穿梭车系统及其应用概述

尹军琪/文

穿梭车系统及其应用概述

尹军琪/文

穿梭车系统解决了两大问题：其一是密集存储问题；其二是快速存取问题。它是物流装备技术的一次重大创新，改变了AS/RS系统长期独占市场的格局，为未来的物流技术发展奠定了基础和指明了方向，开辟了一片应用新天地。

尹军琪北京伍强科技有限公司总经理

一、穿梭车系统的定义、功能及发展

穿梭车（shuttle car），顾名思义，是物流系统中一种执行往复输送任务的小车，其基本功能是在物流系统中（平面内）通过轨道上的往复运动完成货物单元（主要是托盘和料箱）的输送。

穿梭车有别于提升机（垂直输送）、AGV（自动导向、无轨道）以及堆垛机（托盘式AS/RS与箱式miniload，三维输送），由于其灵活性，广泛应用于物流配送中心和生产物流系统。

穿梭车按照输送货物单元类型可以分为托盘式穿梭车和箱式穿梭车，按照其作业场地不同，可分为输送型穿梭车和存取型穿梭车。

穿梭车还有其它多种形式，只是因为应用较少，或种类太多，在这里没有一一列出。

此外，从载荷及存储形式看，还有单工位单深度、单工位双深度、单工位多深度、双工位单深度、双工位双深度、双工位多深度，以及多工位的诸多变化；但应用最多的还是单工位单深度和单工位双深度两种形式。

本文讨论的范围仅局限于存取型穿梭车。

相对于输送型穿梭车超过50年的发展历史，存取型穿梭车的历史要短得多。最早的穿梭板和子母车应用到现在也不过20年历史，而四向车的应用则是最近10年以内的事情。究其原因，可能主要是电池技术和充电技术的限制所致，当然，网络技术和通讯技术的发展也是重要原因。

随着电池、网络等关键问题的逐步解决，穿梭车技术被迅速应用于物流系统。在我国，最早的穿梭板应用可以追溯到2010年前，基本采用半自动方式，由叉车进行换巷道和换层作业。

穿梭车的巨大作用是解决了两大问题：其一是密集存储问题，采用穿梭车系统，可以大幅度提升存储密度，这是以前很多技术——如双深度堆垛机——所无法比拟的；其二是快速存取问题，其实，目前火热的“货到人”拣选技术的兴起，其根本原因在于采用多层穿梭车等技术彻底解决了快速存取问题。可以说，穿梭车技术的发展，为未来的物流技术发展奠定了基础和指明了方向，并且开辟了一片新天地。

二、穿梭车系统的基本构成

穿梭车系统的基本构成多种多样，作为一个独特的物流系统，它与普通的物流自动化系统有许多相似之处，但也有很大不同。一般情况下其系统构成如图2所示。

其中，调度系统是至关重要的子系统之一，有些功能是之前其他物流系统所没有的。

托盘式穿梭车系统主要用于密集存储，其收货系统中主要包括输送机（包括提升机）；储存系统则包括货架、穿梭车、提升机等，有些也采用堆垛机（AS/RS）完成穿梭车的换层；发货系统包括输送机及拣选系统等。有些系统比较简单，如穿梭板可以自行构成系统，有些系统则比较复杂，如采用机器人完成入库码垛和出库拆垛等。

箱式穿梭车系统主要用于“货到人”拣选系统，其收货系统包括收货换箱工作站和收货输送系统；储存系统包括货架及轨道、穿梭车（包括多层穿梭车、子母车、四向穿梭车等）、提升机等；发货系统则包括拣选工作站、包装工作站和输送系统等，根据实际应用不同，有些系统会更简单或复杂一些。

穿梭车是系统的核心产品，其本身构成包括车体和移载机构。其中，多层穿梭车只能完成往复运动，有的可以依靠提升机完成换层；四向穿梭车可以完成平面内的x方向和y方向的运动，换层则通过提升机完成；还有一种子母车，母车完成巷道内x方向的运动，子车可以完成y方向的运动。移载机构有很多种形式，其中夹抱式货叉应用比较多。穿梭车采用电池供电，为满足作业需要，要求一次完全充电能够满足6个小时以上的正常作业，并能够快速充电；托盘式穿梭车有固定的充电站，箱式穿梭车则采用多种充电形式，如在提升机上充电就是一种快速充电的方式。

