RGV式车身存储立体库性能评价方法与优势分析|rgv|升降机|可靠性|垛机|性能评价|汽车|立体库

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摘要：堆垛机式立体库和轨道穿梭车（RGV）式立体库是目前广泛应用的两种车身存储立体库形式，RGV式立体库属于新兴技术。本文从输送能力、布局灵活性、可靠性等方面，对两种形式的立体库进行对比，提出了适用于RGV式立体库的性能分析评价方法，结果表明RGV式立体库具备显著的性能优势，并进而探讨了这些优势产生的原因以及带来的价值。

关键词：立体库、RGV、性能、布局、可靠性

作者：赵恒锐1 王译若2 祁文昌1 齐江飞1 刘洪涛1 赵剑1

1为中国汽车工业工程有限公司

2为中国信息通信研究院

一

引言

立体库是一种利用多层货架和输送设备实现货物自动化存取的存储系统，可大幅提高作业效率、生产柔性和空间利用率。车身存储立体库广泛应用在汽车整车制造领域，实现车身存储、缓冲、排序等功能。

根据核心输送设备的不同，目前广泛应用的车身存储立体库可分为堆垛机式立体库和轨道穿梭车（Rail Guided Vehicle，RGV）式立体库两种形式。堆垛机式立体库中，巷道堆垛机同时负责货物的水平和竖直输送，出入库过程通常由单次堆垛机任务完成。RGV式立体库中，每层均布置有RGV，由固定式升降机负责货物层间输送，RGV负责货物层内输送，出入库过程通常需要升降机任务和RGV任务协同完成[1]。堆垛机式车身存储立体库已有30年以上的应用历史，是一种相对成熟的技术。RGV式车身存储立体库则属于新兴技术，自2019年后开始在多家知名汽车制造企业投入应用。

汽车整车制造需要高效率的生产系统，对生产节拍、生产柔性和生产稳定性都有很高要求。车身存储立体库作为整车生产系统的重要组成部分，自身性能表现直接影响到整个生产系统。现有的车身存储立体库性能评价方法主要针对堆垛机式立体库[2]，由于输送模式的不同，不能直接适用于RGV式立体库。本文基于两种形式立体库的异同，从输送能力、布局灵活性、可靠性等方面对RGV式车身存储立体库进行分析，对两种形式的立体库进行对比。

二

输送能力分析

出入库能力是衡量立体库性能的一个重要指标，计算出入库能力依据的行业标准主要有中国机械行业标准《JB/T 9018-2011 自动化立体仓库设计规范》和欧洲机械搬运协会标准《FEM 9.851 (2003) Performance Data of S/R Machines Cycle Times（堆垛机作业循环时间）》[3,4]。立体库的出入库能力通常以节拍（Jobs Per Hour，JPH）表示，计算方式见公式（1）：

式中，JPH为立体库的出入库节拍；tc为平均作业循环时间，单位为秒（s）。

由于立体库的结构和任务非常复杂，平均作业循环时间难以进行精确的理论计算，在上述两个标准中针对不同的立体库布局和任务场景，提出了近似的理论计算方法。一些研究验证了标准的适用性，结果表明大部分典型情景下标准提出的计算方法是适用的[5]。

立体库的节拍主要取决于货物输送系统的输送能力，即货物输送设备执行货物存取操作的能力。堆垛机式立体库中，进行货物存取操作的输送设备是巷道堆垛机；RGV式立体库中，直接进行货物存取操作的输送设备是RGV，而升降机承担间接的输送任务。JBT 9018和FEM 9.851标准提出的平均作业循环时间计算方法适用于巷道堆垛机，本文将其扩展到RGV输送系统的情景，并对两种输送系统的输送能力进行对比。

