1 课题研究背景
1.1 工业机器人行业背景
工业多轴机器在制造业的广泛应用，使其成为工业4.0时代的代表。日本的安川电机（YASKAWA）、发那科（FANUC）、德国的库卡（KUKA）、瑞士的ABB四大家族为全球主要的工业机器人供应商，占据全球约50%的市场份额。美的集团于2016年收购了KUKA。在广东顺德建立工厂。2019年10月，ABB位于中国上海的机器人新工厂和研发基地正式破土动工，预计将于2021年投入运营。国际四大品牌机器人的国产化加速，使得昔日高大上的机器人概念不再高不可攀，在今时今日非常适合进入本土各行各业。
1.2 机场行业的同类应用
早在2014年，荷兰航空（KLM）已经开始在阿姆斯特丹机场使用工业机器人替代人工进行行李装卸，该项设备系统在2016前后铺开，目前在阿姆斯特丹机场南楼有6台、希思罗机场T3IB有2台正在运行。
图 1 阿姆斯特丹机场机器人装卸案例
图 2 阿姆斯特丹机场机器人装卸区系统图
该套产品系统由行李缓存区、机器人装卸区以及行李车牵引系统三部分组成，属于行李处理系统里的一个子系统。然而该产品至今未有进一步的发展与推广，主要受限于产品复杂的系统建设、效率问题以及高昂的造价（平均每个工位约150万美元）。
近期，迪拜机场、新加坡机场、深圳机场已经开始了同类项目的建设或研究，这说明发达地区的劳动成本上涨已经迫使这些枢纽机场开始寻求转型。
2 白云机场T1地勤装卸现状
2.1 行李处理系统规模与区域分布
白云机场T1行李装卸大厅区共有44个有效分拣槽口，其中包含4个问题转盘槽口。槽口本身并不受设备限制需区分国内和国际，但从区域上国际/国内槽口按东西划分，中间区域的槽口可按高峰时刻需求切换国际/国内功能。
在T2启用后，T1的行李量下降超过50%，现每天约处理25000件行李。槽口的使用率在50%左右，白天国内高峰使用西侧槽口，夜间国际高峰使用东侧槽口。
图 4 白云机场T1分拣滑槽
2.2 装卸人工劳力情况
2.2.1 队伍现状
长期以来，白云机场一号航站楼的行李地面装卸服务由机场股份公司下属的地勤服务分公司负责。在行李处理大厅内负责将行李装卸至行李拖车的装卸岗位，现在共有67名员工，在正常情况下，每个工人负责一个槽口，而国际大型航班则需要多人保障。
该装卸岗位的底薪是2100+计件工资（国内0.17元/件、国际0.27元每件），平均收入约4000元/月。
随着社会发展，从事单纯重体力劳动的工人从业意愿低，导致招工难、用工成本升高。
大部分装卸队伍成员为70后（40岁以上），80后与90后仅占少数。新进员工为第三方劳务派遣形式，人员流失率大， 2019年12月入职5名员工已离职3名，工作时间仅1至2周时间。（参与本文的地勤公司行李服务部成员于今年1月离职）
2.2.2 工作内容
在正常情况下，装卸工人的作业流程如下
a) 装卸工人首先需要核查槽口行李的条码，识读该件行李属于哪个航班。
b) 从行李条上撕下行李联，贴在对应航班的再确认检查单上。
c) 将行李搬运至对应航班的行李拖车上。
d) 航班的再确认检查单在贴满行李条后，通过高拍仪进行行李再确认核对。
行李装卸作业为单纯的重体力劳动，工人每天搬运强度大，作业人员肌肉、骨骼受损风险高。民航规定允许标准托运行李重量可达到50kg，国内全服务型航班一般允许的免费行李额也可达到20kg，即便按平均每件托运行李10kg计算，一名装卸工人一天的装卸量需达6吨之多，这样才能保证每个月4000元的基本收入。
此外作业空间环境空气质量较差，长时间作业也给工人的身体健康造成威胁。
图 5 白云机场T1在分拣滑槽戴口罩作业的行李装卸员工
2.3 槽口使用问题
一般情况下，国内航班的槽口开放时间为航班计划起飞时间（STD）前200min，直到预计起飞时间（ETD）关闭。而除了晚到的紧急行李，正常行李会在预计起飞时间前35min发车，也就是正常行李的装卸时间区间也达到了165min。
