2.2 自动化立体仓库

2.2.1 自动化立体仓库的概念与特点

1.自动化立体仓库的概念

自动化立体仓库简称“立库”，一般是指采用高层货架来储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化，存取自动化，操作简便化。

自动化立体仓库主要是指基于高层货架和巷道堆垛机进行自动存取的立体仓库。可以定义为：自动化立体仓库，也称为自动存取系统（Automated Storage and Retrieval System, AS/RS），是由高层货架、巷道堆垛机、入出库输送系统、自动化控制系统、计算机仓库管理系统及其周边设备组成的，可对集装单元货物实现自动化保管和计算机管理的仓库，如图2-1所示。

2.自动化立体仓库的特点

自动化立体仓库的优势体现在以下7个方面。

1）提高空间利用率。充分利用仓库垂直空间，单位面积存储量远大于传统仓库；可以实现随机存储，任意货物存放于任意空仓内，由系统自动记录准确位置，避免传统仓库分类存放货物所造成的大量空间闲置，大大提高了空间的利用率。

2）实现物料先进先出。传统仓库由于空间限制，将货物码放堆砌，常常是先进后出，导致货物积压浪费。自动化立体仓库系统能够自动绑定每一票货物的入库时间，自动实现货物先进先出。

3）智能作业账实同步。传统仓库的管理涉及大量的单据传递，且很多由手工录入，流程冗杂且容易出错。立体仓库管理系统与ERP系统对接后，从生产计划的制定开始到下达货物的出入库指令，可实现全流程自动化作业，且系统自动过账，保证了信息准确及时，避免了账实不同步的问题。

4）满足货物对环境的要求。相比传统仓库，能较好地满足特殊仓储环境的需要，如避光、低温、有毒等特殊环境。保证货品在整个仓储过程的安全运行，提高了作业质量。

5）可追溯。通过条码技术等，准确跟踪货物的流向，可以实现货物的物流全过程可追溯。

6）节省人力资源成本。立体仓库内，各类自动化设备代替了大量的人工作业，大大降低人力资源成本。

7）及时处理呆滞料。立体仓库系统的物料入库，自动建账，不产生死料，可以搜索一定时期内没有操作的物料，及时处理呆料。

自动化立体仓库的劣势体现在以下4个方面。

1）投资建设成本高、周期长。

2）存储货物有严格要求。

3）管理维护要求高。

4）柔性相对较差。

2.2.2 自动化立体仓库的主要类型

1.按照存取货物单元的形式进行分类

（1）托盘式自动化立体仓库

托盘式自动化立体仓库是一种以托盘单元为基本存取单元的自动存取系统。一般应用于整箱、整件货物的存取，具有适用范围广、承载能力强、存储密度大的特点，如图2-2a所示。

托盘式自动化立体仓库高度可达40m，常用荷重为1000kg，储位量可达10万余个托盘，适用大型的仓库。而一般使用最普遍的高度以6～15m为主，储位数为1500～2000个。可应用于大型生产性企业的采购件、成品件仓库、柔性自动化生产系统（FAS），流通领域的大型流通中心、配送中心等。

托盘式自动化立体仓库在货物入库前，首先须进行集装单元化工作，即根据货物包装及重量等特性进行组盘，符合托盘尺寸、承重和堆高要求，再由巷道式堆垛机将其送至指定货位。

（2）料箱式自动化立体仓库

料箱式自动化立体仓库是针对物流箱、吸塑盘或者纸箱的存储和订单拣选系统。荷重一般小于300kg，以储存重量较轻的物品为主，是一种轻负载式立库。为保证拣货效率，料箱式自动化立体仓库一般高度为5～10m，随着定位技术和堆垛机运行速度的不断提升，也有超过20m的大型料箱式立库出现，如苏宁南京云仓的料箱式立库系统，整个货架高22m，共有338400个料箱存储位。“堆垛机+料箱拣选”结构的箱盒式自动化立体仓库通常也称为Miniload，如图2-2b所示。

作业时，物流箱和纸箱被传送到配有针对巷道设计的起重设备的订单拣货工作站，以便拣货人员直接操作。箱盒式自动化立体库可以与流利式货架和电子标签拣选系统结合。借助于箱盒式自动化立体库可以自动补货到拣选位置，从而使订单拣货系统更有效。

与AS/RS相比，Miniload具有更高的作业效率。如苏宁南京云仓AS/RS每小时可实现自动存取双循环30个托盘（单循环50个托盘），而Miniload高密度存储系统每小时可实现小件料箱和硬纸箱自动存取双循环1400箱（单循环1800箱），能够实现每天60万件商品的补货出库功能。

案例2-1 苏宁云仓

以超级云仓南京雨花基地为例，2016年开始投入使用，建筑面积达20万m²，配备了AS/RS、Miniload、SCS货到人拣选等一系列先进物流设备，可以实现约2000万件商品的入库、补货、拣选、分拨到出库全流程的智能化作业。（资料来源：中国物流与采购网，2018年11月）（扩展视频2-3）

