葉杭璐，何利力

(浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院,浙江 杭州 310018)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)技術(shù)、人工智能在物流倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，物流與倉(cāng)儲(chǔ)已逐步實(shí)現(xiàn)了智慧供應(yīng)、智慧倉(cāng)儲(chǔ)、智慧生產(chǎn)、智慧園區(qū)、智慧銷售等各垂直領(lǐng)域的智慧化，以智慧物流平臺(tái)為載體，實(shí)現(xiàn)了智慧決策、智能運(yùn)行、高效管控的智慧物流體系[1]。

傳統(tǒng)倉(cāng)庫(kù)的管理自動(dòng)化程度低，常使用人工采集和紙張等方式來(lái)記錄貨物的狀態(tài)，效率低下。隨著倉(cāng)儲(chǔ)管理物資種類的增加和設(shè)備的自動(dòng)化發(fā)展，對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的要求大幅提高，傳統(tǒng)的入庫(kù)作業(yè)流程已經(jīng)不能滿足當(dāng)前倉(cāng)儲(chǔ)管理高效率的要求。雖然自20世紀(jì)50年代后期， AGV小車、自動(dòng)分揀機(jī)器人、自動(dòng)識(shí)別等技術(shù)逐步推動(dòng)著智慧倉(cāng)儲(chǔ)的發(fā)展，但是在大多數(shù)倉(cāng)儲(chǔ)管理中，仍采用條形碼作為貨物識(shí)別的載體。該方法識(shí)別距離短，識(shí)別效率不高，識(shí)別區(qū)域易受污漬污染，已無(wú)法滿足現(xiàn)代化倉(cāng)儲(chǔ)管理的需求。

本文引入數(shù)字載體技術(shù)，基于射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)設(shè)計(jì)倉(cāng)儲(chǔ)管理平臺(tái)，解決了傳統(tǒng)制造車間管理流程中，數(shù)據(jù)采集困難且容易出錯(cuò)的問題[2]。依照物資同一性、類似性、互補(bǔ)性、先進(jìn)先出等原則，智能分析庫(kù)容，讓合適的貨物存放在合適的貨位且處于監(jiān)控狀態(tài)。此外，本文采用Flexsim軟件建立生產(chǎn)制造倉(cāng)儲(chǔ)車間模型，分析仿真輸出結(jié)果，找到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的瓶頸，提高了倉(cāng)庫(kù)運(yùn)作效率，節(jié)約了運(yùn)作成本。

1 智慧倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 智慧倉(cāng)儲(chǔ)

智慧倉(cāng)儲(chǔ)物流[3]是智慧制造的關(guān)鍵部分，其將傳統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)車間現(xiàn)場(chǎng)位置分散的人員和雜亂的信息相結(jié)合，使企業(yè)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。智慧倉(cāng)儲(chǔ)物流以更加柔性且維護(hù)成本更低的樓庫(kù)存儲(chǔ)方式代替剛性且使用維護(hù)成本高的高架庫(kù)，以更加柔性智能的移動(dòng)機(jī)器人代替有人叉車，以更可靠的設(shè)備取代易出現(xiàn)單點(diǎn)故障的傳統(tǒng)設(shè)備，以結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、控制智能、維護(hù)容易的智能化設(shè)備代替結(jié)構(gòu)復(fù)雜且維護(hù)專業(yè)化高的傳統(tǒng)設(shè)備[4]。

傳統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)物流主要以人工記錄的方式記錄并存儲(chǔ)信息，不僅效率低下，且在信息統(tǒng)計(jì)的過程中存在誤差大、成本高的問題。數(shù)字載體技術(shù)的引進(jìn)[5]可提高貨物在出入庫(kù)等環(huán)節(jié)過程中的識(shí)別率，方便對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)貨物的可視化管理，同時(shí)也增加了制造物流中整個(gè)工作流程的透明度，提升倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化水平和倉(cāng)儲(chǔ)管理的運(yùn)作效率，對(duì)企業(yè)物流倉(cāng)儲(chǔ)管理水平的進(jìn)一步提升有重要意義[6]。

1.2 基于RFID的倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)