在T2启用之前，T1由于承接超过6000万的客流导致槽口资源不足，高峰时刻每个分拣槽口需要分配2-3个航班行李才能满足航班需求。但在T2启用后，即使T1分拣资源被大幅释放，每个分拣槽口仍被同时分配2个航班进行装卸。这意味着上游的自动行李处理系统在经过复杂的分拣将托运行李按航班分拣后，又人为地在分拣滑槽混合起来，进行二次的人工分拣。
这一明显存在效率问题的现象背后，是地面装卸劳力效率的矛盾导致，下图显示的是2个实际的国内航班在槽口开放时间内的行李到达时间分布情况：
这两个图表显示的是绝大多数航班的行李并不会均匀地抵达出发槽口，超过50%的行李会集中在航班出发时间前120min-90min抵达，形成持续半小时的高峰时段。
行李抵达的高峰时段，每十分钟会抵达10-20件行李，一名装卸工是足够胜任行李的装载作业的，但在槽口开放的大部分低谷时段，装卸工则无所事事。对此，一种资源调配的方式是一名装卸工人需兼顾多个槽口，但要求分拣槽口要有较高的缓存能力。而对于分拣槽口缓存能力较弱的T1来说，则选择了另一种资源调配方式，即将多个已经分拣好的航班行李又混合进一个分拣槽口，错峰叠加。
图 6 T1某分拣槽口单日行李量走势图
这种劳力资源的矛盾导致即使有充足的自动分拣资源和槽口资源，也不能被有效利用。同时，人工二次分拣和行李再确认还存在出错的隐患。
3 使用工业多轴机器人装卸托运行李方案
3.1 综述
3.1.1 方案目的与意义
本方案旨在设计一套将始发托运行李从行李处理系统装卸至行李车上的工业设备，能有效替代现有的地勤装卸岗位，减少纯劳力人工。该套工业设备将由多轴机器人、夹具、体积位置传感器、标签读码器、输送设备组合以及机器视觉算法开发等部分组成。
3.1.2 方案性能指标
a) 每条集装线可在150min内独立处理一个国内航班
b) 根据现场条件，集装线长7810mm，集装人员作业地台宽度790mm。
c) 可为大部分国内出发航班提供行李装车服务，可同时装载2辆行李拖车。
d) 机器人最大装载能力达到20S/件（180件/小时）。
e) 具有足够的行李缓存空间，保证在行李抵达的高峰时刻不会堵塞分拣槽口。
f) 具备行李再确认功能。
g) 可自动识别和处理空筐行李。
h) 具备按行李重量配重能力，即在合理范围内将重量较重的行李置于下层，较轻的行李置于上层。
i) 除特殊情况外，现场人工应在完成行李板车定位后无需其它任何操作。
j) 自动装载成功率：90%以上
k) 系统应对现有行李处理系统及土建改动最小。
3.2 总体布局与组成
结合T1集装区域的现场条件，机器人集装方案布局如下：
图 7 工业机器人装卸行李方案总体布局示意
机器人智能集装系统由行李智能分类模块、缓存输送模块、问题行李处理模块、筐包分离模块、行李筐收集处理系统、行李接取处理站、智能集装机器人模块、行李拖车处理模块、安全防护系统、信息管理与控制系统等组成。
3.2.1 行李智能分类模块
行李智能分类模块由接口水平带式输送机、智能测量站、智能拣选设备及控制系统组成。
接口水平带式输送机与原有分拣机滑槽对接，接取分拣机分拣后的行李；
智能测量站集成动态称量仪、RFID/ATR读码站，可获取行李重量、条码等信息；
智能拣选设备带视觉识别系统，采集行李位姿、体积；
通过智能行李分类算法，按确定分类原则标定行李类别，包括但不限于装筐行李、直立输送行李、侧立输送行李、连包行李、形状不合规行李、无信息行李等；
功能上，可将需要智能集装机器人堆码的行李输送到接取处理站；将需要分类缓存的行李输送到缓存输送线；将问题行李分类到问题行李输送线，问题行李处理后分类到接取处理站；将装筐行李分类到筐包分离工位，筐包分离后，将行李分类到接取处理站。
同时，为满足先重后轻的装卸原则，行李智能分类模块也可与缓存输送模块联动对行李队列进行一定程度的合理排序。
