前言：2015年，由中國機械工程學(xué)會(huì )物流工程分會(huì )組織編寫(xiě)的《物流工程技術(shù)路線(xiàn)圖》一書(shū)正式由中國科學(xué)技術(shù)出版社出版發(fā)行。這本書(shū)是由中國科學(xué)院院士路甬祥組織的《面向2030中國機械工程技術(shù)路線(xiàn)圖》叢書(shū)中的一本。全書(shū)由包起帆院士擔任顧問(wèn)，陸大明會(huì )長(cháng)擔任主編，王國華、尹軍琪、李蘇劍、邱伏生、周云、周奇才、孟文俊、徐格寧擔任副主編，參與編寫(xiě)的專(zhuān)家學(xué)者多達50余人，歷經(jīng)2年時(shí)間，6易其稿，最終成書(shū)。作者有幸擔任第六章物流倉儲設備的編寫(xiě)工作，參與編寫(xiě)的還有翁訊和王樂(lè )樂(lè )兩位專(zhuān)家。能與這么多的專(zhuān)家一起，完成這樣一部重要著(zhù)作的編寫(xiě)工作，這是我一生的榮幸。

        現在，距離寫(xiě)作的時(shí)間已經(jīng)過(guò)去近10年，有多少技術(shù)是預測對了，還有多少沒(méi)有預測到，作為作者肯定是關(guān)心的，我想，讀者也一定懷有好奇心。今天將第六章整個(gè)文獻刊登出來(lái)，一是為了更多的人了解這一本書(shū)的內容，二是回眸10年前的文章，也頗具意義。為了盡可能還原原貌，本次轉載除加了標題外，沒(méi)有做任何修改。預測本來(lái)就具有風(fēng)險，而其過(guò)程卻充滿(mǎn)樂(lè )趣。

        概  論

        物流倉儲設備包括物流系統中的儲存設備、搬運設備、輸送設備、揀選設備、分揀設備等，是物流工程的重要分支，典型產(chǎn)品包括如貨架、叉車(chē)、AS/RS、AGV、輸送機、碼垛/拆垛機、自動(dòng)揀選機、高速分揀機等，以及如倉庫門(mén)、托盤(pán)、揀選臺車(chē)、調節平臺、包裝設備等輔助設備。作為一個(gè)復雜的系統，物流倉儲系統通過(guò)上位計算機系統和自動(dòng)控制系統實(shí)現各單元設備的協(xié)調與控制，從而完成貨物的接收、入庫、儲存、揀選、包裝、分類(lèi)、集貨和發(fā)運等一系列工作。

倉儲作業(yè)流程

        隨著(zhù)國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，社會(huì )對物流的需求日益擴大，物流倉儲設備需求出現快速增長(cháng)勢頭。據不完全統計，到2013年底，中國物流倉儲設備的總需求量接近180億元（不含工業(yè)叉車(chē)、托盤(pán)，以下同），約占全球市場(chǎng)15%，而且每年以超過(guò)20%的速度增長(cháng)。我國物流倉儲設備技術(shù)水平在最近15年間發(fā)展迅速，已經(jīng)形成一定的產(chǎn)業(yè)規模，擁有一批生產(chǎn)企業(yè)和系統集成商。但與世界先進(jìn)水平仍然差距明顯，主要表現在產(chǎn)品的多樣性、適應性以及可靠性等方面。此外，企業(yè)規模與世界領(lǐng)先企業(yè)還有相當大距離，2013年，全球排名第一的物流系統供應商產(chǎn)值達到26.54億美元，排名第20的企業(yè)達到1.31億美元，而國內的企業(yè)，最大的產(chǎn)值也不過(guò)10億人民幣左右，大致處于世界第20位左右的水平。

        未來(lái)15年（2015-2030年），將是我國物流倉儲設備趕超世界先進(jìn)水平的關(guān)鍵時(shí)期。從目前發(fā)展情況看，到2020年，中國市場(chǎng)需求將達到500-600億人民幣，占世界總量將接近25%，中國將成為全球三大市場(chǎng)之一。預測到2030年，中國物流倉儲裝備市場(chǎng)需求將達到1800億左右，占世界總需求量的50%左右，成為全球最大的市場(chǎng)，中國將有企業(yè)進(jìn)入世界物流系統供應商前10強（約10億美元）。新型行業(yè)，如電子商務(wù)、農產(chǎn)品配送、軍隊后勤等對物流需求的增長(cháng)，將對物流倉儲設備的技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)需求產(chǎn)生重大影響。

