自动化立体仓库

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自动化立体仓库（Automatic Storage ＆ Retrieval System，简称AS/RS），也称为高层货架仓库

　　自动化立体仓库一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。由于这类仓库能充分利用空间储存货物，故常形象地将其称为“立体仓库”。

　　立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库；1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座计算机控制的立体仓库。此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。60年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。

　　我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机（机械部北京起重运输机械研究所），1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（高15米，机械部起重所负责），该库1980年投入运行。到目前为止，我国每年新建自动化立体仓库数量大约在100座左右。立体仓库由于具有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。自动化高架仓库应用范围很广，几乎遍布所有行业。在我国，自动化高架仓库应用的行业主要有机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等。

　　自动化立体仓库是现代物流系统中迅速发展的一个重要组成部分, 它具有节约用地、减轻劳动强度、消除差错、提高仓储自动化水平及管理水平、提高管理和操作人员素质、降低储运损耗、有效地减少流动资金的积压、提高物流效率等诸多优点。与厂级计算机管理信息系统联网以及与生产线紧密相连的自动化立体仓库更是当今CIMS(计算机集成制造系统)及FMS(柔性制造系统)必不可少的关键环节。

　　自动化立体仓库主要由三大类设施组成：

　　(一)土建及公用工程设施

　　1．库房。库存容量和货架规格是库房设计的主要依据。

　　2．消防系统。对于自动化立体仓库而言，由于库房规模大，存储的货物和设备较多且密度大，而仓库的管理和操作人员较少，所以仓库内一般都采用自动消防系统。要看防火等级，防火等级高的，必要要设置自动喷淋系统。

　　3．照明系统。

　　4．动力系统。

　　5．通风及采暖系统。

　　6．其他设施。如排水设施、避雷接地设施和环境保护设施等。

　　(二)机械设备

　　1．货架。货架的材料一般选用钢材，钢货架的优点是构件尺寸小，制作方便，安装建设周期短，而且可以提高仓库的库容利用率。自动化立体仓库的货架一般都分隔成一个个的单元格，单元格是用于存放托盘或直接存放货物的。

　　2．货箱与托盘。货箱和托盘的基本功能是装小件的货物，以便于叉车和堆垛机的叉取和存放。采用货箱和托盘存放货物可以提高货物装卸和存取的效率。

　　3．堆垛机。堆垛机是自动化立体仓库中最重要的设备，它是随自动化立体仓库的出现而发展起来的专用起重机。巷道机可在高层货架间的巷道内来回运动，其升降平台可作上下运动，升降平台上的货物存取装置可将货物存入货格或从货格中取出。

　　4．周边搬运设备。搬运设备一般是由电力来驱动，由自动或手动控制，把货物从一处移到另一处。这类设备包括输送机、自动导向车等，设备形式可以是单机、双轨、地面的、空中的、一维运行(即沿水平直线或垂直直线运行)、二维运行、三维运行等。其作用是配合巷道机完成货物的输送、转移、分拣等作业。在仓库内的主要搬运系统因故停止工作时，周边设备还可以发挥其作用，使作业继续进行。

　　(三)电气与电子设备

　　1．检测装置。检测装置是用于检测各种作业设备的物理参数和相应的化学参数，通过对检测数据的判断和处理可为系统决策提供最佳依据，以保证系统安全可靠地运行。

　　2．信息识别设备。在自动化立体仓库中，这种设备必不可少，它是用于采集货物的品名、类别、货号、数量、等级、目的地、生产厂、货物地址等物流信息。这类设备通常采用条形码、磁条、光学字符和射频等识别技术。

　　3．控制装置。自动化立体仓库内所配备的各种存取设备和输送设备必须具有控制装置，以实现自动化运转。这类控制装置包括普通开关、继电器、微处理器、单片机和可编程序控制器等等。

