2018-07-15
摘自中國物流學會演講
引言
自動化立體倉庫是采用自動化存儲系統，由高層貨架、巷道堆垛起重機、出入庫輸送機系統、自動化控制系統、計算機倉儲管理系統及周邊設備組成，可實現對集裝單元貨物自動化保管和計算機管理的倉庫。自動化立體庫具有靈活性和擴展性，可以充分利用空間，具有傳統倉庫的所有基本功能，同時還可以在不直接進行人工處理的情況下自動分揀和理貨，可廣泛應用于各個領域，在降低企業物流成本、人工成本、提高作業效率方面能起到巨大的作用
自動化立體倉庫的設計一般分為四個步驟：數據調研和分析、概念方案設計、技術細節設計和項目實施管理。關于自動化立體倉庫的理論研究多集中在立體庫在管理中的應用，而關于詳細闡述和系統描述自動化立體倉庫設計的研究文章較為缺乏。陳璐（2011）提出了一種用于自動化立體倉庫中物料動態儲位分配優化問題的整數規劃模型，可以有效提高堆垛機的使用效率和倉庫的空間利用率[1]。鄧愛民，蔡佳，毛浪（2013）提出了通過遺傳算法實現自動化立體倉庫貨位優化的基于時間的多目標優化模型[2]。王雙（2014）以已經完成的工程實例為藍本，系統介紹了重型移動貨架式立體倉庫的設計方法[3]。吳鐘鳴（2010）等人討論了自動化立體倉庫的貨位可移動式貨架系統的進出貨流程與貨架內貨位輪換的工作流程[4]。Shu-an Liu，Qing Wang，Ling Jin（2011）介紹了自動化立體倉庫中金屬制品存儲位置問題的最優化方法以減少存儲時間，提高生產效率[5]。Thonemann，Bandeau ML（1998）設計了隨機環境中以周轉率為基礎的存取模式，這種庫位分配的方法可以降低單一存取周期，使系統達到最優[6]。Kees Jan Roodbergen，Iris F.A（2009）對過去30年中關于自動化存儲系統的文獻作了詳細的綜述，這些文獻多數是關于自動化立體庫的靜態調度和設計問題的模型[7]。
本文首先闡述案例背景，然后按照數據調研和面積需求測算、設備選型與庫內布局、操作流程與IT系統三部分介紹位于浙江舟山島保稅區的全自動化電商立體庫的設計和實施過程，最后給出自動化立體電商倉庫建成后帶來的預期效益。
一、項目背景
面向電商、各品牌廠商及經銷商等外來客戶，提供倉儲、分揀、分撥、進出口及轉口貿易等現代化物流服務。本文分享的是園區內部的自動化立體倉庫的設計。
圖1 電商立體倉庫示意圖
二、規劃過程
（一）基本數據假設
設計初期，天祿集團還未進行招商計劃，園區倉庫的運營模式、倉庫存儲貨物類型等詳細信息無法獲得，在倉庫規劃時，本文主要結合電商行業物流參數，根據當地海關政策，實現倉庫的靈活使用。
根據貨品種類，設定入庫假設：入庫紙箱重量在15kg-45kg之間，每托盤可堆碼紙箱不超過60個，每托盤最大重量500kg。
訂單假設見表1，其他數據根據項目經驗假設得出。
表1訂單假設
內容 | 數量 | 單位 |
每日訂單數量 | 20000 | 個 |
清關天數 | 1 | 天 |
存儲貨物數量 | 40000 | 箱 |
每個訂單包含貨物件數 | 2.3 | 個/單 |
存儲周期 | 1 | 月 |
每托盤承載貨物件數 | 204 | 件 |
電商行業物流參數如表2，基本器具尺寸如表3。
表2電商行業各參數
電商行業各參數 | 數值 | 單位 |
每班工時 | 8 | 小時/班 |
每日班次 | 2 | 班次 |
每日工作時間 | 16 | 小時/天 |
入庫質檢比例 | 20% | |
退貨比例 | 0.50% |
每日工作時間為16小時，倉庫為2班制，每班工人工作時間為8小時。出入庫工作為1班，其他操作工作為2班制。
表3基本器具尺寸
