編者按：《物流技術(shù)與應用》雜志2017年5月刊登穿梭車(chē)專(zhuān)題報道，北京伍強科技公司董事長(cháng)尹軍琪應邀撰寫(xiě)主題文章。本次轉載有細微修改。

        一、穿梭車(chē)系統的定義、功能及發(fā)展

    （注：箱式輸送型應用極少）

圖1 穿梭車(chē)的基本分類(lèi)

        穿梭車(chē)（SHUTTLE CAR），顧名思義，是物流系統中一種執行往復輸送任務(wù)的小車(chē)，其基本功能是在物流系統中（平面內）通過(guò)軌道上的往復運動(dòng)以完成貨物單元（主要是托盤(pán)和箱子）的輸送。

        穿梭車(chē)有別于提升機（垂直輸送），AGV（自動(dòng)導向，無(wú)軌道），以及堆垛機（AS/RS與MINILOAD，3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。

        穿梭車(chē)按照輸送貨物單元類(lèi)型可以分為托盤(pán)式穿梭車(chē)和箱式穿梭車(chē)，按照其作業(yè)場(chǎng)地不同，可分為輸送型穿梭車(chē)和存取型穿梭車(chē)。

        穿梭車(chē)還有其它多種形式，只是因為應用較少，或種類(lèi)太多，在這里沒(méi)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(chē)。

        相對于輸送型穿梭車(chē)有超過(guò)50年的發(fā)展歷史，存取型穿梭車(chē)的歷史要短得多。最早的穿梭板和子母車(chē)應用到現在也不過(guò)20年歷史，而4向車(chē)的應用則是最近10年以?xún)鹊氖虑?。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(luò )技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展也是重要原因。

        隨著(zhù)電池、網(wǎng)絡(luò )等關(guān)鍵問(wèn)題的逐步解決，穿梭車(chē)技術(shù)被迅速應用于物流系統。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(dòng)方式，由叉車(chē)進(jìn)行換巷道和換層作業(yè)。

        穿梭車(chē)的巨大作用是解決了兩大問(wèn)題：其一是密集存儲問(wèn)題，采用穿梭車(chē)系統，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(wú)法比擬的；其二是快速存取問(wèn)題，其實(shí)，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(chē)等技術(shù)，徹底解決了快速存取問(wèn)題?？梢哉f(shuō)，穿梭車(chē)技術(shù)的發(fā)展，為未來(lái)的物流技術(shù)發(fā)展奠定了基礎和指明了方向，并且開(kāi)辟了一片新天地。

        二、穿梭車(chē)系統的基本構成

圖2：穿梭車(chē)系統構成

        穿梭車(chē)系統的基本構成多種多樣，作為一個(gè)獨特的物流系統，它與普通的物流自動(dòng)化系統有許多相似之處，但也有很大不同。一般情況下其系統構成如上圖所示：

        其中，調度系統是至關(guān)重要的子系統之一，有些功能是其他物流系統所沒(méi)有的。

        托盤(pán)式穿梭車(chē)系統主要用于密集存儲，其收貨系統中主要包括輸送機（包括提升機），儲存系統則包括貨架，穿梭車(chē)，提升機等，有些也采用堆垛機（AS/RS）完成穿梭車(chē)的換層，發(fā)貨系統包括輸送機及揀選系統等。有些系統比較簡(jiǎn)單，如穿梭板可以自行構成系統，有些系統則比較復雜，如采用機器人完成入庫碼垛和出庫拆垛等。

        箱式穿梭車(chē)系統主要用于“貨到人”揀選系統，其收貨系統包括收貨換箱工作站和收貨輸送系統；儲存系統包括貨架及軌道、穿梭車(chē)（包括多層穿梭車(chē)、子母車(chē)，4向穿梭車(chē)等）、提升機等；發(fā)貨系統則包括揀選工作站、包裝工作站和輸送系統等，根據實(shí)際應用不同，有些系統會(huì )簡(jiǎn)單或復雜一些。

