煤矿智能仓储系统研究与设计

伴随互联网、大数据、人工智能技术的迅猛发展，煤矿智能化相关技术与装备水平也在显著提升。同时，随着煤矿智能化程度的提高，煤矿存储的智能化相关设备和传感器种类数量也成倍数增多[1,2,3,4,5],如何高效、快速、优化地获取指定设备和传感器成为煤矿仓储管理面临的突出问题。

仓储行业的发展经历了人工管理仓储、机械化仓储、自动化仓储和智能化仓储4个阶段。目前，煤炭行业大多数都处在机械化和自动化仓储阶段。国内外有关专家和学者对智能仓储相关技术与装备方面都进行了分析和研究。文献[6,7,8,9,10,11,12]分别就智能仓储货位规划与AGV牵引车路径规划协同优化算法、矿用到货自动登记系统设计、激光扫描的物流条形码识别系统、基于FX3U PLC的堆垛机控制系统设计、巷道式堆垛机健康状态综合评估研究、复合拣选策略下堆垛机作业序列优化问题、自动化立体仓储管理系统设计与实现等方面，并且在智能仓储管控系统、取送装备和系统、配送装备和系统等方面都进行了研究。

与以上研究不同，笔者本次针对智能化煤矿仓储常用的智能化设备和传感器类物资以及不同的对象，采用何种有效的存放方式进行了分析，并根据不同对象和存放方式如何配置高效取送方式进行了研究。结合矿井实际需求，通过对物资类智能装车、智能配送等方面进行的综合分析，提出适合煤矿的智能仓储管控、入库管控、库内管控、出库管控、智能装卸、智能配送及与其它系统融合应用的成套技术与装备体系；同时在煤矿进行了实践应用，为煤矿智能仓储研究和应用提供了理论依据和实践经验。

随着煤矿智能化整体水平的迅速提升，智能装备的使用越来越多，智能装备水平提升依赖大量的感知设备，感知设备的完好率直接影响智能装备的应用效果[13,14,15,16,17,18],如何合理保障传感器类感知设备和大型关键设备及时供给以及合理配置相应设备的库存数量是现代化矿井面临的主要问题。

目前，大多数煤矿仓储为人工管理、人工取送和配送，部分矿井实现了通过红外扫码类设备获取领用人员携带的信息码确定需领取的物资或设备，然后通过人工寻找的方式借助人工操作吊车或者叉车的方式来取出物资，人工配送给领用人[19,20,21,22]。该领取过程不仅存在效率低、误操作率高、人员安全隐患大等问题，也存在库内物资盘点、库位充分使用、物资先进先出等管理难度大等问题。人工取送物资的方式对物资存放货架的高度有所限制，大多数货架高度不会超过人工获取物资或者叉车类设备有效升降的高度，因此导致现代化煤矿建设多个库房，占用了大量的园区有效使用面积[23,24]。因矿井生产多是采用连续生产方式，仓储库房的物资需随时取用，需对每个仓储库房配置多名库房管理人员以保障仓储随时有人。因此，这种取送物资方式仓储管理人员多、总体效率低。

结合煤矿智能仓储既要存放大型电机类设备，又要存放零散传感器类小件和锚杆管路等长条类设备的特点，研究提出了煤矿智能仓储系统的总体架构。煤矿智能仓储系统主要由库房门禁管理系统(车辆管理系统、人员管理系统)、内部智能取放系统(四向穿梭车、堆垛机等)、智能装卸系统(智能行吊、智能叉车等)、智能配送系统(智能AGV牵引车、无人配送车辆等)、智能仓储管控系统等部分组成，系统总体架构如图1所示。

由图1可以看出，煤矿智能仓储系统总体架构分为3个层级，最底层为基础设备系统层，主要完成智能仓储基础信息获取、智能仓储具体工作过程的执行动作；第二层为各子系统控制层，实现对各子系统下各设备的智能管控；第三层为核心管控层，实现对各子系统的综合管控，完成对物资出入库、取送、配送等全过程的智能管控，并实现与矿井其它系统的数据互通。

该系统主要通过智能AI摄像头类设备，对出入智能仓储的车辆车牌和人员人脸进行识别，并与智能仓储管控平台数据进行互联比对，实现对准入车辆和人员的智能识别，并开启智能仓储相关出入门类设备。

该系统通过智能穿梭车或智能堆垛机等设备对智能仓储的物资实现智能存放和智能取出，取放设备的具体配置需要结合智能仓储存放货物的种类数量、取放节拍数和智能仓储的空间大小等综合考虑。

该系统主要通过智能行吊和智能叉车类设备，完成智能取放装备和装载货物车辆之间的无缝衔接，通过智能装卸系统的装置实现物资装载到取货车辆，智能装卸设备也可实现从入库车辆上智能卸载车辆上的物资，智能传递给智能取放设备。

