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    物联网技术在仓库监管系统中的应用——以上海A物流中心为例

      信息来源:   发布时间:2021-11-06  点击数:

    1 引言

    近几年, 随着我国经济的快速发展, 物流业也得到了蓬勃发展。2013年社会物流总额接近200万亿元, 同比增长9.5%左右;物流业增加值达3.9万亿元, 同比增长8%左右, 物流公司数目将近300多万家, 同比增长17%左右。仓储是一种特别形式的内部物流, 是物流运作的一个关键节点, 仓库运作的水平直接影响着整个物流系统效能。信息化的发展使每个物流企业都有一套自己的仓储管理系统 (WMS) , 但大部分仅停留在人工信息化阶段 (即对入库、出库、加工、盘点、调拨及档案管理等操作进行人工干预, 相应干预包括输入数据、定义并打印相关报表等) 。这使我国物流行业物流中心普遍存在资源应用不合理、工作效率低、货物进出管理混乱等众多问题, 这些都成了物流业快速发展的拦路虎。如何开发一种仓库立体自动控制系统, 实现配送中心仓库的高效、自动化管理已迫在眉捷。物联网技术和三维图形技术在现代仓库管理系统中的运用, 可以提高仓库运作和管理的工作效率, 大大减少仓库运作的成本, 从而实现仓储管理自动化, 是非常值得研究的。

    2 仓库监管系统整体构架

    基于物联网技术的仓库监管系统可以分为叉车业务子系统、网络通讯子系统和三维图形监控子系统三个子系统, 如图1所示。其中叉车业务子系统部分由RFID读写系统和车载系统组成, 需要完成3个工作:RFID标签数据采集、车载系统指导工人进行仓库作业和数据发送程序将数据传送到后台;网络通讯子系统部分用于接收和缓存来自车载系统的数据, 然后根据请求分发给后台监控系;三维图形监控子系统部分从网络通讯模块和仓库管理系统获取仓库内的实时数据, 然后显示一个即时运算的三维仓库。

    2.1 叉车业务子系统

    叉车业务子系统包括叉车定位、上架、补货、拣货、出货等功能。通过读取地面下埋藏的标签, 进行叉车定位;通过托盘上和货架上的RFID标签, 自动核对商品和货位信息, 并在车载终端上直观的显示出来。而与后台数据库的连接, 使仓库中的所有运作都能在数据库中自动确认和完成, 提高了工作效率, 使管理人员能更快掌握仓库运作情况。

    (1) 基于RFID技术的空间定位系统。传统仓库中的活动对象有很多:人、货物、叉车。其中需要定位的是货物和叉车。由于货物并不会自己移动, 需要叉车去运送, 所以, 仓库中的空间定位主要就是对叉车的定位。GPS通过接收4颗以上定位卫星的信号, 计算出自身的经度、纬度和高度, 同时利用RFID可在一定距离外被读取的特性, 将标签放置在需要被定位的点上, 使用装载在叉车上的读写器进行读取, 就可以知道当前叉车的位置了。

    图1 系统整体架构图

    图1 系统整体架构图  下载原图


    (2) 托盘的RFID改造和跟踪。在传统仓库中, 托盘是作为货物的载体。仓库中存放的货物首先被安放在托盘上, 然后由叉车放置到规定的储位上。由于托盘不会自己移动, 所以跟踪托盘就变成了定位铲着托盘的叉车了。为了让叉车可以读取到托盘, 就必须在托盘上安装RFID标签, 考虑到普通的托盘只有2侧可以被叉车叉头插入, 所以只需要为一个托盘安装2个标签就可以了。对于特殊的托盘, 则根据实际的需求进行改造。

    (3) 智能车载系统。智能车载系统可以分为硬件和软件2部分。硬件方面包括一个智能车载系统和RFID读写器、RFID天线、车载电源、车载电脑和网络设备。软件是智能车载系统最重要的部分, 也是叉车业务系统“智能”的地方, 车载软件主要分以下几个模块:

    ①RFID标签读取模块。叉车在仓库内作业, 安装在叉车叉头末端和叉车底部的RFID读写器天线会不停的读取安置在仓库地面、货架、托盘上的标签。车载程序必须按照读写器读取标签的频率从读写器获取当前读到的标签信息。

