穿梭車系統及其應用概述

尹軍琪/文

穿梭車系統及其應用概述

尹軍琪/文

穿梭車系統解決了兩大問題：其一是密集存儲問題；其二是快速存取問題。它是物流裝備技術的一次重大創新，改變了AS/RS系統長期獨占市場的格局，為未來的物流技術發展奠定了基礎和指明了方向，開辟了一片應用新天地。

尹軍琪北京伍強科技有限公司總經理

一、穿梭車系統的定義、功能及發展

穿梭車（shuttle car），顧名思義，是物流系統中一種執行往復輸送任務的小車，其基本功能是在物流系統中（平面內）通過軌道上的往復運動完成貨物單元（主要是托盤和料箱）的輸送。

穿梭車有別于提升機（垂直輸送）、AGV（自動導向、無軌道）以及堆垛機（托盤式AS/RS與箱式miniload，三維輸送），由于其靈活性，廣泛應用于物流配送中心和生產物流系統。

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，按照其作業場地不同，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，只是因為應用較少，或種類太多，在這里沒有一一列出。

此外，從載荷及存儲形式看，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。

相對于輸送型穿梭車超過50年的發展歷史，存取型穿梭車的歷史要短得多。最早的穿梭板和子母車應用到現在也不過20年歷史，而四向車的應用則是最近10年以內的事情。究其原因，可能主要是電池技術和充電技術的限制所致，當然，網絡技術和通訊技術的發展也是重要原因。

隨著電池、網絡等關鍵問題的逐步解決，穿梭車技術被迅速應用于物流系統。在我國，最早的穿梭板應用可以追溯到2010年前，基本采用半自動方式，由叉車進行換巷道和換層作業。

穿梭車的巨大作用是解決了兩大問題：其一是密集存儲問題，采用穿梭車系統，可以大幅度提升存儲密度，這是以前很多技術——如雙深度堆垛機——所無法比擬的；其二是快速存取問題，其實，目前火熱的“貨到人”揀選技術的興起，其根本原因在于采用多層穿梭車等技術徹底解決了快速存取問題。可以說，穿梭車技術的發展，為未來的物流技術發展奠定了基礎和指明了方向，并且開辟了一片新天地。

二、穿梭車系統的基本構成

穿梭車系統的基本構成多種多樣，作為一個獨特的物流系統，它與普通的物流自動化系統有許多相似之處，但也有很大不同。一般情況下其系統構成如圖2所示。

其中，調度系統是至關重要的子系統之一，有些功能是之前其他物流系統所沒有的。

托盤式穿梭車系統主要用于密集存儲，其收貨系統中主要包括輸送機（包括提升機）；儲存系統則包括貨架、穿梭車、提升機等，有些也采用堆垛機（AS/RS）完成穿梭車的換層；發貨系統包括輸送機及揀選系統等。有些系統比較簡單，如穿梭板可以自行構成系統，有些系統則比較復雜，如采用機器人完成入庫碼垛和出庫拆垛等。

箱式穿梭車系統主要用于“貨到人”揀選系統，其收貨系統包括收貨換箱工作站和收貨輸送系統；儲存系統包括貨架及軌道、穿梭車（包括多層穿梭車、子母車、四向穿梭車等）、提升機等；發貨系統則包括揀選工作站、包裝工作站和輸送系統等，根據實際應用不同，有些系統會更簡單或復雜一些。

穿梭車是系統的核心產品，其本身構成包括車體和移載機構。其中，多層穿梭車只能完成往復運動，有的可以依靠提升機完成換層；四向穿梭車可以完成平面內的x方向和y方向的運動，換層則通過提升機完成；還有一種子母車，母車完成巷道內x方向的運動，子車可以完成y方向的運動。移載機構有很多種形式，其中夾抱式貨叉應用比較多。穿梭車采用電池供電，為滿足作業需要，要求一次完全充電能夠滿足6個小時以上的正常作業，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，如在提升機上充電就是一種快速充電的方式。

