某盾构机再制造企业配件库房自动化拣选方案设计及作业效率分析

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摘要：为提升某盾构机再制造企业配件库房的出入库效率及调度执行能力，对配件库房自动化方案的规划与设计进行了探讨，对物料进行了分类及存储方式的统计。在此基础上，设计了轻型堆垛车和多层料箱搬运机器人两种自动化设备解决方案，应用RaLC物流仿真软件构建自动化方案仿真模型，分析了两种自动化设备方案的运作效率。仿真模型能够快速模拟并评估给定的自动化方案作业效率，对制造业仓储自动化方案的规划设计具有借鉴意义。

关键词：货到人订单拣选；轻型堆垛车；多层料箱搬运机器人；RaLC仿真建模

作者：段尊铖1 王文蕊2 李明1 殷汝旭1 杨伦磊3 孔令政3

1山东建筑大学信息与电气工程学院

2山东建筑大学交通工程学院

3中铁十四局集团装备有限公司

一

引言

对于传统机械制造业，存放设备制造与维修零部件、劳保用品、耗材等物料的配件库房对于保障生产的连续性和稳定性具有重要意义，通过设立配件库房可以集中储备平衡采购波动、降低物料单价，快速应对设备维修、工艺调整等突发需求，同时对于物料的集中管理便于追溯批次、控制质量，是维系高效连续生产的基石。通过建设智能立体仓库的方式实现仓库的自动化作业，对提高空间的使用率及运作效率、改善配件库房管理水平，均能起到至关重要的作用[1]。

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盾构机再制造企业是专业从事盾构设备大修、性能升级与技术再造的服务商，通过对达到使用寿命或受损的盾构机进行拆解、检测、修复和部件更换，使其恢复甚至提升原有性能，再制造盾构机能显著延长使用寿命，减少对新设备的依赖，降低设备采购成本，再制造过程能降低废弃物处理成本，促进资源的循环利用，响应绿色环保的可持续发展理念[2]。盾构机制造及拆解维修这一作业模式具有项目导向性强、配件需求波动大以及型号差异显著等特点，因此对零配件仓储管理提出了特殊要求：需要具备应对多机型、多批次备件的存储能力，能够快速响应不同维修阶段的紧急领用需求，同时还要实现对所有零部件物料的合理存储与溯源管理。

目前，该盾构机再制造企业存储盾构机零部件的配件库房长约31.56m，宽约9.52m，高4.5m，总体平面积约为300m2，存储各类盾构机核心零部件及其他物料数百种，并配备了横梁式重型货架、周转箱、塑料托盘、电动叉车等装备。然而，配件库房在实际使用过程中面临一部分突出问题：库存管理系统未能有效落实，存在系统与实际物料位置不符、新旧物料混放、找料依赖人工经验等问题，导致库存管理混乱。与此同时，面对紧急维修或组装任务，现有出库流程效率低下，难以满足集中备料的需求，备料过程依赖人工找料和事后补录，严重影响了现场维修和制造工作的及时开展。

本文对某盾构机制造企业存储零部件及其他物料的配件库房现场货物进行现场分析，统计物料型号数量及其对应的存储单元化要求，总结现场问题所在，并在现有库房内分别设计了轻型堆垛车和多层料箱搬运机器人两套货到人自动化拣选方案，并应用RaLC乐龙物流仿真软件构建仿真模型，导入历史作业数据进行仿真分析，验证各方案拣选效率[3]。

二

配件库房现状分析

1.设施布局

库房服务于盾构机的制造与维护，是盾构机制造过程中的核心保障环节，主要存储盾构机制造所需的零配件及消耗材料、劳保用品、五金工具、机器设备等物资，是品类复杂，存储模式多样的传统工业库房。现场由两名库管员进行分工作业，配备电脑、WMS、电动叉车、周转箱、托盘、重型货架等设备。配件库房平面布局如图1所示，现场实际实景如图2所示。

图1 钢配件库房平面布局

图2 配件库房现场实景

（1）区域划分

配件库房存储区域共划分为A区到N区共计14个存储区域。A区~L区由东到西依次排布，M区、N区垂直于其他区域排布在库房内靠南一侧。配件库房配位编号规则为“通01+区域编号（A-N）+层（01-X）+位（01-X）”；其中，“通01”为当前主要配件库房编号，其他存放气体类物料库房为“气01”，油漆、油脂、燃料等危险品物料库房为“危01”。如“通01-B-01-01”代表配件库房-B区盾构机配件1-第1层-第1位，“通01-H-01-01”代表配件库房-H区劳保用品-第1层-第1位。

