摘要：医用箱式物流系统凭借其在运输重量、体积等方面的较大优势被越来越多的医院应用。传统的箱式物流使用曳引式提升和PLC控制，存在提升任务单一和调度路径简单等问题。针对上述问题，本文应用连续循环提升和嵌入式控制等技术，设计了基于轨道式循环提升的医用中型箱式物流系统。该系统已成功应用于医院项目中，有效解决了传统箱式物流的缺陷，为医用箱式物流的创新性发展提供了设计思路和实践参考。
关键词：轨道式循环提升；箱式物流；智能物流车；智能控制系统
作者：梁林1 朱军科1 黄必鑫1 林显新2
1曼彻彼斯高新技术有限公司
2广西机电职业技术学院机械工程学院
引言
箱式物流系统运行原理和组成
1.运行原理
箱式物流系统以物流箱为运输载体，在中央控制系统智能调度下，利用双轨道多物流车竖井循环连续提升及辊筒水平自动输送配合，实现医用物资在医院立体点对点的高效输送。该系统集合电子通讯、光电感应、机械传动、人工智能等机电一体化技术，将医院各功能科室，如药房、配药中心、检验科、门诊、各住院部等通过输送线连为一体，组成多个或几十个工作站的网络工作模式，达成医院各科室物品站点间的双向、准确、高效发送和接收的目标。
2.系统组成
箱式物流系统主要由双轨道多物流车竖井循环垂直提升线（下称“提升线”）、辊筒水平输送线（下称“水平线”）、控制系统、收发站和物流箱等组成（如图1）。提升线实现着物流箱在垂直方向的输送，主要设备包括物流车、转轨器、轨道组件等。在医院中，提升线一般设置在楼栋中，如住院楼、医技楼、门诊楼等，楼层从2层到20多层不等。水平线实现物流箱在水平方向的输送，是楼栋间物流箱的交互运输线，主要设备包括水平辊筒线、转弯机、分路器、移载机、爬坡机等，其与提升线配合实现物流箱在空间三维X、Y、Z三个方向上六个自由度的输送。控制系统是箱式物流运行控制的中枢，像毛细管一样将提升线和水平线各部件连起来，通过调度算法控制着整个箱式物流系统运行，其按产品特点包括区域控制和中央控制及监控系统。
图1 轨道式循环提升医用中型箱式物流系统的组成
主要组件设计及其功能
系统设计主要围绕物流箱在输送线的可靠、安全、高效传输展开。根据医院的物流需求和建筑特点，结合提升线、水平线、收发站、物流箱、控制系统需实现的各项功能，有针对性地进行设计。
图2 提升线工作原理
1.提升线
提升线主要由轨道组件、转轨器和物流车组成。如图2所示，在楼栋竖井中设置双轨循环轨道，根据楼栋高度和医院物资效率要求在轨道最下端、最上端及中间设置多个转轨器，利用物流车实现连续循环提升、就近调头，将水平线或收发站输送来的物流箱按主控系统的指令，自动高效提升或下降到指定楼层。其控制流程如图3所示。
图3 提升线控制流程
（1）物流车。物流车是提升线的核心设备（如图4），集行走、载物、智能控制功能于一体。物流车采用两部分组合设计，一部分为智能车体，一部分为储箱架。智能车体是动力运行和智能控制载体，配置有智能控制板和程序，底盘配置有动力电机、取电系统及爬升结构。储箱架配置物流箱进出动力机构、传送机构、锁闭机构等。物流车采用齿轮啮合轨道齿条的形式实现提升，驱动采用直流电机。
图4 循环提升物流车
（2）转轨器。转轨器用于变换物流车的行驶路径或方向(如图5)，实现物流车的快速调头或换轨，特殊情况下配合调度算法可实现避让、绕行等功能，是提高物资输送工作效率的关键设备之一。转轨器主要由平移轨道、驱动机构、阻车器、框架等部件组成，内置智能控制板，通过CAN总线与区控连接，接受区控智能调度平移，实现物流车路径变换功能。
图5 转轨器
