煤礦智能倉儲系統研究與設計

伴隨互聯網、大數據、人工智能技術的迅猛發展，煤礦智能化相關技術與裝備水平也在顯著提升。同時，隨著煤礦智能化程度的提高，煤礦存儲的智能化相關設備和傳感器種類數量也成倍數增多[1,2,3,4,5],如何高效、快速、優化地獲取指定設備和傳感器成為煤礦倉儲管理面臨的突出問題。

倉儲行業的發展經歷了人工管理倉儲、機械化倉儲、自動化倉儲和智能化倉儲4個階段。目前，煤炭行業大多數都處在機械化和自動化倉儲階段。國內外有關專家和學者對智能倉儲相關技術與裝備方面都進行了分析和研究。文獻[6,7,8,9,10,11,12]分別就智能倉儲貨位規劃與AGV牽引車路徑規劃協同優化算法、礦用到貨自動登記系統設計、激光掃描的物流條形碼識別系統、基于FX3U PLC的堆垛機控制系統設計、巷道式堆垛機健康狀態綜合評估研究、復合揀選策略下堆垛機作業序列優化問題、自動化立體倉儲管理系統設計與實現等方面，并且在智能倉儲管控系統、取送裝備和系統、配送裝備和系統等方面都進行了研究。

與以上研究不同，筆者本次針對智能化煤礦倉儲常用的智能化設備和傳感器類物資以及不同的對象，采用何種有效的存放方式進行了分析，并根據不同對象和存放方式如何配置高效取送方式進行了研究。結合礦井實際需求，通過對物資類智能裝車、智能配送等方面進行的綜合分析，提出適合煤礦的智能倉儲管控、入庫管控、庫內管控、出庫管控、智能裝卸、智能配送及與其它系統融合應用的成套技術與裝備體系；同時在煤礦進行了實踐應用，為煤礦智能倉儲研究和應用提供了理論依據和實踐經驗。

隨著煤礦智能化整體水平的迅速提升，智能裝備的使用越來越多，智能裝備水平提升依賴大量的感知設備，感知設備的完好率直接影響智能裝備的應用效果[13,14,15,16,17,18],如何合理保障傳感器類感知設備和大型關鍵設備及時供給以及合理配置相應設備的庫存數量是現代化礦井面臨的主要問題。

目前，大多數煤礦倉儲為人工管理、人工取送和配送，部分礦井實現了通過紅外掃碼類設備獲取領用人員攜帶的信息碼確定需領取的物資或設備，然后通過人工尋找的方式借助人工操作吊車或者叉車的方式來取出物資，人工配送給領用人[19,20,21,22]。該領取過程不僅存在效率低、誤操作率高、人員安全隱患大等問題，也存在庫內物資盤點、庫位充分使用、物資先進先出等管理難度大等問題。人工取送物資的方式對物資存放貨架的高度有所限制，大多數貨架高度不會超過人工獲取物資或者叉車類設備有效升降的高度，因此導致現代化煤礦建設多個庫房，占用了大量的園區有效使用面積[23,24]。因礦井生產多是采用連續生產方式，倉儲庫房的物資需隨時取用，需對每個倉儲庫房配置多名庫房管理人員以保障倉儲隨時有人。因此，這種取送物資方式倉儲管理人員多、總體效率低。

結合煤礦智能倉儲既要存放大型電機類設備，又要存放零散傳感器類小件和錨桿管路等長條類設備的特點，研究提出了煤礦智能倉儲系統的總體架構。煤礦智能倉儲系統主要由庫房門禁管理系統(車輛管理系統、人員管理系統)、內部智能取放系統(四向穿梭車、堆垛機等)、智能裝卸系統(智能行吊、智能叉車等)、智能配送系統(智能AGV牽引車、無人配送車輛等)、智能倉儲管控系統等部分組成，系統總體架構如圖1所示。

由圖1可以看出，煤礦智能倉儲系統總體架構分為3個層級，最底層為基礎設備系統層，主要完成智能倉儲基礎信息獲取、智能倉儲具體工作過程的執行動作；第二層為各子系統控制層，實現對各子系統下各設備的智能管控；第三層為核心管控層，實現對各子系統的綜合管控，完成對物資出入庫、取送、配送等全過程的智能管控，并實現與礦井其它系統的數據互通。

