作者：张卫国

职位：技术总监

单位名称：上海速锐信息技术有限公司

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前言

随着物流产业的迅猛发展，托盘四向穿梭式立体库因其在流通仓储体系中所具有的高效密集存储功能优势、运作成本优势与系统化智能化管理优势，已发展为仓储物流的主流形式之一。本篇接上文《托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统规划 | 连载二》，全文系统介绍了托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的基本概述、系统规划、硬件配置、主要特点、作业框架、管控系统分析、安装调试、应用前景和评价体系。

56君建议您阅读前先思考：

1、穿梭式立体库的软硬件配置系统；

2、托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的特点；

3、托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的作业框架；

4、托盘四向穿梭式立体库管控系统的分析与研究；

5、托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的安装与调试；

6、托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的应用前景；

7、如何选择与评价托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统？

推荐阅读：托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统概述 | 连载 一

穿梭式立体库的软硬件配置系统

客观地分析客户的需求，合理配置托盘四向穿梭式立体库物流管控系统，托盘四向穿梭式立体库物流管控系统一般由多层托盘四向穿梭式货架、存储单元、物流搬运设备（含托盘四向穿梭车、托盘提升机等）、出入库输送系统、通讯系统、WCS控制系统、计算机监控系统、WMS计算机管理信息系统以及其他辅助设备组成；WCS通过网络通讯、PLC来操控和管理托盘四向穿梭车、其它物流搬运设备、托盘提升机和输送链；托盘四向穿梭车采用光电开关加编码器的双重认址方式，通过计算目标的相对位置方式来实现方向控制和位置控制，实现所有的托盘四向穿梭车、存储物品沿托盘四向穿梭式立体库内钢货架结构中配置的运行轨道在各个层面合理移动与调度，大大提高了货物周转的速度；出入库输送系统包括单元化输送系统、纸箱(物流箱)拣选输送系统、连续提升机、分配车、AGV等，出入库输送系统的规划设计以及输送设备的配置，需要根据仓库的整体布局、仓库的功能以及存储单元或货物的类型等情况决定，出入库系统的输送速度以及分岔、合流点的数量等，都要以满足仓库的出入库效率为原则来确定，并处理好电气控制技术问题。

图6 托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的拓扑图

整个计算机系统由中控室计算机系统和仓库计算机系统所组成，仓库计算机系统均通过网络连接到中控室计算机系统，并通过应用服务器访问数据库和各个设备系统。

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的功能架构分为：信息管理层、调度监控层和设备执行层三个层次；信息管理层实现物流系统的管理功能，同时还是衔接自动化物流系统与企业信息管理系统的接口层，这一层由物流计算机系统实现，软件的可用性、技术的先进性与接口的开放性尤为关键，该层对围绕生产组织的物流活动提供最大化的信息管理，并具备与相关的信息管理系统接口的能力，以确保信息的自动化和实现资料共享；调度监控层是连接信息管理层和设备控制层的纽带；设备执行层是集成了各种执行设备的工业控制网或专用控制系统；在托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统中包括：输送控制系统、托盘四向穿梭车、托盘货物提升机、地面搬运AGV、拣选设备控制系统等。托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的仓库管理系统功能架构图如下：

图7  WMS与WCS功能图

电气控制技术主要指对相关机械机构运动的控制，包括对机械部分的定位、轨迹、速度、压力、角度等进行控制；另一个是逻辑控制：

（a）运动控制：运动控制就是以电机与传动机构为控制对象，通过控制器和驱动装置，对机电系统的速度、加速度(转矩)、位置等运动量进行控制，以满足托盘四向穿梭车的功能和性能的要求。

（b）逻辑控制：逻辑控制是以逻辑代数为理论基础的一种控制思想，它遵循一定的规律，托盘四向穿梭车必须根据客户的工艺路线设置合理的行程顺序逻辑控制；

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统中常用的电气控制技术主要有常用传感器、低压控制电器、电动机驱动、可编程控制器、嵌入式系统和机电系统接口技术，

（1）传感器：主要被用于检测托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统中的自身与作业对象、作业环境的状态，向控制器提供信息以决定系统的动作。传感器的精度、灵敏度和可靠性很大程度上决定了系统性能的好坏；

（2）直流伺服电动机：就是微型的他励直流电动机，其结构与原理都与他励直流电动机相同。按磁极的种类划分为两种：一种是永磁式直流伺服电动机，它的磁极是永久磁铁；另一种是电磁式直流伺服电动机，它的磁极是电磁铁，磁极外面套着他励励磁绕组；

