自动化立体仓库专利技术综述
随着现代物流行业和仓储领域的发展，自动化立体仓库因其存取货物的高效性而在各行各业均得到了广泛应用。本文主要分析了自动化立体仓库领域的专利文献，对申请量随时间的变化、申请人地域分布和自动化立体仓库的关键技术分布进行了展示；对现有技术中自动化立体仓库的技术主题构成、取得的技术效果进行了功效分析；绘制了自动化立体仓库技术领域关键申请人核心专利的技术路线图。
一、概述
自动化立体仓库简称“立体仓库”，一般是指采用高层货架来储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。其利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化，存取自动化，操作简便化。自动化立体仓库的主体由货架、巷道式堆垛机、出/入库输送机系统、出入库工作台及周边系统组成。
从全球范围来看，自动化立体仓库应用最早的国家是美国（1953年），而日本是应用最广的国家。在第一阶段的传统物流时代，以叉车运货、输送带出入库为特点，但该种方式效率较低，难以满足较大的储存需求。进入第二阶段的自动化物流时代，自动化立体仓库配合自动导引运输车（AGV）使用，极大地节省了人力，但该种模式前期投入较大，对于一些小型企业难以推广应用。随着智能技术的发展，物流行业也迎来了智能化时代，仓储管理及识别设备的智能升级进一步提高了存取货物的效率。物流行业的发展阶段，如图1。
我国自动化立体仓库的研究与应用主要经历了四个阶段：1975～1985年为起步阶段，1973年开始研制第一座由计算机控制的自动化立体仓库，该系统1980年投入运行，但受经济发展的限制，应用非常有限；1985～1995年为初步发展阶段，通过引进吸收，研制了基于PLC控制的立体库系统的第二代技术，应用领域逐步扩展到医药、化工、机械、烟草等，市场应用超过200套；1995～2005年为高速发展阶段，以联想电脑公司自动化物流系统为起点，基于激光测距的第三代技术得到全面应用。这一时期立体仓库得到了广泛应用，市场保有量每年平均有40套左右增长，约500套左右（此时1990年前建设的项目已基本拆除）；2005年以后是成熟应用阶段，每年市场需求平均达到90套左右。目前我国的自动化立体仓库技术已经基本成熟，并进入大量应用阶段。其技术水平与先进国家的差异主要在于高速性能、工艺可靠性等方面。自动化立体仓库在国内的发展历经40年，开始步入快速发展阶段。我国自动化立体仓库的发展历程，如图2。
我国自动化立体仓库应用范围很广，几乎遍布所有行业。目前已经投入应用的行业主要有烟草、医药、连锁零售、机械制造、汽车、食品、军队系统、电子商务等，此外在化工、航空航天、电子、图书、配送中心、机场、港口等领域也有较为广泛应用。我国自动化立体仓库的应用领域，如图3。
二、专利分析
1.确定技术分支
通过阅读相关资料，可将自动化立体仓库做技术分支如下，其中高层货架按构造分为固定式和移动式。固定式货架又可以分为：
（1）单元货格式：每层货架都是由同一尺寸的货格组成，货格开口面向货架之间的通道，装取货机械在通道中行驶并能对左、右两边的货架进行装、取作业。货架以两排为一组，组间留有通道。这种仓库通道宽度较大，面积利用率低（约为60%），空间利用率较高。
（2）贯通式货架仓库：—种密集型的仓库。这种货架独特之处在于，每层货架的每一列纵向贯通，像一条条隧道，隧道中能依次放入货物单元，使货物单元排成一列。
（3）重力式货架结构一端高一端低，使贯通的通道成一定坡度。在每层货架底部安装滑道、辊道或在货物单元装备（如货箱、托盘）底部安装轮子，则货物单元便可在其自身重力作用下沿坡道高端自动向低端运动。
