論多層穿梭車系統的技術發展

陳滌新

（北京市自動化物流裝備工程技術研究中心，北京 100007）

0 引言

十三五期間國家的戰略新興產業之一，物流倉儲裝備產業，近年來發展的如火如荼。技術活躍、供需旺盛、資本集聚。新技術、新產品、新方法、新模式，不斷涌現，呈現百家爭鳴的繁榮景象。

近來，人們消費習慣的發生了改變，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。在工業領域，伴隨著傳統工業的轉型升級，智能制造的快速推進，生產物流需求也大幅增加。急劇擴大的物流需求，給物流裝備企業帶來了新的發展空間。多層穿梭車系統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、新產品，眾多的主流物流裝備供應商都參與其中，技術發展迅猛，是在新需要下，對傳統的自動化立體倉庫系統應用領域補充和拓展。

1 技術的起源

傳統的自動化立體倉庫，產生于60～70年代，是第二次工業革命的產物，滿足大批量生產的需求，解決集約化生產任務，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，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，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，每次的作業循環，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，巷道口連續輸送。近年來，一種新的模式——多層穿梭車系統逐步走入人們的視野，能夠高度滿足當前的需求。系統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的工作制，水平方向上的運行，都變成了系統內部的時間，大大提高了系統的出入能力。再有可以在同一通道使用多臺穿梭車，因此此種系統的處理能力比傳統的處理能力高出許多倍。是滿足縮短生產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示意圖

2 系統組成

多層穿梭車系統，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。并配有設備調度系統及物料管理系統，可同ERP、SAP等上位系統連接，實現高密度存儲，高效分揀。系統可以按照根據用戶需求的儲存量、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 系統布局方式

2.1 以雙向小車為核心的系統

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，繼續存取作業，即實現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

小車可以在同層，通過特殊的軌道（俗稱轉彎板），實現90度平移，實現兩個巷道間的移動，而貨物從貨格中取出以后，要通過提升機才能轉運到平面輸送，到揀選臺。或是也可將貨物與車一同通過提升機，換入另外一個層面。理論上講，只有一臺車，可以實現整個貨架內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，非常方便而經濟。

2.3 以垂直軌道小車為核心的系統

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到輸送機、揀選臺，省去提升機中間環節，非常直接高效。揀選臺與相應的通道對應。

需求不同，系統的組成方式不同，內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；揀選臺通常可以按照1:1、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，適用于生產制造、電子商務、醫藥、食品、電力電氣、家電五金等等多種行業，應用面非常廣。

3 核心設備的技術特點

多層穿梭車系統的配置，是基于大量的仿真驗算和經驗數據，建立在科學的數據分析基礎之上，使得用戶投資成本與產出比最佳。

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保障。

3.2 形式多樣的多層穿梭車

多層穿梭車的結構形式，多種多樣，但車體的結構則需要經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、移動監測、寬度調節等問題，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節機構，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產品。也可用鋰電池、超級電容供電。

從滑導線發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補充。特殊低溫環境的應用，更要克服鋰電池和電容對低溫環境的極限，延長使用壽命。

3.2.3 控制方式

車的大小直接影響到系統布局，因而多層穿梭車內的布置，都盡可能密集緊湊，留給控制系統的空間盡可能小，通常采用緊湊的直流驅動系統來實現。控制器采用可編程程控制器PLC或更節省空間的專業控制板。

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絡同監控系統實現雙向數據傳輸，以實現小車的實時控制和動態調度。多采用定向天線，以避免網格狀金屬網絡對信號的屏蔽問題。

3.3 提升機

多層穿梭車系統中的提升機，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，提升速度是系統的瓶頸，因而提升機控制多采用伺服控制系統，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，安全性和穩定性方面要求更高，毫米級的精確定位確保保持車平穩出入，輔助相應的安全聯鎖裝置。

3.4 調度系統

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

簡單的系統很難區分高低，只有和訂單系統結合在一起，誰的系統設備少，投資低，產出高，就體現出來了。而這是需要大量的工程經驗與運算，對用戶業務的了解，才能達到最優，也是該系統的核心所在。

3.5 人機交互揀選臺

圖4 信息系統框圖

存儲系統中的貨物，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。可以有一對一，也可以是一對二，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 國內外的技術發展情況

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

多層穿梭車系統迅速發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、控制系統相結合形成RapidPcik?系統，可每小時完成1400次揀選[1]。已經得到廣泛應用。