图 8行李智能分类模块
3.2.1.1 行李动态测量
智能拣选设备需要通过3D传感器，对行李体积、外观、空筐状态等的进行一体化测量,这其中可以选择基于3D激光扫描的检测技术，以及基于3D摄像的检测技术。智能测量站将获取行李的体积以及形状信息，尤其是识别行李是否被装在空筐之中，因为空筐需要被分离出来而不能被装载入行李车内。
一般情况下，空筐需为统一和标准产品，将被提前检测和录入信息以便系统能正确识别。同时，被检测到装筐的行李还将被减去空筐重量，以获得正确的重量信息。
图 9 3D传感器视觉下的空筐行李
3.2.2 缓存输送模块
缓存输送模块主要由水平带式输送机、队列带式输送机组成。包括2条静态缓存输送线和2个动态缓存工位；每条静态缓存输送线可至少缓存2件行李；动态缓存工位可用于问题行李缓存及分类行李缓存的临时储存。
图 10缓存输送模块
3.2.3 问题行李处理模块
问题行李处理模块主要由队列带式输送机、操作站组成。问题行李主要包括外形不合规行李（包括拉杆伸出太长、行李筐倒扣输送、无条码等行李），由人工进行对应处理，处理后行李通过智能拣选机器人输送到接取处理站。
图 11问题行李处理模块
3.2.4 行李接取处理站
行李接取处理站由排队输送机、机器视觉系统及控制系统组成。机器人可处理的行李由智能拣选机器人输送到接取处理站，在机器人接取工位通过机器视觉生成行李停位位置及姿态信息；同时将行李的外形尺寸传递给码垛决策系统，使码垛决策系统同步计算码垛时夹具放置行李的位姿；机器人基于行李相对位姿，调整机器人夹具，通过与输送系统的交互与同步，接取行李。
图 12行李接取处理站
3.3.1.2 位姿检测
位姿检测用于检测皮带机上行李的位置、姿态，实现行李位姿在系统坐标系的标定，为机器人工具位姿提供引导信息。
位资检测的技术基础与上游的行李检测技术基础一致，均需要通过3D检测传感技术实现。
图 13 位姿检测系统布局示意
图 14 位姿检测系统点云信息示意
3.2.5 筐包分离模块
筐包分离模块由位姿整形机、筐包分离机、视觉识别系统及控制系统组成。装筐行李由智能拣选机器人输送到位姿整形机，由整形机将行李筐按筐包分离机要求的位姿调整行李筐位置和姿态，并输送到筐包分离机；筐包分离机通过将行李筐翻箱，将行李倾倒到问题行李返回输送线；行李空筐自动输送到空筐堆码机，由空筐堆码机将空筐堆码成垛，输送到人工搬运工位人工取走。
图 15 筐包分离模块
3.2.6 智能集装机器人模块
智能集装机器人模块由机器人夹具、6自由度关节机械臂、地面滑轨、机器视觉系统、控制系统组成。机器人夹具可满足行李各种位姿接取需求，并通过轻量化设计后安装到6自由度关节机械臂球腕；6自由度关节机械臂可完成行李空间位姿调整及避障，按码垛决策系统指定的位置、姿态放置行李；6自由度关节机械臂安装在地面滑轨，通过滑轨移动，实现机械臂在拖车长度方向的作业延伸；由视觉系统对行李在机器人夹具上的位姿等进行监控。
图 16智能集装机器人模块
3.2.6.1 夹具
机器人夹具相当于人类的手一样，是帮助机器人抓取物品的。没装夹具的机器人是做不了什么的，因此夹具的选择非常关键。
虽然夹具的种类十分丰富，但能适合行李装卸场景的夹具选择不多，目前有以下几类：
（a）皮带面承接型夹具
皮带面承接型夹具是使用高精度控制的皮带输送机来接受与释放行李，是目前同类案例应用最多的夹具形式，结构简单造价相对低廉，可以合理应对多种行李。但对于软包或其它易滚行李容易出现滑滚问题。
图 17皮带面承接型夹具
（b）伸缩型夹具
相对其它类型的夹具，伸缩型夹具会更加接近人取放行李的方式，但机械结构较为复杂，造价较高。
图 18 伸缩型接取夹具
（c）吸盘型夹具
吸盘型夹具在物流行业有着广泛应用，主要是利用真空吸盘吸附物件表面，但一般要求表面平整保证吸附面不会形成缝隙，对于行李的多样性工况有待验证。
