徐 琪

（東華大學(xué)旭日工商管理學(xué)院，上海市 200051）

物流倉儲配送優(yōu)化及其基于射頻識別的可視化運(yùn)作管理

徐 琪

（東華大學(xué)旭日工商管理學(xué)院，上海市 200051）

物流倉儲配送優(yōu)化對于提高整體物流效率具有重要現(xiàn)實意義。射頻識別（RFID）技術(shù)能夠準(zhǔn)確識別貨品、跟蹤整個倉儲配送過程，為提高倉儲配送作業(yè)效率提供可視化服務(wù)管理。文章在探討物流倉儲配送RFID系統(tǒng)配置及其過程描述基礎(chǔ)上，建立了倉儲配送優(yōu)化搬運(yùn)距離模型，給出了一個由RFID物理服務(wù)層、數(shù)據(jù)通信服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯集成服務(wù)層和應(yīng)用服務(wù)層組成的RFID物流倉儲配送可視化運(yùn)作管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。運(yùn)用本文建立的配送搬運(yùn)過程優(yōu)化模型，應(yīng)用RFID過程狀態(tài)信息跟蹤功能，能夠可視化地控制配送搬運(yùn)設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)作，實時將配送揀選狀態(tài)變化信息傳輸?shù)絺}庫管理系統(tǒng)和訂單管理系統(tǒng)，及時更新倉庫和訂單信息，實現(xiàn)物流倉儲配送過程的優(yōu)化并進(jìn)行有效的可視化管理。

倉儲配送；優(yōu)化；RFID；可視化管理

一、引言

物流倉儲配送是對倉庫的出入庫、儲位和配送揀選過程進(jìn)行實時監(jiān)控和管理。在現(xiàn)有物流倉儲配送過程中，常常因物流運(yùn)作過程信息無效或可見性差而導(dǎo)致物流供應(yīng)鏈配送的低效率。因此，物流倉儲配送過程的可視化管理對于提高倉儲作業(yè)效率與資源利用率、降低物流成本、提升客戶服務(wù)水平具有重要意義。[1]基于射頻識別（Radio Frequency Identification，以下簡稱RFID）技術(shù)的物流倉儲配送可視化服務(wù)運(yùn)作管理，能夠通過配送揀選路徑的優(yōu)化和倉位管理的優(yōu)化，運(yùn)用RFID實時跟蹤定位技術(shù)，提高配送揀選效率，同時也為倉儲配送中心計劃維持最佳的倉庫平面、貨架區(qū)劃和貨品定位提供決策支持，縮短配送操作時間，提高倉庫空間利用率。

RFID是一種非接觸式的對產(chǎn)品進(jìn)行自動識別、數(shù)據(jù)采集、跟蹤的技術(shù)。典型的RFID系統(tǒng)一般由射頻電子標(biāo)簽、讀寫器、天線及應(yīng)用系統(tǒng)（包括應(yīng)用接口、傳輸網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)應(yīng)用及管理系統(tǒng)）等構(gòu)成。當(dāng)物品標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器磁場時，接收讀寫器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在標(biāo)簽芯片中的產(chǎn)品信息（無源標(biāo)簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（有源標(biāo)簽），閱讀器讀取信息并解碼后，送至應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。[2]、[3]目前基于RFID射頻技術(shù)，可以識別和跟蹤所有物理對象，提供準(zhǔn)確真實的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)物流信息的實時采集、交換、處理等。

