基于飞毯智能技术的仓库优化设计.pdf

网络与信息化收稿日期2023-01-10基金项目2022年国家级大学生创新创业训练计划资助项目“飞毯智能一种智慧仓储技术的优化及应用”（202210357262）；安徽省新文科、新医科研究与改革实践项目“新文科背景下物流管理一流专业建设研究”（2020wyxm031）；安徽大学社会实践课程项目“大学生物流竞赛和创新创业训练”（2022xjzlgc267）作者简介高黎樊，男，湖南长沙人，安徽大学商学院学生，研究方向：物流与供应链管理；汪传雷，男，安徽黟县人，安徽大学商学院副院长，教授，研究方向：物流管理与工程；杨雨欣，女，安徽芜湖人，安徽大学商学院学生，研究方向：物流与供应链管理；李佩徽，女，安徽亳州人，安徽大学商学院学生，研究方向：物流与供应链管理；刘鹏龙，男，安徽阜阳人，安徽大学电子信息工程学院学生，研究方向：电子信息技术。doi:10.3969/j.issn.1005-152X.2023.09.026基于飞毯智能技术的仓库优化设计高黎樊1，2，汪传雷1，2，杨雨欣1，2，李佩徽1，2，刘鹏龙3（1.安徽大学商学院，安徽合肥230601；2.安徽大学物流与供应链研究中心，安徽合肥230601；3.安徽大学电子信息工程学院，安徽合肥230601）摘要指出了飞毯智能技术适应了仓储智慧化、紧致化、绿色化的发展新趋势，并探索了飞毯智能技术在冷库中的应用，从冷库的整体布局、内部布局、设施设备等方面对冷库进行优化，以满足飞毯智能设备运行的需要，从而打造紧致型仓储，实现仓储环节的提质降本增效。关键词飞毯智能技术；智慧仓储；紧致仓储；光伏储能；布局优化中图分类号F253.9；F253.4文献标识码A文章编号1005-152X(2023)09-0101-05Optimal Warehouse Design Based on Flying Carpet Intelligent TechnologyGAO Lifan1,2,WANGChuanlei1,2,YANGYuxin1,2,LI Peihui1,2,LIUPenglong3(1.Schoolof Business,AnhuiUniversity,Hefei 230601;2.Logistics&SupplyChainResearchCenter,AnhuiUniversity,Hefei 230601;3.SchoolofElectronic&InformationEngineering,AnhuiUniversity,Hefei 230601,China)Abstract:In this paper,we pointed out that the flying carpet intelligent technology is an answer to the new development trend of intelligent,compact andgreen warehousing,explored the application of the flying carpet intelligent technology in cold storage activities,and from the aspect of overall layout,internallayout,facilities and equipment,transformed a refrigerated warehouse to meet the needs of flying carpet intelligent equipment application,so as to create acompact storage environment and realizehigherqualityatlowercost inthe storagelink.Keywords:flyingcarpet intelligenttechnology;intelligent storage;compactstorage;photovoltaicenergy storage;layoutoptimization高黎樊，等：基于飞毯智能技术的仓库优化设计0引言我国 “十四五”现代物流发展规划 中提出要推进现代物流提质、增效、降本，并到2025年基本建成供需适配、内外联通、安全高效、智慧绿色的现代物流体系。