表1 区域对应存储物资

L区五金工具货架为轻型层板货架，其余货架为横梁式重型货架，每一个货格可容纳16个400×300×130mm型号的周转箱或4个600×400×300mm型号的周转箱或2个1100×1100mm托盘。区域对应存储物资如表1所示。

（2）存储方式

配件库房现场存在周转箱与托盘两种存储单元，周转箱存在600×400×300mm和400×300×130mm两种型号，托盘存在1100×1100mm塑料托盘和铁制托盘及1000×800mm木质托盘三种型号，现场存储货架为横梁式重型货架，货架总高4m包括地面在内设立三层和四层两种货架形式，现场物料存储方式分为以下四种情况：①以周装箱形式直接存储在横梁式重型货架；②以托盘上存储周转箱形式存储在横梁式重型货架；③以托盘形式整托存储在横梁式重型货架；④无容器形式存储在横梁式重型货架接地最下层。其中重型货架上托盘物料通过电动叉车进行存取。

2.作业流程

配件库房作业流程主要包括物资入库、领料出库等流程，如图3、图4所示。作业流程主要负责部门包括班组、技术科室、采购、库管、质检、车间等部门，最终出入库结果由库管员进行确认，库管员通过WMS仓库管理系统进行物料信息的管理调度。

图3 出库作业流程

图4 总体物流方案

3.物料数据分析

以仓库管理系统上线后获取到的库存明细数据表为基础，进行详细的配件库房物料数据分析，并统计物料存储形式。

（1）库存物料分析

以库存明细物料分类方式及现场存储划分区域为统计基础，物料类型及实际存储方式统计如表2所示，由此得到14种物料类型分类及其SKU种类数量，并附带存储方式和物料含义说明，无存储方式的物料是无确定存放方式，用纸箱或编织袋存储的物料。

表2 物料类型及存储方式统计

（2）物料实际存储方式分析

配件库房现有600×400×300mm型号无盖板塑料周转箱55个，400×300×130mm型号无盖板塑料周转箱332个，1100×1100mm的塑料托盘共计102个。由于配件库房实际存储空间限制及库管员存储习惯等原因，现有存储模式为混放模式，即不同规格型号的相同物料或存在组合关系的不同物料可以混放，所以配件库房实际周转箱使用率为75%，托盘使用率为80%。

表3 存储方式统计

以1069个SKU的库存物料为基础，结合现场存储需求调研结果，统计了实际采用的存储方式种类及其数量。为消除混放模式带来的不准确影响，统计过程中存储模式修改为一个SKU存储在一个周转箱，不允许混放，最终结果如表3所示。其中，382种物料在实际配件库房现场中是无存储方式、接地存放的物料，其余687种物料由托盘和周转箱存储。

（3）领料订单与出库物料分析

对配件库房的现有领料订单进行分析。根据盾构机维修与在制造作业模式，领料订单包括日常作业领料订单和集中备货领料订单两类。其中，集中备货领料订单发生于盾构机某部位需要紧急维修或组装场景，负责各部位的班组根据各自不同物料需求提交大量的领料需求，此时配件库房不按照订单进行出库，配件库房需组织借调其他部门人员在班组领料期限内集中处理订单，统一出库准备好每种物料。

①领料订单分析

对日常作业领料历史订单进行统计分析，日订单数量最大为31条、最小为1条；订单中最大任务行数量为26行、最小任务行数量为1行，每条订单中任务行数量占比如图5所示；从图5中可以看出，百分之67.9%的订单只包含1条任务行，单个订单领料时出库料箱需求数量较小，多数订单仅出库1个料箱即可满足需求。

图5 日常作业领料订单中任务行数量占比

对于集中备货领料历史订单进行统计分析，一次性出库任务行数量平均在200行，领料订单需要在3小时内拣选完成，即每小时需出库67行任务。

通过两类领料订单分析可知，出库物料多为周转箱存储的小型物料，重型物料出库频率仅占5%左右，因此在方案效率分析中仅对使用周转箱存储的小型物料类型的订单进行效率分析。

②出库物料分析

对领料订单中物料分类进行分析，如图6所示。由图6可知，劳保及防护用品、工具类及其他低值易耗品三种类型的物料领料累计占比达85%，所以将这些物料定位为主要需求物料，在库位分配时可将其合理安排至靠近出库口的位置。