該系統主要通過智能AI攝像頭類設備，對出入智能倉儲的車輛車牌和人員人臉進行識別，并與智能倉儲管控平臺數據進行互聯比對，實現對準入車輛和人員的智能識別，并開啟智能倉儲相關出入門類設備。

該系統通過智能穿梭車或智能堆垛機等設備對智能倉儲的物資實現智能存放和智能取出，取放設備的具體配置需要結合智能倉儲存放貨物的種類數量、取放節拍數和智能倉儲的空間大小等綜合考慮。

該系統主要通過智能行吊和智能叉車類設備，完成智能取放裝備和裝載貨物車輛之間的無縫銜接，通過智能裝卸系統的裝置實現物資裝載到取貨車輛，智能裝卸設備也可實現從入庫車輛上智能卸載車輛上的物資，智能傳遞給智能取放設備。

該系統主要通過智能巡檢AGV牽引車或無人駕駛配送車輛等裝備實現物資裝載，而后按照智能倉儲指令，實現物資由智能倉儲到指定配送點的過程。該系統主要實現了對物資出入庫、庫內狀態、門禁、智能裝卸車、智能物資配送等綜合智能管控，管控系統具有和礦方ERP及全生命周期等系統融合通信的能力，可根據ERP和全生命周期系統的指令完成對指定物資的取送、配送、盤點和分析等功能。

對上級管控系統，智能倉儲管控平臺要實現與礦井的生產經營管理系統、綜合管控平臺、全生命周期等系統數據的互聯互通，可將智能倉儲物資等實時狀態和分析數據等信息推送給各系統，并接受各系統指令，按指令信息內容完成物資出庫、入庫、盤點、分析等操作。對下級子系統，智能倉儲管控平臺要完成對門禁管理系統、內部智能取放系統、智能裝卸系統、智能配送系統等的智能管控，實現物資進出、存放、裝卸、配送全過程的智能管控。智能倉儲管控平臺具備多倉儲協同綜合管理、不同對象權限管理、物資短缺預警分析提醒、領用流程自定義、物資信息管理、取入存等規則及優化策略管理，可實現倉儲全過程模塊化、流程化的智能管控。

基礎信息管控主要完成領用人和庫管人員的權限管理、貨區信息、貨位信息、貨架信息、托盤信息、取送設備、裝卸設備、物資狀態信息、單據信息類型、條碼編制、單據使用規則、收貨制度、波次管控等功能。

出入庫實時分析及管控主要完成可自定義入庫方式、入庫物資智能分配存儲貨區、不同物資預設多驗收方式、物資到庫位及存放區多方式入位、智能定位存放、入庫驗收不合格及退貨管理、物資集中或分散多方式出庫、依據出入庫指令合理規劃出入庫波次、物資路徑智能規劃、多方式智能取放、多方式復合確認、智能庫存盤點、智能庫存狀態更新等功能。

庫存趨勢及需求融合分析可根據倉儲內庫存和出入庫頻次節拍等狀態，智能分析不同物資趨勢狀態；并對庫存過多使用頻次較低的物資進行趨勢分析提醒，提醒庫管和相關人員根據需要減少該類物資采購降低庫存數量，當某種物資使用頻率成增高趨勢時，提醒和生成預采購相關信息，推送給ERP等系統，以提前發起采購，避免物資使用短缺。

智能倉儲管控平臺實現和綜合管控平臺、全生命周期、井口超市等系統融合聯動分析的功能。例如全生命周期系統判斷400 kW電機將于1個月后有3臺會發生故障，智能倉儲管控平臺需根據該條信息自動盤點庫房內400 kW的電機數量，根據庫存數量判斷是否需要進行該電機采購的發起。智能倉儲管控平臺與井口超市系統實現融合分析，根據井口超市物資消耗的數量自動生成領取物資信息，待有關人員審批通過后，智能配送車輛自動進入智能倉儲內，智能倉儲管控平臺根據出庫信息將相關物資裝入智能配送車輛，車輛按照設定路線和目的地將物資智能配送至井口超市，智能倉儲管控平臺自動完成本次流程并更新庫存狀態。

