原標(biāo)題：物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的安全系數(shù)問(wèn)題

　　文｜北京伍強(qiáng)科技有限公司董事長(zhǎng)、

　　教授級(jí)高級(jí)工程師

　　尹軍琪

　　在物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，安全系數(shù)的設(shè)定是一個(gè)經(jīng)常困擾大家的問(wèn)題，不僅對(duì)于新的設(shè)計(jì)人員，也有很多老的工程師為此感到困惑。今天就幾個(gè)常見(jiàn)的安全系數(shù)問(wèn)題，談?wù)勎业恼J(rèn)知，并與大家一起探討。對(duì)與不對(duì)，還得讀者自己去揣摩體會(huì)。

　　用電負(fù)荷問(wèn)題

　　用電負(fù)荷是自動(dòng)化物流系統(tǒng)經(jīng)常遇到的問(wèn)題，也是一個(gè)比較難的問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)，總用電負(fù)荷是將全部設(shè)備負(fù)荷累計(jì)后，乘以一個(gè)“同時(shí)系數(shù)”。所謂“同時(shí)系數(shù)”，就是設(shè)備可能同時(shí)啟動(dòng)的概率，這一系數(shù)要小于等于1，但到底取值多少，非常復(fù)雜，尤其在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，更是難以準(zhǔn)確計(jì)算。以下就幾個(gè)典型工況進(jìn)行分析。

　　立體庫(kù)堆垛機(jī)系統(tǒng)：堆垛機(jī)的電機(jī)一般由起升、運(yùn)行、貨叉幾部分組成，起升與運(yùn)行一般會(huì)同時(shí)啟動(dòng)，但貨叉不會(huì)，所以，計(jì)算堆垛機(jī)的用電負(fù)荷時(shí)，只要計(jì)算起升+運(yùn)行電機(jī)的負(fù)荷即可。如果一個(gè)系統(tǒng)有多臺(tái)堆垛機(jī)，存在同時(shí)工作的概率是很高的（分區(qū)工作的情形有例外），因此，一般情況下，堆垛機(jī)的用電負(fù)荷是每臺(tái)堆垛機(jī)的起升+運(yùn)行電機(jī)，乘以臺(tái)數(shù)。

　　托盤輸送機(jī)系統(tǒng)：托盤輸送機(jī)是自動(dòng)化立體庫(kù)不可缺少的外圍設(shè)備。要計(jì)算托盤輸送機(jī)系統(tǒng)的“同時(shí)系數(shù)”就比較困難。一般來(lái)說(shuō)，輸送機(jī)由于控制的方式不同，同時(shí)系數(shù)的取值也不同。絕大部分的系統(tǒng)，同時(shí)系數(shù)都會(huì)小于0.5，有些流量不高的系統(tǒng)，同時(shí)系數(shù)更低。

　　箱式輸送機(jī)系統(tǒng)：與托盤輸送機(jī)不同，箱式輸送機(jī)的同時(shí)系數(shù)會(huì)高一些，特別是箱式輸送機(jī)由于分段問(wèn)題、控制問(wèn)題等千差萬(wàn)別，往往會(huì)對(duì)“同時(shí)系數(shù)”產(chǎn)生較大影響。一般情況下，箱式輸送機(jī)的“同時(shí)系數(shù)”不會(huì)大于0.7。

　　要注意的是，物流系統(tǒng)中的一些單機(jī)設(shè)備。如提升機(jī)、電梯、分揀機(jī)等，以及AGV、叉車的充電樁，往往功率比較大。需要單獨(dú)計(jì)算，其同時(shí)系數(shù)往往取值要高一些，一般為了簡(jiǎn)化，取值為1是比較常見(jiàn)的。

　　基礎(chǔ)承載問(wèn)題

　　基礎(chǔ)承載也是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。人們對(duì)于物流系統(tǒng)的基礎(chǔ)承載往往存在一些不正確的認(rèn)識(shí)，往往是對(duì)實(shí)際的工況不了解或?qū)d荷的性質(zhì)不清楚所導(dǎo)致的。

