李 明，陳寧寧，王海韻，吳耀華

（1.山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.濟(jì)南大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；3.齊魯理工學(xué)院 商學(xué)院，山東 濟(jì)南 250200；4.山東大學(xué) 現(xiàn)代物流研究中心，山東 濟(jì)南 250061）

智慧倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)分析與展望

李 明1，陳寧寧2，王海韻3，吳耀華4

（1.山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.濟(jì)南大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；3.齊魯理工學(xué)院 商學(xué)院，山東 濟(jì)南 250200；4.山東大學(xué) 現(xiàn)代物流研究中心，山東 濟(jì)南 250061）

在全球產(chǎn)能過(guò)剩和電子商務(wù)高速發(fā)展的背景下，柔性化的智慧物流系統(tǒng)可以有效應(yīng)對(duì)訂單碎片化所帶來(lái)的成本增加和效率降低的挑戰(zhàn)。對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)收貨、存儲(chǔ)、揀選、發(fā)貨四個(gè)基本環(huán)節(jié)中現(xiàn)有智慧物流技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)匯總。在此基礎(chǔ)上，提出智慧倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：基于人工智能算法和自動(dòng)感知識(shí)別技術(shù)機(jī)器人的快速融入以及人機(jī)間的友好高效協(xié)作。

機(jī)器人；智慧倉(cāng)庫(kù)；人機(jī)協(xié)作；人工智能

1 智慧物流產(chǎn)生背景

在全球產(chǎn)能過(guò)剩的大背景下，市場(chǎng)需求由低成本、標(biāo)準(zhǔn)化、大批量的產(chǎn)品，轉(zhuǎn)向差異化、多元化、快變化的產(chǎn)品，與此相適應(yīng)的是生產(chǎn)方式由標(biāo)準(zhǔn)化流水線模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄖ苹嵝跃€模式。在流通領(lǐng)域，電子商務(wù)的蓬勃發(fā)展減少了傳統(tǒng)中間流通環(huán)節(jié)，為消費(fèi)者提供了更優(yōu)質(zhì)的消費(fèi)體驗(yàn)，但在物流過(guò)程中，以整托盤(pán)或整箱為單元的集中式作業(yè)逐漸被以產(chǎn)品基本包裝為單元的碎片式作業(yè)所取代，因此反而增大了物流作業(yè)的復(fù)雜度。

物流信息化解決了信息數(shù)字化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)信息的高效傳遞；物流自動(dòng)化解決了作業(yè)機(jī)械化的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了人工作業(yè)強(qiáng)度的降低。智慧物流則是將人工智能算法、自動(dòng)感知識(shí)別技術(shù)與自動(dòng)化設(shè)施、信息化系統(tǒng)深度融合，使物流系統(tǒng)從過(guò)去僅能代替人的四肢升級(jí)為代替人的大腦+感知器官+四肢，能模仿人的智能，具有思維、感知、學(xué)習(xí)、推理判斷和自行解決物流中某些問(wèn)題的能力。智慧物流的靈活性、柔性化的特點(diǎn)，可以有效應(yīng)對(duì)碎片式作業(yè)所帶來(lái)的成本增加和效率降低的問(wèn)題。

2 智慧倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)

倉(cāng)儲(chǔ)與運(yùn)輸是物流系統(tǒng)中兩個(gè)核心部分，其中倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部作業(yè)流程包括收貨、存儲(chǔ)、揀選、發(fā)貨四個(gè)基本環(huán)節(jié)。本文將對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)各基本環(huán)節(jié)中現(xiàn)有智慧物流技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行闡述。

2.1 收貨環(huán)節(jié)智慧技術(shù)