　　4．监控及调度设备。监控及调度设备主要负责协调系统中各部分的运行，它是自动化立体仓库的信息枢纽，在整个系统中举足轻重。

　　5．计算机管理系统。计算机管理系统用于进行仓库的账目管理和作业管理，并可与企业的管理系统交换信息。

　　6．数据通信设备。自动化立体仓库是一个构造复杂的自动化系统，它由众多的子系统组成。各系统、各设备之间需要进行大量的信息交换以完成规定的任务，因此需要大量的数据通信设备作为信息传递的媒介，这类设备包括电缆、远红外光、光纤和电磁波等。

　　7．大屏幕显示器。这是为了仓库内的工作人员操作方便，便于观察设备情况而设置的。

　　自动化立体仓库是一个复杂的综合自动化系统，作为一种特定的仓库形式，一般有以下几种分类方式：

　　1.按照建筑物形式分类

　　按建筑形式可分为整体式和分离式两种。

　　（1）整体式：是指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，即库房货架一体化结构，一般整体式高度在12米以上。这种仓库结构重量轻，整体性好，抗震好。

　　（2）分离式：分离式中存货物的货架在建筑物内部独立存在。分离式高度在12米以下，但也有15米至20米的。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所。

　　2.按照货物存取形式分类

　　按照货物存取形式分为单元货架式、移动货架式和拣选货架式。

　　（1）单元货架式：单元货架式是常见的仓库形式。货物先放在托盘或集装箱内，再装入单元货架的货位上。

　　（2）移动货架式：移动货架式由电动货架组成，货架可以在轨道上行走，由控制装置控制货架合拢和分离。作业时货架分开，在巷道中可进行作业；不作业时可将货架合拢，只留一条作业巷道，从而提高空间的利用率。

　　（3）拣选货架式：拣选货架式中分拣机构是其核心部分，分为巷道内分拣和巷道外分拣两种方式。“人到货前拣选”是拣选人员乘拣选式堆垛机到货格前，从货格中拣选所需数量的货物出库。“货到人处拣选”是将存有所需货物的托盘或货箱由堆垛机至拣选区，拣选人员按提货单的要求拣出所需货物，再将剩余的货物送回原地。

　　3.按照货架构造形式分类

　　可分为单元货格式、贯通式、水平旋转式和垂直旋转式。

　　（1）单元货格式仓库：类似单元货架式，巷道占去了三分之一左右的面积。

　　（2）贯通式：为了提高仓库利用率，可以取消位于各排货架之间的巷道，将个体货架合并在一起，使每一层、同一列的货物互相贯通，形成能一次存放多货物单元的通道，而在另一端由出库起重机取货，成为贯通式仓库。根据货物单元在通道内的移动方式，贯通式仓库又可分为重力式货架仓库和穿梭小车式货架仓库。重力式货架仓库每个存货通道只能存放同一种货物，所以它适用于货物品种不太多而数量又相对较大的仓库。梭式小车可以由起重机从一个存货通道搬运到另一通道。

　　（3）水平旋转式仓库的货架：这类仓库本身可以在水平面内沿环形路线来回运行。每组货架由若干独立的货柜组成，用一台链式传送机将这些货柜串连起来。每个货柜下方有支撑滚轮，上部有导向滚轮。传送机运转时，货柜便相应运动。需要提取某种货物时，只需在操作台上给予出库指令。当装有所需货物的货柜转到出货口时，货架停止运转。这种货架对于小件物品的拣选作业十分合适。它简便实用，充分利用空间，适用于作业频率要求不太高的场合。

　　（4）垂直旋转货架式仓库：与水平旋转货架式仓库相似，只是把水平面内的旋转改为垂直面内的旋转。这种货架特别适用于存放长卷状货物，如地毯、地板革、胶片卷、电缆卷等。

　　自动化立体仓库的主要优点有以下几个方面：

　　1．由于能充分利用仓库的垂直空间，其单位面积存储量远远大于普通的单层仓库(一般是单层仓库的4-7倍)。目前，世界上最高的立体仓库可达40多米，容量多达30万个货位。

