摘要：為解決圖書館存儲空間不足的問題，越來越多的圖書館采用高密度自動倉儲系統(tǒng)。隨著倉儲技術的不斷發(fā)展，無巷道自動立方倉儲系統(tǒng)應運而生。本文從存儲特點、建設成本、運營成本三方面，對無巷道自動立方倉儲系統(tǒng)與固定書架、密集書架、常規(guī)自動立體倉儲系統(tǒng)進行比較研究。結(jié)果表明：無巷道自動立方倉儲系統(tǒng)具有建設難度低、空間占用少、工作效能高等特點；在建設成本方面，無巷道自動立方倉儲系統(tǒng)的建設成本低于固定書架和密集書架，略高于常規(guī)自動立體倉儲系統(tǒng)；在運營成本方面，無巷道自動立方倉儲系統(tǒng)的運營成本最低。
關鍵詞：自動化倉儲系統(tǒng)；文獻存儲；圖書館
一、引 言
隨著圖書館館藏資源的日益豐富以及館藏數(shù)量的快速增長，館藏空間不足的問題逐漸凸顯。為解決這一問題，西方圖書館早在20世紀80年代就已開始進行深入地探索和實踐，嘗試尋找有效的解決方案。在此背景下，高密度自動化倉庫系統(tǒng)（Automated Storage and Retrieval System，AS/RS）被引入圖書館領域。AS/RS倉儲庫最早于1986年在哈佛大學圖書館得到應用，截至2007年，美國和加拿大共建立了68家AS/RS倉儲庫[1]。這一發(fā)展標志著AS/RS成為目前圖書館界較為有效的存儲解決方案之一，對于解決館藏空間不足的問題具有重要意義。
隨著智能機器人技術和人工智能的不斷發(fā)展，AS/RS逐漸向智能化方向演進，進而推動無巷道自動立方倉儲系統(tǒng)（以下簡稱“無巷道AS/RS”）的出現(xiàn)。這一新型存儲模式有望成為未來紙質(zhì)文獻館藏存儲的標桿。
二、無巷道AS/RS
1.工作原理
無巷道AS/RS主要由五個核心部分組成：網(wǎng)格、料箱、工作機器人、分揀臺以及倉儲控制系統(tǒng)（如圖1所示）。存儲文獻時，根據(jù)文獻的尺寸選擇相應的料箱，并將這些料箱存儲在由網(wǎng)格構(gòu)成的立體存儲矩陣中。文獻以類似于魔方多層多面緊密排列的方式上下左右密集堆疊，中間沒有巷道，使得文獻與人隔離的同時也幾乎完整利用了整個館藏空間。
圖1 無巷道ASRS示意圖
在網(wǎng)格存儲矩陣的上方構(gòu)建了網(wǎng)格軌道，工作機器人在此軌道上運行并執(zhí)行各項任務。通過工作機器人的水平移動和垂直抓取功能，實現(xiàn)對館藏文獻的存取操作。這種存儲方式充分利用了水平和垂直空間，從而實現(xiàn)了更高密度的存儲。
2.工作組件
（1）網(wǎng)格
網(wǎng)格結(jié)構(gòu)構(gòu)成了無巷道AS/RS的主體架構(gòu)（如圖2所示），它對整個無巷道AS/RS的安全性與穩(wěn)定性起著至關重要的作用，并使其具備高密度、高承重與嚴封閉的特點。合金網(wǎng)格列陣與軌道構(gòu)成了無巷道AS/RS的骨架，為料箱的分區(qū)與機器人的行走提供了關鍵支撐。通過特定的設計與布局，合金軌道的耐用性、穩(wěn)定性和導向性能的特點為機器人提供了一個安全可靠的移動路徑，使機器人能夠在倉庫內(nèi)高效地進行搬運和分揀操作。
圖2 網(wǎng)格示意圖
（2）料箱
無巷道AS/RS中的料箱作為存儲、搬運以及分揀貨物的關鍵組成部分，其模塊化的設計使其可以輕松地進行堆疊和組合，以適應各種形狀的庫房布局及存儲要求，實現(xiàn)定制化立方倉。同時，料箱能夠承受最高3000kg/m2的壓力，這種高承重能力使其可以堆疊5.5m（以550mm×375mm×220mm的料箱為例，最多可堆疊25層）的滿載料箱。此外，料箱的設計形狀和尺寸允許機器人在無巷道AS/RS內(nèi)進行高密度的存放和搬運操作，同時其還具有防塵和防水的設計特點，有效保護內(nèi)部存儲物品免受外部環(huán)境的影響。
（3）工作機器人