（3）嵌入式系统：嵌入式系统是计算机软件与计算机硬件集成在一起，嵌入到应用对象内部的计算机系统。这种系统往往与应用对象技术，如通信技术、传感技术、信号处理技术、控制技术等结合在一起，成为嵌入式系统应用对象的控制中枢。嵌入式系统具有芯片集成度高、硬件软件最小化、高度自动化、响应速度快以及性能可靠等基本特点，特别适合于要求实时和多任务的场合。从应用角度考察，目前相当一部分嵌入式产品都具有3c融合特征，即计算机（computcr）、通信(Communication)和消费电子(Consume Electronic)一体化；

（4）机电一体化接口技术：托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的性能在很大程度上取决于接口性能。各子系统之间的接口性能成为判断系统整体性能好坏的决定性因素。接口技术的研究对象正是机电自动化系统中的各种接口。机电接口包括硬件接口和软件接口两大类。硬件接口主要在于系统之间或人与系统之间建立物理连接，为信息和能量的输入／输出、传递和转换提供物理通道。软件主要是提供系统信息交互、转换、调整的方法和过程，协调和综合机电组成技术，使各子系统集成并融合为一个整体，实现新的功能。机电系统的接口根据输入／输出的关系，可以分为人机接口、机电接口、机械接口、电气接口和软件接口(信息接口)；

（a）人机接口是主要解决人与机电系统之间的接口。通过人机接口，可以向系统输入操作指令，计算机的处理信息、报警信号、系统的运行状态等都需要通过显示器的输出传递给操作者，便于操作者监视系统的运行状态，控制其运行过程。人机接口是双向互动的。接口硬件包括输入／输出设备，人机输入接口主要有；键盘鼠标、扫描仪、照相机、拨码盘、触摸屏、开关和旋钮、虹膜识别、手写输入、指纹识别、面部识别和声音识别等；人机输出接口主要有；触模屏、LED、LCD显示屏、打印机、数码管、指示灯和音响等；

（b）机电接口主要解决动力源与驱动装置之间的能量转换接口。机电系统中的驱动装置有各种交、直流电动机，液压执行装置，气动执行装置（机械手）和其他新型执行装置。驱动这些装置需要用到机电接口。托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统中存在一定的输送线、提升机、叠码盘机、机械手等多种物流配置设备，内部的运动机构及其系统的工作方式和原理也是多种多样，要实现各类设备的合理配置与兼容，机电接口的设计也称为了项目案例成功与否的关键要素；

（c）电气接口主要解决控制系统与驱动系统、驱动系统与传感器、传感器与控制系统之间的接口，或解决外部装置与计算机之间的硬件接口。也就是说，电气接口将传感器输出的信号进行转换，输入到控制系统中，将控制系统输出的数字量信号转换为驱动系统所需要的信号；这些信号的转换都是通过软件进行的；这个也是托盘四向穿梭车电气模块化设计的关键之一。电气接口划分为输入接口和输出接口两种类型。输入接口包括开关量、数字量和模拟量这三种输入接口。输入接口的功能就是将传感器输出的信号经过信号放大、调制与解调、滤波、限幅和A／D转换等一系列操作，将输入信号转换成数字信号输入到计算机中，在这个转换过程中，要解决电平和量程匹配；输出接口输出数字量，经过电气隔离、D／A转换和功率放大，送到执行机构；

（d）软件接口主要解决不同总线、不同程序之间的信息格式转换。例如，ISA总线与USB总线的转换、windows下的设备驱动程序、不同语言之间的混合编程等；

（e）机械接口技术是主要解决执行机构和驱动系统之间的接口。机械接口有零接口和被动接口两种。零接口直接将执行机构和驱动系统连接，不进行能量和运动的变换，本系统中存在输送线与提升机、输送线与地面AGV、提升机内置运行轨道与货架结构轨道的对接等零接口。被动接口要进行能量的转换和运动的变换，例如托盘四向穿梭车内置电机驱动液压系统形成液压换向装载、托盘举升装置动作等，驱动电机减速器进行减速增矩构建行驶运动及运动加速度。

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的特点

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统可认为是在穿梭车货架系统基础上提出的一种新仓储概念。其中托盘四向穿梭车具有显著的特点：