　　2．仓库作业全部实现机械化和自动化，一方面能大大节省人力，减少劳动力费用的支出，另一方面能大大提高作业效率。

　　3．采用计算机进行仓储管理，可以方便地做到"先进先出"，并可防止货物自然老化、变质、生锈，也能避免货物的丢失。

　　4．货位集中，便于控制与管理，特别是使用电子计算机，不但能够实现作业的自动控制，而且能够进行信息处理。

　　5．能更好地适应黑暗、低温、有毒等特殊环境的要求。例如，胶片厂把胶片卷轴存放在自动化立体仓库里，在完全黑暗的条件下，通过计算机控制可以实现胶片卷轴的自动出入库。

　　6．采用托盘或货箱存储货物，货物的破损率显著降低。

　　自动化立体仓库的主要缺点：

　　1．由于自动化立体仓库的结构比较复杂，配套设备也比较多，所以需要的基建和设备的投资也比较大。

　　2．货架安装精度要求高，施工比较困难，而且工期相应较长。

　　3．存储弹性小，难以应付高峰的需求。

　　4．对可存储的货物品种有一定限制，需要单独设立存储系统用于存放长、大、笨重的货物以及要求特殊保管条件的货物。

　　5．自动化立体仓库的高架吊车、自动控制系统等都是技术含量极高的设备，维护要求高，因此必须依赖供应商，以便在系统出现故障时能得到及时的技术援助。这就增强了对供应商的依赖性。

　　6．对建库前的工艺设计要求高，在投产使用时要严格按照工艺作业。

　　每个自动化立体仓库的设计都分几个主要的阶段，每个阶段都有其要达到的目标。

　　(一)设计前的准备工作

　　需求分析(准备阶段)是第一阶段，在这一阶段里要提出问题，确定设计目标，并确定设计标准。要通过调研搜集设计的数据，找出各种制约条件，并对其进行细致的分析。设计主要包括以几个方面：

　　1．要了解建库的现场条件，包括气象、地形、地质条件、地面承载能力、风及雪载荷、地震情况以及其他环境的影响。

　　2．在自动化立体仓库的总体设计中，机械、结构、电气、土建等多专业相互交叉、相互制约，这就要求第三方物流企业在进行设计时必须考虑到各专业的需要。例如，机械的运动精度要根据结构制作的精度和土建的沉降精度而选定。

　　3．要制定出第三方物流企业对仓储系统的投资、人员配置等计划，以此来确定仓储系统的规模和机械化、自动化的程度。

　　4．要对与第三方物流企业仓储系统有关的其他方面的条件进行调查了解，例如，货物的来源，连结库场的交通情况，货物的包装，搬运货物的方法，货物的最终去向和运输工具等等。

　　(二)库场的选择与规划

　　库场的选择和布置对于仓储系统的基建投资、物流费用、劳动条件等都有重要的意义。考虑到城市规划、第三方物流企业的整体运作，自动化立体仓库最好选在靠近港口、码头、货运站等交通枢纽，或靠近生产地或原材料产地，或靠近主要的销售市场，这样可以大大地降低第三方物流企业的费用。库场地址是否合理对于环境保护、城市规划等也有一定的影响。例如，选择在受到交通限制的商业区建立自动化立体仓库，一方面与繁华的商业环境不协调，另一方面要花高价购买地皮。最重要的是，由于受到交通限制，只能每天半夜来运送货物，这显然是极不合理的。

　　(三)确定仓库形式、作业方式和机械设备参数

　　仓库的形式需要在调查入库货物品种的基础上确定。一般都采用单元货格式仓库，如果存储的货物品种单一或很少，而且货物批量较大，可以采用重力式货架或者其他形式的贯通式仓库。根据出入库的工艺要求(整单元或零散出入库)来决定是否需要堆垛拣选作业，如果需要拣选作业，再确定拣选作业的方式。