2.按照自动化立体仓库建筑形式进行分类

（1）整体式

整体式是库房货架合一的仓库结构形式，仓库建筑物与高层货架相互连接，形成一个不可分开的整体，货架除了存储货物以外，还作为建筑物的支撑结构，构成建筑物的一部分。一般整体式高度在12m以上。这种仓库结构重量轻，整体性好，抗震性好，如图2-3a所示。

（2）分离式

库架分离的仓库结构形式，货架单独安装在仓库建筑物内。分离式高度一般在12m以下，但也有15m至20m的。适用于利用原有建筑物作库房，或在厂房和仓库内单建一个高货架的场合。无论哪种形式，高层货架都是主体，如图2-3b所示。

3.按巷道轨道形式进行分类

巷道轨道的形式，即堆垛机存取过程在巷道中行走方式，主要有直行巷道、U型巷道以及转轨巷道3种形式，如图2-4所示。

（1）直行巷道

直行巷道特点是每个巷道必须配置一台堆垛机在轨道上来回行走，这种形式可以使出库入库分布在巷道的两头，也可以使出入库都在一头，出库和入库分时进行，系统出入库的效率较高。

（2）U型巷道

U型巷道特点是两个直行轨道中间直接采用弯道连接堆垛机可以在两个巷道内自由运行往返。与直行巷道相比，出入库效率有一定下降，但是在满足需求的前提下，可以两个巷道共用一台堆垛机，可减少资金投入。但如果堆垛机出现故障，两个巷道左右的货架都不能进行货物存取。

（3）转轨巷道

转轨巷道能实现多巷道轨道之间的转移，通过转轨机构自动切换运行轨道，使得轨道具有可扩展性。其特点是在满足出入库频率要求的前提下，减少堆垛机的数量，可以降低立体仓库的设备成本，自动化程度高。但控制过程复杂，通信难度大，出入库效率较低，成本也较高，适用于大型立体仓。

4.按货物单元出入高层货架的形式进行分类

货物单元出入高层货架的工作台，可根据仓库各区域布局总体情况进行灵活选择，包括贯通式、同端出入式、旁流式、分层式等多种形式，如图2-5所示。

（1）贯通式

贯通式即货架区出、入库工作台布置在堆垛机巷道的两端，货物单元由异侧出入，这样可以避免出入库交叉。

（2）同端出入式

同端出入式即货架区出、入库工作台布置在堆垛机巷道的同一端，可设置为同口出入或异口出入，这样能够方便出入库的统一管理。

（3）旁流式

旁流式即货架区出、入库工作台布置在堆垛机巷道的旁边，需要配合自动输送系统将货物送到工作台。

（4）分层式

分层式即货架区出、入库工作台布置在不同楼层中，以适应仓库整体出入库流程及区域布置需要。

5.按照储存货物的特性进行分类

（1）常温自动化立体仓库

一般控制在5～40℃，相对湿度控制在90%以下。

（2）低温自动化立体仓库

恒温仓库：根据物品特性，自动调节储存温度和湿度。

冷藏仓库：温度一般控制在0～5℃，主要用于蔬菜和水果的储存，要求有较高的湿度。

冷冻仓库：温度一般控制在-2～-35℃。

（3）防爆型自动化立体仓库

以存放易燃易爆等危险货物为主，系统设计时，应严格按照防爆的要求进行。

6.按照仓库作用进行分类

（1）生产性仓库：工厂内部工序、车间之间设立

生产性仓库是工厂内部为了协调工序和工序、车间和车间、外购件和自制件物流的不平衡而建立的仓库。这类仓库与生产紧密衔接，距离企业生产线较近，是一种在线仓库。如华为公司、东风汽车公司为满足生产线供应而建立的自动化立体仓库。

（2）流通性仓库：生产工厂和顾客之间设立

流通性仓库是一种服务性仓库，是为了协调生产厂和用户间的供需平衡而建立的仓库。这种仓库进出货物比较频繁，吞吐量较大。京东、苏宁等大型配送中心建立的自动化立体仓库属于这种类型。

2.2.3 自动化立体仓库的构成及参数

自动化立体仓库是机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。它主要由货物储存系统、货物存取和输送系统、管理和控制系统等三大系统组成，还有与之配套的建筑设施、供电系统、空调系统、消防报警系统、称重计量系统、信息通信系统等土建工程和辅助设施，如图2-6所示。

1.货物存储系统

货物存储系统系统由立体货架的货格（托盘或货箱）组成。

（1）货架

从设备折旧和工作效率的角度考虑，一般自动化立体仓库货架的最佳高度在15～21m。

货架的最大长度与一台堆垛机在一条通道中所服务的货位数有关，需要考虑堆垛机的纵向和横向服务能力的均衡。设L为货架长度，H为货架高度，v_x为堆垛机沿长度方向的移动速度，v_y为堆垛机沿高度方向的移动速度。则存在：H/L≈v_y/v_x。为保持均衡，使堆垛机的载货台垂直和水平移动平稳，推荐采用货架高度H和长度L比值为：H/L=1/6～1/4。