1）托盘四向穿梭车具有结构紧凑：高度尺寸小，节省更多存储空间；不仅能够在配套的货架轨道上四向行驶，还能利用垂直提升机实现换层作业，进一步增加了仓库货架布局和四向穿梭车库内作业的灵活性、可扩展性。

2）四向行驶：可在立体货架交叉轨道上沿纵向或横向轨道任意行驶，实现一站式点到点输送，可到达仓库平面层的任何一个货位；

3）智能换层：配合本公司的提升机，穿梭车可实现自动精准换层的高效工作方式作业；实现空间三维运动，精准控制钢货架区域内的每一个货位的出入库；

4）智能控制：具有全自动和半自动两种工作模式。极大提高了货物存取效率及仓库的空间利用率。运用WMS、WCS系统软件与企业ERP/SAP/MES等管理系统软件的对接，还可以保持货物的先进先出法存储，清除了人为因素作业的混乱无序或低效率；

5）存储空间利用率高：传统库房储放的密度低，导致库房总面积利用率低、库房容积利用率低；托盘四向穿梭车在货架内的主轨道上四向运行，无需叉车和其他设备协调即可自主完成作业，由于货架主轨道的体积小于叉车作业通道的体积，托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统相较于普通穿梭车货架系统，可进一步提高存储空间利用率，通常可提高20％～30％，是普通平库的2～5倍；

6）货位动态性管理：传统仓库只是货物储存的场所，保存货物是其唯一的功能，是一种“静态储存”，托盘四向穿梭车为先进的自动化物料搬运设备，不仅能使货物在仓库内按需要全信息化自动存取，而且可以与仓库以外的生产环节进行有机的连接。便于形成先进的物流系统，提高企业管理水平；

7）无人自动化仓储模式：大大降低了库房工作人员工作任务负荷量，为库房实现无人化工作提供可能性，商品出立体仓库直接由托盘四向穿梭车、货物垂直提升机与自动输送机进行连接，库房工作人员只需时不时监控系统运作，实现了存取自动化，无需人员进入库房内进行作业，尤其适用于冷库、存储有毒货物等不适合人员长期驻留的仓库，是未来高密度密集存储和自动化仓储的发展方向。

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的作业框架

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统采用托盘集装，货架结构内储货位密集排列，货格存储深度大于1个托盘，具有较高的存储空间利用率和自动化作业能力，对库房的结构、高度等要求较低。仓储系统布设于库房内，与组盘／拆盘作业台、叉车（或地面AGV，后续包含在叉车作业中）等协同完成出入库上下架作业。在作业过程中，仓库管理员、理货组拆盘作业人员和叉车操作手在管理控制信息系统的调度下协同配合，完成货物出入库任务，作业过程涉及的设施设备包括叉车、托盘四向穿梭车、货架、服务器（部署管理控制信息系统）、托盘、射频标签、射频识读设备和手持终端等。

货物入库作业过程主要包含四个环节：理货组盘→叉车运输→输送线或其他周边设备→托盘四向穿梭车运输系统（含垂直提升机运输和→托盘四向穿梭车运输。

在货物入库过程中，首先管理控制信息系统根据入库单制订入库作业计划，理货组盘作业人员将到达的散件货物进行组盘作业，通过手持终端将组盘作业信息上传到管理控制信息系统；然后进行托盘货物上架作业，叉车将托盘运送至货架端口或输送线上料口，安装在端口处的射频识读设备读取托盘上的射频标签获取托盘货物信息，管理控制信息系统给该托盘货物分配存储货位；最后，托盘四向穿梭车将托盘货物从端口运送至指定货位，货物出库作业流程与之相反，也包含四个环节：四向穿梭车运输（含垂直提升机运输和四向穿梭车运输）→输送线或其他周边设备→叉车运输出库发运（含拆盘回库），作业过程与入库相反。出入库作业操作必须依据客户的作业流程设置合理的控制节点，确保出入库作业的效率和作业质量。

托盘四向穿梭车运输环节，即托盘货物在货架内存取的相关问题。以系统作业流程和货物存取需求为基础，分析货架货位布局对托盘货物存取效率的影响，根据托盘四向穿梭车在轨道交通网内的运行特点研究轨道交通网的活性，给出货架轨道设计原则和定向方法。在此基础上，根据作业进程优化货物存取任务分配，对托盘四向穿梭车进行路径规划，给出最优的托盘四向穿梭车路径规划和交通控制方案，提高货物存取效率。

