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(shù)路線圖》一書正式由中國科學技術(shù)出版社出版發(fā)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(shù)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(jīng)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(shè)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(xiàn)在，距離寫作的時間已經(jīng)過去近10年，有多少技術(shù)是預測對了，還有多少沒有預測到，作為作者肯定是關(guān)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(nèi)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(zhuǎn)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(shè)備包括物流系統(tǒng)中的儲存設(shè)備、搬運設(shè)備、輸送設(shè)備、揀選設(shè)備、分揀設(shè)備等，是物流工程的重要分支，典型產(chǎn)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(diào)節(jié)平臺、包裝設(shè)備等輔助設(shè)備。作為一個復雜的系統(tǒng)，物流倉儲系統(tǒng)通過上位計算機系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)各單元設(shè)備的協(xié)調(diào)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(fā)運等一系列工作。

倉儲作業(yè)流程

        隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，社會對物流的需求日益擴大，物流倉儲設(shè)備需求出現(xiàn)快速增長勢頭。據(jù)不完全統(tǒng)計，到2013年底，中國物流倉儲設(shè)備的總需求量接近180億元（不含工業(yè)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(shè)備技術(shù)水平在最近15年間發(fā)展迅速，已經(jīng)形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，擁有一批生產(chǎn)企業(yè)和系統(tǒng)集成商。但與世界先進水平仍然差距明顯，主要表現(xiàn)在產(chǎn)品的多樣性、適應性以及可靠性等方面。此外，企業(yè)規(guī)模與世界領(lǐng)先企業(yè)還有相當大距離，2013年，全球排名第一的物流系統(tǒng)供應商產(chǎn)值達到26.54億美元，排名第20的企業(yè)達到1.31億美元，而國內(nèi)的企業(yè)，最大的產(chǎn)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(shè)備趕超世界先進水平的關(guān)鍵時期。從目前發(fā)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(yè)進入世界物流系統(tǒng)供應商前10強（約10億美元）。新型行業(yè)，如電子商務、農(nóng)產(chǎn)品配送、軍隊后勤等對物流需求的增長，將對物流倉儲設(shè)備的技術(shù)發(fā)展和市場需求產(chǎn)生重大影響。

        隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展和應用，物流倉儲設(shè)備的發(fā)展在未來將呈現(xiàn)前所未有的快速發(fā)展態(tài)勢，基于供應鏈系統(tǒng)優(yōu)化的需要，快速、可靠、自動化、智能化、多樣性、適應性將是發(fā)展的主要方向。技術(shù)方面，制造領(lǐng)域中新型設(shè)備將不斷涌現(xiàn)，尤其是隨著制造水平的提高，各種高端設(shè)備，如AGV、機器人等設(shè)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(shè)備的格局，尤其是機器人參與物流作業(yè)不僅將成為可能，從遠期發(fā)展看，更將成為一種常態(tài)。另一方面，標準化、單元化物流將得到快速發(fā)展，與此相適應的物流倉儲設(shè)備也將應運而生。

        集成控制技術(shù)

        概述

        物流倉儲設(shè)備在其發(fā)展過程中，一直朝著自動化、系統(tǒng)化、智能化方向發(fā)展。一個復雜的自動化物流倉儲系統(tǒng)，往往集成了眾多種類的物流倉儲設(shè)備，這些設(shè)備互相關(guān)聯(lián)，共享信息，協(xié)調(diào)工作。如何高效的協(xié)調(diào)各設(shè)備的運轉(zhuǎn)，即系統(tǒng)集成控制技術(shù)的研究，成為物流倉儲設(shè)備發(fā)展的一項重要內(nèi)容。

就基礎(chǔ)技術(shù)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(shù)包括現(xiàn)場總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、分布式控制技術(shù)、模塊化控制技術(shù)等。集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化是其基本發(fā)展方向。毋庸置疑，隨著基礎(chǔ)技術(shù)水平的大幅提升，控制系統(tǒng)的反饋速度、精準性、可靠性將有質(zhì)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(shè)備相互匹配和協(xié)調(diào)的重要性超過了單一設(shè)備性能指標的重要性。盡管我們在設(shè)備研究中，特別注重設(shè)備的基本性能，如載荷、速度等，但從系統(tǒng)的角度看，協(xié)調(diào)性或者說匹配才是優(yōu)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(tǒng)

        另一方面，集成控制技術(shù)研究并非僅停留在設(shè)備簡單連接，而是要研究多形態(tài)、多層次、多角度、多數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)連接，并通過優(yōu)化控制技術(shù)，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(shù)據(jù)技術(shù)，將對集成控制產(chǎn)生深遠影響。在未來若干年內(nèi)，大數(shù)據(jù)技術(shù)將在決策、控制理論、跟蹤技術(shù)等多方面對集成控制產(chǎn)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(shù)是研究的重點，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的接口、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)通訊以及系統(tǒng)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(tǒng)中這一比例有望達到30%。由此可見，集成控制技術(shù)的發(fā)展對于未來物流倉儲設(shè)備發(fā)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(shù)目前還沒有出現(xiàn)應用的跡象，但它的未來應該是可期待的?？蔁岵灏渭夹g(shù)是模塊化控制技術(shù)的一項應用，它既可應用于AGV、機器人一類的系統(tǒng)之中，也可應用于輸送機、智能叉車、AS/RS等系統(tǒng)之中。

