南山图书馆是深圳市南山区标志性的文化建筑之一，其中2021年完工并投入运营的智能立体书库为图书馆的重要组成部分。南山图书馆立体书库通过优化布局规划，合理利用四向料箱穿梭车、穿梭车提升机、飞梭机器人（智能AGV）等设施，实现图书的自动存取、流通分拣、出库入库，并与网上借阅系统相对接，为市民提供了便捷的借书服务，引领图书馆智能借书新风尚。
作者：孙文宇1叶倪2
1.浙江凯乐士科技集团股份有限公司；2.无锡地铁运营有限公司
随着我国图书馆数量规模和体系不断完善，以及读者群体壮大，图书馆应用智能立体仓库成为大势所趋，也是图书馆信息服务转型升级、迈向智能化运营的重要手段。通过进一步借助现代化信息技术，将能显著增强公共文化内容的供给能力，提升信息资源使用率和图书馆服务效能，推动全民阅读，更好地满足人民精神文化需要。
位于深圳市的南山图书馆，在1997年建造之初的设计藏书容量为60万册，随着馆藏图书持续增加，截至2020年底，馆藏纸质文献已达100多万册，远超其设计容量，导致大量图书无法上架，约达40%的馆藏图书无法供读者阅读[1]。如何满足读者的阅读需求，提高闲置图书的利用率，已成为南山图书馆所面临的困局。为此，南山图书馆引入了“智能立体仓库系统”项目，通过该项目可实现图书的高密度存储和高效率分拣，将长期无法正常借阅的馆藏资源实现盘活，实现图书资源的最大化利用。
南山图书馆智能立体书库概况
01
深圳市南山图书馆是集合储存、调剂、服务、物流、信息化、文献加工与典藏功能于一体的图书存储中心和文献资源保障基地。南山图书馆占地面积为13700平方米，总建筑面积达16400平方米，其中智能立体书库总建筑面积达1600平方米，是继苏州第二图书馆后全国第二个采用自动化立体仓库技术的图书馆。
该智能立体书库主打“智能书库”与“网上借阅”相结合的服务，即自动化立体仓库系统与网上借阅系统、数字图书馆管理系统相对接，主要包含图书下架、书库管理、图书预借、设备运维这四大功能体系。读者无需找书，可通过自助借书终端借到所需的图书[2]。
智能立体书库的组成与作业流程
02
智能立体书库又称“自动化立体书库”，基于自动存储和检索系统（automatedstorageandretrievalsystems，AS/RS），不需要人工直接处理，自动存储和拣选出图书的书库。作为物流仓储行业在图书馆书库的衍生品，智能立体书库具有节约用地资源、减少图书管理员工作强度、提升图书馆智能科技化程度、提升图书文献流通率的特点，有利于提升图书馆文献存储空间，以节省成本支出[2]。
1.智能立体书库的组成
南山图书馆智能立体书库的主要管理与运营系统是无锡凯乐士科技有限公司规划建设的自动化立体库。该智能立体书库采用了两套自动化系统，分别是自动化立体书库系统和飞梭（FreeShuttle）库系统（见图1），两套系统共用一个操作系统，设备各自独立运行，最大程度地提升了智能立体书库的工作效率。
图1南山图书馆智能立体书库平面布置图
（1）自动化立体书库的硬件设施
自动化立体书库的硬件设施构成，主要可分为四个部分：料箱、货架阵列、四向料箱穿梭车、穿梭车提升机。
①料箱：采用塑料材质，具备抗热性和抗化学腐蚀性，能为图书提供良好的保护。尺寸规格为600mm×400mm×230mm，最大承载重量为40kg。该自动化立体书库共有料箱储位6200个，料箱内最多能容纳100本图书，预计能存储62万册图书，现已存储60万册。
②货架阵列：采用组合式Q235钢材质框架结构，用于承载料箱，该自动化立体书库共设置了7排货架，每排8层，每层最大负荷为200kg。
③四向料箱穿梭车：相较于以往传统的穿梭车，四向料箱穿梭车更具灵活性，且能实现转向，在穿梭车提升机的配合下，可到达货架的任意位置。底层控制采用当前成熟PC控制模块，保证进出货效率。取放货时，两侧均可操作，提高了货物存储密度，节省了仓库空间。四向料箱穿梭车的技术参数，详见表1。
表1四向料箱穿梭车技术参数
④穿梭车提升机：能将穿梭车更换到不同层高货架的设备；主要由框架部分、电机系统、轿厢、阻挡机构构成，如图2所示。
图2穿梭车提升机
框架部分主要由铝型材和部分加工件构成，底板通过膨胀螺钉与地面固定；底板和顶板上装有尼龙缓冲装置，轿厢若冲过限位机构，在与底板和顶板接触时可以起到缓冲作用；框架上装有同步带，并分别与电机系统和轿厢系统连接。电机系统是设备的动力部分，固定在框架地板上，通过两个同步带轮和同步带连接，控制轿厢的上下动作。
轿厢是提升机完成穿梭车换层功能的主要部分。轿厢通过16个导向轮装在框架的内部，并通过两组同步带调节上下高度；在接收到上层系统命令要更换穿梭车的层高时，电机通过传动带带动轿厢上下移动，到达附近位置时由传感器精确定位；轿厢稳定后，推杆会带动轿厢内的导轨与阻挡机构的导轨对接，迎入穿梭车，推杆收回，穿梭车在轿厢内部停稳后，轿厢移动到指定层位，推杆再次推动并与阻挡机构导轨对接，穿梭车驶出换层提升机。