工作機器人負責執(zhí)行料箱的抓取、搬運和存放任務，扮演著“貨到人”搬運工的角色。機器人的外形設計為方形，以最大程度地實現(xiàn)路徑上的避障功能。在抓取料箱前后，機器人僅占據(jù)兩個網(wǎng)格的空間。通過四向切換，機器人在網(wǎng)格上穿梭更加便捷。通過機器人調(diào)度系統(tǒng)，可以最優(yōu)地規(guī)劃機器人的行駛路徑，并將其調(diào)度到目標料箱的上方。通過算法，將目標料箱上方的冗余料箱搬運至周邊網(wǎng)格內(nèi)，這一工序也可以在多車協(xié)作下完成，以滿足最高效率的出庫需求。
（4）分揀臺
分揀臺是“貨到人”的關鍵紐帶，工作人員可以在分揀口中揀選或存放目標文獻。單個分揀臺在滿負荷狀態(tài)下，每小時可以處理480個料箱的進出，同時配備了高清識別定位系統(tǒng)，對揀選過程進行記錄。這種系統(tǒng)確保了高效、準確的物品分揀，避免了傳統(tǒng)“人到貨”中耗時耗力、錯拿錯放等問題。
（5）倉儲控制系統(tǒng)
無巷道AS/RS的倉儲控制系統(tǒng)是立方倉運行的核心指揮中心，負責監(jiān)控和管理倉儲業(yè)務邏輯、工作機器人及分揀臺的運行控制以及基礎料箱數(shù)據(jù)的管理和更新等。該系統(tǒng)的核心是倉儲控制系統(tǒng)（WCS），其主要功能是設備的控制和協(xié)調(diào)。此外，機器人調(diào)度系統(tǒng)及其相關算法也是整個倉儲控制系統(tǒng)高效運行的關鍵，這些算法包括機器人協(xié)調(diào)與控制、路徑規(guī)劃與導航、充電管理、任務分配與調(diào)度、運動控制與協(xié)同以及異常處理與故障恢復等。配置數(shù)字孿生系統(tǒng)可以實現(xiàn)對目標料箱的可視化定位，從而使用戶能夠更直觀地了解庫區(qū)的運行情況。
三、不同存儲方式的數(shù)據(jù)分析對比
本文僅以100萬冊館藏量的存儲書庫為例，對固定書架、密集書架、常規(guī)AS/RS以及無巷道AS/RS四種不同存儲方式各項指數(shù)進行比較。
表1 四種不同存儲方式建設難易度情況對比
注：后續(xù)若無特殊標注，默認為常規(guī)AS/RS書庫凈高20m，無巷道AS/RS書庫凈高3.5m
（以堆放7層料箱為例）。
1.存儲特點比較
（1）建設難易度
根據(jù)幾種存儲設備的建設基本要求，分析其建設或改建難度，結(jié)果如表1所示。
固定書架、密集書架或無巷道AS/RS的建設對地面水平并無特殊要求，只需達到相應的承重指數(shù)即可。相比之下，常規(guī)AS/RS由于自身設備較高（通�？蛇_17m），需使用堆垛機或運輸機在橫縱方向上穿梭，因此對地平有著極為嚴格的要求（根據(jù)GBJ-2-86《建筑模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一標準》，不同的跨度有相應的基礎模數(shù)）。
由此可見，新建常規(guī)AS/RS的難度要顯著高于其他幾種存儲方式。此外，受制于既定書庫凈高，利用現(xiàn)有庫房條件改造成常規(guī)AS/RS較為困難且不夠經(jīng)濟。因此，建設常規(guī)AS/RS應當在新館或新庫建筑設計前就已將規(guī)劃納入其中。
（2）空間占用
固定書架的書架之間會間隔0.8m以上的間距，為方便工作人員存取圖書。按照《JGJ38-2015 圖書館建設設計規(guī)范》[3]，書庫最低凈高為2.4m，根據(jù)設計限值計算，基于每平方米圖書存放面積最大可容納85冊的標準，設計規(guī)范中對于閉架書庫的理論最大書庫量為每平方米237.0冊[5]。因此，采用固定書架進行藏書的書庫所需面積約為4219m2，所需體積為10126m3。
密集書架因其可在軌道上移動的特點，能夠在不使用時緊密排列，從而相較于固定書架大幅減少了所占用的面積。以上海圖書館為例，密集書架在1275m2、凈高3.5m的書庫面積內(nèi)可存儲約80萬冊圖書。因此，采用密集書架所需的書庫面積約為1594m2，所需體積為5579m3。
