摘要：为解决图书馆存储空间不足的问题，越来越多的图书馆采用高密度自动仓储系统。随着仓储技术的不断发展，无巷道自动立方仓储系统应运而生。本文从存储特点、建设成本、运营成本三方面，对无巷道自动立方仓储系统与固定书架、密集书架、常规自动立体仓储系统进行比较研究。结果表明：

摘要：为解决图书馆存储空间不足的问题，越来越多的图书馆采用高密度自动仓储系统。随着仓储技术的不断发展，无巷道自动立方仓储系统应运而生。本文从存储特点、建设成本、运营成本三方面，对无巷道自动立方仓储系统与固定书架、密集书架、常规自动立体仓储系统进行比较研究。结果表明：无巷道自动立方仓储系统具有建设难度低、空间占用少、工作效能高等特点；在建设成本方面，无巷道自动立方仓储系统的建设成本低于固定书架和密集书架，略高于常规自动立体仓储系统；在运营成本方面，无巷道自动立方仓储系统的运营成本最低。

关键词：自动化仓储系统；文献存储；图书馆

一、引言

随着图书馆馆藏资源的日益丰富以及馆藏数量的快速增长，馆藏空间不足的问题逐渐凸显。为解决这一问题，西方图书馆早在20世纪80年代就已开始进行深入地探索和实践，尝试寻找有效的解决方案。在此背景下，高密度自动化仓库系统（Automated Storage and Retrieval System，AS/RS）被引入图书馆领域。AS/RS仓储库最早于1986年在哈佛大学图书馆得到应用，截至2007年，美国和加拿大共建立了68家AS/RS仓储库[1]。这一发展标志着AS/RS成为目前图书馆界较为有效的存储解决方案之一，对于解决馆藏空间不足的问题具有重要意义。

随着智能机器人技术和人工智能的不断发展，AS/RS逐渐向智能化方向演进，进而推动无巷道自动立方仓储系统（以下简称“无巷道AS/RS”）的出现。这一新型存储模式有望成为未来纸质文献馆藏存储的标杆。

二、无巷道AS/RS

1.工作原理

无巷道AS/RS主要由五个核心部分组成：网格、料箱、工作机器人、分拣台以及仓储控制系统（如图1所示）。存储文献时，根据文献的尺寸选择相应的料箱，并将这些料箱存储在由网格构成的立体存储矩阵中。文献以类似于魔方多层多面紧密排列的方式上下左右密集堆叠，中间没有巷道，使得文献与人隔离的同时也几乎完整利用了整个馆藏空间。

图1 无巷道ASRS示意图

在网格存储矩阵的上方构建了网格轨道，工作机器人在此轨道上运行并执行各项任务。通过工作机器人的水平移动和垂直抓取功能，实现对馆藏文献的存取操作。这种存储方式充分利用了水平和垂直空间，从而实现了更高密度的存储。

2.工作组件

（1）网格

网格结构构成了无巷道AS/RS的主体架构（如图2所示），它对整个无巷道AS/RS的安全性与稳定性起着至关重要的作用，并使其具备高密度、高承重与严封闭的特点。合金网格列阵与轨道构成了无巷道AS/RS的骨架，为料箱的分区与机器人的行走提供了关键支撑。通过特定的设计与布局，合金轨道的耐用性、稳定性和导向性能的特点为机器人提供了一个安全可靠的移动路径，使机器人能够在仓库内高效地进行搬运和分拣操作。

图2 网格示意图

（2）料箱

无巷道AS/RS中的料箱作为存储、搬运以及分拣货物的关键组成部分，其模块化的设计使其可以轻松地进行堆叠和组合，以适应各种形状的库房布局及存储要求，实现定制化立方仓。同时，料箱能够承受最高3000kg/m2的压力，这种高承重能力使其可以堆叠5.5m（以550mm×375mm×220mm的料箱为例，最多可堆叠25层）的满载料箱。此外，料箱的设计形状和尺寸允许机器人在无巷道AS/RS内进行高密度的存放和搬运操作，同时其还具有防尘和防水的设计特点，有效保护内部存储物品免受外部环境的影响。