货架也可水平安装而不需坡度，在行走机构推动下运动到另一端。这种立体仓库主要优点是：货架全部紧密排列，仓库平面利用率和容积利用率可大幅度提高，可达90%。只在高低两端进行作业，大大节省了设备和机械运行消耗，严格实行货物的先进先出，有效防止货物滞留。
（4）自动化货柜式：自动化柜式立体仓库是小型可移动的封闭式立体仓库，由柜外壳、控制装置、操作盘、储物箱及传动机构组成。其主要特点是小型化、轻量化、智能化，尤其是封闭性强，有很强的保密性。适合于贵重的电子元件、贵金属、首饰、资料文献、档案材料、音像制品、证券票据等的储存。
在货架之间存取货物的巷道式堆垛机可以按结构分为单立柱式和双立柱式。
在储存地点和装卸货地点的出入库系统有天车、叉车、轨道穿梭车、自动引导车或拆码垛机器人等设备搬运货物。
自动控制系统是协调控制立体仓库中的各个设备配合运行的核心系统，有的仓库需要配合相应的订单需求进行管理，因而也需要配备仓储管理系统。
此外，根据分拣或分类需求，有的自动化立体仓库还配备有自动分拣、自动识别以及存储环境监测系统。自动化立体仓库的技术主题构成，如表1。
2.检索范围
本文在中国专利文摘数据库（CNABS）和世界专利文摘库（SIPOABS）中，对与立体仓库领域相关且已经收录并公开的专利文献进行了检索，采用该领域的分类号b65g1/+及申请人作为检索入口，筛选从1965年1月1日至2017年12月31日的国内外专利申请（注：相关著录项目信息为由Incopat数据库导出）。
3.全球专利申请的年度状况分析
经过检索发现，全球范围内关于立体仓库的专利申请共计2170项，其中向中国专利局提交的国内申请为806项。由图4可见，国外自动化立体仓库技术的发展从1965年开始，每年均有一定数量的相关专利申请，到1985年以前，世界范围内自动化立体仓库的专利申请量不大，自1985年以后，向中国专利局提交的申请量出现并保持平稳的较低水平，此期间全球范围内的技术发展处于萌芽期。1999年至2009年，随着专利申请量的逐渐增加，进入慢速增长期，国内申请的数量也有了较明显提升；2009年以后，随着技术发展，全球及国内的申请量均呈现出快速增长的势态。
各国技术的发展随时间的变化也是不同的，如图5。在早期，德国、美国、法国、日本为该领域技术较大的申请国。
但是，德国、日本和美国的申请量随着时间变化呈现递减趋势，自1981年以后，中国的申请量逐年增加，并且在2010年以后占到全球自动化仓库技术领域中申请量的一半，是技术研究的活跃地区。
由该领域专利申请的时间和地域分布特征可以总结得出自动化立体仓库领域的发展历程：一方面，从世界范围看，该领域在上世纪60年代就已起步，研究较多的地区集中在美国、日本等发达国家，在2000年左右，技术相对成熟的外国公司开始在中国递交专利申请并开拓在中国的自动化立体仓库的相关业务；另一方面，该领域中国早期的专利申请量较少，随着近年来该领域相关的中小型企业迅速萌生和发展，对该领域的技术研发增多，衍生了大量自主知识产权， 使得2005年之后中国国内提交的专利申请开始增多，并逐渐在近年成为申请主体。经过分析，此番专利申请的地域分布演变趋势与时代背景相呼应：早期西方发达国家技术较先进，而中国经济在近年来开始起步并逐渐发展繁荣。另外，该领域国内外申请的此消彼长还可能是因为自动化立体仓库核心技术较简单，国外的研究已经趋于成熟完善，或其研究重心开始向其他功能转移。在中国范围内来说，虽然数据表明早在1981年左右国内的该领域技术人员就已经涉足立体仓库技术，但此时关于该领域技术的研究并不普遍，且集中于孤立的个人，而直到2005年以后专利申请量才开始逐渐增加。
4.国外专利的技术分析
