物流系统设计中的安全系数问题

文｜北京伍强科技有限公司董事长、

教授级高级工程师

尹军琪

在物流系统设计中，安全系数的设定是一个经常困扰大家的问题，不仅对于新的设计人员，也有很多老的工程师为此感到困惑。今天就几个常见的安全系数问题，谈谈我的认知，并与大家一起探讨。对与不对，还得读者自己去揣摩体会。

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用电负荷问题

用电负荷是自动化物流系统经常遇到的问题，也是一个比较难的问题，一般来说，总用电负荷是将全部设备负荷累计后，乘以一个“同时系数”。所谓“同时系数”，就是设备可能同时启动的概率，这一系数要小于等于1，但到底取值多少，非常复杂，尤其在比较复杂的系统中，更是难以准确计算。以下就几个典型工况进行分析。

立体库堆垛机系统：堆垛机的电机一般由起升、运行、货叉几部分组成，起升与运行一般会同时启动，但货叉不会，所以，计算堆垛机的用电负荷时，只要计算起升+运行电机的负荷即可。如果一个系统有多台堆垛机，存在同时工作的概率是很高的（分区工作的情形有例外），因此，一般情况下，堆垛机的用电负荷是每台堆垛机的起升+运行电机，乘以台数。

托盘输送机系统：托盘输送机是自动化立体库不可缺少的外围设备。要计算托盘输送机系统的“同时系数”就比较困难。一般来说，输送机由于控制的方式不同，同时系数的取值也不同。绝大部分的系统，同时系数都会小于0.5，有些流量不高的系统，同时系数更低。

箱式输送机系统：与托盘输送机不同，箱式输送机的同时系数会高一些，特别是箱式输送机由于分段问题、控制问题等千差万别，往往会对“同时系数”产生较大影响。一般情况下，箱式输送机的“同时系数”不会大于0.7。

要注意的是，物流系统中的一些单机设备。如提升机、电梯、分拣机等，以及AGV、叉车的充电桩，往往功率比较大。需要单独计算，其同时系数往往取值要高一些，一般为了简化，取值为1是比较常见的。

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基础承载问题

基础承载也是一个常见问题。人们对于物流系统的基础承载往往存在一些不正确的认识，往往是对实际的工况不了解或对载荷的性质不清楚所导致的。

平均荷载：所谓平均荷载，即一个区域内的所有载荷除以区域面积所得的值。平均荷载包括最大可能的货物重量，结构自重，以及随机的移动载荷等，其实要精确计算也是比较困难的。很多时候，我们会取一个上限作为设计依据。平均荷载作为建筑物基础，对梁、柱，尤其是桩基的设计非常重要，是关键指标之一。货物总重量其实是一个变量，无论是平库还是立体库，我们在绝大多数情况下几乎不可能填满整个空间。一方面是货物堆放的可能性，另一方面则是货物本身重量的差异性。因此，在计算平均荷载时，其安全系数可以根据产品的情况取值范围约为0.5~1.0，大可不必大于1，除非有特别的情形发生。如立体库的基础平均荷载，就是货架区域内所有货位放满货物后，加上货架本身自重，以及设备自重等，除以面积得来。其安全系数取值一般会低于1。如存放比较单一的标准产品，如酒水、牛奶、纸一类的产品，系数会高一些。如果存放综合类产品，如日用品、药品之类，则系数可以低一些。对于平库也是如此。但平库是人工操作，往往会存在违规操作问题，还是要慎重考虑的。

集中荷载：所谓集中荷载，是指局部的荷载。比如一个托盘、一辆叉车、一个柱脚的集中荷载等，或者是一个区域中某个小区域的荷载，如一座办公楼中的机房，保险柜室。一般情形下，集中荷载是对于平均荷载而言的。集中荷载往往会远远的大于平均荷载。比如平面仓库中行驶的叉车形成的局部集中荷载，立体库货架柱脚的荷载，提升机的柱脚荷载等，往往是平均荷载的几倍。局部荷载主要影响建筑楼板的设计，有些设计，只要将局部荷载可能出现的区域进行加强，以降低建筑的成本。局部荷载的安全系数要计算清楚，一般情况下，对于不清楚的可能工况，要取一个大于1的安全系数，这是非常必要的。