图1 堆垛机复合作业循环示意图

作业循环可分为单一作业循环（Single cycle）和复合作业循环（Combined cycle），单一作业循环包含1次入库任务或者1次出库任务，复合作业循环同时包含1次入库任务和1次出库任务。在更具普适性的复合作业循环情景下，巷道堆垛机的作业循环见图1，任务流程如下：

a.堆垛机初始位置位于货物入口E；

b.堆垛机装载货物后，送至入库目标库位P1；

c.堆垛机空载移动到出库目标库位P2；

d.堆垛机装载货物后，送至货物出口A；

e.堆垛机空载返回货物入口E。

复合作业循环时间是所有步骤用时之和，其中包括固定不变的动作时间，包括2次货物装载、2次货物卸载、4次定位等，可将其整合为一项常数；还包括4次移动过程，所用时间是任务起止位置的函数，总用时的表达式见公式（2）：

式中，tscc为堆垛机复合作业循环时间；ts为堆垛机单次移动过程用时；t0s 为堆垛机复合作业循环中固定用时总和。

堆垛机每次移动过程会同时开始执行水平移动和纵向移动，水平移动和纵向移动均完成后，即可判定堆垛机移动过程完成。由于每次任务的水平和纵向移动行程不同，堆垛机的水平移动用时和纵向移动用时通常不相等，其中耗时较长的一项决定了整个移动过程的用时，即堆垛机单次移动用时不小于其水平移动用时，由此可得公式（3）：

式中，txs 为堆垛机单次水平移动过程用时。

图2 单层RGV复合作业循环示意图

对于RGV输送系统，单层RGV的复合作业循环与堆垛机相似，区别在于RGV情景中各参考点位于同一层，货物入口与入库转接点、货物出口与出库转接点之间通过升降机输送，见图2，单层RGV任务流程如下：

a.RGV初始位置位于入库转接点ET；

b.RGV装载货物后，送至入库目标库位P1；

c.RGV空载移动到出库目标库位P2；

d.RGV装载货物后，送至出库转接点AT；

e.RGV空载返回入库转接点ET。

令RGV情景中ET、P1、P2、AT与堆垛机情景中对应E、P1、P2、A在x方向坐标保持一致，可得到RGV复合作业循环用时，见公式（4）：

式中，tRcc为RGV复合作业循环用时；tR 为RGV单次移动过程用时；t0R 为RGV复合作业循环中固定用时总和。

RGV的轨道和水平行走机构与堆垛机相似，且自重和高度均低于堆垛机，具有更小的阻力和更好的稳定性，因此RGV的行走速度不低于堆垛机的水平行走速度，对于相等的移动距离有tR ≤tXs 。RGV与堆垛机使用的移载叉规格相同，因此装载和卸载操作的用时相同，即t0R ≤t0s 。综上可得公式（5）：

公式（5）表明，在货架结构、水平行程和设备性能参数相同的情况下，每层的RGV均具有不低于一台堆垛机的存取能力。对于n层的立体库，一台堆垛机对应的运行区间可以设置n台RGV，则RGV输送系统的节拍上限是堆垛机输送系统的n倍。

另一方面，RGV输送系统的总节拍受升降机节拍的限制，有关系如公式（6）：

式中，JPH0为RGV输送系统的总节拍；JPHR为单台RGV的节拍；JPHL为单台升降机的节拍。

在RGV的运行区间内，可以布置多台的升降机，分别承担不同类型的任务或分流同种类型的任务，因此升降机节拍并不会成为RGV输送系统总节拍的瓶颈。通过合理设计，可使RGV式立体库中每台RGV和升降机均达到较高的设备利用率。

工程应用中，一台堆垛机的节拍通常在20～30 JPH，极限情况可达到35 JPH左右。在相同货架结构下，基于任务需求，RGV输送系统的实际节拍能达到堆垛机的2～3倍。RGV输送系统实际节拍与理论上限之间存在差距，这部分富余的存取能力可以发挥以下作用：

