摘要

为提升冷链货物搬运作业的自动化水平和整体效率，降低一线作业员感染新冠病毒的风险，研究基于传统人工冷库条件的冷链货物非接触式智能搬运系统工艺方案。在拆装箱环节，运用机器视觉和无线遥控等技术实现低温复杂环境下盒装货物自动化拆装箱技术；在码垛环节，运用强化学习算法优化码垛机器人多货型堆码作业；在货物冷库货架堆存环节，基于5G通信技术设计超高位叉车无人驾驶和远程装卸系统方案。应用结果表明，系统能够在一定程度上提升冷链库作业效率、降低人工货物接触频次和人工成本。
0引言

冷链物流库装卸因其作业环境和特点，工人长期处于低温恶劣条件下工作，劳动密集度大，受低温、体力消耗等因素影响，效率不稳定、搬运质量较低。冷链物流装卸业普遍存在货损率较高、搬运效率不稳定、人力综合成本逐年上升等问题。特别是自新冠疫情暴发以来，世界各国的冷链物流作业人员受到病毒感染的威胁，严重危及冷链物流从业人员生命安全，给原本就在高强度、恶劣条件下工作的冷链从业人员带来更大挑战。同时，自疫情发生以来，进口冷链货物须达到海关查验消杀等防疫要求，还要尽可能地减少人员的直接接触，这就要求对传统冷库库内作业模式进行改进。


冷链仓库现有装卸搬运工艺

传统冷链仓库装卸搬运作业主要为“人工搬运+电动机械”的形式，工作流程：工作人员操作可伸缩式拖轮托辊传带装置伸入冷链货物集装箱内，装卸工人在集装箱内进行人工拆箱，将货物逐一放置在输送机上运输进冷库，再由库内的码垛人员进行人工堆码垛和缠膜，最后用叉车将货盘送入冷库内上货架堆存，出库流程方向相反。该工艺方案流程简单、操作便捷，但存在以下4个问题：

（1）作业效率低。传统冷库库内作业操作简单、流程成熟，但在集装箱内作业的装卸工人工作强度大且长期处于低温环境。随着冷链市场规模不断扩大，其作业效率和操作水平已经不能满足目前与日俱增的冷库作业需求。

（2）雇佣成本高。库内作业操作简单但工人工作强度大，作业环境恶劣，岗位不具有吸引力。岗位招工难导致企业只能增加薪酬，因而招工成本较高。

（3）货损率高。在人工装卸搬运过程中，主要依靠员工的操作经验，但有时会受操作手法、体力下降等客观因素影响，在货物装卸过程中存在倒垛、摔箱等情况，货损率相对较高。

（4）人身健康安全风险高。一方面，在货物装卸搬运时容易发生上层货物掉落的情况；另一方面，冷库内的工人长期在－20 ℃的恶劣环境下进行重体力劳动，工人职业卫生健康条件恶劣，极易造成职业病。特别是受新冠疫情影响，国内外冷链行业发生多起从业人员感染新冠病毒案例，冷链一线从业人员疫情感染风险较大。基于此，迫切需要将人员从冷库中撤离出来，减少人员与货物的接触频率，同时将司机在－20 ℃低温恶劣环境下解脱出来，提高装卸效率。
2 非接触式智能搬运系统工艺方案

在分析传统人工作业模式的基础上，在关键操作环节运用信息技术，设计一种新型非接触式智能搬运系统工艺方案，实现自动化、智能化作业，提高进口冷链货物整体库内作业效率，降低人员安全风险。优化方案以人货无接触、降低人工成本、提升冷链货物仓库作业效率为目标，分别从货物的自动化拆装箱、消杀作业、多货型自动堆码、冷库区高架仓库作业远程操控等4个关键环节进行自动化改造。

