一、從自動(dòng)化到高柔性自動(dòng)化

隨著工業(yè)社會(huì)不斷進(jìn)步，倉(cāng)儲(chǔ)物流技術(shù)也逐漸由人工堆放平面庫(kù)，到自動(dòng)化剛性立體庫(kù)，再到高柔性自動(dòng)立體庫(kù)發(fā)展。在1917年首臺(tái)叉車發(fā)明之前，倉(cāng)儲(chǔ)物流運(yùn)作一直處于手工作業(yè)狀態(tài)。叉車技術(shù)讓倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)入了機(jī)械化立體庫(kù)時(shí)代，庫(kù)房的空間利用率得到了極大提升，同時(shí)保留了高柔性的特點(diǎn)。1962年世界首座基于堆垛機(jī)技術(shù)的自動(dòng)化立體庫(kù)出現(xiàn)，此后該技術(shù)進(jìn)入了長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)的高速發(fā)展階段。無(wú)人、高效和空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)，使自動(dòng)化立體庫(kù)逐步成為制造業(yè)和商業(yè)推崇的最佳倉(cāng)儲(chǔ)解決方案。然而傳統(tǒng)自動(dòng)化立體庫(kù)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(xiàng)自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)。盡管早在1980年德國(guó)就開(kāi)始研發(fā)高柔性的自動(dòng)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(méi)有達(dá)到與傳統(tǒng)自動(dòng)化立體庫(kù)抗衡的水平。

2003年世界首臺(tái)穿梭車技術(shù)(Multishuttle)的面世，讓倉(cāng)儲(chǔ)物流技術(shù)真正進(jìn)入高柔性自動(dòng)化時(shí)代。穿梭車打破了一個(gè)巷道內(nèi)只能有一臺(tái)堆垛機(jī)作業(yè)的限制，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)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(yùn)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(yùn)動(dòng)，既可以實(shí)現(xiàn)在巷道內(nèi)的出入庫(kù)作業(yè)，又可以實(shí)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(guò)與換層提升機(jī)的靈活匹配，實(shí)現(xiàn)立體三維空間內(nèi)任意貨位的存儲(chǔ)和揀選。四向穿梭車系統(tǒng)具有較好的高柔性自動(dòng)化的特點(diǎn)，首先可以根據(jù)出入庫(kù)動(dòng)態(tài)需要靈活變更作業(yè)巷道和貨架層面，同時(shí)可以按照作業(yè)量柔性增減穿梭車的數(shù)量來(lái)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(shí)，可由其他車輛替代完成作業(yè)，克服了堆垛機(jī)因故障導(dǎo)致整個(gè)巷道無(wú)法作業(yè)的致命短板。四向穿梭車系統(tǒng)集存儲(chǔ)與揀選于一體，既適合低流量、高密度的存儲(chǔ)型業(yè)務(wù)，也可用于高流量、高密度的動(dòng)態(tài)揀選型作業(yè)，系統(tǒng)作業(yè)能力可以通過(guò)增減穿梭車和提升機(jī)以及其他輔助設(shè)備的數(shù)量來(lái)線性調(diào)節(jié)。

2010年德國(guó)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(yùn)機(jī)器人的研發(fā)。“魔浮”穿梭車徹底打通了倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的“隔墻”，實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)儲(chǔ)與生產(chǎn)的無(wú)縫對(duì)接。傳統(tǒng)穿梭車（包括四向穿梭車）的作業(yè)局限在倉(cāng)庫(kù)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(guò)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(yùn)送到成品庫(kù)的貨架上。這是倉(cāng)儲(chǔ)物流技術(shù)走向高柔性自動(dòng)化的重要一步。

“魔浮”穿梭車雖然實(shí)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(yùn)動(dòng)，在垂直方向運(yùn)動(dòng)仍需借用提升機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)一步提升自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)了攀爬搬運(yùn)機(jī)器人RackRacer的樣機(jī)研發(fā)。該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)XYZ方向的自主運(yùn)動(dòng)，在貨架上可以上下自主“攀爬”，不再依靠提升機(jī)的幫助。這項(xiàng)技術(shù)將自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流技術(shù)的柔性推向了制高點(diǎn)。面對(duì)低成本個(gè)性化定制給物流系統(tǒng)帶來(lái)的巨大挑戰(zhàn)，高柔性自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)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(jìn)程不斷深入，土地的稀缺性問(wèn)題日益嚴(yán)重，作為工業(yè)、商業(yè)和社會(huì)不可或缺的倉(cāng)儲(chǔ)物流用地也日趨緊缺，高密度倉(cāng)儲(chǔ)物流技術(shù)成為發(fā)展趨勢(shì)。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的貨架越建越高，有的甚至超過(guò)40米，以充分利用倉(cāng)庫(kù)有限的占地面積。這樣的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)一般利用超高堆垛機(jī)來(lái)完成出入庫(kù)作業(yè)。另一方面是減少巷道的數(shù)量，實(shí)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(kù)方式，其最大的問(wèn)題是無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)每件貨物的直接出庫(kù)作業(yè)。