一般楼栋不高时可用两轨转轨器，楼栋较高时转轨器可设计成三轨转轨器，两轨作正常通行，另一轨可作为竖井车库，设置在用车量较大的位置，如药房、静配室等，叫车时可大幅减少等待时间，提高输送效率和客户使用体验。
（3）轨道组件。轨道组件用于支撑和引导物流车垂直提升，由高强度铝合金轨道、导电铜轨和齿条装配而成。轨道形状为工字形或凹字形，将物流车轮限制在轨道中，只能沿着轨道轴向运动，物流车无径向位移或脱轨现象；导电铜轨为物流车提供不间断电能，材质可选耐磨的黄铜或石墨铜；齿条将物流车电机的圆周运动转化为直线运动，与物流车的齿轮配合实现物流箱的垂直爬升和下降。轨道组分段设计，现场连接，便于运输和安装，可灵活应对医院不同楼栋高度。
2.水平线
水平线主要由水平输送机、移载机、分路器、转弯机、爬坡机等组件组成（如图6），实现物流箱水平移动、分流、变向、转弯、爬坡、避让、缓存等功能，整体物流速度为0.5～1m/s。各组件内置智能控制板、程序和感应器，通过CAN总线和区控通讯，与提升线各部件一样，通过中控调度指令完成各种功能，使物流箱顺利输送到指定位置。由于要穿越各楼栋，实现楼栋之间的物流箱交互，一般设置于地下楼层，在无地下室的楼栋之间可搭建连廊连接。
图6 水平线主要组件
（1）水平输送机。水平输送机用于物流箱水平方向两个自由度的移动，其主要由辊筒、驱动机构、左右支架护栏及电控部件组成。输送速度与水平线要求一致，护栏宽度、吊装高度与其他水平线组件相同，保障物流箱导向无卡滞和侧歪。此设备在水平线上用量最大，一般按段设计，通过一字板连接和紧固，方便运输和安装。
（2）移载机。移载机用于物流箱变向、调头动作，同时与水平输送机配合可实现物流箱避让和缓存功能，其主要由升降皮带输送机构、辊筒、驱动机构、支架护栏及电控部件组成。该设备实现物流箱X、Y方向四个自由度的移动，为了使两个方向移动不干涉摩擦箱底，设计了升降皮带输送机构（Z方向）。三个方向设计三套驱动机构，在水平线中设计和控制难度最大。移载机一般成双使用（一进一出），在出入口两端设计有RFID读卡器，用于自动识别箱号，实现任务核实和智能调度。特殊工况下，如临存、三线转向等，可以三套并用。
（3）分路器。分路器用于物流箱从支线并入主线或从主流分流至支线，按方向分为左分路器和右分路器。该设备主要由斜轮升降机构、分流接驳机构、辊筒、驱动机构、支架护栏及电控部件组成，其中分流接驳机构与主水平线角度一般为35°～45°。因该设备也和移载机一样存在改变物流箱方向功能，故分路器三个出入口也设计RFID读卡器，实现物流箱的自动分流和并流。
（4）转弯机。转弯机用于物流箱水平方向的转弯，主要由滚锥辊筒、驱动机构、左右支架护栏及电控部件组成。由于使用了滚锥辊筒，物流箱通过时不必减速，对水平线输送速度无影响。其控制与水平输送机相同，控制主板可共用。为适应医院建筑结构，可设计有90°、60°、30°等不同角度的转弯机。
（5）爬坡机。爬坡机用于小幅改变水平线高度（一般15°内），用以适应医院净高改变，或规避医院各专业管路，如消防管、无压管、空调管等工况。该设备主要由皮带、驱动机构、左右支架护栏及电控部件组成，其与水平输送机功能基本相同，控制主板共用。需要注意的是爬坡机用于提升线接驳时，要在出口处设计RFID读卡器，实现与提升线交互时的智能调度和控制，其他位置则不用。
3.收发站
收发站是整个输送系统的客户终端，也是一个区域控制单元（如图7），设在各库房和各护士站、科室等。收发站具有智能控制功能，可智能识别物流车的到来和接收传送物流箱，通过RFID技术识别物流箱和输送任务，同时具备人脸识别、安全防护、语音交互通话发车、视频监控、查询物流箱运行等功能。收发站设双层传送结构（一发一收），通常为双层四工位。由于竖井为消防重点区域，收发站与竖井连通部分设计有符合消防规范的自动安全门、智能消防卷帘或消防门。