（1）自然導(dǎo)航無(wú)人叉車(chē)。托盤(pán)搬運(yùn)作業(yè)是將整托盤(pán)貨物從運(yùn)輸車(chē)輛上搬運(yùn)至收貨區(qū)等待質(zhì)檢入庫(kù)。傳統(tǒng)自動(dòng)化解決方案采用激光或慣性導(dǎo)航的無(wú)人叉車(chē)實(shí)現(xiàn)托盤(pán)搬運(yùn)作業(yè)。這些無(wú)人叉車(chē)通常只能在某個(gè)固定的區(qū)域內(nèi)，人為的設(shè)置好反光板、磁釘?shù)葮?biāo)記物或反射器，不能隨意的變化工作環(huán)境，存在很大的局限性?；赟LAM（Simultaneous localization and mapping，同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建）技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人叉車(chē)的自然導(dǎo)航，不需要安裝標(biāo)記或反射器，只需讓裝有環(huán)境感知傳感器的無(wú)人叉車(chē)在未知環(huán)境中從某一位置出發(fā)，根據(jù)其移動(dòng)過(guò)程中內(nèi)部與外部傳感器獲取的感知信息進(jìn)行自定位，同時(shí)逐漸建立一個(gè)連續(xù)的環(huán)境地圖，然后，在此地圖的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人叉車(chē)的精確定位與路徑規(guī)劃，完成導(dǎo)航任務(wù)[1]。自然導(dǎo)航無(wú)人叉車(chē)具有安裝時(shí)間短、投入成本低、自由創(chuàng)建新路徑等特點(diǎn)，是下一代智能無(wú)人叉車(chē)的發(fā)展方向。

（2）智能拆垛機(jī)械手。拆垛作業(yè)是將轉(zhuǎn)運(yùn)托盤(pán)上碼放的貨物一箱箱搬運(yùn)到傳送帶上。傳統(tǒng)自動(dòng)化解決方案是采用工業(yè)機(jī)器人手臂抓取或吸取完成，由于機(jī)器人手臂作業(yè)控制依據(jù)的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的箱型尺寸和碼垛規(guī)則，而不能在線識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的對(duì)象，因此只能實(shí)現(xiàn)從同一托盤(pán)中取出相同規(guī)格的箱子，當(dāng)面臨成千上萬(wàn)種貨物箱型時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)任務(wù)將非常繁重。電商公司收到的同一托盤(pán)上的貨物箱型大小不一，

且碼垛無(wú)固定規(guī)則，傳統(tǒng)機(jī)器人手臂難以操作。智能拆垛機(jī)械手借助3D視覺(jué)和深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂作業(yè)的自我訓(xùn)練、自我校正，無(wú)需箱型和垛型的數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)。機(jī)器人通過(guò)3D深度攝像頭識(shí)別頂層貨物輪廓，當(dāng)首次拾起一個(gè)箱子，它就建立一個(gè)關(guān)于的外形箱子模型，并基于這個(gè)模型加快對(duì)下一個(gè)箱子的識(shí)別。

2.2 存儲(chǔ)環(huán)節(jié)智慧技術(shù)

傳統(tǒng)集中式作業(yè)過(guò)程中，同一品規(guī)的貨物以托盤(pán)為單元大批量進(jìn)出倉(cāng)庫(kù)，存儲(chǔ)環(huán)節(jié)最常用的自動(dòng)化解決方案是托盤(pán)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)AS/RS（Automated Storage and Retrieval System），貨物以托盤(pán)為單位存儲(chǔ)在高位貨架上，通過(guò)堆垛機(jī)完成托盤(pán)出入庫(kù)作業(yè)。而在碎片式作業(yè)過(guò)程中，為便于后期海量品項(xiàng)、成千上萬(wàn)訂單的拆零揀選，貨物更多以料箱方式進(jìn)行存儲(chǔ)，借助智能調(diào)度算法指揮小車(chē)群體完成貨物出入庫(kù)作業(yè)。