三、穿梭车系统的关键技术及难点分析

以下关键技术的发展深刻影响着穿梭车系统的市场应用。

1. 电池技术

最早的穿梭板小车，采用的是半自动控制方式，结构和系统简单，电池技术是影响其应用的关键技术之一。每次完全充电能满足的工作时间成为穿梭板的一个瓶颈。而高性能的电池价格昂贵，使得穿梭板小车的应用非常有限。随着电池性能的不断提高，量产以后价格下降，穿梭板小车才得以广泛应用。

2. 电量监测技术

图1 ：穿梭车的基本分类（注：箱式输送型应用极少）

图2 ：穿梭车系统构成

在早期，一个很大的困难是小车的电量监测，设想一下小车突然没有电时怎么办？而这种情况确实每天都在发生。如果不能有效地监测到小车的电量，问题就无法解决。这一问题会造成全自动的系统和大型系统无法应用，这也是穿梭车系统迟迟不能推广应用的关键原因之一。

3. 通讯和定位技术

早期的穿梭板由于通讯问题导致定位不准确，进而出现大量空位情况，而设备通讯故障频繁导致维护很困难，也在很大程度上影响其使用。

4.不同类型穿梭车系统的技术难点

托盘式四向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，四向车系统的路线设计是非常困难的，越大的系统，调度系统难度越大；此外，由于增加了横向和纵向的轨道，系统交通管制也是一个非常大的问题，这些问题不解决好，也将无法大规模使用。

多层穿梭车的发明解决了“货到人”拣选系统中长期困扰人们的存取速度问题。在此前，尽管miniload堆垛机的速度已经提高到惊人的350m/min，但存取效率还是局限在每台小车每小时作业100多次，多层穿梭车轻松突破了这一极限。多层穿梭车首先解决了快速充电问题，现在的快速充电装置可以在数秒之内充电并满足小车几分钟的作业要求，这样，小车完全可以实现24小时不间断工作，这是一个重大的技术突破。此外，多层穿梭车的货叉设计也是重点。随着市场分工越来越精细，现在已经有成熟的货叉可以选用。货叉的成本约占小车总成本的40%，从这一点也可以看出其重要性。

四向箱式穿梭车的难度主要在于控制和调度系统，订单管理与路线优化算法非常复杂，控制更加困难。设想一个具有500辆小车的系统，如何调度才能高效作业是一个非常大的挑战。很多系统的能力受到限制主要是由于小车的不合理调度造成的。此外，穿梭车的轨道要求很严，一般的货架生产工艺不能满足要求。国内能够提供四向车轨道的厂家少之又少，这也为应用设置了障碍。

现在的总体情况是：电池技术有了质的飞跃，货叉也有成熟的产品，但控制系统和调度系统却没有可以现成采购的，使得大型物流场景全面应用穿梭车系统还面临很大难度。

四、选择与评价穿梭车系统

对设计和使用者来说，如何选择和评价穿梭车系统非常关键。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穿梭车系统的重要指标。包括输送系统、提升机、穿梭车、堆垛机等所有关联系统或设备的作业能力的匹配，以及拣选工作站的能力等。在实际设计中，要求一个拆零拣选工作站达到600行以上的拣选能力是非常普遍的情况，这对工作站、输送系统的设计也提出了很大挑战。

2. 存储能力

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。一般情况下，储存能力越高越好。密集库系统对储存指标要求比较高，但拆零拣选系统却并不特别追求这一点。要注意储存能力和存取能力的一致性，有时过分追求单一指标是没有意义的。

伍强科技在2016 CeMAT ASIA上展示的多层穿梭车解决方案

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3. 软件系统

对于箱式穿梭车系统来说，其难点在于软件系统，如何快速高效地响应订单的拣选要求，是考验一个穿梭车系统的关键内容。而对于托盘式穿梭车来说，四向车的控制系统是难点，密集库的管理与作业流程设计与普通仓库也大不一样。