【案例】某医药存储仓库

仓库概述：仓库共有三层货架，三台智能穿梭车，每层货架一台车执行任务（每层车仅执行当前层任务，不换层）；仓库共有2台提升机，2个入库口；因输送线为双向输送线，2个入库口同时包含出库功能。基本平面布局与钢货架结构简图如下；

图8 案例库简图

仓库运作流程：

1）入库：入库托盘通过叉车直接放到入库口，按下入库按钮后，输送线入库方向移动。经过外形检测检验货物摆放是否合格，如合格，则进行入库，进入条码扫描；如不合格，则退回入库口，人工进行重新摆放货物。扫码器对托盘码进行扫描，当扫码成功后，WCS把条码值反馈给WMS，WMS根据条码值，分配货物的货位并下发给WCS（包含货位的层数、行、列、深位等信息）；WCS根据接收到的货位信息，下发给PLC；PLC通过所得到的入库目的地址，控制输送线运转；同时控制提升机，运送货物至目的层。如扫码器扫码失败，WCS向WMS反馈扫码失败结果，输送线停止运行，等待人工处理；如扫码值经WMS判定为无效码，则输送线停止运行，等待人工处理；操作人员可利用手持终端再次扫码或更换条码信息等方式，处理扫码异常情况。如需货物退回处理，则在入库口按“返回按钮”，货物返回入库口，等待处理。

2）货物运行至提升机口处输送线，停止等待；PLC根据入库的目的地址，确认货物所需到达的货架层数，调用提升机。当提升机到达1层时，输送线运送货物至提升机内，货物通过提升机，到达目的层；提升机到达目的层后，货物随提升机输送线出提升机，至穿梭车取货口等待穿梭车取货。

3）WMS定时发送入库任务，WCS接收到入库任务后，下发给货物目的层穿梭车；穿梭车接收入库指令，行驶至目的层取货口取货，把货物运送至目的货位。WMS每次下发一个任务，WCS根据WMS下发的任务先后顺序，执行出入库任务。WMS下发入库任务前，需判断出库任务是否已经完成；在出库任务执行结束后，再下发入库任务，防止因输送线资源占用导致的死锁现象。

4）出库：WMS下发出库任务（包含起始地址及目的地址）给WCS，WCS接收到出库任务后，由货物当前层穿梭车运送出库货物至提升机口输送线；货物在提升机口输送线停止等待，同时PLC控制提升机至货物当前层；提升机到货物当前层后，输送线运送货物至提升机内，提升机载货至1层，货物出提升机，输送线运送货物至出库口。人工取下托盘，完成出库。

5）入库，出库，移库（移出，移入）货位由WMS系统分配，仓库控制系统不支持分配货位；智能穿梭车在行驶路径中，如果有托盘阻挡，WMS需先下发移库任务，将阻挡托盘移出，才能下发后续任务。

6）自动控制系统（WCS）按照任务接收到的时间先后顺序执行，先接收到的任务优先执行。

7）WMS定时下发任务，WMS内部排列好优先级后，每次下发WCS单个任务。

8）自动化设备的执行效率与货品入库摆放顺序（例如：同批号同巷道摆放，同批号不同层摆放等），以及出库方式（例如：先进先出，后进先出等），巷道深度，密切相关，这些方式决定了最终的自动化设备的实际效率高低，自动化设备效率以上述情景为运行基础的前提下得到的效率为准。

9）如某一层穿梭车故障，在人工确认故障信息后，把故障车辆移至不影响出入库路径的位置的情况下，其他层空闲车辆可通过提升机换层到故障车辆层执行任务。

托盘四向穿梭式立体库管控系统的分析与研究

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统基于库房内局域网架设，相关设备通过有线和无线网络实现互联互通。系统采用PLC组网对底层设备进行控制，总控PLC、垂直提升机PLC、链式输送机PLC之间采用有线工业以太网进行连接，与托盘四向穿梭车之间采用无线工业以太网连接，实现高速无缝信息交换。

托盘四向穿梭式立体库管理控制信息系统由仓储管理信息子系统和设备监控信息子系统组成。

仓储管理信息子系统实现仓库内存储物品的动态管理，保证库存实物与账目始终保持一致，随着出入库作业的进行，库存账目实时更新。同时，仓储管理信息子系统为设备监控信息子系统生成出入库作业指令。

设备监控信息子系统用于保证各设备的协同运行，实现系统的优化调度，达到较高的出入库作业效率，并采集和监控设备状态和运行状况，实时进行过程控制管理。设备监控信息子系统向托盘四向穿梭车、垂直提升机、出入库输送机等执行设备传递任务信息，同时为各托盘四向穿梭车规划最佳行驶路线。