1.长水平行程。在设备性能参数确定的情况下，堆垛机或RGV的节拍与其最大水平行程是负相关的。在车身存储立体库的工程实践中，单台堆垛机的最大水平行程一般不超过70～80 m，以避免堆垛机的节拍下降到无法满足需求。对于RGV式立体库，即使最大水平行程达到160 m，单台RGV节拍下降到50% ，多层RGV的总节拍也足以满足节拍需求。RGV受行程限制较少，为立体库布局带来更大的灵活性。

2.强排序能力。排序能力是立体库相对平面库最重要的优势之一，但调序行为会造成节拍损失，并且节拍损失程度和调序幅度是正相关的。节拍损失原因是在能提前确定出库序列时，可以通过合理的调度策略优化存储位置的选择，而进行调序后无法按照最高效率的方式出库。根据仿真分析，在出库序列完全打乱时，立库输送系统节拍相对无调序状态会降低30%左右，此时堆垛机的节拍可能无法满足需求，而RGV输送系统有足够的节拍进行调序行为。车身存储立体库的一些应用场景要求很强的排序能力，如涂装车间的颜色编组区，RGV式立体库在这种场景下具有显著优势。

3.柔性化任务。立体库可以通过跨巷道输送、多设备接力输送等方式，实现存储位置和输送路径的柔性化。理论上堆垛机和RGV输送系统均具备这种能力，但柔性化任务会占用额外的输送节拍。堆垛机式立体库原本节拍已很紧张，通常不会做柔性方面的功能扩展；而RGV式立体库很少受节拍限制，可以提供更高的柔性。

三

布局灵活性分析

立体库可以设置多种不同类型的存储任务，由于汽车制造流程对存储区的节拍和防错能力有很高要求，每种存储类型通常有独立的入口、出口和库位区域。

对于堆垛机式立体库，堆垛机的存取范围由水平行走区间和升降区间共同限定，通常其水平行走轨道设置在地面上，载货台升降区间包含立体库全部层，存取范围为一个矩形区域。对于某种任务，需要入口、出口和库位区域在同一堆垛机的存取范围内。在水平行程较长时，可在同一巷道内布置一台以上的堆垛机，但两台堆垛机在轨道上的运行区间一般不重合，原因是重合的运行区间会带来额外的碰撞风险，并且避让动作造成的节拍损失会随重合区间增大而急剧增加。

图3 堆垛机式立体库布局示意图

图3以单排货架侧视图的形式，示意了堆垛机式立体库布局，以1～6层和a～h列表示，其中列数相对实际情况有缩减。该区域有2种存储任务，货物入口和出口分别为(E1、A1)和(E2、A2)。在节拍允许的情况下，可以只用一台堆垛机处理两种任务；如果一台堆垛机节拍不足，需要布置两台堆垛机时，在运行区间不重合的前提下，每台堆垛机负责任务的相关出入口不能超出堆垛机运行区间的限制。例如图3中当前状态为一种可行的布局，左侧堆垛机的行程为[a, d]列，包含了任务类型1的出入口和存储区域；右侧堆垛机的行程为[e, h]列，包含了任务类型2的出入口和存储区域。由于受A1位置的限制，右侧堆垛机行程无法扩展到a～d列，如果任务类型2有增大存储区域的需求则无法满足。如果外部生产线布置要求A1与A2互换位置，即A1位于库位h1处，则不存在可行的双堆垛机布局。

对于RGV式立体库，每层存储区域的分配取决于该层RGV的任务和行程区间，而各层的RGV数量和行程区间设置是相互独立的，升降机和每层的RGV可设置交接点，也可在无交接需求时各自独立运行，并且升降机的升降区间可以设置为立体库部分层，因此RGV式立体库的整体布局具有高度灵活性。