该系统主要通过智能巡检AGV牵引车或无人驾驶配送车辆等装备实现物资装载，而后按照智能仓储指令，实现物资由智能仓储到指定配送点的过程。该系统主要实现了对物资出入库、库内状态、门禁、智能装卸车、智能物资配送等综合智能管控，管控系统具有和矿方ERP及全生命周期等系统融合通信的能力，可根据ERP和全生命周期系统的指令完成对指定物资的取送、配送、盘点和分析等功能。

对上级管控系统，智能仓储管控平台要实现与矿井的生产经营管理系统、综合管控平台、全生命周期等系统数据的互联互通，可将智能仓储物资等实时状态和分析数据等信息推送给各系统，并接受各系统指令，按指令信息内容完成物资出库、入库、盘点、分析等操作。对下级子系统，智能仓储管控平台要完成对门禁管理系统、内部智能取放系统、智能装卸系统、智能配送系统等的智能管控，实现物资进出、存放、装卸、配送全过程的智能管控。智能仓储管控平台具备多仓储协同综合管理、不同对象权限管理、物资短缺预警分析提醒、领用流程自定义、物资信息管理、取入存等规则及优化策略管理，可实现仓储全过程模块化、流程化的智能管控。

基础信息管控主要完成领用人和库管人员的权限管理、货区信息、货位信息、货架信息、托盘信息、取送设备、装卸设备、物资状态信息、单据信息类型、条码编制、单据使用规则、收货制度、波次管控等功能。

出入库实时分析及管控主要完成可自定义入库方式、入库物资智能分配存储货区、不同物资预设多验收方式、物资到库位及存放区多方式入位、智能定位存放、入库验收不合格及退货管理、物资集中或分散多方式出库、依据出入库指令合理规划出入库波次、物资路径智能规划、多方式智能取放、多方式复合确认、智能库存盘点、智能库存状态更新等功能。

库存趋势及需求融合分析可根据仓储内库存和出入库频次节拍等状态，智能分析不同物资趋势状态；并对库存过多使用频次较低的物资进行趋势分析提醒，提醒库管和相关人员根据需要减少该类物资采购降低库存数量，当某种物资使用频率成增高趋势时，提醒和生成预采购相关信息，推送给ERP等系统，以提前发起采购，避免物资使用短缺。

智能仓储管控平台实现和综合管控平台、全生命周期、井口超市等系统融合联动分析的功能。例如全生命周期系统判断400 kW电机将于1个月后有3台会发生故障，智能仓储管控平台需根据该条信息自动盘点库房内400 kW的电机数量，根据库存数量判断是否需要进行该电机采购的发起。智能仓储管控平台与井口超市系统实现融合分析，根据井口超市物资消耗的数量自动生成领取物资信息，待有关人员审批通过后，智能配送车辆自动进入智能仓储内，智能仓储管控平台根据出库信息将相关物资装入智能配送车辆，车辆按照设定路线和目的地将物资智能配送至井口超市，智能仓储管控平台自动完成本次流程并更新库存状态。

智能仓储管控平台的管控界面具有仓储数据罗盘类展示、出入库数据统计分析展示、在库数据统计分析、仓储状态装置、实景3D地图、各种趋势分析报表等综合展示、统计和报表统计等功能。

该模块主要实现对车辆出入库的智能化管理。通过配置智能AI技术类摄像头，实现对出入库车辆的识别，待确认属于系统准入车辆后自动开启快速升降门类设备，当车辆完成卸货或装货车辆驶离库房后自动关闭快速升降门类设备，期间对是否有人员及其他车辆出入进行智能管控。同时在仓储门口处，配置必要的光栅和雷达类测量设备，对车辆物资高度等进行扫描监测并与系统信息进行比对。

该模块主要实现对出入库人员进行智能化管理。通过AI识别类技术对出入库领用物资人员和库房管理人员进行识别，与系统信息进行比对，对准入人员自动打开人员出入门。在仓储内通过视频识别技术对人员行为监测和跨区域危险报警等监测。

智能堆垛机是一种高效、全向移动、超高精度、超大载重、安全可靠的仓储取送装置。当煤矿库存物资重量在1 000 kg以上且物资数量居多时，配置智能堆垛机较合适。智能堆垛机大多采用条码带寻址实现定位，配置防碰撞监测和避障监测类传感器，一般定位精度为5 mm, 水平移动速度为160 m/min, 升降速度为30 m/min, 货叉最大伸缩速度为40 m/min。配置堆垛机的智能仓储，考虑到合理性和经济性，需将小件合理归类至不同尺寸的托盘里，堆垛机对整体托盘进行存取，实现对仓储物资整体的合理取送。

