中国仓储物流自动化技术发展路径与未来趋势

来源:物流技术与应用 | 2020-06-24 13:07 | 作者:尹军琪

我国仓储物流自动化技术走过了“从无到有”、“从低端到高端”、“从简单到复杂”、“从单一到多样化”、“从局部到全局”的发展过程。从行业应用看,我国仓储物流技术已经从“适度自动化+高度信息化”阶段过渡到“高度自动化+高度信息化”阶段,并开始向智能化演变。从技术发展层面看,更大的规模,更高的柔性,更高的自动化水平,更高的效率,更低的成本是发展趋势。所有技术的进步都是为了提高服务水平这一共同目标。

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从技术发展层面而言,更大的规模,更高的柔性,更高的自动化水平,更高的效率,更低的成本,无疑是发展趋势。自动化、无人化、智能化成为发展的总趋势。


一、概述


仓储物流自动化技术是指与仓储作业相关的自动化技术与信息技术。仓储物流技术横跨多个学科,又自成体系,关于其分类,国内外并没有明确的定义。我国由于物流技术发展较晚,一开始基本上是按照欧洲物料搬运协会(FEM)的定义,将其归类于物料搬运技术(material handling technology)一类。随着仓储物流技术的快速发展和其市场比重的不断增加,重新对仓储物流技术进行分类是非常必要的。


如果仅从仓储物流活动来对技术和装备进行分类,虽然有重合的部分,且界线并非一目了然,却便于理解。本文暂时将其分为存取技术(存储技术)、输送与搬运技术、拣选技术、复核与包装技术、分拣技术、发货技术和信息技术等几个大类。如表1所示。

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这些技术并非仓储物流自动化的全部,本文仅仅是列出读者熟知的若干种,并以此作为行文基础。


二、我国仓储物流自动化技术的发展过程


一般的文献认为我国物流自动化技术的发展始于上世纪70年代中期,这是有其道理的。典型的事件是第一座自动化立体库的兴建和第一台自动分拣机的研发。尽管从那时起的20多年间,我国对仓储物流自动化技术的研究从未停止脚步,并且在标志性产品——自动化立体库技术、输送分拣技术等方面取得了长足进步,但无论产品的种类,还是产品的质量,抑或是新产品的创新方面,均不尽人意。这一方面由于我国基础工业落后,无法靠自身能力提供自动化产品所致;另一方面则是我国的国民经济发展落后,人力成本很低,导致市场需求不足。只有有限的行业,如化工、汽车、航空等,对自动化仓储系统提出了需求。


1998年前后,随着联想、海尔、昆明卷烟厂等企业开始建设自动化物流系统,我国的物流技术发展开始步入快车道,以自动化立体库为标志的仓储物流技术得到质的飞跃。进入21世纪,随着改革开放的深入和我国顺利加入WTO世贸组织,国民经济取得突飞猛进的发展,自动化仓库技术的发展也迎来春天。


总体来说,我国仓储物流自动化技术走过了一个“从无到有”、“从低端到高端”、“从简单到复杂”、“从单一到多样化”、“从局部到全局”的发展过程。


从无到有:最早的研发选择了堆垛机和分拣机产品,此后扩展到AGV、miniload、kiva等众多产品。从引进模仿到自主研发,逐渐解决了“有无”问题,并发展到今天这种百花齐放的局面。


从低端到高端:以堆垛机为例,最早的堆垛机采用双速电机,单板机控制,逐步进步到采用变频电机,PLC控制,直到今天的高速堆垛机采用伺服电机。堆垛机的行走速度也从最初的20m/min,逐步发展到60、80、120、160、200、240m/min,未来还有可能更高。堆垛机的认址技术也发生过多次改变,从打孔认址、认址片认址,到激光器认址,再到条形码认址等。堆垛机的性能参数,可靠性参数得到大幅度提升。其它的产品,如输送机、分拣机、AGV等,无一不是这样。


从简单到复杂:所谓简单,一方面是产品形式简单,性能简单,构成简单;另一方面是系统简单,作业流程简单。物流系统设计也是如此。以前的设计可能仅仅是一座单一的立体库,而现在,我国自行设计的超过10万平方米的大型自动化物流中心已经不是个例,我们对大型物流中心的规划集成能力与日俱增,即使与世界一流企业相比也毫不逊色,具有很强的竞争能力,这是以前所不敢想象的。


从单一到多样化:产品不仅简单,还表现在形式和规格单一,适应性差。产品的丰富程度事实上反应了行业的技术发展水平。到目前为止,我国生产的仓储物流自动化装备,几乎可以涵盖整个产品系列,这是我国仓储物流技术发展水平的最好例证。尤其是近年来,针对货到人拣选,机器人、kiva、无人机、3D识别的研究,我国的物流技术水平迅速迈上了新台阶。