其管理及控制系统大致可以分为两大类：三级管理控制结构和二级控制管理结构。三级管理控制结构是指由管理层、监控层和执行层组成的三级控制系统；二级控制管理结构将监控层与执行层功能融合在一起，简化了计算机系统结构，但是加重了嵌入式控制系统或PLC执行层的负担，选择什么样的管理及控制系统是需要结合具体的实际进行分析决策的；托盘四向穿梭式立体库是一个相对复杂的自动化控制系统，各系统、各设备之间存在大量的信息交换与通讯，其中WCS的主要功能是对出入托盘四向穿梭式立体库、输送线的物流单元及各主从设备进行动态管理与调度，具有系统维护、货物管理、数据维护、数据查询、设备运行状态显示、设备远程控制、自动事务处理以及与其它信息管理系统的接口等功能，以及时、准确完成货物的出入库，由于托盘四向穿梭式立体货架的特点，存在高密度存储单元，形成无线通讯网路的信号影响，也存在有货荷载与无货荷载下结构的变形与绝对位置的偏移；既要保证通讯控制信号的有效性，又要保证定位的高速准确性，对于信息交换与通讯的要求相当高，其中货格相对定位是比较容易实现的一种可靠方式；同时对物流信息实现与物流的同步管理，WCS需要根据客户的物流工艺合理选择物流搬运设备及主流托盘四向穿梭式立体库配置模式；托盘四向穿梭式立体库软控系统则要实现客户订单管理、设备及物流单元位置管理、设备及物流单元的路径规划与管理、系统管理等功能，并实现各系统与设备间的信息收集、输送及交换。

托盘四向穿梭式立体库管控系统可以非常容易地与外部ERP或者WMS系统整合对接，交互式的操作界面，允许操作者对托盘四向穿梭式立体库中的托盘四向穿梭车、托盘提升机、输送线及库存物品进行实时监测、操作与管控，可以对一些突发事件、故障及安全问题或者未完成的工作作出快速反应或互锁联动，托盘四向穿梭式立体库软控系统的模块化设计和可扩展性，使用户可以根据业务发展情况随时改变物流参数，对WCS系统进行再配置和适应性调整，控制货物单元在仓库中的储存、运动，完成进出、排序、拣选等功能，以实现快速进货、快速出货、按指令转移、按指令排序、直接分拨、不同温度区域分类与智能储存、按指令缓存等功能。

可视化三维监控与展示：

图9  可视化三维监控图

配备三维实时动态监控的设备，展示三维仿真效果，有良好的显示效果。通过三维仿真的实施，实现以下工作目标：

（1)可以显示实时库存信息，包括所有货位的状态信息，有无货物、货物类别、货物状态等。

（2)可以显示搬运设备实时运作状态，数据必须真实可靠；

（3)可以分别显示货架每一层的情况，或显示全局情况，采用透视图的呈现方式；

（4)三维仿真系统具有可扩展性，未来自动化立体库设备增加时，可在原仿真系统中增加新设备的动态仿真、故障报警与处理策略、作业可追溯与记录等功能。

 托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的安装与调试

托盘四向穿梭式立体库是一个多设备多任务流的自动化密集仓储系统，各组成元素之间是相互联系相互影响的；多层托盘四向穿梭式钢货架结构在保证整体结构的强度、刚度和稳定性的前提下，其制造与安装的精度和性能直接影响自动化立体仓库中其它配置设备的使用性能与可靠度，也是托盘四向穿梭式立体库设计的有效实施与保证手段之一；如托盘四向穿梭车运行导轨梁在多荷载状态下的挠度变形的安装适应性调整、对接缝隙修正与平整度调整等直接影响到托盘四向穿梭车的行走与定位精度、运行平稳性和使用寿命等；多层穿梭式钢货架结构的安装验收中必须有效检查无载和有载状态下钢货架的静态结构参数及其变化范围、安装精度符合项等，配套设备的精准匹配性检查，并通过多设备联合调试来有效评估与此关联的设备配置精度的合理性和性能影响度；如托盘垂直提升机进出口端与相配置的立柱或导轨端部在无载、满载状态下的绝对位移偏差值、公差、安装误差等决定了配置过桥的结构设计与制造精度、设备运行控制的模式或者托盘四向穿梭车配置行驶轮的方式等；设备专用的导向轨、钢货架结构中配置的定位件等的制造安装精度将直接影响到设备的运行定位精度和导向运行性能，也会影响到设备的运行速度和定位效率；由于客户地面基础水平的不均匀差异与未来沉降、货架立柱的制造误差与安装误差、同层装配部件的制造安装精度影响等都可能造成同层高度水平误差或偏差，托盘四向穿梭式立体库选用可调立柱地脚结构是一种比较经济可行的解决方案，既可以确保一次性调平，也可以根据项目实际运营后存在的基础不均匀沉降等影响方便实现二次调平作业；多因素分析、多设备联调、结构优化、软硬件配套及托盘四向穿梭式立体库的安装调试是确保系统成功运行的关键因素。在钢货架结构的设计与配套上要方便托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的安装与调试，单元化、模块化设计及其标准化生产是整体系统评价的关键。