图4 RGV式立体库布局示意图

图4同样采用侧视图的形式，示意了RGV式立体库布局。区域内设置了3种存储任务，并且E1和A1分别位于a列和h列，整体布局难度远高于图3。图4(a)中展示的布局中，任务类型1的入库升降机行程为[a4, a6]，出库升降机行程为[g1, g6]，存储区域设置在5～6层，每层使用一台RGV；任务类型2、3的存储区域设置在1～4层，其中2～4层每层使用2台RGV，左侧RGV负责任务类型3，右侧RGV负责任务类型2；任务类型1的出库升降机对任务类型2的RGV运行没有影响。在节拍需求较低时，也可2～4层每层使用一台RGV，同时与任务类型2、3的升降机交接，如图4(b)所示。基于RGV式立体库的灵活性，几乎所有的需求场景均存在可行布局。

四

可靠性分析

立体库是一种复杂系统，具有多功能、多目标、非线性等特征。若要完整准确地表征立体库系统的可靠性，需要从以下三个层次分析[6,7]。

1.设备层次可靠性

对于单独的设备，传统的可靠性指标有很好的适用性，主要指标包括可用率（Availability，A）、平均修复时间（Mean Time To Repair，MTTR）和平均故障间隔（Mean Time Between Failure，MTBF）等。MTTR和MTBF可通过可靠性试验和设备运行统计获得，可用率计算方式见公式（7）：

对比两种形式立体库的设备可靠性，堆垛机式立体库的核心设备是堆垛机，RGV式立体库的核心设备是RGV和升降机，堆垛机需要兼顾RGV的水平输送功能和升降机的升降功能。堆垛机的主要机械结构包括移动式机架、水平行走机构、升降机构、载货台和移载叉；RGV的主要机械结构包括水平行走机构和移载叉，升降机的主要机械结构包括固定式机架、升降机构和载货辊床。堆垛机的机械结构更复杂，失效点更多，出现故障的概率更高。在水平行走速度、升降速度等性能指标相同时，RGV和升降机的MTBF明显大于堆垛机的MTBF。

另一方面，堆垛机的故障修复和日常维护存在不可避免的高空作业，而RGV式立体库中人员可通过维修通道到达每层，更为安全和高效地进行RGV和升降机的检修，从而使RGV和升降机的MTTR小于堆垛机的MTTR。因此在设备层次，RGV和升降机的可用率相对堆垛机具有显著的优势，实际应用中车身存储立体库的设备运行统计数据也与该结论相符。

2.功能层次可靠性

立体库可根据功能需求定义不同的功能块，一个功能块包含若干设备和存储区域，可完成特定的存储任务，且通常具有单一的货物入口和出口。以功能块能否完成规定功能为评价标准，可使用等效的可用率、MTTR和MTBF指标对功能块可靠性进行表征。

对于堆垛机式立体库，每个功能块通常只包含一台堆垛机，堆垛机发生故障时整个存储区域都无法执行存取任务，即整个功能块失效，因此堆垛机式立体库功能块可用率等于堆垛机设备可用率。对于RGV式立体库，每个功能块通常包含多台RGV，某台RGV发生故障时可将任务分流至其余未故障的RGV，智能化的立库管理系统可根据设备状态自行完成分流操作，这种故障应对机制称为“降级模式”。得益于降级模式，在功能层次RGV式立体库的可用率仍显著优于堆垛机式立体库。

图5 RGV式立体库典型功能块的可靠性评价模型

针对RGV输送系统的特性，使用多模冗余系统模型能够较好地评估RGV式立体库功能块的可靠性[8]。假设一个比较典型的RGV式立体库功能块，包含1台入库升降机、1台出库升降机和N台RGV。如果N台RGV中，只要有至少n+1台RGV能够正常工作，RGV组成的系统就能完成规定功能，则可引入表决器进行判定，模型如图5所示。考虑到2台升降机和RGV多模冗余系统为串联关系，可得到功能块整体可靠性的计算方式见公式（8）：

