我國(guó)ULD自動(dòng)裝箱打板設(shè)備發(fā)展研究

付豪

（中國(guó)民航工程咨詢有限公司，北京 100621）

1 研究背景

隨著國(guó)內(nèi)電商、跨境電商等新業(yè)態(tài)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)航空貨物中快件占比越來(lái)越高。以普貨為主的傳統(tǒng)貨運(yùn)結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊，使航空貨運(yùn)在流程、功能規(guī)劃、業(yè)務(wù)模式上都有新的變化來(lái)適應(yīng)新環(huán)境。從國(guó)家政策導(dǎo)向看，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》指出，要鼓勵(lì)物流園區(qū)、港口、機(jī)場(chǎng)、貨運(yùn)場(chǎng)站廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化等技術(shù)，推廣應(yīng)用自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)、引導(dǎo)運(yùn)輸車、智能輸送分揀和裝卸設(shè)備。民航局印發(fā)的《“十四五”航空物流發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》指出，要建設(shè)智能作業(yè)設(shè)施設(shè)備，以簡(jiǎn)化流程、縮短時(shí)間、降低成本為核心，支持智能分揀、智能裝載、建設(shè)智能作業(yè)設(shè)施設(shè)備，提升自動(dòng)化作業(yè)效率。智慧物流發(fā)展的下一個(gè)重要方向是無(wú)人化，還滯留在人工搬運(yùn)的ULD（Unit Load Device，航空集裝器）裝箱操作將會(huì)大大降低物流時(shí)間效益，而ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備將通過(guò)其對(duì)貨物重量、尺寸的測(cè)定，優(yōu)化出一批貨物在ULD 中的最佳裝箱方式，借助碼垛機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)堆垛，從而順應(yīng)無(wú)人化物流發(fā)展趨勢(shì)。

ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備是銜接自動(dòng)分揀系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)、高效的航空貨物自動(dòng)裝箱打板設(shè)備，是機(jī)器人技術(shù)在ULD 貨物裝卸中的重要應(yīng)用。受飛機(jī)貨艙尺寸和形狀的限制，為了確保貨艙有限空間的最大裝載率，需用ULD 裝載貨物。ULD 是航空貨物運(yùn)輸中用來(lái)空運(yùn)貨物的標(biāo)準(zhǔn)化集裝設(shè)備，包含多種種類和型號(hào)，主要分為航空集裝箱、集裝板與集裝網(wǎng)組合的兩大類。ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)將尺寸重量測(cè)量設(shè)備、傳送帶、碼垛機(jī)械手等設(shè)備有機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)分揀完的貨物進(jìn)行尺寸掃描、重量測(cè)定、分類暫存、堆垛模擬、自動(dòng)裝箱等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物裝箱組板操作的全自動(dòng)化運(yùn)作，從而極大地解放人力，提高ULD 的裝箱速率與空間利用率。

目前，我國(guó)ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備的發(fā)展尚處于起步階段，相關(guān)研究較少。國(guó)外ePiece 等公司將更高的速度、準(zhǔn)確性、質(zhì)量、安全性和信息透明度與更低的單位成本結(jié)合起來(lái)，利用現(xiàn)有的第三方技術(shù)和方法，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)ULD 裝箱操作的自動(dòng)化運(yùn)作。ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備設(shè)計(jì)包含四個(gè)關(guān)鍵部分：咨詢、項(xiàng)目控制、實(shí)施和變更管理。其擁有一款圖像化的3D 模擬工具，可模擬出整個(gè)操作過(guò)程中的不同場(chǎng)景，并且已開發(fā)ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備所對(duì)應(yīng)的機(jī)器人裝箱堆垛工作站。ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備的應(yīng)用將大大提高我國(guó)航空物流企業(yè)在貨物裝箱流程中的安全、經(jīng)濟(jì)、高效性能，從而成為我國(guó)航空物流企業(yè)降本增效，向智慧物流升級(jí)的重要手段。

