某盾構機再制造企業配件庫房自動化揀選方案設計及作業效率分析

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摘要：為提升某盾構機再制造企業配件庫房的出入庫效率及調度執行能力，對配件庫房自動化方案的規劃與設計進行了探討，對物料進行了分類及存儲方式的統計。在此基礎上，設計了輕型堆垛車和多層料箱搬運機器人兩種自動化設備解決方案，應用RaLC物流仿真軟件構建自動化方案仿真模型，分析了兩種自動化設備方案的運作效率。仿真模型能夠快速模擬并評估給定的自動化方案作業效率，對制造業倉儲自動化方案的規劃設計具有借鑒意義。

關鍵詞：貨到人訂單揀選；輕型堆垛車；多層料箱搬運機器人；RaLC仿真建模

作者：段尊鋮1 王文蕊2 李明1 殷汝旭1 楊倫磊3 孔令政3

1山東建筑大學信息與電氣工程學院

2山東建筑大學交通工程學院

3中鐵十四局集團裝備有限公司

一

引言

對于傳統機械制造業，存放設備制造與維修零部件、勞保用品、耗材等物料的配件庫房對于保障生產的連續性和穩定性具有重要意義，通過設立配件庫房可以集中儲備平衡采購波動、降低物料單價，快速應對設備維修、工藝調整等突發需求，同時對于物料的集中管理便于追溯批次、控制質量，是維系高效連續生產的基石。通過建設智能立體倉庫的方式實現倉庫的自動化作業，對提高空間的使用率及運作效率、改善配件庫房管理水平，均能起到至關重要的作用[1]。

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盾構機再制造企業是專業從事盾構設備大修、性能升級與技術再造的服務商，通過對達到使用壽命或受損的盾構機進行拆解、檢測、修復和部件更換，使其恢復甚至提升原有性能，再制造盾構機能顯著延長使用壽命，減少對新設備的依賴，降低設備采購成本，再制造過程能降低廢棄物處理成本，促進資源的循環利用，響應綠色環保的可持續發展理念[2]。盾構機制造及拆解維修這一作業模式具有項目導向性強、配件需求波動大以及型號差異顯著等特點，因此對零配件倉儲管理提出了特殊要求：需要具備應對多機型、多批次備件的存儲能力，能夠快速響應不同維修階段的緊急領用需求，同時還要實現對所有零部件物料的合理存儲與溯源管理。

目前，該盾構機再制造企業存儲盾構機零部件的配件庫房長約31.56m，寬約9.52m，高4.5m，總體平面積約為300m2，存儲各類盾構機核心零部件及其他物料數百種，并配備了橫梁式重型貨架、周轉箱、塑料托盤、電動叉車等裝備。然而，配件庫房在實際使用過程中面臨一部分突出問題：庫存管理系統未能有效落實，存在系統與實際物料位置不符、新舊物料混放、找料依賴人工經驗等問題，導致庫存管理混亂。與此同時，面對緊急維修或組裝任務，現有出庫流程效率低下，難以滿足集中備料的需求，備料過程依賴人工找料和事后補錄，嚴重影響了現場維修和制造工作的及時開展。

本文對某盾構機制造企業存儲零部件及其他物料的配件庫房現場貨物進行現場分析，統計物料型號數量及其對應的存儲單元化要求，總結現場問題所在，并在現有庫房內分別設計了輕型堆垛車和多層料箱搬運機器人兩套貨到人自動化揀選方案，并應用RaLC樂龍物流仿真軟件構建仿真模型，導入歷史作業數據進行仿真分析，驗證各方案揀選效率[3]。

二

配件庫房現狀分析

1.設施布局

庫房服務于盾構機的制造與維護，是盾構機制造過程中的核心保障環節，主要存儲盾構機制造所需的零配件及消耗材料、勞保用品、五金工具、機器設備等物資，是品類復雜，存儲模式多樣的傳統工業庫房。現場由兩名庫管員進行分工作業，配備電腦、WMS、電動叉車、周轉箱、托盤、重型貨架等設備。配件庫房平面布局如圖1所示，現場實際實景如圖2所示。

圖1 鋼配件庫房平面布局

圖2 配件庫房現場實景

（1）區域劃分

配件庫房存儲區域共劃分為A區到N區共計14個存儲區域。A區~L區由東到西依次排布，M區、N區垂直于其他區域排布在庫房內靠南一側。配件庫房配位編號規則為“通01+區域編號（A-N）+層（01-X）+位（01-X）”；其中，“通01”為當前主要配件庫房編號，其他存放氣體類物料庫房為“氣01”，油漆、油脂、燃料等危險品物料庫房為“危01”。如“通01-B-01-01”代表配件庫房-B區盾構機配件1-第1層-第1位，“通01-H-01-01”代表配件庫房-H區勞保用品-第1層-第1位。

