基于飞毯智能技术的仓库优化设计

高黎樊，汪传雷，杨雨欣，李佩徽，刘鹏龙

（1.安徽大学 商学院，安徽 合肥 230601；2.安徽大学物流与供应链研究中心，安徽 合肥 230601；3.安徽大学 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601）

0 引言

我国《“十四五”现代物流发展规划》中提出要推进现代物流提质、增效、降本，并到2025年基本建成供需适配、内外联通、安全高效、智慧绿色的现代物流体系。在此背景下，如何进一步提升物流各环节效率和质量、降低成本、促进绿色发展，已经成为物流业乃至全社会共同关注的问题。飞毯智能是德国FL公司的一种电磁流式运输仓储系统[1]，本文结合中国场景，应用“飞毯”技术实现仓储环节提质降本增效，并促进新能源在物流领域的应用。

1 文献回顾

当前，产业和时代的发展对智慧化仓储提出了新要求，其中离不开智慧化仓储技术。近年来，国内围绕智慧仓储技术进行了一些研究。雷斌，等[2]认为仓储物流机器人的工作效率影响着整个仓储系统的效率，常见的仓储物流机器人有自动导引小车、码垛机器人以及分拣机器人等。周亚勤，等[3]针对密集仓储环境，基于遗传算法的协同调度方法，提出了启发式规则，从而实现穿梭车任务的均衡分配。任楠，等[4]在考虑智慧化仓储的环境、模式、需求的情况下，对传统的AGV进行功能结构等方面的优化，使其能够更好地为自动化仓储系统服务。

随着城市仓储与物流用地供应日益紧缺，紧致型仓储逐渐成为研究热点。刘兵兵，等[5]对一种三维紧致化仓储系统进行了算法介绍，并对相关的尺寸优化与调度方案进行了说明。张文涛，等[6]认为现代物流技术与装备主要发展方向之一是紧致化。马云峰，等[7]基于现有算法对网格型的仓储系统进行了分区设计，有效提高了仓库的工作效率。飞毯智能技术具有高密度、低成本的优势，能够满足紧致型仓储要求，本文对飞毯智能技术在紧致型仓储中的应用进行了探索。

2 飞毯智能技术介绍

2.1 基本构成

飞毯智能是一项极具创新性的电磁流机器人技术，是基于电磁场的模块化平台系统，其运作系统由PU和Mover两部分构成。PU类似于家装的瓷砖，由一块块拼接而成，如图1所示。在仓库平面铺设充足数量的PU，可形成整体的智能平面。如果单个单元发生故障，可以轻松快速地更换。Mover 尺寸为标准托盘1 000*1 200mm，一定数量的Mover分布在由PU形成的智能平面上。在Mover和PU之间会产生一个仅在实际运动期间有效的电磁场。将物品放置在Mover上，当接收到系统指令时，PU会产生运动方向上的电磁推进力，实现物品的在库运输。如图2所示。

图1 PU智能平面

图2 Mover和PU模型

2.2 技术原理

飞毯在库内运作的核心技术是电磁技术。飞毯创新性地将磁悬浮和电磁推进技术应用于仓储环节，其原理与磁悬浮列车有异曲同工之处。磁悬浮列车是利用电磁力进行列车和铁轨间无接触的悬浮和导引，只受到来自空气的阻力，为降低能源消耗、提高运行速度提供空间。在Mover的制动方面，也与列车有相似之处，采用的是盘形涡流制动，图3为Mover电磁制动原理[8]。飞毯技术正是借助磁悬浮的力量支撑起装载物品的托盘，实现二维平面内的移动。

图3 Mover电磁制动原理[8]

飞毯在库内的运行主要是通过电磁推进技术进行。电磁推进是借助导电气体中磁场和电流间的相互作用力，使气体高速喷出从而产生推力的一种推进方式。应用的工作介质是等离子体，因此又称等离子体推进。飞毯通过精确的电磁推进控制算法，能够实现各种规格、不同重量的负载物品的自由移动，与叉车、AMR、AGV等运输工具比较，飞毯应用方案具备密度高、通量高、成本低等优势。

2.3 运作流程

开始作业前，飞毯位于库内的等待区。当有物品入库时，系统先通过分析物品信息和可用飞毯信息确定作业飞毯，通过电磁推进使飞毯按最优路线移动到指定区域进行上货。上货完成后，货物信息自动与飞毯信息进行绑定。当物品需要出库时，直接通过系统调度指定的飞毯即可。当任务完成后，飞毯会通过自检判断是否需要充电，电量充足后前往等待区等候新的任务。整体运作流程如图4所示。

图4 飞毯运作流程

2.4 技术优势

对比当前市场的主要仓储设备：各式货架、AGV等等，飞毯智能技术具有以下独特优势：

2.4.1 仓储紧致化。飞毯智能技术使得每一个Mover既是存储设备，又是搬运设备，在智能地板上可以铺设足够多的Mover，相比传统的货架存储密度将更高，从而提高了仓储面积利用率。