2 ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

2.1 安全性較高，能避免人為操作造成的貨物損壞

當(dāng)今典型的貨物裝箱打板作業(yè)，是以叉車和人工搬運(yùn)相結(jié)合的方式將貨物堆垛在ULD 中。貨物經(jīng)過(guò)自動(dòng)分揀系統(tǒng)分揀后，部分重貨還需使用叉車運(yùn)輸至航空集裝箱或集裝板旁，方便操作員進(jìn)行裝箱操作。ULD 裝箱操作員需按規(guī)定步驟對(duì)貨物進(jìn)行裝箱，才能最大程度地保證貨物在堆垛過(guò)程中的安全和ULD 的安全性能。正確裝箱包括8 個(gè)步驟，分別為檢查ULD 的適用性；準(zhǔn)備ULD、清除所有雜物、采取防潮措施；首先使用基礎(chǔ)箱；一次只堆疊一行，一直堆疊到ULD 頂部；使用T 型疊裝法或砌磚層法；保持每一行的正面平整以及頂行的上面平整；使用填充貨物填充間隙；最后裝載袋裝貨物和時(shí)效性貨物，將其放在最外面幾行的頂部。

ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備自動(dòng)化程度高，其通過(guò)對(duì)碼垛機(jī)械手的應(yīng)用替代傳統(tǒng)ULD 裝箱操作員的人工搬運(yùn)。對(duì)貨物來(lái)說(shuō)，能大大降低人工裝箱搬運(yùn)時(shí)貨物的破損率；對(duì)操作員本身來(lái)說(shuō)，能大大降低操作員的傷亡率。ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備的安全性能，能大大降低在傳統(tǒng)裝箱過(guò)程中的人為因素，防止貨物損壞，避免人員傷亡。

2.2 經(jīng)濟(jì)性良好，能降低貨站裝箱打板環(huán)節(jié)的人力成本

一方面，ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備能持續(xù)運(yùn)作，減少企業(yè)對(duì)ULD 裝箱操作員的聘用，從而降低人員成本，提升網(wǎng)絡(luò)盈利率。ULD 裝箱操作員的培訓(xùn)煩瑣，需要具備常見貨運(yùn)飛機(jī)的各種類型、窄體機(jī)和寬體機(jī)最大裝載重量分別是多少、可以上載哪些ULD 板箱等知識(shí)。以深圳口岸的中外運(yùn)敦豪（DHL）為例，其會(huì)對(duì)操作員進(jìn)行每?jī)赡陱?fù)訓(xùn)一次的ULD 裝箱培訓(xùn)，主要介紹由于錯(cuò)誤操作ULD 板箱導(dǎo)致嚴(yán)重事故的真實(shí)案例，講解各種ULD 板箱的基本信息及可用性檢查，介紹特殊貨物及其裝載要求等。ULD 裝箱操作員們還需了解超尺寸貨物和空ULD 集裝板在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的固定方法，如墊板、綁帶、安全繩及蜘蛛網(wǎng)等輔助工具的計(jì)算及應(yīng)用。而這些操作、內(nèi)容都可被全自動(dòng)化的ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備所替代。碼垛機(jī)械手的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，故障率低，容易保養(yǎng)、維修。其主要構(gòu)成零件少，配件少，維持費(fèi)用很低。碼垛機(jī)械手設(shè)置在狹窄的空間即可使用，該設(shè)備的通用性強(qiáng)，通過(guò)更換機(jī)械手的抓手即可完成對(duì)不同貨物的碼垛及拆垛，相對(duì)降低了客戶的購(gòu)買成本。

另一方面，ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備通過(guò)裝箱模擬優(yōu)化，相比ULD 裝箱操作員靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的裝箱操作，能大大增加每個(gè)ULD 的空間利用率，從而節(jié)省企業(yè)對(duì)ULD 的使用數(shù)量，降低企業(yè)ULD 使用費(fèi)用，進(jìn)一步減少物流費(fèi)用。同時(shí)，為了達(dá)到單個(gè)ULD 的最大空間利用率與經(jīng)濟(jì)效益，將通過(guò)建模、模擬和可視化工具為每件貨物規(guī)劃其在ULD 中的堆垛、擺放形式，這種循序漸進(jìn)的方法確保了持續(xù)的經(jīng)濟(jì)可行性。

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，機(jī)場(chǎng)貨站的貨物中有76%的貨物重量小于300kg；13%的貨物重量介于300～600kg 之間；4%的貨物重量介于600～1000kg 之間；7%的貨物重量大于1000kg。市面上大多碼垛機(jī)械手的抓舉重量為300kg，數(shù)據(jù)中近八成的貨物重量小于300kg，在碼垛機(jī)械手的抓舉重量?jī)?nèi)，故應(yīng)用ULD 自動(dòng)裝箱設(shè)備對(duì)貨物進(jìn)行自動(dòng)堆垛操作可省下大量人力，并將大大提高ULD 裝箱效率。

