尹军琪：箱式自动化物流解决方案概述
在自动化物流系统中，面对千变万化的物料形式，主要有两种储存方式：其一是以托盘形式，即以托盘为单元进行储存，每个托盘上码放若干物料。物料的包装形式有很多种，如箱、件、袋、捆等，其中箱包装是最常见的一种形式；另一种储存方式是以箱为单元进行储存。这里的“箱”，可以是原始的纸箱，也可以是周转箱。除此之外，在一些特殊情况下，也采用无托盘的储存形式，如在国际货运中，集装箱单元就是一种非常常见的单元形式；而在航空运输中，除航空集装箱外，还有航空货物栈板等单元形式。为了聚焦，本文不做展开讨论。
料箱是一个通用的说法，既包括原始的包装箱，也概指各种形式的周转箱。顾名思义，“料箱自动化解决方案”就是以箱为储存单元的物流自动化解决方案。在通常的定义中，料箱单元是有所限制的，其三维尺寸既不能太大，也不能太小，还不能是细长形状。一般周转箱以400mm×600mm×300mm为标准尺寸，在此基础上可以有一些变化，但差异不能太大。料箱的重量一般在25kg以内，以便于人的搬运，特殊情况下可以大一些，但也不能太大，这主要是人体工程所要求的。
一般的托盘单元，其托盘标准尺寸为1200mm×1000mm×150mm，也可以根据实际需要定制，重量大致为1000kg，这是采用叉车作业最佳的尺度。而料箱的尺度则适合于人的搬运，因而具有更大的灵活性。正因如此，相较于托盘自动化系统，料箱自动化系统有很多自身的特点。
以箱为单元的物流自动化系统越来越受到重视
随着电子商务兴起，订单越来越碎片化，拆零作业占比越来越高，以箱为单元的物流自动化系统越来越受到重视。本文将就料箱自动化解决方案的类型、特点、规划要点、市场需求以及发展趋势等进行简要论述。
料箱自动化系统的提出，最开始主要是应对拆零拣选要求。作为物流中心的拆零拣选系统，一般包括收货（补货）、输送、储存、拣选、复核包装等组成部分，各组成部分均包含多种自动化设备。当然，作为上层管理与调度的信息系统，也是必不可少组成部分。
1.收货（补货）系统：主要完成收货与补货过程的换箱作业与入库作业；包括换箱工作站（完成装箱、注册、空箱回收等工作），入库输送系统，自动存储系统等。
2.输送系统：输送系统完成料箱从换箱工作站和拣选工作站到存储系统间的输送作业；既包括传统的输送机、提升机、移载机，也包括搬运机器人（如KIVA、AMR）等设备。
3.储存系统：主要由货架及出入库存取设备构成。存取设备种类繁多，主要有机械手，AGV（包括KIVA、AMR、CTU等），穿梭车（双向和四向），提升机，Miniload，旋转货架等。由于存储系统的不同，料箱自动化系统会呈现出千姿百态的变化。
4.拣选系统：针对“货到人”拣选模式，主要由拣选工作站、输送系统、数字化终端等组成。针对“人到货”拣选模式，则有电子标签、RF手持终端等多种形式。叉车、托盘搬运车、AGV有时也作为拣选系统的组成部分，在一定场合辅助拣选作业。对于全自动拣选系统，机械手在很多情况下是必不可少的作业工具（A字架拣选系统是一个例外）。拣选系统对拣选效率的提升具有非常关键的作用，要充分考虑订单的衔接、人机工程、辅助拣选等多方面的问题。
5.复核与包装系统：复核与包装系统（工作站）是拆零拣选作业的必要组成部分。复核形式多种多样，可采用人工逐件复核，也可以采用称重复核，还可以采用条码自动扫描进行复核，以及采用电子标签自动复核等。目前常用的还是人工复核及自动称重复核方式。对于自动拣选作业，常常不需要进行复核，直接进入包装环节。包装系统也是多种多样，有人工包装、半自动包装和全自动包装等形式。目前，全自动包装越来越受到重视。