2.1　低温复杂环境下盒装货物自动化拆装箱技术新型冷链基地非接触自动化拆箱和搬运工艺包括自动拆装箱、全面消杀、智能堆码、自动上下货架等4个主要技术环节。主要流程：拆装箱机器人完成冷藏箱货物定位和工作状态初始化→吸盘式取物装置完成货物自动吸取→伸缩式皮带输送机完成货物输送→全面消杀装置完成货物无死角消杀→码垛机器人完成货物码盘→操作人员进行缠膜（静置）→高位叉车远程操控完成上架堆存。

（1）货物定位。由1名拆装箱操作人员用无线遥控运行拆装箱设备移动至卸货口，工作人员按下启动键，首先进行货物的位置检查，主要是通过智能相机利用机器视觉技术将拍摄到的货物图像信号转换成数字图像信号，对数字图像信号进行降噪、特征提取、图像识别，快速计算出拆装箱设备到货物的准确距离并反馈至控制系统，确保精准抓取货物，同时检测货物是否出现歪倒或其他复杂情况，若有则需要操作人员进行人工干预，将货物搬运至水平转接台。确认箱体位置正常后工作人员按下卸货键，自动化拆装箱机器人开始自动拆箱。根据智能相机识别的货物状态信息，系统算法自动生成预抓取的位置指令。

（2）货物抓取。拆装箱机器人上的取物装置采用真空吸附技术，根据控制系统发出的动作指令，设备自动完成搬运工作，不需要操作人员进行人工干预，主要流程：定位后通过竖直和水平摆动臂和水平旋转伸缩装置将取物装置带动至货物的正面，实现自动化吸附式取物；吸盘式取物装置取出货物后，水平旋转伸缩装置将取物装置回缩至指定位置，再由竖直摆动臂上下调整至水平转接台，调整好位置后吸盘释放气压脱离货物，将货物放置在水平转接台上送到仓库中，再进行下一环节消杀的操作。取物装置的1次运作可以吸取4个货物，真空吸附技术保证货物能够牢牢地与取物装置相连。自动化操作提高了作业效率，也无须装卸工人进入集装箱内人工作业，不用长期置身于低温环境，仅需要1名操作工人就能完成集装箱内货物的拆装箱工作，减少人力的同时提高作业效率。

（3）货物输送。完成取物后将放置在水平转接台上的货物通过伸缩式皮带输送机送入库内，集装箱内每完成一排货物的入库操作后，输送机会继续向箱内延伸一排货物的长度，继续完成下一个货物垂直摆放面的货物入库，如此反复完成一个集装箱内货物的输送工作。整个过程均不需要人工干预，冷链货物非接触式智能搬运作业系统能够高效、快速完成货物输送作业。

（4）货物消杀。货物通过输送机向后输送时，会经过1个消杀“隧道”，在“隧道”的各个方位均设有消杀喷头，货物经过消杀仓时消毒喷雾会对货物的6个外表面进行全方位消杀，让货物表面的病毒无法存活，在满足海关规定的同时降低后续操作人员接触货物感染病毒的风险，保障工人作业安全和货物的质量。

（5）货物码盘。在流水输送线的末端码盘上，利用堆码垛机器人的机械手装置和智能堆码算法，自动对盒装货物进行堆码，根据货物的尺寸规划码垛规则，以保证空间利用率最大，同时通过预操作能够保证码放的稳定性，保障后续码垛工作的正常开展。

（6）缠膜（静置）。对完成堆垛的货物进行缠膜，然后静置30 min，保障货物表面存活的病毒能够被充分消杀，确保工人作业安全，同时在操作过程中保障确保所有货品的温度符合规范，进而保证商品质量。

