陳 艷

(嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 嘉興 314000)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)4.0和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的迅速發(fā)展,供應(yīng)鏈與物流行業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。為滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)物流快速、準(zhǔn)確及透明化的需求,倉(cāng)儲(chǔ)管理須采用先進(jìn)的技術(shù)來(lái)提升效率及響應(yīng)速度,故而射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)逐漸成為倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化與智能化的關(guān)鍵組成部分[1]。RFID技術(shù)在航天、物流、裝備等智能倉(cāng)儲(chǔ)及庫(kù)存管理方面展現(xiàn)出了巨大的潛力[2-3],其優(yōu)于傳統(tǒng)的條形碼或手工系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地獲取并分析倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù),為企業(yè)提供決策信息[4]。目前,高校物流實(shí)驗(yàn)室使用基于RFID的智能倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化出入庫(kù)管理,顯著提升了效益[5],將其與現(xiàn)有的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)有效集成,更好地實(shí)現(xiàn)技術(shù)管理,是未來(lái)研究的重點(diǎn)。本研究介紹了RFID的基本原理和功能,探討了其在不同倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用案例,指出需要注意的關(guān)鍵因素,通過(guò)模擬仿真,驗(yàn)證了基于RFID的倉(cāng)儲(chǔ)在提升自動(dòng)化及智能化方面的有效性,以期推動(dòng)RFID技術(shù)的利用,優(yōu)化倉(cāng)儲(chǔ)操作。

1 RFID技術(shù)原理

射頻識(shí)別是一種無(wú)線通信技術(shù),通過(guò)無(wú)線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù),無(wú)需建立機(jī)械或光學(xué)接觸。射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由3部分組成,即RFID標(biāo)簽、RFID讀寫(xiě)器和中央信息處理系統(tǒng),它們通過(guò)耦合元件實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸的射頻信號(hào)耦合,并在耦合通道內(nèi)傳遞能量及交換數(shù)據(jù)。

RFID電子標(biāo)簽包含一個(gè)小型的射頻芯片和一個(gè)天線,芯片用于存儲(chǔ)與該標(biāo)簽相關(guān)的特定信息,如產(chǎn)品ID、序列號(hào)等,這些標(biāo)簽可以是被動(dòng)的、有源的或半主動(dòng)的。被動(dòng)標(biāo)簽沒(méi)有內(nèi)部電源,由讀寫(xiě)器的射頻(RF)信號(hào)激活。有源標(biāo)簽有自己的電源,可以主動(dòng)發(fā)送信號(hào)。半主動(dòng)標(biāo)簽結(jié)合了這兩種屬性,由于RFID使用無(wú)線電波進(jìn)行通信,因此需考慮物理環(huán)境和其他電磁設(shè)備的干擾。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸,RFID技術(shù)必須考慮并克服這些干擾。讀寫(xiě)器是一種用于讀取和寫(xiě)入電子標(biāo)簽內(nèi)存信息的設(shè)備,由射頻模塊、控制處理模塊和天線3部分組成,通過(guò)無(wú)線通信與電子標(biāo)簽進(jìn)行交互,連接中央信息處理系統(tǒng),進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理。

讀寫(xiě)器通過(guò)天線發(fā)送一個(gè)無(wú)線電波信號(hào),激活附近的RFID標(biāo)簽,一旦標(biāo)簽被激活就會(huì)回傳存儲(chǔ)到射頻芯片中的信息讀寫(xiě)器,讀寫(xiě)器接收到標(biāo)簽信號(hào),將其傳送到中央處理系統(tǒng)進(jìn)行處理分析。此系統(tǒng)可與其他應(yīng)用或管理系統(tǒng)(如倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)或供應(yīng)鏈管理系統(tǒng))集成。RFID標(biāo)簽可在不同的頻率下工作,如低頻(LF)、高頻(HF)及超高頻(UHF)。不同的頻率有其特定的應(yīng)用、傳輸距離及能量需求。

