一、概述
自動化立體倉庫簡稱「立體倉庫」，一般是指採用高層貨架來儲存單元貨物，用相應的物料搬運設備進行貨物入庫和出庫作業的倉庫。其利用立體倉庫設備可實現倉庫高層合理化，存取自動化，操作簡便化。自動化立體倉庫的主體由貨架、巷道式堆垛機、出/入庫輸送機系統、出入庫工作檯及周邊系統組成。
從全球範圍來看，自動化立體倉庫應用最早的國家是美國（1953年），而日本是應用最廣的國家。在第一階段的傳統物流時代，以叉車運貨、輸送帶出入庫為特點，但該種方式效率較低，難以滿足較大的儲存需求。進入第二階段的自動化物流時代，自動化立體倉庫配合自動導引運輸車（AGV）使用，極大地節省了人力，但該種模式前期投入較大，對於一些小型企業難以推廣應用。隨著智能技術的發展，物流行業也迎來了智能化時代，倉儲管理及識別設備的智能升級進一步提高了存取貨物的效率。物流行業的發展階段，如圖1。
我國自動化立體倉庫的研究與應用主要經歷了四個階段：1975～1985年為起步階段，1973年開始研製第一座由計算機控制的自動化立體倉庫，該系統1980年投入運行，但受經濟發展的限制，應用非常有限；1985～1995年為初步發展階段，通過引進吸收，研製了基於PLC控制的立體庫系統的第二代技術，應用領域逐步擴展到醫藥、化工、機械、菸草等，市場應用超過200套；1995～2005年為高速發展階段，以聯想電腦公司自動化物流系統為起點，基於雷射測距的第三代技術得到全面應用。這一時期立體倉庫得到了廣泛應用，市場保有量每年平均有40套左右增長，約500套左右（此時1990年前建設的項目已基本拆除）；2005年以後是成熟應用階段，每年市場需求平均達到90套左右。目前我國的自動化立體倉庫技術已經基本成熟，並進入大量應用階段。其技術水平與先進國家的差異主要在於高速性能、工藝可靠性等方面。自動化立體倉庫在國內的發展歷經40年，開始步入快速發展階段。我國自動化立體倉庫的發展歷程，如圖2。
我國自動化立體倉庫應用範圍很廣，幾乎遍布所有行業。目前已經投入應用的行業主要有菸草、醫藥、連鎖零售、機械製造、汽車、食品、軍隊系統、電子商務等，此外在化工、航空航天、電子、圖書、配送中心、機場、港口等領域也有較為廣泛應用。我國自動化立體倉庫的應用領域，如圖3。
二、專利分析
1.確定技術分支
通過閱讀相關資料，可將自動化立體倉庫做技術分支如下，其中高層貨架按構造分為固定式和移動式。固定式貨架又可以分為：
（1）單元貨格式：每層貨架都是由同一尺寸的貨格組成，貨格開口面向貨架之間的通道，裝取貨機械在通道中行駛並能對左、右兩邊的貨架進行裝、取作業。貨架以兩排為一組，組間留有通道。這種倉庫通道寬度較大，面積利用率低（約為60%），空間利用率較高。
（2）貫通式貨架倉庫：—種密集型的倉庫。這種貨架獨特之處在於，每層貨架的每一列縱向貫通，像一條條隧道，隧道中能依次放入貨物單元，使貨物單元排成一列。
（3）重力式貨架結構一端高一端低，使貫通的通道成一定坡度。在每層貨架底部安裝滑道、輥道或在貨物單元裝備（如貨箱、託盤）底部安裝輪子，則貨物單元便可在其自身重力作用下沿坡道高端自動向低端運動。
貨架也可水平安裝而不需坡度，在行走機構推動下運動到另一端。這種立體倉庫主要優點是：貨架全部緊密排列，倉庫平面利用率和容積利用率可大幅度提高，可達90%。只在高低兩端進行作業，大大節省了設備和機械運行消耗，嚴格實行貨物的先進先出，有效防止貨物滯留。
（4）自動化貨櫃式：自動化櫃式立體倉庫是小型可移動的封閉式立體倉庫，由櫃外殼、控制裝置、操作盤、儲物箱及傳動機構組成。其主要特點是小型化、輕量化、智能化，尤其是封閉性強，有很強的保密性。適合於貴重的電子元件、貴金屬、首飾、資料文獻、檔案材料、音像製品、證券票據等的儲存。