智能四向穿梭车是一种多机协同运行、四向移动、超高精度、较大载重、安全可靠的仓储取送装置。当煤矿库存物资重量在1 000 kg以下且物资数量居多时，配置穿梭车较合适。智能四向穿梭车一般采用光电条码定位方式，同时也配置防碰撞及避障监测类传感器，一般定位精度为5 mm, 水平移动速度为70 m/min。与堆垛机相比，四向穿梭车具有同条库位和同层库位多车同时协同运行优势，也有任意穿梭车可去往仓储库房内任意库位优点。但穿梭车需配置升降机类装置，实现不同仓储库位层数和高度的传送。

为了便于对仓储物资是否符合仓储库存放标准及对物资进行识别判断，需配置输送机及检测系统。主要由链条式或辊道式输送机、顶升移载机和尺寸重量检测装置组成。输送机主要完成装载系统和取送系统之间的衔接并在该过程中完成对物资尺寸重量的检测。顶升移载机主要完成在输送机输送过程中对不同高差和不同方位之间快速、有效衔接的作用。尺寸重量检测装置主要通过配置非接触式的光电类尺寸检测装置和重量检测装置，实现对入库物资是否与物资绑定信息一致及确保物资符合本次入库尺寸和重量要求。

智能装卸系统主要实现物资上下车辆的一个智能化过程。煤矿智能仓储根据物资情况一般通过配置智能行吊、智能叉车、智能机械臂等方式完成智能装卸。为了确保应用效果，智能装卸系统一般需限定装载车辆停在一个特定的区间范围，以便装卸过程的精准高效完成。

智能行吊一般配置在仓储库房存放有特大件和超重件的场景，这些特大件和超重件往往不能存放在立体货架上。根据仓储管控平台指令，智能行吊能够实现装卸过程的全自动化，包括对物资自动扫描、自动对叉、自动脱钩、自动运行、自动存放等全过程。智能行吊配置防碰撞等检测设备，具有大跨度、载荷10 t以上、定位精度50 mm、智能寻迹等技术参数特点。

智能叉车也是一种用于仓储取送和车辆装载之间的智能化衔接过程。通过智能叉车和智能仓储取送设备实现自动物资的交接，然后由智能叉车完成物资到装载车辆之间的自动装卸。智能叉车配置防碰撞等检测设备，一般具有自主行走、负载2 000 kg、直线运行速度45 m/min、转弯运行速度20 m/min、停车及定位精度10 mm等技术参数特点。

智能机械臂一般配置在中小件成包装的仓储场景中。仓储取送系统将物资运送至智能机械臂范围内，由智能机械臂完成物资到装载车辆的装卸过程。智能机械臂一般都是应用于物资外形基本一致，或者经过二次包装标准化的物资装卸过程，对非标物资实用性较差。

智能配送系统主要实现物资从仓储到应用场景的无人化配送过程，主要有智能AGV牵引车、智能无人配送车来实现该过程。智能AGV牵引车一般用于配送中小型集中运输的物资，配送至室外或楼外等集中物资需求场景。智能无人配送车主要用于配送办公用品、劳保用品、文件类较小型物资，一般具备自动进出电梯，并将物品物资直接送到领用人所在具体办公区域的能力。

智能AGV牵引车一般采用电磁和光学相结合的寻迹导航方式，能够按照规定路径行驶，同时配置必要的防碰撞测距类传感器，实现配送过程的安全防护，大多都采用电池驱动的方式。一般可通过上位机系统实现对配送路径、配送经过点、配送终点、返回路径的设置。背驮式AGV牵引车一般负载能力为50 kg, 直线运行速度为60 m/min, 转弯运行速度为30 m/min, 停车精度为±10 mm, 可实现多个料箱的整体运输。牵引式AGV牵引车一般可实现后面挂载4～6节装载车斗，负载牵引能力为6 000 kg, 直线行驶速度为90 m/min, 转弯行驶速度为25 m/min, 导航和停车定位精度为10 mm。

智能无人配送车较智能AGV牵引车具有能进入建筑内、行驶路线不固定、配送终点更灵活等特点。智能无人配送车配置的感知设备较多，一般配置必要的激光雷达、摄像头、毫米雷达波、红外测距等传感器装备。智能无人配送车为电池驱动，采用激光雷达扫描测距、视频识别加GPS定位等多方式融合定位。智能无人配送车负载能力为50 kg, 爬坡能力为15°,直线运行速度为120 m/min。智能无人配送车具备与门禁、闸机、电梯融合通信自动开启和自动进出的功能，通过上位机系统接收的数据，实现进入智能仓储领用相应物资，并智能配送至物资需求人处。