圖1 RFID系統(tǒng)的基本組成和工作流程

2 RFID優(yōu)化倉(cāng)儲(chǔ)智能化管理的優(yōu)勢(shì)

在智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的人工管理、條形碼技術(shù)及RFID技術(shù)各具優(yōu)勢(shì),但RFID的優(yōu)勢(shì)更為突出。RFID技術(shù)具有自動(dòng)化優(yōu)勢(shì),傳統(tǒng)的人工管理需要大量的人力投入來(lái)執(zhí)行庫(kù)存跟蹤、出入庫(kù)操作及物品追蹤,而RFID技術(shù)能夠自動(dòng)完成這些任務(wù),不僅提高了效率,還減少了人為錯(cuò)誤的可能性。與條形碼技術(shù)相比,RFID技術(shù)在數(shù)據(jù)收集速度及準(zhǔn)確性方面更出色。條形碼需要一個(gè)接一個(gè)的掃描,而RFID可同時(shí)讀取多個(gè)標(biāo)簽,實(shí)現(xiàn)了更快速的數(shù)據(jù)獲取。RFID標(biāo)簽不需要直接對(duì)準(zhǔn)讀寫(xiě)器,可在不同方向和位置讀取,提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性。RFID技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)控并進(jìn)行物品追蹤定位。傳統(tǒng)的人工管理和條形碼技術(shù)難以實(shí)時(shí)監(jiān)控庫(kù)存水平或追蹤物品的準(zhǔn)確位置。RFID技術(shù)能夠提供即時(shí)、精確的庫(kù)存信息和物品定位,幫助管理人員快速響應(yīng)需求變化。RFID具有防盜和安全管理優(yōu)勢(shì),可提高倉(cāng)庫(kù)安全性。

RFID技術(shù)在智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),如自動(dòng)化、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)監(jiān)控、安全管理及庫(kù)存優(yōu)化,可為倉(cāng)儲(chǔ)管理帶來(lái)高效、智能、可持續(xù)的解決方案,是未來(lái)智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 庫(kù)存管理

在每個(gè)物品上附加RFID標(biāo)簽可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)庫(kù)存跟蹤。RFID讀寫(xiě)器可快速掃描標(biāo)簽,記錄物品的類(lèi)型、數(shù)量及位置等信息。倉(cāng)庫(kù)管理人員通過(guò)RFID系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控庫(kù)存水平,了解庫(kù)存的準(zhǔn)確狀態(tài),避免庫(kù)存缺貨或過(guò)剩。傳統(tǒng)的庫(kù)存盤(pán)點(diǎn)通常需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力資源,利用RFID技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化庫(kù)存盤(pán)點(diǎn)。使用RFID讀寫(xiě)器,可快速掃描整個(gè)倉(cāng)庫(kù)中的RFID標(biāo)簽,準(zhǔn)確記錄每個(gè)物品的數(shù)量和位置,大大提高盤(pán)點(diǎn)效率及準(zhǔn)確性,減少盤(pán)點(diǎn)過(guò)程中的人為錯(cuò)誤。RFID技術(shù)可用于防止庫(kù)存丟失和盜竊。將RFID標(biāo)簽與安全裝置相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)存的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)有未經(jīng)授權(quán)的物品離開(kāi)倉(cāng)庫(kù)時(shí),RFID系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出警報(bào),提醒倉(cāng)庫(kù)管理人員采取相應(yīng)的措施,從而有效防止庫(kù)存丟失和盜竊。利用RFID技術(shù)可實(shí)現(xiàn)庫(kù)存優(yōu)化及補(bǔ)貨管理。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)庫(kù)存水平和銷(xiāo)售情況及時(shí)了解哪些物品需要補(bǔ)貨及需要補(bǔ)充的數(shù)量,避免庫(kù)存過(guò)多或過(guò)少,提高庫(kù)存管理效率,加強(qiáng)成本控制。

2.2 物品追蹤與定位

在大型倉(cāng)庫(kù)中,快速定位和檢索特定物品是重要的任務(wù)。利用RFID技術(shù)可準(zhǔn)確追蹤每個(gè)物品的位置。當(dāng)需要某個(gè)物品時(shí),RFID系統(tǒng)可提供物品的準(zhǔn)確位置信息,實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的定位及檢索。將電子標(biāo)簽附加到叉車(chē)、AGV(自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)輛)等設(shè)備上,可實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)物品定位和導(dǎo)航,有助于提高倉(cāng)庫(kù)操作的精確性及效率,減少潛在的碰撞和誤操作。

