穿梭车式微型负载自动存储和检索系统（SVM-AS/RS）可实现快速存储和检索，增强灵活存储和分拣操作的缓冲功能。本研究考虑的系统包括安装在每个存储层的轻型穿梭车、存储和检索提升机、连接提升机和穿梭车的层输送机以及进出通道输送机。首先，演示了一种方法，通过这种方法可以确定升降机还是穿梭车是指定系统中的瓶颈。然后，演示了如何利用模拟来精确分析不同布局的性能，并将存储位置分配规则和操作优先级考虑在内。这项工作表明，从这种仿真分析结果中得出的关键性能指标是在给定的操作优先级条件下为 SVM-AS/RS 选择一套最有效、最经济的规格的宝贵工具。
现代物流设施不仅用于储存原材料、零部件和最终产品，而且还起着缓冲作用，可以在装运、分拣、分类、码垛或合并之前进行灵活的储存和分类。最近，穿梭运输车式小型自动存储和检索系统（SVMAS/RSs）已被用于上述领域，可按组或按顺序快速存储和检索纸箱、周转箱和托盘等库存缓冲区，从而满足客户对快速交货服务的需求。
自动存储和检索系统（AS/RS）的性能分析对于在动态物流环境中运行的物流管理者来说是一项复杂的挑战（Gaku 和 Takakuwa，2017 年）。为了提高系统性能，对系统配置、旅行时间估计、存储分配、停留点位置和请求排序等动态自动仓储和检索系统的要求越来越高，需要开发出克服有限规划视野的方法（Roodbergen 和 Vis，2009 年）。仿真为精确、真实地模拟此类系统的性能提供了宝贵的手段（Takakuwa，1989 年；Takakuwa，1993 年）。
仿真通常被用作物流运营的决策工具，以确保持续运营。大规模自动仓储系统/物流系统运营的仿真建模和分析一直是众多研究的重点（Takakuwa，1989 年；Takakuwa，1994 年；Takakuwa，1995 年）。Ning 等人（2016 年）强调，基于多电梯穿梭存取系统的货架设计仿真模型无需简化。有学者提出了一种实用的方法来描述具有多部电梯和穿梭车的动态系统，以解决电梯调度问题，即哪部电梯将处理哪项（存储或检索）请求，以及处理顺序如何（Carlo 和 Vis，2012 年）。与此同时，Takakuwa（1993 年）以环形卡车自动导引车（AGV）系统的操作规范为基础，进行了成本效益模拟优化分析，随后 Takakuwa（1996 年）提出了一种基于模块的建模方法，用于生成复杂的大型自动仓储系统/自动仓库系统的模拟程序。Kuo 等人（2007 年）使用计算效率高的周期时间模型来估算使用自动驾驶车辆技术的单位载荷 AVS/RS 的车辆利用率，以期确定需要进行更广泛仿真评估和验证的设计剖面范围。Goozen 等人（2016 年）开发了将任务分配给班车的调度启发式方法，以最大限度地减少不按顺序运行的情况，并最大限度地提高全漫游班车系统（FRS）的吞吐能力。不过，一般认为全漫游穿梭运输系统更适合零售和批发配送中心的慢速产品。通过在实践中实施各种仓库设计，并考虑到运营特点，对自动仓储系统/自动货架系统进行吞吐性能计算（Lerher 等人，2015 年；Lerher 等人，2016 年）。这两项研究都强调，模拟可以帮助仓库设计人员分析布局在自动仓储系统运动特性方面的效率。
在设计大规模 SVM-AS/RSs 时，必须对许多可能的布局进行评估和选择。必须决定许多参数，如 SVM-AS/RS 的规格、穿梭车的数量和进出升降机的数量，同时考虑到根据以不同方式处理物品的频率给予不同操作的优先权。必须对不同的解决方案进行建模，并对多个模型进行模拟实验，以确保保持连续的物流运作。本文超越了现有的研究，通过仿真分析系统的动态性能并考虑操作优先级，评估了 SVM-AS/RS 在不同设计布局下的效率和效果。这种模拟结果可用于辅助决策，从效率和经济角度为复杂和动态的 SVM-AS/RS 选择合适的规格。
