一、從自動化到高柔性自動化

隨著工業社會不斷進步，倉儲物流技術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展。在1917年首臺叉車發明之前，倉儲物流運作一直處于手工作業狀態。叉車技術讓倉儲系統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的自動化立體庫出現，此后該技術進入了長達半個多世紀的高速發展階段。無人、高效和空間利用率高等優點，使自動化立體庫逐步成為制造業和商業推崇的最佳倉儲解決方案。然而傳統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的需求，第三方物流服務公司一般不采用這項自動化倉儲技術。盡管早在1980年德國就開始研發高柔性的自動化“衛星車”（子母車）技術，但受控制技術和算法的限制，效率和柔性的博弈持續多年，使其一直沒有達到與傳統自動化立體庫抗衡的水平。

2003年世界首臺穿梭車技術(Multishuttle)的面世，讓倉儲物流技術真正進入高柔性自動化時代。穿梭車打破了一個巷道內只能有一臺堆垛機作業的限制，實現了多臺穿梭車分層作業的柔性解決方案。隨著穿梭車技術的發展，四向穿梭車（4-direction shuttle）技術成為主流。“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，既可以實現在巷道內的出入庫作業，又可以實現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，實現立體三維空間內任意貨位的存儲和揀選。四向穿梭車系統具有較好的高柔性自動化的特點，首先可以根據出入庫動態需要靈活變更作業巷道和貨架層面，同時可以按照作業量柔性增減穿梭車的數量來調節系統能力；其次，當其中某輛穿梭車出現故障時，可由其他車輛替代完成作業，克服了堆垛機因故障導致整個巷道無法作業的致命短板。四向穿梭車系統集存儲與揀選于一體，既適合低流量、高密度的存儲型業務，也可用于高流量、高密度的動態揀選型作業，系統作業能力可以通過增減穿梭車和提升機以及其他輔助設備的數量來線性調節。

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。“魔浮”穿梭車徹底打通了倉儲物流系統與生產系統之間的“隔墻”，實現了倉儲與生產的無縫對接。傳統穿梭車（包括四向穿梭車）的作業局限在倉庫的貨架上，不能在地面上行駛，要完成生產線的物料配送，必須經過中轉環節。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線，或者將成品直接從產線運送到成品庫的貨架上。這是倉儲物流技術走向高柔性自動化的重要一步。

“魔浮”穿梭車雖然實現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。為了進一步提升自動化倉儲物流技術的柔性，弗勞恩霍夫物流研究院利用3D打印技術快速實現了攀爬搬運機器人RackRacer的樣機研發。該機器人可以實現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。這項技術將自動化倉儲物流技術的柔性推向了制高點。面對低成本個性化定制給物流系統帶來的巨大挑戰，高柔性自動化倉儲物流技術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重，作為工業、商業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成為發展趨勢。一方面傳統的貨架越建越高，有的甚至超過40米，以充分利用倉庫有限的占地面積。這樣的倉儲系統一般利用超高堆垛機來完成出入庫作業。另一方面是減少巷道的數量，實現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需要采用特殊的出入庫方式，其最大的問題是無法實現對每件貨物的直接出庫作業。

目前常見的三維密集型貨架系統和出入庫方式有如下幾種：

1.貫通式貨架和駛入式貨架：叉車可以駛入貫通式貨架或駛入式貨架存取貨物，這樣就減少了叉車所需要的通道，能夠在有限的倉庫空間內放下更多的貨架，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，可以實現先進先出(FIFO)的存儲策略；而駛入式貨架只配備單邊通道，所以只能實現后進先出（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，當第一個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。在這類貨架系統中，叉車不必駛入存儲巷道，作業效率較高，只能實現LIFO的存儲策略。

3.重力式貨架：利用重力實現貨物的存取。重力式貨架是通過在存儲巷道內布置無動力滾筒，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FIFO的存儲策略。

托盤穿梭板存儲系統是一種半自動化倉儲技術，與貫通式貨架和駛入式貨架不同，叉車不必進入貨架巷道作業，而是與托盤穿梭板協同，在通道上作業。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增加，進一步提高倉儲密度。

垂直和水平旋轉自動貨柜也是高密度倉儲物流技術的分支，其中垂直自動貨柜應用比較廣泛。垂直自動貨柜分為垂直旋轉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的入庫和揀選作業。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。與固定貨架傳統的倉儲技術相比較，自動貨柜可以節約高達75%的占地面積。