在此背景下，如何进一步提升物流各环节效率和质量、降低成本、促进绿色发展，已经成为物流业乃至全社会共同关注的问题。飞毯智能是德国FL公司的一种电磁流式运输仓储系统1，本文结合中国场景，应用“飞毯”技术实现仓储环节提质降本增效，并促进新能源在物流领域的应用。1文献回顾当前，产业和时代的发展对智慧化仓储提出了新要求，其中离不开智慧化仓储技术。近年来，国内围绕智慧仓储技术进行了一些研究。雷斌，等2认为仓储物流机器人的工作效率影响着整个仓储系统的效率，常见的仓储物流机器人有自动导引小车、码垛机器人以及分拣机器人等。周亚勤，等3针对密集仓储环境，基于遗传算法的协同调度方法，提出了启发式规则，从而实现穿梭车任务的均衡分配。任楠，等4在考虑智慧化仓储的环境、模式、需求的情况下，对传统的AGV进行功能结构等方面的优化，使其能够更好地为自动化仓储系统服务。随着城市仓储与物流用地供应日益紧缺，紧致型仓储逐渐成为研究热点。刘兵兵，等5对一种三维紧致化仓储系统进行了算法介绍，并对相关的尺寸优化与调度方案进行了说明。张文涛，等6认为现代物流技术与装备主要发展方向之一是紧致化。马云峰，等7基于现有算法对网格型的仓储系统进行了分区设计，有效提高了仓库的工作效率。飞-101网络与信息化物流技术2023年第42卷第9期（总第444期）毯智能技术具有高密度、低成本的优势，能够满足紧致型仓储要求，本文对飞毯智能技术在紧致型仓储中的应用进行了探索。2飞毯智能技术介绍2.1基本构成飞毯智能是一项极具创新性的电磁流机器人技术，是基于电磁场的模块化平台系统，其运作系统由PU和Mover两部分构成。PU类似于家装的瓷砖，由一块块拼接而成，如图1所示。在仓库平面铺设充足数量的PU，可形成整体的智能平面。如果单个单元发生故障，可以轻松快速地更换。Mover尺寸为标准托盘1 000*1 200mm，一定数量的Mover分布在由PU形成的智能平面上。在Mover和PU之间会产生一个仅在实际运动期间有效的电磁场。将物品放置在Mover上，当接收到系统指令时，PU会产生运动方向上的电磁推进力，实现物品的在库运输。如图2所示。图1PU智能平面MoverPU图2Mover和PU模型2.2技术原理飞毯在库内运作的核心技术是电磁技术。飞毯创新性地将磁悬浮和电磁推进技术应用于仓储环节，其原理与磁悬浮列车有异曲同工之处。磁悬浮列车是利用电磁力进行列车和铁轨间无接触的悬浮和导引，只受到来自空气的阻力，为降低能源消耗、提高运行速度提供空间。在Mover的制动方面，也与列车有相似之处，采用的是盘形涡流制动，图3为Mover电磁制动原理8。飞毯技术正是借助磁悬浮的力量支撑起装载物品的托盘，实现二维平面内的移动。飞毯在库内的运行主要是通过电磁推进技术进行。电磁推进是借助导电气体中磁场和电流间的相互作用力，使气体高速喷出从而产生推力的一种推进方式。应用的工作介质是等离子体，因此又称等离子体推进。飞毯通过精确的电磁推进控制算法，能够实现各种规格、不同重量的负载物品的自由移动，与叉车、AMR、AGV等运输工具比较，飞毯应用方案具备密度高、通量高、成本低等优势。2.3运作流程开始作业前，飞毯位于库内的等待区。当有物品入库时，系统先通过分析物品信息和可用飞毯信息确定作业飞毯，通过电磁推进使飞毯按最优路线移动到指定区域进行上货。上货完成后，货物信息自动与飞毯信息进行绑定。当物品需要出库时，直接通过系统调度指定的飞毯即可。当任务完成后，飞毯会通过自检判断是否需要充电，电量充足后前往等待区等候新的任务。整体运作流程如图4所示。WMSWMS订单接入订单接入飞毯位于等待区飞毯位于等待区确定作业飞毯确定作业飞毯前往上货区域前往上货区域上货上货信息绑定信息绑定出库调度出库调度等待新的任务等待新的任务WCSWCS任务细分任务细分是否充电是否充电图4飞毯运作流程2.4技术优势对比当前市场的主要仓储设备：各式货架、AGV等等，飞毯智能技术具有以下独特优势：2.4.1仓储紧致化。飞毯智能技术使得每一个Mover既是存储设备，又是搬运设备，在智能地板上可以铺设足够多的Mover，相比传统的货架存储密度将更高，从而提高了仓储面积利用率。