穿梭車系統(tǒng)及其應(yīng)用概述

尹軍琪/文

穿梭車系統(tǒng)及其應(yīng)用概述

尹軍琪/文

穿梭車系統(tǒng)解決了兩大問(wèn)題：其一是密集存儲(chǔ)問(wèn)題；其二是快速存取問(wèn)題。它是物流裝備技術(shù)的一次重大創(chuàng)新，改變了AS/RS系統(tǒng)長(zhǎng)期獨(dú)占市場(chǎng)的格局，為未來(lái)的物流技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)和指明了方向，開(kāi)辟了一片應(yīng)用新天地。

尹軍琪北京伍強(qiáng)科技有限公司總經(jīng)理

一、穿梭車系統(tǒng)的定義、功能及發(fā)展

穿梭車（shuttle car），顧名思義，是物流系統(tǒng)中一種執(zhí)行往復(fù)輸送任務(wù)的小車，其基本功能是在物流系統(tǒng)中（平面內(nèi)）通過(guò)軌道上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成貨物單元（主要是托盤和料箱）的輸送。

穿梭車有別于提升機(jī)（垂直輸送）、AGV（自動(dòng)導(dǎo)向、無(wú)軌道）以及堆垛機(jī)（托盤式AS/RS與箱式miniload，三維輸送），由于其靈活性，廣泛應(yīng)用于物流配送中心和生產(chǎn)物流系統(tǒng)。

穿梭車按照輸送貨物單元類型可以分為托盤式穿梭車和箱式穿梭車，按照其作業(yè)場(chǎng)地不同，可分為輸送型穿梭車和存取型穿梭車。

穿梭車還有其它多種形式，只是因?yàn)閼?yīng)用較少，或種類太多，在這里沒(méi)有一一列出。

此外，從載荷及存儲(chǔ)形式看，還有單工位單深度、單工位雙深度、單工位多深度、雙工位單深度、雙工位雙深度、雙工位多深度，以及多工位的諸多變化；但應(yīng)用最多的還是單工位單深度和單工位雙深度兩種形式。

本文討論的范圍僅局限于存取型穿梭車。

相對(duì)于輸送型穿梭車超過(guò)50年的發(fā)展歷史，存取型穿梭車的歷史要短得多。最早的穿梭板和子母車應(yīng)用到現(xiàn)在也不過(guò)20年歷史，而四向車的應(yīng)用則是最近10年以內(nèi)的事情。究其原因，可能主要是電池技術(shù)和充電技術(shù)的限制所致，當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展也是重要原因。

隨著電池、網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵問(wèn)題的逐步解決，穿梭車技術(shù)被迅速應(yīng)用于物流系統(tǒng)。在我國(guó)，最早的穿梭板應(yīng)用可以追溯到2010年前，基本采用半自動(dòng)方式，由叉車進(jìn)行換巷道和換層作業(yè)。

穿梭車的巨大作用是解決了兩大問(wèn)題：其一是密集存儲(chǔ)問(wèn)題，采用穿梭車系統(tǒng)，可以大幅度提升存儲(chǔ)密度，這是以前很多技術(shù)——如雙深度堆垛機(jī)——所無(wú)法比擬的；其二是快速存取問(wèn)題，其實(shí)，目前火熱的“貨到人”揀選技術(shù)的興起，其根本原因在于采用多層穿梭車等技術(shù)徹底解決了快速存取問(wèn)題?？梢哉f(shuō)，穿梭車技術(shù)的發(fā)展，為未來(lái)的物流技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)和指明了方向，并且開(kāi)辟了一片新天地。

二、穿梭車系統(tǒng)的基本構(gòu)成

穿梭車系統(tǒng)的基本構(gòu)成多種多樣，作為一個(gè)獨(dú)特的物流系統(tǒng)，它與普通的物流自動(dòng)化系統(tǒng)有許多相似之處，但也有很大不同。一般情況下其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