表1 區域對應存儲物資

L區五金工具貨架為輕型層板貨架，其余貨架為橫梁式重型貨架，每一個貨格可容納16個400×300×130mm型號的周轉箱或4個600×400×300mm型號的周轉箱或2個1100×1100mm托盤。區域對應存儲物資如表1所示。

（2）存儲方式

配件庫房現場存在周轉箱與托盤兩種存儲單元，周轉箱存在600×400×300mm和400×300×130mm兩種型號，托盤存在1100×1100mm塑料托盤和鐵制托盤及1000×800mm木質托盤三種型號，現場存儲貨架為橫梁式重型貨架，貨架總高4m包括地面在內設立三層和四層兩種貨架形式，現場物料存儲方式分為以下四種情況：①以周裝箱形式直接存儲在橫梁式重型貨架；②以托盤上存儲周轉箱形式存儲在橫梁式重型貨架；③以托盤形式整托存儲在橫梁式重型貨架；④無容器形式存儲在橫梁式重型貨架接地最下層。其中重型貨架上托盤物料通過電動叉車進行存取。

2.作業流程

配件庫房作業流程主要包括物資入庫、領料出庫等流程，如圖3、圖4所示。作業流程主要負責部門包括班組、技術科室、采購、庫管、質檢、車間等部門，最終出入庫結果由庫管員進行確認，庫管員通過WMS倉庫管理系統進行物料信息的管理調度。

圖3 出庫作業流程

圖4 總體物流方案

3.物料數據分析

以倉庫管理系統上線后獲取到的庫存明細數據表為基礎，進行詳細的配件庫房物料數據分析，并統計物料存儲形式。

（1）庫存物料分析

以庫存明細物料分類方式及現場存儲劃分區域為統計基礎，物料類型及實際存儲方式統計如表2所示，由此得到14種物料類型分類及其SKU種類數量，并附帶存儲方式和物料含義說明，無存儲方式的物料是無確定存放方式，用紙箱或編織袋存儲的物料。

表2 物料類型及存儲方式統計

（2）物料實際存儲方式分析

配件庫房現有600×400×300mm型號無蓋板塑料周轉箱55個，400×300×130mm型號無蓋板塑料周轉箱332個，1100×1100mm的塑料托盤共計102個。由于配件庫房實際存儲空間限制及庫管員存儲習慣等原因，現有存儲模式為混放模式，即不同規格型號的相同物料或存在組合關系的不同物料可以混放，所以配件庫房實際周轉箱使用率為75%，托盤使用率為80%。

表3 存儲方式統計

以1069個SKU的庫存物料為基礎，結合現場存儲需求調研結果，統計了實際采用的存儲方式種類及其數量。為消除混放模式帶來的不準確影響，統計過程中存儲模式修改為一個SKU存儲在一個周轉箱，不允許混放，最終結果如表3所示。其中，382種物料在實際配件庫房現場中是無存儲方式、接地存放的物料，其余687種物料由托盤和周轉箱存儲。

（3）領料訂單與出庫物料分析

對配件庫房的現有領料訂單進行分析。根據盾構機維修與在制造作業模式，領料訂單包括日常作業領料訂單和集中備貨領料訂單兩類。其中，集中備貨領料訂單發生于盾構機某部位需要緊急維修或組裝場景，負責各部位的班組根據各自不同物料需求提交大量的領料需求，此時配件庫房不按照訂單進行出庫，配件庫房需組織借調其他部門人員在班組領料期限內集中處理訂單，統一出庫準備好每種物料。

①領料訂單分析

對日常作業領料歷史訂單進行統計分析，日訂單數量最大為31條、最小為1條；訂單中最大任務行數量為26行、最小任務行數量為1行，每條訂單中任務行數量占比如圖5所示；從圖5中可以看出，百分之67.9%的訂單只包含1條任務行，單個訂單領料時出庫料箱需求數量較小，多數訂單僅出庫1個料箱即可滿足需求。

圖5 日常作業領料訂單中任務行數量占比

對于集中備貨領料歷史訂單進行統計分析，一次性出庫任務行數量平均在200行，領料訂單需要在3小時內揀選完成，即每小時需出庫67行任務。

通過兩類領料訂單分析可知，出庫物料多為周轉箱存儲的小型物料，重型物料出庫頻率僅占5%左右，因此在方案效率分析中僅對使用周轉箱存儲的小型物料類型的訂單進行效率分析。

②出庫物料分析

對領料訂單中物料分類進行分析，如圖6所示。由圖6可知，勞保及防護用品、工具類及其他低值易耗品三種類型的物料領料累計占比達85%，所以將這些物料定位為主要需求物料，在庫位分配時可將其合理安排至靠近出庫口的位置。

