昆船智能技术股份有限公司雷敏卢会超李蜀峰刘畅李成友孙明伟
摘要：本文以某部队物资器材自动化立体仓库规划设计和改造为例，结合现有库房现状并采用多种不同形式的自动化物流仓储技术，以及物联网、3D数字孪生、可视化等新技术，最终完成了自动化仓库的整体规划和实施应用。本文可为今后军方物资器材储备自动化方案的总体规划设计工作，提供科学的理论和参考依据。
关键词：物资器材、自动化物流技术、立体仓库、物联网、数字孪生
加快建设现代军事物流体系和军队现代资产管理体系，已纳入国家和军队重点建设战略规划，物资器材仓库作为现代军事物流体系建设的关键环节，现有配套设施和管理手段相对落后，进行现代化改造和技术升级的需求迫切。立足现有条件和任务需求，引入地方先进成熟技术方案对老旧仓库进行现代化升级改造，以期更快融入现代军事物流体系并取得良好军事经济效益。
根据实地踏勘，现有在用库房多为平库地堆存储模式，普遍空间利用率较低、规模小、设备落后，存在储备物资少、占地面积大、物资信息管理落后、应急响应速度慢等不足。库房物资器材堆码杂乱，管理模式传统粗放，库房出入库、盘库清点等作业均是人工完成，人工强度大，收发效率低，加之在编职工保管员数量日益缩减，部队官兵更迭频繁，使得发展滞后的库房管理和搬运模式成为制约器材保障快速发展的最大瓶颈，对现有库房智能化和信息化改造，实现机器换人，减员增效，成为军方达成的普遍共识。
本文以某部队物资器材自动化立体仓库规划设计和改造为例，对多形式仓储系统在军方物资储备旧库改造中的应用进行了介绍分析。
一、设计目标
在系统规划方面，综合器材保障未来发展趋势，兼顾器材保障业务及管控职能，突出器材精细化和信息化管理优势；针对性提出相应的创新设计，使物流系统更具模块化、标准化、智能化，实现自动化物流系统“平时保障、战时应战、急时应急”多种模式；结合先进的现代器材管理理念，充分利用功能区域及应急保障措施，以信息化为核心，突出智能化仓储、自动化输送以及托盘一贯化承载输送作业，从而降低劳动强度，提高器材保障效率，打造具有先进性、引领性的示范工程。
二、设计范围
本次项目规划内容，包括对4栋库房（2号、6号、7号、9号）进行存储、作业、管理的全系统现代化改造；对X栋现有库房进行仓储管理信息系统运用；项目内容还包括相应配套的土建地面改造、消防系统及中控室的建设等。
三、总体规划设计
本次系统的工艺设计，以先进性、功能性，以及对未来发展的拓展性为建设依据，结合当前需要，立足空间布局。整合营区业务流程、物流动线、作业节点等关键管控因素。业务流程活动区域按照作业特点设置，既实现了器材的分类管理，又增加了作业面积，实现了建筑空间的最大化利用。
1.关于2号库房的改造实施
2号库房建设于1975年，建筑长53.55米×宽17.5米×高3.8米，面积约950平方米。库内设施陈旧，地面条件、库房高度等条件较差，存储作业采用传统的“固定货架+人工叉车”的存储和搬运模式，存储空间利用率和出入库效率较低。
图1：2号库房现状
鉴于库房条件和存储物资特点，根据空间利用率最大、存储品项最多的原则，排除常规自动化立库方案，诸如堆垛机、四向车等，选取电动移动货架作为最终实施方案。电动移动货架一般在3～6米高的库房空间安装应用，适合少样多量、低频度的器材存储；在方便存取每一项货品的同时，不受器材存储顺序的影响，可电脑控制，操作简单，方便库存管理，现场作业省力、省时，能提高管理水平和生产效率。
改造后的库房，采用电动移动货架为主要存储设备，标准尺寸塑料托盘为主要载具，托盘承重为1000kg。库房共设计21排电动移动货架，货位数量774个，可存储物资800余立方米。
图2：2号库实施效果图
正常作业模式下，仅留有一条约3.5米的作业通道，其他面积均用作存储托盘货物，即实现了密集化存储，又实现了任意位置托盘存取及时化。库房改造后，设计存储量为原有库房的3倍，可节约70%的仓库工作空间，地面使用率达到80%。与此同时，货架底部安装有电机驱动，可实现电脑控制，自动化作业，极大提高了库房管理水平和作业效率，降低了工作强度。
2.关于6号库房的改造实施
6号库房建设于上世纪80年代，建筑长53米×宽19.5米×高11米，面积约1035平方米。库房存储作业采用“平地堆码+人工叉车/行车”模式，垂直空间实际利用率不到30%，作业效率低下且管理模式落后。
图3：6号库房现状