4. 可靠性指标

没有什么比可靠性指标更重要的了。什么是可靠性指标？很多人不是很明白；在FEM标准中，有一个可用度指标可以用来描述系统的可靠性。其计算公式是：

系统的可用度S=（系统的可用时间T1/系统运行的总时间T0）*100% （1）

具体应用到穿梭车系统，可以将系统分为若干部分，对于串行系统，每部分的权重为1，对于并行系统，每个并行支线的权重为1/n（n为并行子系统的数量）。系统的可用时间是指系统总时间扣除故障恢复时间所剩余的时间。FEM规定，系统的可用度大于97%才能正式上线运行。

此外，还有一个指标叫做平均无故障时间MTBF（Mean time between failure），其单位为小时。MTBF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。其理由是物流系统非常复杂，存在很多“部分可用”的情况，无法用这一指标来评估。

五、市场需求及发展趋势

穿梭车的诞生，为密集存储和快速拆零拣选提供了十分有效的解决方案，是物流装备技术的一次重大创新，它甚至改变了AS/RS系统长期以来独占市场的格局，所以一经推出便广受用户欢迎。对于未来的发展趋势，行业内多数专家都表现出极大的乐观。

1. 托盘穿梭车

托盘式穿梭车的应用，彻底改变了密集存储系统的概念，甚至可以说是一种颠覆。从简单的穿梭板应用，到子母车，再到四向车系统，其发展轨迹一直围绕着密集存储进行。与传统的AS/ RS系统相比，根据方案不同，其存储密度会提高30%～50%不等，而且最大的优势是：四向穿梭车不受空间形状的限制，几乎可以在任意的空间中布置，这是AS/RS所无法比拟的优势。虽然AS/ RS系统也有双深度存储技术以增加存储密度，但无论存储密度还是对空间的要求，都与穿梭车优势相去甚远。

密集存储系统的应用场景非常多，如烟草原料和成品、食品饮料、工业制造等行业，尤其在冷链物流领域有很大的用武之地。传统的冷库不仅空间利用率低，而且作业环境非常恶劣，托盘式穿梭车的发明大幅度提升了存储密度，也改善了作业环境，可谓一举多得，市场前景非常广阔。目前存在的问题是，由于穿梭车系统对货架要求比较高，增加了系统的成本，为需要快速入出作业的系统带来了成本压力。

2. 箱式穿梭车

如果说托盘式穿梭车是为密集存储而生，箱式穿梭车则完全是为拆零拣选而生，一个巷道可以达到每小时1000余次的拣选作业量，这在以前是无法想象的。

箱式穿梭车在拆零拣选方面的应用更为广阔，可以适应于多种现场情况，这是与miniload不同的地方；此外，miniload的存取能力受到限制，无法满足“货到人”拣选的需求。与传统的阁楼式货架比较，穿梭车系统存储效率更高，拣选更为准确，对人的需求也大幅度降低，这是其具有巨大优势的几个方面。当然，成本是其劣势之一。但随着人工成本的不断增加，这一点很快会达到平衡，并显示出优势。

过去几年来，智能物流成为行业最亮眼的明星。人们畅想的智能物流到底是什么？其中最关键的共识是：智能物流是实现大规模定制化生产的基础。所谓大规模定制化生产，简单来说就是要将以前的“千人一面”市场需求转变为满足“千人千面”的个性化需求。从这个意义上讲，生产物料需要拆零，配送也需要拆零，拆零拣选将是未来的主要拣选形态；由此可见箱式穿梭车的价值所在。

六、结语

多年前，人们预测物流未来的发展趋势，往往乐观地认为未来物流中心规模将越来越小，理想甚至是库存等于0为标志的JIT模式。但是事与愿违，随着社会物质的极大丰富，现在的物流中心，规模变得越来越庞大，品规数变得越来越多，订单越来越细，拆零比例越来越高，拣选和配送速度变得越来越快，这正是一个大规模定制化系统的真实反映。B2C电子商务的兴起，很好地诠释了这一变化趋势的客观需求，并在很短的时间内使之成为现实。可以预见的是，穿梭车系统的应用将越来越广泛，规模也将越来越大，其前景不可限量。