基本器具尺寸 | 長(mm) | 寬(mm) | 貨物凈高(mm) | 托盤厚度(mm) | 容量 | 單位 |
托盤尺寸 | 1200 | 1000 | 1350 | 150 | 204 | 件 |
料箱尺寸 | 600 | 400 | 280 | 10.2 | 件 | |
來貨車廂尺寸 | 6500 | 2200 | 2000 | 14 | 托 | |
籠車尺寸 | 1600 | 800 | 1650 | 100 | 266.0 | 件 |
送貨車廂尺寸 | 4200 | 1700 | 1800 | 5 | 籠車 |
（二）基礎數據測算
電商物流的特點是快進快出、吞吐量大，同時作為保稅倉庫，盡量大的一次到貨量可以減少工作量，節約成本，因此如何在存儲區與功能區之間找到完美的面積比例點是本次規劃的基礎與關鍵點。
通過與天祿多次溝通，最終確認本自動化倉庫需同時擁有電商倉庫與報關包裹清關暫存的功能，因此倉庫內部貨物流向較一般電商物流來說會更加復雜。為滿足倉庫批量存儲與高速交互，在自動化倉庫中同時設計自動化料箱貨架系統與自動化托盤貨架系統。
根據每日處理2萬的訂單需求、周轉參數及電商庫房的基本經驗假設數據等，測算得出托盤貨位需求數量（表4）、料箱貨位需求數量（表5）以及如圖2所示各環節的物流流量，這是后面章節進行設備選型和倉庫內部面積布局的基礎。
表4 托盤儲位
內容 | 數量 | 單位 |
日包裹數 | 20000 | 個 |
每單物料件數 | 2.3 | 個/單 |
存儲周期 | 1 | 月 |
每托盤物料件數 | 204 | 件 |
托盤儲位數計算 | 6765 | 個 |
表5 料箱儲位
內容 | 數量 | 單位 |
日包裹數 | 20000 | 個 |
清關天數 | 1 | 天 |
存儲包裹數 | 20000 | 箱 |
料箱儲位數計算 | 20000 | 個 |
根據電商中小件包裹特點，平均每個包裹物料件數2.3，集中報關分批出庫的電商庫存周轉率在1個月左右，每個托盤約可承載204件，根據入庫假設，得出托盤貨架所需托盤儲位數為6765（20000*2.3*30/204=6765）個，托盤每日出/入量約為226（20000*2.3/204=226）托。
每日處理能力要求為20000個包裹，根據舟山海關通關方案的分析，包裹在庫內最多存儲1天，則根據入庫假設，得出料箱儲位貨架所需料箱儲位數為20000個。
料箱揀選區，每日訂單20000單，每訂單貨物件數平均2.3件，則每日揀選箱數最大為46000（20000*2.3=46000）箱。
各環節流量的計算根據公式：每小時流量=每日流量/工作時間。
根據不同操作方式，貨物流向不同，流量總和滿足20000單訂單需求，每日出入庫流量為226托盤，20000包裹即46000件物料；托盤存儲6765貨位；料箱存儲為20000貨位；換包每日流量為226托盤，4510（20000*2.3/10.2=4510）料箱；揀選每日流量20000訂單，46000件；包裝與分撥每日流量均為20000訂單。
經計算得出每小時流量：出入托盤貨架/料箱貨架流量為29（226/8=29）托盤，2500（20000/8=2500）包裹，5750（46000/8=5750）件；托盤存儲6765貨位；料箱存儲為20000貨位；換包每小時流量為15（226/16=15）托盤，282（4510/16=282）料箱；揀選每小時流量1250（20000/16=1250）訂單，2875（46000/16=2875）件；包裝與分撥每小時流量均為1250（20000/16=1250）訂單。
圖2倉庫內部物流流向
圖2左圖中箭頭代表了主要的流量方向，但實際物流操作中因為逆向物流不可避免的存在，物流流向會更加復雜，因此在左圖中增加了4條主要的逆向流向。