2.3 時(shí)效性較優(yōu)，能夠極大提升貨物操作效率

ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備擁有機(jī)器人設(shè)備所具有的高效性。碼垛機(jī)械手的能力比人力、普通機(jī)械式碼垛的堆垛速率都要高。由仿真模擬數(shù)據(jù)可知，以三架碼垛機(jī)械手所組成的4 個(gè)ULD 裝箱臺(tái)進(jìn)行仿真模擬得出ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備的最大處理能力為每小時(shí)集裝4～16 個(gè)集裝板或8～24 個(gè)集裝箱，這是ULD裝箱操作員人工搬運(yùn)裝箱所無(wú)法企及的。ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備的高效性能確保貨物及時(shí)送達(dá)，確?？蛻糁艺\(chéng)度。通過(guò)對(duì)ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備的設(shè)計(jì)、仿真模擬，可得高達(dá)80%的集裝板與集裝網(wǎng)可以無(wú)人工操作幫助，形成全自動(dòng)化的裝箱流程；利用系統(tǒng)的處理系統(tǒng)和碼垛機(jī)械手對(duì)貨物進(jìn)行虛擬堆垛規(guī)劃能極大地提高裝箱效率與ULD 空間利用率；在整個(gè)系統(tǒng)中，高度的自動(dòng)化水平將大大降低與人相關(guān)因素的影響。

根據(jù)集裝板中貨物數(shù)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，機(jī)場(chǎng)貨站的貨物中用集裝板與集裝網(wǎng)裝載貨物時(shí)，約6%的集裝板中含有160 件以上的貨物；約37%的集裝板中含有90 件以上的貨物；約75%的集裝板中含有60 件以上的貨物；約9%的集裝板中含有小于10 件的貨物，如圖1所示。

圖1 集裝板中貨物數(shù)量占比圖

根據(jù)集裝箱中貨物數(shù)量占比的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，用AKE 或AKH 集裝箱裝載貨物時(shí)，約8%的集裝箱中含有90 件以上的貨物；約23%的集裝箱中含有60 件以上的貨物；約47%的集裝箱中含有45 件以上的貨物；約27% 的集裝箱中含有小于15 件的貨物，如圖2所示。數(shù)據(jù)顯示，大約3/4 的集裝板與集裝網(wǎng)可裝載60件以上的貨物，約1/2 的AKE 或AKH 集裝箱中可裝載45 件以上的貨物。ULD 中一定的貨物裝載數(shù)量保障，使ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備中的碼垛機(jī)械手對(duì)ULD 裝箱操作員的替代性越來(lái)越強(qiáng)。大型機(jī)場(chǎng)或航空物流公司轉(zhuǎn)運(yùn)中心的貨量越大，ULD 裝箱操作員的工作量越繁重，ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備的優(yōu)勢(shì)越凸顯。

圖2 集裝箱中貨物數(shù)量占比圖

3 ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備發(fā)展中存在的問(wèn)題

3.1 全自動(dòng)化運(yùn)作技術(shù)尚不成熟

航空物流貨物種類多樣，貨物的尺寸、重量及特性會(huì)影響裝箱操作的規(guī)則。一些過(guò)高、過(guò)大、過(guò)重的貨物無(wú)法應(yīng)用碼垛機(jī)械手裝箱，還需ULD 裝箱操作員進(jìn)行裝箱操作。高達(dá)80%的集裝板與集裝網(wǎng)能構(gòu)建成全自動(dòng)設(shè)施，意味著還有20%的集裝板由于貨物的特殊性，需要人工搬運(yùn)、裝箱。如何解決重貨、輕拋貨將成為物流企業(yè)進(jìn)一步提升物流效率，實(shí)現(xiàn)ULD裝箱全自動(dòng)化運(yùn)作的重要研究方向。

系統(tǒng)完成裝箱操作的ULD 數(shù)量不同，處理能力為每小時(shí)0～8 個(gè)ULD。說(shuō)明ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備的每小時(shí)處理能力不穩(wěn)定，受到每一時(shí)段和上一時(shí)段中每件貨物尺寸和重量及系統(tǒng)持續(xù)工作導(dǎo)致貨物接收能力下降等因素影響，遇到大型、特種、輕拋貨物還需ULD 裝箱操作員幫助進(jìn)行人工裝箱。