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抗震等级问题

我国的物流建筑设计，对抗震要求有严格的规定。抗震等级既与是否位于地震带即地区有关，也与建筑物的重要性和所在城市的重要性有关。如北京，建筑的设防等级是8级，这是一个比较高的等级了。

对物流系统而言，分为物流建筑和物流设备。物流建筑应严格按照建筑设计规范进行，但物流设备的设计，却没有硬性的规定。如按照建筑物的设计等级来设计，则可能存在很大的困难。如对立体库货架来说，按照8级烈度设防，由于货架结构的限制，几乎就无法达到，或代价是7级烈度的几倍。对于这一情况，我个人的意见还是要看实际情况。一般用途的自动化立体库，托盘是存放在横梁上的，并没有特殊的固定装置，一旦发生地震，货架发生晃动，托盘就会跌落，这时往往不是货架在地震力下发生垮塌，而是托盘跌落造成货架损坏，进而发生垮塌。因此，如果不能限制托盘的移动的话，货架强度即使按照8级烈度设防，也会发生货物跌落，货架垮塌的事故。也就是说，在这种情况下是没有必要按照8级设防的。但特殊的情形下，如重要的军事物资仓库，可能还需要采取特殊的防护措施，如增加防止托盘货物跌落的安全装置等，才能起到应有的作用。另一方面，从地震设防的原则分析，主要是防止建筑的整体垮塌，造成重大人员伤亡，或对逃生造成重大影响。好在立体库一般是全自动无人操作的，不会造成重大人员伤亡，因此，采用7级烈度设防是可以接受的。

分析垮塌的立体库事故，一个共同的特点是货架的垂直拉杆设计缺陷或并不符合要求。因此，对于处于地震带和重要城市的立体库设计，加强垂直斜拉杆的设计，如增加拉杆的强度，或增加拉杆的组数，都会有很好的效果。有些普通高层货架，也应该增加斜拉杆，以避免局部失稳后发生整体垮塌。当然，进行详细的力学分析是必不可少的。

另一方面，无论从成本还是安全性考虑，对于需要8级烈度设防的立体库而言，降低高度是必要的。例如，货架高度降低到10米以下，其抗震性能就会好很多，而且出现垮塌的风险也会小很多。

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货架承载问题

货架承载问题也是一个容易被忽视的问题。我国发生过多次货架垮塌事故，有些是操作问题，有些则是设计问题。很多货架设计单位事实上是没有力学分析能力的，他们凭借的是所谓的经验，以及无知无畏，直到造成无可挽回的损失才后悔莫及。

货架结构简单，但计算并不简单。其中既有结构简化问题，也有载荷简化问题，要完成货架的力学分析，需要具备完备的力学知识。有时，有针对的力学试验对于确定计算模型和修正分析结果是必要的。值得一提的是，力学是一门非常复杂的学科，并非通过几周的突击学习就可以掌握。因此，货架的设计单位或生产单位，应重视力学分析的重要性，并为此花费必要的成本。

货架设计的关键不只是立柱断面的型式，整个结构型式也非常重要。此外，同样重要的还有横梁、拉杆的设计，地面的连接方式，以及横梁的挂孔形状等。横梁的挂孔形状，直接影响横梁和立柱的连接强度，影响立柱强度，很多企业仅仅是为了区分货架是自己产的，而随意改变挂孔形状，其实是非常危险的。

由于货物摆放的随意性，所以货架的设计是按照最不利情况考虑的，并考虑一定的安全系数。横梁应按照最大荷载考虑，立柱也是。有的货架很高，可以采用变截面以节省材料，这是比较常见的策略。

