論多層穿梭車系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展

陳滌新

（北京市自動化物流裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100007）

0 引言

十三五期間國家的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，物流倉儲裝備產(chǎn)業(yè)，近年來發(fā)展的如火如荼。技術(shù)活躍、供需旺盛、資本集聚。新技術(shù)、新產(chǎn)品、新方法、新模式，不斷涌現(xiàn)，呈現(xiàn)百家爭鳴的繁榮景象。

近來，人們消費習慣的發(fā)生了改變，個性化、定制化的需求急劇增加，加速了消費品的迭代。外加電商的迅速崛起，分揀與配送需求大幅增加。在工業(yè)領(lǐng)域，伴隨著傳統(tǒng)工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，智能制造的快速推進，生產(chǎn)物流需求也大幅增加。急劇擴大的物流需求，給物流裝備企業(yè)帶來了新的發(fā)展空間。多層穿梭車系統(tǒng)就是為了滿足小件的箱式物料儲存和揀選，應運而生的新系統(tǒng)、新產(chǎn)品，眾多的主流物流裝備供應商都參與其中，技術(shù)發(fā)展迅猛，是在新需要下，對傳統(tǒng)的自動化立體倉庫系統(tǒng)應用領(lǐng)域補充和拓展。

1 技術(shù)的起源

傳統(tǒng)的自動化立體倉庫，產(chǎn)生于60～70年代，是第二次工業(yè)革命的產(chǎn)物，滿足大批量生產(chǎn)的需求，解決集約化生產(chǎn)任務，大宗存儲，批量入出。其立體貨架中存儲貨物的存取，主要是依靠巷道堆垛機。而堆垛機每次作業(yè)，只能取一個到兩個單元的貨物。雖然堆垛機速度的不斷提升，但單臺車的出入庫頻率很難突破90盤/小時。

為了滿足小件物品的存取需求，2000年左右出現(xiàn)了MINLOAD貨庫，同樣基于自動化立體倉庫的原理，只是載貨器具由托盤變成了料箱，堆垛機的一次作業(yè)，取一箱或雙箱，或是同時入出，共計四箱。單臺車的出入庫頻率接近200箱/小時。但無論多少，每次的作業(yè)循環(huán)，都只有一臺堆垛機在運作，取放的頻率受限，無法大幅度提高。

市場上急劇增加的小訂單需求，促使人們改變傳統(tǒng)的思維方式。分解堆垛機的取貨動作，讓立體倉庫中每一層都能出入，巷道口連續(xù)輸送。近年來，一種新的模式——多層穿梭車系統(tǒng)逐步走入人們的視野，能夠高度滿足當前的需求。系統(tǒng)中的一個核心組成設備為穿梭小車：用于存取貨物的小型快速車輛。小車的作用代替了堆垛機的載貨臺，而且每次都可以獨立運行，解決了同層平面上的存取。通常在貨架系統(tǒng)的端部，配備提升機，解決垂直方向上的動作。總體分解了原有堆垛機的動作，巷道口的工作改成了連續(xù)的工作制，水平方向上的運行，都變成了系統(tǒng)內(nèi)部的時間，大大提高了系統(tǒng)的出入能力。再有可以在同一通道使用多臺穿梭車，因此此種系統(tǒng)的處理能力比傳統(tǒng)的處理能力高出許多倍。是滿足縮短生產(chǎn)時間和更快交貨的新興解決方案。

圖1 自動化倉庫到小車系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)組成

多層穿梭車系統(tǒng)，通常是有組合式貨架、多層穿梭車、提升機、箱輸送機線、揀選臺、輔助檢修維護平臺（升降平臺、控制柜平臺和人員通道平臺）等設備組成。并配有設備調(diào)度系統(tǒng)及物料管理系統(tǒng)，可同ERP、SAP等上位系統(tǒng)連接，實現(xiàn)高密度存儲，高效分揀。系統(tǒng)可以按照根據(jù)用戶需求的儲存量、出入庫頻率，模塊式組合和擴展。當前主流的布局形式有兩種，如下文所述。