2.4.2 抗干扰性强。由于采用模块化设计，整套系统可以灵活、单独运输并且适应特定的应用，还能够随时进行扩展。各个PU的分散控制使整个系统能够抵抗中断，系统也能够智能、实时地适应需求，如果某个PU发生故障，其他载体会自动绕过该PU，消除了整个系统发生故障，并因此中断货物流动的风险。万一单个单元发生故障，可以直接进行更换，提高了系统的流动性。

2.4.3 灵活匹配不同规格货物。目前，单个Mover最大承载量为3t，能够满足重载物流运输需求。整体系统协同控制使得物体可以单独运输，也可以成组运输。通过连接多个负载体，创建一个更大的Mover，能够实现不同大小和形状的物体的运输。

2.4.4 节能环保。在Mover和PU之间，运用磁悬浮技术，会产生一个仅在实际运动期间有效的电磁场。因此，用时通电，不用时断电，大大节省了电能。

3 基于飞毯智能技术的仓储优化

飞毯智能技术运用于实际仓库场景，需要同步配套优化仓库环境。下面以Z公司冷库应用飞毯智能技术方案为例，从仓库整体布局、内部布局、设施设备等方面进行优化。其中，整体布局优化是满足飞毯运行的流程需要，内部布局是满足飞毯智能技术的场所条件，设施设备采纳光伏储能技术满足飞毯智能技术的能源要求。

3.1 基于飞毯智能技术的整体布局优化

3.1.1 Z 公司冷库原有布局。Z 公司是合肥知名生鲜冷链物流公司，其冷库为变温仓，总面积为16 000m2，内含2 500m2的冷冻区，主要提供包括肉类、畜牧业、农特产品以及药品的储存加工服务；周边布局有2 500m2恒温区，引进智能存储货架，智能流水线作业，主要为电商企业、新零售企业和农产品经营企业提供服务；5 000m2冷藏仓主要储存工业制品和食品；剩下的功能区分别为入库暂存区、装卸搬运区、流通加工区、办公区、退货区、产品配送区。原布局如图5所示。

图5 原冷库布局图

3.1.2 运用SLP方法对Z公司冷库布局进行优化。为满足飞毯运行的流程需要，采用SLP法对Z公司运用飞毯设备的冷库进行区域划分、空间布局以及面积确定的设计。首先，确定飞毯仓库的具体作业流程，使各作业流程衔接得当；然后，对功能区进行规划，使各功能区划分完善，满足货品储存需要，并使资源利用最大化。由于飞毯设备能够实现物品在库内的自由移动，无需其他的装卸搬运，因此，合并入库暂存区与装卸搬运区；最后，对飞毯仓库的平面布局进行优化。

（1）SLP法基本要素分析。表1是飞毯仓库五项基本要素的具体内容。

表1 基本要素具体内容

（2）功能区优化。合并入库暂存区与装卸搬运区。物品可直接传输到Mover上，飞毯设备能够实现物品在库内的自由移动，因此，无需进行复杂的装卸搬运。调整仓库面积和布局，保证飞毯设备在各仓运作的贯通性。

（3）物流关系分析。根据调研得到仓库实际物流量情况，见表2。

表2 物流量从至情况

由于恒温区、冷藏区、冷冻区的物品进入展示区的物流量较少，可以忽略不计，根据表2进行仓库物流关系强度汇总，见表3。

表3 物流关系强度汇总

根据表3绘制功能区物流关系，如图6所示。

图6 功能区物流关系设计

由图6可得，冷库布局需要优先考虑产品配送区和冷藏区之间的物流关系；其次，考虑冷藏区到暂存区，恒温区、冷冻区到产品配送区之间的物流关系；最后，考虑暂存区到恒温区，冷冻区、恒温区到流通加工区的物流关系。

（4）非物流关系分析。非物流关系的分析主要围绕飞毯设备进行。引入飞毯设备后，原有作业流程的变化引发仓库布局更改，需要考虑飞毯作业的便捷性；其次，飞毯设备完全自动化控制，无需人工进行仓库间的操作，需要考虑飞毯设备在仓库间穿梭的贯通性；另外，飞毯设备是基于电磁推动技术的模块化设计，当设备发生故障时，只需要替换损坏的PU或者Mover，需要考虑仓库维护保养的可操作性和仓库应用模块的耦合度；最后，飞毯设备极大地减少了仓库人力投入，需要考虑人员减少时如何做好仓库管理工作。非物流关系等级划分见表4。

表4 等级划分理由

根据表4绘制出非物流关系密切程度表，见表5。

表5 非物流关系密切程度

根据表5绘制出功能区非物流关系图，如图7所示。

图7 功能区非物流关系

由图7可得，冷库布局需要优先考虑冷藏区、恒温区和冷冻区到产品配送区的非物流关系；其次，考虑产品配送区到流通加工区，恒温区、冷藏区、冷冻区到暂存区的非物流关系；最后，考虑恒温区到流通加工区，恒温区到冷藏区的非物流关系。