本文的组织结构如下：第 2 节介绍 SVM-RS/AS 系统及其物料流和存储分配规则。第 3 节介绍仿真分析，包括模型逻辑、应用参数和主要结果，从而对备选布局进行成本和效率比较。第 4 节是结论总结。
图 1 是 SVM-AS/RS 的概览。本研究中考虑的 SVM-AS/RS 由多个子系统组成：安装在每层的穿梭车、存储和检索升降机、连接升降机和穿梭车的层输送机以及进出通道输送机。存储和检索由轻型穿梭车完成，穿梭车只能在水平方向移动。货架通过层输送机与存储和检索升降机相连。出库通道输送机与检查和包装区相连。
当入库的小型货物到达入库巷道输送机时，由存储提升机将其转移到层输送机上。如果当时没有移位机，则货物将停在进料通道输送机的末端等待，直到存储移位机闲置为止。一旦进入层式输送机，小型货物就会被轻型穿梭车转移到目的地货架上。如果是出库的小型货物，则由轻型穿梭车从货架上取下货物，沿着层式输送机移动，然后由取货升降机转移到出库通道输送机上。
操作优先级是有效使用轻型穿梭车和存取升降机的一个重要考虑因素。一般来说，存储操作的优先级高于检索操作。这意味着入库的微型载荷比出库的微型载荷优先。另外，也可以循环交替进行检索和存储操作。
入库和出库负载的存储位置分配规则
在利用 SVM-AS/RS 为快速存储和分类操作提供灵活缓冲时，存储位置分配规则是一个必须考虑的重要因素。SVM-AS/RS 中一般有两种存储位置分配规则，哪种规则合适取决于入库和出库操作的相对频率。第一种是 "优先分配规则"，如图 2 所示。当出库操作在短时间内进行时，该规则最为合适。靠近层输送机的存储位置会优先分配给入库货物，以尽量减少出库转运所需的时间。另一种方法是从各层可用位置中随机分配存储位置。这一规则被称为 "基于层级平衡的随机分配规则"，用于本研究和模拟实验。
在设计大规模 SVM-AS/RS 时，必须考虑许多参数。系统的效率取决于系统组件的数量和大小等规格，即轻型穿梭车、存储和检索升降机、连接升降机和穿梭车的层输送机以及进出通道输送机。这些参数必须在运营开始前确定，以确保物流的连续运行。
为了演示这一过程，我们对一组候选 SVM-AS/RS 进行了模拟分析。通过仿真分析确定适当的 SVM-AS/RS 规格有两个步骤。首先是指定整体布局。本研究定义了符合至少需要 500 个机架条件的五种可能布局，如下所示：
类型 A：库：2，湾：65，层：4 = 52065，4 层 = 520 个机架
B 型：库：2，港湾：50，层：5 = 500（机架50，5 级 = 500（机架）
C 型：库：2，区：45，层：6 = 540（机架45，6 级 = 540（机架）
D 型：库：2，舱：40，层：7 = 560（机架40，第 7 层 = 560（机架）
E 型：库：2，舱：35，层：8 = 560（机架35，级别：8 = 560（机架）
第二步是确定 SVM-AS/RS 的详细规格。其中包括进出层传送带的数量和缓冲区大小，以及穿梭车的数量。这一阶段面临的一个特殊挑战是，从效率和经济角度出发，确定每层穿梭车的最佳或合理数量，以便在升降机和搬运架之间运送预期数量的物品。根据物品搬运频率和操作优先级，表 1 中列出的样本参数被用作 A 至 E 五种 SVM-AS/RS 的模拟实验条件。