货架按照排、列、层组合而形成立体仓库储存系统，如图2-7所示。

高层货架有钢货架和钢筋混凝土货架两种，自动化立体仓库中多用钢货架。

货架按承载能力大小大致分为重量型货架、中量型货架以及轻量型货架3种形式。轻量型货架每个单元层能够承载重量为100～150kg，货架主要适合中小单元、零部件等轻型货物的存储；中量型货架每个单元层能够承载重量为200～500kg，适用于中小型仓库存放货物；轻型与中型货架结构简单，由立柱、横梁、层板组装而成。重型货架承载重量大约为800kg，结构强度和刚度较大，不易发生变形或破坏，多应用于大型或超大型仓库中。

按货架的使用高度可以分为高层（＞15m）、中层（5～15m）和低层（＜5m）。

具体的尺寸规格选择都是根据仓库的大小与高度，以及所需存储的货物尺寸与重量来决定的。

（2）货格

货格用于存放货物托盘或货箱，是货架的基本组成单元。货格尺寸由托盘或货箱的尺寸决定，货物单元与货格单元存在以下关系，如图2-8所示。

其中，

● 货箱宽度为A；

● 托盘立柱间距a=25～60mm（大货箱取大值）；

● 货叉宽度b=0.7×A；

● 货叉与牛腿间距c=(0.075～0.1)×A（大货箱取大值）；

● 牛腿间距d=(0.85～0.9)×A；

● 牛腿宽度e=60～125mm（大货箱取大值）；

● 牛腿货箱高度差h，应大于货叉厚度+货叉浮动行程+各种误差，一般取值为70～150mm（大货箱取大值）。

若每个货格存放两个货物单元，则货物单元之间间距一般取值25～60mm（大货箱取大值）。

据此，可以计算每个货格单元的长、宽、高，结合货架层、排、列数量，可进一步计算货架长、宽、高。

2.货物存取和输送系统

货物存取和传送系统承担货物存取、出入仓库的功能，它主要由巷道式堆垛机、叉车、穿梭车、自动导引车、输送机等组成。

（1）巷道式堆垛机

巷道式堆垛机是自动化立体仓库进行高层货架货物存取的关键装备，通过运行机构、起升机构和货叉机构的协调工作，完成货物在货架范围内的纵向和横向移动，实现货物的三维立体存取，如图2-9所示。

巷道式堆垛机由行走电动机通过驱动轴带动车轮在下导轨上做水平运动，由提升电动机带动载货台做垂直升降运动，载货台上的货叉做伸缩运动，通过上述三维运动可将指定货位上的货物取出或将货物送到指定的货位。通过认址器、光电识别，以及光通信信号的转化，实现计算机控制，也可实现触摸屏的手动和半自动控制。通过认址器获取实际运行位置，货叉下面的行程开关控制货叉伸出的距离，货叉下面的接近开关控制货叉的回中定位。

巷道式堆垛机有多种类型，按照金属结构的形式，可分单立柱和双立柱堆垛机；按用途，可分为单元型、拣选型、单元—拣选型3种；按照有无导轨，可分为有轨堆垛起重机和无轨堆垛起重机（也称为高架叉车）；按照高度不同，可分为低层型（5m以下）、中层型（5～15m）和高层型（15m以上）；按照驱动方式不同，可分为上部驱动式、下部驱动式和上下部相结合的驱动方式；按照自动化程度不同，可分为手动、半自动和自动堆垛起重机。

（2）叉车

叉车是具有各种叉具，能够对货物进行升降和移动，以及装卸搬运的搬运车辆。叉车按照动力类型，可分为人力叉车、电动叉车和内燃叉车；按照工况与功能，可分为平衡重式叉车、插腿式叉车、侧面式叉车、前移式叉车、窄巷道叉车、高货位拣选式叉车、集装箱叉车等。叉车在自动化立体仓库中主要承担从货架区到出入库台的搬运工作，用于室内载重量不大的托盘货物搬运，一般使用普通电动叉车。

当前智能叉车越来越广泛应用于自动化立体仓库作业中，通过激光导航以及多重传感器的部署，使得叉车可以自动感应识别货架上相应托盘的位置并精准对接，完成无人自动存取和搬运的功能，如图2-10所示。

（3）穿梭车

穿梭车又称为轨道式导引车（Rail Guide Vehicle, RGV），具有速度快、可靠性高、成本低等特点，在物流系统中有着广泛的应用，主要用于物料输送、车间装配等，并可与上位机或WMS系统通信，结合RFID技术、条码识别技术，实现自动化识别、输送和存取等功能，如图2-11所示。

穿梭车是伴随着自动化物流系统和自动化仓库产生而产生的设备，它既可作为立体仓库的周边设备，也可作为独立系统。穿梭车可以十分方便地与其他物流系统实现自动连接，如出入库站台、各种缓冲站、输送机、升降机和机器人等，按照计划进行物料的输送。穿梭车无须人员操作，运行速度快，显著降低了仓库管理人员的工作量，提高了劳动生产率，同时它的应用可使物流系统变得非常简捷。

穿梭车根据其运行轨迹可分为往复式穿梭车和环形穿梭车等；根据轨道形式可分为单轨穿梭车和双轨穿梭车。

穿梭车台面根据用途可搭载多种移载装置：固定载货台、链式输送机型、辊道输送机型、顶升式和滑动货叉型等。

（4）自动导引车

自动导引车（AGV）是一种无人自动导引运输车，集合声、光、电、计算机技术于一体，应用了自动控制理论和机器人技术，装配有电磁或光学等自动性导引装置，能够按照使用设定好的导引路径行驶，具备完成目标识别、避让障碍物和各种移载功能，如图2-12所示。

