穿梭車系統(tǒng)及其應用

穿梭車系統(tǒng)是物流裝備技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)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(guān)注。特別是料箱式穿梭車系統(tǒng)作為“貨到人”技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)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(shù)提供商及知名專家，以期通過他們的經(jīng)驗分享為相關(guān)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(shù)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(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)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(shù)和充電技術(shù)的限制所致，當然，網(wǎng)絡技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展也是重要原因。

隨著電池、網(wǎng)絡等關(guān)鍵問題的逐步解決，穿梭車技術(shù)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(shù)——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(shù)的興起，其根本原因在于采用多層穿梭車等技術(shù)徹底解決了快速存取問題?？梢哉f，穿梭車技術(shù)的發(fā)展，為未來的物流技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)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(gòu)成

穿梭車系統(tǒng)的基本構(gòu)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(gòu)成如圖2所示。

其中，調(diào)度系統(tǒng)是至關(guān)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(gòu)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(gòu)成包括車體和移載機構(gòu)。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(gòu)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(guān)鍵技術(shù)及難點分析

以下關(guān)鍵技術(shù)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(shù)

最早的穿梭板小車，采用的是半自動控制方式，結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)簡單，電池技術(shù)是影響其應用的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)

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(guān)鍵原因之一。

3. 通訊和定位技術(shù)

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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(guān)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(guān)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(shù)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(guān)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(quán)重為1，對于并行系統(tǒng)，每個并行支線的權(quán)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(shù)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(shù)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(lǐng)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(guān)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(chǔ)。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(zhuǎn)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(jié)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。