核心专利的研究分析能够快速掌握行业研究的重点方向，能够为企业规划发展方向提供帮助。核心专利的判定方法通常有两种：一种是利用被引证的频次来判定，被引频次越高说明该专利的技术含量越高；另外一种是利用同族专利数量来判定，同族专利是申请人为了扩大技术的保护范围，就同一专利技术在不同的国家和地区产权组织重复申请，从而形成一个专利族群，同族专利数量越大说明专利技术的市场经济价值越高。
由以上分析可知，美国在自动化立体仓库领域起步较早，通过研究其被引用频次较高的专利文献可知，其核心技术分布较为全面，涉及到高层货架、堆垛机、出入库系统及自动控制系统等方面。其中，高层货架方面的改进点主要涉及如何提高高层货架的稳定性，堆垛机方面的改进点主要涉及升降装置及货叉伸缩装置，出入库系统方面的改进主要涉及出入库设备和货架相对位置的布置，为自动化控制系统中实现高效的路径规划提供硬件准备。美国核心专利技术涉及的主题，如图6。
在美国之后，德国在该领域的申请量也逐渐增加，申请量较大的公司有4家，分别是DEMAIC、SIEMENS、KEURO和SSI。其中DEMAIC公司被引频次最高的一项专利涉及一种三维自动立体仓库，包括至少一对平行设置的层叠置架和多个移取每层货物的引导穿梭车，利用该种装置能够通过自动寻址技术实现存取自由，提高了工作效率。SIEMENS公司被引频次较高的一项专利涉及一种立体仓库物品存储控制系统，其通过起重机或吊装设备能够实现在分配节点之间的托盘箱交换，输送车无需停止即可以实现托盘取放，具有较高的存取效率。KEURO公司的核心专利和SIEMENS公司的上述专利有异曲同工之妙，该系统的运送车从可访问的位置运动到储物架过程中，可同时进行起重机或升降机的重新定位，以保证运送车到位时，存储盒刚好升降到位，无需等待时间，存取效率较高。而SSI公司的核心专利则涉及到一种托盘搬运装置。该装置结合自动化货架使用，货架具有传感器装置来检测是否有托盘到位，通过控制闭锁装置将到位的托盘锁定，防止其货架摇晃时托盘脱落。此外，该装置还具有检测托盘空载/满载的装置，以实现空托盘的收集和回收利用。德国核心专利技术涉及的主题，如图7。
关于日本相关技术的研究，参照Incopat数据库中专利文献的被引频次进行排序，筛选出关键申请人大福公司和村田机械株式会社在该领域的高被引频次专利申请，分别列举出被引频次最高的专利申请，见表2和表3。
大福公司成立于1937年，始终致力于物料搬运技术与设备的开发和研究。将仓储、搬运、分拣和管理等多种技术综合为最佳、最理想的物料搬运系统，提供给了全世界各行各业的广大用户。
上述被引频次最高的专利申请均集中在日本、美国、德国、欧专局以及世界知识产权组织，同时都具有大量的同族专利，从而看出这两家企业的申请质量较高，专利技术研发的连续性较好，在不断改进发展的同时也很好地进行了加新维护；另一方面，借助对本领域核心技术的掌控，不断向技术开发市场潜力较大的其他国家进行专利保护申请，从而占据其他国家的技术市场，这些是大公司专利战略的重要特征之一。图8为日本大福和村田的核心专利的技术内容。
由图8可见，核心专利主要集中于1990至2015年，大福公司主要针对自动化立体仓库的高层货架结构进行了深入的研究和全面的专利布局，村田机械株式会社则以大福公司较少涉猎的关于巷道式堆垛设备为切入点，在技术上进行了深入的细化和持续的发展。但两个公司均在出入库系统及自动控制系统方面进行了相关的研究，并取得了不错的进展。这一方面是因为出入库系统和自动控制系统是自动化立体仓库中提高存取效率的关键技术，另一方面也说明如何提高自动化立体仓库的存取效率是该领域持久关注的热点问题。
5.国内专利技术分析