阻挡机构是防止穿梭车在轿厢未就位时就驶入提升机的保护机构。在穿梭车接到换层命令，并行驶到换层提升机边缘时，若轿厢未到达，则阻挡机构处于关闭状态；当轿厢部分准备就绪时，阻挡机构接到上层命令后，会处于打开状态，允许穿梭车通过并驶入轿厢内。
（2）飞梭库的硬件设施
飞梭库的硬件设施主要由料箱、货架阵列、飞梭机器人三个部分构成。
①料箱：飞梭库所有料箱的规格型号、材质均与自动化立体书库料箱一致，飞梭库共有料箱储位6000个。
②货架阵列：飞梭库的货架也采用了组合式Q235钢材质框架结构，货架尺寸为2150mm×500mm×2800mm，设有8层，每层最大负荷为200kg。
③飞梭：又称飞梭机器人，是凯乐士科技有限公司研发出的一款新型智能AGV。该飞梭机器人基于标准底盘的软硬件平台开发，通过与上位系统配合，从而实现普通货架上的取放料箱功能。可利用原有传统仓库的隔板货架快速实现仓库的自动化，具有柔性高，成本低的特点。另外，专门为楼层仓设计了3m的取货高度，更好地利用了原先仓库垂直方向中人工所不能触及的空间。巷道宽度为800mm、回旋直径为1150mm，均为业内最小值，可以使得智能立体书库达到极高的存储密度，远远领先同类产品。飞梭机器人的技术参数，详见表2。
表2飞梭机器人技术参数
2.智能立体书库的作业流程
（1）自动化立体书库系统作业流程
入库流程：当读者归还图书后，自动输送系统和分拣系统开始运作（见图3），WMS将指令待入库的料箱分配到对应原来的货位，图书管理员完成人工拣选和补数作业，穿梭车提升机收到WMS下达的指令后，与四向穿梭车相配合，将料箱放至指定位置，整个入库流程结束[3]。
图3自动输送系统
（2）飞梭库系统作业流程
出库流程：①根据WMS下达的指令，机器人调度系统调度飞梭机器人移动至库区，并将相应货位的料箱取下；②飞梭机器人移动至出库站点位置；③飞梭机器人将料箱放入出库站点；④飞梭机器人复位，等待下一个任务的执行。如图4所示。
图4飞梭库系统出库作业流程示意图
入库流程：①根据WMS下达的指令，机器人调度系统调度飞梭机器人移动至入库取货站台位置；②飞梭机器人从入库取货站点取到料箱；③根据WMS指示的存储货位，飞梭机器人移动至库区，并将料箱放至相应货位；④飞梭机器人复位，等待下一个任务的执行。如图5所示。
图5飞梭库系统入库作业流程示意图
南山图书馆智能立体书库项目的技术亮点
03
1.四向穿梭车的引入
当四向穿梭车在需要充电时，其充电速度远超一般穿梭车，因其所采用的是当今先进的超级电容供电方式，插电10秒钟就可以满足单次任务耗电需求，2分钟即可充满，且支撑24小时无间歇作业。当立体仓库中的提升机（堆垛机）发生故障时，四向穿梭车不同于以往传统的穿梭车运行模式，其可以重新规划新的运行路径，且能自动寻找其他空闲的提升机（堆垛机）继续完成当下的任务作业，因此任何外界因素皆无法影响该智能立体书库系统，其作业能力堪为一流[1]。
2.模块化、可拓展的系统设计
相较于以往传统的自动化立体仓库系统设计，凯乐士科技公司开发的智能立体书库通过模块化产品系列实现系统设计的灵活性，即自动化立体书库系统和飞梭库系统两个系统之间硬件设备相互独立，但操作系统又互相联系。后期可以通过动态调节存储位置以及可拓展的图书分类逻辑，实现南山图书馆业务管理的系统性和灵活性。
南山图书馆智能立体书库项目成效
04
1.书库高效利用
南山图书馆在引入“智能立体仓库系统”项目后，馆藏量提升30%，空间利用率提升50%。图书馆管理员现只需完成人工拣选和补数作业，以及偶尔的微机系统操作，进一步提高了自动化操作率，节省了大量的人力资源。
2.引领行业潮流
近年来，国内图书馆开始盛行“智能立体书库项目”的规划与应用。2019年底，国内首个大型智能立体书库——苏州第二图书馆智能立体书库正式投入运营。2022年底，深圳大学丽湖校区中央图书馆智能立体书库正式投入运营，是国内首个拥有智能立体书库的高校图书馆。智能立体书库在国内图书馆领域中正在逐步壮大和成熟。南山图书馆智能立体书库作为国内第三个投入运营的项目，展现了新鲜的借书还书方式，为其他图书馆提供了经验借鉴。
未来，智能立体书库还将作为南山图书馆的智能服务分馆，承接为各个社区图书馆、南山书房、智能借阅的文献调拨职能，成为南山区公共文化服务体系中的文献保障中心，为读者提供更加优质的借阅服务。
参考文献:
[1]漫步书海赏星“阅”目——凯乐士科技助力南山图书馆智能立体书库[J].现代制造,2021(11):36+38.
[2]邹阳.智能仓储系统在国内外图书馆的应用分析[J].四川图书馆学报,2021(06):18-21.
[3]叶倪,郑重远.物联网技术在无锡地铁3号线自动化立体仓库中的应用[J].物流技术与应用,2021,26(04):134-136.