        隨著(zhù)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及大數據技術(shù)的發(fā)展和應用，物流倉儲設備的發(fā)展在未來(lái)將呈現前所未有的快速發(fā)展態(tài)勢，基于供應鏈系統優(yōu)化的需要，快速、可靠、自動(dòng)化、智能化、多樣性、適應性將是發(fā)展的主要方向。技術(shù)方面，制造領(lǐng)域中新型設備將不斷涌現，尤其是隨著(zhù)制造水平的提高，各種高端設備，如AGV、機器人等設備制造的難度將會(huì )降低，制造成本也將大幅度降低。這一趨勢將從根本上改變物流倉儲設備的格局，尤其是機器人參與物流作業(yè)不僅將成為可能，從遠期發(fā)展看，更將成為一種常態(tài)。另一方面，標準化、單元化物流將得到快速發(fā)展，與此相適應的物流倉儲設備也將應運而生。

        集成控制技術(shù)

        概述

        物流倉儲設備在其發(fā)展過(guò)程中，一直朝著(zhù)自動(dòng)化、系統化、智能化方向發(fā)展。一個(gè)復雜的自動(dòng)化物流倉儲系統，往往集成了眾多種類(lèi)的物流倉儲設備，這些設備互相關(guān)聯(lián)，共享信息，協(xié)調工作。如何高效的協(xié)調各設備的運轉，即系統集成控制技術(shù)的研究，成為物流倉儲設備發(fā)展的一項重要內容。

就基礎技術(shù)而言，在可以預見(jiàn)的未來(lái)，自動(dòng)化控制仍然主要以計算機和PLC控制為主，其技術(shù)包括現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )控制技術(shù)、分布式控制技術(shù)、模塊化控制技術(shù)等。集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò )化是其基本發(fā)展方向。毋庸置疑，隨著(zhù)基礎技術(shù)水平的大幅提升，控制系統的反饋速度、精準性、可靠性將有質(zhì)的提高。

        在集成控制研究中，我們會(huì )看到一項非常重要的成果：即物流設備相互匹配和協(xié)調的重要性超過(guò)了單一設備性能指標的重要性。盡管我們在設備研究中，特別注重設備的基本性能，如載荷、速度等，但從系統的角度看，協(xié)調性或者說(shuō)匹配才是優(yōu)先要考慮的問(wèn)題。如自動(dòng)化立體庫中，堆垛機和輸送機的匹配、輸送機與叉車(chē)的匹配等等。

AS/RS系統

        另一方面，集成控制技術(shù)研究并非僅停留在設備簡(jiǎn)單連接，而是要研究多形態(tài)、多層次、多角度、多數據庫的系統連接，并通過(guò)優(yōu)化控制技術(shù)，使這種連接更加高效、可靠和安全。

        近年來(lái)被反復提到的大數據技術(shù)，將對集成控制產(chǎn)生深遠影響。在未來(lái)若干年內，大數據技術(shù)將在決策、控制理論、跟蹤技術(shù)等多方面對集成控制產(chǎn)生重大影響。

        典型應用方面，以復雜物流配送中心為典型的集成控制技術(shù)是研究的重點(diǎn)，主要體現在系統的接口、數據傳輸、網(wǎng)絡(luò )通訊以及系統安全等多個(gè)方面。

        隨著(zhù)物流倉儲自動(dòng)化程度的提高，物流裝備在整個(gè)配送中心中的投資占比逐漸提升。目前約占15-20%左右，2020年將達到25%，到2030年，在很多系統中這一比例有望達到30%。由此可見(jiàn)，集成控制技術(shù)的發(fā)展對于未來(lái)物流倉儲設備發(fā)展的影響程度。

        基于對未來(lái)自動(dòng)化和智能化的基本判斷，“自主控制”將是未來(lái)的亮點(diǎn)。

        雖然可熱插拔技術(shù)目前還沒(méi)有出現應用的跡象，但它的未來(lái)應該是可期待的?？蔁岵灏渭夹g(shù)是模塊化控制技術(shù)的一項應用，它既可應用于A(yíng)GV、機器人一類(lèi)的系統之中，也可應用于輸送機、智能叉車(chē)、AS/RS等系統之中。

        關(guān)鍵技術(shù)

        （一）復雜物流配送中心的集成控制技術(shù)