圖2 系統(tǒng)布局方式

2.1 以雙向小車為核心的系統(tǒng)

每個巷道，每層都要求布置有穿梭車，小車只能延巷道方向水平運行，并存取貨物。單通道貨架，可以根據(jù)需要布置雙深貨位，小車每次運行可以取一個或兩個貨物。而貨物的垂直運行要通過提升機才能轉(zhuǎn)運到平面輸送，到揀選臺。

小車不僅將貨物從車上輸送到提升機，也可以車與貨物一同通過提升機，換到另外一個層面，繼續(xù)存取作業(yè)，即實現(xiàn)了不同層間的貨物存取，但這樣會影響效率。

2.2 四向小車為核心的系統(tǒng)

小車可以在同層，通過特殊的軌道（俗稱轉(zhuǎn)彎板），實現(xiàn)90度平移，實現(xiàn)兩個巷道間的移動，而貨物從貨格中取出以后，要通過提升機才能轉(zhuǎn)運到平面輸送，到揀選臺?；蚴且部蓪⒇浳锱c車一同通過提升機，換入另外一個層面。理論上講，只有一臺車，可以實現(xiàn)整個貨架內(nèi)的所有空間物品的存取，完全是全方位的。而這種方式，用戶只需擴展貨架，就可以滿是存儲空間的需求，對于高峰訂單的需求，可以通過增加小車來滿足出入庫頻率的需求，非常方便而經(jīng)濟。

2.3 以垂直軌道小車為核心的系統(tǒng)

每個巷道，布置有多臺穿梭車，小車不僅能延巷道方向運行，而且能夠沿著貨架的垂直方向上下運動，從貨格中存取的貨物，直接由小車自身可以運輸?shù)捷斔蜋C、揀選臺，省去提升機中間環(huán)節(jié)，非常直接高效。揀選臺與相應的通道對應。

需求不同，系統(tǒng)的組成方式不同，內(nèi)部的設備也有多種組合。存儲箱或盒的貨架，可以分為單、雙存儲位貨架。小車可分為，雙向、四向、單深位、雙深位、三深位等多種形式。提升機有：箱式提升機和載車提升機；揀選臺通?？梢园凑?:1、1:2、2:4等符合人體工程學比例配置；箱式輸送線更是可以分單層箱線或雙層箱線；人機交互方式，可以采取觸摸屏和電子標簽結(jié)合的方式。組合靈活、方便、高效，是當今滿足箱式物品存儲和揀選的主流系統(tǒng)，適用于生產(chǎn)制造、電子商務、醫(yī)藥、食品、電力電氣、家電五金等等多種行業(yè)，應用面非常廣。

3 核心設備的技術(shù)特點

多層穿梭車系統(tǒng)的配置，是基于大量的仿真驗算和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，建立在科學的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)之上，使得用戶投資成本與產(chǎn)出比最佳。

3.1 組合式高層密集貨架

組合式高層密集貨架是多層穿梭車系統(tǒng)中存儲主體，除了滿足儲存以外，因小車的軌道與貨架的配合，無論軌道是否與橫梁或立柱一體或分體，軌道的精度要求都高于普通貨架要求，尤其是四向車轉(zhuǎn)彎軌道，是對一個平面的要求。小車軌道是小車高速運行的基礎(chǔ)保障。

3.2 形式多樣的多層穿梭車

多層穿梭車的結(jié)構(gòu)形式，多種多樣，但車體的結(jié)構(gòu)則需要經(jīng)過精確計算與仿真研究，以解決車體輕、車速快，剛性強、定位精等相互之間的矛盾，尋求好的材料與設計的良好結(jié)合，才能達到最佳的效果。如：除了鋼板以外，也有采用纖維增強高性能塑料來做外殼，以減輕總量。

3.2.1 抱夾式貨叉

小車的貨叉，是車的關(guān)鍵核心部件，軌道式樣的抱夾貨叉，需要解決伸縮行程、移動監(jiān)測、寬度調(diào)節(jié)等問題，針對不同箱、盒，不同尺寸要求的貨物準確存取問題，貨叉需要設有寬度調(diào)節(jié)機構(gòu)，也是影響小車效率和造價的因素之一。