其中，調(diào)度系統(tǒng)是至關(guān)重要的子系統(tǒng)之一，有些功能是之前其他物流系統(tǒng)所沒(méi)有的。

托盤式穿梭車系統(tǒng)主要用于密集存儲(chǔ)，其收貨系統(tǒng)中主要包括輸送機(jī)（包括提升機(jī)）；儲(chǔ)存系統(tǒng)則包括貨架、穿梭車、提升機(jī)等，有些也采用堆垛機(jī)（AS/RS）完成穿梭車的換層；發(fā)貨系統(tǒng)包括輸送機(jī)及揀選系統(tǒng)等。有些系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，如穿梭板可以自行構(gòu)成系統(tǒng)，有些系統(tǒng)則比較復(fù)雜，如采用機(jī)器人完成入庫(kù)碼垛和出庫(kù)拆垛等。

箱式穿梭車系統(tǒng)主要用于“貨到人”揀選系統(tǒng)，其收貨系統(tǒng)包括收貨換箱工作站和收貨輸送系統(tǒng)；儲(chǔ)存系統(tǒng)包括貨架及軌道、穿梭車（包括多層穿梭車、子母車、四向穿梭車等）、提升機(jī)等；發(fā)貨系統(tǒng)則包括揀選工作站、包裝工作站和輸送系統(tǒng)等，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用不同，有些系統(tǒng)會(huì)更簡(jiǎn)單或復(fù)雜一些。

穿梭車是系統(tǒng)的核心產(chǎn)品，其本身構(gòu)成包括車體和移載機(jī)構(gòu)。其中，多層穿梭車只能完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)，有的可以依靠提升機(jī)完成換層；四向穿梭車可以完成平面內(nèi)的x方向和y方向的運(yùn)動(dòng)，換層則通過(guò)提升機(jī)完成；還有一種子母車，母車完成巷道內(nèi)x方向的運(yùn)動(dòng)，子車可以完成y方向的運(yùn)動(dòng)。移載機(jī)構(gòu)有很多種形式，其中夾抱式貨叉應(yīng)用比較多。穿梭車采用電池供電，為滿足作業(yè)需要，要求一次完全充電能夠滿足6個(gè)小時(shí)以上的正常作業(yè)，并能夠快速充電；托盤式穿梭車有固定的充電站，箱式穿梭車則采用多種充電形式，如在提升機(jī)上充電就是一種快速充電的方式。

三、穿梭車系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)分析

以下關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展深刻影響著穿梭車系統(tǒng)的市場(chǎng)應(yīng)用。

1. 電池技術(shù)

最早的穿梭板小車，采用的是半自動(dòng)控制方式，結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)簡(jiǎn)單，電池技術(shù)是影響其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。每次完全充電能滿足的工作時(shí)間成為穿梭板的一個(gè)瓶頸。而高性能的電池價(jià)格昂貴，使得穿梭板小車的應(yīng)用非常有限。隨著電池性能的不斷提高，量產(chǎn)以后價(jià)格下降，穿梭板小車才得以廣泛應(yīng)用。

2. 電量監(jiān)測(cè)技術(shù)

圖1 ：穿梭車的基本分類（注：箱式輸送型應(yīng)用極少）

圖2 ：穿梭車系統(tǒng)構(gòu)成

在早期，一個(gè)很大的困難是小車的電量監(jiān)測(cè)，設(shè)想一下小車突然沒(méi)有電時(shí)怎么辦？而這種情況確實(shí)每天都在發(fā)生。如果不能有效地監(jiān)測(cè)到小車的電量，問(wèn)題就無(wú)法解決。這一問(wèn)題會(huì)造成全自動(dòng)的系統(tǒng)和大型系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)用，這也是穿梭車系統(tǒng)遲遲不能推廣應(yīng)用的關(guān)鍵原因之一。

3. 通訊和定位技術(shù)