智能倉儲管控平臺的管控界面具有倉儲數據羅盤類展示、出入庫數據統計分析展示、在庫數據統計分析、倉儲狀態裝置、實景3D地圖、各種趨勢分析報表等綜合展示、統計和報表統計等功能。

該模塊主要實現對車輛出入庫的智能化管理。通過配置智能AI技術類攝像頭，實現對出入庫車輛的識別，待確認屬于系統準入車輛后自動開啟快速升降門類設備，當車輛完成卸貨或裝貨車輛駛離庫房后自動關閉快速升降門類設備，期間對是否有人員及其他車輛出入進行智能管控。同時在倉儲門口處，配置必要的光柵和雷達類測量設備，對車輛物資高度等進行掃描監測并與系統信息進行比對。

該模塊主要實現對出入庫人員進行智能化管理。通過AI識別類技術對出入庫領用物資人員和庫房管理人員進行識別，與系統信息進行比對，對準入人員自動打開人員出入門。在倉儲內通過視頻識別技術對人員行為監測和跨區域危險報警等監測。

智能堆垛機是一種高效、全向移動、超高精度、超大載重、安全可靠的倉儲取送裝置。當煤礦庫存物資重量在1 000 kg以上且物資數量居多時，配置智能堆垛機較合適。智能堆垛機大多采用條碼帶尋址實現定位，配置防碰撞監測和避障監測類傳感器，一般定位精度為5 mm, 水平移動速度為160 m/min, 升降速度為30 m/min, 貨叉最大伸縮速度為40 m/min。配置堆垛機的智能倉儲，考慮到合理性和經濟性，需將小件合理歸類至不同尺寸的托盤里，堆垛機對整體托盤進行存取，實現對倉儲物資整體的合理取送。

智能四向穿梭車是一種多機協同運行、四向移動、超高精度、較大載重、安全可靠的倉儲取送裝置。當煤礦庫存物資重量在1 000 kg以下且物資數量居多時，配置穿梭車較合適。智能四向穿梭車一般采用光電條碼定位方式，同時也配置防碰撞及避障監測類傳感器，一般定位精度為5 mm, 水平移動速度為70 m/min。與堆垛機相比，四向穿梭車具有同條庫位和同層庫位多車同時協同運行優勢，也有任意穿梭車可去往倉儲庫房內任意庫位優點。但穿梭車需配置升降機類裝置，實現不同倉儲庫位層數和高度的傳送。

為了便于對倉儲物資是否符合倉儲庫存放標準及對物資進行識別判斷，需配置輸送機及檢測系統。主要由鏈條式或輥道式輸送機、頂升移載機和尺寸重量檢測裝置組成。輸送機主要完成裝載系統和取送系統之間的銜接并在該過程中完成對物資尺寸重量的檢測。頂升移載機主要完成在輸送機輸送過程中對不同高差和不同方位之間快速、有效銜接的作用。尺寸重量檢測裝置主要通過配置非接觸式的光電類尺寸檢測裝置和重量檢測裝置，實現對入庫物資是否與物資綁定信息一致及確保物資符合本次入庫尺寸和重量要求。

智能裝卸系統主要實現物資上下車輛的一個智能化過程。煤礦智能倉儲根據物資情況一般通過配置智能行吊、智能叉車、智能機械臂等方式完成智能裝卸。為了確保應用效果，智能裝卸系統一般需限定裝載車輛停在一個特定的區間范圍，以便裝卸過程的精準高效完成。

智能行吊一般配置在倉儲庫房存放有特大件和超重件的場景，這些特大件和超重件往往不能存放在立體貨架上。根據倉儲管控平臺指令，智能行吊能夠實現裝卸過程的全自動化，包括對物資自動掃描、自動對叉、自動脫鉤、自動運行、自動存放等全過程。智能行吊配置防碰撞等檢測設備，具有大跨度、載荷10 t以上、定位精度50 mm、智能尋跡等技術參數特點。