目前常見(jiàn)的三維密集型貨架系統(tǒng)和出入庫(kù)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(cāng)庫(kù)空間內(nèi)放下更多的貨架，大大提升了倉(cāng)庫(kù)的空間利用率和存儲(chǔ)能力。貫通式貨架兩邊都有通道，可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)先出(FIFO)的存儲(chǔ)策略；而駛?cè)胧截浖苤慌鋫鋯芜呁ǖ溃灾荒軐?shí)現(xiàn)后進(jìn)先出（LIFO）的存儲(chǔ)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(guò)載貨小車依次逐個(gè)后推進(jìn)入貨架，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)貨位上的貨品取走后，后一個(gè)貨位上的貨品會(huì)被自動(dòng)回到第一個(gè)貨位。在這類貨架系統(tǒng)中，叉車不必駛?cè)氪鎯?chǔ)巷道，作業(yè)效率較高，只能實(shí)現(xiàn)LIFO的存儲(chǔ)策略。

3.重力式貨架：利用重力實(shí)現(xiàn)貨物的存取。重力式貨架是通過(guò)在存儲(chǔ)巷道內(nèi)布置無(wú)動(dòng)力滾筒，安裝出一個(gè)向下傾斜的小角度，貨物靠自重自動(dòng)從入庫(kù)端滑移到位置較低的出貨端。第一個(gè)貨位上的貨物取走后，后一個(gè)貨位上的貨物自動(dòng)到位，實(shí)現(xiàn)FIFO的存儲(chǔ)策略。

托盤穿梭板存儲(chǔ)系統(tǒng)是一種半自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)，與貫通式貨架和駛?cè)胧截浖懿煌孳嚥槐剡M(jìn)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(zhǎng)度也可以相應(yīng)增加，進(jìn)一步提高倉(cāng)儲(chǔ)密度。

垂直和水平旋轉(zhuǎn)自動(dòng)貨柜也是高密度倉(cāng)儲(chǔ)物流技術(shù)的分支，其中垂直自動(dòng)貨柜應(yīng)用比較廣泛。垂直自動(dòng)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(chǔ)以及符合人體工程學(xué)的入庫(kù)和揀選作業(yè)。定制的垂直自動(dòng)貨柜可以充分利用倉(cāng)庫(kù)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(cāng)儲(chǔ)能力。與固定貨架傳統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)相比較，自動(dòng)貨柜可以節(jié)約高達(dá)75%的占地面積。

AutoStore是一種新型高密度倉(cāng)儲(chǔ)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(cāng)庫(kù)地面垂直向上堆疊；一組機(jī)器人在立式存儲(chǔ)貨格頂部的鋁制軌道上水平行走，存取料箱；每臺(tái)機(jī)器人有8個(gè)輪子，其中4個(gè)沿X軸方向行走，另4個(gè)沿Y軸方向行走；每臺(tái)機(jī)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(chǔ)貨格每垛可存儲(chǔ)最多16個(gè)料箱（高度達(dá)4.9米），每個(gè)料箱中可存儲(chǔ)單一品項(xiàng)或多個(gè)品項(xiàng)的貨物；料箱能夠根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的存儲(chǔ)需求，簡(jiǎn)易地向X軸和Y軸方向擴(kuò)展；數(shù)千只料箱彼此相鄰，每16個(gè)一垛存放在密集貨格中，省去了巷道，存儲(chǔ)密度高。AutoStore可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化存取和“貨到人”拆零揀選解決方案，場(chǎng)地使用比較靈活。因?yàn)榇怪贝a垛方式只能實(shí)現(xiàn)LIFO存儲(chǔ)策略，必須依靠合適的存取策略和優(yōu)化算法來(lái)減少機(jī)器人的倒貨作業(yè)，提高出入庫(kù)效率。

三、揀選作業(yè)的無(wú)紙化和自動(dòng)化

揀選是倉(cāng)儲(chǔ)物流中勞動(dòng)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(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)成本的50%。為了提高揀選效率、降低倉(cāng)儲(chǔ)物流總成本，近年來(lái)揀選方式和技術(shù)不斷創(chuàng)新，揀選作業(yè)更加動(dòng)態(tài)化，部分領(lǐng)域還實(shí)現(xiàn)了揀選的自動(dòng)化。

傳統(tǒng)的“人到貨”（PTG）揀選仍然是常見(jiàn)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(cuò)率，無(wú)紙化揀選已經(jīng)成為大趨勢(shì)，常見(jiàn)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(yǔ)音揀選系統(tǒng)Pick-by-Voice （聲控揀選系統(tǒng)）

4.增強(qiáng)視覺(jué)揀選系統(tǒng)Pick-by-Vision(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(lái)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(dòng)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(guò)確認(rèn)將揀選信息實(shí)時(shí)傳送回系統(tǒng)，使揀選作業(yè)方便、高效和無(wú)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(huì)配備車載平板電腦和掃描槍，能夠引導(dǎo)操作人員同時(shí)揀選多個(gè)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(yáng)聲器系統(tǒng)，用語(yǔ)音引導(dǎo)人員揀貨。

