原标题：自动化立体仓库的分类和能力计算
一、自动化立体仓库的分类
1. 根据货架结构分类
a. 整体式：这种仓库的货架及其主要结构均与房屋的屋顶和墙壁固连一体，如图所示。
b. 分离式：自动化立体仓库是独立建在屋内，如图所示。
2. 按存储方式分类
a. 单装载单元：在货架货位的深度方向只能存储一个装载单元，如图所示。
b. 双装载单元：在货架货位的深度方向能存储两个装载单元，如图所示。
c. 多装载单元：在货架深度方向可存储多个装载单元，如图所示。
3. 按使用环境分类
a. 一般自动化立体仓库：在常温常湿度条件下保管装载单元。
b. 低温（冷藏/冷冻）自动化立体仓库：在0℃以下环境中保存装载单元。
c. 高温自动化立体仓库：在40℃以上的环境中保存装载单元。
d. 防爆自动化立体仓库：在防爆环境中保存装载单元。
e. 其他环境条件下的自动化立体仓库
4. 按用途分类
a. 原材料仓库：用于暂时保存制造业需要的原材料的仓库。
b. 零部件仓库：用于暂时保管加工和装配需要的零部件的仓库。
c. 工序间仓库：用于保管和调节工序间需要的零部件和原材料的仓库。
d. 成品仓库：用于暂时保管成品的仓库。
e. 流通仓库：用于保管和分类流通过程中的商品的仓库。
5. 按设计分类
a. 按导轨配置分类
i. 直线导轨：堆垛机行走路线完全是直线，如图所示。
ii. U形导轨：堆垛机行走路线是直线和圆弧，如图所示。
iii. 横移式导轨：通过横移接轨方式把n条平行的导轨连接起来，可以减少堆垛机数量。
b. 按出/人库工作台布置方式分类
i. 单侧出/入库方式：如图所示为出/入库工作台设置在堆垛机行走路线的一端。
ii. 两端出/入库方式：入库和出库的工作台分别设置在堆垛机行走方向的两侧。如图所示为两端出/入库方式。
iii. 中间出/人库方式：如图所示为出/人库工作台设置在堆垛机行走路线的中间位置。
c. 按出/人库工作台配置高度分类
i. 同一层出/人库方式：如图所示为出/人库工作台设置在同一楼层上。
ii. 非同层出/入库方式：把出/人库工作台设置在不同的楼层中如图所示。
二、自动化立体仓库的出/人库能力计算
自动化立体仓库的能力可视为构成系统的各要素的综合能力。其中包括各种机器的处理时间、响应时间、人的作业时间和运转方法等。具体来说，这些内容有：出/人库的货位安排；货位区域管理；多台堆垛机的负荷平衡；出库顺序的控制。
三、自动化立体仓库的最佳参数选择
确定自动化立体仓库的最佳高度是极其重要的，因为高度直接影响占地面积、长度、宽度、起重运输机械的装卸效率及其技术经济指标的选择。而影响货架高度选择的因素是：货物吞吐量和货物周转率（储存期），以及订货发送时的配套方式，此方式取决于每一批货物的品种数目和单位数量。德国专家认为，货架的最佳高度在20m~21m,也有部分德国专家认为在15m~20m为宜。美国克拉克(Clarc)公司认为，货架高度在20m左右的单位费用最低。
最新的研究成果表明，折算费用随货架高度H的变化情况如表所示：
许多国家的研究成果表明，自动化立体仓库的最佳高度取决于容量：当容量为1000~4000t时，高度为12.6m;当容量为6000t或以上时，高度为16.2m。
由此可见，各国关于货架最佳高度的意见是一致的，即在15m~20m。但根据可建自动化立体仓库的土地大小实际情况，大量事实表明，一些工业发达国家的自动化立体仓库高达30m~50m以上。在20世纪70年代苏联的一个汽车厂，建成了39m高用于储存汽车备件的自动化立体仓库。特别是日本、德国等工业发达国家，人口多，土地少，自动化程度高，50m以上的自动化立体仓库拔地而起，数量激增。此外，1975年布拉格国际自动控制讨论会上有人预测，今后将要建造高达100m的多层仓库。提出这一预测的论据是：当高层堆垛机托架的垂直运动速度提高到100m/min或更高时，货架高度的增加不会使仓库储运机械的效率降低，而能大大节省库房的占地面积。
