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1引言
随着生产技术的增强和生产规模的扩大，企业对密集式仓库存储系统的需求也更加急迫。传统的巷道式堆垛机的解决方案具有自动化程度高的优点，但是其单伸位甚至是双伸位的货叉结构不能充分地利用仓储空间；穿梭板配合叉车的工作模式虽然具有空间利用率高的优点，但是它难以建立合理的信息管理系统，不能实现全自动化作业。
由北京机械工业自动化研究所物流中心所承建的穿梭式自动化立体仓库结合了上两类传统立库的优点，实现了高度自动化和高度的空间利用率。图1是穿梭式自动化立体仓库中正在配合作业的堆垛机与穿梭车。
图 1 穿梭式自动化立体仓库中正在配合作业的堆垛机与穿梭车
穿梭式自动化立体仓库的设计理念不仅需要满足用户的基本使用要求，而且还需要兼顾作业效率和用户体验等多方面因素，主要包括以下几点：
高度的空间利用率：密集式仓库存储系统是解决“小占地大库存”的最好的选择方式。
科学的规划布局：仓库内各功能区的科学规划布局，不仅更进一步节约了用地，而且从生产到入库，再到出库，最后到装车，实现了叉车线路最短，人工干预度最小的好结果。
高效的自动化作业：通过先进的作业调度算法和全自动化设备实现高效的自动化作业。
先进的信息系系统：入库在生产端，出库在库房端，汇总准确信息，提高管理效率，降低管理成本。
2总体规划描述
图2是该仓库的平面布局图，主要包括南侧入库口、密集货架存储区、北侧出库口、货物周转区、装车平台、抽检出库口和中央控制室等。
图 2 穿梭式自动化立体仓库的平面布局图
仓库的南北两侧均有单排货架和堆垛机运行的巷道，两巷道间是密集存储的主体区域，主体区域采用5层86列23排的货架排列结构，按照每列（通道）只能放入同一种货物的存储原则。货物的存取任务是通过两个巷道的单深位对跑堆垛机（共四台）和六台穿梭板来完成的，同时通过仓库管理系统（WMS）和仓库监控系统（WCS）对仓库的物流信息进行实时监控、调度和信息流的维护。
南侧入库口：它通过入库周转区与生产车间直接相连，货物码垛完毕后，需要将货物名称和数量与托盘信息绑定并上传至WMS，托盘信息是整个物流系统的信息载体。叉车将入库货物放在入库口的输送机上，准备入库。同时，南侧出库口也可以实现产品的先进后出、抽检、更改包装、出空托盘等出库作业功能，并且可以指定具体的出库站台。
北侧出库口：它通过出库周转区与装车平台直接相连，物流信息系统根据出库订单的要求，并按照指定日期、先进先出等原则自动分配出库作业，进行整托盘货物出库，并可拣选回库。
单排货架的主要功能：当执行拣选回库、需要临时存放的某些特殊货物的入库作业时，或是执行随机抽检、盘库等作业时不可避免的需要生成搬库作业，单排货架上可以快速存放这几类作业的货物。
3穿梭式自动化立体仓库中自动化设备的特点
穿梭式自动化立体仓库物流系统的自动化设备包括堆垛机、穿梭板和出入库端站台。仓库的网络架构采用集成现场总线PROFIBUS、100/1000M高速以太网混合体系结构，堆垛机和穿梭板的控制系统的网络采用无线通信，上层管理级网络采用以太网方式。
3.1 巷道式对跑堆垛机
堆垛机是仓库物流系统的基本设备和重要环节，它接收并执行WCS下发的作业任务。仓库采用南侧入库北侧出库的管理方式，因此，与以往单巷道的堆垛机自身存取货物的方式不同的是，执行入库、出库作业的分别是南北侧的不同对跑堆垛机，分工明确的作业思路也将会提升了作业效率。
3.2 穿梭板
作业方式解析：穿梭板在其专用轨道中沿轨道进行南北方向上的水平运行，配合升降动作可以进行存取货物的作业。当穿梭板需要更换作业通道时，它将停在货架端头处，等待WCS系统调度堆垛机前来搬运；当穿梭车在工作通道执行作业时，它可以执行存货、取货、理货和盘点等作业任务。
自动充电功能：由于穿梭式自动化立体仓库网络架构的强大性，它能够解决在穿梭板配合叉车模式的立体库中，穿梭板不能自动充电的难题。当穿梭板电量低于一定阈值时，它将向WCS申请“请求充电”，WCS根据其作业状态和实时电量，判断是否让穿梭板继续执行完该通道的出库作业还是立即充电。这种调度方式可以使穿梭板在低于警戒电量之前仍然执行部分出库任务，保障了作业效率。