RFID技術(shù)是一種通過識(shí)別射頻信號(hào)，經(jīng)空間耦合來(lái)進(jìn)行無(wú)接觸的信息傳輸?shù)募夹g(shù)，其識(shí)別距離長(zhǎng)，體積小，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大，可重復(fù)使用。RFID系統(tǒng)中閱讀器通過發(fā)射天線將讀取到的標(biāo)簽中的信號(hào)發(fā)送，發(fā)送的載波信號(hào)經(jīng)解調(diào)解碼后傳送到接收天線，計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件中的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通過邏輯運(yùn)算判斷標(biāo)簽的有效性，然后根據(jù)不同的設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出命令信號(hào)[7-10]。

本文設(shè)計(jì)了包括管理層、中間件層和物理層的基于RFID的倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 基于RFID的倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)Figure 1. RFID-based warehouse management system

管理層主要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)流程進(jìn)行控制，負(fù)責(zé)智慧倉(cāng)儲(chǔ)入庫(kù)管理系統(tǒng)的信息管理和設(shè)備調(diào)度，完成入庫(kù)作業(yè)的查詢、統(tǒng)計(jì)、分配作業(yè)調(diào)度等功能。

中間件層為RFID的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的集成，其負(fù)責(zé)將物理層采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中[11]。中間件層通過對(duì)系統(tǒng)的信息進(jìn)行中轉(zhuǎn)，接收來(lái)自管理層的調(diào)度指令，根據(jù)所發(fā)送的內(nèi)容完成任務(wù)，及時(shí)將信息傳送給物理層，具有較強(qiáng)的實(shí)施能力和處理效率。

物理層負(fù)責(zé)將RFID設(shè)備及其他物流設(shè)備在入庫(kù)作業(yè)中進(jìn)行部署，主要用于數(shù)據(jù)采集及對(duì)貨物標(biāo)簽信息的快速識(shí)別。其能夠接收管理層的指令，將作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的信息進(jìn)行快速傳送[12]。

2 智慧倉(cāng)儲(chǔ)的入庫(kù)優(yōu)化

倉(cāng)儲(chǔ)的入庫(kù)主要是對(duì)進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)的貨物進(jìn)行盤點(diǎn)，確認(rèn)貨物的數(shù)量、種類等各項(xiàng)具體的數(shù)據(jù)。本文以生產(chǎn)制造車間的智慧倉(cāng)儲(chǔ)的入庫(kù)流程為例介紹入庫(kù)流程。

2.1 傳統(tǒng)入庫(kù)流程

傳統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)物流管理通過人工記錄的方式對(duì)指定地點(diǎn)的貨物進(jìn)行記錄[13]。在這種管理模式下，倉(cāng)庫(kù)的空間利用不能被提前規(guī)劃，產(chǎn)品信息的準(zhǔn)確性和完整性也不能通過傳統(tǒng)的記錄或條形碼來(lái)保證，時(shí)間成本過高，記錄信息過程出錯(cuò)率較高[14]。傳統(tǒng)入庫(kù)流程如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)入庫(kù)流程圖Figure 2. Flow chart of traditional storage

傳統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)方式容易導(dǎo)致地點(diǎn)沖突，增加物料數(shù)量誤差，產(chǎn)生分類錯(cuò)誤[15]，進(jìn)而影響整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

2.2 基于RFID的倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的入庫(kù)流程

針對(duì)傳統(tǒng)入庫(kù)流程中存在的問題，本文在物流倉(cāng)儲(chǔ)管理中引入數(shù)字載體技術(shù)，對(duì)入庫(kù)流程進(jìn)行改進(jìn)，具體入庫(kù)流程如圖3所示。

圖3 基于RFID倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的入庫(kù)流程圖Figure 3. Flow chart of warehousing based on RFID warehouse management system