国内对自动化立体仓库的研究起步较晚，从国内专利申请的申请人类别分析，77%为企业类型的申请人，这主要和立体仓库的应用价值相关，其可以为许多有仓储需求的企业解决大批量货物入库、储存、出库的问题，也能够为企业节省人力和成本，因此大部分的企业都有意愿投入精力和成本去进行相关技术的研发，并申请专利进行布局。相比之下，科研单位、高校类型的申请人占比较少，这是因为学院派更注重的是理论层面技术的研发，而自动化立体仓库在此方面涉及较少，因而其对应的专利申请量则较少。而上述企业大多分布在长三角、珠三角等经济发展比较迅速的地区，比如江苏、广东、上海、浙江等，环渤海经济区中山东地区也占据了较多的比例。由此可见，自动化立体仓库技术的发展与经济发展的促进密不可分，也由于其广阔的市场应用价值而吸引了较多企业在此方面寻求技术的突破。国内申请人类型及地域分布图，如图9。
在各类申请人中，申请量最大的是南京音飞储存设备股份有限公司，这是一家专业从事仓储货架生产和销售的公司，是国内领先的仓储货架供应商之一，公司主要产品包括自动化立体库系统集成、立体库高位货架、阁楼式货架、特种货架和一般货架。公司在南京、溧水、天津建有三大生产基地，生产规模在全国同行业内遥遥领先。公司注重技术研发和产品质量管理及控制，拥有17项发明及实用新型专利、6项软件专利、2项国标、16项行业标准，6种产品被认定为江苏省高新技术产品。
其次是贵阳普天物流技术有限公司，由原邮电部于1970年筹建，隶属于中国普天信息产业股份有限公司。公司经过40多年的持续稳健发展，目前成为国内规模较大、最早从事物流系统规划，物流技术产品研发、设计、制造、安装、调试、服务、培训以及总集成服务的物流技术装备专业企业。产品广泛应用于邮政、烟草、图书、医药、海关及军队等物流行业。
排名第三位的是北京起重运输机械设计研究院，成立于1958年，国内首先研究立体仓库技术经过半个多世纪的发展，由原机械工业部直属的国家起重运输机械行业技术，归口研究所发展成为集科研、设计、生产制造、安装调试、工程承包、检验检测、咨询监理服务等为一体的国有科技型企业，隶属于世界500强企业中国机械工业集团有限公司。在物流仓储领域涉及到的技术有堆垛机自动控制技术、总线驱动技术、物流配送中心仿真分析技术、液压油路控制及链条输送机、电子标签拣选技术、集成化物流监控和管理系统、拣选输送机控制技术、高价区调度技术、电子标签拣选技术等。
国内申请人排名及技术主题分布，如图10。进一步分析国内专利申请所涉及到的技术主题，其中出入库系统和自动控制系统方面的申请量较多，这与国际上的技术主题分布趋势是吻合的。一方面，这两项是该领域技术含量相对较高的部分；另一方面，这两方面也是提高立体仓库空间利用率和存取货效率的关键技术方向。高层货架和巷道式堆垛机是申请量中等的主题，这两方面是立体仓库中较为传统的技术主题，自起源到发展至今，其技术水平已经相对较为成熟，技术难点也大多被攻克，因此企业投入的研发力度相对较小。而仓储管理系统和周边设备（如分拣、识别等）占比最少，这与该类技术主题的自主性较多有关，许多根据企业个性定制的立体仓库会根据其订单需求而进行相应的管理，这对于企业来说前期投入成本较大，通常大型公司有能力去进行相应的投资与开发，由于受目前市场经济发展的局限，此类技术的应用与开发也是后续研究可以攻克的方向。此外，这两个主题中涉及到的信息识别技术与传动技术，是自动化仓储技术的高新技术。然而，令人遗憾的是，我国到目前为止这一部分绝大多数采用的是进口。这一方面是市场竞争的需要，但另一方面也说明我国相关技术的发展还处于初级阶段。如何在这一方面取得突破，将是未来发展的着力突破点。
国内专利申请量及技术主题随时间也是有演变规律的，由图11可见，虽然国内技术于上世纪90年代就已经起步，但是相关专利的申请于2005年左右才出现，之后在2013年的申请量达到最高值，之后略有下降，但仍保持在一个相对较高的水平。其中，早期的技术中主要涉及高层货架和仓库管理及自动控制技术主题，这之后出入库系统的设计申请量较多，这是因为出入库系统是联系储存用高层货架和系统整体调度的自动控制系统的纽带，其设计的技术细分也比较多，比如天车、叉车、输送带、AGV、RGV以及拆码垛机器人等等。但是，由此技术主题的分布也可以看出，虽然各个分支均有涉及，但在某一阶段内没有一个持续研发的技术延续性，难以形成完整的技术发展链条，因而整体呈现量大而不强的特点。