6.信息系统：信息系统主要是WMS系统和WCS系统。由于料箱自动化系统往往是物流大系统的一部分，因此在很多情况下，料箱WMS也仅仅是整个仓储管理系统的一部分。当然，有时为降低WMS的复杂性，对料箱的货位管理往往采用“黑盒模式”，这时基于整个系统的仓储管理系统并不管理料箱自动化系统的货位，而由WCS管理，或者自带WMS管理子系统。
在实际应用中，料箱自动化系统的系统构成往往不是单一的，可能会存在多种形式的组合，从而使系统变得更加复杂。比如，在一个汽车制造组装车间内，既有Miniload库，也有穿梭车库，还有其他存储形式的仓库，如各种形式的线边库，原材料库等，这就给设计和管理均增加了难度。
目前，业内并未形成权威的料箱自动化系统的基本分类。本文仅从拣选方式和储存方式进行大致的描述。
1.以拣选方式分类
从大的分类看，拆零拣选方式主要有“人到货”拣选和“货到人”拣选两大类。
“人到货”拣选的基本特征是储存的料箱不动，人（或机器人）到达货位完成拣选。在传统的拆零拣选作业中，绝大部分是采用这种方式。“人到货”拣选非常便利，但也存在很多局限性。比如，对于高位存储的货物，当高度超过一定范围时，人（或机器人）通常没有办法直接达到拣选位完成拣选。此外，机器人进入货架完成拣选，就目前来看，难度还太大，性价比也不高。对于规模比较大的配送中心来说，拣选路线过长将带来拣选效率降低，随着人工成本不断增加，这种方式将逐渐被淘汰，或局限在某些特定的场合。
“货到人”拣选的基本特征则是人（或机器人）不动，料箱自动送达拣选工作站，由人或机器人完成拣选作业。“货到人”拣选对于立体储存高度没有限制，而且人的拣选效率可显著提升，劳动强度大幅降低，由此可以减少拣选人员数量，这是其最大优势。
“货到人”拣选模式大大降低了自动拣选的难度。相比于机械手到货位上去进行拣选，对一个固定位置的料箱进行拣选要简单很多，而且可降低系统的综合成本。此外，“货到人”拣选还具有节省空间等多方面的优势。
显然，“货到人”拣选要达到设定的拣选效率，其前提是料箱的及时供给，这是系统设计的重点。这也是为何在短期内诞生出众多新的解决方案的缘故。
在实际应用中，往往是以上两种模式的混合应用。即部分采用“货到人”拣选，部分采用“人到货”拣选，从而在“效率”和“成本”之间找到平衡点。
除此之外，还有一些全自动化拣选的模式。如A字架拣选系统就是一个典型，其既不同于“人到货”的拣选方式，也不同于“货到人”的拣选方式，可以单独作为一种类型存在。
2.以储存方式分类
以箱为单位的存储技术，花样繁多，最典型的有以下几种：
（1）以搁板和阁楼货架为特征的存储系统。这是最早的关于箱/件存储的解决方案，现在仍然有很多场合采用此方案。
（2）以移动式多层搁板货架为特征的存储系统，辅之以KIVA进行作业。这是KIVA应用的最初形式。由于一次拣选要移动整组货架，其效率相对较低，因此这一方式逐步被更新的技术所取代。
（3）以固定式搁板货架为特征的存储系统，辅之以CTU进行作业。这是KIVA应用的2.0版本。CTU一次可以完成多个料箱的存/取，从而大幅提升存/取效率。同时，货架高度也从移动货架的2m左右，提升到8～10m左右。
（4）以多层及高层货架为特征的存储系统，辅之以穿梭车（双向或四向）作业。双向穿梭车（2-way shuttle）也称为多层穿梭车，是穿梭车最早的形式，其局限性在于穿梭车只能在一个巷道内作业（后来也发展到换层穿梭车）。四向穿梭车（4-way shuttle）则增加了横向变换巷道的功能，使其柔性大大增加。穿梭车货架的高度可以达到20m甚至更高，运行速度也因为有轨道的原因大幅提升，因而为快速存取提供了极佳解决方案，但其柔性却不如CTU。