以上流向的設計滿足倉庫內部貨物各種物流操作，包括托盤貨物存儲（到貨入自動托盤貨架）、報關包裹或緊急貨物存儲（到貨入自動料箱貨架）、越庫操作（入庫緩沖暫存直接出庫）、團購類批量出庫（托盤貨物出庫）、整箱貨物出庫（換包后包裝出庫）、按訂單出庫（料箱揀選后包裝出庫）。
（三）設備選型
設備的選型對本規劃方案至關重要，每個環節的設備首先要滿足吞吐量效率的需求，同時也要考慮其在投資成本、可靠性、維修成本、能源成本、未來擴展型、占地面積等方面是否有良好的表現。
根據流量測算及高峰系數的合理設定，測算出每個設備的最低效率需求，并綜合考慮各項因素最終確定設備選型及需求數量。
本案例設備包括倍深式托盤貨架、倍深式托盤堆垛機、自動料箱貨架、料箱提升機、smart carrier、裝卸貨平臺、換包臺、托盤穿梭機、空托盤堆垛機、空料箱堆垛機、輥道傳送帶、移栽機、揀選臺、包裝臺、滑塊分揀機、自動條碼掃描機、無線手持終端等。
示例如下：
1． 倍深式自動化托盤貨架及堆垛機，如圖3所示適合存儲量大吞吐量小的類型。
圖3 倍深式自動化托盤貨架及堆垛機
自動化托盤貨架整體高22米，12層，每條巷道長45米，寬6米，共設4條巷道，4個堆垛機，共計7296個托盤位，每個堆垛機每小時40個雙循環，則可支持每小時160個托盤的入庫，及160個托盤的取出，按照每日16小時的工作時間計算，每日同時可存入托盤2560個，取出托盤2560個。托盤堆垛機動承載大于500kg，牙叉貨位設2個托盤，最大提升高度為24m，最大吞吐效率為40雙循環/小時，設定托盤堆垛機數量4臺。
2． 自動化料箱貨架及提升機，如圖4所示，適合存儲量小吞吐量大的類型，且具有很好的未來擴展性。
自動化料箱貨架整體高16米，35層，每條巷道長54米，寬2米，共設5條巷道，5個提升機，70個smart carrier，共計44100個貨位，每個提升機每小時250個雙循環，則最大支持每小時1250個料箱的入庫及1250個料箱的取出，按照每日16小時的工作時間計算，每日同時最大可存入料箱20000個，可取出料箱20000個。為滿足每日最大46000次料箱出庫揀選，料箱貨位數量21000，設2組貨架區，共10條巷道，每巷道設2臺提升機，6個smart carrier。
圖4自動化料箱貨架及提升機
單料箱提升機載貨尺寸為0.7米*0.6米，載貨1個smart carrier，額定載貨重量60kg，升降速度2米/秒，提升高度16米。
3．高速揀選臺，如圖5所示，平均每小時可完成1000次的揀選，每日最大揀選次數為64000次。
圖5高速揀選臺
4.滑塊式分揀系統，如圖6所示，成本較低分揀效率高。
倉庫中采用的滑塊式分揀系統主分撥系統長度14.4米，寬0.4米，搬運高度0.9米，分揀參數為160包裹/分鐘，每日分撥工作16小時，則分揀效率為153600包裹（160*60*16=153600）。
圖6滑塊式分揀系統
5．鋸齒形卸貨道口，如圖7所示，主要因為卸貨區域較窄但需滿足40尺集裝箱。
圖7鋸齒形卸貨道口
（三）布局、流程與IT系統
1.倉庫內部布局設定
倉庫內部各區域的面積布局，根據前面章節的數據測算結果得出，本文以入庫區的部分面積布局為例，做簡要說明。
由表3得，每個托盤的面積為1.2*1=1.2（平方米）。
(1) 托盤碼垛區，2小時平均卸貨57托盤，通道比例50%，預留102.6（57*1.2*1.5=102.6）平方米。
(2) 退貨區，每日20000訂單，退貨比例20%，24小時內處理完畢，通道比例20%，實際預留64平方米。
退貨區預留面積可由20000*20%*2.3/204*1.2*1.2=64.8（平方米）設定得出。