图7 双层收发站
4.物流箱
物流箱为箱式物流物料载体，材质为塑料PP或PE，箱体容积为40～60L，载重为30～50kg，配置有半开式箱盖，上大下小，方便叠放。箱体标配RFID芯片，方便智能化管理和控制。物流箱可根据医院需求定制，如颜色、安全锁、保温等，实现医院物流特殊功能要求。
5.控制系统
箱式物流系统的应用在地理和空间上是一个大系统，设备的安装通达医院的门诊楼、医技楼、住院楼等楼栋的各层。各楼栋一般由地下室进行水平连接，系统连接距离长、设备多，而医院物资的送达有时间限制，各层各站点均可能同时或不定时发送、接收物资，各设备按其功能执行运输动作，所以箱式控制系统具有动作连续、复杂实时的控制特点。该特点和需求需要采用统一调度、分布控制的工业现场技术模式来运行，即将系统分成若干个区域进行分布控制来实现。分布控制由区域控制实现，统一调度则由中央控制实现，系统控制拓扑图如图8所示。
图8 箱式流程控制系统拓扑图
（1）区域控制
传统方案采用工控PLC作为任务的控制和调度，任务路径往往比较单一，当要根据系统拥堵情况等进行智能路径规划时，则需要一套高效且通用的算法来处理，而PLC在算法实现方面并不突出；另一方面，PLC在实现一套代码适配到所有的工况控制时，开发灵活性不如自主设计嵌入式系统。故本系统采用通用型ARM芯片作为算法主芯片来设计区域控制PCB。区域按医院的物理空间和箱式物流的控制功能划分，如爬升区1（门诊楼）、爬升区2（住院楼）、水平区等（如图1）。区域内的组件按各设备动作逻辑和功能设计智能控制板，开发嵌入式程序驱动，通过CAN总线与区控PCB通讯联成控制网络，实现区域内任意组合的设备控制所需功能。区控PCB实时监控区域内每一个设备的运行状态，同时根据其内部状态，进行智能化调度，如拥堵避让、收发站点满载排队、节点运输箱数量限制、路径最优调配等。多个区控PCB通过以太网接口，以TCP/IP,UDP等相关协议，与主控端相连接，实时反馈相关状态到主控，以方便在监控端进行更多区域的协调控制和整个系统状态的展示。水平区控系统控制流程如图9所示。
图9 水平区控系统控制流程
（2）中央控制及监控
中央控制和监控是箱式物流的管理系统，其主要包括主控和电脑显示端。本系统采用B/S和领域驱动分层架构，突破第三方组态软件的数据库管理系统的限制，自研运输人工智能调度算法，与区控配合形成自主无人系统的人工智能控制模式，完成物流箱在全系统跨区域的智能化运输调度、控制和监控，形成物流运输和设备运行数据，实现物流系统大数据的收集。系统除调度算法设计外，还兼顾整体监控，包括系统运行状态、任务信息、权限管理、故障报警、实时定位、维护提醒、数据分析等。系统易操作，主要事务逻辑在主控端实现，无须特别安装，只要有Web浏览器即可。本系统的设计避免了庞大的胖客户端，减少了客户端的压力，医院的监控电脑配置可适当降低，也可以通过手机、平板浏览器实现相应功能，减少了客户的投入；系统可同时打开多个终端页面，方便多任务操作，较大提高了监控效率。系统的监控总览如图10所示。
图10 箱式监控系统总监图
系统优点
该系统相对常见的曳引式提升医用中型箱式物流系统，具有以下优点：
（1）多任务同时独立运送，效率更高。基于“一个物流箱一台升降小车”垂直运输方式，相对一般箱式系统具有更高的输送效率与更佳的经济性。
（2）多重循环架构，智能调度，就近调头。相当于竖井内有多个“电梯轿厢”同时运行，一台升降小车搭载一个物流箱独立配送，匹配动态智能算法使小车择“近”而返，进一步提高路网通行效率，相比一般往复式提升机，节省大量等待时间。