（5）Miniload系统与多层Miniload系统。这也是最早的料箱存储方式。Miniload高度可达20m以上，综合成本相对较低，但单巷道的作业能力相对也较低，只适应于出入库能力要求较低的场合。
（6）其他形式的存储系统，如AutoStore存储系统、旋转货架系统等。
总之，一项技术的选择，取决于现场条件、拣选效率和存储效率等多方面因素。存储系统的不同，其面对的场合亦不同，所能达到的效果也不同。设计人员应根据实际场地情况和订单情况选择合适的存储系统。
料箱自动化解决方案的规划，虽然有其自身特点，但与托盘自动化解决方案相比，并没有特别要强调的地方。对一个物流仓储系统的规划，总体来说是由数据驱动的。在物流仓储规划中，最重要的一点是规划目标要清晰准确，包括主要的物流量（流量、库存、订单及订单行、SKU、包装、拆零量等），作业环境，单元货物，作业时间等；其次是物流各环节的处理能力、流量等要均衡，避免忽大忽小或大小失衡。
一个综合的物流中心，料箱自动化系统往往只是其中一部分。因此，在设计中，首先要考虑的一个问题是系统协调问题。包括料箱系统如何与其他系统（如托盘系统）保持业务上的紧密连接，信息系统如何一体化，业务联动（如收货、补货、集货的联动）如何进行等。简单来说，就是如何将料箱自动化系统嵌入到整个物流系统之中。
鉴于不同的物流配送中心，其物流环境及需求往往差异很大，因此在设计规划过程中，设备及系统选型是特别要引起重视的。不同的解决方案，所对应的设备及技术是不一样的。而不同的设备，其适应场合也是大不相同。这是对设计师综合能力的考验。
任何技术都有其局限性，例如Miniload虽技术成熟，成本较低，但效率低是其明显的弱点；CTU克服了KIVA对空间使用率低、搬运效率低的缺点，但其速度因高度的增加而受到影响，而且对地面的要求使其应用受到限制，空间利用率与穿梭车等存在较大差距；而穿梭车系统柔性相对较差，施工周期长，成本高是其短板等。总之，每一种技术都有其适应的场合，也有其不适应的场合，这是要在设计时引起重视的。
对于大量使用CTU（包括KIVA以及AGV）和四向穿梭车的项目，规划设计需要特别注意的是流量计算与仿真。一般来说，影响系统能力的因素越多，实际达到的效率往往要低于计算值。一般的设计人员往往将注意力放在路径优化和车辆调度方面，其实订单结构、任务不均衡等对系统效率的影响要大得多。在很多情况下，车辆的使用率因为任务分布不均衡而导致的综合能力下降可能会达到50%以上。但设计人员往往忽视这一问题，以至于在实际应用中出现重大偏差。
由业务和订单导致的作业不均衡是客观存在的。要解决这一问题，有时仅靠规划设计是不够的，信息系统和管理措施的跟进必不可少。对信息系统而言，一方面如何分配拣选货位，尤其是如何分配库存是降低不均衡性的有效措施；另一方面，则是料箱回库时的分配策略也影响重大。而在管理方面，尽量使库存按ABC分配均衡，并且及时调整库存结构也非常重要。这对软件系统都提出更高的要求。
作为一项新建物流中心项目，选用不同的技术，对仓库的总体规划影响非常大，尤其是层高、柱网、防火分区等的设计，差异很大。一般情况都要求量身定做。因此，技术的选定往往在设计中是至关重要的，也是最优先要决策的，一方面要谨慎论证，另一方面则是不能随意改变。事实上，也不允许随意改变。
消防问题对于料箱自动化系统也是一大难题。对于货架高度超过7m的料箱库来说，消防喷淋的设计是一个较大考验。
此外，维修和维护问题的考虑，对设计的影响也非常重要。特别是对于特别窄的巷道以及穿梭车系统来说，维修的可行性往往决定了系统设计的成败。
随着定制化时代到来，人们对物流的需求，表现在订单上，就是越来越碎片化。一个订单往往行数越来越少，每行的数量也越来越少，而订单的数量却越来越多。不仅电子商务是如此，连锁配送和生产制造业同样如此。随着人类不断进步和生活水平逐步提升，人们的消费能力越来越旺盛，对物流的需求越来越大，尤其是对料箱自动化系统的需求越来越大。