鉴于库房条件和存储物资特点，根据空间利用率最大、存储货位最多原则，经与巷道堆垛机方案货位、效率以及灵活性等方案对比，选取托盘四向车作为最终实施方案。四向车穿梭板式自动化密集仓储系统的核心设备，包括托盘四向穿梭车、专用垂直提升机和配套货架等。四向穿梭车结构紧凑，运行速度快，采用无线通信，不仅能够在配套的货架轨道上四向行驶，还能利用垂直提升机在货架内实现换层作业，提高了货架布局和库内作业的灵活性。四向车具有广泛适用性，适合不同高度库房、柱子过多库房、形状不规则库房的自动化改造，具有充分的灵活性和可拓展性。
改造后库房采用穿梭板式货架为主要存储设备，托盘四向车为主要搬运工具，标准尺寸塑料托盘为主要载具，托盘承重为1000kg。库房共设计10排穿梭式货架，垂直高度上6层存储，货位数量1602个，可存储物资2245余立方米。
图4：6号库实施效果图
在空间拓展性上，能够在任意方向拓展存储空间，可充分利用库房立体空间，垂直空间拓展后的空间利用率可达90%以上（原有库房利用率约30%）；在出入库能力上，能够随时通过增加或减少四向穿梭车数量来改变作业效率，改造后采用6台四向车作为主要存取设备，实行托盘化存储和转运，极大提高了器材收发速度，比原有人工作业效率提高近4～5倍；在存储密度和货物类别上，可以动态改变库房的存储密度和货物类别，可较好满足部队器材快速增长的需求。
3.关于7号库房的改造实施
7号库房新建不久，建筑长192米×
宽27米×高12米，面积约5200平方米。库房土建已经按高架库要求进行设计实施，该库具有合理的布局结构和良好的土建构造，为实现自动化改造提供了有利的基础条件。
图5：7号库房现状
库房目前采用的是“固定式高位货架（约11米）+人工高位叉车”的存储和搬运形式。考虑到高层货架的人工操作不便性和危险性，目前整体高位货架仅利用底层进行物料存储，造成大量的垂直空间浪费。与此同时，与平库管理模式相比，该库房仓库管理人员数量并未有实质性降低，人工劳动强度依旧很大。
考虑到资金投入和改造简易性两方面，对库房进行信息化和自动化改造，加固已有货架结构并采用高位叉车式AGV对物料进行存取和搬运。不同于普通叉式AGV，高位叉车式AGV作业时门架带动货叉前移，伸出到前轮之外取放器材，行走时门架带器材收回，使器材中心在支撑面内。这种前移式叉车AGV具有操作灵活性和高载荷的优点，拥有较佳的平衡力、稳定力，同时可以节省空间，减少转弯半径，适合于通道较窄且高度较高的高位货架仓库搬运装卸作业，其最高可将器材提升至9米的高度存储。
改造后的库房保留现有货架和托盘不变，采用高位叉车式AGV为主要搬运工具，具有较高的智能化、自动化和柔性化，不但增加了现有库房的空间使用率（改造后的库容量可在已有基础上翻倍存储），实现该库房的智能化、无人化、自动化和信息化，也缓解了日益减少的仓储管理人员与激增的器材数量之间的突出矛盾，既立足当前需要，也适应未来发展。
图6：7号库实施效果图
改造后的库房，可将库管人员减少至1～2名，且操作安全性高，将现有“人找货”模式转换为“货到人”，不仅大大降低了库管人员的劳动强度，减少行走距离，也大幅提高了库房的物流转换效率，目前库房配备4台AGV，可根据订单需求同时作业，较原有人工收发作业效率提高近4～5倍。
对于现有10米高的货架，人工操作叉车时因高度原因产生的掉货、高货位物料位置偏斜以及叉车误碰撞时有发生；改造后则可完全避免，极大提高库房的操作安全性，最大化保护货物和人员安全，将危险因子降至最低。
4.关于9号库房的改造实施
9号库房建于上世纪80年代，建筑长52米×宽12米×高6米，面积约625平方米，主要用于存储小件物资，比如五金配件。库房目前采用的是“固定式搁板式货架（约3米）+人工登高车辅助”的存储和搬运形式。考虑到高层货架的人工操作不便性，成品纸箱拆包后形成的散件由人工按区域放置于搁板货架存储，对于较高层货架物资的取放，还需借助登高设备进行辅助作业，操作极为不便。目前该库房存储状态已经严重饱和，物资器材已经在门口大量堆积无法入库，亟须改造库房以解决器材无处存放的处境。
图7：9号库房现状
鉴于库房条件和存储物资特点，根据空间利用率最大、存储货位最多原则，选取料箱四向车+“货到人”系统作为最终实施方案。
改造后的库房采用料箱四向穿梭车为主要存储设备，标准尺寸塑料周转箱为主要载具，料箱承重为50kg。库房共设计9排穿梭式货架，垂直高度上9层存储，货位数量5760个，可存储物资415余立方米。
