一、從自動化到高柔性自動化

隨著工業(yè)社會不斷進步，倉儲物流技術(shù)也逐漸由人工堆放平面庫，到自動化剛性立體庫，再到高柔性自動立體庫發(fā)展。在1917年首臺叉車發(fā)明之前，倉儲物流運作一直處于手工作業(yè)狀態(tài)。叉車技術(shù)讓倉儲系統(tǒng)進入了機械化立體庫時代，庫房的空間利用率得到了極大提升，同時保留了高柔性的特點。1962年世界首座基于堆垛機技術(shù)的自動化立體庫出現(xiàn)，此后該技術(shù)進入了長達半個多世紀(jì)的高速發(fā)展階段。無人、高效和空間利用率高等優(yōu)點，使自動化立體庫逐步成為制造業(yè)和商業(yè)推崇的最佳倉儲解決方案。然而傳統(tǒng)自動化立體庫具有剛性高的短板，很難滿足靈活多變的物流服務(wù)的需求，第三方物流服務(wù)公司一般不采用這項自動化倉儲技術(shù)。盡管早在1980年德國就開始研發(fā)高柔性的自動化“衛(wèi)星車”（子母車）技術(shù)，但受控制技術(shù)和算法的限制，效率和柔性的博弈持續(xù)多年，使其一直沒有達到與傳統(tǒng)自動化立體庫抗衡的水平。

2003年世界首臺穿梭車技術(shù)(Multishuttle)的面世，讓倉儲物流技術(shù)真正進入高柔性自動化時代。穿梭車打破了一個巷道內(nèi)只能有一臺堆垛機作業(yè)的限制，實現(xiàn)了多臺穿梭車分層作業(yè)的柔性解決方案。隨著穿梭車技術(shù)的發(fā)展，四向穿梭車（4-direction shuttle）技術(shù)成為主流。“四向”指的是穿梭車可以自主完成“前后左右”的運行。四向穿梭車配備兩套輪系，分別完成X方向和Y方向的運動，既可以實現(xiàn)在巷道內(nèi)的出入庫作業(yè)，又可以實現(xiàn)在同一層的不同巷道切換。在垂直方向(Z方向)，四向穿梭車可通過與換層提升機的靈活匹配，實現(xiàn)立體三維空間內(nèi)任意貨位的存儲和揀選。四向穿梭車系統(tǒng)具有較好的高柔性自動化的特點，首先可以根據(jù)出入庫動態(tài)需要靈活變更作業(yè)巷道和貨架層面，同時可以按照作業(yè)量柔性增減穿梭車的數(shù)量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)能力；其次，當(dāng)其中某輛穿梭車出現(xiàn)故障時，可由其他車輛替代完成作業(yè)，克服了堆垛機因故障導(dǎo)致整個巷道無法作業(yè)的致命短板。四向穿梭車系統(tǒng)集存儲與揀選于一體，既適合低流量、高密度的存儲型業(yè)務(wù)，也可用于高流量、高密度的動態(tài)揀選型作業(yè)，系統(tǒng)作業(yè)能力可以通過增減穿梭車和提升機以及其他輔助設(shè)備的數(shù)量來線性調(diào)節(jié)。

2010年德國弗勞恩霍夫物流研究院提出了“魔浮”穿梭車(Multishuttle Move)的概念，完成了世界上首輛既能在地面上又能在貨架上自主行駛的多功能智能搬運機器人的研發(fā)。“魔浮”穿梭車徹底打通了倉儲物流系統(tǒng)與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的“隔墻”，實現(xiàn)了倉儲與生產(chǎn)的無縫對接。傳統(tǒng)穿梭車（包括四向穿梭車）的作業(yè)局限在倉庫的貨架上，不能在地面上行駛，要完成生產(chǎn)線的物料配送，必須經(jīng)過中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)。而“魔浮”穿梭車可以自主走出貨架，像AGV小車一樣直接把原材料送到產(chǎn)線，或者將成品直接從產(chǎn)線運送到成品庫的貨架上。這是倉儲物流技術(shù)走向高柔性自動化的重要一步。