2.4.2抗干扰性强。由于采用模块化设计，整套系统可以灵活、单独运输并且适应特定的应用，还能够随时进行扩展。各个PU的分散控制使整个系统能够抵抗中断，系统也能够智能、实时地适应需求，如果某个PU发生故障，其他载体会自动绕过该PU，消除了整个系统发生故障，并因此中断货物流动的风险。万一单个单元发生故障，可以直接进行更换，提高了系统的流动性。2.4.3灵活匹配不同规格货物。目前，单个Mover最大承载量为3t，能够满足重载物流运输需求。整体系统协同控制使得物体可以单独运输，也可以成组运输。通过连接多个负载体，创建一个更大的Mover，能够实现不同大小和形状的物体的运输。2.4.4节能环保。在Mover和PU之间，运用磁悬浮技术，会产生一个仅在实际运动期间有效的电磁场。因此，用时通电，不用时断电，大大节省了电能。图3Mover电磁制动原理8D：金属圆盘 B：磁力线 I：涡流-102网络与信息化3基于飞毯智能技术的仓储优化飞毯智能技术运用于实际仓库场景，需要同步配套优化仓库环境。下面以Z公司冷库应用飞毯智能技术方案为例，从仓库整体布局、内部布局、设施设备等方面进行优化。其中，整体布局优化是满足飞毯运行的流程需要，内部布局是满足飞毯智能技术的场所条件，设施设备采纳光伏储能技术满足飞毯智能技术的能源要求。3.1基于飞毯智能技术的整体布局优化3.1.1Z公司冷库原有布局。Z公司是合肥知名生鲜冷链物流公司，其冷库为变温仓，总面积为16 000m2，内含2 500m2的冷冻区，主要提供包括肉类、畜牧业、农特产品以及药品的储存加工服务；周边布局有2 500m2恒温区，引进智能存储货架，智能流水线作业，主要为电商企业、新零售企业和农产品经营企业提供服务；5 000m2冷藏仓主要储存工业制品和食品；剩下的功能区分别为入库暂存区、装卸搬运区、流通加工区、办公区、退货区、产品配送区。原布局如图5所示。冷冻仓恒温仓冷藏库分拨配送区流通加工区办公区退货区入库暂存区装卸搬运区图5原冷库布局图3.1.2运用SLP方法对Z公司冷库布局进行优化。为满足飞毯运行的流程需要，采用SLP法对Z公司运用飞毯设备的冷库进行区域划分、空间布局以及面积确定的设计。首先，确定飞毯仓库的具体作业流程，使各作业流程衔接得当；然后，对功能区进行规划，使各功能区划分完善，满足货品储存需要，并使资源利用最大化。由于飞毯设备能够实现物品在库内的自由移动，无需其他的装卸搬运，因此，合并入库暂存区与装卸搬运区；最后，对飞毯仓库的平面布局进行优化。（1）SLP法基本要素分析。表1是飞毯仓库五项基本要素的具体内容。（2）功能区优化。合并入库暂存区与装卸搬运区。物品可直接传输到Mover上，飞毯设备能够实现物品在库内的自由移动，因此，无需进行复杂的装卸搬运。调整仓库面积和布局，保证飞毯设备在各仓运作的贯通性。（3）物流关系分析。根据调研得到仓库实际物流量情况，见表2。由于恒温区、冷藏区、冷冻区的物品进入展示区的物流量较少，可以忽略不计，根据表2进行仓库物流关系强度汇总，见表3。根据表3绘制功能区物流关系，如图6所示。由图6可得，冷库布局需要优先考虑产品配送区和冷藏区之间的物流关系；其次，考虑冷藏区到暂存区，恒温区、冷冻区到产品配送区之间的物流关系；最后，考虑暂存区到恒温区，冷冻区、恒温区到流通加工区的物流关系。（4）非物流关系分析。非物流关系的分析主要围绕飞毯设备进行。引入飞毯设备后，原有作业流程的变化引发仓库布局更改，需要考虑飞毯作业的便捷性；其次，飞毯设备完全自动化控制，无需人工进行仓库间的操作，需要考虑飞毯设备在仓库间穿梭的贯通性；另外，飞毯设备是基于电磁推动技术的模块化设计，当设备发生故障时，只需要替换损坏的PU或者Mover，需要考虑仓库维护保养的可操作性和仓库应用模块的耦合度；最后，飞毯设备极大地减少了仓库人力投入，需要考虑人员减少时如何做好仓库管理工作。非物流关系等级划分见表4。根据表4绘制出非物流关系密切程度表，见表5。根据表5绘制出功能区非物流关系图，如图7所示。