图 3 穿梭板的自动充电桩
3.3 出入库站台
根据总体布局规划中的说明，南、北侧出入库站台在本仓储物流系统中的功能不尽相同。除上述以外，入库站台具有尺寸检测功能，能够及时的检测出生产时码放歪斜的货物；它还拥有条码扫描器，实现了托盘号码的自动扫描。图4中左侧的链式机是出库站台，此货物要退回生产车间更改包装，右侧的链式机是入库站台，它拥有尺寸检测装置和条形码扫描器。
图 4 南侧出库和入库站台
图5为北侧出库及拣选回库一体站台，各出库站台拥有一块独立的LED显示屏，它可以准确提示正在出库的货物名称、托盘号和拣选个数等重要信息。
图 5 北侧出库及拣选回库一体站台
4信息管理系统
4.1 中央控制室
中央控制室是库房管理员进行办公的地方，也是信息系统设备的放置场所。在系统进行自动化作业时，库房管理员只需在中央控制室实时监测管理机和监控机，当设备遇到异常时，库房管理员根据报警类型，选择远程监控处置和现场处置。
管理机：对仓库运行参数和数据进行定义、管理和维护，它能有效地控制并跟踪仓库物流的全过程，并且具备与ERP、MES等系统的接口模块，所有重要单据都具有按时间导出打印的功能，实现全面的企业仓储信息管理。
监控机：从WMS、扫描终端、PLC和数据采集设备处接收信息，通过对物流设备进行的动态监测、控制与调度，执行仓储系统的作业任务。
图 6 穿梭式自动化立体仓库的中控室
4.2 作业流程
入库作业流程：绑定信息后的货物在入库站台生成入库请求，WCS根据已知的库存信息等条件分配最优的入库通道地址。相应的堆垛机执行入库作业，将货物送至该通道的货架端头处，而后通道内的穿梭板执行单存作业，将货物存入指定的货位中，完成单存作业后，管理系统自动记录账目信息并生成历史入库作业记录。至此，完成一条入库作业。
出库作业流程：库房管理员通过ERP所建立的单据，自动地在数据库中的查找出符合要求的货物及其地址，并生成出库作业队列。通道内的穿梭板执行单取作业，将货物送至该通道的货架端头处，完成单取作业。堆垛机执行出库作业，将货物出库至指定出库站台，管理系统自动销除账目信息并生成历史出库记录。至此，完成一条出库作业。
提高入、出效率的算法：入库和出库的调度算法是仓储物流调度系统中最为核心的两个环节。比常规立库复杂的是，该立库除堆垛机的作业调度之外，还需要调度穿梭板，以及需要解决堆垛机与穿梭板的配合问题。调度算法需要保证它们的作业互不干扰且步调协同一致，动作相对独立且无缝衔接，注重作业发送的时机和顺序，达到高效运转的作业效果。
5能力核算
5.1 库存量核算
穿梭式自动化立体仓库的平面长159.8米，宽33.9米，每层平面货位数为2150个（86列×25排），货位宽1.2米。库房内有四台堆垛机，两条巷道，每条宽1.6米，每台堆垛机的造价是穿梭板的三倍以上。
在相同的库房宽度时，若采用六台单巷道堆垛机的模式，至多只能容纳下20排货物，因此，库存量增加了25%以上。若采用六台单巷道双深位堆垛机（24排），库房宽度则需要增至约38.4米，此宽度的穿梭式立库，每列将能存30排货物，此时，库存量同样增加了25%。通过两种比较可知，穿梭式立体仓库不仅节约了成本和建筑使用面积，而且增加了库存量。
5.2 穿梭式立库的出入库能力核算
该项目的堆垛机和穿梭板的水平运行速度分别为120米/分钟和60米/分钟。入库作业时间和出库作业时间互为逆过程，每次作业堆垛机和穿梭板进行了提前调度，每条作业的时间也总是由作业时间长的一方所决定的。经实践测算一个通道中23排货物，前11排货物的作业时间由堆垛机所决定，后12排的作业时间由穿梭板所决定，总作业时间约为1943秒，每盘作业时间约为85秒。因此，两台堆垛机同时出入库的作业效率约为84.7盘/小时。
值得注意的是：该项目采用的是普通变频调速的堆垛机和穿梭板，如果想要提高整体作业效率，提高整体的设计速度，则可以选用具有伺服控制系统的堆垛机和穿梭板。
图 7 穿梭式自动化立体仓库的使用情况
图 8 穿梭式自动化立体仓库中堆垛机巷道及两侧货架
图 9 穿梭式自动化立体仓库中某一通道的使用情况