虽然有的把货架长度设计到150m,但大多数专家一致认为，由一台堆垛机上、下货的货架的最佳长度L在80m~120m为宜。货架的最大长度取决于一台堆垛机在一条通道中所服务的货位数目。为保持H/L=v,/v均衡，使堆垛机的托架垂直和水平移动平稳，推荐采用下列货架高度和长度比值：
货架最佳长度和高度与一台堆垛机按配套方式提取货物数量和储存期t(昼夜)的依赖关系。货架的折算费用、高度、长度与货物储存期的依赖关系曲线。对这些曲线图的分析表明，上述种种因素对货架参数有很大的影响。其中，当一批货物的储存期和单位货物容量增加时，货架的最佳高度和长度也随之增加。由曲线图可知，当储存期t=4~5昼夜时，H的变动范围为5m~6m;当t=80~90昼夜时，达20m。在确定储存区货架参数时，折算费用是衡量最佳水平的客观根据。
四、自动化立体仓库系统尺寸
自动化立体仓库主要是由高层货架，堆垛机，出/人库台，周边机械和计算机控制系统等组成的立体仓库。自动化立体仓库的货架分类及其常用术语如下：
a. 整体式货架：自动化立体仓库的货架和房屋固连一起、屋梁、屋壁是立体仓库的组成部分。
b. 分离式货架：自动化立体仓库的货架与房屋是完全分离、各自独立的。
货位：货架中容纳装载单元的空间。
堆垛机：在货架巷道中搬运装载单元的起重设备。
拣选机械：这是用于人和物的堆垛起重机的一种。这是人力操作的堆垛机，不但能在货位中存取装载单元，而且能进行出/入库作业。
活动导轨：改变堆垛机通道的装置。
货叉装置：在货位中存取装载单元的装置，一般具有左右导轨。
支撑：承载货物的悬臂。
货物：放入货架内的装载单元。
周期：计算出/入库能力时单位时间内的动作重复次数。
货架：容纳货物的钢架。
W方向（跨度）：与堆垛机行走方向垂直的方向。
L方向（长度）：与堆垛机行走方向平行的方向。
排：在W方向上的货位数。
行：在L方向上的货位数。
层：在货架高度方向上的货位数。
货台：堆垛机在货架端交换货物的场所。
最大载荷：在自动化立体仓库中处理最大重量的装载单元（含托盘质量）用于设定额定载荷和计算托盘支撑用。
平均载荷：在自动化立体仓库中，各货位中的载荷（含托盘质量）之和除以实际存储的装载单元数（用质量表示）。平均载荷用于整体货架的强度计算。
起重载荷：堆垛机能负担的最大载荷。
额定载荷：从起重载荷中减去载货台后的载荷。
在线运转：管理自动化立体仓库的计算机实时进行信息管理和控制堆垛机。
离线运转：信息管理和堆垛机的运转分别是脱机管理。
半自动运转：有手动操作和自动控制的行走、货叉升降及移叉等运转状态。
正常运转：正常进行存取货物的运转状态。包括正常待令的停止状态。
非正常运转：检查、调整和复位等的运转状态。
入库台：为了把货物放入货架，堆垛机进行取货和送货的装置。
出库台：为了从货架上取出货物，堆垛机取货、放货的装置。
1. 自动化立体仓库尺寸：
装载单元的货态：这是自动化立体仓库货物存储单位的最大尺寸。最大货态尺寸表示如下：计算货态尺寸。这是通过包装箱和包装袋的规定尺寸计算出来的货态尺寸。堆放货态尺寸,计算货态尺寸是按理想的包装箱尺寸计算出来的。但是，在实际生产中，在托盘上堆放货物时受到各种因素的影响使实际堆放货态尺寸与计算货态尺寸有一定误差。这些影响因素是：包装箱或包装袋的尺寸误差，即：
堆放时，箱与箱，袋与袋之间的间隙。
堆放时，箱与袋之间的膨胀量。
堆放时产生了货物间的偏移量。
a. 整体式立体仓库货架尺寸：
Lo：仓库列方向墙的中心间距;
Lr：货架列方向的立柱中心间的最大尺寸;
Lc1：仓库出/入库侧的墙中心到货架端立柱中心尺寸;
Lc2：仓库出/入库侧的反侧墙中心到反侧货架端立柱中心间尺寸;
Wr：货架排放向外侧立柱中心间最大尺寸;
W1：仓库出/入库侧排方向墙中心距;