（3）工作机器人

工作机器人负责执行料箱的抓取、搬运和存放任务，扮演着“货到人”搬运工的角色。机器人的外形设计为方形，以最大程度地实现路径上的避障功能。在抓取料箱前后，机器人仅占据两个网格的空间。通过四向切换，机器人在网格上穿梭更加便捷。通过机器人调度系统，可以最优地规划机器人的行驶路径，并将其调度到目标料箱的上方。通过算法，将目标料箱上方的冗余料箱搬运至周边网格内，这一工序也可以在多车协作下完成，以满足最高效率的出库需求。

（4）分拣台

分拣台是“货到人”的关键纽带，工作人员可以在分拣口中拣选或存放目标文献。单个分拣台在满负荷状态下，每小时可以处理480个料箱的进出，同时配备了高清识别定位系统，对拣选过程进行记录。这种系统确保了高效、准确的物品分拣，避免了传统“人到货”中耗时耗力、错拿错放等问题。

（5）仓储控制系统

无巷道AS/RS的仓储控制系统是立方仓运行的核心指挥中心，负责监控和管理仓储业务逻辑、工作机器人及分拣台的运行控制以及基础料箱数据的管理和更新等。该系统的核心是仓储控制系统（WCS），其主要功能是设备的控制和协调。此外，机器人调度系统及其相关算法也是整个仓储控制系统高效运行的关键，这些算法包括机器人协调与控制、路径规划与导航、充电管理、任务分配与调度、运动控制与协同以及异常处理与故障恢复等。配置数字孪生系统可以实现对目标料箱的可视化定位，从而使用户能够更直观地了解库区的运行情况。

三、不同存储方式的数据分析对比

本文仅以100万册馆藏量的存储书库为例，对固定书架、密集书架、常规AS/RS以及无巷道AS/RS四种不同存储方式各项指数进行比较。

表1 四种不同存储方式建设难易度情况对比

注：后续若无特殊标注，默认为常规AS/RS书库净高20m，无巷道AS/RS书库净高3.5m

（以堆放7层料箱为例）。

1.存储特点比较

（1）建设难易度

根据几种存储设备的建设基本要求，分析其建设或改建难度，结果如表1所示。

固定书架、密集书架或无巷道AS/RS的建设对地面水平并无特殊要求，只需达到相应的承重指数即可。相比之下，常规AS/RS由于自身设备较高（通常可达17m），需使用堆垛机或运输机在横纵方向上穿梭，因此对地平有着极为严格的要求（根据GBJ-2-86《建筑模数协调统一标准》，不同的跨度有相应的基础模数）。

由此可见，新建常规AS/RS的难度要显著高于其他几种存储方式。此外，受制于既定书库净高，利用现有库房条件改造成常规AS/RS较为困难且不够经济。因此，建设常规AS/RS应当在新馆或新库建筑设计前就已将规划纳入其中。

（2）空间占用

固定书架的书架之间会间隔0.8m以上的间距，为方便工作人员存取图书。按照《JGJ38-2015 图书馆建设设计规范》[3]，书库最低净高为2.4m，根据设计限值计算，基于每平方米图书存放面积最大可容纳85册的标准，设计规范中对于闭架书库的理论最大书库量为每平方米237.0册[5]。因此，采用固定书架进行藏书的书库所需面积约为4219m2，所需体积为10126m3。

密集书架因其可在轨道上移动的特点，能够在不使用时紧密排列，从而相较于固定书架大幅减少了所占用的面积。以上海图书馆为例，密集书架在1275m2、净高3.5m的书库面积内可存储约80万册图书。因此，采用密集书架所需的书库面积约为1594m2，所需体积为5579m3。