常規(guī)AS/RS通過倉儲貨架、周轉(zhuǎn)箱、堆垛機和輸送機系統(tǒng)，充分利用書庫的凈高空間以及書架的層高空間來提高存儲密度。以蘇州第二圖書館為例，該圖書館建造了國內(nèi)首個高密集型倉儲式書庫，其倉儲式書庫面積約2980m2，可存放700萬冊文獻[4]，設備高17.1m，書庫凈高約20m，則100萬冊藏書所需的書庫面積約為425m2，所需體積約8500m3。
無巷道AS/RS因其就像魔方一樣上下左右密集堆疊，中間沒有巷道，文獻與人隔離的同時也幾乎完整利用了整個館藏空間。根據(jù)供應商提供的信息，以凈高3.5m的書庫為例，所需的書庫面積約為900m2，所需體積3150m3。
（3）工作效能
固定書架（含密集書架）的運作方式基本依賴人工操作，圖書館員在接收到讀者提交的文獻請求信息后，根據(jù)文獻的索書號等相關信息，找到該文獻所在位置，然后將其抽取并出借給讀者。書庫的面積、文獻的位置以及館員對書庫布局的熟悉程度等因素都對文獻出庫效率產(chǎn)生影響。以上海圖書館為例，普通書庫的人工出庫約需10～15分鐘，將文獻送至讀者還需要大約5～10分鐘，因此整個流程所耗費的等候時間通常在15～25分鐘左右。
常規(guī)AS/RS將文獻資料存放在周轉(zhuǎn)箱內(nèi)，周轉(zhuǎn)箱放置在倉庫大型的框架陣列中，陣列之間的每條通道配置一臺機械手，通過機械手水平或垂直地迅速移動（運行速度約120米/分鐘），在1分鐘或更短的時間之內(nèi)完成資料箱的提取，最后只需工作人員從箱中取出讀者所需的文獻即可，整個過程大約1～5分鐘[2]。
無巷道AS/RS以周轉(zhuǎn)箱為容器，存放著文獻資料，并將這些周轉(zhuǎn)箱擺放在一個無巷道的大型立方體中。立方體上方的機器人利用機械臂進行垂直抓取操作，然而由于目標箱可能位于立方體較低的位置，機器人需要先將目標箱周圍的其他箱子抓取并移動到別處，然后完成目標箱的抓取。出庫效能與機器人的數(shù)量密切相關，根據(jù)供應商提供的信息，平均每個機器人每小時可完成25個箱子的出庫操作，當多個機器人協(xié)同作業(yè)時，最高出庫速度可達每小時480個箱子，即能夠在約2分鐘或更短的時間內(nèi)提取出所需文獻。值得注意的是，隨著系統(tǒng)長時間運行，使用頻率較高的周轉(zhuǎn)箱會自然集中在立方體的上部，而使用頻率較低的周轉(zhuǎn)箱則會沉降至底部�；谠摍C制，圖書館員可根據(jù)其專業(yè)能力與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方式，盡可能將高使用率的文獻放置在同一周轉(zhuǎn)箱內(nèi)，以進一步縮短未來的出庫時間。
（4）使用壽命
固定書架、密集書架與常規(guī)AS/RS通常采用鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)作為主體材質(zhì)，這種材質(zhì)具有較高的強度和穩(wěn)定性，因此被廣泛應用于倉儲設備的制造。在使用壽命方面，這些設備一般為長期使用，但由于其結(jié)構(gòu)和材料的限制，使用過程中可能會受到一些不利因素的影響，如腐蝕、磨損等，因此需要定期進行維護和保養(yǎng)。
無巷道AS/RS采用料箱上下左右密集堆疊的方式進行存儲，這種設計具有存儲密度高以及對貨物存取和管理靈活性高的優(yōu)勢。然而，其也存在一些不足，料箱的損壞或老化容易導致工作機器人無法抓取等問題而引發(fā)故障。據(jù)供應商介紹，目前料箱的制造材質(zhì)主要為高密度聚丙烯或聚乙烯，這些材質(zhì)的使用壽命受到多種因素的影響，如加工工藝、使用環(huán)境、使用方式以及保養(yǎng)方法等。通常情況下，該類材質(zhì)的使用壽命在20～50年之間，這在一定程度上限制了其在文獻長期保存方面的應用價值。因此，對于需要長期保存的文獻，使用無巷道AS/RS建議將料箱的材質(zhì)更改為金屬或其他抗老化的材質(zhì)，以便更好地滿足保存需求。
2.建設成本比較
（1）土建工程成本