在貨架之間存取貨物的巷道式堆垛機可以按結構分為單立柱式和雙立柱式。
在儲存地點和裝卸貨地點的出入庫系統有天車、叉車、軌道穿梭車、自動引導車或拆碼垛機器人等設備搬運貨物。
自動控制系統是協調控制立體倉庫中的各個設備配合運行的核心系統，有的倉庫需要配合相應的訂單需求進行管理，因而也需要配備倉儲管理系統。
此外，根據分揀或分類需求，有的自動化立體倉庫還配備有自動分揀、自動識別以及存儲環境監測系統。自動化立體倉庫的技術主題構成，如表1。
2.檢索範圍
本文在中國專利文摘資料庫（CNABS）和世界專利文摘庫（SIPOABS）中，對與立體倉庫領域相關且已經收錄並公開的專利文獻進行了檢索，採用該領域的分類號b65g1/+及申請人作為檢索入口，篩選從1965年1月1日至2017年12月31日的國內外專利申請（註：相關著錄項目信息為由Incopat資料庫導出）。
3.全球專利申請的年度狀況分析
經過檢索發現，全球範圍內關於立體倉庫的專利申請共計2170項，其中向中國專利局提交的國內申請為806項。由圖4可見，國外自動化立體倉庫技術的發展從1965年開始，每年均有一定數量的相關專利申請，到1985年以前，世界範圍內自動化立體倉庫的專利申請量不大，自1985年以後，向中國專利局提交的申請量出現並保持平穩的較低水平，此期間全球範圍內的技術發展處於萌芽期。1999年至2009年，隨著專利申請量的逐漸增加，進入慢速增長期，國內申請的數量也有了較明顯提升；2009年以後，隨著技術發展，全球及國內的申請量均呈現出快速增長的勢態。
各國技術的發展隨時間的變化也是不同的，如圖5。在早期，德國、美國、法國、日本為該領域技術較大的申請國。
但是，德國、日本和美國的申請量隨著時間變化呈現遞減趨勢，自1981年以後，中國的申請量逐年增加，並且在2010年以後佔到全球自動化倉庫技術領域中申請量的一半，是技術研究的活躍地區。
由該領域專利申請的時間和地域分布特徵可以總結得出自動化立體倉庫領域的發展歷程：一方面，從世界範圍看，該領域在上世紀60年代就已起步，研究較多的地區集中在美國、日本等發達國家，在2000年左右，技術相對成熟的外國公司開始在中國遞交專利申請並開拓在中國的自動化立體倉庫的相關業務；另一方面，該領域中國早期的專利申請量較少，隨著近年來該領域相關的中小型企業迅速萌生和發展，對該領域的技術研發增多，衍生了大量自主智慧財產權， 使得2005年之後中國國內提交的專利申請開始增多，並逐漸在近年成為申請主體。經過分析，此番專利申請的地域分布演變趨勢與時代背景相呼應：早期西方發達國家技術較先進，而中國經濟在近年來開始起步並逐漸發展繁榮。另外，該領域國內外申請的此消彼長還可能是因為自動化立體倉庫核心技術較簡單，國外的研究已經趨於成熟完善，或其研究重心開始向其他功能轉移。在中國範圍內來說，雖然數據表明早在1981年左右國內的該領域技術人員就已經涉足立體倉庫技術，但此時關於該領域技術的研究並不普遍，且集中於孤立的個人，而直到2005年以後專利申請量才開始逐漸增加。
4.國外專利的技術分析
核心專利的研究分析能夠快速掌握行業研究的重點方向，能夠為企業規劃發展方向提供幫助。核心專利的判定方法通常有兩種：一種是利用被引證的頻次來判定，被引頻次越高說明該專利的技術含量越高；另外一種是利用同族專利數量來判定，同族專利是申請人為了擴大技術的保護範圍，就同一專利技術在不同的國家和地區產權組織重複申請，從而形成一個專利族群，同族專利數量越大說明專利技術的市場經濟價值越高。