AGV应用于自动化立体仓库中，可实现从货架区到出入库台的无人化自动搬运。

按照导引方式，AGV可分为电磁导引、磁带导引、光学导引、激光导引、惯性导引、图像识别导引等，可根据实际需要进行布置应用。

按照取货方式，可分为夹抱式——取货工具为夹爪，主要用于直接夹抱外形包装规则的货物；叉取式——取货工具为货叉，主要用于搬运有托盘装载的货物。

按照货物接驳的方式，可分为辊道移载搬运型AGV、叉式搬运型AGV、推挽移载搬运型AGV、夹抱搬运型AGV、升降接载搬运型AGV等，可根据需要搬运货物的种类以及不同接驳形式选择不同的搬运型AGV产品。

（5）输送机

输送机是以连续的方式沿着一定的路线从装货点到卸货点均匀输送货物和成件包装货物的机械设备。自动化立体仓库中通过计算机进行统一控制输送机运行，应用传感器、控制器和执行器，能够自动完成货物从货架区到出入库台的搬运工作，如图2-13所示。

自动化仓库的库前和库后区域，为完成托盘货物、货箱货物的运输和传递，采用辊筒输送机、链式输送机、带式输送机、板链输送机等构成托盘货物输送系统，结合形位检测、拆叠盘机、顶升、移载、旋转等装置的转换，轻松实现送取货和堆垛机存取货之间的平滑过渡。

3.管理和控制系统

自动化立体仓库系统采用计算机进行管理和控制，主要包括仓储管理系统（WMS）和仓库控制系统（WCS）两个系统。

（1）WMS系统

WMS是自动化立体仓库的管理中心，承担出入库管理、盘库管理、查询打印及显示、仓库经济技术指标计算分析管理功能。WMS的基本功能如图2-14所示。

作为立体库的WMS系统，除了要求具备普通的WMS功能外，还有很多特别之处，主要包括以下内容。

1）组盘要求。组盘要求非常严格，绝对不能超差和超重，这是AS/RS的显著特点。AS/RS有尺寸和重量监测装置，要求这两项均不超过设定值。

2）货位均衡。自动化立体库基于作业安全和效率的考虑，对货位分配有特别的要求。通常要求同一SKU的多个托盘被均匀分配到不同巷道，在整个作业过程中各巷道的托盘数基本相同。这是与普通的仓库管理系统不同的地方。

3）实时性要求。一方面，堆垛机完成每个作业的时间并不相同，另一方面，由于故障等原因，会导致分配的任务并不能按时完成，从而打乱了原先的分配原则。这时要求WMS系统根据实时情况分配货位。此外，由于堆垛机是自动完成作业的，所以WMS要实时记录货位的变化，避免出现账实不符。

4）故障处理。WMS故障类型很多，主要有以下两类需要处理。第一类是货位空故障。出库时，当记录的货位有托盘，但实际监测没有，造成账实不符。这一类故障将直接影响发货，而系统也需要进行处理。通常处理此类错误首先需要人工确认监测结果是否正确。如果属于监测错误，则应修复设备，排除故障，重新作业；如果检测无误，则要求重新分配货位，并对当前货位进行跟踪处理。第二类是货位满故障。入库时，当记录的货位无货物，但实际监测有托盘，造成账实不符。这一类故障影响入库作业，处理此类错误首先需要人工确认监测结果是否正确。如果属于监测错误，则应修复设备，排除故障，继续作业；如果检测无误，则要求重新分配货位并对当前货位的货物进行跟踪，修复库存。此外，还有库存不准确等故障，也需要处理，维持库存准确是保证作业流畅的前提。

5）在线拣选。在线拣选是AS/RS的一项重要功能，WMS对此要有相应支持。在线拣选对于波次拣选时，要求减少堆垛机作业次数，一次完成整个波次的拣选。在线拣选在拣选完成后，面临托盘回库的问题。有两种策略：一是回到原货位；二是重新分配货位。无论采用哪种策略，WMS将担负管理货位和分配货位的责任。如果拣选完成后成了空托盘，堆垛机可将空托盘自动收集成垛存放在靠近拣选位的某个空货格内。

6）货位锁定。货位锁定对于AS/RS非常重要。有时是因为堆垛机故障需要锁定货位，有时是因为其他原因需要锁定。WMS系统应提供自动和手工锁定货位的功能。

7）货位状态管理。AS/RS的货位状态有很多种，如空货位、满货位、入库状态、出库状态、锁定状态，此外还要根据实际应用设计其他状态。

8）与WCS接口。除与ERP有接口外，WMS必须与自动化监控系统WCS有接口。由于系统和设备的多样性，接口也具有多样性。WCS将WMS与设备隔离开来，实现了WMS与设备无关，进而简化WMS的设计、发布和维护。