从局部到全局:物流自动化技术的应用,并非一开始就涉及所有的环节。最早的研究应用,是在储存环节和输送环节,因为这是最基础环节,逐渐发展到拣选与配送环节,再后来关注到装、卸货以及包装环节。现在,基于3D技术的自动拆垛、自动组盘以及自动装车技术,已经引起行业的重视。


市场需求旺盛,行业人才济济,这是对当前我国仓储物流自动化行业最恰当的评价。2015年以来,随着资本的大举介入,我国仓储物流自动化行业发展呈现出前所未有的繁荣景象,一大批高素质的人才涌入,一大批新兴企业迅速崛起,物流技术水平得以迅速提升。


三、与世界先进水平的差距


尽管我国仓储物流技术研究与应用取得了长足发展,并且在个别行业领域如电商、烟草等,已经领先于世界。可以说,经过物流人的努力,我国仓储物流技术水平是与世界先进水平差距最小的行业之一。这主要取决于两个关键因素:其一是我国制造业水平的快速提升,仓储物流市场需求持续攀升;其二是整个行业竞争充分,缺乏垄断企业所致。


然而,从客角度观分析,我国仓储物流技术与世界先进水平还有较大差距,并且很难在短时期内彻底改观。综合起来,有如下几方面的差距。


1. 基础研究与核心零部件


关键零部件包括电机减速器、PLC及控制元器件、自动识别装置、机器人本体等。


电机减速器是物流装备的关键零部件之一,虽然国产电机减速器在20多年前即有应用,但效果并不理想,以至于到现在为止,关键设备的电机减速器主要采用德国产品。这一现状还将延续很长一段时间。与此相关的还有轴承、滑触线、扁电缆、齿形带等配套产品。


PLC及控制元器件的应用主要以SIEMENS等品牌占据绝对优势,中国国产品牌几乎可以忽略不计,差距难以用时间来度量。


自动识别装置包括激光测距装置、激光导航装置、条码扫描装置、光学镜头、光电开关、照相机、RFID系统、3D相机等一系列产品和技术。这些产品和技术在物流系统中的应用越来越重要,欧美日产品还处于绝对控制地位,国产品牌短期内看不到希望。


机器人在物流系统中应用越来越频繁,但机器人本体的研究还处于初始阶段,ABB、库卡、安川等品牌占据绝对优势。


此外,应当看到,除了产品性能外,行业的惯性及竞争态势,将导致这些差距不可能在短期内得到缩小,并将步入一个恶性循环之中。


2. 关键设备的性能指标


AS/RS(自动化立体仓库)、分拣机、AGV等关键设备于技术,尽管出现了全面国产替代的可能,但差距依然明显。最大的差距在于设备的成熟性和多样性等方面。导致这种结果的根本原因在于,很多国内企业的设备生产时间普遍太短,研发经费不足,缺少专门人才,产品没有经过严格的试验和实际应用的检验。时间、机会和研发的方法论都成为制约技术进步的重要因素。


以分拣机为例,国产交叉带分拣机尽管有数十年的历史,但产品的关键指标——可靠性、稳定性、噪音等,一直不能与进口设备相提并论。所以,大型的机场行李系统和包裹分拣系统几乎被国外产品垄断。其它产品,如堆垛机、miniload、穿梭车等,情况都大同小异。


有些关键设备,仅仅是在实验室里研究了出来,还没有定型,没有经过疲劳和可靠性试验,离量产和大规模应用还有很长时间的路要走,将要遇到的困难和问题还有很多。


除此之外,国内很多企业还很年轻,经验不足,导致在设计、生产工艺、材料、关键配套件、控制系统、试验方法等多方面都存在巨大差距,尤其是人才和经验方面,并非短期可以弥补。


3. 关键技术设备的创新发明


物流系统中的关键技术与设备,几乎没有一项是中国人的原创。从货架托盘、叉车等传统设备,到自动化立体库、分拣机、AGV、穿梭车、机器人、无人机等自动化设备,到激光器、光电开关、RFID、电机减速器、齿形带、3D识别技术、自动导航技术等,这些概念和产品几乎都不是中国人的原创。尽管这些技术存在的历史不是很长,我们完全有机会提出自己的创新理念,但是没有。这不能不说是一个巨大的差距。


针对以上差距,我们必须正视现实,从基础做起。开动脑筋,不断创新,总有一天会有中国自己的重大创新和发明。


创新需要积累和灵气,更需要对需求的深刻理解。物流技术是一个实用性很强的技术,解决这种需求需要时间、资金、耐心、以及开放的思维。


4. 世界知名企业与全球竞争力


衡量一个企业或产品技术水平的重要指标是国际市场的占有率和竞争力。与欧美日设备大量进入中国不同,我们的物流设备,尽管在本土有一些竞争优势,但在国际市场上却仍然缺乏与世界一流企业同台竞技的能力。一方面有品牌效应的因素,但更为重要的还是产品的技术水平和性能。只有一些低端产品,如货架、输送机、叉车等有一些机会,其它产品还无从谈起。