在物流倉儲配送過程中，RFID閱讀器在倉庫入庫口自動采集入庫貨物信息，完成盤點，并傳輸?shù)絉FID應(yīng)用管理系統(tǒng)，更新入庫存儲數(shù)據(jù)。對于在庫貨物，通過貨架上固定的RFID閱讀器自動完成清點作業(yè)，及時更新庫存信息，實時監(jiān)控貨物庫存量，實現(xiàn)自動補(bǔ)貨功能。對于配送揀選過程，分布在倉庫中的RFID閱讀器可獲取貨物所在倉位信息和揀選設(shè)備（如叉車）所在位置信息，實現(xiàn)對配送揀選過程的跟蹤與監(jiān)控。本文研究的物流倉儲配送優(yōu)化及其RFID可視化服務(wù)管理，主要針對倉儲配送環(huán)節(jié)的優(yōu)化運(yùn)作，從RFID物理服務(wù)、數(shù)據(jù)通信服務(wù)、業(yè)務(wù)邏輯集成服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)等方面探討其管理方法和支持系統(tǒng)。通過倉儲配送過程的信息跟蹤，依據(jù)最短揀選搬運(yùn)距離模型計算出的訂單揀選配送最優(yōu)路徑和順序，引導(dǎo)配送搬運(yùn)設(shè)備的操作，并將貨物倉儲與搬移狀態(tài)信息及時傳輸?shù)絺}庫管理系統(tǒng)和訂單管理系統(tǒng)，實現(xiàn)倉儲貨位的優(yōu)化管理和訂單的動態(tài)可視化管理，從而實現(xiàn)物流倉儲配送過程的優(yōu)化。

二、物流倉儲配送RFID系統(tǒng)配置及其過程描述

在物流倉儲管理中，RFID無源標(biāo)簽貼于每個貨物單元，如貨物包裝箱或托盤上。當(dāng)貼有RFID標(biāo)簽的托盤或包裝箱在RFID讀寫器磁場感應(yīng)區(qū)域內(nèi)時，RFID讀寫器將自動捕獲標(biāo)簽碼中的信息，并將其傳輸?shù)絺}庫管理系統(tǒng)（Warehouse Management System，簡稱WMS）。例如一個具有混合單品（SKUs）的托盤上裝有多個產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的信息通過讀寫器就可以被全部讀入獲取，之后由系統(tǒng)根據(jù)倉位信息安排入庫位置，并建立庫存記錄，計算貨品入庫搬移距離等。[4]入庫過程中，應(yīng)用RFID自動識別系統(tǒng)的信息防沖撞功能，能同時讀取多張不同標(biāo)簽并跟蹤貨物，以確保貨物被放入正確的地點，優(yōu)化調(diào)整倉庫流程，改善庫存周轉(zhuǎn)率，控制庫存量的最優(yōu)化。

在倉儲配送過程中，搬運(yùn)設(shè)備（如叉車）上也安置有RFID讀寫器及有源RFID標(biāo)簽，叉車按訂單在不同巷道的倉區(qū)/倉位揀選貨物。其中，訂單信息通過訂單管理系統(tǒng)（OMS）發(fā)送至RFID業(yè)務(wù)邏輯集成服務(wù)子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)可根據(jù)倉庫管理系統(tǒng)（WMS）中的貨物儲存?zhèn)}位信息給出需要揀選貨物的位置信息，并按照最優(yōu)揀選距離量化模型算法給出揀選方案，該方案可在叉車的電腦終端顯示，指導(dǎo)叉車正確搬移。叉車上的讀寫器讀取貨物上的標(biāo)簽信息，隨著叉車從起點到終點移動狀態(tài)的變化，揀選貨物在哪輛叉車上、揀選貨物信息以及貨物搬運(yùn)移動位置變化等信息即可被讀寫到叉車上的有源標(biāo)簽中，通過RFID中間件發(fā)送到數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)和業(yè)務(wù)邏輯集成子系統(tǒng)，并與倉庫管理系統(tǒng)連接，自動完成出庫的復(fù)核。RFID中間件在此收集、儲存RFID讀寫器發(fā)射的產(chǎn)品電子代碼（Electronic Product Code，簡稱EPC）信息并采取相對應(yīng)的行動，如更新倉庫管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息等。這樣，物流倉儲配送過程就實現(xiàn)了貨物信息的自動獲取與搬移狀態(tài)變化的可視化跟蹤。