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。可以雙深位存取，為客戶提供全自動倉儲周轉箱和紙箱的解決方案，貨架系統可靈活擴展最多達40層，100米長[2]。而今年則推出了Flexi小車系統，為用戶提供自動存儲、緩沖、集成、排序的高度動態的解決方案。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，適用于電子商務、醫藥和生鮮食品，-45℃密集儲存庫等行業。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，配置貨到人原則的，通過軟件KiSoft SRC對OSR Shuttle?進行控制，利用節能和智能存儲策略，實現高性能，自動存儲和分揀。今年又推出Shuttle?Evo新車，貨架系統高達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，實現了理論上由單臺車完成貨架區域內全空間的存儲，將這一技術推到了一個新的高度。

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

村田（MURATEC）公司的Uni-SHUTTLE HP自動化的梭式存儲和檢索系統。系統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]。

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

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

對于簡單小系統，國內產品也可以滿足用戶需求，而且價格更有優勢。但復雜系統（幾十量小車的系統）多車的調度，國外的系統更加成熟，調度算法更優。尤其是與揀選系統的配合，國內仍然處于摸索階段。尤其是國內裝備企業，IT人才的短缺，更制約了企業在這方面的發展。

5 技術發展趨勢——機器人系統

當前，物流裝備行業正在歷經一場巨大的行業變革，客戶的新需求，市場的新模式，新興的市場進入者，不斷涌現的新技術都推動著這場變革，滿足密集存儲、快速揀選的多層穿梭車系統就是其中熱點之一，呈現快速多變發展趨勢。

多層穿梭車系統的發展，可以從軌道小車的發展的角度折射出來，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、大數據、物聯網等新技術，支撐著該系統的迭代升級。 目前，國外已經有幾家公司的產品，提供了前瞻的產品，向機器人方向發展。

5.1 彎道小車——SERVUS為代表智能機器人系統

軌道小車的發展，從往復式到四向小車，都沒有擺脫直線運動，而現實中需求更加多樣，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域，拓寬到車間層，將物流和生產連接起來，并可自動完成從收貨到出貨的整個過程的物流。所有內部物流流程（從倉庫，辦公室，生產，裝配或揀配到貨物發貨的收貨）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，已經成功推出“Servus ARC3”承載可達50公斤，可以運輸大量產品和材料。

表1 國外企業的典型穿梭車產品列表

圖5 SERVUS公司機器人揀選[7]

5.2 軌道小車的終結發展方向——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-IBOT，從整體上推進了貨到人揀選技術，極大地提高了揀選的準確率，改善了操作工人的工作環境。分析其中核心設備即貨架+多層穿梭小車，只是改變了貨架結構，將小車的軌道與立柱相結合，使得穿梭車可以垂直上下運動。而不依賴于提升機，循環往復高速運動，完成貨架中箱式貨物的存取，每小時可以循環1000次[8]。該技術，讓軌道小車由水平變成了垂直。

2017年底，法國AI機器人技術初創公司Exotec Solutions推出Skypod Robots訂單機器人，則是將 “機器人”軌道小車作業從高空延伸到了地面，同AGV技術相結合，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，在基于優化算法的導航控制系統下，完成空中的立體存儲和水平的自由移動，實現在三維空間中自由移動。省去了傳統的提升機、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 與機器手的完美結合

多層穿梭車系統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同一致，也是未來的主攻方向，視覺識別技術、機器人技術，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中，小車與機器人的結合系統，都將在成為未來系統中的主流。

作為有軌小車的技術發展演變，已經幾乎淋漓盡致，從水平直道，到垂直直道，到彎道，到無軌，已經都有所涉足。要想繼續發展，恐怕只有脫開現有的硬件思路。也許不久的將來，就可以在空中實現取貨了。

6 結束語

縱觀箱式物流存儲技術的發展，作為新興技術的發展，發展非常迅速，而且前景廣闊。

系統呈現如下特點：

1）可配置型產品化，系統小型化是物流儲存技術的發展趨勢。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。顛覆傳統的非標設計的局限，更好的為客戶提供選擇。

2）設備產品化，簡單易換，而且數字化、網絡化，作為一個單體，隨時可以連入網絡，而可以退出網絡，無需要變更結構。

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，各種系統和連接方式可以簡單而快速地實現，具有極高的規劃可靠性。根據客戶的要求，可以全部或部分加載系統。

4）整體系統對軟件的依賴度加大，設備簡單化，系統復雜化，對開發者的要求變高，對使用者的要求變低。系統的軟件成本加大。符合當今技術的發展規律。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化使用小車的路線。

在互聯網+時代，中國的物流倉儲裝備作為戰略新興產業，市場年增幅保持在20%以上，是技術高速發展和資本追捧的市場，國內外物流裝備企業雄心勃勃，紛紛加大投入，更有很多跨界的企業也紛紛進入，勢必迎來技術的充分發展。隨著人工智能、工業互聯網、大數據等新興技術的應用，將迎來新的一輪技術變革。