戴 博，楊根科

（上海交通大學(xué) 自動(dòng)化系系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

面向高端裝備制造企業(yè)的物流中心揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴 博，楊根科

（上海交通大學(xué) 自動(dòng)化系系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

針對(duì)高端裝備制造企業(yè)多品種、小批量、定制化的生產(chǎn)制造模式，設(shè)計(jì)了物流中心揀選系統(tǒng)及關(guān)鍵組成結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)集成了自動(dòng)化立體倉庫、倉儲(chǔ)信息管理系統(tǒng)WMS和倉庫監(jiān)控系統(tǒng)WCS，并結(jié)合了當(dāng)前最主流的“貨到人”揀選技術(shù)。該系統(tǒng)能滿足高端裝備制造企業(yè)個(gè)性化物流需求，并有效提升物流中心揀選作業(yè)和整體運(yùn)行效率。同時(shí)，該系統(tǒng)在高端裝備制造行業(yè)內(nèi)具有較好的示范效應(yīng)和推廣價(jià)值。

高端裝備企業(yè)；自動(dòng)化立體倉庫；揀選系統(tǒng)；智能物流

0 引言

眾所周知，高端裝備制造企業(yè)[1]是指生產(chǎn)制造高技術(shù)含量、高附加值的先進(jìn)工業(yè)設(shè)施設(shè)備的企業(yè)，往往處于產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)。由于產(chǎn)品定制化程度高、生命周期長(zhǎng)、可靠性及質(zhì)量要求極高，其生產(chǎn)具備典型的多品種、小批量、離散化、變更多和工藝復(fù)雜等特性，其生產(chǎn)所需物資同樣存在品種多、批量小、定制化程度高、差異大等特性。

因此，高端裝備制造企業(yè)的物流揀選系統(tǒng)面臨極大的挑戰(zhàn)，要求能夠在有限的場(chǎng)地內(nèi)，以合理的庫存水平，保證生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)所需物資的及時(shí)、準(zhǔn)確、有效供應(yīng)。通常來說，揀選作業(yè)時(shí)間約占整個(gè)倉儲(chǔ)作業(yè)時(shí)間的30%～40%，揀選搬運(yùn)成本約占倉儲(chǔ)搬運(yùn)成本的90%[2]；揀選人員的數(shù)量占倉儲(chǔ)作業(yè)人員數(shù)量的60%以上；在傳統(tǒng)揀選系統(tǒng)中，揀選人員70%的作業(yè)時(shí)間是在移動(dòng)，30%的作業(yè)時(shí)間真正用于挑選物資[3]。因此，揀選作業(yè)作為倉儲(chǔ)作業(yè)中勞動(dòng)密集程度最高、作業(yè)時(shí)間最長(zhǎng)、作業(yè)成本占比最高的環(huán)節(jié)，是物流中心最核心、最重要的組成部分，其效率決定了企業(yè)物流中心的整體運(yùn)作效率。

目前，物流揀選系統(tǒng)在高端裝備制造企業(yè)的應(yīng)用屬于起步階段，大多數(shù)企業(yè)仍然較多采用傳統(tǒng)管理手段。近年來，隨著自動(dòng)化立體倉庫（AS/RS，Automated Warehouse Automatic Storage And Retrieval System）、RFID射頻識(shí)別、二維碼等技術(shù)的逐步成熟與推廣，物流揀選系統(tǒng)開始進(jìn)入智能化、自動(dòng)化時(shí)代，并率先在電商[4,5]、煙草[6,7]、電子[8,9]、酒業(yè)[10,11]、部分加工制造業(yè)[12,13]等行業(yè)得以廣泛采用。

因此，本文針對(duì)高端裝備制造企業(yè)多品種、小批量、定制化的生產(chǎn)制造模式，設(shè)計(jì)了物流中心揀選系統(tǒng)及關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程。揀選系統(tǒng)集成了自動(dòng)化立體倉庫、倉儲(chǔ)信息管理系統(tǒng)WMS和倉庫監(jiān)控系統(tǒng)WCS，并結(jié)合了當(dāng)前最主流的“貨到人”揀選技術(shù)。該系統(tǒng)能滿足高端裝備制造企業(yè)個(gè)性化物流需求，并有效提升物流中心整體運(yùn)行效率，并已在國(guó)內(nèi)某世界五百強(qiáng)高端裝備企業(yè)實(shí)際應(yīng)用。

