国家标准 (GB/18354—2001) 将流通加工定义为:物品在从生产地到使用地的过程中, 根据需要施加包装、分割、计量、组装、价格贴附、标签贴附、商品检验等简单作业的总称[1]。流通加工是发生在仓储中的生产加工, 能为生产企业弥补生产的不足, 完善产品的流通, 满足客户的多样化需求, 并节省相当可观的人力和时间成本, 同时也能丰富仓储中的物流增值服务, 创造丰厚的利润。

工业园区是划定一定范围的土地, 通过详细规划聚集若干生产企业, 专供工业设施设置、使用而建设的区域。在工业园区中, 公共仓库是以生产企业群为客户的第三方物流提供仓库租赁服务, 缓解土地资源紧张状况、规避仓库设备的投资风险等[2], 是园区内所有生产企业原材料及成品的存储和管理中心, 并为企业提供产前、产后的流通加工服务。产前流通加工是企业生产时, 根据原料需求计划, 进行原料预处理, 满足生产时原料特殊化要求。产后流通加工是企业销售产品时, 根据销售计划, 进行成品后处理, 满足销售时成品多样化要求。相比普通仓库中的流通加工, 公共仓库中的流通加工不仅要面对消费者的多样化需求, 还要面对生产企业原料的特殊化要求, 最大化的为生产企业解决产前产后麻烦, 节省更多的生产成本, 同时也能挖掘仓库的物流潜力, 创造成倍的价值。在这样的背景下, 越有必要加强公共仓库中流通加工作业管理, 从而达到提高物流效益的目的。

在公共仓库中, 面对园区内不同生产企业的生产和销售需求, 需要提供多品种、小批量、高频率的流通加工作业, 造成传统的流通加工管理面临诸多管理难点。首先, 在识别层, 由于仓储中的物料繁多且杂, 但缺少高效的识别方式, 造成仓储需要大量的人工管理, 不仅费时费力, 且易错遗漏, 大大降低数据采集的准确性、高效性, 导致库存记录不准确和物料信息不透明。尽管有些仓库已采用了条码识别, 但由于条码的识别率低且容易破损等缺点, 造成仓储在识别层仍处于低效状态;其次, 在管理层, 由于现场实时信息复杂多变, 而仓储中数据采集方式相对落后, 造成管理员掌握流通加工的数据信息相对滞后, 导致管理混乱;最后, 在决策层, 由于不能从整体进行数据分析和多而复杂的系统导致实时信息不一致等问题, 造成管理员只能凭借不准确的流通加工信息并结合自己的工作经验来制定流通加工决策, 导致计划混乱、不合理, 甚至无法执行。

射频识别技术 (Radio Frequency Identification, RFID) 是一种新兴的非接触式的自动识别技术, 通过射频信号自动识别目标并获取相关数据, 识别工作无需人工干预, 可工作于各种恶劣环境, 可识别高速运动物体, 并可同时识别多个标签[3]。RFID提供高效而又精确的信息捕捉能力, 使物品状态的实时追踪成为可能, 现已被广泛应用于物流、工业自动化等领域。

本文以公共仓库中的流通加工为研究对象, 在分析流通加工管理难点的基础上, 提出了一套采用条码和RFID混合型应用的物联网技术、托盘级和单品级混合策略、订单拉动的“仓储-制造”的信息联动机制、PC加手持两层智能化模块的管理系统应对流通加工的过程管理, 推动作业区资源的透明化管理, 实现流通加工全流程的精益化联动管理。