三、物流倉儲配送優(yōu)化模型

1.最短配送揀選距離定義

設(shè)開始揀選時叉車所在的倉位號為s，在揀選巷道中，L和R分別為s左右兩邊按訂單準(zhǔn)備揀選的最遠(yuǎn)貨物所在的倉位號。叉車在巷道中準(zhǔn)備揀選時，首先確定開始揀選的左右邊。若|s-R|≤|s-L|，則向右邊揀選，否則相反，且同一邊倉位中的貨物揀選完成之后，再移到另一邊進(jìn)行揀選。這樣，最短距離為2min{（R-s），（s-L）}+max{（R-s），（s-L）}。其中所要揀選的貨物標(biāo)簽中的信息由貨架上的RFID閱讀器讀取，這樣揀選貨物所在倉位的信息也可獲得。假設(shè)所要選擇的貨物分別位于倉位1、3、4、6和9，此時叉車在倉位6開始揀選操作。根據(jù)上述最短距離算法，倉位6中的貨物揀選完成后，叉車移動到右邊的倉位9進(jìn)行揀選，然后依次到4、3、1倉位進(jìn)行揀選，最短距離是11個倉位。

2.最短配送揀選距離建模

在倉儲配送過程中，根據(jù)訂單，可知當(dāng)前所需揀選的貨物，進(jìn)一步由RFID系統(tǒng)可知該貨物所在的倉位等狀態(tài)信息，而這些狀態(tài)信息可用來預(yù)測下一個倉位的狀態(tài)。[5]因此，這種配送揀選過程屬于一種離散時間隨機(jī)過程，通常情況下用馬爾可夫鏈來解決離散時間隨機(jī)過程問題是一種較好的方法。本文探討的是最短配送揀選距離模型，根據(jù)馬爾可夫鏈原則，將所有可能的狀態(tài)記為Xt（t=1，…，k），它們是不確定的隨機(jī)變量，其狀態(tài)空間為I，如倉位和配送揀選搬運(yùn)設(shè)備（如叉車）的起始位置等；將可列的發(fā)生轉(zhuǎn)移的時間1、時間2、時間3、……分別記為t1、t2、t3……。狀態(tài)的改變稱為轉(zhuǎn)移，與不同的狀態(tài)改變相關(guān)的概率為轉(zhuǎn)移概率，表示為：

其中，Pij表示已知第t-1個訂單處于狀態(tài)i時，系統(tǒng)在第t個訂單（t>t-1）處于狀態(tài)j的概率。所有轉(zhuǎn)移概率可組成一個矩陣，稱為轉(zhuǎn)移概率矩陣，因此狀態(tài)的轉(zhuǎn)移用轉(zhuǎn)移概率矩陣P=[Pij]表示，即：

其中，Pij=Nij/∑Nij，Nij表示從狀態(tài) i到狀態(tài) j的總次數(shù)。

若對任意 i，j∈I，馬爾可夫鏈｛Xt，t∈k｝的轉(zhuǎn)移概率Pij（t）均與t無關(guān)，則稱馬爾可夫鏈為時齊的（對時間齊次的），也叫平穩(wěn)的。對于物流倉儲配送，其按訂單的揀選是相互獨(dú)立的，各訂單的揀選從起始倉位到結(jié)束倉位的路徑不同，將導(dǎo)致路徑狀態(tài)的變化。于是可用馬爾可夫鏈來描述這個過程，計算在起始倉位揀選到貨物的概率以及起始倉位與結(jié)束倉位不同情況下的轉(zhuǎn)移概率。由于訂單的不同、路徑選擇的不同，這個概率每次是不同的，因此可在時間充分長之后，按平穩(wěn)狀態(tài)進(jìn)行分析并計算揀選叉車起始位于某倉位s的平穩(wěn)概率分布，進(jìn)一步可得到在同一個庫區(qū)的期望揀選移動距離。通常情況下叉車的移動速度是已知的，因此只要得出叉車揀選一個訂單的期望揀選移動距離，即可得到揀選一個訂單平均所用的時間。這樣，倉儲配送中訂單的整個揀選過程就得到了優(yōu)化，并通過RFID系統(tǒng)進(jìn)行可視化控制管理，提高倉儲配送效率。