圖6 總體物流方案

4.倉庫現有問題

通過對配件庫房現狀的分析總結，可知當前配件庫房主要存在以下三點問題：

（1）方便庫管員尋找物料，橫梁式重型貨架垂直于配件庫房的狹長走向排布，該排布方式占用通道面積大，空間利用率低。

（2）配件庫房現場作業流程為“人到貨”揀選配料模式，庫管員需根據班組的領料需求步行全庫范圍內尋找物料，物料存放分散，物料揀選查詢對庫管員經驗依賴度大。

（3）在批量出庫情況下，庫管員需協調其他部門人員協助作業才能滿足現場物料揀選效率需求。

本文針對以上配件庫房存在問題，設計貨到人的自動化配件庫房方案，解決配件庫房空間利用率較低、物料存儲分散混亂、批量出庫效率不足的問題，并通過仿真驗證自動化設備的出庫效率滿足現場領料訂單的需求。

三

貨到人自動化配件庫房方案設計

基于配件庫房現狀分析及庫房空間大小限制，設計了兩套貨到人自動化配件庫房方案，分別是基于輕型堆垛車的料箱立體倉庫方案和基于多層料箱搬運機器人的料箱立體倉庫方案。考慮到大型物資需要托盤存儲，小型物資需要周轉箱存儲的硬性存儲需求，兩套方案均配備重型貨架區域及料箱立體倉庫區域，兩套方案的重型貨架區域的設備選型和布局相同，而料箱立體倉庫區域則不同，分別應用了不同的自動化設備，其中一套方案采用輕型堆垛車，另一套方案采用多層料箱搬運機器人。

1.基于輕型堆垛車的料箱立體倉庫方案設計

（1）重型貨架區域

為滿足盾構機維修與制造過程中體積及重量較大的物資托盤類型存儲需求，兩種方案均配備了存儲重型物資的橫梁式重型貨架區域，配備叉車進行重型物資的存取作業，主要設備及參數如表4所示。

表4 重型貨架區域參數設定

（2）料箱立體倉庫區域

該方案中，料箱立體倉庫用于存儲在荷載范圍內的零部件、拆零物料對應的整件備用物料及其他需要周轉箱存放的物料，充分利用垂直空間，實現高密度存儲，使用輕型堆垛車進行料箱的存取。具體布局如圖7所示，物流設備參數如表5所示。

表5 輕型堆垛車料箱立體倉庫方案參數設定

圖7 輕型堆垛車料箱立體倉庫方案平面布局圖

（3）出入庫流程

輕型堆垛車方案的出庫流程如圖8所示。首先由需求班組在庫存管理系統中提交領料申請，系統確認該物料歸屬區域。若是料箱立體倉庫區域，待申請審核通過后，系統自動響應，調度輕型堆垛車前往指定庫位，取出目標物料的料箱，隨后料箱經由輸送線被運送至揀選臺，由庫管員根據領料單進行揀選。揀選確認無誤后，庫管員操作設備將料箱送回輸送線入庫口，系統再次控制輕型堆垛車從入庫口取回該料箱，并將其自動歸位至原庫位，完成料箱立體倉庫區域出庫任務。若是重型貨架區域，待申請審核通過后，庫管員通過系統查收出庫任務，操作叉車從重型貨架叉取對應物料的托盤，隨后拾取對應數量的物料，待確認領料無誤后，操作叉車將物料托盤放回重型貨架，完成重型貨架區域出庫任務。

圖8 輕型堆垛車方案出庫流程

圖9 輕型堆垛車方案入庫流程

輕型堆垛車方案的入庫流程如圖9所示。當物料完成到貨質檢后，庫管員確認該物料歸屬區域。若是料箱立體倉庫區域，系統調度輕型堆垛車，從其預設的庫位中取出對應的空料箱，并通過輸送線運送至揀選臺，隨后庫管員在揀選臺進行人工操作，將待入庫物料放入料箱并核對信息，確認無誤后將已裝填的料箱經輸送線送至入庫口，系統再次控制輕型堆垛車從入庫口接駁料箱，并將其運送并存放回指定的庫位，完成料箱立體倉庫區域入庫任務。若是重型貨架區域，庫管員操作叉車從重型貨架叉取托盤，將待入庫物料轉移至托盤上，確認無誤后操作叉車將物料托盤放回重型貨架，完成重型貨架區域入庫任務。

2.基于多層料箱搬運機器人的料箱立體倉庫方案設計

（1）重型貨架區域

兩種方案的重型貨架區域設備選型及布局設計相同，主要設備及參數詳見上文中表4所示。

（2）料箱立體倉庫區域

該方案中，除配備料箱立體倉庫用于存儲體積及重量較小的零部件等需要周轉箱存放的物料外，同時配備了補貨區域和超重物料存儲區域，用于存儲拆零物料對應的整件備用物料及體積較小但單個SKU重量較大的物料。具體布局如圖10所示，方案物流設備參數如表6所示。