        ?  1. 現狀

        復雜物流配送中心是一個(gè)相對的概念。主要體現在大規模、多系統、多流程、多業(yè)務(wù)形態(tài)等多個(gè)方面。

        配送中心是物流倉儲系統的典型代表。一個(gè)綜合的自動(dòng)化配送中心，各種設備的相互協(xié)調構成了一個(gè)復雜的系統，規模大，所集成的設備種類(lèi)多，流程復雜，接口復雜。這一類(lèi)系統代表了未來(lái)物流倉儲系統的基本形態(tài)。

某行業(yè)自動(dòng)化物流中心

        就目前的技術(shù)而言，各子系統的控制技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，如自動(dòng)化立體庫（AS/RS）?；赑LC的可編程控制技術(shù)是目前常用的技術(shù)，未來(lái)這一技術(shù)將繼續存在。通訊方面，基于總線(xiàn)的通訊技術(shù)是最常見(jiàn)的通訊技術(shù)，此外還有紅外通訊、無(wú)線(xiàn)通訊、載波通訊等主要用于移動(dòng)設備的通訊。過(guò)去10年，系統集成度在物流配送中心取得了大幅提升，但無(wú)論是自動(dòng)化水平還是系統的復雜程度，與國際先進(jìn)水平還有較大的差距。

        ?  2. 挑戰

        （1）接口與通訊：系統的規模和復雜性將進(jìn)一步擴大以適應業(yè)務(wù)的需求。如投資數億元以上的物流配送中心將成為非常普遍的現象。多系統間的接口技術(shù)，將是未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前主要以基于TCP/IP的協(xié)議為主，未來(lái)可能有多種協(xié)議的協(xié)同。

        （2）調度：復雜物流中心集成控制的一個(gè)難點(diǎn)是集成調度問(wèn)題。成千上萬(wàn)條指令的協(xié)同工作給集成調度提出了很高的要求，集成算法面臨挑戰。各種業(yè)務(wù)模式、各種目標形態(tài)（如單元種類(lèi)）的交錯工作，更是對集成控制提出了挑戰。

        （3）數據傳輸：目前以現場(chǎng)總線(xiàn)、紅外通訊和無(wú)線(xiàn)通訊為主，未來(lái)發(fā)展的主要方向是傳輸帶寬、穩定性、實(shí)時(shí)性、抗干擾性的大幅度提升。

        （4）安全性：主要是數據的安全性，各種備份機制的完善是未來(lái)要面對的重要問(wèn)題，系統不能承受長(cháng)時(shí)間的中斷，更加迅捷和安全的恢復機制將產(chǎn)生。云端技術(shù)、現場(chǎng)拍照、瞬時(shí)恢復技術(shù)、自主修復技術(shù)等將得到廣泛應用。

        短期（2020年）將研究出面對各種類(lèi)型設備的統一接口平臺。通過(guò)這一平臺，管理系統與集成控制系統將變得相對獨立，從而降低各自系統的復雜程度。

        各種集成控制算法將以新的面貌出現。自動(dòng)控制編程將實(shí)現平臺化，基于模塊化的各種復雜邏輯控制將變得更加簡(jiǎn)單。在一些領(lǐng)域，基于計算機的控制編程將逐漸取代PLC層面的編程，快捷、可靠、簡(jiǎn)單將是未來(lái)發(fā)展的方向。此外，關(guān)于復雜系統的調度系統將采用云端計算等先進(jìn)技術(shù)，一方面使各子系統間的工作協(xié)調性得到加強，另一方面，使系統的安全性、可靠性將得到大幅提升。

        通訊方面，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應用仍然是通訊的主流方式，但帶寬將有成千倍的增加，以適應大數據量通訊和實(shí)時(shí)通訊的需要。紅外通訊技術(shù)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用將全面展開(kāi)。

        （二）多維監控技術(shù)

        ?  1 現狀

        監控技術(shù)是自動(dòng)化物流倉儲系統中關(guān)鍵技術(shù)之一。在目前應用的絕大多數系統中，監控主要包括兩類(lèi)：其一是獨立的電視監控系統，其二是基于現場(chǎng)信號反饋的數字監控系統。數字監控系統通過(guò)獲取現場(chǎng)信號，傳輸到中央控制室，通過(guò)計算機予以呈現。傳統的監控系統以監視為主，控制主要通過(guò)人工完成，或遠程干預維護，或現場(chǎng)解決。

        以AS/RS系統為例，系統的故障類(lèi)型多達四、五十種，如超載、超限、超速、超時(shí)、雙重入庫等，監視系統不僅可以通過(guò)視頻手段查看現場(chǎng)狀況，也可以通過(guò)數字反饋定位故障類(lèi)型，以便于維護人員及時(shí)處理，解除故障。

