多托盤共用自動化物流系統的規劃設計
——以某汽車企業零部件配送物流為例

李成友，盧會超，李永衡，胡建法，全英玉

（昆船智能技術股份有限公司，云南 昆明 650051）

0 引言

近年來我國產業結構日益走向規?；蛯I化，隨著信息技術的大量應用、互聯網經濟的興起以及企業對成本控制要求的提升，個性化的消費訴求，使產品的需求特性變得更加小批量、多品種，包裝方式也越來越多樣化，供應鏈體系不得不快速響應市場多樣化和不確定的動態需求，力求在最短周期內為顧客提供滿意的產品。這迫使物流系統也必須做出變革，提升企業供應鏈的運行效率。

在企業的供應鏈管理中，貨物的單元化形式受運輸成本及成品保護等因素的影響。為提高流通及搬運效率，減少庫存，企業利用單元化載具循環共用的方式，提升貨物的持續補貨能力。載具存在較大的差異，不易使用單一載具的規劃設計方式，覆蓋所有貨物條件的管理需求。多托盤共用自動化物流系統，以企業現有托盤管理體系作為貨物的標準化載具，最大程度維系當前行業供應鏈的管理模式，降低了系統建設成本及應用難度，更具柔性，也具有更高的作業效率。

1 多托盤共用模式

托盤是自動化物流系統最重要的單元化載體。由于不同國家和地區的標準差異，托盤形式各異，且結構復雜，規格尺寸呈現多樣性。因此，難以采用單一的載具，適應自動化物流系統的設計要求。

以某汽車企業零部件配送物流為例，作為典型的供應鏈管理企業，供應鏈體系高度固化。載具設計以運輸和貨物保護為核心，貨物載具涉及木托盤、吸塑托盤、塑料托盤和鐵質籠框等多種類型。采用以托盤包裝單元為子托盤，加裝母托盤的方式，實現貨物單元在輸送、存儲、搬運過程中的標準化管理，但增加了托盤及設備投入，提高了系統的自動化復雜程度，容易導致后期高昂的運營維護成本。

多托盤共用自動化物流系統，通過對設備和工藝流程的特殊設計，可在不改變現有管理方式及載具形式的基礎上，實現多類型、多規格載具單元的智能化倉儲、自動化輸送以及托盤一貫化承載輸送作業。這有效地減少了供應鏈上下游環節中，由于更換托盤載具帶來的時間成本和人力成本浪費。

2 多托盤共用自動化物流系統實現方式及解決方案

某汽車企業零部件配送物流的生產管理相對復雜，工藝流程較多，供應鏈體系結構龐大。終端產品也會隨市場需求不斷調整，導致貨物的供應商直接影響企業的生產計劃。由于貨物的供應商通常是長期和相對固定的合作關系，載具也能隨供應關系循環利用（如圖1所示），從而降低貨物運輸成本，提高貨物的搬運效率。

為確保產品的質量及交付能力符合各方利益，供應商往往會加大對貨物包裝方面的投入力度，采用各式各樣的載具將貨物單元化，加快貨物的裝卸及搬運速度，縮短運輸車輛在物流節點的滯留時間，實現貨物在裝卸、搬運、儲存和運輸環節的快速運轉。與此同時，為有效地保護貨物成品，減少轉運過程中的破損，貨物的載具形式也變得更加專業化和個性化，形狀各異，大小不同。為避免單一托盤載具方案造成的空間浪費，以供應商載具作為貨物單元化載體。從多類型托盤的共線輸送，托盤自由叉孔尺寸的自動識別，堆垛機可變距貨叉的調節等多個設計維度，最終實現物流系統對多類型托盤的識別、定位及存儲等重要環節的全自動運行。

