需求，载物一单次出库数量服从UNIFORM（8,12），载物二出库数量服从UNIFORM（0,2），每次先转运完载物一再转运载物二；⑤所有设备每次只能运输一种单一载物；⑥倾斜力矩要求：横向力矩差小于等于220t·m，纵向力矩差小于等于2 400t·m；⑦设备参数：按照设备设计参数运行；⑧试验次数：每种情况试验10次，结果取10次平均数。

（3）试验数据统计分析。统计载物一平均出库时间、载物二平均出库时间、载物出库总时间、横向力矩差、纵向力矩差，试验数据见表3。

由表3 可以看出，在横向、纵向力矩控制方面，横向最大力矩差小于220t·m，纵向最大力矩差小于2 400t·m，满足最初设计要求。批量全局搜索策略纵向力矩过大，是由于载物二的移动所致，载物二处于舱室最前端与最后端，在出库时会出现前后数量差，从而产生力矩差，导致纵向力矩差过大。批量全局搜索调度策略的出库总时间、“载物一”的平均出库时间远低于单一全局搜索调度策略，降低了大约56%，“载物二”的平均出库时间没有差别。

表3 物流性能试验数据

单一全局搜索调度策略在满足力矩要求的前提下调度设备串行运输作业。批量全局搜索策略则是对整个货架上的载物进行整体决策，先选择规定数量的载物，组成出库队列，对后续每个载物进行搜索判断，若在力矩、时间上更优，则将此项替换进出库队列，将原队列中的最差项筛除，以此保证每个计划的出库决策达到最优，然后将出库命令发送给多台母梭车，调度设备并行运输，符合本设计工艺方案设备并行运输作业的特点，大大提高了出库效率。结合实验数据和分析，批量全局搜索策略优于单一全局搜索调度策略。

3.2 设备参数仿真分析

基于前文的仿真分析，批量全局搜索策略下多台子母穿梭车与其他设备并行运输的系统作业效率更高。为了深入研究设备速度参数对物流系统作业性能的影响，设计了基于不同设备速度参数的仿真试验，分析运输设备与物流系统的匹配程度，为舱室的整体布局、出入库流程、设备参数等优化方面提供一定数据支撑。

（1）试验设计。设备参数的差异主要体现在子母穿梭车的运行速度、升降机起升速度以及出库梭车的移动速度，本次试验主要针对这三项进行设计分析。采用单因子变量法，当取一个设备的速度参数作为变量因子时，须确保另外两项设备参数一致，避免对试验造成影响。试验设计数据见表4。

表4 速度参数试验数据设计

（2）试验工况。除载物出库策略均采用全局搜索策略外，其他实验工况均与上一个仿真试验一致。

（3）试验数据统计分析。针对设备速度参数的变化，统计仿真输出数据：载物一平均出库时间、载物二平均出库时间、载物出库总时间，如图5 至图7所示。

图5 子母梭车速度参数变化试验分析

由图5 可以看出，随着母梭车速度的增加，载物一的平均出库时间几乎不变，载物二平均出库时间和载物出库总时间逐渐减小。这说明改变母梭车速度对载物一出库效率没有影响，对载物二有一定的影响，但这种影响随着梭车速度增加逐渐减小。因此母梭车速度提升不能提高载物一出库效率，可以通过提高母梭车速度来提高载物二出库的效率，但由于载物二的重量、体积较大，这种方法有一定的局限性。

从图6 中可以看出，随着升降机速度的增加，升降机-梭车方案中载物一的平均出库时间、出库总时间，先逐渐减小，等到升降机速度大约为18m/min时，平均出库时间、出库总时间减少趋于饱和。这说明，大约在15-18m/min 范围内，提高升降机速度可以提高载物一出库效率，但超过此范围时，提升升降机速度对载物一出库效率没有影响。

图6 升降机速度参数变化试验分析

从图7 可以看出，随着出库梭车速度的逐渐增加，载物一的平均出库时间和载物出库总时间逐渐减小，这说明提升出库梭车的速度，可以有效提高载物一的出库效率。

图7 出库梭车速度参数变化试验分析

总体来说，子母穿梭车和升降机速度的改变对载物一出库效率影响不大，母穿梭车速度的改变对载物二出库效率有直接的影响，但载物二的体积、重量特性对载物二母梭速度的提升有一定的限制，因此可以通过提升出库梭车的速度来提升载物一的出库效率。影响载物一出库效率的主要因素是出库梭车的速度参数，这是因为载物一前期的水平运输和垂直运输是并行的，整个舱室共有6台子母穿梭车、2台升降机可同时工作，但是载物一的最终运输出库只能通过出库梭车，造成了出库梭车本身的作业效率对整个出库效率的限制。因此本工艺方案物流系统若要进一步提升作业效率，最为有效的方式是提升出库梭车的速度。