基于RFID的电子标签技术已成为企业提高物流供应链管理水平、降低成本、实施企业管理信息化、增强核心竞争能力不可缺少的技术工具和手段。在我国率先将RFID技术应用于仓储管理的是深圳白沙物流[4]。王刚等分析了RFID技术在物流中的典型应用模式, 还详尽分析了一种面向物流仓储管理的RFID系统的组成、流程和功能[5]。梁家海、黄志雨等, 介绍了RFID技术在仓储管理中的各流程、各环节中应用, 并针对现有仓储管理方面的各种问题, 构建了智能物流仓储管理系统, 以高效率实现仓储物流的出入库管理及库内作业等业务管理, 并对物联网在物流仓储系统中的应用进行了前瞻性研究[6,7]。谢勇等, 将RFID技术与物联网相结合, 利用RFID电子标签作为产品识别的手段, 利用物联网来获取入库产品的详细信息并自动生成入库单, 针对传统入库管理中存在的两大瓶颈问题———产品识别和产品信息获取, 提出了基于物联网的自动入库管理系统的基本原理, 对系统的结构和功能进行了分析[8]。

虽然流通加工作业发生在仓储中, 但并非仓储中的必须作业活动, 所以目前国内外研究学者多把应用于仓储领域的RFID技术研究集中到传统仓储作业上, 比如出/入库作业等。随着销售竞争的日益激烈和用户的个性化、多样化需求, 流通加工越来越显示出它不可替代的重要地位和作用, 部分学者也把目光放在流通加工管理上。黄学成、何远标在基于RFID的物流作业管理中提出了把RFID应用流通加工, 实现智能化管理和最优化加工[9]。董淑华在RFID技术及其在物流中的应用一文中, 提出流通加工管理中应用RFID技术可以实现流水线的自动化和智能化, 从而提高流通加工效率, 节约成本[10]。但这方面的研究很少, 目前也仅仅停留在概念的提出当中, 对硬件部署、软件开发和如何管理流通加工作业流程都没有做出解释。

在公共仓库中, 典型的流通加工作业区是由原料区、流通加工区和成品区三个场地组成。原料区和成品区是仓储区, 分别用来存储原料和成品。流通加工区是生产区, 用来进行流通加工作业。流通加工由三个阶段组成:原材料上线、流通加工作业和成品下线。如图1所示为整个过程的示意图。

图1 流通加工在公共仓库的运作  下载原图

详细的作业流程是: (1) 原材料上线阶段:计划员将客户订单按照原料库存情况制定备料任务, 原料区主管接收备料任务后, 组织人员进行拣料, 并将准备好的原料搬至发货区, 然后再将其搬送至流通加工区; (2) 流通加工作业阶段:计划员将客户订单按照生产线负载情况制定流通加工任务, 生产区主管接收生产任务后, 组织人员进行生产; (3) 成品下线阶段:计划员将客户订单按照成品库存情况制定入库任务, 成品区主管接收任务后, 组织人员将下线的成品先搬至收货区, 最后再将其搬送至成品区库位。

原材料上线阶段存在着以下问题: (1) 由于原料区的库存常采用人工管理, 自动化程度低, 导致库存记录不准确, 计划员很难制定科学的备料任务; (2) 在备料过程中, 由于库存信息不透明, 只能依靠人工经验进行原料拣选, 没有遵守拣选策略中的同一订单尽量用同批次原料、先进先出、尽量少拆分托盘等原则, 造成原料区存管理混乱, 存在着原材料过期失效、同一订单用多个批次的原料和肆意乱拆托盘等问题。

流通加工作业阶段存在着以下问题: (1) 由于生产区的数据采集方式落后, 致使计划员掌握生产区的数据信息相对滞后, 无法制定科学的生产排产计划, 造成各生产线生产负荷不均衡; (2) 假若同一订单被拆分到多条生产线生产时, 计划员因为掌握生产区的信息不及时, 无法准确推算出各生产线在加工此单时应等待的时间, 导致制定拆分计划不合理, 造成各生产线最终完成此单的时间不能相近, 甚至相差很大。

在成品下线阶段, 成品区也存在人工管理, 自动化程度低的问题, 导致库存记录不准确, 仓管员凭借现有的仓储信息并结合自己的工作经验来制定入库决策, 造成成品区管理混乱, 存在着原一条货道能存放下的订单成品, 却分成多条货道存放和同一订单成品分多条货道存放时没有尽量安排在相邻货道上等问题。