圖1 載具循環共用模式示意圖

2.1 托盤類型

根據管理貨物的統計分析，適宜倉儲的托盤尺寸為1 250mm×1 100mm，在該尺寸范圍內，大部分托盤為吸塑托盤，少部分為1 200mm×1 000mm標準木托盤或者塑料托盤。為了將該尺寸范圍內的托盤納入自動化物流系統管理范圍，實現無母托盤的倉儲模式。對吸塑托盤進行了相應的統計分析，吸塑托盤共計有29種規格，底部結構為九腳類型。

2.2 物流系統定位及檢測

結合倉儲容量、貨物出入庫的等待時間以及庫區的自動化物流系統接口等規劃功能要素，某汽車企業零部件配送物流采用多托盤共用的運行模式設計。倉儲區域為巷道堆垛機自動化立體倉庫，輸送作業采用穿梭車，完成貨物托盤在各巷道間的集中調度管理，如圖2所示。

圖2 多托盤共用自動化物流系統平面示意圖

2.2.1 出入庫站臺定位及檢測。物流系統對托盤的無差別自動運行，還需要對托盤貨物進行精準檢測。既要實現對托盤的條件性篩選，又需要完成初始段托盤的精準定位。操作人員在出入庫站臺完成托盤貨物的側邊定位，短邊寬度方向采用光電檢測傳感器定位，內側傳感器檢測不到托盤貨物時，則托盤短邊寬度尺寸低于物流系統的適用范圍。外側傳感器檢測到托盤貨物時，則托盤短邊寬度尺寸超過物流系統的適用范圍。

托盤貨物定位邊一側，安裝三維圖像識別系統（如圖3所示），對托盤的長邊長度、叉孔寬度、叉孔高度和墩腳尺寸進行測量（如圖4所示）。參數值滿足設計要求時，將托盤的長邊長度尺寸傳遞給輸送系統完成后續定位。

2.2.2 堆垛機取貨站臺及輸送設備定位。由于輸送設備的載體為板鏈式或者多排鏈式，托盤與承載鏈的摩擦力較大，托盤在堆垛機取貨位置的定位，依靠設備的輸送停位完成。輸送設備采用伺服驅動技術，在與穿梭車接駁貨物端頭安裝光電檢測傳感器。檢測到貨物時，系統利用已知的貨物中心至光電檢測傳感器檢測位的距離S，減去測量系統檢測的托盤寬度尺寸L4，則自動計算出需要輸送的行走距離S1（S1=SL4）。托盤完成定位后，上位系統調度堆垛機到達貨物取貨中心位置，并根據測量系統檢測的托盤取貨中心尺寸，調整貨叉中心距，堆垛機叉取貨物到系統指定貨位存放（如圖5所示）。

圖3 三維圖像識別系統安裝示意圖

圖4 圖像采集及參數識別示意圖

圖5 貨物托盤在取貨站臺的定位示意圖

2.3 工藝流程設計

托盤通過人工站臺上線后完成靠邊定位，出入庫站臺上的光電檢測傳感器，對托盤定位邊和托盤短邊寬度尺寸進行檢測，利用三維圖像識別系統完成定位邊的托盤輪廓尺寸檢測。剔除不能滿足運行條件的托盤貨物，報警提示由人工處理。

托盤貨物經識別檢測合格后，將貨物信息及托盤尺寸信息發送給上層信息系統。系統將托盤長邊長度尺寸分配給輸送系統，以完成后續輸送定位使用。將取貨中心間距分配給堆垛機，堆垛機按照該取貨中心尺寸完成相應的貨叉間距調整。系統同時分配存儲貨位，將取貨中心尺寸與該貨位托盤的貨物信息進行關聯，便于后續出庫使用。

穿梭車將貨物輸送至與堆垛機接口的取貨站臺，輸送設備的驅動方式為伺服驅動。在輸送過程中，托盤貨物觸發該輸送設備端頭光電檢測傳感器，輸送系統記錄托盤起點位置信息，根據預設的托盤貨物至觸發光電檢測傳感器的距離，由PLC計算出托盤貨物的輸送距離，完成托盤貨物至取貨中心位置的停位。該位置的升降臺驅動托盤貨位上升，升降臺的頂升位置為托盤孔位的6個支點。