（1）KIVA系統(tǒng)。KIVA系統(tǒng)由成百上千個(gè)舉升搬運(yùn)貨架單元的機(jī)器小車(chē)組成[2]。貨物開(kāi)箱后放置在貨架單元上，通過(guò)貨架單元底部的條碼將貨物與貨架單元信息綁定，倉(cāng)庫(kù)地面布置條碼網(wǎng)格，機(jī)器小車(chē)應(yīng)用兩臺(tái)攝像機(jī)分別讀取地面條碼和貨架單元底部的條碼，在編碼器、加速計(jì)和陀螺儀等傳感器的配合下完成貨物搬運(yùn)導(dǎo)航。此外，機(jī)器小車(chē)不支持移動(dòng)與轉(zhuǎn)向同步，轉(zhuǎn)向時(shí)需要固定在原地位置進(jìn)行。該系統(tǒng)的核心是控制小車(chē)的集中式多智能體調(diào)度算法[3]。

（2）多層穿梭車(chē)系統(tǒng)。KIVA系統(tǒng)受貨架單元的高度限制，僅能實(shí)現(xiàn)貨物在平面空間上的存儲(chǔ)，多層穿梭車(chē)系統(tǒng)則采用立體料箱式貨架，實(shí)現(xiàn)了貨物在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)立體空間的存儲(chǔ)。入庫(kù)前，貨物經(jīng)開(kāi)箱后存入料箱，通過(guò)貨架巷道前端的提升機(jī)將料箱送至某一層，然后由該層內(nèi)的穿梭小車(chē)將貨物存放至指定的貨格內(nèi)。當(dāng)貨物出庫(kù)時(shí)，通過(guò)穿梭車(chē)與提升機(jī)的配合實(shí)現(xiàn)完成[4-5]。該系統(tǒng)的核心也在于通過(guò)貨位分配優(yōu)化算法和小車(chē)調(diào)度算法的設(shè)計(jì)，均衡各巷道之間以及單個(gè)巷道內(nèi)各層之間的任務(wù)量，提高設(shè)備間并行工作時(shí)間，發(fā)揮設(shè)備的最大工作效率。

（3）細(xì)胞單元系統(tǒng)。KIVA系統(tǒng)中的自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)實(shí)現(xiàn)地面搬運(yùn)，多層穿梭車(chē)系統(tǒng)中的穿梭車(chē)實(shí)現(xiàn)貨架軌道上的搬運(yùn)，新型細(xì)胞單元系統(tǒng)則是以上兩者技術(shù)的融合。細(xì)胞單元小車(chē)當(dāng)在貨架或提升機(jī)上時(shí)，按照傳統(tǒng)多層穿梭車(chē)的工作方式在軌道上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)離開(kāi)貨架到達(dá)地面時(shí)，可以切換至自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)的工作方式在地面運(yùn)行，在地面上的導(dǎo)航方式不同于KIVA系統(tǒng)，采用的是基于無(wú)線傳感網(wǎng)測(cè)距、激光測(cè)距儀測(cè)量和推測(cè)航行法的傳感器融合技術(shù)，無(wú)線傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息通信以及全局定位，而激光測(cè)距儀測(cè)量和推測(cè)航行法實(shí)現(xiàn)位置跟蹤和定位精度校正，相比KIVA地面標(biāo)簽配合慣性導(dǎo)航的方式更加靈活[6]。該系統(tǒng)將立體貨架存儲(chǔ)空間與地面平面存儲(chǔ)空間無(wú)縫鏈接在一起，代表了可擴(kuò)展、高柔性化的小車(chē)群體技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向。

2.3 揀選環(huán)節(jié)智慧技術(shù)

訂單揀選方式分為人工揀選和自動(dòng)化揀選兩種類(lèi)型。

（1）AR輔助揀選技術(shù)。傳統(tǒng)的人工揀選解決方案采用手持RF揀選、電子標(biāo)簽揀選或語(yǔ)言揀選方式。揀貨員根據(jù)貨架上的指示燈或者手持RF以及穿戴設(shè)備中的提示，揀取貨架中的貨物。雖然作業(yè)準(zhǔn)確率提高，但是要求揀貨員熟悉掌握庫(kù)房的布局。通過(guò)虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR）將真實(shí)世界和虛擬世界的信息進(jìn)行“無(wú)縫”集成，通過(guò)AR眼鏡自動(dòng)識(shí)別庫(kù)房環(huán)境，定位待揀貨物位置，并自動(dòng)規(guī)劃揀選路徑，建立線路導(dǎo)航，指引作業(yè)人員以最快、最短的時(shí)間到達(dá)目標(biāo)揀選貨位，通過(guò)AR眼鏡自動(dòng)掃描貨物條碼，指導(dǎo)作業(yè)人員準(zhǔn)確獲取商品，解放雙手，大幅提高揀選作業(yè)效率[7]。