3.2 設(shè)備前期固定資產(chǎn)投入過(guò)高

ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)將尺寸重量測(cè)量設(shè)備、傳送帶、碼垛機(jī)械手等設(shè)備有機(jī)結(jié)合起來(lái)的。這些中大型物流設(shè)備前期投入大，投資回報(bào)期長(zhǎng)，需要有足量的貨物去處理才能將大量的固定資產(chǎn)花銷分?jǐn)傇诿恳患枰\(yùn)輸?shù)呢浳锷?，故ULD自動(dòng)裝箱打板設(shè)備只適用于我國(guó)大型的機(jī)場(chǎng)、物流企業(yè)的轉(zhuǎn)運(yùn)中心，這些地方有充足的貨物，需要這樣的高自動(dòng)化的設(shè)備降低企業(yè)整體的物流成本。固定資產(chǎn)投入過(guò)高將會(huì)在一定程度上限制ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備的市場(chǎng)擴(kuò)充。

4 ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備發(fā)展的對(duì)策建議

4.1 增加技術(shù)研發(fā)投入，完善系統(tǒng)自動(dòng)化程度

ULD 裝箱設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用，還應(yīng)不斷加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)與投入，利用新的技術(shù)手段解決重貨、輕拋貨的全自動(dòng)化裝箱問(wèn)題，完善整個(gè)ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備的自動(dòng)化程度，從而更好地順應(yīng)未來(lái)無(wú)人化物流的發(fā)展趨勢(shì)。

ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備還應(yīng)注重冷鮮貨物、高價(jià)值和高附加值貨物、危險(xiǎn)品在系統(tǒng)中的適配情況。冷鮮貨物、高價(jià)值和高附加值貨物、危險(xiǎn)品的運(yùn)輸要求不同，所對(duì)應(yīng)的運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、包裝、裝卸搬運(yùn)、流通加工、配送均與普貨也不同，系統(tǒng)還應(yīng)加強(qiáng)這些貨物在ULD 裝箱過(guò)程中的自動(dòng)化操作水平。

4.2 強(qiáng)化各個(gè)設(shè)備功能，模塊化銷售各種設(shè)備

整套的ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備價(jià)值高，一方面可考慮融資租賃的形式對(duì)有需求的機(jī)場(chǎng)、航空公司租賃整套系統(tǒng)設(shè)備。另一方面可強(qiáng)化尺寸重量測(cè)量設(shè)備、碼垛機(jī)械手等設(shè)備的模塊化功能，單獨(dú)出售各種設(shè)備，使各子設(shè)備能夠靈活搭配，適用于ULD 裝箱之外的操作，從而擴(kuò)大系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)企業(yè)的銷售市場(chǎng)，更好地服務(wù)于物流行業(yè)。碼垛機(jī)械手除了應(yīng)用于貨物搬運(yùn)、碼垛等外，還可廣泛應(yīng)用于汽車、家電、醫(yī)藥、食品飲料等不同領(lǐng)域。

4.3 加強(qiáng)信息系統(tǒng)建設(shè)，銜接好先進(jìn)物流技術(shù)

ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備作為銜接自動(dòng)分揀系統(tǒng)的設(shè)備，還應(yīng)加強(qiáng)信息系統(tǒng)的建設(shè)，使其能夠更好銜接裝卸管理系統(tǒng)、搬運(yùn)管理系統(tǒng)、貨物管理系統(tǒng)與倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)。ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備應(yīng)能兼容如RFID、貨物追蹤、AGV 傳輸、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)等先進(jìn)物流技術(shù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在信息系統(tǒng)的支持下所有物流先進(jìn)設(shè)備相互銜接、配合，達(dá)到降低所有企業(yè)物流運(yùn)輸成本的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備是實(shí)現(xiàn)我國(guó)機(jī)場(chǎng)貨站裝箱打板操作無(wú)人化轉(zhuǎn)型的重大創(chuàng)新舉措。本文針對(duì)ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備的安全性、經(jīng)濟(jì)性、時(shí)效性優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)進(jìn)行了深入探討，并針對(duì)設(shè)備發(fā)展中存在的主要問(wèn)題，提出了三方面的對(duì)策建議，以期為推動(dòng)我國(guó)ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備發(fā)展提供借鑒。此外，希望行業(yè)能夠加強(qiáng)ULD 自動(dòng)裝箱打板設(shè)備作業(yè)效率提升與投入產(chǎn)出方面的研究，從而加速設(shè)備的推廣與應(yīng)用，助推我國(guó)航空物流企業(yè)智慧化升級(jí)。