立体库WMS的特性还有很多，如盘库策略和方法、货位的优先级管理、双深度货位管理等，需要开发设计时在功能上予以考虑。

（2）WCS系统

WCS是自动化立体仓库的控制中心，它沟通并协调管理计算机、堆垛机、出入库输送机等的联系；控制和监视整个自动化立体仓库的运行，并根据管理计算机或自动键盘的命令组织流程，以及监视现场设备运行情况和现场设备状态、监视货物流向及收发货显示。WCS的基本功能包括接受WMS的作业指令，经过整理、组合形成各自动化系统的作业指令，分发给各自动化系统。同时，接收各自动化系统的现场状态，反馈给WMS。企业ERP、WMS与WCS的关系图如图2-15所示。

从WCS的角度看，WMS是关于作业要求的发出者。在入库作业时，将托盘货物存放在什么位置，在出库作业时，要求货物从什么位置出，出多少，这些应是WMS的工作内容。而具体由什么系统去执行，并不是WMS要关心的事情，WCS则完成了任务分发的工作。

WCS具有如下显著特点：

● 明确了WMS与设备无关的概念，结构清晰，易于维护；

● 理清了WMS与监控系统的职责，各司其职，避免交叉；

● 对于大型物流中心，大大减少了联合调试的时间；

● 系统稳定性大大提高；

● 便于远程部署WMS，尤其是云端系统的部署变得可行。

监控系统是WCS系统的重要组成部分，职责是完成自动化作业的任务监控。在一个自动化立体库系统中，监控系统要求与立体库设备发生紧密的互动，主要是堆垛机、输送机、穿梭车等。有的系统中还包括分拣机、AGV、机械手等自动化设备。

1）堆垛机监控系统。一个堆垛机的入库作业循环包括：

● 接受输送机系统的入库请求；

● 堆垛机达到入库口（其中包括堆垛机的加速、运行、减速、停准等动作，起升的载货台回原位动作）；

● 堆垛机取货作业（其中包括伸叉、叉体到位、微升、微升到位、回叉、回叉对中等动作），取货完成，还需要发给输送机一个取货完成指令，以便输送机释放占位；

● 堆垛机运行到指定位置（包括水平位置和高度位置）；

● 堆垛机检查货位是否有货（如有货则报故障）；

● 堆垛机放货作业（其中包括伸叉、叉体到位、微降、微降到位、回叉、回叉对中等动作）；

● 堆垛机待机。

一个完整的出库环节包括：

● 接受监控系统的出库请求（在一个队列里的第一条指令）；

● 堆垛机达到预定货位位置（其中包括运行的加速、运行、减速、停准等动作，起升的载货台要求同步运动到预定位置）；

● 堆垛机检查货位是否有货（如无货则报故障）；

● 堆垛机取货作业（其中包括伸叉、叉体到位、微升、微升到位、回叉、回叉对中等动作）；

● 堆垛机运行到指定出库口位置（包括水平位置和载货台高度位置），有时一个巷道有多个出库口，因此指定出库口非常重要；

● 堆垛机向输送机系统发出卸货申请，输送机即刻回复是否可以卸货；

● 当允许放货时，堆垛机执行放货作业（其中包括伸叉、叉体到位、微降、微降到位、回叉、回叉对中等动作）；

● 堆垛机待机。

在整个作业循环中，堆垛机要求时刻监控货物是否在运行中超差。如果发现超差，将立即停止运行，并报故障。

对于堆垛机系统来说，每个控制系统与监控系统的交互并不是完全一样的。有的是将整个作业循环作为一个事务来处理，这样交互的内容就很少；有的是将整个循环划分为多个小循环和多个小事务，交互的情形就比较多。

2）输送机监控系统。相比堆垛机监控系统，输送机监控系统相对简单。在输送阶段，几乎没有什么需要监控的，一切按照内部逻辑运行，只是在出现故障时需要处理。而在分流段，则需要根据系统规划的路线或外部的条码信息决定分流路线。但输送机也有复杂的地方，如条码的识别，系统不仅要求识别要准确，而且要求快捷，而这两点都具有难度。

3）穿梭车监控系统。穿梭车的监控类似于堆垛机，但比堆垛机要简单，主要是没有载货台的控制。

4）图形显示系统。监控系统需要将作业过程进行图形显示，可以安排专门的计算机系统完成。一个好的图形显示可以观看到整个中心的作业情况，对于日常维护是非常重要的。

4.土建工程及辅助设施

1）土建工程。根据仓库的规模、仓储系统的功能要求，由建筑设计师根据地质概貌情况，按照国家有关标准进行设计。

2）消防系统。依据国家《建筑设计防火规范》进行设计，再根据所存物品的性质确定具体的消防方案和措施。自动化立体仓库的消防系统大都采用自动消防系统。

3）照明装置。自动化立体仓库的照明系统应由日常照明、维修照明和应急照明3部分组成。对存储感光材料的黑暗库来说，不允许储存物品见光，照明系统应特殊考虑。

4）通风及采暖装置。通风和采暖的要求是根据所存物品的条件提出的。自动化立体仓库内部的环境温度一般在-5～45℃，通常由厂房屋顶及侧面的风机、顶部和侧面的通风窗、中央空调、暖气等措施来实现。对储存散发有害气体物品的仓库要考虑环保要求，对有害气体进行适当处理后再排入室外。