1 揀選作業(yè)概述

揀選作為物流中心核心作業(yè)，是指從物流中心存儲(chǔ)區(qū)域?qū)⑽镔Y從庫位中揀選出庫，并送至發(fā)貨區(qū)的過程。揀選作業(yè)需解決以下主要課題：何時(shí)何地揀選？揀選哪些種類及數(shù)量的物資？揀選信息如何傳遞？揀選后物資送至何地？揀選路線如何規(guī)劃？

從揀選作業(yè)方式來看，揀貨作業(yè)可分為“人到貨”和“貨到人”兩種主要類型?！叭说截洝睊x主要以人工操作為主，技術(shù)應(yīng)用為輔[2]?！柏浀饺恕睊x主要以技術(shù)應(yīng)用為主，人工操作為輔[2]。

人到貨含義為：揀貨員根據(jù)揀選信息指示前往物流中心物資存儲(chǔ)區(qū)域，到達(dá)指定庫位，揀選指定種類及數(shù)量的物資，并運(yùn)送出庫至指定位置。貨到人含義為：揀貨員只在揀選區(qū)域內(nèi)部執(zhí)行分揀任務(wù)，無須前往物資存儲(chǔ)區(qū)域，所需物資及相關(guān)揀選信息由系統(tǒng)自動(dòng)輸送至揀選區(qū)域。因此，貨到人技術(shù)極大地減少了揀貨員的走動(dòng)距離，自動(dòng)化、智能化技術(shù)應(yīng)用程度高，能大大提高揀選作業(yè)效率。

近年來，“貨到人”技術(shù)在電商行業(yè)得到了較多應(yīng)用，使得分揀訂單履行更高效，每小時(shí)可以處理500～1000SKU的流量，處理能力是傳統(tǒng)作業(yè)方式的10倍以上[14]，并可避免由于人工揀選帶來的千分之一誤差率[15]。與此同時(shí)，在揀選作業(yè)中，智能化自動(dòng)揀選設(shè)備已經(jīng)廣泛地得以應(yīng)用[16～18]。

自動(dòng)揀選設(shè)備是按照發(fā)貨指令，通過識(shí)別自動(dòng)傳輸線上的貨物種類，利用揀選結(jié)構(gòu)將貨物進(jìn)行分類。由于自動(dòng)揀選設(shè)備使用的流水線自動(dòng)作業(yè)方式，貨物信息識(shí)別速度快，能連續(xù)、大批量地揀選貨物，不受時(shí)間、人的體力等因素的限制，因此可以達(dá)到較高的揀選作業(yè)效率。同時(shí)自動(dòng)揀選設(shè)備廣泛采用條碼等自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，貨物的信息可以正確讀取，因此貨物種類的確定差錯(cuò)率低，系統(tǒng)作業(yè)的準(zhǔn)確性好；該類設(shè)備對(duì)貨物一般具有較好的保護(hù)作用，對(duì)貨物損傷比較小；有些類型的自動(dòng)揀選設(shè)備還可以通過修改相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)不同種貨物的揀選種類切換，適應(yīng)性比較強(qiáng)；自動(dòng)揀選設(shè)備系統(tǒng)能最大限度地減少人員的使用，貨物的移動(dòng)、信息的讀取都自動(dòng)完成，大幅度地減輕員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。本文將著重研究自動(dòng)揀選設(shè)備在面向高端裝備制造企業(yè)的物流中心揀選系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于高端裝備制造企業(yè)，最新趨勢(shì)為采用集成供應(yīng)、生產(chǎn)、銷售、逆向物流，中央集控，分布式布局的智能物流管理模式[19]，并導(dǎo)入智能化、自動(dòng)化物流中心及揀選系統(tǒng)[20]。其中，在企業(yè)投入、轉(zhuǎn)換、產(chǎn)出等各環(huán)節(jié)的物流活動(dòng)中，所需原材料、零部件、在制品、備品備件供應(yīng)均具備多品種、小批量、多頻次、需求不確定性及定制化程度高的特性，對(duì)物流中心揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來極大挑戰(zhàn)與難度。下文首先闡述物流中心關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程及其相互邏輯關(guān)系，隨后提出揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及其關(guān)鍵技術(shù)。