以上问题的原因是:决策层中, 缺少备料任务、生产排产和成品入库决策制定的决策系统。应实现 (a) 与仓储管理系统 (WMS) 无缝连接并实时获取两个仓储区的库存情况; (b) 获取流通加工区的实时生产信息; (c) 根据实时的仓储区的库存情况和生产线负载情况制定备料任务、生产排产和成品入库决策。在执行层中, 应解决 (a) 流通加工作业区域缺少可识别标签, 操作工无配备RFID手持终端以记录已执行的任务信息; (b) 操作工与管理员缺少数据信息的实时同步性等问题。

由于公共仓库中复杂、动态的流通加工管理应为高速的耦合系统, 它强调仓储区与生产区之间的准确、有效地协调与合作, 强调决策的自适应性和操作的准确性。从技术角度看, 要使该系统有效运作, 就需要一个高性能的实时信息基础架构进行信息的收集、处理、应用和决策。

根据Huang等[11]提出的AUTOM架构, 并将其应用于本系统。AUTOM是标准的且可扩展的RFID应用架构。它不仅符合ISA-95标准, 并且提供了标准的RFID硬件数据接口[12]。

如图2所示, 阐明了AUTOM解决方案的主要技术层次。最高层级为传统的仓储管理系统 (WMS) 。第二层级为基于RFID的流通加工智能管理系统 (简称流通加工管理系统) , 包括应用层和服务层。其中, WMS通过接口与流通加工管理系统对接, 为其提供实时的库存信息。反之, 流通加工管理系统通过采集现场的实时信息, 报工反写WMS。其余两个层级组成一个基于RFID技术的智能流通加工作业环境, 包括RFID网关层和智能对象层。关于网关层和智能对象层的详细介绍请参考文献[11]。

图3所示为公共仓库中基于RFID的流通加工智能管理系统的整体逻辑设计, 系统根据其功能划分为决策层模块 (图3上半部分) 和执行层模块 (图3下半部分) 。其中, 决策层模块的目标是处理及整合实时数据, 并为各个工作过程做出合理可行的计划决策, 而该模块使用者是流通加工的管理员;执行层模块的目标是收集和转移实时数据, 然后按决策层发布的计划执行工作, 该模块使用者为流通加工作业中的操作员, 例如备料员、搬运工。在流通加工的过程中, RFID设备 (包括被动式流通加工智能对象和主动式流通加工智能对象) 将作为数据存储和数据采集媒介贯穿整个系统。其中, 为原料/成品、托盘和库位等部署RFID标签构建为被动式流通加工智能对象;为搬运工等配备手持RFID读写器构建为主动式流通加工智能对象。下面将详细介绍各模块的功能及数据处理流程。

(1) 流通加工单管理:其功能是收集和存储不同客户的成品需求。该模块收集到客户发出的客户订单后, 会转换需求信息以形成标准的流通加工单并保存。流通加工单包括客户信息、成品类型、数量和发货时间等。

(2) 制定备料任务:在该模块中, 流通加工单与原料区的实时库存信息相结合后作为该模块的输入数据, 输出数据则是每个流通加工单的物料需求计划。计划信息包括:即将拣选的物料类型、批次、货道、数量、所在的托盘编码和流通加工区物料缓存库位等。

(3) 制定生产排产:在该模块中, 流通加工单与流通加工区的实时生产信息相结合后作为该模块的输入数据, 输出数据则是每个流通加工单的生产排产计划。计划信息包括:即将组织生产的生产线编号和生产数量等。

(4) 制定入库决策:在该模块中, 流通加工单与成品区的实时库存信息相结合后作为该模块的输入数据, 输出数据则是每个流通加工单的成品入库计划。计划信息包括:客户信息、成品信息和成品区库位等。

