文 / 尹軍琪

北京伍強(qiáng)智能科技有限公司

“托盤四向穿梭車系統(tǒng)具有諸多突出優(yōu)點(diǎn)，是對AS/RS系統(tǒng)的最佳補(bǔ)充。本文首先介紹了托盤四向穿梭車系統(tǒng)的組成設(shè)備及其核心技術(shù)，并圍繞系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)評價指標(biāo)、影響系統(tǒng)運(yùn)行效果的因素等重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行了分析，可供業(yè)內(nèi)人士學(xué)習(xí)參考。”

一、概述

托盤四向穿梭車（4-ways shuttle of pallet）是近10年發(fā)展起來的物流新技術(shù)，其創(chuàng)意來源于穿梭板（shuttle board）和子母車（satellite car），現(xiàn)在已經(jīng)成為一項(xiàng)被廣為接受的物流技術(shù)。

托盤四向穿梭車具有許多優(yōu)點(diǎn)，如特別適合于老舊倉庫的改造，無論倉庫高低如何，還是形狀多么怪異（平面形狀曲折多樣、空間高度變化等），四向穿梭車都能適應(yīng)，因此廣受歡迎。又如，四向穿梭車具有很好的柔性，既可以適應(yīng)出入庫頻率很高的場合，也適合于出入庫頻率很低的場合，可以說這一項(xiàng)技術(shù)是對AS/RS系統(tǒng)的最佳補(bǔ)充。此外，四向穿梭車系統(tǒng)具有很好的密集存儲能力，比傳統(tǒng)的AS/RS要好很多，又加之其特別適用于庫房空間較低的場景（一般小于15米，AS/RS并不合適），因此在冷鏈系統(tǒng)中頗受歡迎。

當(dāng)然，四向穿梭車也并非完美無缺。由于要增加軌道的緣故，所以系統(tǒng)成本相對來說要高一些，這是其柔性和適應(yīng)性無法彌補(bǔ)的，規(guī)模越大的倉庫越是如此。此外，大型的四向穿梭車庫，其調(diào)度是比較困難的，這給很多企業(yè)提高了技術(shù)門檻，并進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的成本。

四向穿梭車技術(shù)為物流倉儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種新選擇，并且在特定情況下成為首選，這是其意義所在。本文將初步探討四向穿梭車系統(tǒng)建設(shè)的要點(diǎn)，以及在設(shè)計(jì)中要注意的事項(xiàng)。

托盤四向穿梭車庫案例

二、系統(tǒng)組成與核心技術(shù)

一個典型的四向穿梭車系統(tǒng)，主要包括貨架、穿梭車、提升機(jī)、輸送機(jī)以及軟件系統(tǒng)等，當(dāng)然還包括一些輔助設(shè)施，如維修平臺和設(shè)備等。

1.貨架

貨架是托盤四向車系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。一方面，與傳統(tǒng)橫梁式貨架不同，四向車系統(tǒng)的貨架在結(jié)構(gòu)上增加了供穿梭車行走的軌道，這是一個根本性變化。另一方面，其對貨架剛度和精度的要求大幅度提升。因此，貨架的加工難度和安裝難度大大提升。這種精度的提升，對貨架生產(chǎn)制造也提出更高要求，傳統(tǒng)的軋機(jī)已經(jīng)難以滿足要求，全自動沖孔和軋制技術(shù)已成為必要條件，目前一條進(jìn)口的全自動軋機(jī)線動輒超過1000萬元，是許多貨架企業(yè)難以承受的。此外，由于噴涂工藝的誤差較大，貨架采用鍍鋅板材料成為趨勢。目前，國內(nèi)只有為數(shù)不多的幾家企業(yè)具備生產(chǎn)能力。

2.托盤四向穿梭車

托盤四向穿梭車一般采用兩套輪系：其中一套負(fù)責(zé)X方向的運(yùn)行，另一套負(fù)責(zé)Y方向的運(yùn)行。在轉(zhuǎn)向環(huán)節(jié)，通過交換輪系（高差）完成轉(zhuǎn)向，托盤本身并不轉(zhuǎn)向（目前也有單位在開發(fā)可轉(zhuǎn)向的穿梭車，但還沒有應(yīng)用案例，而且前景并不看好）。穿梭車取放貨均采用頂升機(jī)構(gòu)完成。在取貨時，穿梭車進(jìn)入托盤底下，對準(zhǔn)后起升機(jī)構(gòu)升起，將托盤頂起，底部離開貨架L型梁或輸送機(jī)鏈條表面，這時穿梭車和托盤就可以脫離貨架運(yùn)行；在放貨環(huán)節(jié)，穿梭車將托盤搬運(yùn)到指定貨位后，對準(zhǔn)后起升機(jī)構(gòu)下降，托盤就會被放置在L型梁或輸送機(jī)上，這樣穿梭車就完成了一次放貨作業(yè)。這是四向穿梭車的基本原理。