料箱自动化系统的诞生并不晚，早在20世纪90年代，Miniload在日本和欧洲就已经非常普及。进入21世纪，尤其是在2010年以后，随着电商业务崛起，料箱自动化新技术如雨后春笋般涌现。我们今天所看到的KIVA技术、CTU技术、穿梭车技术、旋转货架技术等，都是最近10多年内的创新产品。
料箱自动化系统虽然存储效率远不如托盘自动化系统，但在灵活性、效率、节能等方面具有明显的优势。而在其他物流环节，如装卸货环节、分拣环节、集货环节，最终面对的单元必然是箱/件单元，箱单元本来就是物流系统中的重要物流对象。
从市场需求来看，在一个物流中心内，其拆零业务的比重越来越大，料箱自动化系统所占比重也越来越大。目前，基本上形成存储以托盘自动化系统为主（典型的如AS/RS系统），拣配以料箱自动化系统为主的设计格局，彻底改变了20年前主要以托盘自动化为主的设计思想。
尽管托盘自动化系统在过去20年也取得重大进步，如AGV系统得到广泛应用，托盘穿梭车技术不断创新，从穿梭板到子母车再到四向穿梭车，相关的应用日趋完善。然而。市场发展最快的还是料箱式自动化系统。据统计，我国专门从事物流机器人研究与应用的企业超过300家，配套厂家有上千家之多。料箱自动化系统在物流装备中所占比重超过40%，未来不排除有超过50%的可能。而且，料箱自动化系统特别受到资本的追捧，正出现人才济济的盛况，料箱自动化技术的研发投入在最近几年已经远远超过托盘自动化系统。
从短期来看，历经过去20年的演变，料箱自动化方案将在物流行业中扮演越来越重要的角色。随着拆零业务比重逐步增加，以及电子商务的普及，以料箱为处理对象的物流系统将越来越受到重视，料箱技术在整个物流技术领域的占比将持续提升。
回顾料箱自动化技术的演变过程，我们可以看出，很多技术都是近20年来的新技术，包括穿梭车，KIVA，CTU，AMR，多层Miniload，回转货架等。这些技术的一个显著特点是把“货到人”拣选放在更加重要的位置。相信在未来，“货到人”拣选技术仍然是料箱自动化方案的主要发展方向，并更有可能的是从“货到人”拣选发展到“货到机器人”拣选。随着料箱自动化方案的不断实施，更多的新技术和新产品必将应运而生。
在过去几年，柔性化技术也得到前所未有的重视。先是在汽车生产线，柔性生产线以其优越的性能成为智能制造的标志性技术，此后由于以KIVA为代表的柔性物流技术的性价比不断提升，使过去这一昂贵技术得到广泛应用。目前，KIVA价格已经降低到原来AGV的10%，而技术性能则得到大幅提升。随着CTU等新产品的诞生，大大弥补了早期KIVA的许多不足，进一步得到市场认可。
柔性技术发展的另一趋势是，多种形式的物流机器人在各物流环节发挥着重要作用。例如，在收发货环节，随着3D机器视觉的应用，由物流机器人完成大部分的装卸工作已成为可能，并将大幅度提升操作效率；在储存和搬运环节，一体化的物流机器人既可以完成地面搬运，也可以进入货架完成入库和出库操作；机器人分拣将重新定义分拣的模式，拣选即分拣，一次性完成从拣选到集货区的操作已成为可能；未来的人形机器人，或许可以从事大部分人类从事的工作，包括到线边作业的机器人以及装配机器人，人机协同将成为现实。
毫无疑问，软件将发挥前所未有的作用。智能物流系统的决策在于软件系统，机器人只是外在的表象，由软件定义的各种机器人，就像人类一样，只要经过简单培训后，即可适应完全不同的工作。当然，要达到这一水平，还需要很长时间。
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