一般來說，企業(yè)物流中心包含收貨、檢驗(yàn)、更換包裝、入庫、揀選出庫、配送等作業(yè)流程，具體如圖1所示。

由圖1可知，揀選系統(tǒng)在物流中心內(nèi)部主要涉及物資的揀選與出庫作業(yè)環(huán)節(jié)，但在設(shè)計(jì)揀選系統(tǒng)時(shí)須向前后作業(yè)環(huán)節(jié)甚至物流中心外部進(jìn)行延伸，綜合考慮各環(huán)節(jié)之間的匹配關(guān)系。從前端來說，揀選作業(yè)與入庫、收貨、更換包裝甚至供應(yīng)商處的采購訂單類型、包裝及出庫作業(yè)有關(guān)聯(lián)；從后端來說，揀選作業(yè)與生產(chǎn)線、客戶的領(lǐng)用訂單、收貨作業(yè)有關(guān)聯(lián)。下文從三個(gè)方面對(duì)揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 物資包裝標(biāo)準(zhǔn)化

在高端裝備制造企業(yè)物流中心內(nèi)，根據(jù)物資類型、重量、尺寸信息，一般會(huì)采用三種貨架存儲(chǔ)形式。第一種是存放小件物資的標(biāo)準(zhǔn)周轉(zhuǎn)箱式立體倉庫（如圖2中①所示），該類物資尺寸一般為600×400×300mm、重量為50kg以內(nèi)；第二種是存放中件物資的標(biāo)準(zhǔn)托盤式立體倉庫（如圖2中②所示），該類物資尺寸一般為1200×1100×1400mm、重量為1.5t以內(nèi)；第三種是存放大件物資的重型托盤式高位貨架倉庫（如圖2中③所示），該類物資尺寸一般為2000×1200×1400mm、重量為3t以內(nèi)；對(duì)于其他尺寸超過2000mm、重量超過3t的物資，一般直送存放于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 物流中心作業(yè)流程示意圖

圖2 物流中心揀選系統(tǒng)示意圖

由圖2可見，無論物資存放于何種形式的貨架，所有物資均需配有承載包裝，以便于物資防護(hù)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、出入庫、減少物流中間環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)等過程，即為包裝標(biāo)準(zhǔn)化。它是物流中心揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最重要基礎(chǔ)條件。一旦物資包裝實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，從供應(yīng)商至物流中心、從物流中心至生產(chǎn)線或客戶均可實(shí)現(xiàn)包裝一體化流轉(zhuǎn)和重復(fù)利用，將大大降低揀選系統(tǒng)復(fù)雜程度并提高物資流轉(zhuǎn)效率。需要指出的是，各類物資包裝可以根據(jù)高端裝備制造企業(yè)物資特性進(jìn)行選擇，且應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)化包裝。同時(shí)，每個(gè)包裝內(nèi)可設(shè)置分隔從而能存放多種物資，以符合物資多品種、小批量、多批次需求。

2.2 揀選系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

物流中心揀選系統(tǒng)硬件主要包含以下三大類型。

第一類為圖2中對(duì)應(yīng)各類物資包裝的存儲(chǔ)貨架，包括周轉(zhuǎn)箱式自動(dòng)化立體倉庫、托盤式自動(dòng)化立體倉庫、重型貨架倉庫。該類貨架空間利用率高、占地面積小、庫位數(shù)量多，適合于物資密集型存儲(chǔ)。

第二類為用于物流中心出入庫作業(yè)的設(shè)備，包括輸送機(jī)、堆垛機(jī)、碼垛機(jī)械手等，如圖3所示。該類設(shè)備可取代人工出入庫作業(yè)，既減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度、作業(yè)誤差率，又提高出入庫作業(yè)效率。

圖3 物流中心出入庫作業(yè)設(shè)備示意圖

第三類為專門用于物流中心揀選作業(yè)的設(shè)備，包括“貨到人”揀選設(shè)備（如圖4所示）、輔助揀選設(shè)備（如圖5所示）。

圖4 物流中心貨到人揀選作業(yè)專用設(shè)備示意圖

圖4中左圖為最新的全自動(dòng)“貨到人”揀選設(shè)備，其特點(diǎn)是：待揀選周轉(zhuǎn)箱、空周轉(zhuǎn)箱、揀選后周轉(zhuǎn)箱均為系統(tǒng)自動(dòng)輸送與返回；系統(tǒng)自動(dòng)提示揀選數(shù)量和位置并防錯(cuò)、減少人為錯(cuò)誤；基于人機(jī)工程學(xué)，考慮人體搬運(yùn)疲勞度和舒適度，減少作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度；揀選效率高，是傳統(tǒng)拆零揀選的5倍以上，每小時(shí)可處理1000訂單行以上揀選任務(wù)，且無誤差率。圖4中右圖為電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)[21]，其功能與左圖設(shè)備類似，區(qū)別在于空周轉(zhuǎn)箱、揀選后周轉(zhuǎn)箱需人工補(bǔ)給與取拿。