在貨物的原倉(cāng)庫(kù)將車輛信息、貨物清單、具體信息等錄入電腦系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)軟件形成相關(guān)的RFID標(biāo)簽信息，然后將標(biāo)簽嵌入每一類產(chǎn)品包裝上[16]。當(dāng)商品到達(dá)入庫(kù)區(qū)時(shí)，通過RFID閱讀器進(jìn)行掃描，RFID倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)在接收到信息后進(jìn)行信息同步，同時(shí)WMS在系統(tǒng)中對(duì)庫(kù)區(qū)進(jìn)行規(guī)劃與分配。當(dāng)貨物的信息被確認(rèn)無(wú)誤后，貨物到達(dá)入庫(kù)區(qū)，RFID倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)對(duì)物品上的RFID標(biāo)簽進(jìn)行掃描，并根據(jù)WMS系統(tǒng)[9]中的貨位分配生成目標(biāo)貨架。貨物到達(dá)驗(yàn)收區(qū)后，庫(kù)區(qū)入口處的閱讀器掃描識(shí)別入庫(kù)貨物信息，系統(tǒng)將讀取到的數(shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，若信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的一致，則將相關(guān)指令發(fā)送給WCS系統(tǒng)。此時(shí)拆垛機(jī)器人、AGV小車根據(jù)系統(tǒng)的路徑規(guī)劃將貨物移動(dòng)到指定位置，同時(shí)在WMS系統(tǒng)中生成入庫(kù)清單信息。

若出現(xiàn)RFID信息讀取異常的情況，則異常貨物將被移至RFID異常處理區(qū)進(jìn)行處理，同時(shí)在異常處理區(qū)的WMS終端系統(tǒng)提供給異常處理人員該異常貨物的相關(guān)信息，包括入庫(kù)單等信息。異常處理人員則根據(jù)異常信息進(jìn)行處理。當(dāng)異常處理完成后，異常處理人員可在WMS終端系統(tǒng)上發(fā)起入庫(kù)指令，隨后WMS系統(tǒng)調(diào)配移載機(jī)器人將貨物運(yùn)輸入庫(kù)[17]。

3 仿真模型運(yùn)行及結(jié)果分析

本研究以車間的物流倉(cāng)儲(chǔ)入庫(kù)區(qū)部分為設(shè)計(jì)原型，通過Flexsim仿真平臺(tái)[18]，以物流配送作業(yè)流程順序?yàn)樗悸?，按入?kù)區(qū)、驗(yàn)貨區(qū)、暫存區(qū)的順序，擬合和構(gòu)建系統(tǒng)中與每個(gè)實(shí)體關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，搭建了入庫(kù)流程的仿真模型。模型的主要設(shè)備配置參數(shù)如表1所示。

表1 主要設(shè)備配置參數(shù)

入庫(kù)區(qū)仿真模型設(shè)計(jì)思路是將庫(kù)區(qū)分為上、中、下3部分：上部包括兩個(gè)入庫(kù)口、兩處接駁裝置和兩處貨物緩存區(qū)以及RFID異常處理區(qū)；中部包括貨物暫存區(qū)和空貨架暫存區(qū)；下部包括兩個(gè)貨架庫(kù)區(qū)。AGV小車根據(jù)設(shè)定的位置遍布整個(gè)區(qū)域內(nèi)。入庫(kù)流程的模型設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 Flexsim入庫(kù)流程仿真模型圖Figure 4. Simulation model diagram of Flexsim storage process

本文基于RFID的倉(cāng)儲(chǔ)物流管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)工作的流程為：當(dāng)原料物資到達(dá)倉(cāng)庫(kù)時(shí)，貨車運(yùn)送貨物到達(dá)入庫(kù)口，入庫(kù)口設(shè)置雙排鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)用于輸送貨物。雙道移動(dòng)接駁裝置能夠一次接駁8箱4垛，移動(dòng)接駁裝置通過光電管分檔調(diào)整高度，然后與物資運(yùn)送車的鏈條機(jī)對(duì)接。貨物被放在輸送機(jī)上向庫(kù)區(qū)內(nèi)運(yùn)送，拆垛機(jī)器人拆垛時(shí)抓取貨物到鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)的末端RFID讀寫器處讀取RFID信息，同時(shí)將讀取到的信息傳到RFID倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)，進(jìn)行車輛、貨物信息等核對(duì)。讀取完成后，拆垛機(jī)器人將貨物放至拆垛緩存工位上。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)起入庫(kù)指令時(shí)，拆垛機(jī)器人從緩存工位上抓取貨物，讀取RFID信息，并與對(duì)應(yīng)的貨架條碼進(jìn)行信息綁定，將信息傳到入庫(kù)管理系統(tǒng)。入庫(kù)管理系統(tǒng)根據(jù)貨位分配，調(diào)度移載機(jī)器人進(jìn)行工作，進(jìn)行物資搬運(yùn)，該過程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。若過程中出現(xiàn)RFID異常情況，移載機(jī)器人將該箱貨物運(yùn)輸至RFID異常處理區(qū)。