表3 四向穿梭车货架安装尺寸，单位为毫米

 托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的应用前景

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统是一种全新的自动化仓储系统解决方案，能够通过灵活的配置实现多种自动化仓储功能，既可配置成密集存储穿梭车货架，也可配置成巷道式自动化立体库货架，还可配置成各式输送系统。该系统适合低矮库房、柱子过多库房、形状不规则库房的自动化改造，可根据实际作业效率需求，按需增减合理配置设备数量，以解决现有自动化立体仓库维护成本高、系统机械结构复杂的弊端。

1）多种作业模式：四向穿梭式自动化密集仓储系统可满足多种类型仓储模式的存储需求，配置成为多种模式的自动化立体仓库系统；

2）广泛的适用性：对于原本由于建筑结构、尺寸不适合采用巷道式自动化立体库货架解决方案的库房，通过四向穿梭式自动化密集仓储系统也可以实现库房的自动化、智能化高密度仓储，可应用于各行各业的仓储、配送及其产线布局中；

3）充分的灵活性和可拓展性：四向穿梭式自动化密集仓储系统具有很强的灵活性和可拓展性。在空间拓展性上，能够在任意方向拓展存储空间；在出入库能力上，能够随时通过增加或减少四向穿梭车数量来改变作业效率；在存储密度和货物类别上，可以动态地改变库房的存储密度和货物类别。四向穿梭式自动化密集仓储系统的这些优点，使人们在设计货架时不需过多考虑未来的变化，在有新的需求时，随时可以对货架系统进行动态调整和拓展；

4）可靠性：在常见的巷道式自动化立体库中，堆垛机被设置为固定为某个巷道提供托盘货物出入库作业服务，当某台堆垛机出现故障时，会导致整个巷道瘫痪。托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的四向穿梭车不局限在某个区域，多台四向穿梭车可以到同一位置作业，互为备份。出现问题的四向穿梭车可以随时从货架中取出，不影响整个系统运行，从而提升了整个系统的可靠性。

穿梭车系统的关键技术及技术难点

1、结构设计与分析

托盘四向穿梭车的构成机构与模块多，结构紧凑，整机框架比较复杂，结构部件上缺口、孔洞比较多，应力集中与设计薄弱点比较多，对于整车的结构设计与分析的难度比较大；需要借助于有限元来辅助分析，尤其整车的行驶稳定性分析目前仅仅建立在工况模拟试验的基础上，还不能从理论上有体系地研究。整车的运动振动主要集中在驱动及液压部分，其轮轴及轴承上最容易引起振动疲劳破坏，主要在于钢货架内配置的轨道存在接头及安装偏差，货架结构体也存在一定的弹性变形，车轮与轨道的接触刚度较大，易引起轮轨接触振动、车体振动，目前多采用包胶车轮等措施来优化轮组共振；整车的结构优化空间还很大，技术难点也客观存在，有限元模拟及分析手段是结构的优化与改进的有效途径之一，结合工况试验与分析，可以为客户提供完善的可靠的物流解决方案；

2、路径规划与调度控制系统

托盘四向穿梭车为立体储存提供了新的解决方案，是对立体库存储技术的重大突破，传统以AS/RS为主的立体存储设计思想因此受到了很大冲击。然而，托盘四向穿梭车由于增加了横向和纵向的轨道以及提升机的上下换层作业，存在空间交通管制与设备运行避障，其系统的路线设计与路径优化是技术难点之一，实现难点是非常困难的，系统越大，其调度系统复杂，系统调度难度大；