（1）訂單揀選的轉(zhuǎn)移概率

假設(shè)某倉區(qū)巷道中有k個倉位，Xt為揀選第t個訂單時的起始位置，是一個隨機(jī)變量，Pg為貨物g被揀選的概率，Ps為在倉位s至少有一件貨物被揀選的概率，則Ps可表示為：

其中，若Xt=Xt-1，即第t個訂單的揀選起始位置（對應(yīng)倉位為s）等于第t-1個訂單的揀選結(jié)束位置（對應(yīng)倉位為e），即此時s=e，在滿足所有第t-1個訂單上的貨物都被揀選的條件下，此情形的揀選轉(zhuǎn)移概率為：

若Xt≠Xt-1，則需要考慮叉車揀選第t-1個訂單后所在的位置。若巷道中總倉位數(shù)為k，第t-1個訂單揀選結(jié)束時所在的位置可按小于、等于、大于k/2三種情形來討論：

①第t-1個訂單揀選結(jié)束時的倉位小于k/2，即 Xt-1=e

設(shè)叉車開始倉位為s，預(yù)移動的目的倉位為j，若 1≤s≤2e-1，且 s>j或 j>2e-s，則根據(jù) RFID 系統(tǒng)控制算法中的最優(yōu)路徑選擇規(guī)則，叉車將不到達(dá)倉位j，即叉車揀選的第t-1個訂單并不包括倉位j中的任何貨物。若第t-1個訂單中有2e-s倉位中的貨物，由于2e-s倉位與e倉位之間的距離等于s倉位與e倉位之間的距離，叉車首先到2e-s倉位，而不是到s倉位開始揀選的概率是1/2，此情形的揀選轉(zhuǎn)移概率為：

若2e≤s≤k，則不論是否有貨物從倉位j被揀選（j

②第t-1個訂單揀選結(jié)束時的倉位等于k/2，即Xt-1=e=k/2，當(dāng)倉位數(shù)為奇數(shù)時，叉車首先到倉位s而不是到倉位2e-s進(jìn)行第t個訂單的揀選的概率是1/2，則轉(zhuǎn)移概率為：

③第t-1個訂單揀選結(jié)束時的倉位大于k/2，此情形的揀選轉(zhuǎn)移概率為：

根據(jù)時齊馬爾可夫鏈的性質(zhì)，P（t）的極限為時齊馬爾可夫鏈在平穩(wěn)狀態(tài)下的概率分布：

則完成一個訂單的揀選后，叉車位于倉位s的概率分布為：

（2）配送揀選搬移的期望距離

從上述討論可以看到，倉儲配送叉車的搬移距離由兩個因素決定，一個是開始揀選的倉位，其平穩(wěn)分布概率如式（7）所示，另一個是訂單中貨物所存放的倉位位置。假設(shè)叉車從倉位s開始，最終移動到倉位e，如果s與e之間沒有訂單上所需要的貨物，則叉車不進(jìn)行揀選操作，此時按照上文最短距離的定義描述，叉車從倉位s移動到倉位e相反方向的最遠(yuǎn)倉位a開始揀選，最終到達(dá)倉位e。從倉位a中至少揀選一件貨物的概率是Pa，這樣從倉位s移動到倉位e的期望距離為：

由此，對于任意一個起始點倉位s，叉車的期望搬移距離為：

四、優(yōu)化配送模型在基于RFID的倉儲配送系統(tǒng)中的可視化運(yùn)作管理

上述倉儲配送揀選優(yōu)化模型可在一個RFID可視化服務(wù)管理系統(tǒng)中得以應(yīng)用。該系統(tǒng)是一個四層結(jié)構(gòu)，分別為RFID物理服務(wù)層、數(shù)據(jù)通信服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯集成服務(wù)層與應(yīng)用服務(wù)層。整個系統(tǒng)的運(yùn)作流程如圖1所示。