　　平均荷載：所謂平均荷載，即一個(gè)區(qū)域內(nèi)的所有載荷除以區(qū)域面積所得的值。平均荷載包括最大可能的貨物重量，結(jié)構(gòu)自重，以及隨機(jī)的移動(dòng)載荷等，其實(shí)要精確計(jì)算也是比較困難的。很多時(shí)候，我們會(huì)取一個(gè)上限作為設(shè)計(jì)依據(jù)。平均荷載作為建筑物基礎(chǔ)，對(duì)梁、柱，尤其是樁基的設(shè)計(jì)非常重要，是關(guān)鍵指標(biāo)之一。貨物總重量其實(shí)是一個(gè)變量，無(wú)論是平庫(kù)還是立體庫(kù)，我們?cè)诮^大多數(shù)情況下幾乎不可能填滿整個(gè)空間。一方面是貨物堆放的可能性，另一方面則是貨物本身重量的差異性。因此，在計(jì)算平均荷載時(shí)，其安全系數(shù)可以根據(jù)產(chǎn)品的情況取值范圍約為0.5~1.0，大可不必大于1，除非有特別的情形發(fā)生。如立體庫(kù)的基礎(chǔ)平均荷載，就是貨架區(qū)域內(nèi)所有貨位放滿貨物后，加上貨架本身自重，以及設(shè)備自重等，除以面積得來(lái)。其安全系數(shù)取值一般會(huì)低于1。如存放比較單一的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，如酒水、牛奶、紙一類的產(chǎn)品，系數(shù)會(huì)高一些。如果存放綜合類產(chǎn)品，如日用品、藥品之類，則系數(shù)可以低一些。對(duì)于平庫(kù)也是如此。但平庫(kù)是人工操作，往往會(huì)存在違規(guī)操作問(wèn)題，還是要慎重考慮的。

　　集中荷載：所謂集中荷載，是指局部的荷載。比如一個(gè)托盤、一輛叉車、一個(gè)柱腳的集中荷載等，或者是一個(gè)區(qū)域中某個(gè)小區(qū)域的荷載，如一座辦公樓中的機(jī)房，保險(xiǎn)柜室。一般情形下，集中荷載是對(duì)于平均荷載而言的。集中荷載往往會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于平均荷載。比如平面?zhèn)}庫(kù)中行駛的叉車形成的局部集中荷載，立體庫(kù)貨架柱腳的荷載，提升機(jī)的柱腳荷載等，往往是平均荷載的幾倍。局部荷載主要影響建筑樓板的設(shè)計(jì)，有些設(shè)計(jì)，只要將局部荷載可能出現(xiàn)的區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，以降低建筑的成本。局部荷載的安全系數(shù)要計(jì)算清楚，一般情況下，對(duì)于不清楚的可能工況，要取一個(gè)大于1的安全系數(shù)，這是非常必要的。

　　抗震等級(jí)問(wèn)題

　　我國(guó)的物流建筑設(shè)計(jì)，對(duì)抗震要求有嚴(yán)格的規(guī)定?？拐鸬燃?jí)既與是否位于地震帶即地區(qū)有關(guān)，也與建筑物的重要性和所在城市的重要性有關(guān)。如北京，建筑的設(shè)防等級(jí)是8級(jí)，這是一個(gè)比較高的等級(jí)了。

　　對(duì)物流系統(tǒng)而言，分為物流建筑和物流設(shè)備。物流建筑應(yīng)嚴(yán)格按照建筑設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行，但物流設(shè)備的設(shè)計(jì)，卻沒(méi)有硬性的規(guī)定。如按照建筑物的設(shè)計(jì)等級(jí)來(lái)設(shè)計(jì)，則可能存在很大的困難。如對(duì)立體庫(kù)貨架來(lái)說(shuō)，按照8級(jí)烈度設(shè)防，由于貨架結(jié)構(gòu)的限制，幾乎就無(wú)法達(dá)到，或代價(jià)是7級(jí)烈度的幾倍。對(duì)于這一情況，我個(gè)人的意見(jiàn)還是要看實(shí)際情況。一般用途的自動(dòng)化立體庫(kù)，托盤是存放在橫梁上的，并沒(méi)有特殊的固定裝置，一旦發(fā)生地震，貨架發(fā)生晃動(dòng)，托盤就會(huì)跌落，這時(shí)往往不是貨架在地震力下發(fā)生垮塌，而是托盤跌落造成貨架損壞，進(jìn)而發(fā)生垮塌。因此，如果不能限制托盤的移動(dòng)的話，貨架強(qiáng)度即使按照8級(jí)烈度設(shè)防，也會(huì)發(fā)生貨物跌落，貨架垮塌的事故。也就是說(shuō)，在這種情況下是沒(méi)有必要按照8級(jí)設(shè)防的。但特殊的情形下，如重要的軍事物資倉(cāng)庫(kù)，可能還需要采取特殊的防護(hù)措施，如增加防止托盤貨物跌落的安全裝置等，才能起到應(yīng)有的作用。另一方面，從地震設(shè)防的原則分析，主要是防止建筑的整體垮塌，造成重大人員傷亡，或?qū)μ由斐芍卮笥绊?。好在立體庫(kù)一般是全自動(dòng)無(wú)人操作的，不會(huì)造成重大人員傷亡，因此，采用7級(jí)烈度設(shè)防是可以接受的。