常规AS/RS通过仓储货架、周转箱、堆垛机和输送机系统，充分利用书库的净高空间以及书架的层高空间来提高存储密度。以苏州第二图书馆为例，该图书馆建造了国内首个高密集型仓储式书库，其仓储式书库面积约2980m2，可存放700万册文献[4]，设备高17.1m，书库净高约20m，则100万册藏书所需的书库面积约为425m2，所需体积约8500m3。

无巷道AS/RS因其就像魔方一样上下左右密集堆叠，中间没有巷道，文献与人隔离的同时也几乎完整利用了整个馆藏空间。根据供应商提供的信息，以净高3.5m的书库为例，所需的书库面积约为900m2，所需体积3150m3。

（3）工作效能

固定书架（含密集书架）的运作方式基本依赖人工操作，图书馆员在接收到读者提交的文献请求信息后，根据文献的索书号等相关信息，找到该文献所在位置，然后将其抽取并出借给读者。书库的面积、文献的位置以及馆员对书库布局的熟悉程度等因素都对文献出库效率产生影响。以上海图书馆为例，普通书库的人工出库约需10～15分钟，将文献送至读者还需要大约5～10分钟，因此整个流程所耗费的等候时间通常在15～25分钟左右。

常规AS/RS将文献资料存放在周转箱内，周转箱放置在仓库大型的框架阵列中，阵列之间的每条通道配置一台机械手，通过机械手水平或垂直地迅速移动（运行速度约120米/分钟），在1分钟或更短的时间之内完成资料箱的提取，最后只需工作人员从箱中取出读者所需的文献即可，整个过程大约1～5分钟[2]。

无巷道AS/RS以周转箱为容器，存放着文献资料，并将这些周转箱摆放在一个无巷道的大型立方体中。立方体上方的机器人利用机械臂进行垂直抓取操作，然而由于目标箱可能位于立方体较低的位置，机器人需要先将目标箱周围的其他箱子抓取并移动到别处，然后完成目标箱的抓取。出库效能与机器人的数量密切相关，根据供应商提供的信息，平均每个机器人每小时可完成25个箱子的出库操作，当多个机器人协同作业时，最高出库速度可达每小时480个箱子，即能够在约2分钟或更短的时间内提取出所需文献。值得注意的是，随着系统长时间运行，使用频率较高的周转箱会自然集中在立方体的上部，而使用频率较低的周转箱则会沉降至底部。基于该机制，图书馆员可根据其专业能力与数据分析相结合的方式，尽可能将高使用率的文献放置在同一周转箱内，以进一步缩短未来的出库时间。

（4）使用寿命

固定书架、密集书架与常规AS/RS通常采用钢质结构作为主体材质，这种材质具有较高的强度和稳定性，因此被广泛应用于仓储设备的制造。在使用寿命方面，这些设备一般为长期使用，但由于其结构和材料的限制，使用过程中可能会受到一些不利因素的影响，如腐蚀、磨损等，因此需要定期进行维护和保养。

无巷道AS/RS采用料箱上下左右密集堆叠的方式进行存储，这种设计具有存储密度高以及对货物存取和管理灵活性高的优势。然而，其也存在一些不足，料箱的损坏或老化容易导致工作机器人无法抓取等问题而引发故障。据供应商介绍，目前料箱的制造材质主要为高密度聚丙烯或聚乙烯，这些材质的使用寿命受到多种因素的影响，如加工工艺、使用环境、使用方式以及保养方法等。通常情况下，该类材质的使用寿命在20～50年之间，这在一定程度上限制了其在文献长期保存方面的应用价值。因此，对于需要长期保存的文献，使用无巷道AS/RS建议将料箱的材质更改为金属或其他抗老化的材质，以便更好地满足保存需求。