早期的穿梭板由于通訊問(wèn)題導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確，進(jìn)而出現(xiàn)大量空位情況，而設(shè)備通訊故障頻繁導(dǎo)致維護(hù)很困難，也在很大程度上影響其使用。

4.不同類型穿梭車系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)

托盤式四向車為立體儲(chǔ)存提供了新的解決方案，是對(duì)立體庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)的重大突破，傳統(tǒng)以AS/RS為主的立體存儲(chǔ)設(shè)計(jì)思想因此受到了很大沖擊。然而，四向車系統(tǒng)的路線設(shè)計(jì)是非常困難的，越大的系統(tǒng)，調(diào)度系統(tǒng)難度越大；此外，由于增加了橫向和縱向的軌道，系統(tǒng)交通管制也是一個(gè)非常大的問(wèn)題，這些問(wèn)題不解決好，也將無(wú)法大規(guī)模使用。

多層穿梭車的發(fā)明解決了“貨到人”揀選系統(tǒng)中長(zhǎng)期困擾人們的存取速度問(wèn)題。在此前，盡管miniload堆垛機(jī)的速度已經(jīng)提高到驚人的350m/min，但存取效率還是局限在每臺(tái)小車每小時(shí)作業(yè)100多次，多層穿梭車輕松突破了這一極限。多層穿梭車首先解決了快速充電問(wèn)題，現(xiàn)在的快速充電裝置可以在數(shù)秒之內(nèi)充電并滿足小車幾分鐘的作業(yè)要求，這樣，小車完全可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷工作，這是一個(gè)重大的技術(shù)突破。此外，多層穿梭車的貨叉設(shè)計(jì)也是重點(diǎn)。隨著市場(chǎng)分工越來(lái)越精細(xì)，現(xiàn)在已經(jīng)有成熟的貨叉可以選用。貨叉的成本約占小車總成本的40%，從這一點(diǎn)也可以看出其重要性。

四向箱式穿梭車的難度主要在于控制和調(diào)度系統(tǒng)，訂單管理與路線優(yōu)化算法非常復(fù)雜，控制更加困難。設(shè)想一個(gè)具有500輛小車的系統(tǒng)，如何調(diào)度才能高效作業(yè)是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。很多系統(tǒng)的能力受到限制主要是由于小車的不合理調(diào)度造成的。此外，穿梭車的軌道要求很嚴(yán)，一般的貨架生產(chǎn)工藝不能滿足要求。國(guó)內(nèi)能夠提供四向車軌道的廠家少之又少，這也為應(yīng)用設(shè)置了障礙。

現(xiàn)在的總體情況是：電池技術(shù)有了質(zhì)的飛躍，貨叉也有成熟的產(chǎn)品，但控制系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)卻沒(méi)有可以現(xiàn)成采購(gòu)的，使得大型物流場(chǎng)景全面應(yīng)用穿梭車系統(tǒng)還面臨很大難度。

四、選擇與評(píng)價(jià)穿梭車系統(tǒng)

對(duì)設(shè)計(jì)和使用者來(lái)說(shuō)，如何選擇和評(píng)價(jià)穿梭車系統(tǒng)非常關(guān)鍵。主要應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面：

1. 出入庫(kù)作業(yè)能力

出入庫(kù)作業(yè)能力是衡量穿梭車系統(tǒng)的重要指標(biāo)。包括輸送系統(tǒng)、提升機(jī)、穿梭車、堆垛機(jī)等所有關(guān)聯(lián)系統(tǒng)或設(shè)備的作業(yè)能力的匹配，以及揀選工作站的能力等。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要求一個(gè)拆零揀選工作站達(dá)到600行以上的揀選能力是非常普遍的情況，這對(duì)工作站、輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也提出了很大挑戰(zhàn)。