(3) 檢驗區，每日20000訂單，退貨比例2%，面積需求6平方米，實際預留7.2平方米，最大滿足6（7.2/1.2=6）個待檢驗托盤同時存放。
由20000*2%*2.3/204*1.2=5.4（平方米），可設定檢驗區面積6平方米。
(4) 空托盤存放區，每日平均來貨托盤226個，退貨托盤46個，合計272托，可堆垛12層，預留41.6平方米，最大滿足416（41.6/1.2*12=416）個空托盤同時存放。
則由272/12*1.2*1.5=40.8（平方米）可設定空托盤存放區面積41.6平方米。
(5)空料箱存放區，面積67.2平方米，每托盤存放空料箱30個，可同時存放1680個空料箱（67.2/1.2*30=1680）。
由此，立體庫中的各個區域的面積設定完成，庫中其他區域的面積設定方法類似均是根據前面的測算結果以及多年經驗得出的。
圖8 倉庫內部布局示意圖
倉庫各區域需求面積及設備確定后，倉庫內部布局圖最終確認。考慮建筑成本，規劃方案采用筒倉的建筑結構，貨架上承載部分房頂與墻結構，同時在托盤貨架及料箱貨架的高度上可有更加靈活的利用，如圖8所示。本自動化倉庫地面高度1.4m，倉庫高度8m，自動化料箱貨架區高度16.45m，自動化托盤貨架區高度22m，倉庫組織架構圖見圖9。
圖9倉庫組織架構
2.IT系統架構及操作流程構建
對于自動化倉庫來說，支撐整個流程工作的IT系統起著另一項關鍵作用，方案在規劃流程的基礎上也給出了相關的IT功能需求說明。IT系統的應用可有效的指導倉庫作業過程，規范作業動作。IT系統采用雙服務器系統，雙機熱備份，記憶驅動/硬盤，同時應用RAID系統和鏡像方案，IT系統總體架構見圖10。
以WMS（倉庫管理系統）中入庫上貨的流程為例，說明IT系統的應用在自動化立體庫的設計方案中的顯著作用。如圖11所示，實際設計階段方案中用VISIO畫出各個操作流程的詳細過程。
圖10 IT系統架構
IT系統中WMS根據貨物存儲區域優先級、區域貨物庫存、貨位數量等設置，產生操作指示，發至RF（無線射頻），入庫人員看到RF顯示的存儲任務，根據貨物是入托盤貨架區存儲還是入料箱貨架區存儲進行入庫工作。
圖11操作流程圖示例
若RF顯示貨物入料箱貨架區存儲，則入庫人員將貨物放入料箱內，用RF掃描料箱碼和箱內貨物箱碼，然后進行綁定，之后入庫人員將料箱放入料箱傳送至系統起始端，料箱就進入貨架區存儲，這樣一個貨物入庫存儲完成，可進入下一個貨物操作；若貨物入托盤貨架，入庫人員則要先進行碼垛，用RF掃描托盤碼和托盤上貨物箱碼，進行綁定，托盤綁定完畢后，WMS將運輸任務傳送至叉車司機RF處，叉車司機根據RF顯示的任務，將托盤運輸至托盤傳送系統起始端，然后WMS接收托盤/料箱傳送信息，進行掃描后，WMS會自動安排托盤、料箱貨位，并更新庫存；叉車司機掃描托盤碼，確認托盤傳送開始，托盤經輪廓控制器檢驗托盤尺寸、重量，合格入貨架區存儲，不合格返回終端，重新碼垛，之后可運輸下一個托盤。至此，入庫上貨流程操作完畢。
從入庫上貨的具體操作流程，可見IT系統的應用可保證作業的準確性、速度和相關記錄數據的自動登記（入計算機系統），增加倉庫的效率、管理透明度、真實度，降低成本。
三、預計效益
本項目倉庫建成之后，作為保稅區內的跨境電子商務自動化庫房，同時擁有自動化托盤貨架存儲系統與自動化料箱貨架存儲系統，依托完善的信息系統支持方案，可滿足海關監管、智能化管理、一體化聯網管理等諸多需求，建成后將成為跨境電子商務自動化解決方案之標桿典范。
與電商傳統的“人肉模式”相比，本項目倉庫在滿足同樣訂單數量的前提下，倉庫占地面積至少減少60%，人工成本減低50%，發貨數量準確率控制在99.9%以上，真正實現高效。