5）动力系统。自动化立体仓库一般只需动力电源即可。总的电容量要根据所有用电设备的负荷，综合考虑来确定。

6）其他设施。包括给排水设施、避雷接地设施和环境保护设施等，需要进行综合考虑。给水设施：包括消防用水和工作用水两部分；排水设施：是指将工作废水及雨水及时排出仓库外部的系统；避雷设施：立体仓库属于高层建筑，应设置避雷设施以防止雷击。

2.2.4 自动化立体仓库的管理与维护

1.自动化立体仓库的规划设计

对自动化立体仓库进行规划设计，主要包括以下步骤。

（1）收集、研究用户的原始资料，明确用户所要达到的目标

主要收集的原始资料包括以下内容。

1）明确自动化立体仓库与上游、下游衔接的工艺过程。

2）物流要求：上游进入仓库的最大入库量、向下游转运的最大出库量以及所要求的库容量。

3）物料的规格参数：物料的品种数、物料包装形式、外包装尺寸、重量、保存方式及其他物料的其他特性。

4）立体仓库的现场条件及环境要求。

5）用户对仓库管理系统的功能要求。

6）其他相关的资料及特殊要求。

（2）确定自动化立体仓库的主要形式及相关参数

所有原始资料收集完毕，可根据这些第一手资料计算出设计时所需要的相关参数，包括以下内容。

1）对整个库区的出入库总量要求，即仓库的流量要求。

2）货物单元的外形尺寸及其重量。

3）仓库储存区（货架区）的仓位数量。

4）结合上述3点确定储存区（货架区）货架的排数、列数及巷道数目等其他相关技术参数。

（3）合理布置自动化立体仓库的总体布局及物流图

自动化立体仓库包括入库暂存区、检验区、码垛区、储存区、出库暂存区、托盘暂存区、不合格品暂存区及杂物区等。规划时，立体仓库内不一定要把上述的每一个区都规划进去，可根据用户的工艺特点及要求来合理划分各区域和增减区域。

同时，还要合理考虑物料的流程，使物料的流动畅通无阻，这将直接影响到自动化立体仓库的能力和效率。

（4）选择机械设备类型及相关参数

1）货架：货架的设计是立体仓库设计的一项重要内容，它直接影响到立体仓库面积和空间的利用率。

① 货架形式：货架的形式有很多，而用在自动化立体仓库的货架一般有横梁式货架、牛腿式货架、流动式货架等。设计时，可根据货物单元的外形尺寸、重量及其他相关因素来合理选取。

② 货格尺寸：货格的尺寸取决于货物单元与货架立柱、横梁（牛腿）之间的间隙大小，同时，在一定程度上也受到货架结构形式及其他因素的影响。

2）堆垛机：堆垛机是整个自动化立体仓库的核心设备，通过手动操作、半自动操作或全自动操作实现把货物从一处搬运到另一处。它由机架（上横梁、下横梁、立柱）、水平行走机构、提升机构、载货台、货叉及电气控制系统构成。

① 堆垛机形式的确定：堆垛机形式多种多样，包括单轨巷道式堆垛机、双轨巷道式堆垛机、转巷道式堆垛机、单立柱堆垛机、双立柱堆垛机等。

② 堆垛机速度的确定：根据仓库的流量要求，计算出堆垛机的水平速度、提升速度及货叉速度。

③ 其他参数及配置：根据仓库现场情况及用户的要求选定堆垛机的定位方式、通信方式等。堆垛机的配置可高可低，视具体情况而定。

3）输送系统：根据物流图，合理选择输送机的类型，包括辊道输送机、链式输送机、带式输送机、升降移载机、提升机等。同时，还要根据仓库的瞬时流量合理确定输送系统的速度。

4）其他设备：根据仓库的工艺流程及用户的一些特殊要求，可适当增加一些辅助设备，包括手持终端、叉车、平衡吊等。

（5）设计WCS控制系统及WMS仓库管理系统的各功能模块

根据仓库的工艺流程及用户的要求，合理设计控制系统及仓库管理系统。控制系统及仓库管理系统一般采用模块化设计，便于升级和维护。

（6）仿真模拟整套系统

在有条件的情况下，对整套系统进行仿真模拟，可以对立体仓库的储运工作进行较为直观的描述，发现其中的一些问题和不足，并做出相应的更正，以优化整个AS/RS。

（7）进行设备及控制管理系统的详细设计

明确具体技术参数和技术要求，形成设备及控制管理系统的详细设计方案。

（8）提出对土建及公用工程的要求

提出对基础承载、动力供电、照明、通风采暖、给水排水、报警、温湿度、洁净度等方面的要求。

（9）形成完整的系统技术方案

考虑其他各种有关因素，与用户讨论综合调整方案，形成切实可行的技术方案。

以上所述为自动化立体仓库设计的一般过程，在具体设计中，可结合具体情况灵活运用。

2.自动化立体仓库的安全管理

自动化立体仓库涉及许多大型化、自动化机电设备，必须加强仓库安全管理，明确安全管理操作规程和有关要求。主要包括以下内容。

1）各岗位的操作人员，必须经过岗前培训并考核，以确认是否能胜任岗位工作。

2）严禁人员攀爬货架。

3）地面系统控制柜合闸通电前，操作者必须首先检查各巷道有无异物，确认没有后，方可合闸通电。

4）设备运转中，货架区严禁人员进入。

5）除检修时需要（此时应采取相应措施将载货台固定在导轨上）外，其他任何情况下，载货台下严禁站人。

6）自动化立体仓库设备正常工作环境温度范围为-5～45℃，当环境温度超过此温度范围时，必须采取适当的措施，以满足设备正常启动条件；否则，将会给设备造成不可逆转的损害。

