前言
中铁特货物流股份有限公司(以下简称“中铁特货”)作为中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)直属专业运输公司，经过十多年努力，铁路商品汽车物流业务已发展到年运量650多万台。但是，随着铁路商品汽车运量的不断增长以及商品汽车物流市场的需求变化，传统的人工作业、平面仓储模式存在的问题不断显现。一是平面仓储土地资源利用率低；二是仓储作业依赖人工驾驶，作业效率低，安全隐患多，人工成本居高不下，制约了商品汽车物流管理水平、服务质量及运量的进一步提升。要彻底解决平面仓储存在的上述问题，主要途径之一是建立智能立体汽车库，利用全自动立体仓储设备和智能仓储管理平台完成商品汽车的仓储业务。
现阶段我国在社会公共服务领域的汽车停车库(以下简称“社会停车库”)应用虽然较多，但技术水平普遍不高，智能化水平总体不足。对于商品汽车物流环节中的铁路商品汽车智能立体库(以下简称“智能汽车库”)来说，其主要特点有：一是为商品汽车物流及上下游企业客户提供仓储服务，其建设费用需在商品汽车物流成本中分摊，对建设成本控制要求较高；二是根据物流基地内商品汽车到发节奏来进行批量出入库和库内调度作业，出入库计划性强，对智能化控制的要求较高；三是批量作业，库容需求量大，且商品汽车存放时间长，在符合相关防火建设规范的同时，还对库内异常情况的预警和应急处置提出要求。
针对上述特点，基于铁路商品汽车物流链的智能汽车库研究，需要对其中的智能仓储管理平台以及智能设备的先进性、可靠性、经济性、安全性和兼容性等关键问题进行重点研究和探索。
一、智能仓储管理平台的关键组成
智能仓储管理平台是智能汽车库的大脑，通过智能物流基地，集大数据、物联网、云计算、视频智能分析、GIS、人工智能、无线通信等新技术于一体，以数据中台为支持，支配着智能汽车库实现商品汽车仓储管理、服务、运营的全面数字化和智能化。智能仓储管理平台包含智能仓储管理系统和智能设备控制系统两方面的关键组成部分。
1.1 智能仓储管理系统
智能汽车库存储商品汽车具有企业客户多、汽车品牌和车型集中度高、出入库作业计划性强、批量大、个性化需求复杂的特点，智能仓储管理系统需要具有多系统融合、人机交互、仓储运营、数字化服务、柔性协作、数字孪生等功能，其具体功能如下：
（1）多系统融合。智能仓储管理系统作为智能汽车库与外界系统的接口平台，需要搭建与商品汽车物流链和产业链的上下游多系统相融合的桥梁。一方面智能仓储管理系统对内与物流基地全场运营管理系统、中铁特货内部管理系统相融合中创网，全方位提升商品汽车物流的运营效率；另一方面智能仓储管理系统接口开放兼容，对外与物流产业链上下游企业客户的运营管理系统相联通，提升仓储服务水平，同时可为多元化经营、新兴业务延伸提供数字化服务。（2）人机交互。智能仓储管理系统作为智能汽车库与人的交流工具，需要构建与业务管理人员、物流企业以及上下游企业客户多元化、个性化需求的人机交互控制平台。（3）仓储运营。智能仓储管理系统与仓储库区、库位管理和入库作业(入库计划—质检—入库作业—入库确认—补货作业)、库内作业(库存查询—库存盘点—库存转移—库存冻结—库存调整)、出库作业(出库计划—波次计划—出库作业)等场景中的业务流程相融合，提升商品汽车仓储智能化、数字化管理水平。（4）数字化服务。智能仓储管理系统通过对仓储业务的大数据进行深度分析，利用算法为汽车库库存分配、库位推荐、智能调度、库位冷热度分析等作业场景，提供多维度、个性化的数字化分析服务。（5）柔性协作。时间柔性化，根据商品汽车物流淡旺季、商品汽车仓储业务的波动，增加或减少智能搬运设备的数量；空间柔性化，通过库区布局柔性化管理，实现不同品牌、不同类型、不同客户的商品汽车分类个性化管理；运营协作柔性化，根据电价的波动调整运营策略，降低运营成本，在低电价时段通过智能调度系统将近期需要出入库或临时存放的商品汽车集中调至低层或升降机出口附近，便于需要时快速出库，以降低用电成本，提升出入库效率。（6）数字孪生。数字孪生系统通过对智能汽车库的建筑结构、设备设施等几何建模，直观、真实、精确地展示各种设施、设备形态及仓储作业的组织关系，设施、设备的分布和运营情况。采用3D技术进行三维建模仿真3D图形界面设计，实时线性直观显示商品汽车物流仓储流程及设备运行状态、设备技术参数；同时可以在系统中进行场景漫游、视角切换、镜头追踪、设备快速定位、楼层设备显隐、设备参数设置、手动指令、自动任务、手动任务、远程停机、故障复位等操作。