三、穿梭車系統的關鍵技術及難點分析

以下關鍵技術的發展深刻影響著穿梭車系統的市場應用。

1. 電池技術

最早的穿梭板小車，采用的是半自動控制方式，結構和系統簡單，電池技術是影響其應用的關鍵技術之一。每次完全充電能滿足的工作時間成為穿梭板的一個瓶頸。而高性能的電池價格昂貴，使得穿梭板小車的應用非常有限。隨著電池性能的不斷提高，量產以后價格下降，穿梭板小車才得以廣泛應用。

2. 電量監測技術

圖1 ：穿梭車的基本分類（注：箱式輸送型應用極少）

圖2 ：穿梭車系統構成

在早期，一個很大的困難是小車的電量監測，設想一下小車突然沒有電時怎么辦？而這種情況確實每天都在發生。如果不能有效地監測到小車的電量，問題就無法解決。這一問題會造成全自動的系統和大型系統無法應用，這也是穿梭車系統遲遲不能推廣應用的關鍵原因之一。

3. 通訊和定位技術

早期的穿梭板由于通訊問題導致定位不準確，進而出現大量空位情況，而設備通訊故障頻繁導致維護很困難，也在很大程度上影響其使用。

4.不同類型穿梭車系統的技術難點

托盤式四向車為立體儲存提供了新的解決方案，是對立體庫存儲技術的重大突破，傳統以AS/RS為主的立體存儲設計思想因此受到了很大沖擊。然而，四向車系統的路線設計是非常困難的，越大的系統，調度系統難度越大；此外，由于增加了橫向和縱向的軌道，系統交通管制也是一個非常大的問題，這些問題不解決好，也將無法大規模使用。

多層穿梭車的發明解決了“貨到人”揀選系統中長期困擾人們的存取速度問題。在此前，盡管miniload堆垛機的速度已經提高到驚人的350m/min，但存取效率還是局限在每臺小車每小時作業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題，現在的快速充電裝置可以在數秒之內充電并滿足小車幾分鐘的作業要求，這樣，小車完全可以實現24小時不間斷工作，這是一個重大的技術突破。此外，多層穿梭車的貨叉設計也是重點。隨著市場分工越來越精細，現在已經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度系統，訂單管理與路線優化算法非常復雜，控制更加困難。設想一個具有500輛小車的系統，如何調度才能高效作業是一個非常大的挑戰。很多系統的能力受到限制主要是由于小車的不合理調度造成的。此外，穿梭車的軌道要求很嚴，一般的貨架生產工藝不能滿足要求。國內能夠提供四向車軌道的廠家少之又少，這也為應用設置了障礙。

現在的總體情況是：電池技術有了質的飛躍，貨叉也有成熟的產品，但控制系統和調度系統卻沒有可以現成采購的，使得大型物流場景全面應用穿梭車系統還面臨很大難度。

四、選擇與評價穿梭車系統

對設計和使用者來說，如何選擇和評價穿梭車系統非常關鍵。主要應該注意以下幾個方面：

1. 出入庫作業能力

出入庫作業能力是衡量穿梭車系統的重要指標。包括輸送系統、提升機、穿梭車、堆垛機等所有關聯系統或設備的作業能力的匹配，以及揀選工作站的能力等。在實際設計中，要求一個拆零揀選工作站達到600行以上的揀選能力是非常普遍的情況，這對工作站、輸送系統的設計也提出了很大挑戰。

2. 存儲能力

儲存能力基本是一個靜態指標。不同的設備和技術所能夠達到的儲存能力是不一樣的。一般情況下，儲存能力越高越好。密集庫系統對儲存指標要求比較高，但拆零揀選系統卻并不特別追求這一點。要注意儲存能力和存取能力的一致性，有時過分追求單一指標是沒有意義的。

伍強科技在2016 CeMAT ASIA上展示的多層穿梭車解決方案

www.edit56.com

3. 軟件系統

對于箱式穿梭車系統來說，其難點在于軟件系統，如何快速高效地響應訂單的揀選要求，是考驗一個穿梭車系統的關鍵內容。而對于托盤式穿梭車來說，四向車的控制系統是難點，密集庫的管理與作業流程設計與普通倉庫也大不一樣。