托盤貨物在輸送設備根據堆垛機取貨中心位置完成定位后，系統調度堆垛機到達取貨位，并根據托盤叉孔中心距尺寸，調整堆垛機貨叉間距，叉取貨物后到達指定位置存儲。

2.4 輸送及搬運處理措施

根據額定載荷為1-1.5t的貨叉對搬運托盤的尺寸要求，托盤在貨叉叉取方向需具備可落地結構，且在自由叉孔高度方向尺寸不得低于120mm，寬度方向不得低于250mm（如圖6所示）。而對于九腳吸塑托盤，可在托盤的長邊或者短邊完成托盤貨物的搬運。數據分析結果顯示，托盤短邊叉孔寬度尺寸較小，僅有11種托盤滿足貨叉叉取搬運要求。而采用托盤長邊作為叉取方向，全部托盤均可滿足貨叉在該重量下的作業要求。因此，吸塑托盤采用長邊作為貨叉搬運方向，而木托盤或者塑料托盤采用短邊作為搬運方向。

圖6 堆垛機貨叉及托盤尺寸示意圖

2.4.1 搬運定位。由于托盤墩腳尺寸差異太大，每一種托盤都呈現不同的尺寸參數。托盤墩腳尺寸最小僅為38mm，最大為170mm。在長度方向最小尺寸為1 000mm，最大尺寸為1 240mm，極限偏差尺寸為240mm。若采用托盤中心的定位，叉孔值偏差尺寸120mm。顯然，采用單一的定位基準，托盤叉孔極值重疊尺寸可用空間值僅為128mm，無法滿足堆垛機貨叉的叉取要求。因此，托盤的定位方式只能選擇多基準定位方案，如圖7所示。

圖7 托盤定位基準示意圖

綜合托盤叉孔數據，中間墩腳寬度尺寸最小的吸塑托盤，貨叉中心距最小，貨叉中心距尺寸為338mm。中間墩腳寬度尺寸最大的吸塑托盤，貨叉中心距最大，貨叉中心距尺寸為603mm。貨叉的取貨中心距極限偏差值為265mm，堆垛機貨叉采用可變距貨叉，以滿足不同托盤不同取貨中心的調整需要（如圖8所示）。

圖8 堆垛機貨叉調整范圍示意圖

2.4.2 貨位設計。存放托盤涉及九腳吸塑托盤，且大部分托盤叉孔高度低于120mm，貨架采用橫梁加支撐梁的方式，以確保托盤底部均受到有效支撐。由于托盤尺寸的不確定性，同一個貨位需滿足所有托盤的存儲需求。

托盤采用中心定位原則，為確保貨叉具有最大的叉取空間，貨架的中間位置墊梁寬度參照托盤中間墩腳最小尺寸，兩邊的支撐墊梁依據托盤最大取貨中心和最小叉孔寬度值確定。因此，貨位兩側支撐墊梁間距為865mm，從安全存儲的角度設計，托盤邊緣至少50mm在支撐墊梁范圍內，托盤長邊長度尺寸不得低于965mm。托盤最小叉孔高度為85mm，墊梁高度設計為50mm，單個存儲貨位設計為5組支撐墊梁（如圖9所示）。在該尺寸范圍內，兼顧貨位存儲的安全性，共計5種托盤的墩腳在支撐墊梁位置的支撐面過小，不能滿足貨位存儲要求。