W2：仓库出/入库侧反侧排方向墙中心距;
Hr：货架地面到上部梁下方的尺寸。
b. 分离式立体仓库货架尺寸：
Lr：货架列方向立柱中心距;
Lu：货架列方向的全长;
Lc3：出/入库侧货架端到墙的距离；
Lc4：出/入库侧的对面的货架端到墙的距离；
Wr：货架排方向外侧的立柱中心距；
W1：货架排方向工作区或安全网等的外侧尺寸;
Ho：货架地面到上部梁的顶面的尺寸;
Hr：货架地面到上部梁的下面的尺寸;
P：堆垛机轨道中心距。
五、基本要求
1. 装卸的基本数值
装卸工作依靠人力来提高效率是有限的，物流装卸作业必须实现机械化和自动化。表所示为人力搬运的装卸实验的基本数值。在人工拣选作业时限于20kg,而且不能连续作业。
自动化立体仓库的相关机械的基本速度如表2-4所示。机械的工作速度可以调整，但必须根据装载单元与有关机械的统一性来确定。在设计阶段，根据机械设备性能和从入库到出库的时间（周期）来确定基本数值。总之，在选择装卸设备时，一定要考虑可靠性和成本两个因素。
装载单元在自动化立体仓库内部的流动线路分为U形、I形、L形和双U形。所谓U形是指出/人库作业都在同一侧进行。这是最普通的形式。I形是立库一端人库作业，另一端为出库作业。这在大规模生产工厂中设置的分离式自动化立体仓库中应用较广。这种模式生产效率较好。此外，L形和双U形是根据库内物流线路分类的。库内物流线路类型是根据现场条件、生产工厂、已有设备和生产纲领来确定的。要求物流距离最短、效率最高。同时，要考虑装载单元的搬运和管理体制两个因素。一般来说，采用U形物流线路最实惠，在管理和经济方面都有优点。特别是对于出/人库场和时间带受到限制时，这是最有效的形式。相反，当要求人库和出库作业要同时进行时，U形线路将造成拥挤和混乱，所以不能采用这种U形线路。I形线路用于大规模生产从一端到另一端的连续作业的情况。L形和双U形线路是根据选择作业地点的条件和生产工程的特殊性来决定。当库存量大，出/人库频率不大时，除上述各种库内物流线路外，还可采用活动平台，以提高效率。把堆垛机和移动式堆垛组合使用，这种组合数种堆垛机供货形式，其优点在于经济性好，可集中管理。不管采用什么形式，都要根据实际条件来选择适合的形式。条件不同其效果也不一样。必须综合考虑各种条件，选择物流线路、计算作业时间、确定管理体制和作业人员。
2. 周期
在选择自动化立体仓库的功能时，应该考虑货物出/入库的周期。货物出/入库周期是选择自动化立体仓库的基本单位，它表示堆垛机存取货时间的长短，即表示其效率高低。通过对货物在库内流动的时间分析，确定各相关设备的能力，为设计自动化立体仓库的规模提供科学依据。
堆垛机的周期如图所示，根据堆垛机动作线路分类来选择其规格型号。按照自动化立体仓库的运转方法来决定堆垛机是单循环还是复合循环。把整个系统作为研究对象，在规划时进行概算。在设计阶段时充分应用计算机和设计程序进行模拟。堆垛机存取货物周期概算法如下：
a. 计算位于自动化立体仓库的平均位置的托盘的单循环时间。
b. 计算位于自动化立体仓库的1/2高度和1/2长度位置的托盘的单循环时间。
c. 在自动化立体仓库运转初期，把1/2作为1/3来计算。表2-5所示为计算机计算的循环时间例。
自动化立体仓库的货架基本数据是柱距1.35m,货架高度为6.8m,其中最底层为0.6m,各层高度为1.1m,最高一层为1.8m。一旦确定了堆垛机的工作循环时间之后，按照自动化立体仓库的设计原则便可计算出它的基本出/人库能力。计算公式如下：=3600/T(个/h)【式中：——每小时托盘的出/入库数量，个；T基本运动时间（周期），s。】
根据上述公式就能计算出自动化立体仓库的货物的每小时出/人库数量。
例：设循环时间T。=180s,则m=3600/180=20个/h