2. 存儲(chǔ)能力

儲(chǔ)存能力基本是一個(gè)靜態(tài)指標(biāo)。不同的設(shè)備和技術(shù)所能夠達(dá)到的儲(chǔ)存能力是不一樣的。一般情況下，儲(chǔ)存能力越高越好。密集庫(kù)系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)存指標(biāo)要求比較高，但拆零揀選系統(tǒng)卻并不特別追求這一點(diǎn)。要注意儲(chǔ)存能力和存取能力的一致性，有時(shí)過(guò)分追求單一指標(biāo)是沒(méi)有意義的。

伍強(qiáng)科技在2016 CeMAT ASIA上展示的多層穿梭車解決方案

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3. 軟件系統(tǒng)

對(duì)于箱式穿梭車系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其難點(diǎn)在于軟件系統(tǒng)，如何快速高效地響應(yīng)訂單的揀選要求，是考驗(yàn)一個(gè)穿梭車系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)容。而對(duì)于托盤式穿梭車來(lái)說(shuō)，四向車的控制系統(tǒng)是難點(diǎn)，密集庫(kù)的管理與作業(yè)流程設(shè)計(jì)與普通倉(cāng)庫(kù)也大不一樣。

4. 可靠性指標(biāo)

沒(méi)有什么比可靠性指標(biāo)更重要的了。什么是可靠性指標(biāo)？很多人不是很明白；在FEM標(biāo)準(zhǔn)中，有一個(gè)可用度指標(biāo)可以用來(lái)描述系統(tǒng)的可靠性。其計(jì)算公式是：

系統(tǒng)的可用度S=（系統(tǒng)的可用時(shí)間T1/系統(tǒng)運(yùn)行的總時(shí)間T0）*100% （1）

具體應(yīng)用到穿梭車系統(tǒng)，可以將系統(tǒng)分為若干部分，對(duì)于串行系統(tǒng)，每部分的權(quán)重為1，對(duì)于并行系統(tǒng)，每個(gè)并行支線的權(quán)重為1/n（n為并行子系統(tǒng)的數(shù)量）。系統(tǒng)的可用時(shí)間是指系統(tǒng)總時(shí)間扣除故障恢復(fù)時(shí)間所剩余的時(shí)間。FEM規(guī)定，系統(tǒng)的可用度大于97%才能正式上線運(yùn)行。

此外，還有一個(gè)指標(biāo)叫做平均無(wú)故障時(shí)間MTBF（Mean time between failure），其單位為小時(shí)。MTBF越大，系統(tǒng)越可靠。這一指標(biāo)對(duì)于單一設(shè)備的評(píng)價(jià)非常適用，但用于對(duì)物流系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)卻并不適用。其理由是物流系統(tǒng)非常復(fù)雜，存在很多“部分可用”的情況，無(wú)法用這一指標(biāo)來(lái)評(píng)估。

五、市場(chǎng)需求及發(fā)展趨勢(shì)

穿梭車的誕生，為密集存儲(chǔ)和快速拆零揀選提供了十分有效的解決方案，是物流裝備技術(shù)的一次重大創(chuàng)新，它甚至改變了AS/RS系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)獨(dú)占市場(chǎng)的格局，所以一經(jīng)推出便廣受用戶歡迎。對(duì)于未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，行業(yè)內(nèi)多數(shù)專家都表現(xiàn)出極大的樂(lè)觀。

1. 托盤穿梭車

托盤式穿梭車的應(yīng)用，徹底改變了密集存儲(chǔ)系統(tǒng)的概念，甚至可以說(shuō)是一種顛覆。從簡(jiǎn)單的穿梭板應(yīng)用，到子母車，再到四向車系統(tǒng)，其發(fā)展軌跡一直圍繞著密集存儲(chǔ)進(jìn)行。與傳統(tǒng)的AS/ RS系統(tǒng)相比，根據(jù)方案不同，其存儲(chǔ)密度會(huì)提高30%～50%不等，而且最大的優(yōu)勢(shì)是：四向穿梭車不受空間形狀的限制，幾乎可以在任意的空間中布置，這是AS/RS所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。雖然AS/ RS系統(tǒng)也有雙深度存儲(chǔ)技術(shù)以增加存儲(chǔ)密度，但無(wú)論存儲(chǔ)密度還是對(duì)空間的要求，都與穿梭車優(yōu)勢(shì)相去甚遠(yuǎn)。