圖9 托盤存儲貨位示意圖

2.4.3 輸送定位。由于托盤墩腳尺寸變化較大，多數托盤無法采用輥筒類設備輸送。為確保托盤的平穩輸送，采用鏈式作為平行于巷道方向的輸送載體。根據前端定位要求，采用托盤側向定位，輸送設備沿托盤長邊輸送，利用托盤短邊的墩腳尺寸完成輸送鏈條布置。托盤寬度共涉及15 種類型，寬度尺寸范圍在600-1 100mm 之間，考慮輸送設備制造的經濟性，剔除部分托盤短邊寬度尺寸過小的貨物。因此，輸送設備兼容短邊寬度尺寸范圍為950-1 100mm，輸送設備的承載類型為板式或者多排鏈式結構，以提高對不同托盤墩腳的兼容性（如圖10所示）。

圖10 托盤輸送定位示意圖

2.5 載具單元規格適用范圍

通過堆垛機貨叉搬運、貨架貨位存儲、輸送設備三個維度分析，29 種托盤中共有21 種托盤符合存儲條件，自動化物流系統在一定的托盤尺寸范圍（見表1）內滿足使用要求。

2.6 方案特點

多托盤共用自動化物流系統的關鍵輸送設備均采用光電檢測及伺服控制技術，以確保托盤在堆垛機取貨中心位置完成定位。為最大程度適應更多規格和更多類型的托盤，堆垛機貨叉采用可變距調節方式，依據測量參數對貨叉中心距尺寸進行相應的調整。完成托盤尺寸測量后，輸送系統再根據測量尺寸，對托盤進行精確定位，以滿足堆垛機的叉取要求。而貨架由于存儲貨位需要兼顧不同類型的托盤，適當增加了墊梁密度，確保貨物存儲安全。該系統的工藝流程簡潔，技術較為成熟，系統性能相對穩定可靠。

表1 載具單元規格適用范圍表

此外，三維圖像識別系統可對托盤規格尺寸參數全程在線采集，無需逐一手動錄入數據或判斷托盤的受損狀況。該物流系統自動運行，無人值守。通過程序算法以及物流節點的定位控制，該物流系統還能在一定程度上適應貨物載具單元產生的規格尺寸變化，可實時響應任何貨物的尺寸更改。搭載更高層級的圖像識別技術，甚至還可完成貨物的質檢和盤點，具有良好的智能化擴展空間。但該物流系統的運行過度依賴三維圖像識別系統，關鍵輸送設備需采用伺服驅動。由于系統流量壓力，以及實施過程中的不確定性因素，為獲得更高的測量精度，該物流系統作業端增設有多個測量點，進一步提高了前端處理系統的復雜性，其軟件程序也需要二次開發，周期長，且技術難度較大。

2.7 經濟性評價

多托盤共用自動化物流系統可減少母托盤的使用，主要的成本為變距貨叉、伺服驅動、多排鏈或鏈板類設備。以該項目13 120個貨位，8個巷道為例。減少托盤投資約790萬，8臺堆垛機的貨叉成本增加16萬；輸送設備按每臺3萬估算，伺服及驅動結構的增加對比普通設備價格接近1倍，按20臺輸送設備計算，成本增加60萬。若三維圖像識別系統設備按50萬估算，不考慮其他建設成本的情況下，大約可節約近600萬投資成本，具有非常高的經濟性建設優勢。

3 結語

我國是制造業大國，也是出口大國，有著數量龐大的供應鏈型企業，配套協作管理體系互利共生而又競爭激烈，價格控制較為敏感，多托盤共用自動化物流系統在貨物轉運及運輸過程中具有非常明顯的低成本優勢。

多托盤共用自動化物流系統直接利用供應鏈產品的載具作為管理單元，系統柔性強，自動化程度高，最大程度節約了建設成本。其依靠自身載具完成對貨物的流轉、搬運及存儲，作業效率高，數據采集快速、高效，避免了貨物多次更換載具帶來的損耗風險。

多托盤共用自動化物流系統無需搭載母托盤，也無需增加母托盤處理工藝及設施。不僅使物流系統獲得了效率的提升，而且大幅度減少了初始投資費用。在存儲貨位多的使用環境下，更能凸顯其經濟性，將會成為貨物托盤實現一貫化作業的發展趨勢。