托盤四向穿梭車

對托盤四向穿梭車來說，定位技術(shù)和無線通訊技術(shù)的可靠性是其關(guān)鍵技術(shù)；電池的選擇和充電管理也很重要，電池技術(shù)甚至是影響四向穿梭車發(fā)展的主要因素；此外，在一個區(qū)域同時運(yùn)行多輛穿梭車時，車的避讓技術(shù)是影響系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。這些都是選擇穿梭車的重要參考指標(biāo)。

穿梭車的控制可以采用PLC或集成電路板，集成電路板具有價格優(yōu)勢，因此被越來越多的企業(yè)所采用。

3.提升機(jī)

提升機(jī)位于立體庫的兩端，其作用有兩個：一是將托盤從入庫層送到目的地層，二是完成穿梭車換層。很多情況下，穿梭車需要換層。

提升機(jī)之所以重要，是因?yàn)樗怯绊懴到y(tǒng)效率的瓶頸之一。在一個相對較大的系統(tǒng)中，提升機(jī)、穿梭車的數(shù)量匹配是一個頗有難度的問題。這一問題除與其自身參數(shù)（如加速度、速度、移載時間等）有關(guān)，還與系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)和策略有關(guān)。如，如果每次作業(yè)都是穿梭車帶托盤完成升降作業(yè)（每次穿梭車都帶貨換層），其與穿梭車不換層作業(yè)則有很大差異。這些都不能通過簡單計(jì)算就可以得到準(zhǔn)確答案，通常還需要進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真才行。

4.輸送機(jī)

輸送機(jī)在穿梭車系統(tǒng)中也扮演著非常重要的角色，主要用于入出庫端托盤的輸送。它與流程設(shè)計(jì)密切相關(guān)，影響著系統(tǒng)整體效率，甚至對系統(tǒng)的成本有較大影響。

在布局方面，輸送機(jī)的設(shè)計(jì)變幻莫測，需要根據(jù)流量要求認(rèn)真考慮，很多初學(xué)者對此一籌莫展。

5.軟件系統(tǒng)

托盤四向穿梭車系統(tǒng)中的軟件主要是WMS和WCS，這些軟件其實(shí)與傳統(tǒng)的AS/RS沒有顯著差異，所不同的是關(guān)于穿梭車的調(diào)度系統(tǒng)，這是AS/RS所沒有的。

四向穿梭車系統(tǒng)的一大問題是任務(wù)分布不均衡，從而導(dǎo)致實(shí)際的效率與理論相去甚遠(yuǎn)，這是很容易想到的事情。要解決這一問題，需要從多方面入手。如設(shè)置庫存ABC分布策略，預(yù)先調(diào)整庫存結(jié)構(gòu)，主動控制回庫托盤的地址分配等。特別重要的一點(diǎn)是，每個項(xiàng)目要根據(jù)具體情況選擇相應(yīng)策略，避免張冠李戴，才能取得較好效果。

6.輔助設(shè)備

除以上外，四向穿梭車系統(tǒng)的維修平臺和維修設(shè)備同樣必不可少，而充電裝置的位置及數(shù)量也常常困擾著設(shè)計(jì)人員。在大型四向車系統(tǒng)中，由于大量的穿梭車相向運(yùn)動，其對貨架產(chǎn)生的共振也是一個大問題，需要采取有效手段預(yù)防。

一體化的入出庫系統(tǒng)

三、如何做好系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

要做好一個托盤四向穿梭車系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，與其他立體庫系統(tǒng)有很多類似之處，如做好數(shù)據(jù)分析，需求分析，確定總體方案，做好流程分析，選擇合適的設(shè)備參數(shù)等。但也有一些特殊之處：四向穿梭車應(yīng)用于老舊倉庫時，如何做到入出庫作業(yè)流程暢通就顯得非常重要。此外，由于穿梭車本身的一些特點(diǎn)，如在庫前輸送和貨到人揀選區(qū)域，完全可以采用穿梭車完成庫前輸送作業(yè)，使得整個物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加緊湊和一體化。