图6 总体物流方案

4.仓库现有问题

通过对配件库房现状的分析总结，可知当前配件库房主要存在以下三点问题：

（1）方便库管员寻找物料，横梁式重型货架垂直于配件库房的狭长走向排布，该排布方式占用通道面积大，空间利用率低。

（2）配件库房现场作业流程为“人到货”拣选配料模式，库管员需根据班组的领料需求步行全库范围内寻找物料，物料存放分散，物料拣选查询对库管员经验依赖度大。

（3）在批量出库情况下，库管员需协调其他部门人员协助作业才能满足现场物料拣选效率需求。

本文针对以上配件库房存在问题，设计货到人的自动化配件库房方案，解决配件库房空间利用率较低、物料存储分散混乱、批量出库效率不足的问题，并通过仿真验证自动化设备的出库效率满足现场领料订单的需求。

三

货到人自动化配件库房方案设计

基于配件库房现状分析及库房空间大小限制，设计了两套货到人自动化配件库房方案，分别是基于轻型堆垛车的料箱立体仓库方案和基于多层料箱搬运机器人的料箱立体仓库方案。考虑到大型物资需要托盘存储，小型物资需要周转箱存储的硬性存储需求，两套方案均配备重型货架区域及料箱立体仓库区域，两套方案的重型货架区域的设备选型和布局相同，而料箱立体仓库区域则不同，分别应用了不同的自动化设备，其中一套方案采用轻型堆垛车，另一套方案采用多层料箱搬运机器人。

1.基于轻型堆垛车的料箱立体仓库方案设计

（1）重型货架区域

为满足盾构机维修与制造过程中体积及重量较大的物资托盘类型存储需求，两种方案均配备了存储重型物资的横梁式重型货架区域，配备叉车进行重型物资的存取作业，主要设备及参数如表4所示。

表4 重型货架区域参数设定

（2）料箱立体仓库区域

该方案中，料箱立体仓库用于存储在荷载范围内的零部件、拆零物料对应的整件备用物料及其他需要周转箱存放的物料，充分利用垂直空间，实现高密度存储，使用轻型堆垛车进行料箱的存取。具体布局如图7所示，物流设备参数如表5所示。

表5 轻型堆垛车料箱立体仓库方案参数设定

图7 轻型堆垛车料箱立体仓库方案平面布局图

（3）出入库流程

轻型堆垛车方案的出库流程如图8所示。首先由需求班组在库存管理系统中提交领料申请，系统确认该物料归属区域。若是料箱立体仓库区域，待申请审核通过后，系统自动响应，调度轻型堆垛车前往指定库位，取出目标物料的料箱，随后料箱经由输送线被运送至拣选台，由库管员根据领料单进行拣选。拣选确认无误后，库管员操作设备将料箱送回输送线入库口，系统再次控制轻型堆垛车从入库口取回该料箱，并将其自动归位至原库位，完成料箱立体仓库区域出库任务。若是重型货架区域，待申请审核通过后，库管员通过系统查收出库任务，操作叉车从重型货架叉取对应物料的托盘，随后拾取对应数量的物料，待确认领料无误后，操作叉车将物料托盘放回重型货架，完成重型货架区域出库任务。

图8 轻型堆垛车方案出库流程

图9 轻型堆垛车方案入库流程

轻型堆垛车方案的入库流程如图9所示。当物料完成到货质检后，库管员确认该物料归属区域。若是料箱立体仓库区域，系统调度轻型堆垛车，从其预设的库位中取出对应的空料箱，并通过输送线运送至拣选台，随后库管员在拣选台进行人工操作，将待入库物料放入料箱并核对信息，确认无误后将已装填的料箱经输送线送至入库口，系统再次控制轻型堆垛车从入库口接驳料箱，并将其运送并存放回指定的库位，完成料箱立体仓库区域入库任务。若是重型货架区域，库管员操作叉车从重型货架叉取托盘，将待入库物料转移至托盘上，确认无误后操作叉车将物料托盘放回重型货架，完成重型货架区域入库任务。

2.基于多层料箱搬运机器人的料箱立体仓库方案设计

（1）重型货架区域

两种方案的重型货架区域设备选型及布局设计相同，主要设备及参数详见上文中表4所示。

（2）料箱立体仓库区域

该方案中，除配备料箱立体仓库用于存储体积及重量较小的零部件等需要周转箱存放的物料外，同时配备了补货区域和超重物料存储区域，用于存储拆零物料对应的整件备用物料及体积较小但单个SKU重量较大的物料。具体布局如图10所示，方案物流设备参数如表6所示。