（7）上架堆存。司机在远程控制室通过自动化叉车将完成前置处理的货盘搬运至冷库内上架，完成货物入库作业。自动化拆装箱技术方案重点关注冷库内盒装货物拆装箱设备机器人的设计和实现，主要包括智能相机装置、真空吸附装置、变幅传动机构设计和机器人走行机构设计等。在集装箱这类狭小空间内采用基于麦克纳姆轮的驱动形式，其具有噪声低、转向灵活等优点，适应集装箱内部和站台等狭小空间的多自由度作业要求。该自动化拆装箱方案可满足冷库拆装箱作业的灵活性、安全性要求，能够提高设备整体运作效率和冷库的空间利用率。

2.2　码垛堆栈集装化设计和码垛机器人多货型堆码算法传统的托盘码垛作业均由人工完成，存在工作效率低和稳定性差等缺点。针对这些问题，对常规码垛机器人进行升级和改进，在保留码垛机器人灵活性的基础上，将其与运输机构进行一体化设计，形成一种集装化码垛堆栈。该集装化设备具有灵活性高、移动性强等特点，可提高码垛作业效率、设施设备利用率和仓库空间利用率。自动堆码垛机器人系统方案设计主要包括机械臂模块、滚筒传运模块和整机运输模块等。

（1）机械臂模块主要由竖直运动控制部分、水平运动控制部分、电机、皮带、滚珠丝杆、横梁、圆形抓手、吸盘等组成。竖直运动控制部分由电机带动皮带转动，从而带动滚珠丝杠上下运动，完成上下运动控制；圆形抓手和吸盘用来抓取货物。

（2）滚筒传运模块主要用于在机械臂模块搬运完后进行货物存储，以及在货物运输到目的地后反向转动以将货物放下滚筒传运模块，使码垛机器人兼具长距离运输功能，卸货作业更方便、省时。

（3）整机运输模块主要控制整机的水平方向搬运，重点在于设计机械臂的运动方式，通过水平和竖直方向2个自由度控制，使设备能够实现多方位的移动。在码垛作业的优化上，依据码垛规划算法理论，详细分析多货型箱体堆码问题，对码垛规划任务进行拆解，构建多约束的非线性组合最优化问题，系统通过Q-learning强化学习模型，对问题进行求解，以实现码垛机器人堆码作业的智能化决策和无人化作业，保障冷库作业中码垛环节的高效作业。

2.3　基于5G通信技术的冷库超高位叉车远程驾驶系统冷链货物堆存区内低温严寒，货物上下货架搬运作业条件差，对工作人员的人身安全威胁也更大。针对此项难点，研究远程控制高位叉车作业，在作业中融入5G通信技术，实现超高位叉车无人驾驶和远程装卸系统方案的设计和应用。5G环境包括叉车车载端、网络传输设备、模拟驾驶舱的高位叉车远程操作方案。通过升级改造电动叉车，安装传感器等设备使叉车具备实时监控反馈、环境感知等能力。在模拟驾驶舱内安装显示器、遥控器、急停控制器等设备，让叉车驾驶员在模拟驾驶舱内就能实时掌握叉车的作业细节，同时叉车外部传感器等设备也能实时传回工作环境状况，便于叉车驾驶员远程对作业现场的叉车进行控制。方案中模拟驾驶舱和叉车可通过5G通信技术实现高速数据传输，系统延时控制在15 ms，能够满足低时延、高带宽控制的需求，使驾驶员操作与实际的作业一致，做到实时反馈和同步作业。同时，为了实现对高位叉车的设备管理、故障预警等功能，提高远程驾驶高位叉车的管理效率，融入数据库技术、5G通信技术和软件开发技术等，结合远程驾驶高位叉车的信息管理需求，设计应用一套高位叉车远程监控管理系统，降低设备故障的风险。目前，该系统具有设备管理、故障报警、操作日志和用户管理等功能模块，实现远程控制高位叉车的智能化管理、监控、操作，使货物存货（从货位上叉取至地下缓存区）或取货（从地下缓存区叉取至货位）的每个动作实现全流程自动化控制，各个叉车出现问题能及时反馈给系统，使整个远程驾驶高位叉车作业更加智能、高效。
   3技术难点分析