1.RFID物理服務(wù)層

RFID物理服務(wù)層由RFID無源標(biāo)簽（或有源標(biāo)簽）、讀寫器、天線等組成。其中，讀寫器安置于貨架、叉車或周轉(zhuǎn)箱等設(shè)施上。讀寫器借助天線，識別和讀取進(jìn)入其磁場范圍的RFID標(biāo)簽中的信息，并將所讀取的信息通過邊緣服務(wù)器和RFID中間件發(fā)送到第二層的數(shù)據(jù)通信服務(wù)層進(jìn)行信息通信和數(shù)據(jù)處理。讀寫器由一個邊緣服務(wù)器控制，可進(jìn)行讀取信息的自動過濾管理。[6]RFID中間件是介于RFID讀寫器硬件模塊與數(shù)據(jù)通信模塊和數(shù)據(jù)庫之間的重要組件。RFID中間件與對象命名服務(wù)器（Object Name Service，簡稱 ONS）通信，查找識別唯一的RFID標(biāo)簽，標(biāo)記ID標(biāo)識號，并從電子產(chǎn)品碼（EPC）服務(wù)器數(shù)據(jù)庫查詢數(shù)據(jù)，通過防火墻中的網(wǎng)關(guān)與其他物流系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)。[7]、[8]

2.數(shù)據(jù)通信服務(wù)層

數(shù)據(jù)通信服務(wù)層支持閱讀器和RFID標(biāo)簽之間的有線和無線網(wǎng)絡(luò)通信以及媒體訪問控制（Media Access Control，簡稱 MAC），提供數(shù)據(jù)鏈接和數(shù)據(jù)采集與處理功能，并應(yīng)用媒體訪問控制協(xié)議校驗標(biāo)簽訪問速度和準(zhǔn)確性，解析和處理物理層讀寫器采集的符合協(xié)議規(guī)定的各種原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)驗證。[9]在該層的通信服務(wù)中，媒體訪問控制協(xié)議包含各類識別、決策算法，如多標(biāo)簽信息防碰撞的Aloha算法（一種無線數(shù)據(jù)通信協(xié)議），通過定期輪詢讀寫器，防止標(biāo)簽碰撞，消除重復(fù)操作等。

3.業(yè)務(wù)邏輯集成服務(wù)層

該層的功能是通過面向服務(wù)的應(yīng)用集成提供業(yè)務(wù)邏輯集成處理，包括配送揀選路徑的優(yōu)化定位，實時RFID信息跟蹤處理等。在此可應(yīng)用上文討論的配送揀選最優(yōu)模型對路線和揀選次序進(jìn)行控制。通過計算倉區(qū)揀選完成一個訂單的平均揀選距離，并根據(jù)叉車的移動速度，進(jìn)一步計算出叉車在z個倉區(qū)完成一個訂單所需要的平均時間，由此優(yōu)化調(diào)整倉儲配送流程。此外，該層還提供數(shù)據(jù)集成服務(wù)，其一方面是使訂單管理、倉庫管理等內(nèi)部系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步化；另一方面是支持生產(chǎn)、銷售等外部數(shù)據(jù)與內(nèi)部數(shù)據(jù)融合，以保證RFID標(biāo)簽編碼能夠被RFID中間件所使用。當(dāng)倉儲配送過程中倉儲量和倉位狀態(tài)發(fā)生變化時，經(jīng)RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成過程，其倉儲管理系統(tǒng)、訂單管理系統(tǒng)及企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng) （Enterprise Resourse Planning，ERP）同時更新，并將更新數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的RFID標(biāo)簽，供應(yīng)鏈上的其他企業(yè)可以共享該信息，實時調(diào)整其供應(yīng)或銷售過程，實現(xiàn)可視化管理。