智能叉車也是一種用于倉儲取送和車輛裝載之間的智能化銜接過程。通過智能叉車和智能倉儲取送設備實現自動物資的交接，然后由智能叉車完成物資到裝載車輛之間的自動裝卸。智能叉車配置防碰撞等檢測設備，一般具有自主行走、負載2 000 kg、直線運行速度45 m/min、轉彎運行速度20 m/min、停車及定位精度10 mm等技術參數特點。

智能機械臂一般配置在中小件成包裝的倉儲場景中。倉儲取送系統將物資運送至智能機械臂范圍內，由智能機械臂完成物資到裝載車輛的裝卸過程。智能機械臂一般都是應用于物資外形基本一致，或者經過二次包裝標準化的物資裝卸過程，對非標物資實用性較差。

智能配送系統主要實現物資從倉儲到應用場景的無人化配送過程，主要有智能AGV牽引車、智能無人配送車來實現該過程。智能AGV牽引車一般用于配送中小型集中運輸的物資，配送至室外或樓外等集中物資需求場景。智能無人配送車主要用于配送辦公用品、勞保用品、文件類較小型物資，一般具備自動進出電梯，并將物品物資直接送到領用人所在具體辦公區域的能力。

智能AGV牽引車一般采用電磁和光學相結合的尋跡導航方式，能夠按照規定路徑行駛，同時配置必要的防碰撞測距類傳感器，實現配送過程的安全防護，大多都采用電池驅動的方式。一般可通過上位機系統實現對配送路徑、配送經過點、配送終點、返回路徑的設置。背馱式AGV牽引車一般負載能力為50 kg, 直線運行速度為60 m/min, 轉彎運行速度為30 m/min, 停車精度為±10 mm, 可實現多個料箱的整體運輸。牽引式AGV牽引車一般可實現后面掛載4～6節裝載車斗，負載牽引能力為6 000 kg, 直線行駛速度為90 m/min, 轉彎行駛速度為25 m/min, 導航和停車定位精度為10 mm。

智能無人配送車較智能AGV牽引車具有能進入建筑內、行駛路線不固定、配送終點更靈活等特點。智能無人配送車配置的感知設備較多，一般配置必要的激光雷達、攝像頭、毫米雷達波、紅外測距等傳感器裝備。智能無人配送車為電池驅動，采用激光雷達掃描測距、視頻識別加GPS定位等多方式融合定位。智能無人配送車負載能力為50 kg, 爬坡能力為15°,直線運行速度為120 m/min。智能無人配送車具備與門禁、閘機、電梯融合通信自動開啟和自動進出的功能，通過上位機系統接收的數據，實現進入智能倉儲領用相應物資，并智能配送至物資需求人處。

入庫管控技術為煤礦智能倉儲的一個關鍵技術，入庫管控的效果將直接影響物資入庫的效率。筆者結合煤礦物資的特點提出了入庫管控流程，當入庫物資到達庫內后，管控系統根據礦方ERP類數據信息對入庫物資進行托盤和信息綁定，首次綁定需要庫管人員人工完成，倉儲系統通過堆垛機、穿梭車等方式輸出空托盤，如出入庫不在同一位置，通過智能叉車、智能行吊類設備將空托盤移至入庫口，將入庫物資放入指定托盤中，經過系統掃碼、重量、尺寸等檢測合格后，由輸送線按系統分配路徑進行物資存放，如讀碼失敗或者檢測不合格，系統自動將物資退回入庫口，進行人工干預處理后二次檢測入庫，完成入庫后倉儲管控系統自動更新庫存信息狀態。煤礦智能倉儲入庫流程如圖2所示。