        穿梭車(chē)是系統的核心產(chǎn)品。其本身的構成包括車(chē)體和移載機構。多層穿梭車(chē)只能完成往復運動(dòng)，有的可以依靠提升機完成換層，有的則不能換層；4向穿梭車(chē)可以完成平面內的x方向和y方向的運動(dòng)，換層則通過(guò)提升機完成；還有一種子母車(chē)，母車(chē)完成巷道內x方向的運動(dòng)，子車(chē)可以完成y方向的運動(dòng)。移載機構有很多種形式，其中夾抱式貨叉應用比較多。穿梭車(chē)采用電池供電，為滿(mǎn)足作業(yè)需要，要求一次完全充電能夠滿(mǎn)足6個(gè)小時(shí)以上的正常作業(yè)，作業(yè)空閑時(shí)間，還要求能夠快速充電。托盤(pán)式穿梭車(chē)有固定的充電站，箱式穿梭車(chē)則采用多種形式，如在提升機上充電就是一種快速充電的方式。

        三、穿梭車(chē)系統的關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)難點(diǎn)

        最早的穿梭板小車(chē)，采用的是半自動(dòng)控制方式，結構和系統簡(jiǎn)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(mǎn)足的工作時(shí)間，成為穿梭板的一個(gè)瓶頸。而高性能的電池價(jià)格昂貴，使得穿梭板小車(chē)的應用非常有限。隨著(zhù)電池性能的不斷提高，量產(chǎn)以后價(jià)格下降，穿梭板小車(chē)才得以廣泛應用。

        在早期，有一個(gè)很大的困難是小車(chē)的電量監測，設想一下小車(chē)突然沒(méi)有電時(shí)怎么辦？而這種情況確實(shí)每天都發(fā)生。如果不能有效的監測到小車(chē)的電量，問(wèn)題就無(wú)法解決。這一問(wèn)題會(huì )造成全自動(dòng)的系統和大型系統無(wú)法應用，也是穿梭車(chē)系統遲遲不能推廣應用的關(guān)鍵原因之一。

        此外，通訊和定位也是關(guān)鍵技術(shù)。早期的穿梭板由于通訊問(wèn)題導致的定位不準確，進(jìn)而出現大量空位情況，而設備通訊故障頻繁導致維護也很困難，也在很大程度上影響其使用。

        托盤(pán)式4向車(chē)的誕生改變了人們的思維方式。托盤(pán)式4向車(chē)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，傳統以AS/RS為主的立體存儲設計思想受到了很大沖擊。然而，4向車(chē)系統的路線(xiàn)設計是非常困難的。對于越大的系統，調度系統難度越大。此外，由于增加了橫向和縱向的軌道，系統交通管制也是一個(gè)非常大的問(wèn)題，這些問(wèn)題不解決好，也將無(wú)法大規模使用。

        對于箱式穿梭車(chē)來(lái)說(shuō)，最早的多層穿梭車(chē)應用研究有超過(guò)10年的歷史，它的發(fā)明解決了“貨到人”揀選系統中長(cháng)期困擾人們的存取速度問(wèn)題。在此前，盡管Miniload的速度已經(jīng)提高到驚人的350m/min，但存取效率還是局限在100多次/臺，多層穿梭車(chē)輕松的突破了這一極限。多層穿梭車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)首先是充電問(wèn)題，現在的快速充電裝置可以在數秒之內快速充電，滿(mǎn)足小車(chē)幾分鐘的作業(yè)要求，這樣，小車(chē)完全可以實(shí)現24小時(shí)不間斷工作，這是一個(gè)重大突破。此外，多層穿梭車(chē)的貨叉設計也是重點(diǎn)。隨著(zhù)市場(chǎng)分工越來(lái)越細，現在已經(jīng)有成熟的貨叉可以選用。貨叉的成本約占小車(chē)的40%，從這一點(diǎn)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(chē)解決方案

        對于4向箱式小車(chē)來(lái)說(shuō)，其難度主要在于控制和調度系統，訂單管理，路線(xiàn)優(yōu)化算法非常復雜，控制更加困難。設想一個(gè)具有500輛小車(chē)的系統，如何調度才能有效是一個(gè)非常大的問(wèn)題。很多系統的能力受到限制主要是由于車(chē)的不合理調度造成的，不同系統的差異非常大。

