前言：2015年，由中國機械工程學會物流工程分會組織編寫的《物流工程技術路線圖》一書正式由中國科學技術出版社出版發行。這本書是由中國科學院院士路甬祥組織的《面向2030中國機械工程技術路線圖》叢書中的一本。全書由包起帆院士擔任顧問，陸大明會長擔任主編，王國華、尹軍琪、李蘇劍、邱伏生、周云、周奇才、孟文俊、徐格寧擔任副主編，參與編寫的專家學者多達50余人，歷經2年時間，6易其稿，最終成書。作者有幸擔任第六章物流倉儲設備的編寫工作，參與編寫的還有翁訊和王樂樂兩位專家。能與這么多的專家一起，完成這樣一部重要著作的編寫工作，這是我一生的榮幸。

        現在，距離寫作的時間已經過去近10年，有多少技術是預測對了，還有多少沒有預測到，作為作者肯定是關心的，我想，讀者也一定懷有好奇心。今天將第六章整個文獻刊登出來，一是為了更多的人了解這一本書的內容，二是回眸10年前的文章，也頗具意義。為了盡可能還原原貌，本次轉載除加了標題外，沒有做任何修改。預測本來就具有風險，而其過程卻充滿樂趣。

        概  論

        物流倉儲設備包括物流系統中的儲存設備、搬運設備、輸送設備、揀選設備、分揀設備等，是物流工程的重要分支，典型產品包括如貨架、叉車、AS/RS、AGV、輸送機、碼垛/拆垛機、自動揀選機、高速分揀機等，以及如倉庫門、托盤、揀選臺車、調節平臺、包裝設備等輔助設備。作為一個復雜的系統，物流倉儲系統通過上位計算機系統和自動控制系統實現各單元設備的協調與控制，從而完成貨物的接收、入庫、儲存、揀選、包裝、分類、集貨和發運等一系列工作。

倉儲作業流程

        隨著國民經濟的快速發展，社會對物流的需求日益擴大，物流倉儲設備需求出現快速增長勢頭。據不完全統計，到2013年底，中國物流倉儲設備的總需求量接近180億元（不含工業叉車、托盤，以下同），約占全球市場15%，而且每年以超過20%的速度增長。我國物流倉儲設備技術水平在最近15年間發展迅速，已經形成一定的產業規模，擁有一批生產企業和系統集成商。但與世界先進水平仍然差距明顯，主要表現在產品的多樣性、適應性以及可靠性等方面。此外，企業規模與世界領先企業還有相當大距離，2013年，全球排名第一的物流系統供應商產值達到26.54億美元，排名第20的企業達到1.31億美元，而國內的企業，最大的產值也不過10億人民幣左右，大致處于世界第20位左右的水平。

        未來15年（2015-2030年），將是我國物流倉儲設備趕超世界先進水平的關鍵時期。從目前發展情況看，到2020年，中國市場需求將達到500-600億人民幣，占世界總量將接近25%，中國將成為全球三大市場之一。預測到2030年，中國物流倉儲裝備市場需求將達到1800億左右，占世界總需求量的50%左右，成為全球最大的市場，中國將有企業進入世界物流系統供應商前10強（約10億美元）。新型行業，如電子商務、農產品配送、軍隊后勤等對物流需求的增長，將對物流倉儲設備的技術發展和市場需求產生重大影響。

        隨著移動互聯網技術、物聯網技術以及大數據技術的發展和應用，物流倉儲設備的發展在未來將呈現前所未有的快速發展態勢，基于供應鏈系統優化的需要，快速、可靠、自動化、智能化、多樣性、適應性將是發展的主要方向。技術方面，制造領域中新型設備將不斷涌現，尤其是隨著制造水平的提高，各種高端設備，如AGV、機器人等設備制造的難度將會降低，制造成本也將大幅度降低。這一趨勢將從根本上改變物流倉儲設備的格局，尤其是機器人參與物流作業不僅將成為可能，從遠期發展看，更將成為一種常態。另一方面，標準化、單元化物流將得到快速發展，與此相適應的物流倉儲設備也將應運而生。

        集成控制技術

        概述

        物流倉儲設備在其發展過程中，一直朝著自動化、系統化、智能化方向發展。一個復雜的自動化物流倉儲系統，往往集成了眾多種類的物流倉儲設備，這些設備互相關聯，共享信息，協調工作。如何高效的協調各設備的運轉，即系統集成控制技術的研究，成為物流倉儲設備發展的一項重要內容。