3、高容量电池技术

电池技术是影响托盘式四向穿梭车应用的关键技术之一。因为托盘四向穿梭车存储搬运的托盘单元货物荷载重，单位运行路程的功耗大，每次完全充电能满足的工作时间成为托盘式四向穿梭车广泛应用的一个瓶颈。有效地监测到托盘四向穿梭车的锂电池健康状态及充放电性能，也是保证托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统全自动化的关键技术之一，而高性能高容量的电池价格昂贵，使得托盘式四向穿梭车的制造成本居高不下；

4、通讯与信息传输技术

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统中由于存储托盘单元货物密度大，通讯信号屏蔽及干扰比较大，存储托盘单元货物荷载重，存储搬运过程中的运动惯性大，影响托盘四向穿梭车及其系统的运动特性，导致定位不准确，而设备通讯故障频繁导致故障排查及维护很困难，也在一定程度上成为研发难点之一；

5、技术通用性不强，市场竞争力度大

出于技术保护的目的，公开的资料大都是简单地参数说明及整车框架结构描述。整车具有较高的安全性，需要设置多重安全防护措施，例如声光警报、急停、多车避让、防撞保护、运行区域安全检测等，而整车的空间体积较小，结构及机构的设计相当紧凑，对整车的维修保养难度比较大。另外整车的运动可靠性及整机可靠性研究还缺乏，相应的试验研究及方法还有待改进。广泛的同业技术交流、跨行业的技术融合是未来必然的出路之一；

6、定位检测技术

条码定位检测：通过条码阅读器识别码带上的信息，测量对应条码的起始角度与终止角度，经过专门的算法，计算阅读器与正在阅读条码的相对位置，另加对应条码的偏移位置信息，从而得到基于条码带的绝对位置信息。条码阅读器发出的激光阅读线， 每秒扫描条码可高达800次，每个条码长度约40mm，根据不同的阅读距离可以覆盖3～6个条码，测量范围可达10km。其测量精度高且速度快的优势在我司的托盘四向穿梭车及货物垂直提升机中获得了很好的应用。

编码器定位：旋转编码器是测量转速的装置，旋转编码器与从动轮轴相连且同步旋转，通过脉冲数及车轮周长计算出穿梭车在轨道上行走的距离，进而确定穿梭车的行进位置。通常在精度要求较高的场合加装光电开关或者在轨道旁单独设置辅助齿条、同步带等机构辅助减小由磨损带来的误差。编码定位在我司的托盘四向穿梭车及货物垂直提升机中获得了很好的应用。

激光测距：目前常用的有相位法、脉冲法、干涉法等，其中相位法常用在机械及地理工程测量中。激光测距仪安装在货物垂直提升机的载货台上随动运行，在地面基准处标定点安装有反射板，激光测距仪发射激光束照射到标定点处的反射板上，激光束反射回激光测距仪，通过数据传输及控制运算测定距离，可有效保证高层货物垂直提升机的运行精度和换层定位精度，是建设高位及超高位托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的关键部件之一。激光测距具有抗干扰能力强、准直性好、测量精度高的优势。

 如何选择与评价托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统

对设计和使用者来说，如何选择和评价托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统非常关键。主要应该注意以下几个方面：

1、出入库作业能力

出入库作业能力是衡量托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的重要指标。包括输送系统、提升机、托盘四向穿梭车、货架等所有关联系统或设备的单机与整线联调作业能力的匹配，以及拣选工作站的能力等；

2、存储能力

存储密度就是重要的考核指标，依此界定出单位面积或者单位空间的存储成本指标体系。通过最小存货单位(SKU)，分析对比某个库区的各个货架仓储系统的可能库存容量，有助于用户判断其仓库有没有获得高效的空间利用率；储存能力基本是一个静态指标。不同的设备和技术所能够达到的储存能力是不一样的。以选择性价比最优的方案和货架仓储系统，需要客户依据存储物品的特点进行合理布局与分析比较，特别是需要结合客户的周边设备的满足程度，针对不同类别的货架结构进行选择比较将会有助于提升特定区域的货架仓储系统的存储量。一般情况下，储存能力越高越好。托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统具有高密度、高自动化智能化的存储能力，是托盘类货物存储的优选方案之一；