（3）超小井道尺寸，无基坑设计，站点空间最小化，布局更合理。
（4）运力灵活扩容。匹配医院就诊量与配送量增长灵活添加升降小车，实现运力扩容。
实施情况
本方案经研发测试，在贵州省黔西南州某医院安装（如图11）。该医院项目由17个双层四工位收发站，2套竖井提升系统，12台物流车，3套转轨器，1套水平线组成。其中医院综合楼最大提升高度64米，应用11台小车循环连续提升。
图11 轨道式循环提升医用中型箱式物流的应用
下面以该医院综合楼应用为例，对比分析本方案与曳引式提升方案的运输效率。曳引式提升方案为往复提升，一个往复运动周期只能执行一次任务，分为一次一箱和一次多箱。一次多箱较常见为四箱位（双层两收两放），即一次任务一般实现两箱运输。本方案采用轨道式循环提升的运输方式，一车一箱一任务，多车连续执行任务，同一时间竖井效率不受单一任务影响。表1为两方案应用参数，其中调车时间T调和转轨时间T转为本方案专有，T调指物流车调到水平线接驳物流箱的时间，T转指提升时物流车可能碰到转轨器移位通行所需时间。
表1 基于轨道循环提升的箱式物流系统方案与曳引式提升方案的对比分析（单任务）
从表中可看出，单任务时，本方案完成时间为213s，曳引式提升一次一箱为52s，一次两箱为64s，本文方案处于劣势。但是单任务情形极少，医院大部分情况下竖井的输送为连续提升，特别是上午和下午的高峰期。
因此，按本项目最大提升高度64m，针对连续提升10个任务的工况进行用时数据统计（见表2）。
表2 基于轨道循环提升的箱式物流系统方案与曳引式提升方案的对比分析（连续任务）
从表中可看出，本方案物流车连续提升调车间隔时间为累积时间，单任务完成时间一致且未累积；曳引式提升方案单任务完成时间虽一致，但存在往复时间累积，一次任务积累2次，严重影响了提升效率。表中本方案提升10个物流箱用时321s，曳引式提升一次一箱为989s，一次两箱为576s，效率分别高出3倍及1.5倍，且高度越高，任务越多，用时越长，效率差别越大。
通过项目应用和上述数据分析，本方案在提升线输送效率明显提高，较大减轻或避免了水平线与提升线对接堵塞和收发站等待时长的问题，满足了医院物资运输的需要和市场发展的趋势要求。本项目投产一年多，运行良好，较好地满足了医院物资输送的需要，验证了本方案的可行性。项目后期还可以根据医院业务增量需求，通过适当增加物流车的方式解决物资增量运送问题，扩容灵活。
总结
本文围绕基于轨道式循环提升的医用中型箱式物流系统的设计和应用展开研究，通过各组件设计介绍和案例应用分析，形成以下结论：在技术层面，创新性地应用轨道式物流车连续循环提升技术，有效地解决了提升线与水平线交互堵塞问题，实现竖井垂直提升效率比传统方式提高约1.5倍；嵌入式分布区域控制方案较传统更灵活，调度更高效；B/S架构中控系统查看方便，成本更节约。在应用方面，通过贵州省黔西南州某医院的实践验证，设备展现出良好的适应性和可靠性，有效地突破行业应用瓶颈，方案在运输效率、多任务同时运送、智能调度、运力扩容、占地面积上均比传统方案有较大优势。本提升方案在同行业中属首次应用，对于推动行业技术进步，提高医用箱式物流应用水平有着现实和设计参考意义。
【基金项目：广西重点研发计划“医用智能中型箱式物流输送成套设备研发及产业化应用”项目（桂科AB25069448）】
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编辑、排版：王茜
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