由以上分析可知，美國在自動化立體倉庫領域起步較早，通過研究其被引用頻次較高的專利文獻可知，其核心技術分布較為全面，涉及到高層貨架、堆垛機、出入庫系統及自動控制系統等方面。其中，高層貨架方面的改進點主要涉及如何提高高層貨架的穩定性，堆垛機方面的改進點主要涉及升降裝置及貨叉伸縮裝置，出入庫系統方面的改進主要涉及出入庫設備和貨架相對位置的布置，為自動化控制系統中實現高效的路徑規劃提供硬體準備。美國核心專利技術涉及的主題，如圖6。
在美國之後，德國在該領域的申請量也逐漸增加，申請量較大的公司有4家，分別是DEMAIC、SIEMENS、KEURO和SSI。其中DEMAIC公司被引頻次最高的一項專利涉及一種三維自動立體倉庫，包括至少一對平行設置的層疊置架和多個移取每層貨物的引導穿梭車，利用該種裝置能夠通過自動尋址技術實現存取自由，提高了工作效率。SIEMENS公司被引頻次較高的一項專利涉及一種立體倉庫物品存儲控制系統，其通過起重機或吊裝設備能夠實現在分配節點之間的託盤箱交換，輸送車無需停止即可以實現託盤取放，具有較高的存取效率。KEURO公司的核心專利和SIEMENS公司的上述專利有異曲同工之妙，該系統的運送車從可訪問的位置運動到儲物架過程中，可同時進行起重機或升降機的重新定位，以保證運送車到位時，存儲盒剛好升降到位，無需等待時間，存取效率較高。而SSI公司的核心專利則涉及到一種託盤搬運裝置。該裝置結合自動化貨架使用，貨架具有傳感器裝置來檢測是否有託盤到位，通過控制閉鎖裝置將到位的託盤鎖定，防止其貨架搖晃時託盤脫落。此外，該裝置還具有檢測託盤空載/滿載的裝置，以實現空託盤的收集和回收利用。德國核心專利技術涉及的主題，如圖7。
關於日本相關技術的研究，參照Incopat資料庫中專利文獻的被引頻次進行排序，篩選出關鍵申請人大福公司和村田機械株式會社在該領域的高被引頻次專利申請，分別列舉出被引頻次最高的專利申請，見表2和表3。
大福公司成立於1937年，始終致力於物料搬運技術與設備的開發和研究。將倉儲、搬運、分揀和管理等多種技術綜合為最佳、最理想的物料搬運系統，提供給了全世界各行各業的廣大用戶。
上述被引頻次最高的專利申請均集中在日本、美國、德國、歐專局以及世界智慧財產權組織，同時都具有大量的同族專利，從而看出這兩家企業的申請質量較高，專利技術研發的連續性較好，在不斷改進發展的同時也很好地進行了加新維護；另一方面，藉助對本領域核心技術的掌控，不斷向技術開發市場潛力較大的其他國家進行專利保護申請，從而佔據其他國家的技術市場，這些是大公司專利戰略的重要特徵之一。圖8為日本大福和村田的核心專利的技術內容。
由圖8可見，核心專利主要集中於1990至2015年，大福公司主要針對自動化立體倉庫的高層貨架結構進行了深入的研究和全面的專利布局，村田機械株式會社則以大福公司較少涉獵的關於巷道式堆垛設備為切入點，在技術上進行了深入的細化和持續的發展。但兩個公司均在出入庫系統及自動控制系統方面進行了相關的研究，並取得了不錯的進展。這一方面是因為出入庫系統和自動控制系統是自動化立體倉庫中提高存取效率的關鍵技術，另一方面也說明如何提高自動化立體倉庫的存取效率是該領域持久關注的熱點問題。
5.國內專利技術分析
國內對自動化立體倉庫的研究起步較晚，從國內專利申請的申請人類別分析，77%為企業類型的申請人，這主要和立體倉庫的應用價值相關，其可以為許多有倉儲需求的企業解決大批量貨物入庫、儲存、出庫的問題，也能夠為企業節省人力和成本，因此大部分的企業都有意願投入精力和成本去進行相關技術的研發，並申請專利進行布局。相比之下，科研單位、高校類型的申請人佔比較少，這是因為學院派更注重的是理論層面技術的研發，而自動化立體倉庫在此方面涉及較少，因而其對應的專利申請量則較少。而上述企業大多分布在長三角、珠三角等經濟發展比較迅速的地區，比如江蘇、廣東、上海、浙江等，環渤海經濟區中山東地區也佔據了較多的比例。由此可見，自動化立體倉庫技術的發展與經濟發展的促進密不可分，也由於其廣闊的市場應用價值而吸引了較多企業在此方面尋求技術的突破。國內申請人類型及地域分布圖，如圖9。