4.RFID應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)層由各種后端的RFID企業(yè)應(yīng)用構(gòu)成，包括基于識別、跟蹤、檢驗等功能的應(yīng)用。該層應(yīng)用模塊從RFID系統(tǒng)獲取信息，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表達(dá)格式，以方便支持企業(yè)高層進(jìn)行管理決策。這些功能的實現(xiàn)主要是應(yīng)用XML技術(shù)進(jìn)行信息交換，[10]將揀選時讀取的貨品RFID標(biāo)簽信息、貨品倉位信息等通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可視化顯示，輔助管理決策。通過應(yīng)用表示層進(jìn)行統(tǒng)計及報表生成，可完成一些個性化業(yè)務(wù)需求，方便供應(yīng)鏈節(jié)點信息的注冊、查詢及交互等應(yīng)用服務(wù)。

五、結(jié)束語

物流倉儲配送優(yōu)化對于提高整體物流效率具有重要現(xiàn)實意義。本文研究在物流倉儲配送過程中應(yīng)用RFID技術(shù)，跟蹤叉車起點到終點的揀選移動操作，將被揀選貨物的信息以及貨物的搬運(yùn)移動位置狀態(tài)變化信息讀寫到叉車上的有源標(biāo)簽中，通過RFID中間件發(fā)送到數(shù)據(jù)通信服務(wù)子系統(tǒng)和業(yè)務(wù)邏輯集成服務(wù)子系統(tǒng)，即可實現(xiàn)貨物信息的自動獲取與搬移狀態(tài)變化的可視化跟蹤。其中，倉儲配送最短揀選距離模型主要利用叉車從起始倉位到終止倉位的轉(zhuǎn)移概率，得到期望揀選移動距離，并進(jìn)一步計算得到一個訂單的平均揀選時間。這樣，可按照該模型算法給出配送揀選優(yōu)化方案，并通過叉車的電腦系統(tǒng)指導(dǎo)叉車正確搬移。

同時，此貨物倉儲與搬移變化狀態(tài)信息通過由RFID物理服務(wù)層、數(shù)據(jù)通信服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯集成服務(wù)層和應(yīng)用服務(wù)層組成的RFID物流倉儲配送可視化服務(wù)運(yùn)作管理系統(tǒng)，及時傳輸?shù)絺}庫管理和訂單管理系統(tǒng)，及時更新倉庫和訂單信息，從而實現(xiàn)物流倉儲配送過程的優(yōu)化與可視化的有效管理。

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Optimization of Logistics Warehouse Distribution and RFID-based Visual Operational Management

XU Qi
（Donghua University，Shanghai200051，China）

Optimization of logistics warehouse distribution is of great significance for us to improve the integrated efficient of logistics.Due to the automatic data capture or auto identification and tracking functions,RFID technology has been booming in the logistic warehouse distribution processes by providing visual service to realize high efficiency.The authors firstly give out a warehouse distribution RFID system deployment and its processes description.Then,an optimal transited distance model of distributed process is developed.And a RFID visualization service operations management system framework is also present with the RFID physical service layer,data communication service layer,business logic integration services layer and application services layer.Within this framework,the system could instruct delivery handling equipment(e.g.,forklift)to move based on the distance optimization model for distribution and delivery status change information transmitted to the warehouse management system and order management systems,and timely update the warehouse and order information to achieve optimization of logistics and effective visual management.

warehouse distribution；optimization；RFID；visualization management

F252.24

A

1007－8266（2011）01－0026－05

＊本文系國家自然科學(xué)基金“紡織服裝供應(yīng)鏈廣義快速響應(yīng)機(jī)制、模型及運(yùn)作策略研究”（項目編號：70772073）、國家軟科學(xué)研究計劃項目“我國現(xiàn)代物流服務(wù)創(chuàng)新模式、體系和績效評價研究”（項目編號：2007GXQ4D154）的研究成果之一。

徐琪（1963-），女，浙江省椒江市人，東華大學(xué)旭日工商管理學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為供應(yīng)鏈管理、物流管理、企業(yè)信息集成等。

陳靜