采用固定書架，需建筑面積約為4219m²，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，按大約5700元/m²的造價估算，建筑安裝工程費約2404.83萬元。
采用密集書架，需建筑面積約為1594m2，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，按大約5700元/m2的造價估算，建筑安裝工程費約908.58萬元。
采用普通AS/RS，需建筑面積約為425m2，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，按大約7200元/m2的造價估算，建筑安裝工程費約306.00萬元。
采用無巷道AS/RS，需建筑面積約900m2，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，按大約5700元/m2的造價估算，建筑安裝工程費約513.00萬元。
（2）倉儲設備購置費
采用固定書架，以7層雙面鋼制書架為例，根據(jù)市場報價，單節(jié)費用約為1100元，按每節(jié)平均存放600冊計，100萬冊藏量約需1667節(jié)，共需書架購置費183.37萬元。
采用密集書架，以7層雙面鋼制書架為例，根據(jù)市場報價，單節(jié)費用約為1600元，按每節(jié)平均存放600冊計，100萬冊藏量約需1667節(jié)，共需書架購置費266.72萬元。
采用常規(guī)AS/RS，按照巷道進行設計，通常每個巷道需要配置一臺堆垛機。根據(jù)設備供應商估算，100萬冊藏量約4個巷道，共需設備購置費約1050萬元[7]。
采用無巷道AS/RS，通常一個立方倉至少需要配置一臺機器人。根據(jù)設備供應商估算，100萬冊藏量約需3個機器人，共需設備購置費約1050萬元。
（3）環(huán)境控制成本
根據(jù)《信息與文獻：圖書館和檔案館的文獻保存要求GB/T 27703-2011》標準，以長期保存文獻為目的，保存紙質(zhì)文獻的溫度和濕度要求控制在16～24℃，相對濕度在45%～60%范圍內(nèi)。根據(jù)該要求，咨詢設備供應商得知，每350m3（面積100m2凈高3.5m）需要6kW功率的恒溫恒濕機組空調(diào)可以達到。6kW的恒溫恒濕機組購置費在3.3萬元（不含安裝費）。經(jīng)過折算，環(huán)境控制成本費見表2。
表2 四種不同存儲方式環(huán)境控制成本估算
綜上，100萬冊藏量四種不同存儲方式開辦支出成本估算結(jié)果，參見表3。
表3 100萬冊藏量四種不同存儲方式開辦支出成本估算
3.運營成本比較
（1）庫房照明用電成本
書庫照明用電量計算，圖書館參照展覽館、博物館的標準，一般為50～80W/m2[6]。以下用電指標按80W/m2來計算用電量，參見表4。
表4 100萬冊藏量四種不同存儲方式建筑照明用電成本估算
表4的計算方式如下：
固定書架：80w×4129m2×8h×302天×1元/kW·h=79.81萬元。
密集書架：80w×1594m2×8h×302天×1元/kW·h=30.81萬元。
自動倉儲庫：在完全不使用照明的情況下，自動倉儲庫仍可實現(xiàn)物品的存取操作（入庫維修的情況除外）。因此，照明成本可以忽略不計。
（2）庫房環(huán)境控制用電成本
根據(jù)6kW的恒溫恒濕空調(diào)以及表2數(shù)據(jù)，計算出用電量，參見表5。
表5 100萬冊藏量四種不同存儲方式環(huán)境控制用電成本估算
表5的計算方式如下：
固定書架：29組×6kW×24h×365天×1元/(kW·h)=152.42萬元。
密集書架：16組×6kW×24h×365天×1元/(kW·h)=84.07萬元。
常規(guī)AS/RS：25組×6kW×24h×365天×1元/(kW·h)=131.40萬元。
無巷道AS/RS：9組×6kW×24h×365天×1元/(kW·h)=47.30萬元。
（3）設備運營電力成本
100萬冊藏量四種不同存儲方式設備用電成本估算（年），參見表6。