AutoStore是一種新型高密度倉儲技術。通常情況下，標準尺寸的料箱（600mm×400mm×310 mm/220mm)存放在立式貨格內，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；料箱能夠根據系統內的存儲需求，簡易地向X軸和Y軸方向擴展；數千只料箱彼此相鄰，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LIFO存儲策略，必須依靠合適的存取策略和優化算法來減少機器人的倒貨作業，提高出入庫效率。

三、揀選作業的無紙化和自動化

揀選是倉儲物流中勞動密集的作業環節，在一些電商物流中心里，揀選作業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不斷創新，揀選作業更加動態化，部分領域還實現了揀選的自動化。

傳統的“人到貨”（PTG）揀選仍然是常見的揀選方式，尤其是在產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 Pick-to-Light(電子標簽揀選系統)

3.語音揀選系統Pick-by-Voice （聲控揀選系統）

4.增強視覺揀選系統Pick-by-Vision(增強現實揀選系統)

燈光揀選系統是一種主要依靠電子數字顯示牌和各種指示燈來顯示揀選信息的揀選方式，應用最為廣泛。其常規模式為：在訂單驅動下，系統在需揀選商品的貨位上的電子標簽亮起，指示操作員到準確的貨位揀取準確的數量。操作員通過確認將揀選信息實時傳送回系統，使揀選作業方便、高效和無誤。燈光揀選系統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，用語音引導人員揀貨。

PDA手持掃描器應用廣泛，是實現出入庫和揀選作業無紙化和信息實時化的重要技術。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。語音揀選系統便可以很好地解決雙手作業的問題，通過語音識別和合成技術，使倉庫作業人員可以直接與倉庫管理系統（WMS）進行對話溝通。作業員無需觀看PDA手持掃描器的屏幕，直接按照語音指令到指定區域庫位揀選貨物，并通過語音進行動作確認。倉庫管理系統直接識別作業人員語音，進行相應的數據處理。語音揀選系統可將多個訂單放在一起批處理，提高揀選效率。在商品周轉慢的倉庫區域（C類商品揀選區），也可將多個訂單批處理到一個語音揀選小車，以提高綜合作業效率，降低倉庫運營成本。

增強視覺揀選系統配備有智能數據眼鏡和相關控制軟件，該系統與倉庫管理系統實時無縫交互。根據揀選策略制定的揀選列表和優化后的行走路徑將被實時發送到作業人員佩戴的智能數據眼鏡上，引導作業人員揀選。訂單完成后，增強視覺揀選系統會進行確認，同時索取下一個新的揀選列表。

隨著倉儲物流技術的發展，“貨到人”（GTP）揀選系統的應用越來越廣泛。“貨到人”揀選系統最早與傳統自動立體庫(ASRS / Miniload)對接，主要用于供應產線的原材料的揀選作業。堆垛機將需要揀選的托盤/周轉箱從立體庫中自動取出，交到連續輸送機或其他搬運設備上，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，可以實現高于“人到貨”模式數倍的揀選效率，并且按照人體工程學設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”揀選系統的效率和靈活性得到大幅度提升，初步往智能化方向發展。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所需的周轉箱。基于四向穿梭車的“貨到人”揀選系統不僅適用于制造企業，在電商和商超物流中心的應用也日益普及。

基于kiva機器人的“貨（架）到人”的揀選系統成為近年來電商物流熱點技術之一。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“人到貨”揀選作業的3倍以上，準確率可以達到99.99%。基于kiva機器人的“貨（架）到人”的揀選系統給揀選和包裝流程帶來了進一步優化的空間。在一些電商物流中心里，kiva機器人把貨架直接搬到復核包裝工作臺，由復核打包作業人員完成揀選、二次分揀以及打包復核三項工作。這樣的流程優化，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部物流作業量，提高了電商物流中心作業的綜合效率，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鍵因素。目前常用的規劃方法有動態規劃法、博弈算法、合同網法等，未來基于人工智能的規劃方法也會有很好的應用前景。 

自動化揀選技術也已經在煙草和醫藥物流領域有了廣泛成功的應用。由于包裝比較規范，卷煙和部分醫藥產品適合在A型架揀選系統、通道式揀選系統等進行自動揀選。中國煙草行業物流技術近年來發展迅速，其中條煙揀選設備已經達到全球領先地位。根據補煙填倉方式和煙倉部件結構形式的不同，自動化條煙揀選設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置，從煙倉側面人工補煙填倉；臥式條煙分揀機的煙倉傾斜設置，從煙倉端面補煙填倉，一次可實現多條補貨；通道式條煙分揀機的煙倉水平設置,從煙倉端面補煙填倉，一次可實現整件的自動補貨；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成的條煙分揀線，以實現對不同品規的條煙的自動化揀選。