表6 多層料箱搬運機器人料箱立體倉庫方案參數設定

圖10 多層料箱搬運機器人料箱立體倉庫方案平面布局圖

（3）出入庫流程

多層料箱搬運機器人方案的出庫流程如圖11所示。首先由需求班組在庫存管理系統中提交領料申請，系統確認該物料歸屬區域。若是料箱立體倉庫區域，待申請審核通過后，系統自動響應，調度多層料箱搬運機器人前往指定庫位，取出目標物料的料箱，隨后料箱經由輸送線被運送至揀選臺，由庫管員根據領料單進行揀選。揀選確認無誤后，庫管員操作設備將料箱送回輸送線入庫口，系統再次控制多層料箱搬運機器人從入庫口取回該料箱，并將其自動歸位至原庫位，完成料箱立體倉庫區域出庫任務。若是重型貨架區域，待申請審核通過后，庫管員通過系統查收出庫任務，操作叉車從重型貨架叉取對應物料的托盤，隨后拾取對應數量的物料，待確認領料無誤后，操作叉車將物料托盤放回重型貨架，完成重型貨架區域出庫任務。

圖11 多層料箱搬運機器人方案出庫流程

圖12 多層料箱搬運機器人方案入庫流程

多層料箱搬運機器人方案的入庫流程如圖12所示。當物料完成到貨質檢后，庫管員確認該物料歸屬區域。若是料箱立體倉庫區域，系統調度多層料箱搬運機器人，從其預設的庫位中取出對應的空料箱，并通過輸送線運送至揀選臺，隨后庫管員在揀選臺進行人工操作，將待入庫物料放入料箱并核對信息，確認無誤后將已裝填的料箱經輸送線送至入庫口，系統再次控制多層料箱搬運機器人從入庫口接駁料箱，并將其運送并存放回指定的庫位，完成料箱立體倉庫區域入庫任務。若是重型貨架區域，庫管員操作叉車從重型貨架叉取托盤，將待入庫物料轉移至托盤上，確認無誤后操作叉車將物料托盤放回重型貨架，完成重型貨架區域入庫任務。

四

基于仿真建模的方案效率分析

使用RaLC物流仿真軟件對兩種方案建立了3D仿真模型，并對兩種方案進行了作業效率分析。輕型堆垛車料箱立體倉庫方案仿真建模如圖13所示，多層料箱搬運機器人料箱立體倉庫方案仿真建模如圖14所示。

圖13 基于輕型堆垛車料箱立體倉庫方案仿真建模

圖14 基于多層料箱搬運機器人料箱立體倉庫方案仿真建模

以訂單中任務行數量為指標選取現場歷史出庫數據中日常作業領料訂單和集中備貨領料訂單兩種訂單形成測試數據集，數據集均為料箱立體倉庫區域訂單任務，詳見表7。其中日常作業領料訂單為普通需求訂單，集中備貨領料訂單為需要批量出庫情況下的緊急需求訂單，兩數據集均為200條任務行。以兩種數據集為基礎對兩種方案分別進行仿真測試，實驗選取作業時間和平均出庫效率作為衡量指標，其中作業時間為完成所有任務行所耗費的時間、平均效率為每小時出庫任務行數。仿真運行結果如表7所示。

表7 方案運行結果

從表7可知，對于日常作業領料訂單和集中備貨領料訂單，輕型堆垛車方案作業時間均在3小時以內，平均出庫效率為76.76行/h，滿足出庫效率需求；多層料箱搬運機器人方案作業時間均超過3小時，平均出庫效率為48.74行/h，不滿足3小時內出庫200行任務的出庫效率。由此可見，輕型堆垛車方案滿足現場集中備貨領料時效要求，因此選擇輕型堆垛車料箱立體倉庫方案作為最終方案。

五

總結

本文以某盾構機再制造業行業配件庫房為研究對象，針對配件庫房中存在的配件庫房空間利用率較低、物料存儲分散混亂、批量出庫效率不足問題，通過倉庫現場布局及庫存和取料訂單數據分析，設計了輕型堆垛車和多層料箱搬運機器人兩種自動化方案，并對兩種方案進行了仿真建模并分析整體運作效率分析，分析結果表明，輕型堆垛車料箱立體倉庫方案運作效率優于多層料箱搬運機器人料箱立體倉庫方案，滿足現場需求的出庫效率指標。

參考文獻:

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[2]楊倫磊.盾構機再制造技術研究及應用[J].建設機械技術與管理,2024,37(06):15-17.DOI:10.13824/j.cnki.cmtm.2024.06.036.

[3]許本勇.基于SHA法和RaLC仿真的物料搬運系統方案設計和評價[D].華南理工大學,2019.DOI:10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.004359.

———— 物流技術與應用融媒 ————

編輯、排版：王茜

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