表1是基于對(duì)多家物流和航空公司倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的調(diào)研,呈現(xiàn)了RFID倉(cāng)儲(chǔ)智能化技術(shù)應(yīng)用實(shí)例及其為企業(yè)帶來(lái)的粗量效益。其效益是從每批貨物出入庫(kù)速度等方面進(jìn)行綜合考量,與傳統(tǒng)的人工記錄倉(cāng)儲(chǔ)方式與條形碼方法相比,無(wú)論是出入庫(kù)效率還是倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)安全性等,基于RFID的倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化與智能化技術(shù)均具有顯著優(yōu)勢(shì)。

表1 RFID在智能倉(cāng)儲(chǔ)中的應(yīng)用實(shí)例及效益對(duì)比

基于RFID的倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化與智能化技術(shù)在倉(cāng)儲(chǔ)管理中具有廣闊的應(yīng)用前景。利用RFID技術(shù)可實(shí)現(xiàn)庫(kù)存跟蹤與管理、入庫(kù)及出庫(kù)管理、路徑優(yōu)化與物流調(diào)度、防盜與安全管理及倉(cāng)庫(kù)布局和空間利用優(yōu)化,提高倉(cāng)儲(chǔ)效率、準(zhǔn)確性及安全性,為物流和供應(yīng)鏈管理提供有力支持。

圖2 基于RFID的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)條形碼和人工管理粗測(cè)效益對(duì)比

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

針對(duì)某大型倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)了基于RFID的智能化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)(傳統(tǒng)人工管理和RFID智能化管理方式對(duì)比),實(shí)現(xiàn)智能出入庫(kù)和倉(cāng)儲(chǔ)物品分揀定位,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

3.1 基于RFID的倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化與智能化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽是RFID技術(shù)的核心組成部分,包括一個(gè)芯片和一個(gè)天線。設(shè)計(jì)RFID電子標(biāo)簽時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：針對(duì)傳統(tǒng)RFID電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)與部署方式存在的不足,為了最大程度耦合到貼附的金屬表面產(chǎn)生的磁場(chǎng),保持標(biāo)簽天線磁軸與金屬平行,以實(shí)現(xiàn)更流暢的數(shù)據(jù)讀取,增強(qiáng)其工作頻率,應(yīng)對(duì)金屬介質(zhì)對(duì)標(biāo)簽的影響。對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部空間進(jìn)行重新規(guī)劃和布局,將倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部空間劃分為具體的托盤(pán)貨位,在每個(gè)托盤(pán)貨位的中心位置安裝地埋式無(wú)源電子標(biāo)簽,實(shí)現(xiàn)貨物精確到貨位的數(shù)字化存儲(chǔ)。

如圖3,針對(duì)無(wú)源電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)了一種圓形天線方案,產(chǎn)生隨時(shí)間變化的磁場(chǎng),可匹配各種形式的電子標(biāo)簽,防止電子標(biāo)簽的出入庫(kù)信息丟失,通過(guò)3個(gè)讀寫(xiě)器的空間部署保證貨物在出入倉(cāng)庫(kù)時(shí)均處于無(wú)線射頻的覆蓋范圍,保證倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖3 倉(cāng)庫(kù)出入口讀寫(xiě)器設(shè)置

圖4 倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)整體框架

圖5 仿真數(shù)據(jù)的單位貨物吞吐量

3.2 數(shù)據(jù)分析

以該大型倉(cāng)庫(kù)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,應(yīng)用設(shè)計(jì)的基于RFID的倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化與智能化系統(tǒng),采集倉(cāng)庫(kù)每日的進(jìn)出庫(kù)明細(xì)表格,基于進(jìn)出庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真。具體流程如下：

使用Ubuntu系統(tǒng)下Gazebo虛擬物理環(huán)境進(jìn)行模擬,設(shè)置倉(cāng)庫(kù)大小、貨架擺放順序、出入口位置等基本信息。在倉(cāng)庫(kù)入口平均設(shè)置不同規(guī)格、存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)、出庫(kù)頻率的貨物,測(cè)試結(jié)束時(shí)按順序重新布置存儲(chǔ)物。采用傳統(tǒng)人工貨物管理,仿真環(huán)境中設(shè)置一定的登記核對(duì)時(shí)間30 s,大型貨物的登記時(shí)長(zhǎng)適當(dāng)加長(zhǎng),對(duì)出入庫(kù)情況進(jìn)行模擬。