(1) 拣选备料:该模块的使用者为原料区的拣货员。接收备料任务后, 从任务中得到拣选物料信息、库位信息和托盘信息等, 并根据任务提示拣选物料, 然后搬运到流通加工区中对应的物料缓存库位。

(2) 上线生产:该模块的使用者为生产区的生产员工。接收生产任务后, 从任务中得到生产计划, 待原料上线后, 开始组织生产。

图3 流通加工管理系统的工作逻辑  下载原图

图2 信息架构  下载原图

(3) 成品入库:该模块的使用者为成品区的搬运工。接收入库任务后, 从任务中得到成品信息、库位信息等, 并根据任务提示将成品搬运到成品区对应的库位。

该系统采用C#语言和SQL SERVER数据库进行开发, 包括两个模块:智能决策规划模块 (制定各类流通加工作业决策) 和RFID智能手持执行模块 (执行具体的流通加工管理任务) 。其中智能决策规划模块是B/S结构, RFID智能手持执行模块是C/S结构。

该模块主要为执行层制定各种流通加工任务并实时监控任务执行情况及相关流通加工信息。所有流通加工任务的制定都是根据实时的流通加工信息, 一方面保证任务执行的可行性, 另一方面实现对动态变化快速反应。该模块主要包括以下子模块:基本资料管理、流通加工单管理、备料管理、生产排产管理、成品入库管理和统计查询等。

(1) 基本资料管理子模块。主要实现如货物、库位、托盘、生产线、员工等流通加工基础信息的录入、修改和删除。在输入各类基础信息之前, 需要首先定义各类基础信息的类型。

(2) 流通加工单管理子模块。主要实现将客户订单自动转换成标准需求的流通加工单。计划员首先接收到销售部发来的客户订单, 然后批量将客户订单导入系统, 自动根据已制定的标准流通加工单格式转换并保存。

(3) 备料管理子模块。主要实现将流通加工单分配成备料任务, 并可实时查询备料任务和其执行情况。计划员首先按日期下载需要加工的流通加工单, 然后系统按照拣料策略 (同单同批次、先进先出和尽量少拆托盘等原则) 和原料库存信息自动匹配原料出库库位和托盘号, 将流通加工单分配为备料任务, 并发布给执行者。

(4) 生产排产管理子模块。主要实现将流通加工单分配成生产任务, 并进行排产且可实时查询生产任务和其执行情况。计划员首先按日期下载需要加工的流通加工单, 然后系统按照排产策略 (同单同线、生产准时和生产线负载均衡等原则) 和生产区生产信息自动将流通加工单制定成生产排产计划, 并发布给执行者。

(5) 成品入库管理子模块。主要实现将流通加工单分配成成品入库任务, 并可实时查询成品入库任务和其执行情况。计划员首先按日期下载已排产的流通加工单, 然后系统按照入库策略 (同单同库位和同单放相邻货道等原则) 和成品库存信息自动匹配入库库位, 将流通加工单分配为成品入库任务, 并发布给执行者。

(6) 统计查询子模块。主要实现对流通加工资源和操作的统计查询。由于RFID技术的支持, 所有的统计查询数据都是实时的 (为动态决策提供了数据基础) 。

RFID智能手持执行模块主要是执行具体的流通加工管理任务, 并通过手持终端记录已执行的任务信息和实现与管理层的数据信息同步。操作工使用手持RFID读写器下载计划员分配的手持任务。本模块包括拣料作业和成品入库两个子模块。

(1) 拣料作业子模块。该子模块的主要功能是协助备料员在执行拣料作业过程中将物料从原料区搬运到生产区, 分为整盘拣料和拆分托盘拣料, 前者是指将需要拣料的托盘与库位解除绑定, 后者是指从指定的源托盘取出一部分原料放到另外的一个空托盘 (目标托盘) 上拣料。图4为拣料作业流程。下载备料任务后, 备料员根据任务指示找到并核对源托盘, 按照指定的拣料方式执行。