　　分析垮塌的立體庫(kù)事故，一個(gè)共同的特點(diǎn)是貨架的垂直拉桿設(shè)計(jì)缺陷或并不符合要求。因此，對(duì)于處于地震帶和重要城市的立體庫(kù)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)垂直斜拉桿的設(shè)計(jì)，如增加拉桿的強(qiáng)度，或增加拉桿的組數(shù)，都會(huì)有很好的效果。有些普通高層貨架，也應(yīng)該增加斜拉桿，以避免局部失穩(wěn)后發(fā)生整體垮塌。當(dāng)然，進(jìn)行詳細(xì)的力學(xué)分析是必不可少的。

　　另一方面，無(wú)論從成本還是安全性考慮，對(duì)于需要8級(jí)烈度設(shè)防的立體庫(kù)而言，降低高度是必要的。例如，貨架高度降低到10米以下，其抗震性能就會(huì)好很多，而且出現(xiàn)垮塌的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)小很多。

　　貨架承載問(wèn)題

　　貨架承載問(wèn)題也是一個(gè)容易被忽視的問(wèn)題。我國(guó)發(fā)生過(guò)多次貨架垮塌事故，有些是操作問(wèn)題，有些則是設(shè)計(jì)問(wèn)題。很多貨架設(shè)計(jì)單位事實(shí)上是沒(méi)有力學(xué)分析能力的，他們憑借的是所謂的經(jīng)驗(yàn)，以及無(wú)知無(wú)畏，直到造成無(wú)可挽回的損失才后悔莫及。

　　貨架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但計(jì)算并不簡(jiǎn)單。其中既有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化問(wèn)題，也有載荷簡(jiǎn)化問(wèn)題，要完成貨架的力學(xué)分析，需要具備完備的力學(xué)知識(shí)。有時(shí)，有針對(duì)的力學(xué)試驗(yàn)對(duì)于確定計(jì)算模型和修正分析結(jié)果是必要的。值得一提的是，力學(xué)是一門非常復(fù)雜的學(xué)科，并非通過(guò)幾周的突擊學(xué)習(xí)就可以掌握。因此，貨架的設(shè)計(jì)單位或生產(chǎn)單位，應(yīng)重視力學(xué)分析的重要性，并為此花費(fèi)必要的成本。

　　貨架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵不只是立柱斷面的型式，整個(gè)結(jié)構(gòu)型式也非常重要。此外，同樣重要的還有橫梁、拉桿的設(shè)計(jì)，地面的連接方式，以及橫梁的掛孔形狀等。橫梁的掛孔形狀，直接影響橫梁和立柱的連接強(qiáng)度，影響立柱強(qiáng)度，很多企業(yè)僅僅是為了區(qū)分貨架是自己產(chǎn)的，而隨意改變掛孔形狀，其實(shí)是非常危險(xiǎn)的。

　　由于貨物擺放的隨意性，所以貨架的設(shè)計(jì)是按照最不利情況考慮的，并考慮一定的安全系數(shù)。橫梁應(yīng)按照最大荷載考慮，立柱也是。有的貨架很高，可以采用變截面以節(jié)省材料，這是比較常見(jiàn)的策略。

　　影響貨架安全系數(shù)的，還有應(yīng)用的場(chǎng)合，如比較均衡的重載場(chǎng)合，安全系數(shù)應(yīng)高一些，反之，則可以取低一些。但不管怎樣，安全系數(shù)度不應(yīng)低于1.2~1.4，這是考慮了材料及加工缺陷以及防范意外荷載所必須的。

　　庫(kù)存貨位問(wèn)題

　　很多倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)完成后，在上線運(yùn)行時(shí)往往出現(xiàn)貨位數(shù)不夠用的問(wèn)題。這是沒(méi)有充分考慮庫(kù)存貨位安全性引起的。

　　設(shè)計(jì)中庫(kù)存貨位的安全系數(shù)，是指庫(kù)存貨位與庫(kù)存量的一個(gè)換算關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，貨位的理想儲(chǔ)存能力與實(shí)際儲(chǔ)存能力之間是有較大差異的。主要有兩個(gè)方面的因素：

　　一是托盤的平均裝載率問(wèn)題。我們知道，托盤裝載率與貨物的包裝尺寸有關(guān)，也與零頭的數(shù)量有關(guān)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)托盤，當(dāng)面對(duì)不同的貨物時(shí)，其裝載率是不同的，其差異會(huì)在0.5~0.9之間，即最不利情況可能只有50%的裝載率，最大的可能則能達(dá)到90%左右。一般情況是：貨物包裝尺寸越小，裝載率會(huì)越高，但也有例外，即貨物包裝尺寸與托盤尺寸正好形成倍數(shù)關(guān)系，這時(shí)的裝載率達(dá)到最高。因此，在計(jì)算裝載率時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況確定合適的平均裝載率，才能使設(shè)計(jì)滿足實(shí)際的要求。

