从仓库地面到立库货架，物流行业不断“内卷”，如今灵活高速、自由变换方向地行驶在密集型货架上的四向穿梭车，已在诸多行业的自动化立库中落入现实。
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本文由e-works编辑部李瑶嘉原创发布。
灵活高速、自由变换方向地穿梭于密集型货架上的物流机器人是人们对于智能仓储的想象之一，如今已在诸多行业的自动化立库中落入现实。
随着市场竞争的加剧、土地和人力等成本压力的攀升，企业对于自动化立库的建设需求逐年增加，其市场规模也不断扩大。在这场仓储物流改造升级的热潮中，口袋深的大企业希望作业效率能再提高，口袋浅的小企业希望投资能更具性价比，压力的天平倾斜到智能物流装备厂商这边，在自动化立库解决方案上掀起了一场旷日持久的“内卷”之争：
“卷”环境适应性？
堆垛机立库适用较高、较长、布局较规整的仓库环境，当仓库高度不足、形状不规则时，传统堆垛机立库就显得力不从心。如何为企业提供更具环境适应性的自动化立库解决方案？
“卷”空间利用率？
仓库空间有限，自动化立库建设过程中，如何合理规划货位，同时确保后期扩展的便利性？这成了令许多厂商头疼的问题。
“卷”预算灵活度？
对于许多中小企业而言，堆垛机立库的高建设成本是一个不小的负担。如何在预算有限的情况下帮助企业实现仓储自动化升级？
“卷”作业效率？
企业作业量波动大，如何在波峰时期提升作业效率，同时在波谷时期减少资源浪费？这成了厂商追求解决方案持续优化的关键。
面对这一系列问题，智能物流装备厂商“卷”出了一个适应性更强、柔性化程度更高且更具成本优势的“新宠”，那就是四向穿梭车自动化立库。
堆垛机or四向穿梭车
四向穿梭车作为近些年来兴起的物流新设备，其设计概念来源于穿梭板和子母车，是一种应用于自动化立体仓库系统中，由轨道导引并且可以自动变轨换向的智能物流搬运设备。它根据作业指令的要求，在换层提升机的协助下，通过行驶轨道完成在多层货架货位的货物存取等任务，从而实现货物的快速出入库和库存管理。相较于传统的堆垛机立库，四向穿梭车立库对于仓库高度、形状等条件的要求没有那么严格，建设与维护成本相对较低，且具有高效、灵活、柔性的作业特点，因而应用渐广。
图1 堆垛机立库VS四向穿梭车立库通常来说，四向车穿梭车与货架、换层提升机、轨道输送线以及软件系统等共同构成了四向穿梭车自动化立体仓库系统。同时，根据不同的作业处理形式，四向穿梭车大致分为托盘（重载）四向穿梭车和箱式（轻型）四向穿梭车两类。其中，前者主要面向托盘载具货物的密集存储领域，而后者则被较多地应用于箱式载具货物的“货到人”拣选场景。
托盘（重载）四向穿梭车，主要构建以托盘为存储单位的自动化立体仓库，进行重达几百公斤乃至是一吨以上的托盘货物存取作业。它可与上位机或WMS等系统进行通讯，结合条码识别等物流信息技术，完成货物的存取、搬运作业，可以较为容易地实现密集存储，但对货架的性能要求比较高，从而在一定程度上增加了货架成本。
图2 托盘（重载）四向穿梭车（图片来源：凯乐士）箱式（轻型）四向穿梭车，主要构建以轻型料箱、纸箱等为存储单位的自动化立体仓库。除密集存储场景外，它还可承载线边库重量达几十公斤的箱式货物的高速拣选作业，可有效完成多品种、多规格、多存储货物的自动化存储及拆零拣选作业。
图3 箱式（轻型）四向穿梭车（图片来源：凯乐士）
四向穿梭车更具性价比
更