(1)

采用基于RFID的智能化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行出入庫(kù)管理,將倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程結(jié)束條件設(shè)置為該倉(cāng)庫(kù)貨架空間利用率為70%。重復(fù)上述過(guò)程5次,統(tǒng)計(jì)每次入庫(kù)和出庫(kù)結(jié)束時(shí)間及單位時(shí)間內(nèi)倉(cāng)儲(chǔ)吞吐量,由于本系統(tǒng)中未增加路徑軌跡優(yōu)化算法,因此不考慮貨物上架時(shí)間,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,相對(duì)于人工倉(cāng)儲(chǔ)管理,基于RFID的智能化倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)在一定程度上提高了倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的單位時(shí)間吞吐量,在出入庫(kù)時(shí)間上,相對(duì)于人工管理提高達(dá)40%以上,有效提高了倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)效率。

4 展望

探討了利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)管理的自動(dòng)化與智能化,通過(guò)對(duì)現(xiàn)有倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的改造與升級(jí),實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)集成,提高倉(cāng)儲(chǔ)管理效率、精確性及可靠性,為物流行業(yè)帶來(lái)巨大的價(jià)值及競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),為基于RFID的倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化與智能化技術(shù)提供了一種系統(tǒng)方法和框架。RFID技術(shù)將在倉(cāng)儲(chǔ)管理領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用,為物流行業(yè)帶來(lái)更高效、智能和可持續(xù)的解決方案。

未來(lái),RFID技術(shù)與5G的融合將推動(dòng)智能倉(cāng)儲(chǔ)的進(jìn)一步發(fā)展。5G的高帶寬和低延遲特性將使RFID系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸大量數(shù)據(jù),支持智能倉(cāng)儲(chǔ)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和反應(yīng),可更準(zhǔn)確地跟蹤庫(kù)存,實(shí)現(xiàn)庫(kù)存的即時(shí)更新及高效的出入庫(kù)管理。RFID與人工智能(AI)的結(jié)合將加速智能倉(cāng)儲(chǔ)的發(fā)展。將RFID數(shù)據(jù)與AI算法相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化庫(kù)存管理、路徑規(guī)劃及預(yù)測(cè)性維護(hù),倉(cāng)庫(kù)將更智能化,自動(dòng)適應(yīng)不斷變化的需求,提高庫(kù)存管理效率及準(zhǔn)確性。RFID技術(shù)的小型化和集成將使智能倉(cāng)儲(chǔ)更具靈活性。RFID芯片和天線的尺寸將繼續(xù)減小,可輕松嵌入各種貨架、貨物及設(shè)備中,這將促進(jìn)智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的部署,使其更容易適應(yīng)各種倉(cāng)庫(kù)環(huán)境和物品類(lèi)型。RFID技術(shù)還將在物品追蹤與定位方面發(fā)揮關(guān)鍵作用,倉(cāng)庫(kù)管理人員可利用RFID實(shí)時(shí)跟蹤物品位置,提高物品定位及檢索效率,將RFID標(biāo)簽附加到設(shè)備上,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能定位及導(dǎo)航,減少操作錯(cuò)誤和設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。隨著RFID技術(shù)在智能倉(cāng)儲(chǔ)中的廣泛應(yīng)用,人們也將更加重視安全和隱私保護(hù)。未來(lái)要著重提高RFID系統(tǒng)的安全性,包括數(shù)據(jù)加密、訪問(wèn)控制及身份驗(yàn)證,確保倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)的保密性和完整性。RFID技術(shù)在智能倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域中的應(yīng)用將繼續(xù)推動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化與智能化發(fā)展,使倉(cāng)庫(kù)更加智能、高效、靈活,為供應(yīng)鏈管理提供更多的可能性,實(shí)現(xiàn)智能倉(cāng)儲(chǔ)的全面優(yōu)化。