    ②通讯模块。通讯模块负责将读取到的RFID标签信息。叉车当前的状态 (上架、下架、移动、待机) 信息按照一定的通讯协议通过无线网络发送到通讯服务器。后台监控系统从通讯服务器获取这些数据, 进行处理后, 通过三维图形将仓库的当前状态显示出来。

    ③上下架业务模块。当切换到此模块时, 工人可以随机从待上架区选择一个待上架的托盘, RFID标签读取模块从托盘读取该托盘的标签, 查询数据库中该托盘应该放置的位置。然后将这些信息显示在车载屏幕上, 指导工人完成上架操作。

    ④车载导航模块。这个模块会根据叉车当前的任务和位置, 给出路径建议, 引导叉车开到正确货架区域和卸货区域。

    2.2 通讯子系统

    通讯子系统是连接前端叉车业务系统和后端监控系统及仓库管理系统的桥梁。安全可靠的通讯是保证整个系统平稳运行的关键。硬件是构建网络通讯子系统的基础。通常情况下, 仓库都非常大, 而且内部装修、通道各不相同。在这样的一个建筑内, 要保证叉车、手持终端等设备在任何一个位置都能和后台连接, 最好的解决方案就是使用基于802.11的无线网络, 根据实际需求在仓库中安装一个或多个无线接入点 (AP) , 就可以保证仓库内无线网络的全覆盖了。

    2.3 三维图形监控子系统

    三维图形监控子系统可在屏幕上即时生成三维画面, 通过访问仓库管理系统 (WMS) 数据库, 绘制仓库当前库存状态;并通过访问通讯子系统获取叉车运行状态, 反映在后台的三维监控画面上。结合RFID车载终端仓库业务操作系统, 可方便的监控叉车的上架、下架等工作。

    (1) 三维仓库监控子系统的程序构成。三维仓库监管系统模块构成如图2所示:

    ①模型库。仓库中有很多对象:仓库地板、墙壁、货架、托盘、货物、叉车等, 凡是在程序中需要显示出来的物体, 都需要事先做好相应的模型。

    ②记录仓库三维场景资料的数据库。程序在启动的时候, 必须把仓库先画到屏幕上。仓库中所有的物体均有一个初始的状态 (位置、方向、大小) 。考虑到仓库中的物品数量非常巨大, 所以必须有一个数据库用来记录这些信息, 当程序在运行的时候, 也需要不停的更新这些信息, 以供关闭程序后, 再次打开时使用。

    图2 监控子系统构成图

    图2 监控子系统构成图  下载原图


    ③网络通讯模块。其负责从通讯服务器获取来自叉车业务子系统的实时数据, 叉车驱动模块通过分析这些数据, 将仓库实时的情况显示在监控屏幕上。

    ④叉车驱动模块。其负责分析网络通讯模块从通讯子系统获取的来自叉车业务系统的指令数据, 然后驱动叉车在三维场景中运动。

    ⑤人机交互模块。在二维的屏幕上显示三维的图像。只能从某一个角度察看仓库的情况。为了能看到整个仓库的实时情况, 可以通过拖拽鼠标或使用鼠标滚轮等方式旋转、放大和缩小画面;使用方向箭头或锁定物体的方式更改监视对象。

    3 案例研究

    3.1 A物流企业背景

    上海A物流中心是A集团物流事业部直属部门, 公司主营集团连锁大卖场的门店配送, 并兼顾相关供应商的物流要求。上海A物流仓库总面积约为6000㎡, 其中非货架区域约为3000㎡, 拥有托盘4000个, 叉车4台, 装备货架总共包含2500个储位 (可以放置2500个托盘的货物) 。其相关物流业务内见表1。

    对A物流中心仓库进行智能仓库监管系统升级的目的是减少该仓库在操作成本上的支出, 提高仓库运作效率及业务精度。通过RFID空间定位、对象识别和三维图形监控系统实现仓库的空间管理, 商品自动识别与跟踪管理。在此基础上对原有业务操作流程进行再造, 最终实现提高仓储运作与管理的工作效率。

    3.2 A物流中心监管系统构成与功能

    整个系统由智能叉车业务系统、手持终端无纸化收货系统、通讯服务程序、三维图形监控系统和原有仓库管理系统五个部分构成, 如图3所示。

    (1) 智能叉车业务系统。A物流中心使用的智能叉车业务系统硬件是在普通的电动叉车上进行改装的。在叉车上安装RFID读写器, 并且连接2个天线, 分别用于读取托盘、货架以及地标。一个安装在叉头末端 (靠近驾驶室侧) , 另一个固定在车身底部。在叉车驾驶室前方安装车载终端, 用于显示业务提示信息。智能叉车业务系统主要完成上架和下架两个环节。上架业务过程如下:

    ①在叉车终端屏幕上程序中单击“上架”后, 屏幕上显示“请去铲正确的货物”, 并去铲托盘。

        下载原表

    (单位:万箱/日)

    表1 A物流中心相关物流业务
    图3 A物流中心监管系统构成图

    图3 A物流中心监管系统构成图  下载原图


    ②叉车终端屏幕上给出一个存放此托盘的Rack_id。

    ③操作人员开动叉车, 寻找正确的位置。

    ④当叉车开到货架前 (此时reader会同时读到托盘标签和货架标签, 据此判断货架位置是否正确) , 如果货架位置正确, 叉车上终端屏幕会给出绿色信息提示, 如果位置不正确, 叉车上终端屏幕会显示出红色信息提示。

    ⑤当确定货架位置正确后, 进行上架操作, (当reader扫不到pallet_id时, 证明已经把货物放下) 。

    ⑥操作完成后, 叉车终端屏幕显示“上架信息保存成功”。同时插入数据库一条日志信息。

    下架业务过程同上架业务类似, 在此不再赘述。

    (2) 手持终端无纸化收货系统。该监控系统完成的是将送来的货物信息和托盘信息进行关联, 并且提交到数据库的事务。整个过程通过带有RFID读写器的手持终端完成, 不需要任何的纸张。其过程如下:

    ①收货人员收到一张预收货单。

    ②使用RFID手持数据终端设备, 对照手持终端上显示的预收货信息 (单品码、包装细数、单位、重量、长、宽、高、预收数量、实收数量、生产日期等) , 找到堆放这些货物的托盘 (Pallet) 。如果实际收货数量与预收货数量不符, 收货人员可对实收货数量进行修改。

    ③随后收货人员对托盘上的RFID电子标签进行扫描, 使标签与托盘建立关系。

    ④上述现场操作结束并得到确认后, RFID手持数据终端将实收货信息与托盘标签信息自动送到仓库管理信息系统。

    (3) 通讯服务系统。通讯服务程序被安装在一个独立的服务器中。它以被动方式工作, 即不会主动从智能叉车系统获取数据, 也不会主动向三维监控系统发送数据。该程序启动以后, 在该机器拥有的所有地址上开启2个端口, 分别用于发送和接受命令。当服务程序接收到“PUT字符串”指令的时候, 将会接收PUT以后的字符串放到其缓存中, 然后为计数器加l, 将接收到的字符串存放到LOG中。当服务器接收到“GET数字”指令的时候向这个地址返回缓存中数字对应序号的字符串。当服务器接收到“MAX”指令时, 则向发送指令的地址返回当前最大的序号。

    (4) 三维图形监控系统。三维图形监控系统的左侧显示的是当前仓库中的情况, 包括货架上的货物、叉车的位置等.这个程序不停的从通讯服务程序那里获取最新的指令, 移动画面上的叉车:同时每隔一定的时间从仓库管理系统中读取仓库中各储位的货物信息.并且设定到相应的模型属性中去。

    (5) 传统仓库管理系统。传统仓库管理系统是指A物流中心目前正在使用的仓库管理系统。手持终端、智能叉车业务系统、三维图形监控系统都需要和这个系统进行交互。在入库时传统仓库管理系统接收手持终端的收货数据, 为新到的货物进行拆盘、储位分配。然后通过智能叉车业务系统指示工人进行上架操作。出库时, 智能叉车业务系统从仓库管理系统获取待出库货物的信息, 然后根据储位信息指导工人完成下架出货操作。

    4 系统应用效果

    通过在A物流中心仓库使用智能仓库监管系统, 帮助其收货和叉车业务实现无纸化操作。表2是传统模式和升级RFID系统后的KPI指标比较。

        下载原表

    表2 两种模式效率比较

    很明显, 应用了智能仓库监管系统以后, 仓库的工作效率和工作质量明显提高了, 而因为使用了无纸化业务流程, 业务成本则明显减少。在智能叉车控制和三维监控系统的配合下, 即使在业务中出现人为偏差, 在事后也可以通过LOG等手段找到出错点, 进行补救。

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