PDA手持掃描器應(yīng)用廣泛，是實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)和揀選作業(yè)無(wú)紙化和信息實(shí)時(shí)化的重要技術(shù)。然而在大件物品揀選時(shí)，操作員需要雙手揀取貨物，手持掃描器會(huì)影響作業(yè)。語(yǔ)音揀選系統(tǒng)便可以很好地解決雙手作業(yè)的問(wèn)題，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別和合成技術(shù)，使倉(cāng)庫(kù)作業(yè)人員可以直接與倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（WMS）進(jìn)行對(duì)話溝通。作業(yè)員無(wú)需觀看PDA手持掃描器的屏幕，直接按照語(yǔ)音指令到指定區(qū)域庫(kù)位揀選貨物，并通過(guò)語(yǔ)音進(jìn)行動(dòng)作確認(rèn)。倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)直接識(shí)別作業(yè)人員語(yǔ)音，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。語(yǔ)音揀選系統(tǒng)可將多個(gè)訂單放在一起批處理，提高揀選效率。在商品周轉(zhuǎn)慢的倉(cāng)庫(kù)區(qū)域（C類商品揀選區(qū)），也可將多個(gè)訂單批處理到一個(gè)語(yǔ)音揀選小車，以提高綜合作業(yè)效率，降低倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)成本。

增強(qiáng)視覺(jué)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(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)無(wú)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(shí)時(shí)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(qiáng)視覺(jué)揀選系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行確認(rèn)，同時(shí)索取下一個(gè)新的揀選列表。

隨著倉(cāng)儲(chǔ)物流技術(shù)的發(fā)展，“貨到人”（GTP）揀選系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。“貨到人”揀選系統(tǒng)最早與傳統(tǒng)自動(dòng)立體庫(kù)(ASRS / Miniload)對(duì)接，主要用于供應(yīng)產(chǎn)線的原材料的揀選作業(yè)。堆垛機(jī)將需要揀選的托盤/周轉(zhuǎn)箱從立體庫(kù)中自動(dòng)取出，交到連續(xù)輸送機(jī)或其他搬運(yùn)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(dòng)立體庫(kù)。這種“貨動(dòng)，人不動(dòng)”的揀選方式，大幅度減少了揀選人員的行走距離，可以實(shí)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(jì)的揀選站可以大幅度降低勞動(dòng)強(qiáng)度和揀選差錯(cuò)率。

隨著四向穿梭車自動(dòng)立體庫(kù)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(yùn)行速度超過(guò)4m/s，可以為揀選站快速補(bǔ)給和運(yùn)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(jī)器人的“貨（架）到人”的揀選系統(tǒng)成為近年來(lái)電商物流熱點(diǎn)技術(shù)之一。kiva機(jī)器人通過(guò)掃描地面的條碼定位，通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)接受指令，將貨物所在的貨架從倉(cāng)庫(kù)搬運(yùn)至揀選站，揀選人員每小時(shí)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(dá)到99.99%。基于kiva機(jī)器人的“貨（架）到人”的揀選系統(tǒng)給揀選和包裝流程帶來(lái)了進(jìn)一步優(yōu)化的空間。在一些電商物流中心里，kiva機(jī)器人把貨架直接搬到復(fù)核包裝工作臺(tái)，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(xiàng)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(shí)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(yùn)營(yíng)成本。

在大型物流中心里，多臺(tái)kiva機(jī)器人與多個(gè)揀選臺(tái)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(dòng)態(tài)規(guī)劃法、博弈算法、合同網(wǎng)法等，未來(lái)基于人工智能的規(guī)劃方法也會(huì)有很好的應(yīng)用前景。 

自動(dòng)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(jìn)行自動(dòng)揀選。中國(guó)煙草行業(yè)物流技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，其中條煙揀選設(shè)備已經(jīng)達(dá)到全球領(lǐng)先地位。根據(jù)補(bǔ)煙填倉(cāng)方式和煙倉(cāng)部件結(jié)構(gòu)形式的不同，自動(dòng)化條煙揀選設(shè)備主要分為立式條煙分揀機(jī)、臥式條煙分揀機(jī)、通道式條煙分揀機(jī)和組合式條煙分揀機(jī)。立式條煙分揀機(jī)的煙倉(cāng)直立設(shè)置，從煙倉(cāng)側(cè)面人工補(bǔ)煙填倉(cāng)；臥式條煙分揀機(jī)的煙倉(cāng)傾斜設(shè)置，從煙倉(cāng)端面補(bǔ)煙填倉(cāng)，一次可實(shí)現(xiàn)多條補(bǔ)貨；通道式條煙分揀機(jī)的煙倉(cāng)水平設(shè)置,從煙倉(cāng)端面補(bǔ)煙填倉(cāng)，一次可實(shí)現(xiàn)整件的自動(dòng)補(bǔ)貨；組合式條煙分揀機(jī)是由上述三種條煙分揀機(jī)按一定方式組合構(gòu)成的條煙分揀線，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同品規(guī)的條煙的自動(dòng)化揀選。