式中，AF为功能块的可用率；AR为单台RGV的可用率；AL为单台升降机的可用率。

3.系统层次可靠性

规模较大的立体库系统包含多个功能块，不同功能块的可用性具有一定程度的独立性，可能存在部分功能块故障而其他功能块正常运行的状态。传统可靠性分析的二态假设将系统划分为“正常”与“失效”两种状态，不能准确描述立体库整体系统的可用性，因此可用率、MTTR和MTBF指标已不再适用。多态系统（Multi-State System，MSS）模型可以更准确地描述立体库在不同性能水平下的工作状态，更适合用于评价立体库整体可靠性[9,10]。然而，由于存在共因失效、多目标、模糊信息等因素，对立体库整体可靠性进行较为精确的理论分析十分困难[11]，实际主要依赖仿真分析进行可靠性评估。基于此，最常用的立体库整体可靠性评价方法是将立体库任何形式故障造成的后果通过整个生产系统的产量损失衡量，使用设备综合效率（Overall Equipment Effectiveness，OEE）指标进行描述，OEE的计算方式见公式（9）：

式中，P为生产系统实际产量；PE为立体库无故障情况下的生产系统期望产量；Ploss为立体库故障造成的生产系统产量损失。

对于堆垛机式立体库，堆垛机设备发生故障时，造成的产量损失较高，甚至导致生产系统停线。对于RGV式立体库，由于设备和功能块的可用率更高，且具备降级运行能力，可以最大限度保障生产系统的连续稳定运行，避免或减少产量损失。

五

结论

本文在输送能力、布局灵活性和可靠性方面对传统的堆垛机式立体库和新兴的RGV式立体库进行了研究，提出了适用于RGV式立体库的性能分析评价方法，并对两种形式立体库进行了对比。结果表明，RGV式车身存储立体库在诸多性能指标上相对堆垛机式立体库具有显著优势。

在输送能力方面，RGV式立体库在相似场景下的总节拍可以达到堆垛机式立体库的2～3倍以上，并且可提供大量富余输送能力用于长行程、强排序、柔性任务等需求。布局灵活性方面，RGV式立体库对多类型混合存储具备极佳的支持度，几乎不受分区需求和出入口位置的限制。可靠性方面，RGV式立体库具备多模冗余、降级运行的能力，在设备层次、功能层次和系统层次都体现出可靠性优势。

基于上述优势，RGV式车身存储立体库不仅能够在与堆垛机式立体库相似的应用情景中实现更好的效果，而且能够实现独有的大规模集中式布局，发挥更有价值的物流中枢功能，进而优化生产物流系统整体布局。

参考文献:

[1]赵剑,林涛,赵恒锐.立体库在汽车涂装车间中的应用[J].汽车工艺与材料, 2023, 2023(10):59-62.

[2]马笑.基于《FEM9.851堆垛机作业循环》标准的特殊立体库吞吐量出入库频率计算[J].物流技术, 2021, 40(12): 118-122.

[3]JBT 9018-2011 自动化立体仓库设计规范[S]. 2011.

[4]FEM 9.851 Performance Data of S/R Machines Cycle Times[S]. 2003.

[5]赵宁,罗鑫珍,李文英等.基于蒙特卡罗仿真的自动仓储系统FEM标准适用性研究[J].中国机械工程, 2020, 31(18): 2153-2160.

[6]覃庆努.复杂系统可靠性建模,分析和综合评价方法研究[D].北京: 北京交通大学, 2013.

[7]孔伟.复杂系统可靠性工程相关理论及技术研究[D].重庆: 重庆大学, 2002.

[8]邹逢兴.计算机应用系统的故障诊断与可靠性技术基础[M].中国水利水电出版社, 2011.

[9]李春洋.基于多态系统理论的可靠性分析与优化设计方法研究[D].长沙: 国防科技大学, 2010.

[10]Y.K.Gu, J.Li. Multi-state System Reliability: a New and Systematic Review[J]. Procedia Engineering, 2012, 29: 531-536.