穿梭車系統(tǒng)及其應用

穿梭車系統(tǒng)是物流裝備技術的一次重大創(chuàng)新，其核心設備是穿梭車,。隨著電池,、通訊和網(wǎng)絡等關鍵技術的逐步解決，穿梭車被迅速應用于物流系統(tǒng),。穿梭車系統(tǒng)作為一種獨特的自動化物流系統(tǒng),，主要解決了貨物密集存儲與快速存取難題。根據(jù)所處理貨物單元的不同,，可以分為托盤式穿梭車系統(tǒng)和料箱式穿梭車系統(tǒng)兩大類,，其中，前者是密集存儲的有效解決方案,，后者則為拆零揀選而生,，主要用于“貨到人”揀選系統(tǒng)。

近年來,，由于國內(nèi)土地成本不斷上升,，以及電商海量品規(guī)、海量訂單對高效拆零揀選方案的需求大幅增加,，穿梭車系統(tǒng)備受企業(yè)關注,。特別是料箱式穿梭車系統(tǒng)作為“貨到人”技術的重要實現(xiàn)方式，得到了越來越多的應用,，市場規(guī)模也越來越大,。

那么，不同類型的穿梭車系統(tǒng)有何特點,？其市場需求和發(fā)展趨勢如何,？關鍵技術和實現(xiàn)難點又是什么？企業(yè)應該如何從多種穿梭車系統(tǒng)中選擇適合的解決方案,？為了更好地了解這些問題,，本專題采訪了多家穿梭車技術提供商及知名專家，以期通過他們的經(jīng)驗分享為相關企業(yè)提供參考借鑒,。

穿梭車系統(tǒng)及其應用概述

文 / 北京伍強科技有限公司總經(jīng)理 尹軍琪

穿梭車系統(tǒng)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(chuàng)新,，改變了AS/RS系統(tǒng)長期獨占市場的格局,，為未來的物流技術發(fā)展奠定了基礎和指明了方向，開辟了一片應用新天地,。

一,、穿梭車系統(tǒng)的定義,、功能及發(fā)展

穿梭車（shuttle car），顧名思義,，是物流系統(tǒng)中一種執(zhí)行往復輸送任務的小車,，其基本功能是在物流系統(tǒng)中（平面內(nèi)）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(chǎn)物流系統(tǒng)。

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(yè)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(fā)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(xiàn)在也不過20年歷史，而四向車的應用則是最近10年以內(nèi)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(wǎng)絡技術和通訊技術的發(fā)展也是重要原因,。

隨著電池、網(wǎng)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(tǒng),。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(yè),。

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(tǒng),，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,?？梢哉f,，穿梭車技術的發(fā)展,，為未來的物流技術發(fā)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(tǒng)的基本構成

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

其中,，調(diào)度系統(tǒng)是至關重要的子系統(tǒng)之一,，有些功能是之前其他物流系統(tǒng)所沒有的。

托盤式穿梭車系統(tǒng)主要用于密集存儲,，其收貨系統(tǒng)中主要包括輸送機（包括提升機）,；儲存系統(tǒng)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(fā)貨系統(tǒng)包括輸送機及揀選系統(tǒng)等,。有些系統(tǒng)比較簡單,，如穿梭板可以自行構成系統(tǒng)，有些系統(tǒng)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(tǒng)主要用于“貨到人”揀選系統(tǒng)，其收貨系統(tǒng)包括收貨換箱工作站和收貨輸送系統(tǒng),；儲存系統(tǒng)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(fā)貨系統(tǒng)則包括揀選工作站、包裝工作站和輸送系統(tǒng)等,，根據(jù)實際應用不同,，有些系統(tǒng)會更簡單或復雜一些。

穿梭車是系統(tǒng)的核心產(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(yè)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(yè)，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(tǒng)的關鍵技術及難點分析

以下關鍵技術的發(fā)展深刻影響著穿梭車系統(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)以后價格下降，穿梭板小車才得以廣泛應用,。

2. 電量監(jiān)測技術

在早期,，一個很大的困難是小車的電量監(jiān)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(fā)生,。如果不能有效地監(jiān)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(tǒng)和大型系統(tǒng)無法應用,，這也是穿梭車系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的路線設計是非常困難的，越大的系統(tǒng),，調(diào)度系統(tǒng)難度越大,；此外，由于增加了橫向和縱向的軌道,，系統(tǒng)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(guī)模使用,。

多層穿梭車的發(fā)明解決了“貨到人”揀選系統(tǒng)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(jīng)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(yè)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(xiàn)在的快速充電裝置可以在數(shù)秒之內(nèi)充電并滿足小車幾分鐘的作業(yè)要求,，這樣，小車完全可以實現(xiàn)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(xiàn)在已經(jīng)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,。