由于四向穿梭车的作业路径可以覆盖仓库内的任何货位，从理论上来讲，当企业出入库频率较低时，一个仓库布置一台四向穿梭车，再配合货架、换层提升机、轨道输送线以及软件系统等，即可完成整个仓库作业；当企业出入库频率升高时，则可增加四向穿梭车的数量以完成大量作业任务。因此，四向穿梭车的出现及应用，革新了传统的自动化立体仓库作业模式，极大提升了仓库的存储作业效率与柔性，具有以下特点与优势：
1）高效率：与传统立体仓库中堆垛机的单机作业模式相比，四向穿梭车一般为多设备联动作业，且具备较高的速度运行能力、精准的定位能力和智能化的调度能力，因而作业效率较高。
2）高柔性：四向穿梭车由于具备前、后、左、右四个方向的行驶能力，在作业时更加高效灵活。同时，与堆垛机立体仓库对仓储布局的规整度、高度要求相比，四向穿梭车系统可适用于仓库高度较低、异形建筑等不规整布局环境，并通过增加或减少四向穿梭车和换层提升机的配置数量，来满足不同客户在具体的仓库面积、物流仓储成本、订单吞吐量等方面的不同需求，具有较高柔性。
3）高密度：由于四向穿梭车的车身较薄、体积小、作业宽度窄，可在狭小的通道中自由行驶，实现在任意方向的存取操作，并无需额外的转弯空间，适用自动密集型高层货架，可显著提高库位数量与仓储空间利用率高，因而具有较高的存储密度。
4）高性价比：传统的堆垛机自动化立体仓库搭建成本较高，库位数量较少，单个货位平均成本较高；四向穿梭车相对堆垛机而言价格较低，虽然货架密度更大、成本更高，但单个货位平均成本具有优势。高工咨询研究数据显示，与传统的堆垛机立体仓库相比，四向穿梭车立体仓库空间利用率可提高 20%以上，同时作业效率可提高20%，运行能耗可降低30%，单元投资成本可节约10%左右。
5）可拓展性：相较于堆垛机立体仓库整体布局形成后难以更改的特点而言，四向穿梭车系统可根据企业经营情况与发展需求，通过增加四向穿梭车数量、扩建货架等形式进行后期建设，因而具有较好的拓展性。
关键技术大揭秘
相较于传统的两向（前进和后退）穿梭车而言，四向穿梭车具有两套轮系，分别负责货架上X、Y方向的行驶，它通过更换轮系来完成轨道切换，从而实现在平面内四个方向（前、后、左、右）的行驶，并通过换层提升机的协助，完成垂直方向上的换层从而实现三维穿梭。其工作原理如下：
1）通过无线通讯与上位系统（如 WMS、WCS、RCS 等）进行数据交换，接收任务指令，实时反馈运行状态和位置信息；
2）根据任务指令，辅以换层提升机的协助，在不同层级货架内沿着专用轨道进行前后左右行驶，到达目标货位后，通过顶升机构或货叉机构将货物存入或取出；
3）在完成作业任务后，返回到指定位置，等待新的作业指令。
图4 四向穿梭车作业演示（来源：上海哥伦布）通过解析四向穿梭车的工作原理，我们可以发现，其关键技术主要包括定位技术、控制系统、无线通讯技术、调度系统和供电技术等。
1）定位技术
由于四向穿梭车在固定轨道上行驶，虽然不需要导航系统，但其作业对定位精度要求较高，一般需要控制在3Mm以内。当前市面上，四向穿梭车主流的定位方式有条码定位、RFID定位和光电开关定位等。
l条码定位：在货架行走轨道上布置条码标签，通过读码器识别码带上的信息，测量对应条码的起始角度与终止角度，计算读码器与正在识别条码的相对位置，另加对应条码的偏移位置信息，从而确定四向穿梭车的位置。该定位方式布置简便、成本低，但是安装要求高且需要定期维护。