2.建设成本比较

（1）土建工程成本

采用固定书架，需建筑面积约为4219m²，采用钢筋混凝土框架结构，按大约5700元/m²的造价估算，建筑安装工程费约2404.83万元。

采用密集书架，需建筑面积约为1594m2，采用钢筋混凝土框架结构，按大约5700元/m2的造价估算，建筑安装工程费约908.58万元。

采用普通AS/RS，需建筑面积约为425m2，采用钢筋混凝土框架结构，按大约7200元/m2的造价估算，建筑安装工程费约306.00万元。

采用无巷道AS/RS，需建筑面积约900m2，采用钢筋混凝土框架结构，按大约5700元/m2的造价估算，建筑安装工程费约513.00万元。

（2）仓储设备购置费

采用固定书架，以7层双面钢制书架为例，根据市场报价，单节费用约为1100元，按每节平均存放600册计，100万册藏量约需1667节，共需书架购置费183.37万元。

采用密集书架，以7层双面钢制书架为例，根据市场报价，单节费用约为1600元，按每节平均存放600册计，100万册藏量约需1667节，共需书架购置费266.72万元。

采用常规AS/RS，按照巷道进行设计，通常每个巷道需要配置一台堆垛机。根据设备供应商估算，100万册藏量约4个巷道，共需设备购置费约1050万元[7]。

采用无巷道AS/RS，通常一个立方仓至少需要配置一台机器人。根据设备供应商估算，100万册藏量约需3个机器人，共需设备购置费约1050万元。

（3）环境控制成本

根据《信息与文献：图书馆和档案馆的文献保存要求GB/T 27703-2011》标准，以长期保存文献为目的，保存纸质文献的温度和湿度要求控制在16～24℃，相对湿度在45%～60%范围内。根据该要求，咨询设备供应商得知，每350m3（面积100m2净高3.5m）需要6kW功率的恒温恒湿机组空调可以达到。6kW的恒温恒湿机组购置费在3.3万元（不含安装费）。经过折算，环境控制成本费见表2。

表2 四种不同存储方式环境控制成本估算

综上，100万册藏量四种不同存储方式开办支出成本估算结果，参见表3。

表3 100万册藏量四种不同存储方式开办支出成本估算

3.运营成本比较

（1）库房照明用电成本

书库照明用电量计算，图书馆参照展览馆、博物馆的标准，一般为50～80W/m2[6]。以下用电指标按80W/m2来计算用电量，参见表4。

表4的计算方式如下：

固定书架：80w×4129m2×8h×302天×1元/kW·h=79.81万元。

密集书架：80w×1594m2×8h×302天×1元/kW·h=30.81万元。

自动仓储库：在完全不使用照明的情况下，自动仓储库仍可实现物品的存取操作（入库维修的情况除外）。因此，照明成本可以忽略不计。

（2）库房环境控制用电成本

根据6kW的恒温恒湿空调以及表2数据，计算出用电量，参见表5。

表5的计算方式如下：

固定书架：29组×6kW×24h×365天×1元/(kW·h)=152.42万元。

密集书架：16组×6kW×24h×365天×1元/(kW·h)=84.07万元。

常规AS/RS：25组×6kW×24h×365天×1元/(kW·h)=131.40万元。

无巷道AS/RS：9组×6kW×24h×365天×1元/(kW·h)=47.30万元。

（3）设备运营电力成本

100万册藏量四种不同存储方式设备用电成本估算（年），参见表6。

表6的计算方式如下：

固定书架以及密集书架无需电力驱动，故没有电力成本。

常规AS/RS设备运营电力成本：机械手平均每1分钟取一本书，每天出入库各92册书（该数据根据100万册藏量，以上海图书馆基藏书库出入库数据得到），运行时间为92分钟×2=184分钟，则一年的运行时间为184分钟×365天=67160分钟≈1119小时；每台堆垛机功率为30kW，故设备运营电力成本为：30kW×1119小时×1元/kW·h≈3.36万元。

无巷道AS/RS设备用电为机器人以及服务器系统运营，根据设备供应商估算，100万册藏书量的库房一天需约耗电60度，即60/kW·h，故设备运行电力成本为：60/kW·h×1元/kW·h×365天=2.19万元。