        此外，穿梭車(chē)的軌道要求很?chē)?，一般的貨架生產(chǎn)工藝不能滿(mǎn)足要求。國內能夠提供4向車(chē)軌道的廠(chǎng)家少之又少，這也為應用設置了障礙。

        現在的情況是：電池技術(shù)有了質(zhì)的飛躍，貨叉也有成熟的產(chǎn)品，但控制系統和調度系統卻沒(méi)有現成的可以采購，使得大型物流中全面應用穿梭車(chē)還有很大難度。

        四、市場(chǎng)需求及未來(lái)變化

        穿梭車(chē)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，所以一經(jīng)推出，便廣受用戶(hù)歡迎。

        對托盤(pán)式穿梭車(chē)來(lái)說(shuō)，與傳統的AS/RS系統相比，根據方案不同，其存儲密度會(huì )提高30%-50%不等，而且最大的優(yōu)勢是：4向穿梭車(chē)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(wú)法比擬的優(yōu)勢。雖然AS/RS系統也有雙深度存儲技術(shù)以增加存儲密度，但無(wú)論存儲密度還是對空間的要求，都與穿梭車(chē)相去甚遠。

        密集存儲的應用場(chǎng)合非常多，如煙草原料和成品、食品飲料、工業(yè)制造等。尤其在冷鏈有很大的用武之地。傳統的冷庫不僅空間利用率底，而且作業(yè)環(huán)境非常惡劣，托盤(pán)式穿梭車(chē)的發(fā)明，大幅度提升了密集存儲的密度，也改善了作業(yè)環(huán)境，可謂一舉多得，市場(chǎng)前景非常廣闊。目前存在的問(wèn)題是，由于穿梭車(chē)系統的貨架要求比較高，增加了系統的成本，為需要快速入出作業(yè)的系統帶來(lái)了成本壓力。

        箱式穿梭車(chē)在拆零揀選方面的應用則更為廣闊。箱式穿梭車(chē)系統可以適應于多種現場(chǎng)情況，這是與Miniload不同的地方，此外，Miniload的存取能力受到限制，無(wú)法滿(mǎn)足“貨到人”揀選的需求。與傳統的閣樓式貨架比較，穿梭車(chē)系統存儲效率更高，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(gè)方面。當然，成本是其劣勢之一。但隨著(zhù)人工成本的不斷增加，這一點(diǎn)很快會(huì )達到平衡，并顯示出優(yōu)勢。

        就“貨到人”揀選技術(shù)而言，目前也有多種形式，如典型的KIVA系統就是應用最廣泛的技術(shù)之一。KIVA系統十分靈活，設計簡(jiǎn)單，容易搬遷和增減設備，這是其得以推廣的主要原因。然而，KIVA系統存儲效率低，揀選難度相對較大和效率相對較低的缺點(diǎn)，也注定其應用將受到限制。

        對設計和使用者來(lái)說(shuō)，在實(shí)際設計中，如何選擇和評價(jià)穿梭車(chē)系統非常關(guān)鍵。主要應該注意的是以下幾個(gè)方面：

        出入庫作業(yè)能力：出入庫作業(yè)能力是衡量穿梭車(chē)系統的重要指標。包括輸送系統，提升機，穿梭車(chē)，堆垛機等所有關(guān)聯(lián)系統或設備的作業(yè)能力的匹配，以及揀選工作站的能力等。在實(shí)際設計中，要求一個(gè)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、輸送系統的設計也提出了很大挑戰。

        存儲能力：儲存能力基本是一個(gè)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。密集庫系統對儲存指標要求比較高，但拆零揀選系統卻并不特別追求這一點(diǎn)。要注意儲存能力和存取能力的一致性，有時(shí)過(guò)分追求單一指標是沒(méi)有意義的。

        軟件系統：對于箱式穿梭車(chē)系統來(lái)說(shuō)，其難點(diǎn)在于軟件系統，如何快速高效地響應訂單的揀選要求，是考驗一個(gè)穿梭車(chē)系統的關(guān)鍵內容。而對于托盤(pán)式穿梭車(chē)來(lái)說(shuō)，4向車(chē)的控制系統是難點(diǎn)，密集庫的管理與作業(yè)流程設計與普通倉庫也大不一樣。

