四向穿梭车智能化密集存储技术的研究与应用

杨光辉1,3 陈园园2,3 管树林1,3 吕志军2,3

1. 上海精星仓储设备工程有限公司 上海 201600 2. 东华大学 上海 201600

3. 上海仓储物流设备工程技术研究中心 上海 201600

摘 要：伴随着电子商务和智能制造技术的快速发展，对于自动化立体仓库系统、密集存储系统、自动输送系统、自动识别系统、无线通讯系统、条码扫描、手持终端及其系统集成的需求急剧增加，物流装备系统密集化、自动化、智能化、绿色环保等技术特征日益明显。密集存储技术的优势在于空间可利用率高以及具备少人或无人化的高效作业方式，新一代智能四向穿梭车为高密度自动化存储提供了新的物流解决方案，是物料搬运技术的重要创新。

关键词：密集存储技术；高效；四向穿梭车

中图分类号：TH24 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）20-0085-04

0 引言

电子商务与智能制造技术推动了自动化立体仓库的快速发展与创新，在现代物流业中更加注重考虑物流系统整体的密度以及数字化、智能、信息化集成应用，而不是仅考虑单一设备和系统的能力，产生了“密集仓储”的概念[1,2]。在物流产业的快速发展过程用中，需要对物流仓储系统进行全面规划和创新设计。与普通立体仓库相比，密集仓储土地利用率和空间利用率上可提高20%~100% 左右，同时作业效率可提高20%，运行能耗可降低30%，单元投资成本可节约10% 左右, 密集仓储系统因而越来越多地受到行业的关注，其市场发展前景广阔[3]。

作为面向密集仓储的重要搬运设备，智能托盘式四向穿梭车（以下简称四向车）是一种智能型轨道导引自动换向变轨的搬运设备，在电控系统控制下，通过编码器、RFID、光电传感器等数字化技术精确定位各个输入、输出工位，配置智能化调度系统，接收物料后进行自动往复穿梭搬运，四向车无需人员操作，运行速度快、智能化程度高，适用于各种物流存储系统，能够促进单元物料快速实现平面自动输送。在智能化调度系统的驱使下，多层多车协同并行作业，从而实现精准、高效的作业模式，为企业的物流存储系统提供新的物流解决方案[4,5]。

1 托盘式四向穿梭车关键机构设计

四向车根据任务要求，协同往复式提升机，通过行驶轨道在货架不同层、不同货道内完成作业任务，在仓库监控系统的控制和调度下，整个密集库可以实现多层多车同时运作，各四向车在工作时可以向信息管理系统上传位置、速度、电量、有无货、故障、工作情况等信息；四向车具备整存整取、倒货移动、托盘点数等作业功能，实现物料快速出库和库存管理；其内部设置有避障功能和故障报警提示功能，能够起到安全保护作用，并及时反馈故障信息。从硬件系统来看，四向车主要由车架、顶升机构、驱动机构、车轮组、电源、电气控制等部件组成（见图1）。

图 1 四向穿梭车主要结构示意图

1.1 车体结构

四向车车体结构应用模块化设计技术采用优质钢材组合成型，整车设计载重为1 500 kg 及以上，最低安全系数建议为1.6，材料屈服强度为2.75MPa；四向车车体结构针对整车的可靠性与结构的轻量化进行了优化设计。

1.2 驱动机构及车轮

四向车驱动机构采用伺服电机驱动，行星减速加换向器，促进二个方向的快速换向，一般工况下空载运行速度为1.4 m/s ~1.6 m/s，满载运行速度为1.0 m/s ~1.2m/s；在货架层水平运行时，四向车在X 向采用4 轮驱动，Z 向采用8 轮驱动，选择八轮（主动轮和从动轮组合）传动方式满足系统设计要求，既保证车行走的稳定性，又减少了内部机械系统的复杂性。四向车运动时车轮长期受到摩擦，需要耐磨车轮，经过性能测试，选用聚氨酯车轮，经久耐用、减少躁音，确保运行稳定性。驱动机构示意图见图2。

图 2 驱动机构示意图

1.3 顶升机构

四向车作业需要多次顶降换向动作，应设计机械机构顶降或液压顶降装置。考虑到机械结构安全可靠经久耐用，建议顶升行程为40 mm，顶升时间为3~5 s。四向车存取货物通过顶降托盘和换向升降完成一次作业周期，为提高作业效率，应确保四向车在作业过程快速顶降、快速换向以缩短作业周期。穿梭车顶升机构示意图见图3.