在各類申請人中，申請量最大的是南京音飛儲存設備股份有限公司，這是一家專業從事倉儲貨架生產和銷售的公司，是國內領先的倉儲貨架供應商之一，公司主要產品包括自動化立體庫系統集成、立體庫高位貨架、閣樓式貨架、特種貨架和一般貨架。公司在南京、溧水、天津建有三大生產基地，生產規模在全國同行業內遙遙領先。公司注重技術研發和產品質量管理及控制，擁有17項發明及實用新型專利、6項軟體專利、2項國標、16項行業標準，6種產品被認定為江蘇省高新技術產品。
其次是貴陽普天物流技術有限公司，由原郵電部於1970年籌建，隸屬於中國普天信息產業股份有限公司。公司經過40多年的持續穩健發展，目前成為國內規模較大、最早從事物流系統規劃，物流技術產品研發、設計、製造、安裝、調試、服務、培訓以及總集成服務的物流技術裝備專業企業。產品廣泛應用於郵政、菸草、圖書、醫藥、海關及軍隊等物流行業。
排名第三位的是北京起重運輸機械設計研究院，成立於1958年，國內首先研究立體倉庫技術經過半個多世紀的發展，由原機械工業部直屬的國家起重運輸機械行業技術，歸口研究所發展成為集科研、設計、生產製造、安裝調試、工程承包、檢驗檢測、諮詢監理服務等為一體的國有科技型企業，隸屬於世界500強企業中國機械工業集團有限公司。在物流倉儲領域涉及到的技術有堆垛機自動控制技術、總線驅動技術、物流配送中心仿真分析技術、液壓油路控制及鏈條輸送機、電子標籤揀選技術、集成化物流監控和管理系統、揀選輸送機控制技術、高價區調度技術、電子標籤揀選技術等。
國內申請人排名及技術主題分布，如圖10。進一步分析國內專利申請所涉及到的技術主題，其中出入庫系統和自動控制系統方面的申請量較多，這與國際上的技術主題分布趨勢是吻合的。一方面，這兩項是該領域技術含量相對較高的部分；另一方面，這兩方面也是提高立體倉庫空間利用率和存取貨效率的關鍵技術方向。高層貨架和巷道式堆垛機是申請量中等的主題，這兩方面是立體倉庫中較為傳統的技術主題，自起源到發展至今，其技術水平已經相對較為成熟，技術難點也大多被攻克，因此企業投入的研發力度相對較小。而倉儲管理系統和周邊設備（如分揀、識別等）佔比最少，這與該類技術主題的自主性較多有關，許多根據企業個性定製的立體倉庫會根據其訂單需求而進行相應的管理，這對於企業來說前期投入成本較大，通常大型公司有能力去進行相應的投資與開發，由於受目前市場經濟發展的局限，此類技術的應用與開發也是後續研究可以攻克的方向。此外，這兩個主題中涉及到的信息識別技術與傳動技術，是自動化倉儲技術的高新技術。然而，令人遺憾的是，我國到目前為止這一部分絕大多數採用的是進口。這一方面是市場競爭的需要，但另一方面也說明我國相關技術的發展還處於初級階段。如何在這一方面取得突破，將是未來發展的著力突破點。
國內專利申請量及技術主題隨時間也是有演變規律的，由圖11可見，雖然國內技術於上世紀90年代就已經起步，但是相關專利的申請於2005年左右才出現，之後在2013年的申請量達到最高值，之後略有下降，但仍保持在一個相對較高的水平。其中，早期的技術中主要涉及高層貨架和倉庫管理及自動控制技術主題，這之後出入庫系統的設計申請量較多，這是因為出入庫系統是聯繫儲存用高層貨架和系統整體調度的自動控制系統的紐帶，其設計的技術細分也比較多，比如天車、叉車、輸送帶、AGV、RGV以及拆碼垛機器人等等。但是，由此技術主題的分布也可以看出，雖然各個分支均有涉及，但在某一階段內沒有一個持續研發的技術延續性，難以形成完整的技術發展鏈條，因而整體呈現量大而不強的特點。