7）禁止挤压、踩踏滑触线、认址片、各类开关及固定支架、各类传感器及固定支架等易变形易损坏部件。

8）严禁遮挡红外通信器和激光测距仪。

9）根据环境条件，定期检查，并使用软布擦拭各种光电开关及光通信、反射镜表面的灰尘，防止影响传感器正常工作；对已损坏元器件应及时更换，以免对设备造成更大的不必要的损失。

10）立体库区内，不得有易燃易爆的气体或粉尘存在，以免发生危险。

11）对具有腐蚀性、挥发性的液体或固体，应妥善包装，以免对设备造成损害，降低设备的使用寿命。

12）货物入库时，操作员应该检查货物外形是否超差，特别是长度方向，同时检查货物是否放平稳。

13）对因托盘卡阻原因造成的故障，不得使用野蛮作业方式排除，以免造成设备损坏，导致更大的损失。

3.自动化立体仓库的维护保养

（1）维护保养的基本要求

● 清洁：设备内外整洁，作业场地清扫干净；

● 整齐：工具、附件等要放置整齐；

● 润滑良好：按时加油或换油；

● 安全：遵守安全操作规程，设备的安全防护装置齐全可靠，及时消除不安全因素。

（2）堆垛机与输送设备维护

重点做好以下工作：

● 巷道内有无障碍物；

● 设备运行区域有无漏油、漏雨现象；

● 机体螺栓、螺母有无松动；

● 机体有无破损及附着异物；

● 限速器是否完好；

● 限速防坠装置是否运行可靠；

● 行走轮及导向轮的磨损情况；

● 钢丝绳磨损情况：按相关技术规范检查是否需要更换，检查是否润滑良好，检查有无异常声音；

● 链条磨损情况：延伸量是否达到更换条件，注油情况是否润滑良好，有无异常声音、振动，链条销轴有无伤损；

● 结构部分：框架是否变形，有无材料裂纹及破损，材料焊接处有无异常，轴有无损坏，连接处的螺栓、螺母有无松动；

● 轨道部分：有无障碍物，导轨两端限位装置有无异常，清轨器及安全夹钩是否完好，导轨的磨损、裂纹及因挤压凸起等现象，导轨的固定螺母有无松动，底板垫板有无异常；

● 电动机、减速机部分：工作时有无异常声音、振动，温升情况，注油情况，有无漏油；

● 链轮及齿轮部分：安装部分有无松动，齿面磨损状态是否有龟裂，回转时有无异常声音、振动，注油情况；

● 轮、轴与轴承部分：外观有无弯曲和扭曲，轴承环有无破损、龟裂，键或键槽有无变形，回转时有无异常声音、振动，注油情况，温升情况；

● 拉力弹簧外观有无断裂，扭曲；

● 扭力限制器是否可靠；

● 安全爬梯及安全绳是否有异常。

（3）电气系统维护

重点做好以下工作：

● 配电箱、控制箱的清洁；

● 接地装置定期检查；

● 电气元件的完好情况；

● 电气装置接触部位有无过热现象及放电痕迹；

● 电线、电缆的损伤及更换；

● 滑触线，集电器触头的磨损、接触是否可靠；

● 电动机接线及过热现象；

● 传感器接收及发射端的清洁；

● 各安全保护及联锁装置的工作情况：各机构终端限位保护，堆垛机行走终端限速保护，堆垛机升降超速保护，堆垛机载货台松绳保护，堆垛机货物虚实探测，堆垛机货物位置和外形检测，堆垛机紧急停车装置，堆垛机声光报警装置，堆垛机微升降的行程保护，堆垛机货叉与行走、升降机构的联锁等。

（4）信息化系统维护

● 信息化系统硬件维护包括：网络与服务器的正常运作；网络与服务器内部资料的维护、数据库的数据备份和冗余数据的定期清理等；网络安全和网络通畅。

● WMS、WCS软件维护包括：完善WMS、WCS软件；为适应软件运行环境的变化而进行修改（必要时）；为扩充功能和改善性能而进行修改和扩充。

2.2.5 自动化立体仓库的应用与发展

1.自动化立体仓库的发展历程

第二次世界大战之后，随着生产和技术的发展的产生了立体仓库。二战后20世纪50年代，美国分别出现了采用桥式堆垛起重机和司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库；随着计算机控制技术的发展，美国在60年代又建成世界上第一座在仓库管理中由计算机控制的立体仓库。此后，自动化立体仓库在世界范围内得到迅速发展，并逐渐形成了专门的学科。