就基礎技術而言，在可以預見的未來，自動化控制仍然主要以計算機和PLC控制為主，其技術包括現場總線技術、網絡控制技術、分布式控制技術、模塊化控制技術等。集成化、智能化和網絡化是其基本發展方向。毋庸置疑，隨著基礎技術水平的大幅提升，控制系統的反饋速度、精準性、可靠性將有質的提高。

        在集成控制研究中，我們會看到一項非常重要的成果：即物流設備相互匹配和協調的重要性超過了單一設備性能指標的重要性。盡管我們在設備研究中，特別注重設備的基本性能，如載荷、速度等，但從系統的角度看，協調性或者說匹配才是優先要考慮的問題。如自動化立體庫中，堆垛機和輸送機的匹配、輸送機與叉車的匹配等等。

AS/RS系統

        另一方面，集成控制技術研究并非僅停留在設備簡單連接，而是要研究多形態、多層次、多角度、多數據庫的系統連接，并通過優化控制技術，使這種連接更加高效、可靠和安全。

        近年來被反復提到的大數據技術，將對集成控制產生深遠影響。在未來若干年內，大數據技術將在決策、控制理論、跟蹤技術等多方面對集成控制產生重大影響。

        典型應用方面，以復雜物流配送中心為典型的集成控制技術是研究的重點，主要體現在系統的接口、數據傳輸、網絡通訊以及系統安全等多個方面。

        隨著物流倉儲自動化程度的提高，物流裝備在整個配送中心中的投資占比逐漸提升。目前約占15-20%左右，2020年將達到25%，到2030年，在很多系統中這一比例有望達到30%。由此可見，集成控制技術的發展對于未來物流倉儲設備發展的影響程度。

        基于對未來自動化和智能化的基本判斷，“自主控制”將是未來的亮點。

        雖然可熱插拔技術目前還沒有出現應用的跡象，但它的未來應該是可期待的。可熱插拔技術是模塊化控制技術的一項應用，它既可應用于AGV、機器人一類的系統之中，也可應用于輸送機、智能叉車、AS/RS等系統之中。

        關鍵技術

        （一）復雜物流配送中心的集成控制技術

        ?  1. 現狀

        復雜物流配送中心是一個相對的概念。主要體現在大規模、多系統、多流程、多業務形態等多個方面。

        配送中心是物流倉儲系統的典型代表。一個綜合的自動化配送中心，各種設備的相互協調構成了一個復雜的系統，規模大，所集成的設備種類多，流程復雜，接口復雜。這一類系統代表了未來物流倉儲系統的基本形態。

某行業自動化物流中心

        就目前的技術而言，各子系統的控制技術已經趨于成熟，如自動化立體庫（AS/RS）。基于PLC的可編程控制技術是目前常用的技術，未來這一技術將繼續存在。通訊方面，基于總線的通訊技術是最常見的通訊技術，此外還有紅外通訊、無線通訊、載波通訊等主要用于移動設備的通訊。過去10年，系統集成度在物流配送中心取得了大幅提升，但無論是自動化水平還是系統的復雜程度，與國際先進水平還有較大的差距。

        ?  2. 挑戰

        （1）接口與通訊：系統的規模和復雜性將進一步擴大以適應業務的需求。如投資數億元以上的物流配送中心將成為非常普遍的現象。多系統間的接口技術，將是未來發展的關鍵技術。目前主要以基于TCP/IP的協議為主，未來可能有多種協議的協同。

        （2）調度：復雜物流中心集成控制的一個難點是集成調度問題。成千上萬條指令的協同工作給集成調度提出了很高的要求，集成算法面臨挑戰。各種業務模式、各種目標形態（如單元種類）的交錯工作，更是對集成控制提出了挑戰。

        （3）數據傳輸：目前以現場總線、紅外通訊和無線通訊為主，未來發展的主要方向是傳輸帶寬、穩定性、實時性、抗干擾性的大幅度提升。

        （4）安全性：主要是數據的安全性，各種備份機制的完善是未來要面對的重要問題，系統不能承受長時間的中斷，更加迅捷和安全的恢復機制將產生。云端技術、現場拍照、瞬時恢復技術、自主修復技術等將得到廣泛應用。