1.2 智能设备控制系统
根据客户对商品汽车发到需求，智能汽车库中的智能设备通过多车协同、多车混行、多车存取、柔性化集群调度，能够快速完成多辆商品汽车的同时出入库作业，从而释放智能设备的最大功效。
（1）多车协同是指智能搬运器可跨区域、跨模块调度，使每台设备的工作负荷最优，提高全部设备使用率，轻松应对突发的尖峰流量。（2）多车混行是指智能搬运器路径选择多样化，可通过集群调度选择最优的路径，在大批量出库时最大程度保证每台车出库效率最优。（3）多车存取是指智能搬运器具有同时进行存取作业的能力，可实现大批量商品汽车同时进行出入库作业。（4）柔性化集群调度是指智能设备具有柔性自动化特征，可实现库内提前调度，智能搬运器根据作业计划将库内车辆重新分布，使先出库的车辆靠近出口位置，实现商品汽车出库作业效率最优。
二、智能汽车库关键技术设计研究
智能汽车库是以智能化设施设备为基础，实现立体汽车库内的人、车、系统、资源等多方数据传递和交换，需要重点对其智能设备的先进性、可靠性、经济性、安全性和兼容性等关键问题开展设计研究。
2.1 设备的先进性和可靠性方面
对于智能汽车库的研究，首先需要考虑的因素就是仓储设备的先进性和可靠性，这2个因素相辅相成，缺一不可。智能汽车库主要涉及仓储设备的选型，在综合考虑仓储设备技术先进与可靠性的同时，还要兼顾经济性和安全性等多方面因素。通过对国内外立体库设备的研究，巷道堆垛、平面移动、AGV智能库3种设备类型适合建设规模化的智能汽车库。
（1）巷道堆垛智能汽车库，是由堆垛机在水平轨道上运动，同时堆垛机有可升降的平台，整套系统通过水平和垂直运动的组合来存取指定位置的汽车。对于普通货物立体库采用该设备类型的最多，其优点是整个取送过程为一次性动作，中间无换装，效率相对较高，技术先进。但是考虑到汽车属于重大型货物，堆垛机会因货叉载重大而产生过大的挠度，对汽车仓储作业带来安全隐患；如其交换环节采用智能搬运器代替货叉，又会大幅度降低仓储作业的效率。因此，从可靠性角度来看，巷道堆垛设备的技术条件目前还不太适用于智能汽车库。
（2）平面移动智能汽车库，是一种水平层采用平移车平面移动，不同层采用升降机垂直移动实现车辆出入库、仓储作业的机械式停车设备。平面移动智能汽车库如图1所示。该设备类型的优点是空间利用率高，存取车效率高，其综合性能比较均衡；缺点是各库区间调度管理能力相对较弱。
图1平面移动智能汽车库
（3）AGV智能汽车库，是一种水平层采用AGV搬运器平面移动，不同层采用升降机垂直移动实现车辆出入库、仓储作业的立体汽车库。AGV智能汽车库如图2所示。该设备类型的优点是各库区间调度管理能力强，仓储兼容性好，并且可以同时满足商品汽车及其他货物仓储需求，还可兼容其他功能，其技术先进性和可靠性均较高，是未来的发展方向之一；缺点是空间利用率与平面移动智能汽车库相比要低一些，仓库的土建成本投入较高。
图2 AGV智能汽车库
由此可见，平面移动、AGV这2种仓储设备现阶段更适合规模化、智能化的智能汽车库的建设需求。
2.2 设备的经济性方面
影响智能汽车库经济性的关键在于设备建设成本的控制，而设备建设成本主要由设备的空间布局、库容规模等因素确定。
2.2.1 设备空间布局
社会停车库根据设备选型的不同，空间布局较为固定，为了单车存取方便，往往是每个平移车巷道两侧各停放1排或单层车辆；而智能汽车库设备的空间布局直接关系到智能汽车库的建设成本、运营效益和效率。为最大限度增强智能汽车库规模化仓储能力，提升空间利用率，降低单车位建设成本，提高商品汽车出入库作业效率，需要根据其作业特点，重新设计有别于社会停车库的平面移动和AGV设备空间布局方案。