另一个衡量指标是企业规模,中国到目前为止还没有一家集成商或生产厂商,其营业收入能够进入世界前十名(叉车除外)。也说明我国物流技术与装备企业的规模还太小,并且行业集中度不高,市场过于分散,这些都是差距所在。


以上四个方面,是差距明显的方面,此外标准化问题也是体现行业巨大差距的基础性指标,我国尽管出台了很多与物流有关的标准,但这些标准的权威性、技术水平和接受度显然是不够的,有待继续努力。


四、仓储物流技术的发展趋势


从行业应用看,我国仓储物流技术的发展,已经从“适度自动化+高度信息化”阶段过渡到“高度自动化+高度信息化”阶段,并开始向智能化演变。这是大的方向。


从技术发展层面而言,更大的规模,更高的柔性,更高的自动化水平,更高的效率,更低的成本,无疑是发展趋势。自动化、无人化、智能化成为发展的总趋势。


总体而言,物流技术的发展,将会在以下几个方面有较大的突破:


1. 柔性化技术与单元化技术的全面应用


仓储物流中的柔性化技术,如AGV、kiva、四向穿梭车、子母车、3D组盘技术等,未来还有可能是可行走的机器人、无人机等。有些是高度柔性化的,有些则是半柔性化(与完全柔性涉及的指标存在差距,如路线不能随意调整等)的。其主要特点表现在:(1)其路径是非固定的;(2)设备数量是可增减的;(3)设备用途是多方面的。以AGV为例,最早的AGV系统仅用于物料搬运,然而今天的AGV(包括kiva),可以用于搬运、输送、储存、拣选等多个方面。未来,AGV大面积取代叉车和输送机的可能性很高。


以周转箱和托盘为载具的“单元”,将在整个供应链体系中保持一致的形态,完成快速对接,大幅度提升仓储物流效率。载具的共用体系的建立只是迟早之事。


2. 货到人拣选技术将成为拆零拣选的主流技术


货到人拣选(未来可能是货到机器人拣选)技术在近几年受到广泛重视并快速发展,但还远没有达到普及的水平。这一技术以巨大的优越性,将会在拆零拣选(不仅限于拆零拣选)环节发挥巨大的作用。尤其以多种形式的穿梭车和kiva为代表的存取技术取得了突飞猛进的进步。kiva机器人已经被认为是拣选系统中使用最广泛的自动化技术之一,成为引领世界物流技术发展的潮流。穿梭车技术,包括多层穿梭车和四向穿梭车等多种形式,也是近年来发展最迅速的技术之一,其在大型配送中心,尤其在电子商务配送中心,将起到关键作用。


3. 自然导航和3D识别技术在物流系统中普遍应用


自然导航技术广泛应用在自动驾驶技术上,是一种比激光导航更加优越的导航技术。kiva在电商等众多类型的仓储物流系统中都有应用。但kiva基本采用二维码+磁条导航技术,这是一种成本相对较低的导航技术,缺点是柔性较差。自然导航技术完全克服了过去那种需要预定义系统和环境的思路,可以模拟汽车在一段陌生的公路上行走。当然,由于仓库是一个封闭系统,比起公路来要规范许多,因此,自动导航的难度相对降低很多。


3D识别技术之所以重要,主要在于它解决了空间定位问题,使得自动拣选、自动码垛与拆垛、自动装车与卸车变得可能,可以预见,3D技术的全面应用,将对仓储物流技术产生革命性的影响。


4. 传统技术已经不是以前的意义


如AS/RS系统,除了高度、速度等将有重大突破外,立体库的规模将会越来越大。此外,库前区的技术革命也会有重大变化,比如AGV将取代叉车作业和输送机作业就会是一次设计理念上的大突破。未来的AS/RS系统将会变得更加柔性化,系统也会更加简单。


Miniload技术将会有更大的市场。随着拆零业务比例的上升,以箱为单位的作业系统会更加受到重视。穿梭车也是如此。


随着AGV技术的不断成熟,叉车改造为自动叉车具有巨大的市场空间。


随着冷链市场的需求增大,适合于-18°C甚至更低环境的自动化系统需求会越来越大,而这一方面的技术目前还非常短缺。


此外,高速分拣系统、自动包装系统等都将获得更大的发展。


5. AI技术将得到全面应用


各式各样的机器人参与物流作业的各个环节,将引发一场物流作业的革命。如双足机器人在物流各环节的应用,将对当前难以处理的厢式货车的装卸作业发挥意想不到的作用。未来几十年中,将是AI从概念全面走向实用的时期。智能物流的一个显著特征就是AI的全面应用。对于AI技术对于社会和物流技术的巨大推动作用,可能所有的想象和预测都会过于保守,现在仅仅能看到端倪,还无法突破巨大的想象空间。


总而言之,更高的存储效率、更快的作业效率、更准确的拣选作业以及作业更加轻松,是物流系统追求的目标。充分利用空间,提高物流作业效率与客户服务体验,是技术发展的底层动力。所有技术的进步都是为了提高服务水平这样一个共同目标。


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