由图7可得，冷库布局需要优先考虑冷藏区、恒温区和冷冻区到产品配送区的非物流关系；其次，考虑产品配送区到流通加工区，恒温区、冷藏区、冷冻区到暂存区的非物流冷冻区恒温区冷藏区高黎樊，等：基于飞毯智能技术的仓库优化设计表1基本要素具体内容基本要素物流对象P物流量Q物流作业线路图R辅助服务部门S物流作业技术水平T飞毯冷链仓对应内容冻猪肉等仓库运作时作业量产品运用飞毯设备流动时的流动线路行政办公区等主要包含飞毯设备、光伏储能设备、制冷恒温系统、冷库保鲜技术等表2物流量从至情况暂存区恒温区冷藏区冷冻区流通加工区产品配送区暂存区000000恒温区0.2400000冷藏区0.4800000冷冻区0.2400000流通加工区00.1440000产品配送区00.5760.961.20.1440表3物流关系强度汇总功能区物流强度所占比重等级暂存区-恒温区0.247.04%I暂存区-冷藏区0.4814.08%E暂存区-冷冻区0.247.04%I恒温区-流通加工区0.1444.23%O恒温区-分拨配送区0.57616.90%E冷藏区-分拨配送区0.9628.17%A冷冻区-分拨配送区0.62418.31%E流通加工区-配送区0.1444.23%O3.冷藏区4.冷冻区5.流通加工区6.产品配送区1.暂存区2.恒温区IIUUUAUEUUOUOEE123456654312图6功能区物流关系设计-103网络与信息化物流技术2023年第42卷第9期（总第444期）关系；最后，考虑恒温区到流通加工区，恒温区到冷藏区的非物流关系。（5）综合物流关系分析。结合上述分析，可以对飞毯仓库进行综合物流关系分析，并给出最终功能区之间的位置关系和它们之间联系的密切程度。由于本研究的目的是将飞毯设备更好地应用于仓库，助力物流自动化、智慧化转型升级，所以，物流因素应该占据主导地位，这里取比值2：1进行综合物流关系分析，得到功能区综合关系图，如图8所示。3.冷藏区4.冷冻区5.流通加工区6.产品配送区1.暂存区2.恒温区IEUUUAUEOUIUIEI123456654312图8功能区综合关系由图8可得，冷库布局需要优先考虑冷藏区到产品配送区的综合物流关系；其次，考虑暂存区到冷冻区，恒温区、冷冻区到产品配送区的综合物流关系；然后，考虑暂存区到恒温区、冷藏区，恒温区到流通加工区，流通加工区到产品配送区的综合物流关系；最后，考虑恒温区到冷藏区的综合物流关系。（6）最终布局。基于以上分析，计算出优化后的面积占比见表6，最终飞毯仓库布局如图9所示。3.2基于飞毯智能技术的内部布局优化将智能飞毯铺设在仓库内需要对原来各区域内部的布局进行调整，即将原有货架区域及叉车作业区域均调整为飞毯区域。以冷藏区为例，该区面积为 5 000m2，可用面积为4 800m2，其中长80m，宽60m。根据冷库设计国家标准相关要求9，冷藏区划分为A、B两个区域，两个区域间隔2m。引入飞毯前每个分区内有15排货架，每排货架深度为1m，两排货架之间有宽3m的叉车作业通道，如图10所示。A 60m 39m 39mB图10初始冷藏区布局引入飞毯设备后，省去叉车在库内作业的空间，图11中的灰色区域（货架）和白色区域（叉车作业区域）全部铺满飞毯设备，实现仓储紧致化。以A区为例：A区长方向：601.2=50（个）；A区宽方向：391=39（个）；飞毯总数：5039=1 950（个）。即改造后的仓库A、B每个分区内能够配备1 950个飞毯。引入飞毯后的冷藏区布局如图11所示。其他各区域均按照同样的方法布置处理。3.3利用光伏储能技术优化飞毯仓库为更好地满足飞毯智能技术的能源需求，可为Z公司仓库设施增设光伏储能设备。3.3.1光伏储能原理。光伏储能主要应用到的能源为太阳能。仓库上的太阳能电池板可以遮挡日光照射，较低的外部温度将有助于降低冷库的用电量。另外，冷库拥有较充足的屋顶面积，所以选择将光伏发电设备安装在屋顶上。3.3.2连接方式。飞毯设备与光伏储能设备结合，使用连接线把太阳能电源控制器和蓄电池连接起来，太阳能电源控制器的正极连接蓄电池的正极，太阳能电源控制器的负表6各区域面积占比面积/m2占比恒温区3 00018.75%冷藏区5 00031.25%冷冻区2 70016.88%暂存区2 00012.50%流通加工区1 0006.25%分拨配送区1 5009.38%办公区8005.00%冷冻仓恒温仓冷藏库分拨配送区流通加工区办公区入库暂存区图9飞毯仓库布局图恒温区冷藏区冷冻区表4等级划分理由编码12345考虑的理由飞毯作业的便捷性飞毯穿梭的贯通性飞毯冷库管理的方便性维护保养的可操作性应用模块的耦合度表5非物流关系密切程度功能区等级划分理由暂存区-恒温区E1暂存区-冷藏区E1暂存区-冷冻区E1恒温区-冷藏区O2恒温区-流通加工区I5恒温区-分拨配送区A1冷藏区-分拨配送区A1冷冻区-分拨配送区A1流通加工区-配送区E13.