（5）综合物流关系分析。结合上述分析，可以对飞毯仓库进行综合物流关系分析，并给出最终功能区之间的位置关系和它们之间联系的密切程度。由于本研究的目的是将飞毯设备更好地应用于仓库，助力物流自动化、智慧化转型升级，所以，物流因素应该占据主导地位，这里取比值2：1进行综合物流关系分析，得到功能区综合关系图，如图8所示。

图8 功能区综合关系

由图8可得，冷库布局需要优先考虑冷藏区到产品配送区的综合物流关系；其次，考虑暂存区到冷冻区，恒温区、冷冻区到产品配送区的综合物流关系；然后，考虑暂存区到恒温区、冷藏区，恒温区到流通加工区，流通加工区到产品配送区的综合物流关系；最后，考虑恒温区到冷藏区的综合物流关系。

（6）最终布局。基于以上分析，计算出优化后的面积占比见表6，最终飞毯仓库布局如图9所示。

表6 各区域面积占比

图9 飞毯仓库布局图

3.2 基于飞毯智能技术的内部布局优化

将智能飞毯铺设在仓库内需要对原来各区域内部的布局进行调整，即将原有货架区域及叉车作业区域均调整为飞毯区域。

以冷藏区为例，该区面积为5 000m2，可用面积为4 800m2，其中长80m，宽60m。根据冷库设计国家标准相关要求[9]，冷藏区划分为A、B两个区域，两个区域间隔2m。引入飞毯前每个分区内有15排货架，每排货架深度为1m，两排货架之间有宽3m的叉车作业通道，如图10所示。

图10 初始冷藏区布局

引入飞毯设备后，省去叉车在库内作业的空间，图11中的灰色区域（货架）和白色区域（叉车作业区域）全部铺满飞毯设备，实现仓储紧致化。以A区为例：A区长方向：60÷1.2=50（个）；A 区宽方向：39÷1=39（个）；飞毯总数：50×39=1 950（个）。即改造后的仓库A、B 每个分区内能够配备1 950个飞毯。引入飞毯后的冷藏区布局如图11所示。其他各区域均按照同样的方法布置处理。

图11 引入飞毯后的冷藏区布局

3.3 利用光伏储能技术优化飞毯仓库

为更好地满足飞毯智能技术的能源需求，可为Z公司仓库设施增设光伏储能设备。

3.3.1 光伏储能原理。光伏储能主要应用到的能源为太阳能。仓库上的太阳能电池板可以遮挡日光照射，较低的外部温度将有助于降低冷库的用电量。另外，冷库拥有较充足的屋顶面积，所以选择将光伏发电设备安装在屋顶上。3.3.2 连接方式。飞毯设备与光伏储能设备结合，使用连接线把太阳能电源控制器和蓄电池连接起来，太阳能电源控制器的正极连接蓄电池的正极，太阳能电源控制器的负极连接蓄电池的负极。连接线可从仓库墙体和飞毯PU的内部穿过，有效隐藏且无需对原有仓库进行大规模改造。再用连接线连接太阳能电源控制器和太阳能板，太阳能电源控制器的正极连接太阳能板的正极，太阳能电源控制器的负极连接太阳能板的负极。太阳能板接线连接成功后，可将飞毯的PU直接接在太阳能电源控制器输出端，实现光伏发电。

3.3.3 电池选择。主流电池储能技术对比见表7。本研究是将飞毯应用于冷库，密封及低温环境会缩短电池使用寿命，考虑购买成本及性能条件等因素，建议该冷库采用全钒液流电池。

表7 主流电池储能技术

3.3.4 效益分析。数据表明，光伏屋顶分布式发电平均每平米年发电量90～100kW·h 左右。Z 公司冷库总面积为16 000m2，实际可用平顶面积为15 000m2，经合理估算，每年光伏发电量约为150万kW·h。每度光伏发电可减少二氧化碳的排放量为0.734g，相当于减少碳排放0.272kg，那么每年150万kW·h的光伏发电量可以减少二氧化碳排放1 101kg，相当于减少碳排放为408kg[10]。现有工业用电普通时段电费为0.725元/kW·h，国家出台的关于仓库屋顶光伏分布式发电的政策补贴标准为0.42元/kW·h（含税），即采用光伏发电后Z公司冷库可节约大约45.75万元的电费成本。

4 结语

本文创新性地将飞毯智能技术应用于实际仓储环节。未来该技术将不断改进，更好地应用于物流业以及其他更多行业领域：（1）全自动无人仓库。Mover之间灵活的拼接和运输可以取代叉车、AGV以及货架等仓储运输物流设备，实现仓库无人化、自动化管理。（2）生产制造工厂。未来Mover可以配备机器人、机械吊臂等，产品生产可以直接在飞毯上进行，实现车间或仓库等内部区域空间的最佳利用。（3）城市交通运输。未来飞毯可以与城市基础设施协作，如辅助全自动停车场的运作，实现车辆位置的自动调度，解决超载问题，提高安全性，减轻城市中心基础设施的负担。