（1）平面移动智能汽车库布局方案。在铁路商品汽车物流链中，商品汽车的品牌、车型集中度高，平面移动智能汽车库完全可以采用双重列和三重列组合的同车型商品汽车多重列存放的仓储布局方案，即每个平移车巷道对应左右各2排或3排商品汽车仓储设备，也就是一个平移车巷道对应4到6层商品汽车。二重列、三重列平面移动智能汽车库平面图如图3所示。与社会停车库相比，空间利用率提升33%。同时，层与层、巷道与巷道之间可相关联通；平移车数量与升降机数量相匹配，通过库区智能化控制及调度系统，实现平移车在各层、各巷道之间随意穿行完成商品汽车仓储作业，其平移车数量可减少80%，提升机数量可减少67%，设备投资成本进一步压缩，而单台车出入库时间基本不受影响。
图3二重列、三重列平面移动智能汽车库平面图
（2）AGV智能汽车库布局方案。AGV智能汽车库可以改变社会停车库的单层停放模式，而采用在每一层设置双层存车架，AGV搬运器可通过举升商品汽车完成取送作业。AGV社会停车库单层停放示意图如图4所示，AGV智能汽车库双层存放示意图如图5所示。同时，在AGV搬运器重载状态移动通道上方增设存车架，最大限度地提高商品汽车的仓储率，每层仓储率增加120%，虽然每层高度有所增加，但可以减少智能汽车库的建造层数，从而有效压缩了建设成本。另外，AGV搬运器在空载状态下，具有在双层存车架下方任意穿行的功能，通过库区智能化控制及调度系统，可形成最优化的AGV搬运器走行路径，更高效便捷地完成商品汽车仓储作业。
图4 AGV社会停车库单层停放示意图
图5 AGV智能汽车库双层存放示意图
2.2.2 设备配置规模
智能汽车库设备配置规模主要受库容规模以及出入库作业能力两方面因素影响。其中，库容规模要与物流基地作业流量相匹配，智能汽车库的库容规模即仓储车位数量，可根据物流基地预测商品汽车发到量、各类车辆日存放量、发到波动系数及占用车位时间等因素计算确定；出入库作业能力要与物流基地作业节拍相匹配，出入库作业能力主要受智能汽车库提升机的数量限制，配置合理的提升机数量可根据商品汽车出入库最大峰值流量、削峰系数、智能汽车库单车取送作业时间等因素计算确定。
（1）智能汽车库出入库流量最大峰值，为物流基地内通过智能汽车库在1h内需完成商品汽车出入库作业总量的最大值。
（2）削峰系数，考虑到流量最大峰值仅在数小时或短期内持续，全年其他更多时间流量会处于谷底或平稳状态，为控制智能汽车库建设成本，提升库区设施设备的利用率，可根据全年商品汽车仓储、出入库需求的波动情况对峰值进行削峰处理，设定削峰系数。
（3）智能汽车库单车取送作业时间与设备选型、设备性能以及作业流程等因素相关。以平面移动智能汽车库为例，智能汽车库单台商品汽车取送作业循环需要完成“车库外门关内门开”“机械手取车至平移车”“提升机将平移车提升至存车层”“平移车行走至存车列”“机械手存车至车位”“平移车回提升机”“提升机回首层”“车库外门开内门关”等8个动作，平面移动智能汽车库商品汽车取送作业循环用时计算表如表1所示，通过计算，用时合计约160s。
表1平面移动智能汽车库商品汽车取送作业循环用时计算表
2.3 设备的安全性方面
智能汽车库设备的安全性主要包含库区监控与预警、应急处置、防火设计3个方面。
2.3.1 库区监控与预警
库区智能监控系统能够快速反应、迅速解决库内异常状况，确保智能汽车库的设备运转和商品汽车仓储安全。一是对智能汽车库的设施设备运行状态进行监控，对需要保养、维修或存在安全隐患的设施设备及时发出预警，并进行故障系统智能诊断、原因分析，提供解决方案；二是对智能汽车库出入库存储作业状态进行实时监控；三是对智能汽车库防火、防盗进行智能预警、监控。
2.3.2 应急处置
为保证智能汽车库的正常运行，应急处置是不可或缺的，电源应急管理、系统应急管理和消防应急处置尤为重要。