監控系統

        多維監控不僅是手段和角度的多樣性，如電視、光電信號、設備參數等，而且還包括設備壽命監控、系統關(guān)鍵指標監控等；不僅要監控當前的運行狀態(tài)，還應為系統提供預警，預防故障的發(fā)生。

        對于越來(lái)越復雜和龐大的系統，多維監控提供不同角度監控系統的能力。一方面，可以盡可能的減少監控的死角，包括視頻監控、設備狀態(tài)監控、設備壽命監控和關(guān)鍵參數監控等；另一方面，多維度監控為系統的穩定運行提供保障。

        ?  2 挑戰

        電視監控仍然是系統監控的重要方式之一，高清晰度的監控技術(shù)目前已經(jīng)得到廣泛應用。具有挑戰性的是：是否支持諸如圖像比對等自主功能，這一技術(shù)使電視監控改變過(guò)去僅僅是監視功能的模式，從而具備智能監控的能力。

        數字反饋未來(lái)的挑戰在于大量現場(chǎng)數據的傳輸和處理問(wèn)題。目前的問(wèn)題是，有些故障無(wú)法反饋，從而造成問(wèn)題得不到及時(shí)處理。

        預警是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的最有價(jià)值的方面，除了監視設備的設定壽命以外（可以通過(guò)數據庫提示），還要監視設備在運行過(guò)程中關(guān)鍵參數的漸變，為系統預警提供數據支持。尤其對于高端設備，如高速堆垛機、分揀機等，這一技術(shù)將可以預防災難性結果發(fā)生。

        ?  3 目標

        （1）電視監視系統具備自主監視和報警能力，在技術(shù)上的難度已經(jīng)突破，關(guān)鍵是成本問(wèn)題。目前，高清晰度監視系統的費用將比普通監視系統高出10倍左右，很多企業(yè)無(wú)法承受。估計具備自主識別功能的監控系統未來(lái)的應用將局限于關(guān)鍵設備和關(guān)鍵系統。前者如AS/RS系統和高速分揀系統，后者如煙草生產(chǎn)物流中心、電子商務(wù)配送中心。

        （2）數字監控技術(shù)將是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向。隨著(zhù)通訊技術(shù)的發(fā)展，更大的數據量將使得更多的現場(chǎng)信號反饋到中央控制室，從而使得監控更加及時(shí)、全面、有效。

        （3）預警和關(guān)鍵設備壽命監控是多維監控發(fā)展的重要方向。通過(guò)獲取關(guān)鍵設備和系統的關(guān)鍵參數信號，從而判斷設備和系統當前是否處于健康運行狀況，是否需要維護，從而避免事故發(fā)生后所造成的重大損失。

        （4）基于圖像識別技術(shù)的智能識別監控也是未來(lái)可能的發(fā)展方向。通過(guò)圖像的識別實(shí)現設備某些工況的狀態(tài)反饋，也可實(shí)現基于圖像識別技術(shù)的倉庫智能盤(pán)點(diǎn)。

        （三）大數據技術(shù)（決策、跟蹤、服務(wù)）

        ?  1 現狀

        大數據包羅萬(wàn)象，具有四個(gè)基本特征，即：大量、高速、多樣、價(jià)值。大數據所包含的范圍非常廣泛，在物流系統中，所有被控制對象的位置、運動(dòng)、震動(dòng)、溫度、濕度以及周邊環(huán)境數據都屬于大數據的基本范疇。所謂大數據技術(shù)，就是從各種各樣類(lèi)型的數據中，快速獲取有用的數據信息。隨著(zhù)數字化時(shí)代的到來(lái)，大數據時(shí)代已經(jīng)悄然而至。

        目前雖然還沒(méi)有大數據技術(shù)在物流集成控制中的典型應用，但可以預期的是，系統診斷、集成控制等關(guān)鍵技術(shù)的應用將有賴(lài)于大數據技術(shù)。

        ?  2 挑戰

        大數據在物流系統集成控制中的應用研究是一項嶄新的課題，將徹底改變目前依靠單一和有限數據來(lái)源進(jìn)行控制、故障診斷的方式。有一些重點(diǎn)方向可以預測，如：