密集存儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景非常多，如煙草原料和成品、食品飲料、工業(yè)制造等行業(yè)，尤其在冷鏈物流領(lǐng)域有很大的用武之地。傳統(tǒng)的冷庫(kù)不僅空間利用率低，而且作業(yè)環(huán)境非常惡劣，托盤式穿梭車的發(fā)明大幅度提升了存儲(chǔ)密度，也改善了作業(yè)環(huán)境，可謂一舉多得，市場(chǎng)前景非常廣闊。目前存在的問(wèn)題是，由于穿梭車系統(tǒng)對(duì)貨架要求比較高，增加了系統(tǒng)的成本，為需要快速入出作業(yè)的系統(tǒng)帶來(lái)了成本壓力。

2. 箱式穿梭車

如果說(shuō)托盤式穿梭車是為密集存儲(chǔ)而生，箱式穿梭車則完全是為拆零揀選而生，一個(gè)巷道可以達(dá)到每小時(shí)1000余次的揀選作業(yè)量，這在以前是無(wú)法想象的。

箱式穿梭車在拆零揀選方面的應(yīng)用更為廣闊，可以適應(yīng)于多種現(xiàn)場(chǎng)情況，這是與miniload不同的地方；此外，miniload的存取能力受到限制，無(wú)法滿足“貨到人”揀選的需求。與傳統(tǒng)的閣樓式貨架比較，穿梭車系統(tǒng)存儲(chǔ)效率更高，揀選更為準(zhǔn)確，對(duì)人的需求也大幅度降低，這是其具有巨大優(yōu)勢(shì)的幾個(gè)方面。當(dāng)然，成本是其劣勢(shì)之一。但隨著人工成本的不斷增加，這一點(diǎn)很快會(huì)達(dá)到平衡，并顯示出優(yōu)勢(shì)。

過(guò)去幾年來(lái)，智能物流成為行業(yè)最亮眼的明星。人們暢想的智能物流到底是什么？其中最關(guān)鍵的共識(shí)是：智能物流是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。所謂大規(guī)模定制化生產(chǎn)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是要將以前的“千人一面”市場(chǎng)需求轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足“千人千面”的個(gè)性化需求。從這個(gè)意義上講，生產(chǎn)物料需要拆零，配送也需要拆零，拆零揀選將是未來(lái)的主要揀選形態(tài)；由此可見(jiàn)箱式穿梭車的價(jià)值所在。

六、結(jié)語(yǔ)

多年前，人們預(yù)測(cè)物流未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，往往樂(lè)觀地認(rèn)為未來(lái)物流中心規(guī)模將越來(lái)越小，理想甚至是庫(kù)存等于0為標(biāo)志的JIT模式。但是事與愿違，隨著社會(huì)物質(zhì)的極大豐富，現(xiàn)在的物流中心，規(guī)模變得越來(lái)越龐大，品規(guī)數(shù)變得越來(lái)越多，訂單越來(lái)越細(xì)，拆零比例越來(lái)越高，揀選和配送速度變得越來(lái)越快，這正是一個(gè)大規(guī)模定制化系統(tǒng)的真實(shí)反映。B2C電子商務(wù)的興起，很好地詮釋了這一變化趨勢(shì)的客觀需求，并在很短的時(shí)間內(nèi)使之成為現(xiàn)實(shí)?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，穿梭車系統(tǒng)的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，規(guī)模也將越來(lái)越大，其前景不可限量。