伍強科技在 2016 CeMAT ASIA 上展示的多層穿梭車解決方案

四向箱式穿梭車的難度主要在于控制和調(diào)度系統(tǒng),，訂單管理與路線優(yōu)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(tǒng),，如何調(diào)度才能高效作業(yè)是一個非常大的挑戰(zhàn)。很多系統(tǒng)的能力受到限制主要是由于小車的不合理調(diào)度造成的,。此外,，穿梭車的軌道要求很嚴，一般的貨架生產(chǎn)工藝不能滿足要求,。國內(nèi)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(xiàn)在的總體情況是：電池技術有了質(zhì)的飛躍,，貨叉也有成熟的產(chǎn)品,，但控制系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)卻沒有可以現(xiàn)成采購的，使得大型物流場景全面應用穿梭車系統(tǒng)還面臨很大難度,。

四,、選擇與評價穿梭車系統(tǒng)

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

1.出入庫作業(yè)能力

出入庫作業(yè)能力是衡量穿梭車系統(tǒng)的重要指標,。包括輸送系統(tǒng)、提升機,、穿梭車,、堆垛機等所有關聯(lián)系統(tǒng)或設備的作業(yè)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(tǒng)的設計也提出了很大挑戰(zhàn),。

2. 存儲能力

儲存能力基本是一個靜態(tài)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(tǒng)對儲存指標要求比較高,，但拆零揀選系統(tǒng)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,。

3. 軟件系統(tǒng)

對于箱式穿梭車系統(tǒng)來說,，其難點在于軟件系統(tǒng)，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(tǒng)的關鍵內(nèi)容,。而對于托盤式穿梭車來說,，四向車的控制系統(tǒng)是難點，密集庫的管理與作業(yè)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(tǒng)的可靠性。其計算公式是：

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

具體應用到穿梭車系統(tǒng),，可以將系統(tǒng)分為若干部分,，對于串行系統(tǒng)，每部分的權重為1,，對于并行系統(tǒng),，每個并行支線的權重為1/n（n為并行子系統(tǒng)的數(shù)量）。系統(tǒng)的可用時間是指系統(tǒng)總時間扣除故障恢復時間所剩余的時間,。FEM規(guī)定,，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的可靠性評價卻并不適用,。其理由是物流系統(tǒng)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(fā)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(chuàng)新，它甚至改變了AS/RS系統(tǒng)長期以來獨占市場的格局,，所以一經(jīng)推出便廣受用戶歡迎,。對于未來的發(fā)展趨勢，行業(yè)內(nèi)多數(shù)專家都表現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)，其發(fā)展軌跡一直圍繞著密集存儲進行,。與傳統(tǒng)的AS/RS系統(tǒng)相比,，根據(jù)方案不同，其存儲密度會提高30%～50%不等,，而且最大的優(yōu)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(yōu)勢,。雖然AS/RS系統(tǒng)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(yōu)勢相去甚遠,。

密集存儲系統(tǒng)的應用場景非常多,，如煙草原料和成品、食品飲料,、工業(yè)制造等行業(yè),，尤其在冷鏈物流領域有很大的用武之地。傳統(tǒng)的冷庫不僅空間利用率低,，而且作業(yè)環(huán)境非常惡劣,，托盤式穿梭車的發(fā)明大幅度提升了存儲密度，也改善了作業(yè)環(huán)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(tǒng)對貨架要求比較高,，增加了系統(tǒng)的成本，為需要快速入出作業(yè)的系統(tǒng)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(yè)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(xiàn)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(tǒng)的閣樓式貨架比較，穿梭車系統(tǒng)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(yōu)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(yōu)勢,。

過去幾年來，智能物流成為行業(yè)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(xiàn)大規(guī)模定制化生產(chǎn)的基礎。所謂大規(guī)模定制化生產(chǎn),，簡單來說就是要將以前的“千人一面”市場需求轉變?yōu)闈M足“千人千面”的個性化需求,。從這個意義上講，生產(chǎn)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(tài)；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(fā)展趨勢,，往往樂觀地認為未來物流中心規(guī)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(zhì)的極大豐富,，現(xiàn)在的物流中心,，規(guī)模變得越來越龐大,，品規(guī)數(shù)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(guī)模定制化系統(tǒng)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(nèi)使之成為現(xiàn)實,?？梢灶A見的是，穿梭車系統(tǒng)的應用將越來越廣泛，規(guī)模也將越來越大,，其前景不可限量,。