        短期（2020年）將研究出面對各種類型設備的統一接口平臺。通過這一平臺，管理系統與集成控制系統將變得相對獨立，從而降低各自系統的復雜程度。

        各種集成控制算法將以新的面貌出現。自動控制編程將實現平臺化，基于模塊化的各種復雜邏輯控制將變得更加簡單。在一些領域，基于計算機的控制編程將逐漸取代PLC層面的編程，快捷、可靠、簡單將是未來發展的方向。此外，關于復雜系統的調度系統將采用云端計算等先進技術，一方面使各子系統間的工作協調性得到加強，另一方面，使系統的安全性、可靠性將得到大幅提升。

        通訊方面，現場總線技術的應用仍然是通訊的主流方式，但帶寬將有成千倍的增加，以適應大數據量通訊和實時通訊的需要。紅外通訊技術，無線網絡技術，移動互聯網技術的應用將全面展開。

        （二）多維監控技術

        ?  1 現狀

        監控技術是自動化物流倉儲系統中關鍵技術之一。在目前應用的絕大多數系統中，監控主要包括兩類：其一是獨立的電視監控系統，其二是基于現場信號反饋的數字監控系統。數字監控系統通過獲取現場信號，傳輸到中央控制室，通過計算機予以呈現。傳統的監控系統以監視為主，控制主要通過人工完成，或遠程干預維護，或現場解決。

        以AS/RS系統為例，系統的故障類型多達四、五十種，如超載、超限、超速、超時、雙重入庫等，監視系統不僅可以通過視頻手段查看現場狀況，也可以通過數字反饋定位故障類型，以便于維護人員及時處理，解除故障。

監控系統

        多維監控不僅是手段和角度的多樣性，如電視、光電信號、設備參數等，而且還包括設備壽命監控、系統關鍵指標監控等；不僅要監控當前的運行狀態，還應為系統提供預警，預防故障的發生。

        對于越來越復雜和龐大的系統，多維監控提供不同角度監控系統的能力。一方面，可以盡可能的減少監控的死角，包括視頻監控、設備狀態監控、設備壽命監控和關鍵參數監控等；另一方面，多維度監控為系統的穩定運行提供保障。

        ?  2 挑戰

        電視監控仍然是系統監控的重要方式之一，高清晰度的監控技術目前已經得到廣泛應用。具有挑戰性的是：是否支持諸如圖像比對等自主功能，這一技術使電視監控改變過去僅僅是監視功能的模式，從而具備智能監控的能力。

        數字反饋未來的挑戰在于大量現場數據的傳輸和處理問題。目前的問題是，有些故障無法反饋，從而造成問題得不到及時處理。

        預警是未來技術發展的最有價值的方面，除了監視設備的設定壽命以外（可以通過數據庫提示），還要監視設備在運行過程中關鍵參數的漸變，為系統預警提供數據支持。尤其對于高端設備，如高速堆垛機、分揀機等，這一技術將可以預防災難性結果發生。

        ?  3 目標

        （1）電視監視系統具備自主監視和報警能力，在技術上的難度已經突破，關鍵是成本問題。目前，高清晰度監視系統的費用將比普通監視系統高出10倍左右，很多企業無法承受。估計具備自主識別功能的監控系統未來的應用將局限于關鍵設備和關鍵系統。前者如AS/RS系統和高速分揀系統，后者如煙草生產物流中心、電子商務配送中心。

        （2）數字監控技術將是未來發展的重點方向。隨著通訊技術的發展，更大的數據量將使得更多的現場信號反饋到中央控制室，從而使得監控更加及時、全面、有效。

        （3）預警和關鍵設備壽命監控是多維監控發展的重要方向。通過獲取關鍵設備和系統的關鍵參數信號，從而判斷設備和系統當前是否處于健康運行狀況，是否需要維護，從而避免事故發生后所造成的重大損失。

        （4）基于圖像識別技術的智能識別監控也是未來可能的發展方向。通過圖像的識別實現設備某些工況的狀態反饋，也可實現基于圖像識別技術的倉庫智能盤點。

        （三）大數據技術（決策、跟蹤、服務）

        ?  1 現狀

        大數據包羅萬象，具有四個基本特征，即：大量、高速、多樣、價值。大數據所包含的范圍非常廣泛，在物流系統中，所有被控制對象的位置、運動、震動、溫度、濕度以及周邊環境數據都屬于大數據的基本范疇。所謂大數據技術，就是從各種各樣類型的數據中，快速獲取有用的數據信息。隨著數字化時代的到來，大數據時代已經悄然而至。