不同的技術主題中的關鍵技術手段，所能達到的技術效果也是各有特點的。比如，出入庫系統對於提高存取效率的意義就十分重大，且隨著近年來智能化的發展，也為出入庫系統技術的進一步突破提供了助力。通過規劃出入庫系統的移動路徑，進一步實現智能控制，對於大批量、多樣化、個性化的自動立體倉庫技術意義重大。
自動控制系統也具有異曲同工之妙，只是其相對於出入庫系統而言，無需進行路徑規劃等動作要求的滿足，更加關注整體系統中的調度，因而在存取效率和智能化方面具有較多的貢獻，同時兼顧系統的易用性。由圖12可見，對於高層貨架而言，研究者主要攻克的是如何提高其存儲能力，提高空間利用率，同時可以方便貨物的存取，降低企業的生產成本。智能化、提高空間利用率、提高存取效率是研發者永恆的追求。國內專利申請的技術功效圖，如圖12。
三、結論
本文對自動化立體倉庫的專利技術進行分析和整理，重點關注了該領域的技術發展趨勢以及主要申請人的研發側重等信息，明確了自動化立體倉庫領域的發展概況和明晰了該領域技術發展趨勢。
1.國外自動化立體倉庫技術的發展從1965年開始，每年均有一定數量的相關專利申請，到1985年以前全球範圍內的技術發展處於萌芽期。隨著專利申請量的逐漸增加，進入緩慢增長期，國內申請的數量也有了較明顯的提升；2009年以後，全球及國內的申請量均呈現出快速增長的勢態。
2.在早期，德國、美國、法國、日本等為該領域技術較大的申請來源國，自1981年以後，中國的申請量逐年增加，並且在2010年以後能夠佔到全球自動化倉庫技術領域中申請量的一半，是技術研究的活躍地區。
3.美國在自動化立體倉庫領域起步較早，其核心技術分布較為全面，涉及到高層貨架、堆垛機、出入庫系統及自動控制系統等方面。德國在該領域申請量比較大的公司有4家，分別是DEMAIC、SIEMENS、KEURO和SSI。通過分析日本的大福公司和村田公司在該領域的高被引頻次專利申請可知，大福公司主要針對自動化立體倉庫的高層貨架結構進行了深入的研究和全面的專利布局，村田公司則以大福公司較少涉獵的關於巷道式堆垛設備為切入點，在技術上進行了深入的細化和持續的發展。
4.國內對自動化立體倉庫的研究起步較晚，77%為企業類型的申請人，企業大多分布在長三角、珠三角等經濟發展比較迅速、輕工業密集的地區。雖然國內技術於上世紀90年代就已經起步，但是相關專利的申請於2005年左右才出現，之後在2013年的申請量達到最高值，之後略有下降，但仍保持在一個相對較高的水平。早期技術中主要涉及高層貨架和倉庫管理及自動控制技術主題，之後關於出入庫系統設計的申請量較多，雖然各個分支均有涉及，但在某一階段內沒有一個持續研發的技術延續性，難以形成完整的技術發展鏈條，因而整體呈現量大而不強的特點。
5.目前我國自動化立體倉庫技術還存在產品規格單一、工藝水平落後、產品標準落後、產品規模化生產水平低等明顯劣勢，傳統產品的升級和關鍵技術的開發迫在眉睫，比如開發自主產權的AGV、機械手等，也將成為今後發展的方向。此外，隨著物流業朝著規模化、自動化的方向發展，系統集成技術的發展也是我國自動化倉儲技術的發展趨勢，但這是一門涉及多學科、多行業的複雜系統工程。
6.隨著我國經濟規模的擴大，為了應對產能提高、利潤率進一步下降的競爭格局，企業將走向專業化的分工，如專業的堆垛機生產企業、專業的輸送機生產企業、專業的系統集成商等，因此小而弱的企業將面臨嚴重的生存危機。同時，隨著中國市場進一步擴大，世界各國集成商的業務重點將轉移到中國，要在未來的物流裝備市場擁有一席之地，企業創新是必由之路。