使用 Simio 仿真软件包（Kelton 等人，2017 年）创建了 SVM-AS/RS 的 AS/RS 运行仿真模型。如图 3 所示，本研究考虑了 SVM-AS/RS 通常执行的两种基本物料流流程，即入库和出库流程。每个工艺流程都包含由安装在每一层的轻型穿梭车、存储和检索升降机、层输送机以及进出通道输送机执行的一系列活动。确定了基本流程后，就可以描述 SVM-AS/RS 的物料搬运操作流程。
在 SVM-AS/RS 中，轻型穿梭车和存取升降机都必须按照操作优先级规则进行处理。与传统的自动仓储系统不同，在 SVM-AS/RS 系统中，物品在仓库内作为库存的时间相对较短。本研究在模拟实验中考虑了两种一般的操作优先策略。在其中一种 "存储操作优先"（SOF）策略中，入库的小型货物比出库的小型货物享有优先权。因此，只有在入库操作完成后，才会开始检索操作。在另一种 "交替操作"（AO）中，操作可以在检索和存储操作之间循环交替进行。
在进行模拟分析之前，根据操作优先级规则，每小时的最大出库检索/入库负荷数（即 I（单位））和瓶颈都是通过以下两个公式估算出来的：
其中
a：存储/提取升降机从基准位置到中途位置的单向移动时间（秒）
b：装载到升降机上的时间（秒）
c：从升降机上卸载的时间（秒）
n：穿梭车数量（台）
T：运行时间（例如，3600 秒）
x：穿梭车从基地位置到中途站的单向移动时间（秒）
y：穿梭车装载时间（秒）
z：从穿梭车卸载的时间（秒）
等式 (1) 和 (2) 分别适用于 AO 和 SOF 规则。两个等式分母中的 (2a+b+c) 项是在两种运行优先权规则下升降器和穿梭车往返一次的预期时间。(2x+y+z)项是一辆穿梭车的预计往返时间，n 辆穿梭车用于运送出站取货/入站存储货物。然而，在公式（1）和（2）中，一辆穿梭车往返的预计总体处理时间是不同的。根据 AO 规则，穿梭车的预计总处理时间为 2(2x+y+z)/n，如公式 (1) 所示。在等式 (2) 的分母中，由于取货操作是在入库货物存储完成后开始的，因此预计总体处理时间为 (2x+y+z)/n。根据上述两个等式，本研究中自动仓储系统的瓶颈将是升降机或穿梭车，具体取决于自动仓储系统的规格。预期周期时间是等式 (1) 或 (2) 的分母。
等式 (1) 和 (2) 中使用的升降机和穿梭车的时间都是通过时间研究从实际 AS/RS 系统中测得的。表 2 列出了五种主要可能布局的部分样本数据，从中可以深入了解不同设计规格的 AS/RS 系统的瓶颈。在 SOF 规则下，穿梭车是 A 型系统的瓶颈；在 AO 规则下，穿梭车是 A、B 和 C 型系统的瓶颈。相反，在 SOF 规则下，升降机是 B-E 类型的瓶颈，而在 AO 规则下，升降机是 D 和 E 类型的瓶颈。阴影部分表示不同运行优先级规则下穿梭车辆的总体处理时间，其中瓶颈是穿梭车辆。
表 2：各 AS-RS 系统的瓶颈
仿真是分析大规模自动售检票系统性能的有力工具，与系统的规模和复杂程度无关。针对第 3.3 节所述的每种布局类型，在每种操作优先级规则下进行了 30 次独立的模拟实验。从仿真模型的输出中收集了一些关键性能指标（KPI），并进行了比较：
上述关键绩效指标可用来衡量指定系统布局的性能，从而评估每种操作优先级规则下的最佳规格。图 4 显示了模拟中 AO 规则下存储和检索操作平均总流程时间的 95% 置信区间。从图中可以看出，在五种布局类型中，C 类型的效率最高。
图 5 则绘制了模拟 SOF 规则下存储和检索操作平均总流程时间的 95% 置信区间。这表明，在该规则下，B 型布局的平均流动时间是五个备选方案中最短的。