即是说自动化立体仓库每小时的出/人库能力为20个装载单元。根据一台运输车的装载能力除可计算出每小时需要的运输车外，还可计算出堆垛机的台数，从而可确定台数。并决定自动化立体仓库的规模。
3. 装卸计划和存储效率
把包装的物品堆积在托盘上便成为装载单元。按照装卸程序，搬运中货物安全可靠、不易破损、效率也高。常用托盘有三种，即钢制托盘、树脂托盘和木制托盘。货物重量大的采用钢制托盘，一般重量采用树脂托盘，比较经济实用。木制托盘在反复使用之后易变形和破损，使用寿命不长。装在托盘上的货物总尺寸一般与托盘尺寸相同，也可比托盘略小一些。在非常特殊情况下也可以比托盘略大一点。常用装载方法有如下5种：
a. 完全紧密型：装在托盘上的物品之间完全紧贴着，没有一点间隙。
b. 中空型：把物品装在托盘上之后，在各物品中间形成一个对称的小空间。
c. 非对称型：把物品装在托盘上之后，在各物品中间形成一个非对称的空间。
d. 周空型：把物品堆积在托盘上之后，物品与托盘四周留有一定空间。
e. 不规则型：为了提高托盘装载率，装载的物品形状不是正方形和长方形。这些托盘装载形式如图所示。装载方法优劣标准在于托盘空间利用率大、物品安全可靠和破损最少。破损最少是最重要的因素。
搬运车辆的尺寸规格最好与托盘尺寸相匹配。即是说根据托盘尺寸来决定运输车辆大小，根据选定的运输车辆来确定库区道路宽度。
普通平库和自动化立体仓库比较，当然后者保管容量要大得多。设普通平库是采用叉车道路，其容积率的计算公式如下：
容积率=（使用容积/有效容积）×100%
如果在600m2内建4个高4m的普通平库，其容积率为25%~48%。若是在同等面积上建立高度为16m的自动化立体仓库，其容积率就远远大于平库。
仓库的存储效率=容积率×出/人库效率。存储效率高当然是可喜的事，但是，当处理货物的通道一定时，存储效率增加，必然影响货物处理作业。自动化立体仓库的存储效率很高，如果把普通平库高层化，整体效率将提高很多。对于出/人库频率不高的冷冻自动化立体仓库，其容积效率越高越好。
4. 自动化立体仓库和普通平库比较
自动化立体仓库和普通平库比较时，钢材使用方面有较大区别。对于一层普通平库使用钢材量为60kg/m2~90kg/m2。对于20m高的自动化立体仓库使用钢材量为250kg/m2~300kg/m2。如果自动化立体仓库按5m高度折算成一层计算的话，20m高度折算成4个平库，则钢材用量为(250kg/m2~300kg/m2)/4=62.5kg/m2~75kg/m2。可见，自动化立体仓库所用钢材较平库少得多。这是因为一般仓库使用的是重量级钢架，而自动化立体仓库使用的是轻量级钢架。自重越小，基础工程自然廉价。可见，自动化立体仓库的单位体积容量的建设费比普通平库要廉价一些。就机械设备而言，普通平库主要是用叉车作业，而自动化立体仓库使用堆垛机、周边机械、电气控制和计算机等。关于基建费和设备费的比例问题，整体式自动化立体仓库基建费为60%，自动化机械为40%。因分离式自动化立体仓库没有屋顶、基础、墙壁，相反其基建费为40%，而自动化机械费为费为60%。就整体价格而言，当然自动化立体仓库的投资费用高一些。
虽然自动化立体仓库的建筑物造价较高，但库内是省力化机器、总的人工费用低，在库管理和运用系统也简单。但是，因为是自动化机械，需要一定的电费。此外，因为无人作业，效率很高，在库管理系统化。综合考虑设备费和人工费的结果，充分发挥了经济性。
高层立体仓库也用钢筋混凝土制造，柱间距为7m~8m,地面承载能力按建筑法要求0.4t/m2。但实际上因为地面要承受多层装载单元的总重量，一般要求是1.5t/m2~4.0t/m2。其层规定为第1层6.5m,2层以上为5m~6m。这种规模的自动化立体仓库柱间面积为40m2~50m2,是最经济的模式。
5. 自动化立体仓库与高位叉车库的投资、运营对比
① 自动化立体仓库与高位叉车库的优缺点