與地面無縫連接的穿梭車庫

四向穿梭車庫的設(shè)計(jì)，要特別注意托盤、貨架和層高的設(shè)計(jì)。一般來說，在穿梭車庫中，托盤的方向是與AS/RS不同的，很多初學(xué)者很容易發(fā)生錯誤。對貨架來說，因?yàn)榇┧筌嚨脑?，需要增加軌道和充電裝置等內(nèi)容，其設(shè)計(jì)比AS/RS的橫梁式貨架要復(fù)雜很多，因此，如何設(shè)計(jì)穿梭車軌道和貨架，成為四向穿梭車立體庫設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。一項(xiàng)不合理的設(shè)計(jì)，不僅會導(dǎo)致貨架無法滿足使用要求（包括強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、噪音、共振等方面），也會大大增加成本（一般情況下，四向穿梭車貨架的成本是AS/RS橫梁式貨架的2倍甚至更多）。穿梭車庫的層高要比傳統(tǒng)的橫梁式貨架高（具體數(shù)據(jù)與穿梭車的結(jié)構(gòu)和載荷有關(guān)，也與不同品牌的產(chǎn)品有關(guān)）。這就使得在有些場合下，由于空間高度的限制，采用四向穿梭車方案時，會比AS/RS貨架少一層，從而影響最終的系統(tǒng)性價比。

做好提升機(jī)的設(shè)計(jì)，是穿梭車系統(tǒng)設(shè)計(jì)另一個關(guān)鍵。在穿梭車庫設(shè)計(jì)中，如果一層的托盤不經(jīng)過提升機(jī)進(jìn)入貨位儲存，而是直接采用穿梭車完成入庫和出庫作業(yè)，會大大減少提升機(jī)的作業(yè)量，從而減少提升機(jī)的數(shù)量，這是穿梭車庫設(shè)計(jì)的一個小竅門。比如，對一個只有2層的穿梭車庫來說，這樣做的效果是提升機(jī)工作量會減少50%以上（考慮到庫存ABC的分布問題，可能會大于50%）；對3層系統(tǒng)，會減少33%以上；即使對一個10層的穿梭車庫來說，也會減少10%以上的作業(yè)量。因此，提升機(jī)的設(shè)計(jì)往往會變得復(fù)雜一些。這是四向穿梭車系統(tǒng)設(shè)計(jì)要特別注意的。

還有一個容易被忽視的問題是維修問題，這是大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師最容易犯的錯誤，而用戶也往往不會關(guān)心。但對于一個自動化系統(tǒng)而言，維修問題卻是一個大問題。維修設(shè)備包括維修樓梯、平臺以及輔助工具，如輕便型起重機(jī)等。對穿梭車立體庫而言，這是不可或缺的。有時，維修平臺會影響系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，當(dāng)然也會增加費(fèi)用，但這些都是不可避免的。

最后要引起重視的是，雖然四向穿梭車系統(tǒng)可以建得很高，但消防問題是其另一個難點(diǎn)。這也就是目前在用的四向穿梭車庫規(guī)模普遍不大、高度也不高的一個重要原因。要解決這個問題，需要設(shè)計(jì)人員付出更多的智慧和時間，還要制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

四、系統(tǒng)關(guān)鍵評價指標(biāo)

要評價一個四向穿梭車系統(tǒng)，其實(shí)有很多指標(biāo)，比較關(guān)鍵的包括以下幾個：

1.作業(yè)的流暢性

主要包括：車輛路線規(guī)劃，月臺規(guī)劃，托盤規(guī)劃，收貨作業(yè)區(qū)規(guī)劃，揀選作業(yè)區(qū)規(guī)劃，立體庫規(guī)劃（布局、路線、提升機(jī)布局、入出口布局、揀選作業(yè)區(qū)規(guī)劃等），發(fā)貨作業(yè)區(qū)規(guī)劃等。一個優(yōu)秀的系統(tǒng)，其作業(yè)路線是流暢的，其布局是合理的，其總體指標(biāo)是協(xié)調(diào)的。

2.設(shè)備數(shù)量與參數(shù)的合理性

主要是指提升機(jī)和穿梭車的數(shù)量和參數(shù)是否合理、相互匹配。

關(guān)于提升機(jī)的數(shù)量，要仔細(xì)核算作業(yè)流量與系統(tǒng)要求的符合性，過多與過少都是不好的設(shè)計(jì)；此外，提升機(jī)的位置與布局是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，一個好的設(shè)計(jì)應(yīng)合理安排提升機(jī)位置。穿梭車數(shù)量一般要比計(jì)算值多一些，即有一定冗余。

3.性價比

人們常常忽略性價比的問題，其實(shí)這是評判系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性的最重要參數(shù)之一。一般來說，性價比要在同樣的口徑進(jìn)行比較，如儲存能力、入出庫能力一致等，否則就失去意義。當(dāng)然，我們也常常會遇到一些要求特別的項(xiàng)目，只有四向穿梭車才能解決，這時的比較意義不大，但還是有進(jìn)行比較的必要。

4.系統(tǒng)的穩(wěn)定性

穩(wěn)定性作為系統(tǒng)的重要評價指標(biāo)，也是設(shè)備和系統(tǒng)選型的一個基本要求。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度看，可以通過一些冗余設(shè)計(jì)，提升系統(tǒng)應(yīng)對故障的能力。在這方面，除硬件設(shè)備外，系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件也扮演著非常重要的角色。