        （1）設備和關(guān)鍵零部件特征參數的數據判斷；

        （2）基于歷史特征數據比對技術(shù)的故障分析技術(shù)；

        （3）基于現場(chǎng)多維數據反饋的系統故障的診斷和預警；

        （4）基于對未來(lái)預期的系統軟啟動(dòng)技術(shù)。

        ?  3 目標

        （1）大數據技術(shù)的應用將會(huì )有一個(gè)由淺入深的過(guò)程?；跉v史特征數據參數分析的故障診斷技術(shù)將會(huì )很快投入使用，尤其對于A(yíng)S/RS系統、快速分揀系統、AGV系統、機器人系統等關(guān)鍵設備，這一技術(shù)將會(huì )有用武之地。

交叉帶自動(dòng)分揀系統

        （2）系統軟啟動(dòng)技術(shù)對于提高系統的效率會(huì )有一定效果。但如何實(shí)現可能需要大量現場(chǎng)數據的支持，由于這一技術(shù)困難較小，其應用會(huì )很快展開(kāi)。

        （3）遠期（2030）可以期望在系統預警方面發(fā)揮作用?，F場(chǎng)反饋的有效信息越多，系統預警的可靠性就越高。

        （四）自主控制技術(shù)與可熱插拔技術(shù)

        ?  1 現狀

        自主控制和自動(dòng)控制有一個(gè)模糊的邊界：自主控制技術(shù)目前已經(jīng)在類(lèi)似AGV的系統中得到廣泛采用。未來(lái)隨著(zhù)機器人的大范圍使用，自主控制將進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代。

        與自主控制類(lèi)似的概念是智能控制。在一個(gè)復雜的物流系統中，系統將根據當前所處的狀態(tài)自主選擇設備、速度、方向甚至任務(wù)策略，這是未來(lái)發(fā)展的重要方向。

        熱插拔技術(shù)源于計算機系統，其基本含義是在不停止主機系統工作的情況下增加或減少外設，包括磁盤(pán)、鼠標、顯示器、打印機等。目前來(lái)看，物流倉儲系統中的熱插拔設備還寥寥無(wú)幾，熱插拔技術(shù)對于物流系統的靈活性、可維護性、柔性將會(huì )產(chǎn)生重要影響。

        熱插拔技術(shù)可以在系統的擴展方面發(fā)揮重要作用，如AS/RS、AGV、輸送機、包裝臺等。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )對于可插拔技術(shù)將有更大的支持。

AGV系統

        此外，熱插拔技術(shù)還基于設備的模塊化技術(shù)支持?？勺猿上到y的模塊，可能是一組輸送設備，一臺AGV，通過(guò)簡(jiǎn)單組合，即將構成一套新的系統。隨著(zhù)電池性能的大幅提升，可移動(dòng)設備會(huì )成為未來(lái)設計的一個(gè)趨勢。

        ?  2 挑戰

        （1）自主控制的控制理論和方法研究。

        自主控制是智能控制的組成部分，重點(diǎn)研究?jì)热輰⒃谧R別、運算、控制等方面，最大的挑戰在于控制理論和方法的研究。

        （2）熱插拔技術(shù)的可靠性與安全性研究。

        熱插拔技術(shù)將改變系統擴展遇到的難題，如接口問(wèn)題，不間斷工作問(wèn)題等。但如何使工作變得更為簡(jiǎn)單可靠，并解決安全問(wèn)題將是研究的主要工作。其中，尤其難以克服的是控制系統的硬件和軟件連接問(wèn)題。

        ?  3 目標

        未來(lái)自主控制將會(huì )得到的應用場(chǎng)合包括：

        （1）根據貨物的特性參數（包括尺寸、重量、商品環(huán)境需求特性、易碎性等）選擇不同的設備，包括儲存設備、揀選設備、輸送設備和分揀設備；

        （2）根據可移動(dòng)設備（如AGV）充電狀況選擇不同的設備進(jìn)行作業(yè)；

        （3）根據可移動(dòng)設備的位置、工作狀況選擇不同設備進(jìn)行作業(yè)；

        （4）無(wú)固定路徑移動(dòng)設備的路徑選擇、障礙回避、速度調整。

        熱插拔技術(shù)的應用首先會(huì )在A(yíng)GV系統，AS/RS系統和輸送系統中實(shí)現。在A(yíng)GV系統中，采用激光、圖像導引技術(shù)、陀螺儀導引技術(shù)等可以支持路徑的重新規劃，可以靈活追加和減少AGV數量。在A(yíng)S/RS系統中，可以通過(guò)熱插拔技術(shù)，在不影響系統運行的前提下增減或減少堆垛機和輸送機設備的數量。其他系統如包裝臺數量的調整，如果采用熱插拔技術(shù)將變得更加方便。