3.2.2 供電方式

高速移動多層穿梭車的供電方式，即可用設計緊湊，安裝方便快捷的滑到線供電的，如VAHLE的VKL2和SLS產(chǎn)品。也可用鋰電池、超級電容供電。

從滑導線發(fā)展為鋰電池到超級電容，硬件成本逐步降低，電源管理尤為重要，既要滿足遠距離運行，又能在最短的時間內(nèi)補充。特殊低溫環(huán)境的應用，更要克服鋰電池和電容對低溫環(huán)境的極限，延長使用壽命。

3.2.3 控制方式

車的大小直接影響到系統(tǒng)布局，因而多層穿梭車內(nèi)的布置，都盡可能密集緊湊，留給控制系統(tǒng)的空間盡可能小，通常采用緊湊的直流驅(qū)動系統(tǒng)來實現(xiàn)?？刂破鞑捎每删幊坛炭刂破鱌LC或更節(jié)省空間的專業(yè)控制板。

3.2.4 檢測方式

對于快速且高度靈活的穿梭車來說，滿足動態(tài)性，精確性、可靠性和高靈活性要求的智能傳感器是必須的保障，通常選用即節(jié)省空間又安全的測量距離傳感器，來進行精確定位，檢測開放空間，動態(tài)控制或防碰撞保護。

圖3 布置在小車中的傳感器

3.2.5 通訊方式

移動通訊是必不可少的，每臺小車都通過無線網(wǎng)絡同監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)小車的實時控制和動態(tài)調(diào)度。多采用定向天線，以避免網(wǎng)格狀金屬網(wǎng)絡對信號的屏蔽問題。

3.3 提升機

多層穿梭車系統(tǒng)中的提升機，有用于小車換層用載車提升機和用于出入庫的箱式提升機兩種，提升速度是系統(tǒng)的瓶頸，因而提升機控制多采用伺服控制系統(tǒng)，加快提升速度和加強定位精度。箱式提升機的載貨臺多采用多箱載貨臺、雙側(cè)載貨臺、上下雙層載貨臺等方式，來提升效率。而載車提升機由于小車的入出，雖然不如料箱提升機那樣要求高速上下，安全性和穩(wěn)定性方面要求更高，毫米級的精確定位確保保持車平穩(wěn)出入，輔助相應的安全聯(lián)鎖裝置。

3.4 調(diào)度系統(tǒng)

多車的調(diào)度系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的靈魂，各家都有自己的核心算法與物料管理信息系統(tǒng)相結(jié)合，優(yōu)劣從系統(tǒng)的效率，設備的利用率、揀選的差錯率、工人的工作時間、系統(tǒng)的繁忙度等多方因素可以衡量。

簡單的系統(tǒng)很難區(qū)分高低，只有和訂單系統(tǒng)結(jié)合在一起，誰的系統(tǒng)設備少，投資低，產(chǎn)出高，就體現(xiàn)出來了。而這是需要大量的工程經(jīng)驗與運算，對用戶業(yè)務的了解，才能達到最優(yōu)，也是該系統(tǒng)的核心所在。

3.5 人機交互揀選臺

圖4 信息系統(tǒng)框圖

存儲系統(tǒng)中的貨物，最終是要依靠人工來揀選的，設備與人之間的交互，是通過揀選臺來實現(xiàn)的。揀選臺可以通過燈光提示、圖像觸摸屏提示，電子標簽確認等，來完成人與設備的對話?？梢杂幸粚σ唬部梢允且粚Χ?，或二對四。揀選臺的設計需要符合人體工程學，讓操作工人減少疲勞，而提高準確率。