        目前雖然還沒有大數據技術在物流集成控制中的典型應用，但可以預期的是，系統診斷、集成控制等關鍵技術的應用將有賴于大數據技術。

        ?  2 挑戰

        大數據在物流系統集成控制中的應用研究是一項嶄新的課題，將徹底改變目前依靠單一和有限數據來源進行控制、故障診斷的方式。有一些重點方向可以預測，如：

        （1）設備和關鍵零部件特征參數的數據判斷；

        （2）基于歷史特征數據比對技術的故障分析技術；

        （3）基于現場多維數據反饋的系統故障的診斷和預警；

        （4）基于對未來預期的系統軟啟動技術。

        ?  3 目標

        （1）大數據技術的應用將會有一個由淺入深的過程。基于歷史特征數據參數分析的故障診斷技術將會很快投入使用，尤其對于AS/RS系統、快速分揀系統、AGV系統、機器人系統等關鍵設備，這一技術將會有用武之地。

交叉帶自動分揀系統

        （2）系統軟啟動技術對于提高系統的效率會有一定效果。但如何實現可能需要大量現場數據的支持，由于這一技術困難較小，其應用會很快展開。

        （3）遠期（2030）可以期望在系統預警方面發揮作用。現場反饋的有效信息越多，系統預警的可靠性就越高。

        （四）自主控制技術與可熱插拔技術

        ?  1 現狀

        自主控制和自動控制有一個模糊的邊界：自主控制技術目前已經在類似AGV的系統中得到廣泛采用。未來隨著機器人的大范圍使用，自主控制將進入一個嶄新的時代。

        與自主控制類似的概念是智能控制。在一個復雜的物流系統中，系統將根據當前所處的狀態自主選擇設備、速度、方向甚至任務策略，這是未來發展的重要方向。

        熱插拔技術源于計算機系統，其基本含義是在不停止主機系統工作的情況下增加或減少外設，包括磁盤、鼠標、顯示器、打印機等。目前來看，物流倉儲系統中的熱插拔設備還寥寥無幾，熱插拔技術對于物流系統的靈活性、可維護性、柔性將會產生重要影響。

        熱插拔技術可以在系統的擴展方面發揮重要作用，如AS/RS、AGV、輸送機、包裝臺等。移動網絡對于可插拔技術將有更大的支持。

AGV系統

        此外，熱插拔技術還基于設備的模塊化技術支持。可自成系統的模塊，可能是一組輸送設備，一臺AGV，通過簡單組合，即將構成一套新的系統。隨著電池性能的大幅提升，可移動設備會成為未來設計的一個趨勢。

        ?  2 挑戰

        （1）自主控制的控制理論和方法研究。

        自主控制是智能控制的組成部分，重點研究內容將在識別、運算、控制等方面，最大的挑戰在于控制理論和方法的研究。

        （2）熱插拔技術的可靠性與安全性研究。

        熱插拔技術將改變系統擴展遇到的難題，如接口問題，不間斷工作問題等。但如何使工作變得更為簡單可靠，并解決安全問題將是研究的主要工作。其中，尤其難以克服的是控制系統的硬件和軟件連接問題。

        ?  3 目標

        未來自主控制將會得到的應用場合包括：

        （1）根據貨物的特性參數（包括尺寸、重量、商品環境需求特性、易碎性等）選擇不同的設備，包括儲存設備、揀選設備、輸送設備和分揀設備；

        （2）根據可移動設備（如AGV）充電狀況選擇不同的設備進行作業；

        （3）根據可移動設備的位置、工作狀況選擇不同設備進行作業；

        （4）無固定路徑移動設備的路徑選擇、障礙回避、速度調整。

        熱插拔技術的應用首先會在AGV系統，AS/RS系統和輸送系統中實現。在AGV系統中，采用激光、圖像導引技術、陀螺儀導引技術等可以支持路徑的重新規劃，可以靈活追加和減少AGV數量。在AS/RS系統中，可以通過熱插拔技術，在不影響系統運行的前提下增減或減少堆垛機和輸送機設備的數量。其他系統如包裝臺數量的調整，如果采用熱插拔技術將變得更加方便。