“魔浮”穿梭車雖然實現(xiàn)了貨架和地面上的行駛，但它只能自主完成X方向和Y方向的水平運動，在垂直方向運動仍需借用提升機來實現(xiàn)。為了進一步提升自動化倉儲物流技術(shù)的柔性，弗勞恩霍夫物流研究院利用3D打印技術(shù)快速實現(xiàn)了攀爬搬運機器人RackRacer的樣機研發(fā)。該機器人可以實現(xiàn)XYZ方向的自主運動，在貨架上可以上下自主“攀爬”，不再依靠提升機的幫助。這項技術(shù)將自動化倉儲物流技術(shù)的柔性推向了制高點。面對低成本個性化定制給物流系統(tǒng)帶來的巨大挑戰(zhàn)，高柔性自動化倉儲物流技術(shù)給出了滿意的解決方案。

二、高密度化

隨著城市化進程不斷深入，土地的稀缺性問題日益嚴(yán)重，作為工業(yè)、商業(yè)和社會不可或缺的倉儲物流用地也日趨緊缺，高密度倉儲物流技術(shù)成為發(fā)展趨勢。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的貨架越建越高，有的甚至超過40米，以充分利用倉庫有限的占地面積。這樣的倉儲系統(tǒng)一般利用超高堆垛機來完成出入庫作業(yè)。另一方面是減少巷道的數(shù)量，實現(xiàn)貨物在水平和垂直方向的高密度存放。這種三維密集型貨架系統(tǒng)需要采用特殊的出入庫方式，其最大的問題是無法實現(xiàn)對每件貨物的直接出庫作業(yè)。

目前常見的三維密集型貨架系統(tǒng)和出入庫方式有如下幾種：

1.貫通式貨架和駛?cè)胧截浖埽?/span>叉車可以駛?cè)胴炌ㄊ截浖芑蝰側(cè)胧截浖艽嫒∝浳铮@樣就減少了叉車所需要的通道，能夠在有限的倉庫空間內(nèi)放下更多的貨架，大大提升了倉庫的空間利用率和存儲能力。貫通式貨架兩邊都有通道，可以實現(xiàn)先進先出(FIFO)的存儲策略；而駛?cè)胧截浖苤慌鋫鋯芜呁ǖ溃灾荒軐崿F(xiàn)后進先出（LIFO）的存儲策略。

2.后推式貨架：這種貨架與載貨小車配套使用，托盤貨物通過載貨小車依次逐個后推進入貨架，當(dāng)?shù)谝粋€貨位上的貨品取走后，后一個貨位上的貨品會被自動回到第一個貨位。在這類貨架系統(tǒng)中，叉車不必駛?cè)氪鎯ο锏溃鳂I(yè)效率較高，只能實現(xiàn)LIFO的存儲策略。

3.重力式貨架：利用重力實現(xiàn)貨物的存取。重力式貨架是通過在存儲巷道內(nèi)布置無動力滾筒，安裝出一個向下傾斜的小角度，貨物靠自重自動從入庫端滑移到位置較低的出貨端。第一個貨位上的貨物取走后，后一個貨位上的貨物自動到位，實現(xiàn)FIFO的存儲策略。

托盤穿梭板存儲系統(tǒng)是一種半自動化倉儲技術(shù)，與貫通式貨架和駛?cè)胧截浖懿煌孳嚥槐剡M入貨架巷道作業(yè)，而是與托盤穿梭板協(xié)同，在通道上作業(yè)。這樣就大大降低了叉車撞擊貨架的事故率，巷道的長度也可以相應(yīng)增加，進一步提高倉儲密度。

垂直和水平旋轉(zhuǎn)自動貨柜也是高密度倉儲物流技術(shù)的分支，其中垂直自動貨柜應(yīng)用比較廣泛。垂直自動貨柜分為垂直旋轉(zhuǎn)或者垂直升降兩種主要方式，適合小型零部件的高密度存儲以及符合人體工程學(xué)的入庫和揀選作業(yè)。定制的垂直自動貨柜可以充分利用倉庫從地面到屋頂之間的高度，從而在最小的占地面積上提供最大的倉儲能力。與固定貨架傳統(tǒng)的倉儲技術(shù)相比較，自動貨柜可以節(jié)約高達75%的占地面積。