5.系統(tǒng)的柔性

對四向穿梭車系統(tǒng)來說，柔性通常表現(xiàn)在系統(tǒng)應(yīng)對高峰作業(yè)時的能力，包括：增加硬件設(shè)備以提高系統(tǒng)的處理能力，以及采用更多設(shè)備時系統(tǒng)效率如何有效提升等。有時為滿足柔性化的需求，可以提前布置一些設(shè)備，如提升機(jī)等，有時則要求對未來增加設(shè)備應(yīng)留有余地。

五、影響系統(tǒng)運(yùn)行效果的因素

影響四向穿梭車系統(tǒng)運(yùn)行效果的因素很多，主要分為以下幾個部分：

1.設(shè)計(jì)的合理性

一個物流中心的運(yùn)行效果，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是最基礎(chǔ)的因素。設(shè)計(jì)過程又分為很多部分，其中預(yù)測的準(zhǔn)確性、設(shè)計(jì)指標(biāo)的合理性、總體方案的合理性、流程設(shè)計(jì)的合理性、設(shè)備選型的合理性，以及軟件選型的合理性等，是比較重要的方面。很多企業(yè)因?yàn)閷ξ锪鞯谋举|(zhì)不甚了解，往往容易忽視設(shè)計(jì)的重要性。殊不知，如果設(shè)計(jì)方案出現(xiàn)重大問題，再好的設(shè)備和軟件也無法發(fā)揮作用。如果要給設(shè)計(jì)的重要性做一個評估，可以毫不夸張地說，設(shè)計(jì)對系統(tǒng)運(yùn)行的效果起到基礎(chǔ)性和決定性作用，比設(shè)備和軟件都重要得多。

在實(shí)際項(xiàng)目中，由于看問題的角度不同，用戶往往重視硬件投資，輕視軟件投資。有的用戶寧愿多花幾千萬元的土建和設(shè)備投資，也不肯在軟件和設(shè)計(jì)上花適當(dāng)?shù)腻X。這也是導(dǎo)致很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理甚至失敗的根本原因。

2.系統(tǒng)的可靠性

系統(tǒng)的可靠性是影響系統(tǒng)運(yùn)行效率的關(guān)鍵指標(biāo)之一。如果一個系統(tǒng)中的設(shè)備和軟件不可靠，輕則影響總體作業(yè)效率，重則導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。

一個四向穿梭車系統(tǒng)的硬件，無論是貨架、穿梭車，還是提升機(jī)、輸送機(jī)，都要求能達(dá)到滿足設(shè)計(jì)要求的可靠性。系統(tǒng)的可靠性可以用系統(tǒng)的可用度來表述[1]，對于一般場合而言，物流系統(tǒng)的可用度要達(dá)到97%以上；對于特殊的場合，可用度要達(dá)到99%以上。

提高系統(tǒng)可靠性的方法有很多，主要體現(xiàn)在單機(jī)設(shè)備和軟件方面。采用更高質(zhì)量和可靠性的設(shè)備，系統(tǒng)的可靠性必然會提升，但帶來的代價是采購成本也會上升。如何在可靠性與成本之間尋求平衡，既是對設(shè)計(jì)的要求，也是對用戶的挑戰(zhàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要避免過度依賴設(shè)備可靠性和忽視系統(tǒng)可靠性的傾向。系統(tǒng)的可靠性，不僅僅取決于設(shè)備的可靠性，還取決于很多其它因素，如冗余設(shè)計(jì)、備品備件等。

3.維護(hù)的及時性

任何復(fù)雜的自動化系統(tǒng)，在長期使用過程中，都不可避免會出現(xiàn)故障和問題，這就要求系統(tǒng)要長期得到及時合理的維護(hù)。一方面是日常的維護(hù)維修工作，尤其是故障監(jiān)測工作要完善到位；另一方面，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，要保障能夠快速修復(fù)。此時，專業(yè)的團(tuán)隊(duì)和充足的備品備件都是不可或缺的。

在設(shè)計(jì)中，一方面對關(guān)鍵設(shè)備要進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，使其在發(fā)生故障時可以切換到新的作業(yè)模式，如提升機(jī)，可以采用多臺提升機(jī)互為備份，并有一定能力冗余，使得任何一臺提升機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)還能繼續(xù)工作，只是效率有所影響。穿梭車也是如此。對于穿梭車這樣的移動設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障，要有能夠快速替換的設(shè)備，才不至于耽誤整個系統(tǒng)的正常作業(yè)，在設(shè)計(jì)中，保持一定的冗余量就顯得尤其必要。當(dāng)然，對于規(guī)模很小的系統(tǒng)，硬件的備份顯得沒有必要或很難實(shí)現(xiàn)，這時尋求更高質(zhì)量的設(shè)備和系統(tǒng)就顯得非常必要。