3、存储作业的便捷性与效率；

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的主要功能之一是存储运作的方便程度与运行效率，存储精准度就是重要的考核指标。理论上讲钢货架只是货物存储的支撑与分隔体，不可能改变货物存储操作与运行模式，但是合理选择的货架存储形式是建立和完善自动存储、人工存储与管理的有效载体，应该是管理模式与存储模式的有效结合与配置，托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统，有的厂家只能提供货物的进出入库操作，不能有效解决货物盘点、识别及其库存管理，或者不能与用户的仓库管理系统（WMS）有效结合，快速获取物品的存储信息，寻找指定的托盘或货物将变得异常困难，客户将会为此付出更多的精力与成本以实现货架仓储系统的管理与调配；

4、周边设备的配置；

这也是考量指标的首要基础性工作，否则会影响到评价指标的合理公平性，如输送线的选择既会影响操作运行效率，又会影响仓库功能区域的布局，也会影响安全操作运行，如托盘单元的选择与叉车底板和叉槽位置等的配套，可能影响货物和操作人员的安全，或可能需要购买额外的货架组件(如托盘支架、隔板、后档等)，以实现叉车与托盘的兼容配套性，这些可以以设计基础要求性指标列入系统评价考核中。消防系统、通风或者空调系统等对评价体系的影响与补充，也需要有效加入设计评价指标，以期整体系统地考虑和评价托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统。

5、软件系统

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统中，托盘四向穿梭车的控制系统是难点，密集库的管理与作业流程设计与软件的兼容匹配性要统一，并需要不断培训与磨合作业。

6、可靠性指标

托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统可以分为若干子系统，单个子系统的平均无故障时间及其系统平均无故障时间越大，系统越可靠。这一指标对于单一设备的评价非常适用，但用于对物流系统的可靠性评价却并不适用。

合理和完整的托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统评价指标体系应该包含来自三方的信息，针对生产企业自身产品设计与交付使用前的约束信息，是完整描述托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统产品的技术文本和信息，它是整个评价指标体系的根本；来自用户自身选择与评价需求所订立目标的迫切性，具有很强的自主性和项目运作的特定性，符合用户以性价比为主导的客观性，也反映来自第三方监管部门或者监测评价部门的公正性，这都在客观上需要建立和完善托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的设计有效性和执行有效性进行评价，即应该找到一种合理的评价体系来对托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统进行评价，对其结果进行等级界定、风险控制及成本控制等，并依此规范用户的采购供应体系；

根据目前国内外关于系统的设计、验收等多方面的规范资料及多用户的使用经验，该评价指标体系应该能够控制几类风险：

即系统的设计技术性风险、采购供应体系的制度缺陷性风险及其违规操作性风险、合理公平的原则形成的偶然突发性风险；

所以该体系将包含来自于系统的设计规范类的硬性指标，如托盘四向穿梭式自动化密集仓储系统的安装验收指标等，也包含来自于用户采购供应体系的性价比指标，如存储密度与单位存储成本等，也有来自于第三方检测监督指标，如托盘四向穿梭车零部件的材质、料厚及其尺寸等，性能指标及检测方法，还有为了统一或者进行有效评价的等效指标体系，如整体仓储系统的承载能力、稳定性及其校核验收指标、耗钢量、单位运营成本等；

系统本身是个复杂的工程项目，内部指标考核侧重点差异很大，评价指标之间是相互影响和相互制约的，如整体仓储系统结构的稳定性指标与系统的投资成本的指标之间就是一对矛盾体，需要根据项目的主体目标的要求，进行侧重性调整，对于参与评价体系建立的人员素质要求很高，国内外仓储体标准体系还在不断完善之中，仓储系统评价指标体系的建立与完善是个很基础性的工作，更是一个长久的、需要不断完善的过程。

关于作者

张卫国先生现任上海速锐信息技术有限公司、哥伦布物流（上海）有限公司技术总监，研究员级高级工程师。他具有丰富的企业工作经验和团队管理能力，拥有20多年的钢货架制造企业工作经历，在钢货架结构的规划设计、产品研发、生产制造及安装等方面具有丰富的工作经验和扎实的理论基础。在智能穿梭搬运设备、冷链物流、物流中心设计与规划、库架一体结构、钢货架结构设计与分析等多个方面进行了深入研究和学习，并在同济大学的《建筑钢结构进展》等专业杂志上发表专业论文70多篇，如《冷弯薄壁多孔货架立柱的稳定性分析与研究》、《穿梭式立体冷库设计与有限元模拟分析》等。目前张卫国主要致力于四向穿梭式自动化密集仓储系统的规划与设计、产品研发与控制理论等方面的研究工作。