　　二是零頭托盤，零頭托盤即每次收貨后的不滿托盤，也會(huì)影響整體裝載率。庫(kù)存SKU越多，批次越多，零頭托盤就會(huì)越多，這是可以想象得到的。理論上講，如果批次達(dá)到個(gè)，零頭托盤差不多就會(huì)有個(gè)，這對(duì)庫(kù)存的影響是不容忽視的。

　　綜合以上，貨位數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)該是理論庫(kù)存除以平均裝載率。此外，還應(yīng)考慮一定的冗余數(shù)，已備不時(shí)之需。

　　以上主要講了托盤貨位數(shù)，其它形式的貨位數(shù)，如箱貨位也是如此。這里不再贅述。

　　設(shè)備能力問(wèn)題

　　人們經(jīng)常感到困惑的問(wèn)題是，系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力與實(shí)際運(yùn)行能力差異甚大。如立體庫(kù)的出入庫(kù)能力，分揀機(jī)的分揀能力，穿梭車、AGV的作業(yè)能力，提升機(jī)的作業(yè)能力等等。究其原因，也是對(duì)設(shè)備能力的分析不足所導(dǎo)致的。

　　設(shè)備能力的安全系數(shù)，即理論值與實(shí)際值的比值。從根本上講，這不應(yīng)被視為一種安全系數(shù)，因?yàn)槔碚撝蹬c實(shí)際值之間本身就存在差異。

　　以自動(dòng)化立體庫(kù)為例，通過(guò)理論計(jì)算，我們可以獲知堆垛機(jī)的作業(yè)能力和輸送機(jī)的作業(yè)能力，從而確定立體庫(kù)的綜合作業(yè)能力N，但這只是理論值。實(shí)際作業(yè)中，由于作業(yè)幾乎不能達(dá)到滿負(fù)荷狀態(tài)，如輸送機(jī)并不能達(dá)到一個(gè)托盤連接一個(gè)托盤的作業(yè)量，堆垛機(jī)并不能一次作業(yè)連接另一次作業(yè)，或完全執(zhí)行復(fù)合作業(yè)。因此，實(shí)際測(cè)試所能達(dá)到的能力比理論值會(huì)有一個(gè)差異，有時(shí)這個(gè)差異還會(huì)比較大。此外，再加上調(diào)度問(wèn)題，設(shè)備及軟件故障問(wèn)題，系統(tǒng)工作能力還會(huì)打折扣，所以，立體庫(kù)系統(tǒng)最終的實(shí)際能力可能只有理論值的80%左右。

　　在系統(tǒng)能力設(shè)計(jì)方面，有一個(gè)現(xiàn)象是物流系統(tǒng)中容易被忽視的，就是作業(yè)的不均衡性。作業(yè)不均衡是客觀存在的，一天之中，往往只有少數(shù)時(shí)間系統(tǒng)達(dá)到飽和作業(yè)狀態(tài)，大部分時(shí)間都處于作業(yè)不飽和狀態(tài)。特別是一個(gè)波次的結(jié)束或一天作業(yè)的結(jié)束階段，系統(tǒng)任務(wù)會(huì)因?yàn)樵诟鳝h(huán)節(jié)之間的不均衡，而使得實(shí)際作業(yè)時(shí)間比預(yù)期的要長(zhǎng)很多。比如立體庫(kù)作業(yè)，如果一個(gè)波次中某一個(gè)巷道的任務(wù)特別的多，那么整個(gè)波次完成時(shí)間會(huì)因?yàn)檫@個(gè)巷道的作業(yè)時(shí)間而延長(zhǎng)。這在設(shè)計(jì)中是要特別注意規(guī)避的。

　　除了以上列出的6個(gè)方面的問(wèn)題外，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還有很多類似問(wèn)題，如疲勞問(wèn)題、可靠性問(wèn)題、設(shè)備工況問(wèn)題、材料選型問(wèn)題、工作時(shí)間問(wèn)題等，都涉及到安全系數(shù)方面的問(wèn)題，本文限于篇幅不一一例舉?？傊?，設(shè)計(jì)中的安全系數(shù)選擇是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，也是一個(gè)常見(jiàn)的復(fù)雜問(wèn)題，甚至關(guān)系到設(shè)計(jì)的成敗，所以每一個(gè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)花大力氣予以重視，做到靈活運(yùn)用。

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