4 國內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展情況

多層穿梭車存儲系統(tǒng)的發(fā)展，主要起源于歐洲企業(yè)，發(fā)展至今技術(shù)日趨成熟。全球排名前20的企業(yè)，都在這個領(lǐng)域有所建樹。并對自己的穿梭車給予命名，將典型應用的快速揀選系統(tǒng)，都注冊專有商標。如FlashPick、RapidPcik?、Pick-it-Easy、OSR Shuttle?等等。知識產(chǎn)權(quán)意識和對用戶的粘合度極強。

多層穿梭車系統(tǒng)迅速發(fā)展主要集中在近十年左右，德馬泰克（DEMATIC）于2010年推出了一代多層穿梭車，依靠滑導線供電的雙向小車，運行速度僅2m/s。到2015年，就推出DEMATIC II代小車，速度提高到3m/s，具有雙深位抱夾貨叉，可以取遠端料箱。至今與提升機、控制系統(tǒng)相結(jié)合形成RapidPcik?系統(tǒng)，可每小時完成1400次揀選[1]。已經(jīng)得到廣泛應用。

勝斐爾（SSI SCHAEFER）公司最著名的是大倉儲密度下的高性能CUBY小車系統(tǒng)?？梢噪p深位存取，為客戶提供全自動倉儲周轉(zhuǎn)箱和紙箱的解決方案，貨架系統(tǒng)可靈活擴展最多達40層，100米長[2]。而今年則推出了Flexi小車系統(tǒng)，為用戶提供自動存儲、緩沖、集成、排序的高度動態(tài)的解決方案。進一步擴展了應用面。

特格威（TGW）公司的STINGRAY可直接處理各種尺寸的存儲貨物，而無需額外的裝載設備，最大限度降低投資和工藝成本以及交貨時間。也可用于-30℃的冷藏倉庫。貨架系統(tǒng)高達25米，巷道100米長[3]。

瑞士格（SWISSLOG）同樣也有CycloneCarrier箱式穿梭車系統(tǒng)，適用于電子商務、醫(yī)藥和生鮮食品，-45℃密集儲存庫等行業(yè)。CycloneCarrier單條巷道每小時的出入庫能力高達1000箱[4]。

科納普（KNAPP）早在2002年第一個推出OSR穿梭?系統(tǒng)，配置貨到人原則的，通過軟件KiSoft SRC對OSR Shuttle?進行控制，利用節(jié)能和智能存儲策略，實現(xiàn)高性能，自動存儲和分揀。今年又推出Shuttle?Evo新車，貨架系統(tǒng)高達24米，巷道200米長[5]。

范德蘭德（VANDERLANDE）自2010年推出多層穿梭車以后，今年推出了四向雙深位的小車ADAPTO，實現(xiàn)了理論上由單臺車完成貨架區(qū)域內(nèi)全空間的存儲，將這一技術(shù)推到了一個新的高度。

日資企業(yè)的多層穿梭車系統(tǒng)，似乎沒有像大福公司的同軌道雙堆垛機伺服協(xié)同控制技術(shù)，村田的高速雙箱堆垛機系統(tǒng)那么著名，但同樣也有自己的產(chǎn)品。如：

村田（MURATEC）公司的Uni-SHUTTLE HP自動化的梭式存儲和檢索系統(tǒng)。系統(tǒng)中的穿梭車每層獨立行駛，以每秒21英尺的速度運行，可處理各種尺寸的箱子和盒，若雙側(cè)配備雙垂直升降機，可提供每小時高達1350箱的最佳存儲和檢索能力[6]。

國內(nèi)企業(yè)近年來發(fā)展的思路，是追隨國外的先進技術(shù)理念，迅速跟進。在近5年來，以貨架廠為引領(lǐng)的，大量發(fā)展托盤式穿梭板車。多層穿梭車技術(shù)，在國內(nèi)集中爆發(fā)于2015年CEMAT展會，多家廠商展出多穿車產(chǎn)品。雖然少有幾家為自己開發(fā)的產(chǎn)品，多為OEM產(chǎn)品，但已經(jīng)呈現(xiàn)群雄逐鹿的場景。同樣也說明市場的需求熱點和業(yè)界對于該項技術(shù)的認同。相比歐洲前進企業(yè)晚5年左右。這也折射出國內(nèi)外的技術(shù)差距。但龐大的市場需求，將會迅速催熟這項技術(shù)。