（4）设备维护成本

普通书库及密集书架基本上无设备维护成本（可忽略不计）。常规AS/RS与无巷道AS/RS设备维护成本按设备购置费的3%计算，约为31.5万元/年。

（5）人力成本

普通书库的人工计算：以上海图书馆基藏书库为例，对于一个拥有40万册馆藏量的书库，负责出入库的工作人员数量约为2～8名，此处按照平均值5人进行计算。若将此比例扩大至一个拥有100万册馆藏量的书库，根据这个比例关系，所需进行人工计算的工作人员数量约为12人。这一估计是在工作效率和精度保持不变、工作人员的技能水平和工作效率没有随着馆藏量的增加而改变的情况下得出的。

高密度自动仓储书库的人工计算：国外的研究表明，高密度自动仓储书库所需工作人员为每百万册文献约2～4人，本文取中间值以每百万册文献需3名工作人员计算[7]。

以上海地区某一图书馆为例，图书的分拣与整理工作通常采用项目外包方式。每个工作人员外包费用为每年9万元。由此得出固定书架、密集书架、常规AS/RS、无巷道AS/RS的人工费分别为108万/年、108万/年、27万/年、27万/年。

综上，100万册藏量四种不同存储方式营运支出成本估算结果，参见表7。

表7 100万册藏量四种不同存储方式运营支出成本费用

4.综合分析

（1）存储特点

四种存储方式的存储特点汇总分析，参见表8。从表中数据可知，无巷道AS/RS的馆藏密度最高，其建设难度略高于固定书架与密集书架，但低于常规AS/RS。在利旧书库改造方面，无巷道AS/RS具有改造难度低、改造空间大的优点。同时，基于自动化仓储系统的支持，无巷道AS/RS的工作效率也相对较快。

表8 100万册藏量四种不同存储方式存储特点汇总分析

（2）成本支出汇总

100万册藏量在四种不同存储方式下的库房体积、建设成本、运营成本如表9所示。为了综合评估不同存储方式的经济性，基于各类书架系统的使用寿命，考虑资金的时间价值的情况下（假设折现率为5%），折算不同存储方式下平均每年的存储费用，参见表9。从平均每年的存储费用来看，无巷道AS/RS在使用寿命期内的年均成本最低，表现出最佳的经济效益。

表9 100万册藏量四种不同存储方式成本支出汇总

四、结语

无巷道AS/RS的问世为解决图书馆馆藏空间不足的问题提供了全新的思路。这种存储系统具有高科技含量，存储密度大，存取速度快，建造难度相对较低且自由度高的特点，同时从建设成本和运营成本综合考虑，其总体成本也最为低廉，相较于目前常用的存储设备具有明显的优势。无巷道AS/RS不仅在图书馆传统保存保障方面具有更大的价值，而且在网借服务以及智慧书房等领域也将会有更加出色的应用前景。期待国内图书馆首个无巷道AS/RS应用案例的出现，为推动图书馆事业的发展做出积极的贡献。

参考文献:

[1]VanDuinkerken,Wyoma.Library storage facilities:from planning to construction to operation[M].Cambridge.MA:Chandos Publishing,2019:4.

[2]肖容梅.高密度自动仓储书库:并非高不可攀——几种不同文献储存方式的建设与运营成本比较研究[J].国家图书馆学刊, 2014, 23(4): 28-35.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.图书馆建设设计规范:JGJ38-2015[S].北京：住房和城乡建设部,2015:5.28.

[4]许晓霞,高清.苏州第二图书馆总体功能定位研究[J].新世纪图书馆,2016(3):68-72.

[5]徐涛.构建长江三角洲区域公共图书馆文献合作存储中心研究[J].图书馆理论与实践, 2021(5): 84-89+116.

[6]住房和城乡建设部工程质量安全监督司,中国建筑标准设计研究院.2009全国民用建筑

工程设计技术措施:电气[M].北京:中国计划出版社,2009:15.

[7]肖容梅.高密度自动仓储书库:并非高不可攀——几种不同文献储存方式的建设与运营成本比较研究[J].国家图书馆学刊, 2014, 23(4): 28-35.

来源：物流技术与应用杂志