冷藏区4.冷冻区5.流通加工区6.产品配送区1.暂存区2.恒温区EEUUUAUAOUEUIAE123456654312图7功能区非物流关系-104网络与信息化极连接蓄电池的负极。连接线可从仓库墙体和飞毯PU的内部穿过，有效隐藏且无需对原有仓库进行大规模改造。再用连接线连接太阳能电源控制器和太阳能板，太阳能电源控制器的正极连接太阳能板的正极，太阳能电源控制器的负极连接太阳能板的负极。太阳能板接线连接成功后，可将飞毯的PU直接接在太阳能电源控制器输出端，实现光伏发电。3.3.3电池选择。主流电池储能技术对比见表7。本研究是将飞毯应用于冷库，密封及低温环境会缩短电池使用寿命，考虑购买成本及性能条件等因素，建议该冷库采用全钒液流电池。表7主流电池储能技术电池类型锂离子电池（磷酸铁锂为主）铅炭电池全钒液流电池优点能量效率高，功率配置和时间灵活价格相对较低寿命较长，具备超负荷工作能力缺点考虑安全性较差，一般布置在室外循环寿命相对较短能量密度低，响应速度较慢3.3.4效益分析。数据表明，光伏屋顶分布式发电平均每平米年发电量90100kWh左右。Z公司冷库总面积为16 000m2，实际可用平顶面积为15 000m2，经合理估算，每年光伏发电量约为150万kW h。每度光伏发电可减少二氧化碳的排放量为0.734g，相当于减少碳排放0.272kg，那么每年150万kW h的光伏发电量可以减少二氧化碳排放1 101kg，相当于减少碳排放为408kg10。现有工业用电普通时段电费为0.725元/kW h，国家出台的关于仓库屋顶光伏分布式发电的政策补贴标准为0.42元/kW h（含税），即采用光伏发电后Z公司冷库可节约大约45.75万元的电费成本。4结语本文创新性地将飞毯智能技术应用于实际仓储环节。未来该技术将不断改进，更好地应用于物流业以及其他更多行业领域：（1）全自动无人仓库。Mover之间灵活的拼接和运输可以取代叉车、AGV以及货架等仓储运输物流设备，实现仓库无人化、自动化管理。（2）生产制造工厂。未来Mover可以配备机器人、机械吊臂等，产品生产可以直接在飞毯上进行，实现车间或仓库等内部区域空间的最佳利用。（3）城市交通运输。未来飞毯可以与城市基础设施协作，如辅助全自动停车场的运作，实现车辆位置的自动调度，解决超载问题，提高安全性，减轻城市中心基础设施的负担。参考文献1钟经文.德国创新技术飞毯智能落地中国市场 联手链昇科技助力中外运物流打造智慧仓库EB/OL(2021-10-15)2022-12-30.https:/ 50072-2010S.北京:人民出版社,2010.10 王继祥.十大绿色仓储与配送措施助绿色物流落地J.环境经济,2018(8).A 60m 39m 39mB图11引入飞毯后的冷藏区布局（上接第72页）高黎樊，等：基于飞毯智能技术的仓库优化设计4梁佳平,范丽伟,王宁宁,等.碳排放奖惩机制下新产品和再制品的定价与分销渠道选择策略J/OL.系统工程理论与 实 践,2023:1-222023-04-23.http:/ 404-1 408.6刘秀磊,杨玉香.再制造补贴和碳税政策下闭环供应链网络优化J/OL.计算机集成制造系统:1-202023-04-23.http:/ F,GUAN Z,ZHANG L,et al.Inventory managementfor a remanufacture-to-order production with multi-com-ponents(parts)J.Journal of Intelligent Manufacturing,2019,30(1):59-78.9冯志亮.废旧轮胎全生命周期碳足迹计算D.天津:河北工业大学,2020.10 黄静文,周敏.基于两端不确定性的再制造供应链优化J.机械制造,2022,60(10):1-5,30.-105