　　为了提高出入库搬运效率，应尽量减少单作业方式(即单人库或单出库)，要尽量采用复合式作业方式(即迂回或回程也进行搬运作业)。或者采用一次搬运两个单元格货物的作业方式，具体做法是：在堆垛机的台上设置两副货叉，它们可以分别伸缩，也可以同时伸缩，以存取两个单元格的货物。还有一种方法就是把货架的深度加大，设计成两个货物单元大小，相应的也要把堆垛机的货台增宽一倍，货叉要增长一倍，这样要叉取一个货物单元时，货叉只要伸出一半就可以了，如果要同时叉取两个货物单元时，只要把货叉全部伸出就可以了。在自动化立体仓库中还有一种作业方式常被采用，这就是所谓的"自由货位"方式，即货物可以就近入库，特别是对于出入库频繁和超长、超重的货物，应当尽量在到货和发货的地点附近作业，这样做不但可以缩短出入库时间，还节省了搬运费用。

　　自动化立体仓库所使用的机械设备有很多种，一般都包括巷道堆垛机、连续输送机、高层货架，自动化程度高的还有自动导向车。在进行仓库的总体设计时，要根据仓库的规模、货物的品种、出入库频率等选择最适合的机械设备，并确定这些设备的主要参数。

　　(四)确定货物单元形式及规格

　　由于自动化立体仓库的前提是单元化的搬运，所以确定货物单元的形式、尺寸和重量是一个非常重要的问题。它会影响到第三方物流企业对仓库的投资，而且会影响到整个仓储系统的配备、设施等问题。因此，为了合理确定货物单元的形式、尺寸和重量，应根据调查和统计的结果，列出所有可能的货物单元形式和规格，并做出合理的选择。对于那些形状和尺寸比较特殊或者很重的货物，可以单独处理。

　　在货物单元形式和规格都确定后，还应确定货格的尺寸，货格尺寸取决于货物单元四周留出的净尺寸和货架构件的有关尺寸。一般来说这些净尺寸都是根据实际情况和有关经验、数据来确定的。

　　(五)确定库容量(包括缓存区)

　　库容量是指在同一时间仓库可容纳的货物单元数，这对自动化立体仓库来说是一个非常重要的参数。由于在库存周期会受到许多预料之外因素的影响，因此库存量的波峰值有时会大大超出自动化立体仓库的实际库容量。除此之外，有的自动化立体仓库仅仅考虑了货架区的容量，而忽视了缓存区的面积，结果造成缓存区的面积不足，使得货架区的货物出不来，库房外的货物进不去。

　　(六)库房面积与其他面积的分配

　　由于总面积是一定的，而许多第三方物流企业在建造自动化立体仓库时只重视办公、实验(包括研发)的面积，却忽视了库房面积，因此造成了这种局面，即为了满足库容量的需要，只好通过向空间发展来达到要求。但是货架越高，机械设备的采购成本和运行成本也就越高。除此之外，由于自动化立体仓库内最优的物流路线是直线形的，但在仓库设计时往往会受到平面面积的限制，造成本身物流路线的迂回(往往是s形，甚至是网状)，这会增加许多不必要的投入和麻烦。

　　(七)人员与设备的匹配

　　不管自动化立体仓库的自动化程度有多高，具体运作时仍需要一定的人工劳动，因此工作人员的数量要合适。人员不足会降低仓库的效率，太多又会造成浪费。自动化立体仓库采用了大量先进的设备，因此对人员的素质要求比较高，人员素质跟不上，同样会降低仓库的吞吐能力。第三方物流企业需要招聘专门的人才，并对其进行专门的培训。

　　(八)系统数据的传输

　　由于数据传输路径不通畅或数据冗余等原因，会造成系统数据传输速度慢，甚至无法传输的现象，因此要考虑自动化立体仓库内部以及与第三方物流企业上下级管理系统间的信息传递的问题。

　　(九)整体运作能力

　　自动化立体仓库的上游、下游及其内部各子系统的协调，有一个木桶效应的问题，即最短的那一块木板决定了木桶的容量。有的仓库采用了很多的高科技产品，各种设施设备也非常齐全，但是由于各子系统间协调性、兼容性不好，造成整体运作能力比预期差很多。