4. 可靠性指標

沒有什么比可靠性指標更重要的了。什么是可靠性指標？很多人不是很明白；在FEM標準中，有一個可用度指標可以用來描述系統的可靠性。其計算公式是：

系統的可用度S=（系統的可用時間T1/系統運行的總時間T0）*100% （1）

具體應用到穿梭車系統，可以將系統分為若干部分，對于串行系統，每部分的權重為1，對于并行系統，每個并行支線的權重為1/n（n為并行子系統的數量）。系統的可用時間是指系統總時間扣除故障恢復時間所剩余的時間。FEM規定，系統的可用度大于97%才能正式上線運行。

此外，還有一個指標叫做平均無故障時間MTBF（Mean time between failure），其單位為小時。MTBF越大，系統越可靠。這一指標對于單一設備的評價非常適用，但用于對物流系統的可靠性評價卻并不適用。其理由是物流系統非常復雜，存在很多“部分可用”的情況，無法用這一指標來評估。

五、市場需求及發展趨勢

穿梭車的誕生，為密集存儲和快速拆零揀選提供了十分有效的解決方案，是物流裝備技術的一次重大創新，它甚至改變了AS/RS系統長期以來獨占市場的格局，所以一經推出便廣受用戶歡迎。對于未來的發展趨勢，行業內多數專家都表現出極大的樂觀。

1. 托盤穿梭車

托盤式穿梭車的應用，徹底改變了密集存儲系統的概念，甚至可以說是一種顛覆。從簡單的穿梭板應用，到子母車，再到四向車系統，其發展軌跡一直圍繞著密集存儲進行。與傳統的AS/ RS系統相比，根據方案不同，其存儲密度會提高30%～50%不等，而且最大的優勢是：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所無法比擬的優勢。雖然AS/ RS系統也有雙深度存儲技術以增加存儲密度，但無論存儲密度還是對空間的要求，都與穿梭車優勢相去甚遠。

密集存儲系統的應用場景非常多，如煙草原料和成品、食品飲料、工業制造等行業，尤其在冷鏈物流領域有很大的用武之地。傳統的冷庫不僅空間利用率低，而且作業環境非常惡劣，托盤式穿梭車的發明大幅度提升了存儲密度，也改善了作業環境，可謂一舉多得，市場前景非常廣闊。目前存在的問題是，由于穿梭車系統對貨架要求比較高，增加了系統的成本，為需要快速入出作業的系統帶來了成本壓力。

2. 箱式穿梭車

如果說托盤式穿梭車是為密集存儲而生，箱式穿梭車則完全是為拆零揀選而生，一個巷道可以達到每小時1000余次的揀選作業量，這在以前是無法想象的。

箱式穿梭車在拆零揀選方面的應用更為廣闊，可以適應于多種現場情況，這是與miniload不同的地方；此外，miniload的存取能力受到限制，無法滿足“貨到人”揀選的需求。與傳統的閣樓式貨架比較，穿梭車系統存儲效率更高，揀選更為準確，對人的需求也大幅度降低，這是其具有巨大優勢的幾個方面。當然，成本是其劣勢之一。但隨著人工成本的不斷增加，這一點很快會達到平衡，并顯示出優勢。

過去幾年來，智能物流成為行業最亮眼的明星。人們暢想的智能物流到底是什么？其中最關鍵的共識是：智能物流是實現大規模定制化生產的基礎。所謂大規模定制化生產，簡單來說就是要將以前的“千人一面”市場需求轉變為滿足“千人千面”的個性化需求。從這個意義上講，生產物料需要拆零，配送也需要拆零，拆零揀選將是未來的主要揀選形態；由此可見箱式穿梭車的價值所在。

六、結語

多年前，人們預測物流未來的發展趨勢，往往樂觀地認為未來物流中心規模將越來越小，理想甚至是庫存等于0為標志的JIT模式。但是事與愿違，隨著社會物質的極大豐富，現在的物流中心，規模變得越來越龐大，品規數變得越來越多，訂單越來越細，拆零比例越來越高，揀選和配送速度變得越來越快，這正是一個大規模定制化系統的真實反映。B2C電子商務的興起，很好地詮釋了這一變化趨勢的客觀需求，并在很短的時間內使之成為現實。可以預見的是，穿梭車系統的應用將越來越廣泛，規模也將越來越大，其前景不可限量。