本设计对象应用场景为传统冷库低温条件下的非标准货物搬运，对其进行自动化改造，主要存在以下4个难点：

（1）在已建传统冷库基础上进行自动化升级改造，掏装箱缓冲区、冷库内堆存区场地空间局限性大，基础配套设施条件不足。

（2）应用场景为－20 ℃低温冷库内，高位货架强信号遮挡条件复杂，低温严酷环境、高货架遮挡等工况对系统的无线通信覆盖、传感器耐受性、驱动设备抗低温等各方面性能都具有较高的要求。

（3）搬运对象为进口冷链盒装货物，其特点是货物来自全球各个国家和地区，货盒包装没有统一国际标准，货物存在货盒规格尺寸不统一、包装形式多样、货物堆码形式复杂、货盒结霜湿滑等情况，特别是部分货物存在货盒破损、货垛倒斜等问题，自动化搬运难度巨大。

（4）目前，国内外5G通信技术在冷库内尚无应用案例，在自动化掏装箱、超高位叉车远控等方面的相关技术无可借鉴的成功经验。
4 效果分析

非接触式智能搬运系统工艺方案已在相关港口冷链基地进行自动化改造和测试应用。经实际验证，非接触式智能搬运系统工艺相较于传统的工艺具有效率高、成本低、安全性更高等特点，特别是可实现人、货的非接触作业，适合疫情背景下的进口冷链仓库场景。非接触式智能搬运系统作业现场见图1。

（a）自动化拆装箱机器人系统

（b）水平运输和消杀装置

（c）自动化堆码垛机器人系统

   （d）远程操纵高位叉车和远程操作台系统

图1  非接触式智能搬运系统作业现场

非接触式智能搬运系统工艺主要具有以下5个优点：

（1）成本优势大。在人工成本上，该工艺方案能够减少66%的作业人员，大幅降低人工成本；在物流成本上，该工艺提高了库内作业效率，缩短了车辆等待时间，降低了运费。

（2）有效减少货损。装卸工人在搬运货物时可能会对货物和设备有所损坏，而自动化拆装箱设备可以做到标准化作业，符合流程和操作规范，减少货损，同时提高拆装箱作业质量。

（3）解决招工难问题。运用创新方案实现冷库作业自动化改造，大幅提升冷库的智能化水平，完成改造后工作人员操作简单，重体力作业操作完全由自动化机械设备完成，人工主要是辅助作业和处理极少数的突发情况，有效减轻装卸操作岗位人员的工作强度。因此，在相同工作量的情况下，可减少工作人员的数量，从而解决冷库作业招工难问题，不需要高薪聘请员工。

（4）提高系统作业整体效率。目前，与人工模式相比，冷链货物非接触式智能搬运系统在掏箱环节的综合效率要高出50%，能够有效提高冷链仓库货物的周转效率，提高货物流通中转速度。

（5）降低安全风险。冷链货物非接触式智能搬运系统工艺方案在各个环节中使用自动化机械设备完成传统人工作业，能够最大限度避免工人与货物直接接触，在疫情期间，降低了冷库工人安全风险，同时也减少进口冷链货物可能携带的其他细菌风险。
5结语

针对冷库运作中的拆装箱、堆码、货物上架等主要环节进行流程分析，发现传统冷库工艺中存在整体作业效率低、人工成本高和防疫风险高的问题，提出非接触式智能化搬运系统工艺方案。项目通过对自动化拆装箱技术、全面消杀装置、自动化堆码算法和系统、超高位叉车远程驾驶系统等4个关键技术环节的研究，首次提出一种基于传统人工冷库的自动化改造整体改造技术方案，并在港口进行应用。经实际测试，系统方案可以避免作业人员与冷链货物密切接触，减少感染细菌病毒的风险，有效提高作业环境安全性和搬运效率，解决防疫难题的同时有利于业务人员的职业健康。