图 19 吸盘架接取夹具
综合来看，皮带面承接型夹具虽然并不能完美胜任机场行李装卸的所有工况，但其最为成熟与稳定，具备更好的性价比，是本项目首选的夹具形式。
3.2.6.2 视觉识别系统
在机器人上应集成3D检测传感器，对装卸区进行空间扫描，建立空间模型。
3.2.6.2 码垛算法
在已知行李信息（尺寸、重量）的前提下，系统需要规划行李在集装箱码垛垛形，确定码垛顺序与策略。一个基本的码垛原则由行李板车内则向外侧装卸，且较重的行李应置于较轻行李的上方。
图 20 智能码垛图形化界面
3.2.7 行李拖车处理模块
行李拖车处理模块由计算机视觉系统、拖车定位设备组成。人工利用场内拖头将行李拖车拖运到集装工位，启动计算机视觉系统，复核行李拖车坐标、姿态，并扫描行李拖车装载空间，生成机器人码垛空间坐标；机器人码垛过程中，计算机视觉系统实时监控垛形及剩余空间，提供空间信息到码垛决策算法，确保码垛决策合理。
图 21智能集装机器人模块
3.2.7.1 行李车配套
考虑到项目定位于处理国内航班，则需要针对散装板车的装卸进行优化。相对于ULD集装箱装卸，虽然少了鼻位的装卸难度，但散装板车的面积更大，对工业机器人的活动限制形成挑战。
现在白云机场使用的散装板车为后侧装卸，对机器人边角位装卸造成障碍，建议针对项目选用更加合理的侧面装卸车型。
图 22 侧面装卸式的行李拖车
3.2.8 安全防护系统
安全防护系统采用安全格栅将机器人作业空间实现物理隔断，确保设备、人身安全；在行李拖车进、出位置配置快速门，快速门由控制系统实现作业控制。
3.3 运行与操作流程
系统总体处理流程如下图所示：
图 23 处理流程图
4 项目经济性分析
4.1 效率对比
受机器人单元的技术性能（例如，单一装载的循环时间）所限,机器人装载行李的工作速度较人工慢。但是比起人工，它的发挥更为稳定，在长时间工作的状态下，机器人不会因为劳作疲劳或情绪而产生对行李不利的行为。并且在流程上能有效避免行李二次分拣可能出现的错误。
在下一步如果行李处理系统能通过早到系统缓存出发行李并集中发配航班行李至分拣滑槽，机器人装卸的装载量还可以提高至2至3倍。
4.2 财务费用对比
根据2.2的劳力现状调研情况，按个人税后薪酬占企业用工成本65%计算，目前装卸岗位的企业用工成本应为每人7.4万元/年。每个分拣槽口按标准早晚休休的“四班倒”配置的话，则需至少配备4名员工，人工成本则为29.6万元/年。
按每年5%的人工成本增长比例考虑，未来15年的每个分拣槽口装卸岗位的人工成本如下：
设备的合理使用周期一般可达到为15年，考虑维护成本因素，若采购单价低于350万元，则相比人工装卸可具有明显的价格优势
5 结论
当前，复工是物流行业的当务之急，但缺工和招不到工的现象比以往更严重，劳动力短缺仍是制约企业复工的重要因素。物流行业已经意识到重度依赖人工的体系十分脆弱并且风险巨大，自动化、智能化不只是锦上添花的优化手段，更是实打实的帮助企业生存的工具。通过分析各种案例，我们认为部署工业机器人是未来企业发展的必然选择，而且对于疫情结束后的机场地面服务也是如此。
在过去的十年，欧洲国家一直在发展自动装卸托运行李的相关技术，来解决劳动密集型岗位的劳工缺乏问题。这已经带动了相关技术的成熟发展。然而由于高昂的成本，以及仍不到位的集成产品，这块市场一直无法扩展开来。现在随着经济社会发展以及人口老龄化，国内机场已经开始孕育此类需求。作为国家级枢纽机场，白云机场在民航技术上一直有超前发展树立标杆的优良传统。而适度超前地开展此项目，除了能确实地探索解决企业的发展问题外，还有利于白云机场未来在行业内的布局，抢占市场先机，增强在民航业界的话语权。
作者：广州白云国际机场股份有限公司一号航站楼管理分公司 许剑夫
来源：微信-四型机场