（2）Delta機(jī)械手揀選技術(shù)。傳統(tǒng)的自動(dòng)化揀選設(shè)備是以A字架為代表的通道式揀選機(jī)，同一品項(xiàng)貨物被整齊疊放在立式通道內(nèi)，借助通道底部的彈射機(jī)構(gòu)將貨物揀選至皮帶輸送線上，該設(shè)備主要適用于包裝標(biāo)準(zhǔn)的盒裝品揀選，無(wú)法應(yīng)對(duì)電商行業(yè)成千上萬(wàn)種貨物包裝形式的揀選需求。瑞典Reymond Clavel教授在20世紀(jì)80年代提出Delta并聯(lián)機(jī)器人，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)電機(jī)被設(shè)計(jì)在機(jī)架上，從動(dòng)臂可以做成輕桿，因此末端可以獲得很高的速度和加速度，特別適合輕型貨物的高速分揀操作[8]?；跀z像機(jī)和計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)功能，Delta并聯(lián)機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)揀選，并且機(jī)械手可以根據(jù)產(chǎn)品的不同的尺寸和種類(lèi)更換拾取器，因而適用的包裝類(lèi)型可以多種多樣。此外，為了保證抓取的準(zhǔn)確性，Delta機(jī)械手需要借助人工智能技術(shù)訓(xùn)練同種商品在不同姿態(tài)下的識(shí)別準(zhǔn)確率。

2.4 發(fā)貨環(huán)節(jié)智慧技術(shù)

在發(fā)貨區(qū)內(nèi)根據(jù)送貨線路不同劃分不同區(qū)塊，集貨分揀作業(yè)是將揀選完成的訂單放置在對(duì)應(yīng)送貨線路的區(qū)塊內(nèi)。傳統(tǒng)的自動(dòng)化解決方案多采用基于斜輪分流器、滑塊分揀機(jī)或交叉皮帶機(jī)的自動(dòng)化分揀線，分揀線僅能解決訂單按照送貨線路分類(lèi)集中，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)訂單按照送貨線路的固定順序排列，只有等到裝車(chē)發(fā)貨時(shí)，由發(fā)貨人員根據(jù)送貨線路由遠(yuǎn)及近的客戶順序，將相應(yīng)的訂單貨物依次挑出，裝入車(chē)箱內(nèi)，嚴(yán)重影響裝車(chē)效率。

智能發(fā)貨分揀系統(tǒng)采用多層穿梭車(chē)技術(shù)，揀選完成的訂單存儲(chǔ)在立體貨架內(nèi)，穿梭車(chē)的存取貨叉可根據(jù)箱型尺寸進(jìn)行貨叉間距調(diào)整，因而可以適用于不同尺寸的貨物和不同類(lèi)型的包裝。當(dāng)接到發(fā)貨裝車(chē)指令，訂單貨物會(huì)根據(jù)送貨線路由遠(yuǎn)及近的客戶順序依次從貨架中取出，通過(guò)輸送線送至裝車(chē)區(qū)域，若配合伸縮皮帶機(jī)，可實(shí)現(xiàn)直接裝車(chē)，減少中間二次搬運(yùn)環(huán)節(jié)，大幅改善裝車(chē)效率。此外，由于訂單在發(fā)貨區(qū)貨架內(nèi)進(jìn)行立體存儲(chǔ)，相比傳統(tǒng)發(fā)貨區(qū)的地面平面存儲(chǔ)方式，空間利用率得到顯著提高。

3 總結(jié)