對于車研究，現(xiàn)在多數(shù)實現(xiàn)了雙向小車，并有部分規(guī)模應用。而四向小車依然是外企的市場。主要是受限于多車的調(diào)度算法。在系統(tǒng)的規(guī)劃方面的研究，也缺乏理論的支持，相關(guān)標準和規(guī)范急待出臺。對于小車的控制，多采用標準PLC產(chǎn)品，對車體結(jié)構(gòu)的設計，缺乏細致的核算與驗證。如系統(tǒng)的安全防范措施，維修平臺設置等，往往因為國內(nèi)要最求高貨位儲存量，而省去了這類空間或減少了防護，帶來后續(xù)的使用維護成本偏高。

對于簡單小系統(tǒng)，國內(nèi)產(chǎn)品也可以滿足用戶需求，而且價格更有優(yōu)勢。但復雜系統(tǒng)（幾十量小車的系統(tǒng)）多車的調(diào)度，國外的系統(tǒng)更加成熟，調(diào)度算法更優(yōu)。尤其是與揀選系統(tǒng)的配合，國內(nèi)仍然處于摸索階段。尤其是國內(nèi)裝備企業(yè)，IT人才的短缺，更制約了企業(yè)在這方面的發(fā)展。

5 技術(shù)發(fā)展趨勢——機器人系統(tǒng)

當前，物流裝備行業(yè)正在歷經(jīng)一場巨大的行業(yè)變革，客戶的新需求，市場的新模式，新興的市場進入者，不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)都推動著這場變革，滿足密集存儲、快速揀選的多層穿梭車系統(tǒng)就是其中熱點之一，呈現(xiàn)快速多變發(fā)展趨勢。

多層穿梭車系統(tǒng)的發(fā)展，可以從軌道小車的發(fā)展的角度折射出來，從平面到空中，再從空中回到平面，從直軌到彎道，最終脫離有形軌道，進入自由運動空間，如今的人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，支撐著該系統(tǒng)的迭代升級。 目前，國外已經(jīng)有幾家公司的產(chǎn)品，提供了前瞻的產(chǎn)品，向機器人方向發(fā)展。

5.1 彎道小車——SERVUS為代表智能機器人系統(tǒng)

軌道小車的發(fā)展，從往復式到四向小車，都沒有擺脫直線運動，而現(xiàn)實中需求更加多樣，尤其在工廠、車間和樓宇間的穿越，曲線可以節(jié)省更多的空間，帶來更加靈活的應用場景。

奧地利科技公司SERVUS Intralogistics公司開發(fā)的自動運輸機器人ARC（Autonomous Robotic Carrier），則是將小車運動軌道由直線改成了曲線。

ARC也可看成一種穿梭車，可以在一定弧度的軌道上自由運動。此舉讓小車從貨架中應用領(lǐng)域，拓寬到車間層，將物流和生產(chǎn)連接起來，并可自動完成從收貨到出貨的整個過程的物流。所有內(nèi)部物流流程（從倉庫，辦公室，生產(chǎn)，裝配或揀配到貨物發(fā)貨的收貨）都可以連接到一起。在頻率要求不高的場合可以代替連續(xù)輸送，可以在空中運輸，彌補了AGV地面輸送機的空間局限性，在工廠中不失為一個嶄新的選擇。而且成本大幅度下降。目前，已經(jīng)成功推出“Servus ARC3”承載可達50公斤，可以運輸大量產(chǎn)品和材料。

表1 國外企業(yè)的典型穿梭車產(chǎn)品列表

圖5 SERVUS公司機器人揀選[7]

