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物流自动化技术文献综述
摘要：物流自动化技术是指物流活动中所采用的自然科学与社会科学方面的理论、方法，以及设施、设备、装置与工艺的总称。本文从硬技术和软技术两个方面来介绍物流自动化仓储技术。物流自动化硬技术是指组织物资实物流动所涉及的各种机械设备、运输工具、站场设施及服务于物流的电子计算机、通信网络设备等方面的技术。物流自动化软技术是指，组成高效率的物流系统而使用的系统工程技术、仿真工程技术、配送技术等。
关键字：物流，仓储，自动化，综述
1、物流自动化技术介绍
物流业的发展水平被认为是一个国家综合国力和企业竞争能力的反映,是国民经济的核心竞争力。现代物流在国际上被公认为是成长潜力巨大的朝阳产业。吴邦国指出,物流业是“国民经济的重要产业和新的经济增长点”,美国著名咨询公司麦肯锡公司在对中国物流业进行调查后撰写的《中国物流市场白皮书》认为,物流业“将在未来中国的经济发展中起到关键作用”。
物流自动化在整个物流业中发挥着关键的作用。所谓物流自动化就是有机的将自动化的思想和方法应用于物流过程中,使物流过程各环节合理结合以提高效率满足用户需求。美国、日本和欧洲的物流业最为发达,其物流自动化技术和装备也最为先进。以美国为例,由于物流自动化水平的提高,美国物流成本占国内生产总值的比重在近十年来有了明显的下降，由11%以上降到10%左右。国内的物流自动化水平远落后于美国日本等发达国家,提高物流自动化的水平必然会给我国国民经济带来巨大的效益,促进我国经济实现由粗放经营向集约经营的重大转变。物流所要解决的问题是物流活动的机械化、自动化和合理化。
物流自动化是现代信息技术集成的产物,能实现物流管理、作业及控制过程的自动化。现代物流业正在世界各国广泛兴起，物流产业已成为各个国家经济发展的动脉和基础卢业。从上世纪60年代逐步采用自动化物流系统以来，到今天已成为企业生产管理部可缺少的重要组成部分，建立自动化物流系统已成为现代企业的重要标志之一。自动化物流系统是典型的现代机械与电子技术相结合的系统，由具有一定智能的物流设备和计算机管理与控制系统组成。其空间利用率高，仓储能力强，能够通过计算机进行控制管理，实现货物搬运、存取的机械化和自动化归结起来由四大子系统构成，即自动化立体库系统、自动拣选输送系统、自动分拣系统和计算机管理与控制系统，如图1-1所示。

图1-1 自动化仓库构成
1.自动化立体仓库系统(Automated Storage and Retrieval System,简称 AS&RS)是自动化物流技术的核心。系统既可以有效利用空间又便于迅速进库出库,实现既简单又精确的库存管理，利用计算机进行控制，可以快速、简便地完成日常的进出库作业避免库存过剩或不足。
2.自动输送系统(Automatic Conveyor System)是将各拣选作业区域拣选出的货物自动输送,最后统一合流到自动分拣系统的入口。是衔接自动化仓库和自动分拣系统的重要环节。
3.自动分拣系统(Automatic Sorting System)是物流中心不可缺少的一部分。物流中心在最短的时间内将这些商品卸下并按商品特点进行快速准确的分类。
4.计算机控制和管理系统(Warehouse Management System)是自动化物流系统充分发挥优越性的关键。能把所有设备有机地组合在一起,形成一个系统,高级的自动化物流系统是由管理计算机、中央控制计算机和直接控制现场设备的可编程控制器组成。各个子系统相互协调,配合工作构成完整的自动化物流系统。自动化物流系统的应用主要集中在制造业、医药、食品、烟草等行业领域[1]。如图1-2所示,是海尔公司的国际自动化物流中心。

图1-2 海尔国际自动化立体仓库
自动化立体仓库是自动化物流整体系统的一个子系统,作为物流自动化的核心技术,具有利用率高、出入库能力强、仓储自动化水平高等诸多优点,已发展成为衡量物流运作与管理水平的重要指标,也是物流系统的研究重点。
2、国内外研究现状
2、1自动化立体仓库调度主要研究内容
自动化立体仓库技术涉及到管理、硬件、软件控制于一体,研究内容非常广泛。在自动化立体仓库的设计过程中,也常常涉及到对自动化立体仓库内设备的管理、调度等优化技术。就自动化立体仓库的设计和优化来说,国内外主要在以下几个方面进行了研究:
1.自动化立体仓库效率的优化策略的研究。主要包括货位优化的研究,出入库作业的优化调度研究,堆垛机拣选作业的路径优化设计,输送系统优化调度等。货位分配问题是管理中的一个重要部分,自动化立体仓库要达到存取高效,则要求货物货位方面配合合理化,从而提高立体仓库的空间利用率。出入库作业的调度问题的研究也不断深入,对优化策略进行研究具有重大意义。
2.自动化立体仓库本身的布局进行研究。对于自动化立体仓库来说,其静态布局设计是进行其他设计活动的基础,在静态设计中,要根据货物确定货位尺寸和仓库总体布局,恰当地确定仓库布局是一项极其重要的内容,它直接关系到仓库面积和空间利用率,也关系到仓库能否顺利地存取货物。
3.自动化立体仓库内运行的主要设备,如巷道堆垛机,输送系统及周边运输小车等设备的设计进行研究。巷道堆垛机是自动化立体仓库的主要作业机械,是自动化立体仓库中关键设备之一。输送系统作为立体仓库储存区与外界交接的关键设备,其设计好坏直接影响整个立体仓库系统的物流通畅性。不同的自动化立体仓库的设备职能各异,研究主要集中在对各个设备的整体优化上。自动化仓库出入库调度的合理化、工艺任务的分配合理性,作业任务响应的实时性以及仓库的智能化程度等的要求也越来越高,而这些要求都可以归结为自动化立体仓库的作业调度与策略优化问题。作业优化直接关系到化成自动化仓库的作用是否能够得到充分发挥,任务调度的合理又是保证化成工艺各个工序有条不紊进行的前提。所以进行自动化仓库的调度及优化研究有重要意义和实用价值。
2、2自动化立体仓库货位优化的研究现状
在货位分配优化方面,最早有关分配策略的研究是Heskett[2]提出的单位订单体积索引原则COI (cube-per-order index), COI为某种货品存储总量所需的库存容量与该种货品的出库频率的比值,体现了货品的周转速度。规则计算某种货品的COI值,按货品的COI值由小到大进行货位分配。Heragup[3]建立数学模型并提供了一种启发性算法,他将仓库分为收货区、保留区、直接换装区、发货区,同时将仓库的物流分为四种类型,然后建立优化模型,并给出一种启发式算法实现仓库分配。Venkata Reddy Muppani等[4]使用模拟退火算法应用在货位分配调度,文章通过假设,定义参数,算法进程到结果对比,证明其算法较COI的动态分析具有优越性。上海交通大学的陈璐[5]等在自动化仓库中对储位分配和存取作业路径优化问题进行同时决策。提出了一个混合整数规划模型对该问题进行优化建模,设计开发了一个基于有向连接图的两阶段优化算法对问题求初始解,并利用禁忌搜索算法对所求得的结果进行改进。实例计算证明了算法的有效性,以及交叉存取方式对提高系统效率的重要性。浙江大学的柳赛男等[6]提出了库区分配策略、任务分配策略和货位分配策略三种调度策略来提高自动化仓库的出入库操作的效率。在一般库区分配策略的基础上,提出了基于映射的货品货位稱合库区分配策略。该策略釆用货品按出库频率高低排列形成不同优先级的货品链。货位按照距离出入库台，远近划分为优先级不同的货位链,优先级高的货品链优先相匹配耦合,形成相应的货位分区,并进行联合编号,基本模型如图1-3所示,实现了较好的货位分配。

2、3自动化立体仓库出入库作业优化的研究现状
对于出入库作业优化问题,F.Basile等[5]把仓库系统的分成几大类子系统,针对子系统之间的中问环节的调度进行研究。把调度建立成一系列离散事件的模型,并使用Colored Timed Petri Net的方法分析,在实例的仿真中得出中间连接环节的重要。Hanli[6]的研究结果表明,当堆垛机的空驶时间降低50%时,系统效率可以提高10-15%。Lin Wu等[7]认为由于堆垛机在一个时刻只能处理一个任务,所以合理的的调度是提高效率的关键。文章提三种有效调度原则:先到先服务,不打断优先级和最短运行时间原则。制定调度算法表,采用ERP-WMS模式任务传送给下位机执行。实验证明采用这种调度策略能明显缩短时间。Valentina Colla等[8]以实际的钢铁仓库系统为背景提出了存储策略解决方法,基于遗传算法对比了三个不同的解决方案处理多标优化的方法:线性加权函数,模糊系统目标函数和强度帕累托遗传算方法。实验证明三种解决方案都提供了良好的结果。Bashir Salahl[9]在处理存放货物时间方面,用一种基于Stewart-Gough Platform的有线机器人替代原有的堆垛机完成存取货物的任务。这种新机器的运行轨迹有效的减少了处理时间,且能让仓库机架配置更为灵活。
2、4物流系统仿真的研究现状