lRFID定位：在货架行走轨道上布置RFID标签和定位检测点，四向穿梭车通过传感器识别定位检测点、读取RFID芯片来确定车体的位置。该定位方式精度较高，降低了系统控制难度，减轻了定位及安装成本压力，具有较好的可维护性与容错性。
l光电开关定位：该定位装置主要由PLC、光电传感器和反射板组成。其原理是，将光电传感器安装在四向穿梭车的底部，反射板设置在巷道入口处，当四向穿梭车行驶至巷道入口处，对齐反射板后，将根据不同的反射板反馈2进制码给PLC控制器，即通过光电反射组合精准确定四向穿梭车的位置。与条码定位、RFID定位相比，在保证定位精度的前提下，光电开关定位具有结构简单、便于实施和维护的特点。
2）控制系统
目前，市面上四向穿梭车的控制系统主要可以分为PLC控制系统和专用集成电路板控制系统两种。前者欧洲厂商应用较多，成本较高；而后者日本厂商应用较广，成本较低。国内的四向穿梭车也主要采用了这两种控制系统。随着人工智能技术的飞速发展，四向穿梭车的控制系统正加速结合底层路径自学习算法，实现更为高速安全的运行、更为精准可靠的定位。
3）无线通讯技术
如何在密集的货架与多台设备运行的环境中实现实时可靠的通讯，对于四向穿梭车系统的稳定高效运行尤为重要。目前，市面上的四向穿梭车主要采用Wi-Fi、Zigbee等无线通讯方式，上位控制器通过无线通讯模块向四向穿梭车下达任务指令，任务指令传递至PLC处理后转变成具体的控制信号，并输送至驱动控制模块，进而完成相应的作业动作。
4）调度系统
在四向穿梭车系统中，普遍存在多台小车同时作业的情况，而调度系统通过对小车进行车况识别、小车选用、路线规划等作业调度任务，可帮助四向穿梭车系统提升整体运行效率。未来，四向穿梭车调度系统会面临更多场景融合、更多设备接入、更复杂的全局任务、更高效稳定的节拍要求等现实挑战，将不断结合物联网、AI算法以及5G技术实现更强的自主性及边缘计算能力，发展更加智能化、集群化、协同化的调度系统。
5）供电技术
目前，市面上常见的四向穿梭车供电方式主要有电缆供电、电容加滑触线供电、电容加电池供电等方式。相较于电容与电池供电，电缆与滑触线供电的灵活性较差，且维护成本较高，因而电容与电池的组合供电方式更为普遍。同时，由于作业距离通常较远，电池只能作为辅助供电，电容则要保证一次充电后能完成至少一次的最远路径作业，而超级电容的发展则对此有很好的改善。
赛道大热，多方相继入局
近年来，四向穿梭车应用渐广，国内四向穿梭车市场也日渐火热，各类型的入局者正持续增加。一般来说，国内市场上的四向穿梭车厂商大致可以分为以下四类：
第一类是以上海哥伦布、智芯科技、智世机器人、华章智能、智库智能、牛眼智能等为代表的专业四向穿梭车厂商。该类型厂商大多数在成立之初就聚焦四向穿梭车赛道，具备较强的技术创新能力与丰富的行业经验积累，在产品实力、客户需求和项目交付等方面的综合竞争力较强。
第二类是以北自所、凯乐士、伍强智能、兰剑智能、井松智能、科捷智能、中科微至、中鼎科技等物流系统集成商。该类型厂商基于对下游应用行业和场景的纵深理解，大多通过成立专业子公司（例如普罗格智芯科技）或外购车体、控制系统进行组装的方式进军四向穿梭车赛道，因为系统集成业务贴近客户端现实应用环境的特点，故该类型厂商在产品应用需求与解决方案设计上具备较强的优势。
