0 引言

自动化立体仓库（Automated Storage and Retrieval System，简称AS/RS）由立体货架、有轨巷道堆垛机、出入库托盘输送机系统、检测阅读系统、通讯系统、自动控制系统、计算机监控管理等组成，综合了自动化控制、自动输送、场前自动分拣及场内自动输送，通过货物自动录入、管理和查验货物信息的软件平台，实现仓库内货物的物理运动及信息管理的自动化及智能化[1]。可广泛应用于医药、食品饮料、冷链物流、电子商务、跨境电商、快消品及保健品等行业。

随着中国经济的持续健康发展和中国物流业的逆势崛起，为仓储业的发展提供了巨大的市场需求，加上中国制造业、商贸流通业外包需求的释放和仓储业战略地位的加强，仓储存在巨大的市场需求[2]。根据中国物流技术协会信息中心统计，未来五年，我国自动化仓储市场规模增速将保持在18%～20%左右的增速水平，到2022年市场规模将超过1100亿元，前景十分广阔[3]。但是，对于企业而言，如何建设一个适合自己需求、具有最佳投入产出比的智能仓储系统已经成为一个共性问题。针对该问题，本文介绍了典型的立体仓储系统和主要技术参数，并通过定量计算，分析了典型的仓储系统优势和适用场景，为企业建设立体仓储系统提供了参考与指导。

1 立体仓库类别与特点

目前，立体仓库主要有堆垛式立库和穿梭式立库两大类，详细介绍如下：

1.1 堆垛式立库

堆垛式立库主要由堆垛机、堆垛机巷道、货架和输送系统组成，如图1所示。堆垛机是自动化立体仓库巷道式堆垛起重机的简称，是物流仓储系统的最重要设备，用来存取货架存储单元里货物的码垛设备。堆垛机在高层货架巷道往返运行，将货物存入或取出，从而实现物资的流动[4]。为实现物流的高效率，必须提高堆垛机的存取速度。

图1 某堆垛式立库示意 

堆垛机发展至今，其功能和结构已经非常成熟，单机生产成本的控制空间已非常有限。但在某些特殊领域，如果一台堆垛机能在两个或者多个巷道自动运行并满足系统需求，将在很大程度上降低自动化立体仓库的成本投入。基于这样的背景，转轨堆垛机系统应运而生。事实上，它更多的是一种堆垛机全新的应用理念，而不仅是堆垛机单机的发展与创新。

堆垛式立库可在有限场地内，有效利用立体空间，布置7到10层甚至更多的高层货架（总高可达24m），利用计算机系统控制巷道式堆垛机完成出入库工作，并凭借其高效率的垂直空间利用率、任意取货的作业方式和无人的作业环境，受到企业青睐。虽然巷道式自动化立体仓库可以将货架延伸至高20m以上的空间，极大的提高了垂直空间利用率，但其总体空间利用率尤其是平面利用率未达到最高理想状态，而且整个系统的灵活性差，一旦确定位置，不容易改变。

1.2 穿梭式立库

穿梭式立库主要由穿梭车、穿梭车货架、提升设备（如：升降机、堆垛机、叉车等）、输送系统等组成，如图2所示。在穿梭货架深度方向设置穿梭车导轨，穿梭车在导轨上行走进行存取货作业[5]。

图2 某穿梭式立库示意   

穿梭车是一种运用于穿梭式立库的托盘搬运设备，按照自由度分可以分为两向行走穿梭车和四向行走穿梭车，也有子母穿梭车组合实现四向行走。穿梭车需要与提升设备配合使用，如四向穿梭车通常与固定升降机搭配使用，实现不同层高的货物存储。目前，比较成熟和常用仍然是两向行走穿梭车，可以配合高位叉车进行半自动化作业，或配合巷道堆垛机进全自动化存取作业。

穿梭式立库系统最大的特点是柔性高，可随意组合，平面利用率比堆垛式立库提高20%～33%，并能满足先入先出（FIFO）和先入后出（FILO）的作业要求。缺点则是系统投资成本及后续维护成本比较高，为保证穿梭车稳定地运行，对货架、导轨的精度及地坪均有较高的要求。