        關(guān)鍵技術(shù)

        （一）復雜物流配送中心的集成控制技術(shù)

        ?  1. 現(xiàn)狀

        復雜物流配送中心是一個相對的概念。主要體現(xiàn)在大規(guī)模、多系統(tǒng)、多流程、多業(yè)務形態(tài)等多個方面。

        配送中心是物流倉儲系統(tǒng)的典型代表。一個綜合的自動化配送中心，各種設(shè)備的相互協(xié)調(diào)構(gòu)成了一個復雜的系統(tǒng)，規(guī)模大，所集成的設(shè)備種類多，流程復雜，接口復雜。這一類系統(tǒng)代表了未來物流倉儲系統(tǒng)的基本形態(tài)。

某行業(yè)自動化物流中心

        就目前的技術(shù)而言，各子系統(tǒng)的控制技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，如自動化立體庫（AS/RS）?；赑LC的可編程控制技術(shù)是目前常用的技術(shù)，未來這一技術(shù)將繼續(xù)存在。通訊方面，基于總線的通訊技術(shù)是最常見的通訊技術(shù)，此外還有紅外通訊、無線通訊、載波通訊等主要用于移動設(shè)備的通訊。過去10年，系統(tǒng)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(tǒng)的復雜程度，與國際先進水平還有較大的差距。

        ?  2. 挑戰(zhàn)

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

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

        （3）數(shù)據(jù)傳輸：目前以現(xiàn)場總線、紅外通訊和無線通訊為主，未來發(fā)展的主要方向是傳輸帶寬、穩(wěn)定性、實時性、抗干擾性的大幅度提升。

        （4）安全性：主要是數(shù)據(jù)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(tǒng)不能承受長時間的中斷，更加迅捷和安全的恢復機制將產(chǎn)生。云端技術(shù)、現(xiàn)場拍照、瞬時恢復技術(shù)、自主修復技術(shù)等將得到廣泛應用。

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

        各種集成控制算法將以新的面貌出現(xiàn)。自動控制編程將實現(xiàn)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(lǐng)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(fā)展的方向。此外，關(guān)于復雜系統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)將采用云端計算等先進技術(shù)，一方面使各子系統(tǒng)間的工作協(xié)調(diào)性得到加強，另一方面，使系統(tǒng)的安全性、可靠性將得到大幅提升。

        通訊方面，現(xiàn)場總線技術(shù)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(shù)據(jù)量通訊和實時通訊的需要。紅外通訊技術(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用將全面展開。

        （二）多維監(jiān)控技術(shù)

        ?  1 現(xiàn)狀

        監(jiān)控技術(shù)是自動化物流倉儲系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一。在目前應用的絕大多數(shù)系統(tǒng)中，監(jiān)控主要包括兩類：其一是獨立的電視監(jiān)控系統(tǒng)，其二是基于現(xiàn)場信號反饋的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)通過獲取現(xiàn)場信號，傳輸?shù)街醒肟刂剖?，通過計算機予以呈現(xiàn)。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)以監(jiān)視為主，控制主要通過人工完成，或遠程干預維護，或現(xiàn)場解決。

        以AS/RS系統(tǒng)為例，系統(tǒng)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(jiān)視系統(tǒng)不僅可以通過視頻手段查看現(xiàn)場狀況，也可以通過數(shù)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(jiān)控系統(tǒng)

        多維監(jiān)控不僅是手段和角度的多樣性，如電視、光電信號、設(shè)備參數(shù)等，而且還包括設(shè)備壽命監(jiān)控、系統(tǒng)關(guān)鍵指標監(jiān)控等；不僅要監(jiān)控當前的運行狀態(tài)，還應為系統(tǒng)提供預警，預防故障的發(fā)生。

        對于越來越復雜和龐大的系統(tǒng)，多維監(jiān)控提供不同角度監(jiān)控系統(tǒng)的能力。一方面，可以盡可能的減少監(jiān)控的死角，包括視頻監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備壽命監(jiān)控和關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控等；另一方面，多維度監(jiān)控為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供保障。

        ?  2 挑戰(zhàn)

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

        數(shù)字反饋未來的挑戰(zhàn)在于大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(shù)發(fā)展的最有價值的方面，除了監(jiān)視設(shè)備的設(shè)定壽命以外（可以通過數(shù)據(jù)庫提示），還要監(jiān)視設(shè)備在運行過程中關(guān)鍵參數(shù)的漸變，為系統(tǒng)預警提供數(shù)據(jù)支持。尤其對于高端設(shè)備，如高速堆垛機、分揀機等，這一技術(shù)將可以預防災難性結(jié)果發(fā)生。