第三类是以极智嘉、旷视机器人、劢微机器人、音锋机器人、临工智科等为代表的物流机器人厂商。该类型厂商多为集中在物流搬运与输送场景的机器人厂商，在客户物流需求整体化趋势愈发明显的态势下，通过向密集存储场景的拓展，形成了存储、搬运、输送、分拣等场景设备的衔接与联动，实现库内业务环节的整体协作。同时，基于在物流机器人业务的丰富软硬综合实力，该类厂商在设备调度管理上具备突出优势。
第四类是以世仓智能、上海精星、南京华德、欧标智能等为代表的仓储货架厂商。该类型厂商作为四向穿梭车厂商配套产品的合作伙伴，基于其货架生产制造与配套服务的优势朝着四向穿梭车领域延伸拓展，丰富自身产品与服务矩阵的同时，具备较强的整体解决方案成本控制优势。
图5 四向穿梭车厂商主要类别
未来，随着需求市场的不断发展以及科学技术的迭代演进，四向穿梭车领域会有更多新玩家陆续涌入，国内四向穿梭车市场也将面临着更为激烈的竞争角逐。e-works整理了30家活跃在市场上的国内四向穿梭车厂商（排名按首字母序，不分先后），以供需求企业了解。
图6 国内四向穿梭车厂商
更广泛·更智能·更柔性
四向穿梭车基于快速运行、协同作业、柔性部署与拓展等能力，以更为灵活、更高性价比的方式适配于更多布局条件的仓库环境；同时，四向穿梭车还可通过与AGV/AMR、输送线等物流设备集成应用，打通存储、搬运、输送、分拣等更多物流场景，这也是其市场高速发展的主要原因。展望未来，由于四向穿梭车市场仍处于快速发展期，这将推动四向穿梭车产品功能的不断完善，以及应用领域与应用场景的加速落地；此外，随着物联网、人工智能、大数据、多重环境感知等技术的不断发展，柔性一体化、智能化调度或将是四向穿梭车技术发展的重点。
应用领域不断拓展
当前，四向穿梭车在电商、零售、3PL、汽车零部件、3C电子等领域得到了广泛应用。例如，电商、零售行业存在着SKU多、库存量大、出入库频率高等特点，四向穿梭车系统配合AGV/AMR等物流设备，可以实现更为高效的密集存储和出入库作业；汽车零部件、3C电子行业存在着SKU多、生产节拍紧密等特点，四向穿梭车系统通过与生产线、分拣线的有效连接，可以优化整体仓储与生产流程、提高企业效益。近年来，随着政策支持力度的加大与市场规模的增长，冷链行业对四向穿梭车的应用需求也在持续增加。可以预见，四向穿梭车未来将会实现更多行业领域的拓展应用。
智能化调度需求更甚
随着四向穿梭车自动化立体仓库应用渐广，多台四向穿梭车协同作业对调度系统的智能化水平也提出了更高要求。如何利用人工智能、大数据等技术不断优化小车作业路径、减少排队等待时间、实时监测小车运行状态，从而提升系统整体运行的效率和稳定性，都是四向穿梭车调度系统未来需要不断提升的能力。
柔性一体化程度加深
企业对物流需求柔性化、一体化程度的加深，驱动着四向穿梭车厂商不断提升产品柔性与集成能力，从而帮助企业建设更为柔性化、一体化的物流系统。例如，可自行升降、可在货架及地面两栖行驶是四向穿梭车产品功能的重要研究方向，以及集成四向穿梭车与提升机、输送线、AGV/AMR等设备的一体化物流系统也是四向穿梭车解决方案厂商关注的重要方面。
写在最后
四向穿梭车的出现，为企业仓储自动化建设提供了新选择，也满足了企业愈发智能化、柔性化、精细化的仓储物流管理需求。纵观四向穿梭车的发展历程，从传统的两向行驶发展到如今的四向行驶，从协同提升机换层到研究自行升降，从需要人为控制操作到智能调度运行，灵活、柔性、智能是其主要特征，也更适应现代仓储物流管理的发展。
参考文献：
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