表6 多层料箱搬运机器人料箱立体仓库方案参数设定

图10 多层料箱搬运机器人料箱立体仓库方案平面布局图

（3）出入库流程

多层料箱搬运机器人方案的出库流程如图11所示。首先由需求班组在库存管理系统中提交领料申请，系统确认该物料归属区域。若是料箱立体仓库区域，待申请审核通过后，系统自动响应，调度多层料箱搬运机器人前往指定库位，取出目标物料的料箱，随后料箱经由输送线被运送至拣选台，由库管员根据领料单进行拣选。拣选确认无误后，库管员操作设备将料箱送回输送线入库口，系统再次控制多层料箱搬运机器人从入库口取回该料箱，并将其自动归位至原库位，完成料箱立体仓库区域出库任务。若是重型货架区域，待申请审核通过后，库管员通过系统查收出库任务，操作叉车从重型货架叉取对应物料的托盘，随后拾取对应数量的物料，待确认领料无误后，操作叉车将物料托盘放回重型货架，完成重型货架区域出库任务。

图11 多层料箱搬运机器人方案出库流程

图12 多层料箱搬运机器人方案入库流程

多层料箱搬运机器人方案的入库流程如图12所示。当物料完成到货质检后，库管员确认该物料归属区域。若是料箱立体仓库区域，系统调度多层料箱搬运机器人，从其预设的库位中取出对应的空料箱，并通过输送线运送至拣选台，随后库管员在拣选台进行人工操作，将待入库物料放入料箱并核对信息，确认无误后将已装填的料箱经输送线送至入库口，系统再次控制多层料箱搬运机器人从入库口接驳料箱，并将其运送并存放回指定的库位，完成料箱立体仓库区域入库任务。若是重型货架区域，库管员操作叉车从重型货架叉取托盘，将待入库物料转移至托盘上，确认无误后操作叉车将物料托盘放回重型货架，完成重型货架区域入库任务。

四

基于仿真建模的方案效率分析

使用RaLC物流仿真软件对两种方案建立了3D仿真模型，并对两种方案进行了作业效率分析。轻型堆垛车料箱立体仓库方案仿真建模如图13所示，多层料箱搬运机器人料箱立体仓库方案仿真建模如图14所示。

图13 基于轻型堆垛车料箱立体仓库方案仿真建模

图14 基于多层料箱搬运机器人料箱立体仓库方案仿真建模

以订单中任务行数量为指标选取现场历史出库数据中日常作业领料订单和集中备货领料订单两种订单形成测试数据集，数据集均为料箱立体仓库区域订单任务，详见表7。其中日常作业领料订单为普通需求订单，集中备货领料订单为需要批量出库情况下的紧急需求订单，两数据集均为200条任务行。以两种数据集为基础对两种方案分别进行仿真测试，实验选取作业时间和平均出库效率作为衡量指标，其中作业时间为完成所有任务行所耗费的时间、平均效率为每小时出库任务行数。仿真运行结果如表7所示。

表7 方案运行结果

从表7可知，对于日常作业领料订单和集中备货领料订单，轻型堆垛车方案作业时间均在3小时以内，平均出库效率为76.76行/h，满足出库效率需求；多层料箱搬运机器人方案作业时间均超过3小时，平均出库效率为48.74行/h，不满足3小时内出库200行任务的出库效率。由此可见，轻型堆垛车方案满足现场集中备货领料时效要求，因此选择轻型堆垛车料箱立体仓库方案作为最终方案。

五

总结

本文以某盾构机再制造业行业配件库房为研究对象，针对配件库房中存在的配件库房空间利用率较低、物料存储分散混乱、批量出库效率不足问题，通过仓库现场布局及库存和取料订单数据分析，设计了轻型堆垛车和多层料箱搬运机器人两种自动化方案，并对两种方案进行了仿真建模并分析整体运作效率分析，分析结果表明，轻型堆垛车料箱立体仓库方案运作效率优于多层料箱搬运机器人料箱立体仓库方案，满足现场需求的出库效率指标。

参考文献:

[1]林原,虞有海,卢会超,等.智能化仓储物流系统在航空制造业中的设计与应用[J].物流技术与应用,2023,28(04):136-141.

[2]杨伦磊.盾构机再制造技术研究及应用[J].建设机械技术与管理,2024,37(06):15-17.DOI:10.13824/j.cnki.cmtm.2024.06.036.

[3]许本勇.基于SHA法和RaLC仿真的物料搬运系统方案设计和评价[D].华南理工大学,2019.DOI:10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.004359.

———— 物流技术与应用融媒 ————

编辑、排版：王茜

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