AutoStore是一種新型高密度倉儲技術(shù)。通常情況下，標(biāo)準(zhǔn)尺寸的料箱（600mm×400mm×310 mm/220mm)存放在立式貨格內(nèi)，從倉庫地面垂直向上堆疊；一組機器人在立式存儲貨格頂部的鋁制軌道上水平行走，存取料箱；每臺機器人有8個輪子，其中4個沿X軸方向行走，另4個沿Y軸方向行走；每臺機器人配有4條鋼索提升裝置，能將每一垛中最上方的料箱垂直提升至貨格頂部；立式存儲貨格每垛可存儲最多16個料箱（高度達4.9米），每個料箱中可存儲單一品項或多個品項的貨物；料箱能夠根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的存儲需求，簡易地向X軸和Y軸方向擴展；數(shù)千只料箱彼此相鄰，每16個一垛存放在密集貨格中，省去了巷道，存儲密度高。AutoStore可以實現(xiàn)自動化存取和“貨到人”拆零揀選解決方案，場地使用比較靈活。因為垂直碼垛方式只能實現(xiàn)LIFO存儲策略，必須依靠合適的存取策略和優(yōu)化算法來減少機器人的倒貨作業(yè)，提高出入庫效率。

三、揀選作業(yè)的無紙化和自動化

揀選是倉儲物流中勞動密集的作業(yè)環(huán)節(jié)，在一些電商物流中心里，揀選作業(yè)甚至占倉庫運營成本的50%。為了提高揀選效率、降低倉儲物流總成本，近年來揀選方式和技術(shù)不斷創(chuàng)新，揀選作業(yè)更加動態(tài)化，部分領(lǐng)域還實現(xiàn)了揀選的自動化。

傳統(tǒng)的“人到貨”（PTG）揀選仍然是常見的揀選方式，尤其是在產(chǎn)品種類眾多的電商物流中心里，“人到貨”揀選是客戶訂單履行的重要組成部分。為了提高揀選效率、降低差錯率，無紙化揀選已經(jīng)成為大趨勢，常見方式如下:

1.PDA手持掃描器

2.燈光揀選系統(tǒng) Pick-to-Light(電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng))

3.語音揀選系統(tǒng)Pick-by-Voice （聲控揀選系統(tǒng)）

4.增強視覺揀選系統(tǒng)Pick-by-Vision(增強現(xiàn)實揀選系統(tǒng))

燈光揀選系統(tǒng)是一種主要依靠電子數(shù)字顯示牌和各種指示燈來顯示揀選信息的揀選方式，應(yīng)用最為廣泛。其常規(guī)模式為：在訂單驅(qū)動下，系統(tǒng)在需揀選商品的貨位上的電子標(biāo)簽亮起，指示操作員到準(zhǔn)確的貨位揀取準(zhǔn)確的數(shù)量。操作員通過確認(rèn)將揀選信息實時傳送回系統(tǒng)，使揀選作業(yè)方便、高效和無誤。燈光揀選系統(tǒng)除了用在固定貨架上，還可以配備在揀選小車上。燈光揀選車一般還會配備車載平板電腦和掃描槍，能夠引導(dǎo)操作人員同時揀選多個訂單，正確選擇貨架上的貨物，并放在揀選車上指定的容器里。燈光揀選車還可加裝揚聲器系統(tǒng)，用語音引導(dǎo)人員揀貨。

PDA手持掃描器應(yīng)用廣泛，是實現(xiàn)出入庫和揀選作業(yè)無紙化和信息實時化的重要技術(shù)。然而在大件物品揀選時，操作員需要雙手揀取貨物，手持掃描器會影響作業(yè)。語音揀選系統(tǒng)便可以很好地解決雙手作業(yè)的問題，通過語音識別和合成技術(shù)，使倉庫作業(yè)人員可以直接與倉庫管理系統(tǒng)（WMS）進行對話溝通。作業(yè)員無需觀看PDA手持掃描器的屏幕，直接按照語音指令到指定區(qū)域庫位揀選貨物，并通過語音進行動作確認(rèn)。倉庫管理系統(tǒng)直接識別作業(yè)人員語音，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。語音揀選系統(tǒng)可將多個訂單放在一起批處理，提高揀選效率。在商品周轉(zhuǎn)慢的倉庫區(qū)域（C類商品揀選區(qū)），也可將多個訂單批處理到一個語音揀選小車，以提高綜合作業(yè)效率，降低倉庫運營成本。

增強視覺揀選系統(tǒng)配備有智能數(shù)據(jù)眼鏡和相關(guān)控制軟件，該系統(tǒng)與倉庫管理系統(tǒng)實時無縫交互。根據(jù)揀選策略制定的揀選列表和優(yōu)化后的行走路徑將被實時發(fā)送到作業(yè)人員佩戴的智能數(shù)據(jù)眼鏡上，引導(dǎo)作業(yè)人員揀選。訂單完成后，增強視覺揀選系統(tǒng)會進行確認(rèn)，同時索取下一個新的揀選列表。