（1）电源应急管理。通过在智能汽车库设置双电源模式来实现，当设备在运行中出现突然断电的情况时，备用电源自动切换，从而保证设备的正常运行，提高系统的可靠性。
（2）系统应急管理。通过系统的超融合方案进行智能汽车库数据服务与应用服务的部署，超融合可通过服务器的互备实现系统的高可用，即单一虚拟服务器发生故障时，可快速切换至备用虚拟服务器。各虚拟服务器间资源独立，由统一的超融合软件系统进行控制调配，在增加系统安全性的同时，也可以提高智能汽车库系统的资源利用率，加快响应速度。
（3）消防应急处置。消防应急处置系统是通过在库区存车位设置温感报警装置，对存储的商品汽车温度进行监控，当温度高于安全温度设定值时，消防应急处置系统自动启动，将有温度异常的商品汽车在5min(商品汽车允许逃生时间)之内运送至封闭处置区域，以消除火灾及爆炸隐患。消防应急处置系统独立于库区的防火系统之外，并最先触发。以平面移动智能汽车库为例，消防应急处置方案设计是在上下2层分库端部设置共用的消防应急升降机，并在应急升降机下方设消防水池；按照在库区车位最不利位置(3号车位)，以及平移车最不利工作状态下模拟消防应急处置，平面移动智能汽车库消防应急方案示意图如图6所示，消防应急用时计算如表2所示。按照表2计算，得到用时为270s，满足商品汽车5min允许逃生时间的要求。
图6平面移动智能汽车库消防应急方案示意图
表2消防应急用时计算
2.3.3 防火设计
智能汽车库所存放商品汽车具有车辆状态良好，油箱存油量极少的特点汽车库建筑设计规范2021，但由于其库容量大，一旦出现火情，损失会非常巨大，故需对其防火方案采用双保险设计，一是预警和消防应急处置，二是按照国家汽车库防火规范进行设计。同时还要兼顾智能汽车库对建设成本的控制要求，即在《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》(GB50067—2014)要求范围内，对消防设计方案进行优化。
根据《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》汽车库建筑设计规范2021，适合平面移动和AGV设备选型的智能汽车库防火分区设计方案主要有2种：一是每100个车位1个防火分区，防火分区内不需要对车位进行分隔；二是每300个车位1个防火分区，每3个车位需采用防火隔墙和耐火楼板分隔成多个停车单元。考虑到后者对于具有规模化仓储功能的智能汽车库土建成本将大幅度提升，故防火分区设置采用每100个车位1个防火分区。以平面移动智能汽车库防火分区设置方案为例，整个立体汽车库划分为数个分库单元，分库每层为1个消防分区，防火分区仓储商品汽车数量小于100辆。
2.4 设备的兼容性方面
在对仓储设备研究的同时，还要考虑到其与物流基地智能物流通道设备兼容性，要做到二者在运用过程中的有效衔接。以平面移动智能汽车库与物流基地内智能物流通道连接方案为例，为了确保物流基地内人流、货流、车流互不干扰，智能物流通道采用二层高架方案，可与智能汽车库的二层相连接，并贯穿车库二层，智能物流通道二层架空方案平面图如图7所示。物流基地装卸作业场地的商品汽车，可通过提升机经智能物流通道完成出入库作业，从而实现了智能物流通道与智能汽车库仓储作业的有机衔接，该设计还可以有效提升智能汽车库一层空间的综合利用。
图7智能物流通道二层架空方案平面图
三、结 语
通过对基于商品汽车物流链的智能汽车库研究，重点对智能仓储管理平台和仓储设备的先进性、可靠性、经济性、安全性和兼容性等提出了全新的设计方案。在智能仓储管理方面，将实现多系统融合、人机交互、仓储运营和算法服务等功能，有利于释放智能设备最大功效；在设备经济性方面，可提高汽车库的空间利用，降低智能汽车库建设成本，便于提升设备利用率，降低库区设备投资成本；在设备安全性方面，可实现对库区实时监控、预警，最大限度消除库区商品汽车的安全隐患。这些创新性思路和设计方案，将为智能汽车库的建设提供有力的技术支撑。
—-好的文章，值得分享—-