綜上所述，智慧倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：一是基于人工智能算法和自動(dòng)感知識(shí)別技術(shù)機(jī)器人的快速融入；二是人機(jī)間的友好高效協(xié)作。對(duì)于拆垛、揀選等抓取類(lèi)作業(yè)，配備3D機(jī)器視覺(jué)和人工智能算法的機(jī)器手可以逐漸應(yīng)對(duì)各類(lèi)外形重量的商品；對(duì)于卸車(chē)、入庫(kù)、出庫(kù)、集貨等搬運(yùn)類(lèi)作業(yè)，配備各類(lèi)導(dǎo)航設(shè)備和調(diào)度算法的自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)機(jī)器人可以協(xié)同完成。機(jī)器人的融入，使得傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)由剛性變?yōu)槿嵝?，而人工智能則使得物流作業(yè)更加高效和精準(zhǔn)。與此同時(shí)，由于商品多樣性和高額建設(shè)成本的限制，全部采用機(jī)器人作業(yè)的無(wú)人倉(cāng)僅會(huì)出現(xiàn)在個(gè)別行業(yè)或企業(yè)內(nèi)部，并不具備一般適用性，因此在更多應(yīng)用場(chǎng)景中會(huì)采用人機(jī)協(xié)作的模式，例如在訂單揀選環(huán)節(jié)中，KIVA系統(tǒng)或多層穿梭車(chē)系統(tǒng)將待揀選貨物料箱送至揀選臺(tái)，由人工來(lái)完成揀選作業(yè)，人工揀選效率的提高依賴于揀選工位的設(shè)計(jì)，需要增加人機(jī)界面的友好性，讓人工作的更愉快、更舒適，把工位做的更加人性化，智能化，可有效避免差錯(cuò)。

隨著機(jī)器人技術(shù)、人工智能算法和自動(dòng)感知技術(shù)的研究深入和完善成熟，智慧倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)將迎來(lái)快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，如何讓人與機(jī)器人之間更加友好高效的合作將成為新的研究熱點(diǎn)。

[1]汪威,吳耀華,陳云霞.自然導(dǎo)航在AGV中的應(yīng)用[J].物流技術(shù),2016,35(12):33-36.

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Analysis and Outlook of Smart Warehousing Technology

Li Ming1,Chen Ningning2,Wang Haiyun3,Wu Yaohua4
(1.School of Information&Electrical Engineering,Shandong Jianzhu University,Ji'nan 250101;2.School of Economics,Ji'nan University,Ji'nan 250022;3.Business School,Qilu Institute of Technology,Ji'nan 250200;4.Modern Logistics Research Center,Shandong University,Ji'nan 250061,China)

In this paper,we summarized and classified the smart warehousing technologies in use in the reception,storage,sorting and shipment,i.e.,the four basic processes,in a warehouse,and then on such basis,pointed out the two prominent characteristics in the development of such technologies,namely based on artificial intelligent algorithm and automatic sensing technologies,as well as the rapid integration of robot and the friendly and efficient collaboration between human and machine.

robot;smart warehouse;human-machine collaboration;artificial intelligent

F253.9

A

1005-152X(2017)09-0157-03

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.09.036

2017-07-15

山東建筑大學(xué)博士基金項(xiàng)目（XNBS1633）；中國(guó)物流學(xué)會(huì)、中國(guó)物流與采購(gòu)聯(lián)合會(huì)課題計(jì)劃（2017CSLKT3-140）

李明（1978-），男，博士，講師，主要研究方向：自動(dòng)分揀系統(tǒng)和配送中心規(guī)劃設(shè)計(jì)；陳寧寧（1979-），女，碩士，副教授，主要研究方向：供應(yīng)鏈管理與自動(dòng)揀選系統(tǒng)效率優(yōu)化；王海韻（1988-），女，碩士，講師，主要研究方向：國(guó)際物流管理；吳耀華（1963-），男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：自動(dòng)分揀系統(tǒng)、集成化物流系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和仿真及物流技術(shù)裝備等。