        ?  3 目標

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

        （2）數(shù)字監(jiān)控技術(shù)將是未來發(fā)展的重點方向。隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，更大的數(shù)據(jù)量將使得更多的現(xiàn)場信號反饋到中央控制室，從而使得監(jiān)控更加及時、全面、有效。

        （3）預警和關(guān)鍵設(shè)備壽命監(jiān)控是多維監(jiān)控發(fā)展的重要方向。通過獲取關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)信號，從而判斷設(shè)備和系統(tǒng)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(fā)生后所造成的重大損失。

        （4）基于圖像識別技術(shù)的智能識別監(jiān)控也是未來可能的發(fā)展方向。通過圖像的識別實現(xiàn)設(shè)備某些工況的狀態(tài)反饋，也可實現(xiàn)基于圖像識別技術(shù)的倉庫智能盤點。

        （三）大數(shù)據(jù)技術(shù)（決策、跟蹤、服務）

        ?  1 現(xiàn)狀

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

        目前雖然還沒有大數(shù)據(jù)技術(shù)在物流集成控制中的典型應用，但可以預期的是，系統(tǒng)診斷、集成控制等關(guān)鍵技術(shù)的應用將有賴于大數(shù)據(jù)技術(shù)。

        ?  2 挑戰(zhàn)

        大數(shù)據(jù)在物流系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shè)備和關(guān)鍵零部件特征參數(shù)的數(shù)據(jù)判斷；

        （2）基于歷史特征數(shù)據(jù)比對技術(shù)的故障分析技術(shù)；

        （3）基于現(xiàn)場多維數(shù)據(jù)反饋的系統(tǒng)故障的診斷和預警；

        （4）基于對未來預期的系統(tǒng)軟啟動技術(shù)。

        ?  3 目標

        （1）大數(shù)據(jù)技術(shù)的應用將會有一個由淺入深的過程?；跉v史特征數(shù)據(jù)參數(shù)分析的故障診斷技術(shù)將會很快投入使用，尤其對于AS/RS系統(tǒng)、快速分揀系統(tǒng)、AGV系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備，這一技術(shù)將會有用武之地。

交叉帶自動分揀系統(tǒng)

        （2）系統(tǒng)軟啟動技術(shù)對于提高系統(tǒng)的效率會有一定效果。但如何實現(xiàn)可能需要大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)的支持，由于這一技術(shù)困難較小，其應用會很快展開。

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

        （四）自主控制技術(shù)與可熱插拔技術(shù)

        ?  1 現(xiàn)狀

        自主控制和自動控制有一個模糊的邊界：自主控制技術(shù)目前已經(jīng)在類似AGV的系統(tǒng)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(tǒng)中，系統(tǒng)將根據(jù)當前所處的狀態(tài)自主選擇設(shè)備、速度、方向甚至任務策略，這是未來發(fā)展的重要方向。

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

        熱插拔技術(shù)可以在系統(tǒng)的擴展方面發(fā)揮重要作用，如AS/RS、AGV、輸送機、包裝臺等。移動網(wǎng)絡(luò)對于可插拔技術(shù)將有更大的支持。

AGV系統(tǒng)

        此外，熱插拔技術(shù)還基于設(shè)備的模塊化技術(shù)支持?？勺猿上到y(tǒng)的模塊，可能是一組輸送設(shè)備，一臺AGV，通過簡單組合，即將構(gòu)成一套新的系統(tǒng)。隨著電池性能的大幅提升，可移動設(shè)備會成為未來設(shè)計的一個趨勢。

        ?  2 挑戰(zhàn)

        （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(nèi)容將在識別、運算、控制等方面，最大的挑戰(zhàn)在于控制理論和方法的研究。

        （2）熱插拔技術(shù)的可靠性與安全性研究。

        熱插拔技術(shù)將改變系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)貨物的特性參數(shù)（包括尺寸、重量、商品環(huán)境需求特性、易碎性等）選擇不同的設(shè)備，包括儲存設(shè)備、揀選設(shè)備、輸送設(shè)備和分揀設(shè)備；

        （2）根據(jù)可移動設(shè)備（如AGV）充電狀況選擇不同的設(shè)備進行作業(yè)；

        （3）根據(jù)可移動設(shè)備的位置、工作狀況選擇不同設(shè)備進行作業(yè)；

        （4）無固定路徑移動設(shè)備的路徑選擇、障礙回避、速度調(diào)整。

        熱插拔技術(shù)的應用首先會在AGV系統(tǒng)，AS/RS系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)中實現(xiàn)。在AGV系統(tǒng)中，采用激光、圖像導引技術(shù)、陀螺儀導引技術(shù)等可以支持路徑的重新規(guī)劃，可以靈活追加和減少AGV數(shù)量。在AS/RS系統(tǒng)中，可以通過熱插拔技術(shù)，在不影響系統(tǒng)運行的前提下增減或減少堆垛機和輸送機設(shè)備的數(shù)量。其他系統(tǒng)如包裝臺數(shù)量的調(diào)整，如果采用熱插拔技術(shù)將變得更加方便。