隨著倉儲物流技術(shù)的發(fā)展，“貨到人”（GTP）揀選系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。“貨到人”揀選系統(tǒng)最早與傳統(tǒng)自動立體庫(ASRS / Miniload)對接，主要用于供應(yīng)產(chǎn)線的原材料的揀選作業(yè)。堆垛機將需要揀選的托盤/周轉(zhuǎn)箱從立體庫中自動取出，交到連續(xù)輸送機或其他搬運設(shè)備上，貨物被送到揀選站，由操作工人完成揀選后再次存入自動立體庫。這種“貨動，人不動”的揀選方式，大幅度減少了揀選人員的行走距離，可以實現(xiàn)高于“人到貨”模式數(shù)倍的揀選效率，并且按照人體工程學(xué)設(shè)計的揀選站可以大幅度降低勞動強度和揀選差錯率。

隨著四向穿梭車自動立體庫的推廣，“貨到人”揀選系統(tǒng)的效率和靈活性得到大幅度提升，初步往智能化方向發(fā)展。高端的四向穿梭車運行速度超過4m/s，可以為揀選站快速補給和運回系統(tǒng)所需的周轉(zhuǎn)箱。基于四向穿梭車的“貨到人”揀選系統(tǒng)不僅適用于制造企業(yè)，在電商和商超物流中心的應(yīng)用也日益普及。

基于kiva機器人的“貨（架）到人”的揀選系統(tǒng)成為近年來電商物流熱點技術(shù)之一。kiva機器人通過掃描地面的條碼定位，通過無線通信系統(tǒng)接受指令，將貨物所在的貨架從倉庫搬運至揀選站，揀選人員每小時可挑揀、掃描300件商品，效率是傳統(tǒng)“人到貨”揀選作業(yè)的3倍以上，準(zhǔn)確率可以達到99.99%。基于kiva機器人的“貨（架）到人”的揀選系統(tǒng)給揀選和包裝流程帶來了進一步優(yōu)化的空間。在一些電商物流中心里，kiva機器人把貨架直接搬到復(fù)核包裝工作臺，由復(fù)核打包作業(yè)人員完成揀選、二次分揀以及打包復(fù)核三項工作。這樣的流程優(yōu)化，不僅減少了物流中心的人員投入，同時也減少了物流中心的內(nèi)部物流作業(yè)量，提高了電商物流中心作業(yè)的綜合效率，降低了總的運營成本。

在大型物流中心里，多臺kiva機器人與多個揀選臺的匹配是影響提高揀選效率的關(guān)鍵因素。目前常用的規(guī)劃方法有動態(tài)規(guī)劃法、博弈算法、合同網(wǎng)法等，未來基于人工智能的規(guī)劃方法也會有很好的應(yīng)用前景。 

自動化揀選技術(shù)也已經(jīng)在煙草和醫(yī)藥物流領(lǐng)域有了廣泛成功的應(yīng)用。由于包裝比較規(guī)范，卷煙和部分醫(yī)藥產(chǎn)品適合在A型架揀選系統(tǒng)、通道式揀選系統(tǒng)等進行自動揀選。中國煙草行業(yè)物流技術(shù)近年來發(fā)展迅速，其中條煙揀選設(shè)備已經(jīng)達到全球領(lǐng)先地位。根據(jù)補煙填倉方式和煙倉部件結(jié)構(gòu)形式的不同，自動化條煙揀選設(shè)備主要分為立式條煙分揀機、臥式條煙分揀機、通道式條煙分揀機和組合式條煙分揀機。立式條煙分揀機的煙倉直立設(shè)置，從煙倉側(cè)面人工補煙填倉；臥式條煙分揀機的煙倉傾斜設(shè)置，從煙倉端面補煙填倉，一次可實現(xiàn)多條補貨；通道式條煙分揀機的煙倉水平設(shè)置,從煙倉端面補煙填倉，一次可實現(xiàn)整件的自動補貨；組合式條煙分揀機是由上述三種條煙分揀機按一定方式組合構(gòu)成的條煙分揀線，以實現(xiàn)對不同品規(guī)的條煙的自動化揀選。