        可靠性指標：沒(méi)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(gè)可用度指標，可以用來(lái)描述系統的可靠性。其計算公式是：

        系統的可用度=（系統的可用時(shí)間/系統運行的總時(shí)間）*100%

        具體應用到穿梭車(chē)系統，可以將系統分為若干部分，對于串行系統，每部分的權重為1，對于并行系統，每個(gè)并行支線(xiàn)的權重為1/n（n為并行子系統的數量）。系統的可用時(shí)間是指系統總時(shí)間扣除故障恢復時(shí)間所剩余的時(shí)間。FEM規定，系統的可用度大于97%才能正式上線(xiàn)運行。

        此外，還有一個(gè)指標叫做平均無(wú)故障時(shí)間MTBF（Mean time between failure），其單位為小時(shí)。MTBF越大，系統越可靠。這一指標對于單一設備的評價(jià)非常適用，但用于對物流系統的可靠性評價(jià)卻并不適用。其理由是物流系統非常復雜，存在很多“部分可用”的情況，無(wú)法用這一指標來(lái)評估。

        五、穿梭車(chē)系統的發(fā)展趨勢

        穿梭車(chē)的誕生是物流裝備技術(shù)的一次重大創(chuàng )新，它甚至改變了長(cháng)期以來(lái)AS/RS系統長(cháng)期獨占市場(chǎng)的格局。對于未來(lái)的發(fā)展趨勢，行業(yè)內多數專(zhuān)家都表現出極大的樂(lè )觀(guān)。

        托盤(pán)式穿梭車(chē)的應用，徹底改變了密集存儲系統的概念，甚至可以說(shuō)是一種顛覆。從簡(jiǎn)單的穿梭板應用，到子母車(chē)，再到4向車(chē)系統，其發(fā)展軌跡一致圍繞著(zhù)密集存儲進(jìn)行。密集存儲在制造業(yè)物流中有廣泛的應用空間，尤其在煙草、食品、酒水、家電等大宗商品生產(chǎn)領(lǐng)域，而冷鏈物流的市場(chǎng)需求將超出人們的期望，托盤(pán)式穿梭車(chē)可以說(shuō)是應運而生。

        如果說(shuō)托盤(pán)式穿梭車(chē)是為密集存儲而生，箱式穿梭車(chē)則完全是為拆零揀選而生，一個(gè)巷道達到1000余次的作業(yè)量，這在以前是無(wú)法想象的。而箱式穿梭車(chē)的誕生輕易的將人類(lèi)這一夢(mèng)想變成了現實(shí)。其意義是巨大的，影響也是深遠的。

        過(guò)去幾年來(lái)，智能物流（SMART LOGISTICS）成為行業(yè)最亮眼明星。人們暢想的智能物流到底是什么？有的人不是很清楚，有的人給出了藍圖。其中最關(guān)鍵的一點(diǎn)共識是，智能物流是實(shí)現大規模定制化生產(chǎn)的基礎。什么是大規模定制化生產(chǎn)？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是要將以前的“千人一面”市場(chǎng)需求轉變?yōu)椤扒饲妗钡膫€(gè)性化需求。從這個(gè)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(lái)的主要揀選形態(tài)。由此可見(jiàn)箱式穿梭車(chē)的價(jià)值所在。

        許多年前，人們在預測物流未來(lái)的時(shí)候，往往樂(lè )觀(guān)的認為未來(lái)物流中心規模將越來(lái)越小，理想甚至是庫存等于0。但是事與愿違，現在的物流中心，規模變得越來(lái)越龐大，品規數變得越來(lái)越多，訂單越來(lái)越細，這正是一個(gè)大規模定制化模型的真實(shí)寫(xiě)照，電子商務(wù)很好的詮釋了這一模型，并在很短的時(shí)間內使之成為現實(shí)?？梢灶A見(jiàn)的是，穿梭車(chē)的應用將越來(lái)越廣泛，規模也將越來(lái)越大，前景不可限量。