对于自动化物流系统的研究国外主要是从研究离散事件系统衍生而来的，主要研究物流离散系统建模、仿真和优化。Jack G.A.J. van derVorst对多层行食物供给系统进行研究，运用 Petri 网对这种动态离散系统的建模，并运用仿真呈现了这个复杂的供给系统[10]。Li Fei Cheng 将世界原油的物流运输同样看做一个离散系统。他们将仿真建模和优化配置相结合，提出了一种用于决策的建模方法及配套算法[11]。Ana Paula Iannoni结合一群算法，对离散仿真分析对物流供应链这个较大的概念进行了剖析[12]。Francesco Parola 通过对联运集装箱货流在左舷系统网络的运作模型进行仿真，找到了系统提升的切入点[13]。Demetri Lagana 提出的网络计算系统可以有效的解决仿真模型的优化问题，为优化模型求解提供了广阔的思路[14]。YoungM.Lee 主要对化工厂的仿真模型中物流活动进行研究，其将该工厂内的物流活动加以提炼，构建了厂内物流优化模型，用神经元算法计算得到优化的结果[15][11]。Aoyama 等人将 Monte-Carlu仿真手段应用在B2B 企业的交涉环节，分析影响企业受益的根本因素，提出了物流伴随信息流的全新的优化理念[16]。Chin, Chia, Jane 主要研究合理配送中心的存储单元分配控制手段，这种分配方式是根据客户订单拉动的，通过仿真和优化使得操作人员的分工更加合理[17]。Kim．Byung-In 则是从控制的角度提出仓库管理模式。这种系统基于智能代理理论阐述了通用的仓库调度策略[18]。他还提出智能代理建模辅助工业仓库的拣选作业[19]。Donald.Tepas 针对仓库拣选分工问题提出了用于仓储系统决策支持的复杂问题解决模式[20]。
物流仿真软件对于物流系统模型分析，对构建的方案进行科学的决策与优化具有重要的作用。西安理工大学的山东大学的张海峰运用面向对象的有色 Petri网对由工件对象、机床对象、AGV小车对象和自动化立体仓库对象组成的 FMS 物流系统进行了建模,分析了系统模型中受控变迁发射的原理和控制方法，并将FMS物流系统Petri网模型转化为物流系统的仿真程序[21]。武汉理工大学的谢本凯利用 PN建模，确定硬件之间的逻辑关系,主要针对货品的进库、出库流程确定，利用witness软件仿真,得出仿真数据。选择三种不同的货架设计方案，参考仿真结果择优[22]。武汉理工大学的谷曼介绍了自动化立体库的设计规划理论，讨论离散系统的特性，构建仿真物理模型及数据模型，讨论了仿真业务流程及事件的相互关系，并加以仿真[23]南京林业大学的胡学刚基于 Petri网理论建模，利用Flexim软件对该立体仓库仿真，设定参数后得出仿真结果，找到了规划模型的瓶颈[24]。沈阳工业大学的孔祥卓对立体仓库的拣选作业进行分析建模，并对拣选作业的优化方法加以探讨，优化了作业调度，并用 Flexim 软件对实例仿真，建立了基本模型[25]。对于仿真结果的研究与分析是自动化立体仓库设计、测试过程中不可或缺的一部分。通过对仿真结果的深入研究，运用科学的手段对设计环节进行优化，力求方案最优，这对于工程实际与通用理论应用都具有重要的价值。山东科技大学的吴广伟将遗传算法应用于 AS/RS 中，针对堆垛机和 AGV 化问题，研究了与之相适应遗传算子。根据堆垛机的运行过程，建立了数学模型，对于库位与堆垛机的运行路径进行优化，采用C语言编写了遗传算法的源程序[26]。沈阳工业大学的马涛从自动化立体仓库的整体布局规划与参数设计着手，基于对 RFID 技术对自动化立体仓库的业务流程和组织进行设计，运用组合优化算法对仓库的拣选作业调度加以优化[27]天津理工大学的张虹娟首先针对堆垛机的行走路线进行优化，建立优化模型，运用自创的基于非定长小窗的自适应蚁群遗传混合算法求得最短路径。其次将堆垛机的调度逻辑看做是商旅问题，同样采用自创的具有离散参数的蚁群算法进行最优求解[28]兰州交通大学的杜亚江构建实际项目，运用排队论基础理论对 I 型、U 型的自动化立体仓库进行了排队论模型的建立，并给出了各个参数的求解方法。运用eM-Plant物流仿真软件分别对U型和I型两种类型的自动化立体仓库进行了仿真建模，对验结果进行了分析，提出了合理的建设立体仓库的方案[29]

3、参考文献
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