2 立体仓储主要技术参数

立体仓库主要技术参数如表1所示，主要包括存储对象属性参数、总体指标、货架指标、设备指标和软件系统指标参数等，其中出入库能力是表征立体仓库存取作业能力的核心参数。

根据我国机械行业标准JB/T 9018-2011《自动化立体仓库设计规范》。出入库能力按照下式计算：

式中：

N———每小时入库（或出库）的单元货物（或托盘）数；

tm———平均作业循环时间，单位为秒（s）。

平均作业循环时间根据作业的不同，可分为平均单一作业循环时间和平均复合作业循环时间。平均单一作业循环时间指单一存（或取）作业的平均时间，计算公式如下：

式中：

TS———平均单循环时间（s);

j———货架列数1～m;

k———货架层数1～n;

tjk———堆垛机单边运动到某货位的时间（s);

tf———货叉取货时间（s），即是在出/入库工作台或在货位处货物移动的时间；

表1 立体仓库主要技术参数

ti———浪费时间（s）。

图3 堆垛机单循环工作方式 

平均复合循环时间指存和取串行混合作业时间，计算公式如下：

式中：

TD———平均复合循环时间（s);

tt———平均货位之间移动时间（s），入/出库的货位是随机决定的，一定次数的货位间移动的平均时间；

ts———出/入库工作台之间的移动时间（s），即是入库工作台和出库工作台在不同位置时的移动时间。

图4 堆垛机复合循环图   

3 量化对比分析

下面结合一具体实例，分析堆垛式立库和穿梭式立库在存储容量、出入库能力和成本三方面指标优劣。

3.1 基本参数

案例采用的立库为分离式立库，不考虑输送线、站台等附属系统，基本参数如下：

仓库基本尺寸：50（长）×15（宽）×12（高）m

单元货物规格（含托盘）：1.2（长）×1（宽）×1.2（高）m,1500kg

货格尺寸：a0=货物长度1200+侧向间隙100+立柱宽度100=1400mm=1.4m

b0=货物宽度1000+宽度间隙100=1100mm=1.1m

h0=货物高度1200+垂直间隙200+横梁高度100=1500mm=1.5m

巷道宽度统一为：1.4m;

第一层货格高度统一为0.6m。

3.2 堆垛式立库存取效率计算

根据上述基本参数，如采用堆垛式立库，则立库的布局为4巷道8列货架7层，长度方向为33排46.2m，货格总数为1848个。需堆垛机4台，参考国内某企业设备数据，成本约240万。

堆垛机参数：长度3.6m，平均行走速度1m/s，平均升降速度0.8m/s；提升高度范围0～9m，最大提升时间约11.5s，最远行走距离约48m，最大行走时间约48s。

由于升降和行走是并行的，则：

在第9排以后，只需要考虑行走时间，第9排第1层用时间算短，约12.6s，平均行走时间为：T9-end=(48+12.6)2=30.3s;

在第1-8排，第1排第1层用时间最短，按低速滑行估计用时5s,T1-8=(5+11.5）/2=8.25s，单次叉手伸缩时间约T叉手=4s;

则单次存储效率：

3.3 穿梭式立库存取效率计算

本案例采用固定升降设备+四向穿梭车形式的穿梭式立库，其布局为：1巷道12列货架7层，长度方向为33排46.2m，共有货格数：2772个。需升降机1台、四向穿梭车两台，成本约80万。

四向穿梭车列向平均行走速度1m/s，行向平均行走速度0.5m/s；列向最远行走距离46.2m，列向平均行走时间T列=46.2/1/2=23.1s；行向由于距离较短，平均行走时间T行=6.6/0.5/2=6.6s。四向穿梭车顶升时间T顶=2s。

固定提升机平均升降速度0.8m/s，提升高度范围0-9m，平均升降时间T升降=11.5/2=5.75s;

在不考虑先进先出的要求下，则单次存取效率：

表2 立体仓库主要性能对比（先进后出）  

综上所述，穿梭式立库在存取密度、设备成本方面都优于堆垛式立库，但在存取效率方面弱于堆垛式立库。特别穿梭式立库作业模式为先进后出，如果要先进先出，还需要移库作业，效率则更低。表3给出了两种立库的应用特点，方便企业进行立库设计方案选型。

4结束语

如何建设一个适合自己需求、具有最佳投入产出比的智能仓储系统已经成为现代企业一个共性问题。本文针对该问题，介绍了两种典型的立体仓储系统：堆垛式立库和穿梭式立库。并通过定量计算，分析了其优势和适用场景，结果表明穿梭式立库在存取密度、设备成本方面都优于堆垛式立库，但在存取效率方面弱于堆垛式立库。因此，穿梭式立库适合大批量同类产品高密度存取作业场合，而堆垛式立库则适合作业效率要求更高的应用场合。本文为现代企业进行立库方案设计选型提供了参考与指导。

表3 立体仓库应用特点对比  下载原图