图4 拣料作业流程  下载原图

(2) 成品入库子模块。该子模块的主要功能是协助搬运工在执行成品入库过程中将成品从生产区搬运到成品区。图5为成品入库作业流程。下载入库任务后, 搬运工根据任务指示先将成品与托盘绑定, 再根据入库库位提示, 将托盘搬运到成品区, 绑定到指定库位上。

图5 成品入库作业流程  下载原图

本文旨在为公共仓库中流通加工作业开发一套基于RFID的智能管理系统。在公共仓库中, 面对不同企业提出的各种流通加工需求, 越来越多的流通加工业务在公共仓库中开展, 那么智能的、高效的、精益化的流通加工管理就显得至关重要。由于篇幅原因, 本部分只演示流通加工作业中最重要的拣料作业流程和成品入库流程。

图6 流通加工作业布局图  下载原图

本演示案例的流通加工作业布局图如图6所示。在公共仓库中, 流通加工作业区域由办公区、原料区、流通加工区和成品区四个场所组成, 其中原料区和成品区面积够大, 由货道组成, 流通加工区由物料缓存区和三条生产线组成。图6 (1) 为系统服务器, 部署智能决策规划模块, 由用户1计划员操作, 用来制定各种流通加工决策;图6 (2) 为手持RFID读写器, 部署RFID智能手持执行模块, 由用户2备料员和搬运工操作, 用来执行具体的流通加工作业。作业区的所有流通加工资源都粘贴有RFID/条码二合一标签, 包括物料、库位、托盘等。

演示案例的初始状态为:公共仓库已应用了仓储管理系统 (WMS) 。本演示系统通过接口从WMS获取实时的原料区和成品区库存信息, 并通过采集现场的实时信息, 报工反写WMS。在原料区中有确定的原料存储。

图7 拣货流程演示  下载原图

(1) 计划员使用智能决策规划模块点击下载当天有流通加工需求的流通加工单。

(2) 智能决策规划模块将为流通加工单自动匹配原料拣选库位, 并指定托盘和数量。

(3) 计划员根据备料员的工号发布备料任务。

(4) 在原料区中, 备料员通过手持RFID读写器下载备料任务。

(5) 备料员选定备料任务, 查看任务详细, 根据提示进行拣料。如果托盘是整盘取料, 根据 (5.1) 的拣料方式, 将需要拣料的托盘与库位解除绑定;如果是拆分托盘取料, 根据 (5.2) 的拣料方式, 从指定的源托盘取出一部分原料放到另外的一个空托盘 (目标托盘) 上拣料。

(6) 备料员拣取托盘后, 根据放置库位提示, 将托盘搬运至相应的生产区物料缓存库位, 绑定托盘与库位即可。

图8 成品入库流程演示  下载原图

(1) 计划员使用智能决策规划模块点击下载当天已排产的流通加工单;

(2) 智能决策规划模块将为流通加工单自动匹配入库库位;

(3) 计划员根据搬运工的工号发布成品入库任务;

(4) 在成品区中, 搬运工通过手持RFID读写器下载成品入库任务;

(5) 搬运工选定成品入库任务, 查看任务详细, 根据提示进行成品与托盘的绑定;

(6) 搬运工将托盘物品绑定后, 根据入库库位提示, 将托盘搬运至相应的成品区库位, 绑定托盘与库位即可。

本文探讨了公共仓库中流通加工作业流程中的管理难点, 并针对这些管理难点进行详细的需求分析, 介绍和开发了一套基于RFID的流通加工智能管理系统。本系统不仅解决了公共仓库中各种流通加工关键环节的管理难点, 提高了流通加工作业的管理水平和效率, 且大力推动了RFID等物联网技术在公共仓库中的应用, 同时提出了一种适用于开发智能流通加工管理系统的实时信息基础架构, 为以后的基于物流网技术的流通加工管理研究提供了参考价值。