在国外，美国学者J. A. White将仓储技术发展划分为5个阶段，其中也能够体现出自动化立体仓库的发展历程。

第一阶段：人工仓储技术阶段。在这一阶段，主要靠人工来实现货物的输送、存储、管理和控制。

第二阶段：机械化仓储技术阶段。在这一阶段，货物的移动和搬运主要通过各种各样的传送带、工业输送车、吊车、机械手、升降机和堆垛机，货物的存储则是依靠托盘和可移动式货架，同时人工操作机械存储设备，并采用限位开关和监视器等来控制设备的运行。这一阶段，高层立体货架得到应用，作业活动处于机械化作业阶段，还没有实现自动化运行。

第三阶段：自动化仓储技术阶段。自动化技术对仓储技术的发展起到了非常重要的促进作用。20世纪50年代末和60年代，自动引导车（AGV）、自动存取机器人、自动货架、自动识别和自动分拣系统等被相继研制和采用。70年代和80年代，移动式货架、旋转式货架、巷道式堆垛机等也开始加入自动控制的行列。随着计算机技术的快速发展，自动化技术的工作重点开始向货物的控制和管理（实时、协调和一体化）方向发展，也逐渐成为仓储自动化技术的核心。自动化立体仓库出现并开展应用。

第四阶段：集成自动化仓储阶段。在这一阶段，越来越多的行业领域开始应用自动化仓储系统，这一系统中包括人、设备和控制系统，形成了“集成系统”的概念。20世纪90年代以来，自动化立体仓库在全世界迅速发展，先进的技术手段在自动化仓库中得以应用，实现了货物自动存取、自动运输、自动分拣，高效率采集货物信息、资源和库存管理和控制的智能化。由于更多的自动化仓储物流系统（WMS、WCS）和设备（RGV、AGV、AMR、手持终端）等得到广泛应用，极大地提高了仓储物流作业效率并降低了成本。

第五阶段：智能自动化仓储技术阶段。以智能制造为主的第四次工业革命，大力提倡物联网、数字化技术、人工智能技术，推动了自动化技术向智能自动化方向发展，物流行业迎来智能化时代，仓储管理及识别设备的智能升级进一步提高了存取货物的效率，库位分配、智能搬运、智能分拣、智能监控等智慧决策和智能运行得以实现。自动化立体仓库已经进入了智能化发展阶段。

2.我国自动化立体仓库的发展现状

我国自动化立体仓库建设起步于1975年，20世纪70年代中期，“自动化立体库”被作为国家级十大技术攻关项目之一提出，原北京起重运输机械研究所以国外技术为蓝本，依靠自有能力开发出国内第一座自动化立体库，但由于当时中国对物流系统技术的认识不足，工业基础薄弱，致使其不能大力推广，造成了其技术起点高、发展慢的局面，到20世纪80年代中期总共只建设了不足10座自动化立体仓库。

20世纪80年代末至90年代，自动化立体仓库逐渐被企业所认识，需求开始增加，德国德马泰克公司、日本大福公司、村田公司，瑞士Swisslog公司等国际上先进的物流系统集成商的部分技术被引进国内，在这一时期，国内物流系统集成项目开始有了需求增长，但基本上还局限在烟草、胶片、汽车制造等特殊行业，供应商也不多。

21世纪以来，随着物流市场需求与行业规模迅速扩大，技术全面提升，现代仓储系统、分拣系统及其自动化立体仓库技术在各行业开始得到应用，尤其是医药、食品、烟草、汽车等行业更为突出。

当前，我国的自动化立体仓库技术已经基本成熟，并进入大量应用阶段，已建成自动化立体仓库数量4000座以上。昆船物流、今天国际、太原刚玉、北京高科、新松机器人、沈飞、自动化所、江苏六维、南京音飞等国内企业异军突起，在与国外先进的立体仓库系统集成商竞争中不断发展，在一些中低端项目中具备了较强的竞争优势，有些企业也成功进入高端项目领域。

相比国外先进国家，美国拥有各种类型的自动化立体仓库2万多座，日本拥有3.8万多座，德国1万多座，我国自动化立体仓库保有量依然很少，技术水平与先进国家在高速性能、工艺可靠性等方面还存在差距，未来发展潜力巨大。

3.我国自动化立体仓库的行业应用

我国自动化立体仓库应用范围很广，几乎遍布所有行业。目前已经投入应用的行业主要有烟草、医药、连锁零售、机械制造、汽车、食品、军队系统、电子商务等，此外在化工、航空航天、电子、图书、配送中心、机场、港口等领域也有较广泛的应用。我国自动化立体仓库的应用领域所占比重，如图2-16所示。

案例2-2：蒙牛乳业自动化立体仓库

蒙牛乳业自动化立体仓库（六期项目）包括原辅料的自动化输送，成品的自动化输送及存储。集成了自动化仓库系统AS/RS、空中悬挂输送系统、码垛机器人、环行穿梭车、直线穿梭车、自动导引运输车AGV、自动整形机、自动薄膜缠绕机、液压升降台、货架穿梭板、连续提升机以及多种类型的输送机等众多自动化物流设备。作为国内自动化水平最高的物流项目，被国家发改委评为“机电一体化示范工程”。（资料来源：太原刚玉企业官网——食品行业应用案例，2020年8月）（扩展视频2-4）