影响货架安全系数的，还有应用的场合，如比较均衡的重载场合，安全系数应高一些，反之，则可以取低一些。但不管怎样，安全系数度不应低于1.2~1.4，这是考虑了材料及加工缺陷以及防范意外荷载所必须的。

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库存货位问题

很多仓库设计完成后，在上线运行时往往出现货位数不够用的问题。这是没有充分考虑库存货位安全性引起的。

设计中库存货位的安全系数，是指库存货位与库存量的一个换算关系。一般来说，货位的理想储存能力与实际储存能力之间是有较大差异的。主要有两个方面的因素：

一是托盘的平均装载率问题。我们知道，托盘装载率与货物的包装尺寸有关，也与零头的数量有关。一个标准托盘，当面对不同的货物时，其装载率是不同的，其差异会在0.5~0.9之间，即最不利情况可能只有50%的装载率，最大的可能则能达到90%左右。一般情况是：货物包装尺寸越小，装载率会越高，但也有例外，即货物包装尺寸与托盘尺寸正好形成倍数关系，这时的装载率达到最高。因此，在计算装载率时，应根据具体情况确定合适的平均装载率，才能使设计满足实际的要求。

二是零头托盘，零头托盘即每次收货后的不满托盘，也会影响整体装载率。库存SKU越多，批次越多，零头托盘就会越多，这是可以想象得到的。理论上讲，如果批次达到10000个，零头托盘差不多就会有10000个，这对库存的影响是不容忽视的。

综合以上，货位数的设计应该是理论库存除以平均装载率。此外，还应考虑一定的冗余数，已备不时之需。

以上主要讲了托盘货位数，其它形式的货位数，如箱货位也是如此。这里不再赘述。

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设备能力问题

人们经常感到困惑的问题是，系统设计能力与实际运行能力差异甚大。如立体库的出入库能力，分拣机的分拣能力，穿梭车、AGV的作业能力，提升机的作业能力等等。究其原因，也是对设备能力的分析不足所导致的。

设备能力的安全系数，即理论值与实际值的比值。从根本上讲，这不应被视为一种安全系数，因为理论值与实际值之间本身就存在差异。

以自动化立体库为例，通过理论计算，我们可以获知堆垛机的作业能力和输送机的作业能力，从而确定立体库的综合作业能力N，但这只是理论值。实际作业中，由于作业几乎不能达到满负荷状态，如输送机并不能达到一个托盘连接一个托盘的作业量，堆垛机并不能一次作业连接另一次作业，或完全执行复合作业。因此，实际测试所能达到的能力比理论值会有一个差异，有时这个差异还会比较大。此外，再加上调度问题，设备及软件故障问题，系统工作能力还会打折扣，所以，立体库系统最终的实际能力可能只有理论值的80%左右。

在系统能力设计方面，有一个现象是物流系统中容易被忽视的，就是作业的不均衡性。作业不均衡是客观存在的，一天之中，往往只有少数时间系统达到饱和作业状态，大部分时间都处于作业不饱和状态。特别是一个波次的结束或一天作业的结束阶段，系统任务会因为在各环节之间的不均衡，而使得实际作业时间比预期的要长很多。比如立体库作业，如果一个波次中某一个巷道的任务特别的多，那么整个波次完成时间会因为这个巷道的作业时间而延长。这在设计中是要特别注意规避的。

除了以上列出的6个方面的问题外，在实际设计中，还有很多类似问题，如疲劳问题、可靠性问题、设备工况问题、材料选型问题、工作时间问题等，都涉及到安全系数方面的问题，本文限于篇幅不一一例举。总之，设计中的安全系数选择是一个关键问题，也是一个常见的复杂问题，甚至关系到设计的成败，所以每一个设计人员应花大力气予以重视，做到灵活运用。

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