目前国内自动化立体仓库建筑高度多数在16.2m~22m范围内，货架层数10~12层。这是合理的经济高度。目前我国自动化立体仓库建设水平日趋成熟，采用国产设备，大幅降低投资费用。
由于自动化立体仓库的空间利用率高、节约土地、出/人库能力很强、采用计算机控制管理有利于企业现代化管理，所以它是企业物流和生产管理不可缺少的技术装备。迄今为止，我国自动化立体仓库数量已超过400座，运行效果基本良好。
② 自动化立体仓库的优缺点
a. 提高空间利用率
自动化立体仓库的最突出的优点是空间利用率高，节约土地。提高空间利用率和节约土地与节约能源和环境保护有密切联系。自动化立体仓库的基本建设费用、照明费用、供暖费用一般都比普通仓库节约2~3倍。自动化立体仓库的空间利用率为普通平库的4~7倍。
b. 便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平
普通仓库只有储存货物的功能，是一种“静态储存”。自动化立体仓库采用先进的自动化物料搬运设备，不仅能使货物在仓库内按需要自动存取，而且可以与仓库以外的生产环节和国内外贸易有机地连接起来，通过计算机管理系统和自动化物料搬运设备使仓库成为企业生产物流中的一个重要环节。形成一个“动态储存”的自动化物流系统，减少货物库存量，降低了物流成本。在“精细化管理”的理念要求下，自动化立体仓库成为各公司“精确管理”中不可缺少的一部分，也是物流、信息流、商流和资金流等系统中不可缺少的重要部分。
③ 加快货物的存取节奏，减轻劳动强度，提高生产效率
以自动化立体仓库为中心的物流系统，其优越性在于自动化立体仓库具有的快速出/入库能力，准确地实现货物入库、出库、再人库，货物盘点、清仓核资、库存显示，并及时自动地将托盘送入生产线、将成品送到出库区。这一特点是普通库房难以实现的。此外，自动化立体仓库可以减轻劳动强度，减少工作人员。
采用自动巷道堆垛机取代人工存取货物货，快捷省力。这样没有工人和叉车人库工作，改善了工作环境，降低了产品和设备的损坏率。
采用计算机管理系统管理货物，增强了货物管理能力，使仓库管理科学化，提高了货物管理的准确性和可靠性，出/入库管理、盘库、报表等工作量变得简单快捷，降低了劳动强度，工作效率大为提高，彻底解决了普通仓库管理的报表不及时、不准确的难题。
自动化立体仓库系统所需要的操作人员和系统维护人员很少，节省了人力、物力、财力，改善了工作环境。
④ 现代化企业的标志
自动化立体仓库系统有利于集约化的大规模生产，它是生产过程中各环节紧密相连的纽带，使产、供、销成为一个有机整体，它为管理和决策科学化提供科学依据。
在工业发达的日本，据不完全统计，已建成的自动化立体仓库已超过座。可以说在江河沿岸、车站码头、交通要道、海湾港口和现代化企业，物流中心和自动化立体仓库拔地而起，比比皆是，为世界经济大循环正车如流水运输有序地工作着。物流是国民经济的大动脉，物流中心和自动化立体仓库又是物流的核心。自动化立体仓库系统已成为现代化企业的重要标志之一。
⑤ 自动化立体仓库的缺点
自动化立体仓库的最大缺点是前期投入较大，设备维修费用较高。但自动化的运行费用较低、安全性好、可靠性高、技术服务完善，总的说来还是经济的。
⑥ 高位叉车库的优缺点
高位叉车库的最大优点在于建设投资比较小，对操作人员要求较低，建设周期短。维修容易，维修费用低，维修期间继续作业。高位叉车库的最大缺点是管理困难，尤其是库房达到一定规模后，人员、叉车设备会成倍的增加，出/入库现场混乱，安全系数低，人员、设备伤害时有发生。而且对产品管理、数据报送的准确性、及时性都不能满足现代物流的要求，严重制约销售、调度中心等其他部门的工作。高位叉车的后期维护成本远远高于自动化立体仓库。
⑦ 自动化立体仓库与高位叉车仓库投资比较
目前国内自动化立体仓库的设计和制造水平大为提高，基本能满足国内一般企业要求。如果选用国产自动化立体仓库与普通叉车配合出/人库的物流模式，可以大幅降低投资成本，节约维修费用。