假設(shè)系統(tǒng)中的1個(gè)單位仿真時(shí)間相當(dāng)于實(shí)際的1 s。為模擬實(shí)際倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行24 h的情況，設(shè)置仿真時(shí)間為86 400個(gè)單位。將時(shí)間設(shè)置好后進(jìn)行重置和運(yùn)行，當(dāng)模型運(yùn)行24 h結(jié)束后，對(duì)模型中的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。仿真結(jié)果如圖5～圖9所示。

圖5 入庫(kù)1處貨物入庫(kù)量Figure 5. Quantity of goods in storage at location 1

圖6 入庫(kù)2處貨物入庫(kù)量Figure 6. Quantity of goods in storage at location 2

圖7 入庫(kù)拆垛機(jī)器人利用率動(dòng)態(tài)餅狀圖Figure 7. Dynamic pie chart of the utilization rate of warehousing and destacking robots

圖8 入庫(kù)AGV總利用率動(dòng)態(tài)餅狀圖Figure 8. Dynamic pie chart of total utilization of incoming AGVs

圖9 入庫(kù)各AGV利用率動(dòng)態(tài)餅狀圖Figure 9. Dynamic pie chart of the utilization rate of each AGV in storage

根據(jù)仿真結(jié)果可知，當(dāng)一個(gè)仿真周期結(jié)束，入庫(kù)1和入庫(kù)2處的入庫(kù)量分別為2 876箱和2 880箱，入庫(kù)口的拆垛機(jī)器人的工作效率分別為59.84%和60.04%，兩臺(tái)拆垛機(jī)器人在入庫(kù)作業(yè)時(shí)作業(yè)均勻，利用率較高。而由圖8和圖9可得，仿真模型中AGV總利用率達(dá)71%，而AGV11和AGV12的利用率分別為36.80%和18.75%，利用率不足50%。這是因?yàn)樵O(shè)備數(shù)量過多，導(dǎo)致部分設(shè)備利用率不高。由此可知，設(shè)備的閑置容易造成資源的浪費(fèi)。

在系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中，可根據(jù)訂單貨物量設(shè)置庫(kù)區(qū)中運(yùn)行的AGV的數(shù)量，減少設(shè)備的空載運(yùn)行時(shí)間，從而提升庫(kù)區(qū)入庫(kù)流程的工作效率，降低空載運(yùn)行時(shí)的能源消耗，節(jié)約生產(chǎn)成本。

本文通過Flexsim的物流作業(yè)仿真，虛擬再現(xiàn)了入庫(kù)作業(yè)實(shí)際的過程，可在較短時(shí)間條件下對(duì)模型實(shí)體進(jìn)行優(yōu)化。該結(jié)果對(duì)于實(shí)際倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)作、改進(jìn)起到一定的理論支持作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以生產(chǎn)制造車間的倉(cāng)儲(chǔ)的入庫(kù)作業(yè)為對(duì)象，將RFID技術(shù)應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)管理中。本文根據(jù)管理層、中間層、物理層3方面的設(shè)計(jì)，構(gòu)建基于RFID的倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的體系架構(gòu)，并將其應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)管理的入庫(kù)流程中，解決了傳統(tǒng)物流入庫(kù)流程中存在數(shù)據(jù)采集慢、準(zhǔn)確率低的問題。本文利用Flexsim軟件建立了入庫(kù)仿真模型，通過建立入庫(kù)的各個(gè)模塊，直觀地了解了系統(tǒng)的運(yùn)作，對(duì)真正的倉(cāng)儲(chǔ)入庫(kù)系統(tǒng)的運(yùn)行具有實(shí)質(zhì)性的指導(dǎo)意義。但本研究對(duì)入庫(kù)流程的功能研究還有很多不足之處，在今后需要進(jìn)行更深入、全面的分析和研究。