表6 100萬冊藏量四種不同存儲方式設備運營用電成本估算
表6的計算方式如下：
固定書架以及密集書架無需電力驅(qū)動，故沒有電力成本。
常規(guī)AS/RS設備運營電力成本：機械手平均每1分鐘取一本書，每天出入庫各92冊書（該數(shù)據(jù)根據(jù)100萬冊藏量，以上海圖書館基藏書庫出入庫數(shù)據(jù)得到），運行時間為92分鐘×2=184分鐘，則一年的運行時間為184分鐘×365天=67160分鐘≈1119小時；每臺堆垛機功率為30kW，故設備運營電力成本為：30kW×1119小時×1元/kW·h≈3.36萬元。
無巷道AS/RS設備用電為機器人以及服務器系統(tǒng)運營，根據(jù)設備供應商估算，100萬冊藏書量的庫房一天需約耗電60度，即60/kW·h，故設備運行電力成本為：60/kW·h×1元/kW·h×365天=2.19萬元。
（4）設備維護成本
普通書庫及密集書架基本上無設備維護成本（可忽略不計）。常規(guī)AS/RS與無巷道AS/RS設備維護成本按設備購置費的3%計算，約為31.5萬元/年。
（5）人力成本
普通書庫的人工計算：以上海圖書館基藏書庫為例，對于一個擁有40萬冊館藏量的書庫，負責出入庫的工作人員數(shù)量約為2～8名，此處按照平均值5人進行計算。若將此比例擴大至一個擁有100萬冊館藏量的書庫，根據(jù)這個比例關系，所需進行人工計算的工作人員數(shù)量約為12人。這一估計是在工作效率和精度保持不變、工作人員的技能水平和工作效率沒有隨著館藏量的增加而改變的情況下得出的。
高密度自動倉儲書庫的人工計算：國外的研究表明，高密度自動倉儲書庫所需工作人員為每百萬冊文獻約2～4人，本文取中間值以每百萬冊文獻需3名工作人員計算[7]。
以上海地區(qū)某一圖書館為例，圖書的分揀與整理工作通常采用項目外包方式。每個工作人員外包費用為每年9萬元。由此得出固定書架、密集書架、常規(guī)AS/RS、無巷道AS/RS的人工費分別為108萬/年、108萬/年、27萬/年、27萬/年。
綜上，100萬冊藏量四種不同存儲方式營運支出成本估算結(jié)果，參見表7。
表7 100萬冊藏量四種不同存儲方式運營支出成本費用
4.綜合分析
（1）存儲特點
四種存儲方式的存儲特點匯總分析，參見表8。從表中數(shù)據(jù)可知，無巷道AS/RS的館藏密度最高，其建設難度略高于固定書架與密集書架，但低于常規(guī)AS/RS。在利舊書庫改造方面，無巷道AS/RS具有改造難度低、改造空間大的優(yōu)點。同時，基于自動化倉儲系統(tǒng)的支持，無巷道AS/RS的工作效率也相對較快。
表8 100萬冊藏量四種不同存儲方式存儲特點匯總分析
（2）成本支出匯總
100萬冊藏量在四種不同存儲方式下的庫房體積、建設成本、運營成本如表9所示。為了綜合評估不同存儲方式的經(jīng)濟性，基于各類書架系統(tǒng)的使用壽命，考慮資金的時間價值的情況下（假設折現(xiàn)率為5%），折算不同存儲方式下平均每年的存儲費用，參見表9。從平均每年的存儲費用來看，無巷道AS/RS在使用壽命期內(nèi)的年均成本最低，表現(xiàn)出最佳的經(jīng)濟效益。
表9 100萬冊藏量四種不同存儲方式成本支出匯總
四、結(jié) 語
無巷道AS/RS的問世為解決圖書館館藏空間不足的問題提供了全新的思路。這種存儲系統(tǒng)具有高科技含量，存儲密度大，存取速度快，建造難度相對較低且自由度高的特點，同時從建設成本和運營成本綜合考慮，其總體成本也最為低廉，相較于目前常用的存儲設備具有明顯的優(yōu)勢。無巷道AS/RS不僅在圖書館傳統(tǒng)保存保障方面具有更大的價值，而且在網(wǎng)借服務以及智慧書房等領域也將會有更加出色的應用前景。期待國內(nèi)圖書館首個無巷道AS/RS應用案例的出現(xiàn)，為推動圖書館事業(yè)的發(fā)展做出積極的貢獻。
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