圖5 物流中心輔助揀選作業(yè)專用設(shè)備示意圖

圖5中左圖為機(jī)器人輔助揀選設(shè)備，圖5右圖為懸臂吊輔助揀選設(shè)備。由于高端裝備制造企業(yè)的零部件物資具有體積大、重量大的特性，不宜人工搬運(yùn)、揀選，在包裝標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，采用機(jī)械助力設(shè)備既能取代人工勞動(dòng)，又能提高揀選作業(yè)效率。

2.3 揀選系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

物流中心揀選系統(tǒng)軟件系統(tǒng)包括倉儲(chǔ)信息管理系統(tǒng)WMS和倉庫監(jiān)控系統(tǒng)WCS。WMS為物流中心與企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)ERP、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、客戶管理系統(tǒng)CRM、供應(yīng)商管理系統(tǒng)SRM進(jìn)行信息傳遞的支撐系統(tǒng)，結(jié)合條碼技術(shù)、RFID技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)所有物資信息的自動(dòng)存儲(chǔ)、傳遞、準(zhǔn)時(shí)化供應(yīng)，并確保庫存信息齊全、可追溯。同時(shí)，WMS將接收上位系統(tǒng)傳遞的物資采購訂單、領(lǐng)用訂單，是指導(dǎo)揀選作業(yè)的指令來源。WCS是物流中心揀選系統(tǒng)硬件設(shè)備的調(diào)度與監(jiān)控系統(tǒng)，通過與WMS系統(tǒng)進(jìn)行信息傳遞，可實(shí)現(xiàn)物資在物流中心的自動(dòng)入庫、出庫、貨位分配、揀選提示、快速揀選與配盤等功能。

此外，在WMS系統(tǒng)中可結(jié)合多種揀選訂單方式，比如播種式、摘果式和混合式等類型[2]，又如訂單揀選、批次揀選和流程揀選等類型[22]。

3 結(jié)束語

物流中心揀選系統(tǒng)按以上方式設(shè)計(jì)并實(shí)施后，以國(guó)內(nèi)某世界五百強(qiáng)高端裝備制造企業(yè)為例，將從有形和無形兩個(gè)方面給企業(yè)及整個(gè)供應(yīng)鏈帶來以下預(yù)期效果。

首先，從有形績(jī)效指標(biāo)來看，物資及時(shí)交付率和齊套供應(yīng)率提升20%，物資周轉(zhuǎn)率提升20%，呆滯庫存比例降低20%；庫存總成本降低20%；揀選作業(yè)效率提升50%以上。

其次，從無形效益來看，揀選系統(tǒng)的高效運(yùn)作將串聯(lián)起企業(yè)乃至供應(yīng)鏈的產(chǎn)供銷核心業(yè)務(wù)，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)物流的標(biāo)準(zhǔn)化、精益化、信息化，從而及時(shí)、快速、高質(zhì)量的滿足供應(yīng)鏈上物資的個(gè)性化、定制化需求，有助于打造全供應(yīng)鏈的核心競(jìng)爭(zhēng)力。此外，系統(tǒng)為我國(guó)高端制造企業(yè)物流中心及揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了較好的示范和參考模板。

展望未來，隨著高端裝備制造企業(yè)物流管理逐步實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化，物流中心揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)將納入更多先進(jìn)的智能技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)。同時(shí)，隨著信息化時(shí)代的來臨，揀選系統(tǒng)也將向以高端裝備制造企業(yè)為核心的產(chǎn)業(yè)鏈上下游進(jìn)行深度擴(kuò)展，結(jié)合多種信息系統(tǒng)的深入應(yīng)用，將獲得更多、更準(zhǔn)確的物流數(shù)據(jù)。通過結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)所獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘與處理，將為產(chǎn)業(yè)鏈提供更多有效物流運(yùn)營(yíng)決策支持，對(duì)于全產(chǎn)業(yè)鏈物流服務(wù)與運(yùn)作水平持續(xù)提升具有重大意義。

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The logistics center sorting system design in high-grademanufacturing enterprise

DAI Bo, YANG Gen-ke

F274

：B

：1009-0134(2017)05-0147-04

2017-04-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61290323；61290322；61304214）

戴博（1981 -），男，湖南岳陽人，博士，研究方向?yàn)楣?yīng)鏈與物流管理、智能制造和合作博弈。