图 3 穿梭车顶升机构示意图

2 数字化控制及通讯技术

四向车采用PLC 及工控机技术，实现逻辑控制，结合底层路径自学习算法，确保高速运行、精准定位、安全可靠。四向车选用SIMATIC S7 系列PLC 作为核心控制器，充分利用其丰富的扩展性集成接口，将传感器模块、供电模块、无线通讯模块以及执行机构模块等集成，实现整车运动导引、驱动控制、执行机构操作，安全防护等工作。密集库中采用Zigbee 无线通讯方式，上位控制器通过Zigbee 主模块向四向车下达任务指令，任务指令传递至PLC 完成计算处理后，转变成具体的控制信号并输送至控制执行机构运动的驱动控制模块中，在该模块中对驱动直流电机进行调速，进而控制执行机构完成相应动作。在这一过程进行中，各类传感器和RFID 系统将采集的定位、检测、故障等信息通过Zigbee 子模块反馈给上位器，并由状态显示器反馈给仓库操作人员，实现四向车动态信息的双向传递。控制系统结构如图4 所示。

图 4 控制模块功能示意图

3 密集仓储系统的智能调度技术

基于WCS 可以实现作业任务设置、货位决策优化、密集多深位存储、多层多四向车作业调度等各种功能。密集仓储系统采用多任务模式，为保证四向车集群全局效率提升，需制定合理有效的智能调度策略。智能化调度包括库区分配、任务优先级划定、货位分配、路径规划等。在WCS 控制下，密集库中各设备基于实时路径规划完成多任务并行作业；设备运行状态实现3D 可视化监测；作业终端基于可视化界面对多设备、入出库作业、多深位货物状态进行监控，并根据作业数据分析完成远程诊断。密集仓储系统调度架构如图5 所示。

图 5 高速密集储存系统调度构架示意图

4 四向车作业能力评估

四向车的作业能力受仓库订单任务、调度技术、存储策略、作业模式、设备技术参数等因素的影响，其高低直接影响密集仓储系统的效率。四向车在垂直交叉轨道上切换方向完成货物的水平出入库，具备单一作业和复合作业两种模式。

在单一作业模式中，四向车一个周期内只完成一个出（入）库任务；在复合作业模式中，设备一个周期内完成入库和出库两个任务。在基于每层一台四向车的系统配置下：

1）在单一作业模式中，四向车入库作业和出库的作业时间相同，假设每层四向车的平均单一作业时间为t1, 则该模式下的出入库能力η1 可计算为

2）在复合作业模式中，假设四向车的平均复合作业为t2, 则对应的出入库η2 为

5 应用案例

案例四向车已在某公司密集库项目中得到实际应用。该密集库实现汽车配件成品、半成品存储，整盘入出及拣选出库等功能，总的占地面积为1 765 m2，货架总体高度为20 m，共有货位6 929 个，具有7 度防震等级。单元托盘尺寸为1 200mm×1 100 mm×1 200mm/1400mm( 长× 宽× 高)，单元最大载重为800 kg（含托盘）。仓库中整体入出库量不少于250 托/h，设备配置有四向车11 台，提升机4 台，输送机系统8 套。根据该企业对现代化物流的不同需求，在做大量的需求调研和分析后，设计出一套符合该企业需求、性价比高、可拓展的方案，经实际测试该密集存储系统项目建成后与传统立体库相比，库容量提高了35%，设备运行用电量能耗降低了30%。案例项目四向穿梭车密集存储系统示意图见图6。

图 6 案例项目四向穿梭车密集存储系统示意图

6 结论

四向车密集库可实现全自动、智能化、无人化作业，与传统立体仓库相比，提高了20%~50% 的存储量。随着托盘式四向车各项技术指标日趋成熟，其在国内外密集库中得到了广泛应用。四向车多层多车灵活作业方式，大大提高入出库作业效率，解决传统立库中堆垛只能在一个巷道入出库作业的瓶颈问题。近些年来，欧美等发达地区的各类穿梭车发展快速、技术先进，各种高品质的四向车出现在市面上。针对国内仓储市场的实际需求，研发的四向车具有外观新颖、功能完善、安全可靠等技术优势，加之本地化的售后服务体系，未来智能仓储等不同工业领域的应用前景可期。

参考文献

[1] Nils B , de Koster René, Felix W . Warehousing in the ecommerce era: A survey [J]. European Journal of Operational Research, 2019（2）:396-411.

[2] Christopher S. Tang, Lucas P. Veelenturf. The strategic role of logistics in the industry 4.0 era [J]. Transportation Research Part E Logs and Transportation Review, 2019,129:1-11.

[3] 陆大明，中国物流仓储装备产业发展研究报告 (2016-2017)[M]，北京：机械工业出版社，2018.

[4] 尹军琪. 穿梭车系统及其应用概述[J]，物流技术与应用，2017(5):98-100.

[5] 鲁建厦, 施贻贯, 汤洪涛, 等. 考虑碳排放的子母穿梭车密集仓储系统复合作业三维路径规划[J]. 计算机集成制造系统，2020，26（3）：795–805.