入库管控技术为煤矿智能仓储的一个关键技术，入库管控的效果将直接影响物资入库的效率。笔者结合煤矿物资的特点提出了入库管控流程，当入库物资到达库内后，管控系统根据矿方ERP类数据信息对入库物资进行托盘和信息绑定，首次绑定需要库管人员人工完成，仓储系统通过堆垛机、穿梭车等方式输出空托盘，如出入库不在同一位置，通过智能叉车、智能行吊类设备将空托盘移至入库口，将入库物资放入指定托盘中，经过系统扫码、重量、尺寸等检测合格后，由输送线按系统分配路径进行物资存放，如读码失败或者检测不合格，系统自动将物资退回入库口，进行人工干预处理后二次检测入库，完成入库后仓储管控系统自动更新库存信息状态。煤矿智能仓储入库流程如图2所示。

出库管控技术是整个智能仓储的另一个关键技术。智能仓储管控平台接收到上级ERP类系统的出库申请后，系统根据不同设备的出库原则(例如先进先出原则),自动提取物资出库信息并生成出库单，智能仓储系统开始执行出库任务，堆垛机或者穿梭车根据出库信息取出对应物资，输送至出库口，在出库口根据物资存放情况，如需整托盘输出，则直接由装卸系统装入运输车辆；如需人工从整托盘中拣选部分物资，则进行人工拣选后装入运输车辆，且系统自动更新仓储库存状态。如有剩余托盘进行余盘回库，对回收托盘进行重量尺寸等监测，依据监测结果通过堆垛机或穿梭车将托盘按类自动放入仓储相应的库位中。出库申请也可直接登录智能仓储管控平台提出出库领用申请。煤矿智能仓储出库流程如图3所示。

煤矿仓储既要存放小件物资又要存放大件物资，且各矿存放物资种类数量不尽相同，为合理布局仓储物资，研究并提出了中小件和大件布局相结合的存放技术原理。采用物资多级分类、前期低密度矩阵布局、同级同类同区域、高频近出口、关联近布局、按类汇聚、优化全库布局技术路线。物资优化布局技术路线如图4所示。前期根据煤矿具体情况进行物资中小件和大件的初步分类划分，一般建议按照4～6级分类，按照分类采用同级同类物资同巷道的布局原则，前期布局的物资采用低密度分散的方式布置，根据物资出库频率和节拍将高频率出入库的物资级布置在出入库口附近。同时根据物资的关联性进行优化就近布局，类如锚杆类和锚固剂类应就近优化布局。根据平时出入库使用情况，管控系统具备进行物资存放位置微调的能力，最终实现对全仓储库房的一个最优布局。

大件物资布局存放按照出入库口就近布置的总体原则，先划分和确定最优存储位置，并设定最优边沿区域、次优边沿区域和可接受边沿区域，根据矿方实际情况配置合理的大件存放区域。大件物资存放区域原则如图5所示。

针对延长石油巴拉素煤矿仓储存放设备相对单一的特点，设计采用了3台堆垛机作为智能取送设备，在材料库建设4条存储货架，分别实现对50 kg、1 000 kg、2 000 kg单元进行存储，配置有智能输送机、智能顶升移载机、智能尺寸检测等设备。采用智能叉车作为智能装载设备实现物资的智能装卸。采用智能AGV牵引车作为智能配送系统。巴拉素智能仓储系统于2021年下半年投入运行，系统稳定可靠，取得了良好的使用效果。

针对陕煤集团曹家滩煤矿仓储内存放超大超重物资、锚杆锚网等超长物资、常规中小型物资的特点，设计采用1台智能行吊实现对超大超重物资的智能取放，智能行吊可直接实现对物资的装载。超长物资采用1台智能堆垛机实现物资取放，配置了2排货架，其它中小型备件采用4台智能四向穿梭车对物资进行取放，通过智能叉车实现物资的智能装载，采用1台具备进入电梯功能的无人配送车作为智能配送系统。曹家滩智能仓储系统于2021年下半年投入运行，实现了多种物资融合协同高效运行，也取得了良好的使用效果。

针对陕煤集团小保当煤矿仓储内存放超大超重物资、大件物资、常规中小型物资的特点，超大件物资设计采用潜伏式AGV牵引车、激光导航无人叉车取放物资，小件区域采用智能四向穿梭车取放物资。在车辆装卸区域配置辅助物料自动升降液压台和智能手臂装载设备。采用具备进入电梯能力的无人配送车和室外无人配送车作为智能配送系统。小保当智能仓储系统于2020年下半年投入运行，实现了多装备智能调度协同运行，使用效果良好。

对已投入运行的巴拉素煤矿、曹家滩煤矿和小保当煤矿智能仓储在空间利用率、减少人员、物资取送效率、物资利用率及经济效益方面进行了分析，见表1。

通过煤矿智能仓储系统的设计和应用，给煤矿物资管控智能化带来显著的提升效果，极大地提升了智能化矿山相关物资保障供给和装备维修的效率。后期将在如何根据各矿仓储物资特点上进行合理配置空间、仓储高度、货架形式和综合布局方面的分析研究，提出煤矿智能仓储的最优经济性配置方法。