改造后的立体库可最大化利用现有库房垂直空间，使库容量达到最大，较原来增加300%库容量，而且自动化设备可以使需要的物料到达指定位置，实现“货到人”的操作理念，无需人工取放和搬运，可最大程度降低操作人员劳动强度、提高作业效率（单人作业效率提高约10倍）、降低拣货差错率，满足物资器材日益增长的需要。
图8：9号库实施效果图
四、物资信息系统设计
1.现有库房信息管理的状况
目前库房管理信息化程度不高，主要采用手写货位卡片和物料卡片并人工计入账本的方式进行管理，这就需要依托大量的人力物力，对于一些品规较多、出入库频率较高的仓库，这样的管理方式显得捉襟见肘，不仅降低了出入库效率，还大大增加了出错概率，对于管理人员整体素质及稳定性要求也较高。
针对以上情况，对区域内具体改造仓库进行信息化管理和建设，并逐步向库区内其他仓库进行扩展和改造。对物料和周转箱进行二维条码和RFID信息管理，使该标签成为具备二维条码信息、RFID信息及文字信息的综合管理载体。
图9：WMS系统架构
2.智能化物资信息系统的设计
物资器材信息系统是自动化物流系统的调度核心和信息存储处理中心，运行于计算机网络环境与数据库系统之上，上联部队信息管理系统，下联工业实时控制系统。
物资器材信息管理系统总体设计思路，主要考虑系统的扩展性、稳定性、二次开发、易操作性，业务扩展或业务改变时，能快速增加新功能以适应部队业务需要。
（1）系统架构
根据自动化物流系统的功能分析，依据自动化物流系统的设计原则，将自动化仓储系统体系结构分为3个层次：外围信息层、TIMMS层（TINF信息接口层、物流管理层、物流调度层）、设备执行层。以下是对各层次的功能分析：
.。.。外围信息层
外围信息层为部队上位物资信息管理系统。
。。外围接口层
TINF信息接口层实现TIMMS与外围信息层的各类系统信息接口，实现信息的自动流转，为仓储物料的流动提供高可跟踪性。
。。物流管理层
物流系统管理层主要实现物流系统的管理功能，通过调整配置参数和基础数据的定义，实现仓库的管理。
.。。物流调度层
物流调度控制层接收管理层下达的任务指令，分解并通过作业接口层下达给具体的作业执行层。通过对象转换插件的设计方法，集成不同类型的物流设备。
。。设备执行层
作业执行层是集成了各种执行设备的工业控制网或专用控制系统。在本系统中主要包含的设备有：电控输送设备、四向车、AGV等。
（2）主要功能
①仓库管理系统（WMS）
WMS系统实现仓库管理层的功能，通过对器材托盘和仓库货位进行全面的信息化管理和对调度模块信息进行收集归类、整理和分析，实现仓库器材的自动化存储和出入库，及时准确地反映仓库器材的收发情况、储备状况，有效控制器材的存储成本，为部队器材仓库决策提供准确、快捷的材料和数据支持。
WMS系统主要功能有基础数据管理、货位管理、组盘管理、出入库管理、批次管理、质量状态管理、库存管理、移库管理、盘库管理、综合查询和报表管理、用户权限管理、任务管理、客户化功能等。
②仓库调度系统（WCS）
调度控制系统是连接业务管理层及设备执行层的枢纽，与WMS系统进行通信，接收WMS系统的任务指令，分解下达给各执行设备，并反馈设备执行情况，为上层管理系统提供数据支持。系统采用数字孪生3D技术实现自动化立体库内设备监控场景的缩放、旋转、平移，可以根据需要调整监控视角，使得监控不留死角，同时场景中的设备可以根据位置数据模拟移动反映设备当前位置，可以通过颜色直观反映设备的状态，还可以通过点击设备了解设备的详细状态和任务信息，有效提升了用户体验，可实现实时监控可视化、设备监控可视化、设备管理可视化、设备故障可视化、库存货位可视化以及模拟仿真、仿真优化等。
图10：托盘四向车系统3D数字孪生监控界面
五、总结
本项目根据原有库房基本条件及作业需求特点，针对性地采用了4种不同的自动化存取模式，主要有电动移动货架立库、标准塑料托盘四向车立库、标准料箱四向车立库、高举升式AGV立库，通过改造可满足现代军事物流对器材大幅持续增加的要求。与此同时，在信息化建设层面，智能化仓储系统WMS的应用使仓储信息维护管理工作简单、易操作，项目首创性地将3D数字孪生技术应用到军方仓储系统，在提升信息化管理水平的同时，也使操作工的作业难度减至最低，实现操作零误差，从而大大提高了作业效率。
本文对部队物资器材储备库的自动化改造进行了深入研究，对军方物资器材物流体系的构建和实现起到推动作用，对部队同类型储备库的建设也具有一定指导作用和现实意义。