5.2 軌道小車的終結(jié)發(fā)展方向——無軌

美國的OPEX公司在2015年的芝加哥物流展上推出的快速揀選系統(tǒng)-IBOT，從整體上推進了貨到人揀選技術(shù)，極大地提高了揀選的準確率，改善了操作工人的工作環(huán)境。分析其中核心設備即貨架+多層穿梭小車，只是改變了貨架結(jié)構(gòu)，將小車的軌道與立柱相結(jié)合，使得穿梭車可以垂直上下運動。而不依賴于提升機，循環(huán)往復高速運動，完成貨架中箱式貨物的存取，每小時可以循環(huán)1000次[8]。該技術(shù)，讓軌道小車由水平變成了垂直。

2017年底，法國AI機器人技術(shù)初創(chuàng)公司Exotec Solutions推出Skypod Robots訂單機器人，則是將 “機器人”軌道小車作業(yè)從高空延伸到了地面，同AGV技術(shù)相結(jié)合，使得小車能夠脫離軌道，變成“移動機器人”。

Skypod目前能將30公斤物料箱，在基于優(yōu)化算法的導航控制系統(tǒng)下，完成空中的立體存儲和水平的自由移動，實現(xiàn)在三維空間中自由移動。省去了傳統(tǒng)的提升機、箱輸送線，極大地減少了設備的投入，但活動空間卻更加靈活自由。

圖6 EXOTEC貨到人解決方案[9]

5.3 與機器手的完美結(jié)合

多層穿梭車系統(tǒng)解決了貨到人的輸送，但揀選還是由人工完成。隨著人工的成本增加，揀選系統(tǒng)必將被機器手代替，搬運與揀選的無縫銜接。因而車與機器手的協(xié)同一致，也是未來的主攻方向，視覺識別技術(shù)、機器人技術(shù)，讓揀選更加精確與方便，配合車的靈活輸送。無論在智能工廠的車間還是在配送中心的揀選系統(tǒng)中，小車與機器人的結(jié)合系統(tǒng)，都將在成為未來系統(tǒng)中的主流。

作為有軌小車的技術(shù)發(fā)展演變，已經(jīng)幾乎淋漓盡致，從水平直道，到垂直直道，到彎道，到無軌，已經(jīng)都有所涉足。要想繼續(xù)發(fā)展，恐怕只有脫開現(xiàn)有的硬件思路。也許不久的將來，就可以在空中實現(xiàn)取貨了。

6 結(jié)束語

縱觀箱式物流存儲技術(shù)的發(fā)展，作為新興技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展非常迅速，而且前景廣闊。

系統(tǒng)呈現(xiàn)如下特點：

1）可配置型產(chǎn)品化，系統(tǒng)小型化是物流儲存技術(shù)的發(fā)展趨勢。靈活而可配置。對供應商和使用者都有更多的選擇，適應快速變化的市場需求。顛覆傳統(tǒng)的非標設計的局限，更好的為客戶提供選擇。

2）設備產(chǎn)品化，簡單易換，而且數(shù)字化、網(wǎng)絡化，作為一個單體，隨時可以連入網(wǎng)絡，而可以退出網(wǎng)絡，無需要變更結(jié)構(gòu)。

3）部分裝配的可能性，可擴展和模塊化，得益于標準化的模塊化設計，各種系統(tǒng)和連接方式可以簡單而快速地實現(xiàn)，具有極高的規(guī)劃可靠性。根據(jù)客戶的要求，可以全部或部分加載系統(tǒng)。

4）整體系統(tǒng)對軟件的依賴度加大，設備簡單化，系統(tǒng)復雜化，對開發(fā)者的要求變高，對使用者的要求變低。系統(tǒng)的軟件成本加大。符合當今技術(shù)的發(fā)展規(guī)律。智能能源管理和最高性能控制，智能存儲和檢索策略以及智能路線管理功能可以優(yōu)化使用小車的路線。

在互聯(lián)網(wǎng)+時代，中國的物流倉儲裝備作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，市場年增幅保持在20%以上，是技術(shù)高速發(fā)展和資本追捧的市場，國內(nèi)外物流裝備企業(yè)雄心勃勃，紛紛加大投入，更有很多跨界的企業(yè)也紛紛進入，勢必迎來技術(shù)的充分發(fā)展。隨著人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的應用，將迎來新的一輪技術(shù)變革。