在考虑通过缩短从订购商品到交付给客户的周转时间来提高客户满意度的方法时，模拟得出的存储和检索操作的周期时间非常有用。图 6 和图 7 显示了 SOF 规则下存储和检索操作的周期时间结果。可以看出，在五种布局类型中，B 型的效率最高。不同布局之间周期时间的差异证明，这是一个很有价值的性能指标，可用于评估在动态物流环境中向客户交付货物的效率。此外，我们还可以看到，等式（2）提供了对作业周期时间的初步见解，因为它给出的结果与模拟分析的结果非常接近：表 3 中 B 到 E 类型采用 SOF 规则的提升机整体处理时间结果分别为 3.93、4.27、4.61 和 4.95，与图 6 和图 7 中模拟结果中的数值非常接近。
在研究和分析了 SVM-AS/RS 候选布局之后，有必要根据对备选方案的经济分析来确定最佳系统。成本效益分析用于比较本研究考虑的不同系统布局的相关成本。在对备选方案进行成本比较时，有必要收集相关的成本信息：(1) 初始成本；(2) 年维护成本；(3) 残值；(4) 使用寿命；(5) 年终统一成本（无成本）。本案例选择的年利率为 10%。这些数据如表 3 所示。
图 8 显示了备选布局的存储和检索操作的总流程时间和非成本。从经济角度看，表 3 和图 8 都显示 A 型是最经济的选择。由于这四种类型在 AO 和 SOF 规则下的总流动时间非常相似，因此进行了因子方差分析，以更好地确定它们的相对效率。在这种情况下，可以得出结论：布局类型确实会影响布局类型 B 到 E 的总流动时间；在 AO 和 SOF 规则下，类型 C 和类型 B 可分别被视为最有效的布局类型。然而，在效率差异较小的情况下，需要强调的是，SVM-AS/RSs 管理可以采用成本效益分析，即在效率和成本之间进行权衡。
表 3：成本效益分析比较。
本文展示了仿真结果如何为复杂动态 SVM-AS/RS 的设计规范决策提供有价值的支持。首先，本文提出了一种在不同布局设计中确定瓶颈是升降机还是穿梭车的方法。然后，演示了如何通过模拟实验来考察不同布局的动态性能，并将操作优先级考虑在内。重点介绍了不同操作优先级规则下的总流动时间和周期时间，作为区分不同系统设计规范的工具。然后，可以进行效率、安装和运行成本分析，为更好地做出有关替代自动仓储系统/自动仓库设计布局的决策提供额外帮助。建议的程序适用于一个样本案例，以确认其有效性。
本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）青年科学家补助金（B）（补助金编号：17K13801）的支持。
RIE GAKU 是日本大阪圣安德鲁大学工商管理研究生院的副教授。她分别于 2006 年和 2010 年获得名古屋大学经济学硕士和博士学位。她的研究兴趣包括利用数据挖掘技术进行需求预测，以及制造和物流系统的模拟分析。她目前的研究重点是物流系统的优化。她的电子邮件地址是 r-gaku@andrew.ac.jp。
SOEMON TAKAKUWA 是日本中央大学教授、名古屋大学名誉教授。他分别于 1975 年和 1977 年在名古屋工业大学和东京工业大学获得工业工程学士和硕士学位。他还获得了宾夕法尼亚州立大学工业工程博士学位。他还持有名古屋大学经济学博士学位和工业工程专业工学博士学位。他是俄罗斯国际工程院通讯院士。他的研究兴趣包括制造和物流系统的优化、管理信息系统以及这些系统在医院中的仿真分析。他编写了《使用 SIMAN 的仿真导论》、《使用 ARENA 的仿真》和《Simio 与仿真》的日文版：建模、分析、应用》。他的电子邮件地址是 takakuwa@indsys.chuo-u.ac.jp。
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