出庫管控技術是整個智能倉儲的另一個關鍵技術。智能倉儲管控平臺接收到上級ERP類系統的出庫申請后，系統根據不同設備的出庫原則(例如先進先出原則),自動提取物資出庫信息并生成出庫單，智能倉儲系統開始執行出庫任務，堆垛機或者穿梭車根據出庫信息取出對應物資，輸送至出庫口，在出庫口根據物資存放情況，如需整托盤輸出，則直接由裝卸系統裝入運輸車輛；如需人工從整托盤中揀選部分物資，則進行人工揀選后裝入運輸車輛，且系統自動更新倉儲庫存狀態。如有剩余托盤進行余盤回庫，對回收托盤進行重量尺寸等監測，依據監測結果通過堆垛機或穿梭車將托盤按類自動放入倉儲相應的庫位中。出庫申請也可直接登錄智能倉儲管控平臺提出出庫領用申請。煤礦智能倉儲出庫流程如圖3所示。

煤礦倉儲既要存放小件物資又要存放大件物資，且各礦存放物資種類數量不盡相同，為合理布局倉儲物資，研究并提出了中小件和大件布局相結合的存放技術原理。采用物資多級分類、前期低密度矩陣布局、同級同類同區域、高頻近出口、關聯近布局、按類匯聚、優化全庫布局技術路線。物資優化布局技術路線如圖4所示。前期根據煤礦具體情況進行物資中小件和大件的初步分類劃分，一般建議按照4～6級分類，按照分類采用同級同類物資同巷道的布局原則，前期布局的物資采用低密度分散的方式布置，根據物資出庫頻率和節拍將高頻率出入庫的物資級布置在出入庫口附近。同時根據物資的關聯性進行優化就近布局，類如錨桿類和錨固劑類應就近優化布局。根據平時出入庫使用情況，管控系統具備進行物資存放位置微調的能力，最終實現對全倉儲庫房的一個最優布局。

大件物資布局存放按照出入庫口就近布置的總體原則，先劃分和確定最優存儲位置，并設定最優邊沿區域、次優邊沿區域和可接受邊沿區域，根據礦方實際情況配置合理的大件存放區域。大件物資存放區域原則如圖5所示。

針對延長石油巴拉素煤礦倉儲存放設備相對單一的特點，設計采用了3臺堆垛機作為智能取送設備，在材料庫建設4條存儲貨架，分別實現對50 kg、1 000 kg、2 000 kg單元進行存儲，配置有智能輸送機、智能頂升移載機、智能尺寸檢測等設備。采用智能叉車作為智能裝載設備實現物資的智能裝卸。采用智能AGV牽引車作為智能配送系統。巴拉素智能倉儲系統于2021年下半年投入運行，系統穩定可靠，取得了良好的使用效果。

針對陜煤集團曹家灘煤礦倉儲內存放超大超重物資、錨桿錨網等超長物資、常規中小型物資的特點，設計采用1臺智能行吊實現對超大超重物資的智能取放，智能行吊可直接實現對物資的裝載。超長物資采用1臺智能堆垛機實現物資取放，配置了2排貨架，其它中小型備件采用4臺智能四向穿梭車對物資進行取放，通過智能叉車實現物資的智能裝載，采用1臺具備進入電梯功能的無人配送車作為智能配送系統。曹家灘智能倉儲系統于2021年下半年投入運行，實現了多種物資融合協同高效運行，也取得了良好的使用效果。

針對陜煤集團小保當煤礦倉儲內存放超大超重物資、大件物資、常規中小型物資的特點，超大件物資設計采用潛伏式AGV牽引車、激光導航無人叉車取放物資，小件區域采用智能四向穿梭車取放物資。在車輛裝卸區域配置輔助物料自動升降液壓臺和智能手臂裝載設備。采用具備進入電梯能力的無人配送車和室外無人配送車作為智能配送系統。小保當智能倉儲系統于2020年下半年投入運行，實現了多裝備智能調度協同運行，使用效果良好。

對已投入運行的巴拉素煤礦、曹家灘煤礦和小保當煤礦智能倉儲在空間利用率、減少人員、物資取送效率、物資利用率及經濟效益方面進行了分析，見表1。

通過煤礦智能倉儲系統的設計和應用，給煤礦物資管控智能化帶來顯著的提升效果，極大地提升了智能化礦山相關物資保障供給和裝備維修的效率。后期將在如何根據各礦倉儲物資特點上進行合理配置空間、倉儲高度、貨架形式和綜合布局方面的分析研究，提出煤礦智能倉儲的最優經濟性配置方法。