以下就江苏六维物流设备实业有限公司为大连爱丽思公司建设的自动化库为例，进行投资及运行费用比较。该库设计为28排×182列×10层，14个巷道，共个货位，每天按5000个托盘进行出/人库作业。采用三向式和前移式两种高位叉车，设计仓库均为6层货架。以下对这三种库房投资与运行费用进行比较。表2-6为自动化库(个货位)与普通6层货架库比较。表2-7为自动化立体仓库(个货位)和普通货架库的每年运行费用。具体分析数据如下。
a. 土建费用
根据现在自动化立体仓库建设的用地面积，个货位的自动化立体库的库房建设面积为m2,另外加设4000m2的出库缓冲区，建筑价格分别按2000元/m2和900元/m2计算。同样货位的6层立体库的建筑价格按1300元/m2计算。消防设施包括消防水池费用。
b. 货架部分
自动化立体仓库按400元/货位计算，6层货架库按每个货位250元计算。
c. 配套设施
i. 堆垛机：设计为14条巷道，每台堆垛机按照60万元计算。
ii. 叉车：自动化立体仓库出/人库配套按20台普通电瓶低提升叉车计算；三向叉车库房出/人库按14台高位叉车、12台普通叉车计算，三向高位叉车按100万元/台、低位叉车按8万元/台计算；前移式叉车库房出/人库按28台高位叉车、14台普通叉车计算，高位叉车按40万元/台、低位叉车按8万元/台计算。
iii. 运输机、电气部分：按国内供应商报价计算。
iiii. 计算机管理系统：自动化立体仓库配套的计算机软、硬件支持，6层立体货架库房按相同费用计算。
d. 运行费用
普通6层高位叉车仓库的运行、维修费用以某公司第一、第二、第三工厂实际发生数据为依据预算，自动化立体仓库以江苏六维物流设备实业有限公司提供的技术数据及自动化立体仓库使用单位的咨询数据进行预算（某公司1999年投入使用的9巷道8000个货位自动库，每年维修费用5万~6万元、耗电每周约4000度。某药业1999年投入使用的8巷道5120个货位自动库，每年维修费用约3万元，每周耗电约7000度)。
i.运行、维修费用：自动化库房都是轨道运行，设备故障率较小，费用也相对较低，表中列出数据为自动化库房的电耗、维修费用；高位叉车库房叉车维修费用很高，表中列出数据仅为高位叉车维修费用与充电、照明费用。
ii. 人员配置：自动化库房由于自动化作业程度高，人员配置较少，总共需要80人；高位叉车库房均为人工作业，至少需要160人。人员工资平均按每人元/年计算，装卸工按每人1200元/月计算。
表所示为自动化库房年设备运行费用。表所示为高位叉车库房运行费用。
表所示为单班自动化库房人员配置。表所示为单班高位叉车库人员配置。
iiii. 折旧费用按财务要求计算。
⑧ 在物流规模和出/人库频率相同的情况下建议采用自动化立体仓库
在货物吞吐量的规模及出/人库频率相同的情况下，从投资角度分析，建设自动化立体库比建设高位叉车库房节约，且自动化立体库房每年的运行费用比高位叉车库房低。从管理角度分析，建设自动化立体仓库会提高工作效率，可以解决目前困绕物流部门的报表不及时、数据不准确、库损严重、错误发货、人员管理混乱、安全事故多等许多问题。
以下可以通过建设个货位的两种库房的投资及运行费用进行比较，可以综合说明建设自动化仓库是经济的。表所示为建设个货位自动化库与普通5层货架库比较。表所示为自动化库和普通5层货架库(个货位)每年运行费用比较。
通过以上数据分析，在目前管理成本的情况下，若同时建设个货位的自动化库和高位叉车库，则自动化库可节约投资1240万元。此外，每年还可节约运行费用278万元。所以，建议在货位相当的情况下最好采用自动化立体仓库。
来源：制造及物流装备自动化
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