不同的技术主题中的关键技术手段，所能达到的技术效果也是各有特点的。比如，出入库系统对于提高存取效率的意义就十分重大，且随着近年来智能化的发展，也为出入库系统技术的进一步突破提供了助力。通过规划出入库系统的移动路径，进一步实现智能控制，对于大批量、多样化、个性化的自动立体仓库技术意义重大。
自动控制系统也具有异曲同工之妙，只是其相对于出入库系统而言，无需进行路径规划等动作要求的满足，更加关注整体系统中的调度，因而在存取效率和智能化方面具有较多的贡献，同时兼顾系统的易用性。由图12可见，对于高层货架而言，研究者主要攻克的是如何提高其存储能力，提高空间利用率，同时可以方便货物的存取，降低企业的生产成本。智能化、提高空间利用率、提高存取效率是研发者永恒的追求。国内专利申请的技术功效图，如图12。
三、结论
本文对自动化立体仓库的专利技术进行分析和整理，重点关注了该领域的技术发展趋势以及主要申请人的研发侧重等信息，明确了自动化立体仓库领域的发展概况和明晰了该领域技术发展趋势。
1.国外自动化立体仓库技术的发展从1965年开始，每年均有一定数量的相关专利申请，到1985年以前全球范围内的技术发展处于萌芽期。随着专利申请量的逐渐增加，进入缓慢增长期，国内申请的数量也有了较明显的提升；2009年以后，全球及国内的申请量均呈现出快速增长的势态。
2.在早期，德国、美国、法国、日本等为该领域技术较大的申请来源国，自1981年以后，中国的申请量逐年增加，并且在2010年以后能够占到全球自动化仓库技术领域中申请量的一半，是技术研究的活跃地区。
3.美国在自动化立体仓库领域起步较早，其核心技术分布较为全面，涉及到高层货架、堆垛机、出入库系统及自动控制系统等方面。德国在该领域申请量比较大的公司有4家，分别是DEMAIC、SIEMENS、KEURO和SSI。通过分析日本的大福公司和村田公司在该领域的高被引频次专利申请可知，大福公司主要针对自动化立体仓库的高层货架结构进行了深入的研究和全面的专利布局，村田公司则以大福公司较少涉猎的关于巷道式堆垛设备为切入点，在技术上进行了深入的细化和持续的发展。
4.国内对自动化立体仓库的研究起步较晚，77%为企业类型的申请人，企业大多分布在长三角、珠三角等经济发展比较迅速、轻工业密集的地区。虽然国内技术于上世纪90年代就已经起步，但是相关专利的申请于2005年左右才出现，之后在2013年的申请量达到最高值，之后略有下降，但仍保持在一个相对较高的水平。早期技术中主要涉及高层货架和仓库管理及自动控制技术主题，之后关于出入库系统设计的申请量较多，虽然各个分支均有涉及，但在某一阶段内没有一个持续研发的技术延续性，难以形成完整的技术发展链条，因而整体呈现量大而不强的特点。
5.目前我国自动化立体仓库技术还存在产品规格单一、工艺水平落后、产品标准落后、产品规模化生产水平低等明显劣势，传统产品的升级和关键技术的开发迫在眉睫，比如开发自主产权的AGV、机械手等，也将成为今后发展的方向。此外，随着物流业朝着规模化、自动化的方向发展，系统集成技术的发展也是我国自动化仓储技术的发展趋势，但这是一门涉及多学科、多行业的复杂系统工程。
6.随着我国经济规模的扩大，为了应对产能提高、利润率进一步下降的竞争格局，企业将走向专业化的分工，如专业的堆垛机生产企业、专业的输送机生产企业、专业的系统集成商等，因此小而弱的企业将面临严重的生存危机。同时，随着中国市场进一步扩大，世界各国集成商的业务重点将转移到中国，要在未来的物流装备市场拥有一席之地，企业创新是必由之路。
