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大型離散制造業 (如裝備、建材、汽車零配件、家具、家電等) 的內部供應鏈管理問題始終是企業信息化的重點和難點, 也是容易造成企業信息斷層的薄弱環節, 內部供應鏈管理的有效性和科學性直接影響到企業運作的效率和成本, 影響到企業的客戶關系和企業形象, 從而影響企業的整體競爭力。在制造業的內部供應鏈中, 倉儲管理又是重要和關鍵環節, 大型制造業的內部倉儲系統往往十分龐大和復雜, 具有品種型號繁多、立體多元密集、動態變化迅速、空間操作面龐大等特點, 企業常常因為物品進庫未嚴格執行預先設定程序而造成出貨效率低下, 貨物尋址困難, 嚴重影響企業內部供應鏈管理。本系統針對大型制造業內部倉儲系統的具體特點, 采用RFID觸發容錯尋址方式, 研究設計大型倉儲的智能管理模型, 探索大型制造業的倉儲系統智能化管理的普遍規律, 為工業化與信息化融合提供應用模型。系統設計的目標如下:

1) 通過信息化技術在大型制造業智能倉儲系統中的應用, 有效提高企業內部供應鏈運行效率, 降低內部物流成本, 杜絕企業內部物流各環節的漏洞, 避免出現供應鏈信息斷層, 提高企業信息化水平和整體競爭力;

2) 通過分析大型制造業智能倉儲系統的典型事件流模型, 研究設計一套適應于大型離散制造業的內部倉儲智能管理系統, 通過配置化、移植化、模塊化等手段, 形成典型的大型倉儲管理系統的應用解決方案, 為系統產業化打下基礎;

3) 我國是世界制造業基地, 大型制造企業不乏其數, 這些企業大多具備離散制造的特點, 其內部供應鏈管理都面臨同樣的問題。本系統研究的成果可以在這些企業中得到很好的應用, 對推動我國制造業的發展具有重要意義。

國內大型制造企業的倉儲管理大致分為3種類型:傳統式的人工管理、依賴ERP系統的供應鏈管理、智能倉儲管理系統。

傳統的倉庫管理一般依賴于一個非自動化的、以紙張文件為基礎的系統來記錄、追蹤進出的貨物, 完全由人工實施倉庫內部的管理, 因此倉庫管理的效率極其低下, 所能管理的倉庫規模也很小。依賴ERP系統的供應鏈管理是基于企業的局域網或互聯網, 對倉儲的管理貨物或材料進行計算機信息化管理, 物品進出倉依賴人工電腦輸入, 并少量使用工作單的傳遞, 貨物的堆放和定位靠事先的預定程序設定, 操作者必須嚴格執行, 貨物的進出平衡基本有保證, 但尋址和定位就可能因為人的責任心或現場的客觀情況而難于實現精準管理, 通常要靠一段時間進行一次盤點來理順, 但盤點畢竟是事后行為, 并不能實現倉儲系統信息的實時化。智能倉儲管理系統常常采用條碼技術、二維碼技術甚至是RFID技術, 對倉庫到貨檢驗、入庫、出庫、調撥、移庫移位、庫存盤點等各個作業環節的數據進行自動化的數據采集, 保證倉庫管理各個環節數據輸入的速度和準確性, 確保企業及時準確地掌握庫存的真實數據, 合理保持和控制企業庫存。目前, 各大企業采用數據自動采集技術管理供應鏈中的倉儲系統, 其采集方法還是被動采集或半自動采集, 數據采集終端通常裝配在托盤或叉車上, 或者是操作者手持便攜式終端, 無法做到密集貨架地址的唯一性, 客觀上還是無法實現貨物的動態尋址, 一定程度上還是依賴人的責任心。

我國的大型制造企業的內部倉儲系統雖然龐大, 但自動化程度還很低, 建設機械化、自動化的倉儲系統投資也十分驚人, 在未來很長時間內還將維持目前現狀。因此設計一種既能實現數據自動采集, 又能實現貨物自動容錯定位的倉儲管理解決方案, 是一種既省錢又能達到智能管理目的的好方法, 這也正是本系統的核心內容。

1) 研究開發全新理念的主動采集、容錯尋址的RFID技術部署方案, 包括貨物托盤電子標簽設計及部署、多層密集貨架感應天線設計及部署、密集采集分布式讀寫器設計及部署、多通道數據通訊路徑設計及部署、RFID原始信號的預處理 (如隔離、分序、過濾、判斷及干擾處理等) 、故障診斷及定位系統的設計等;

2) 倉儲系統數據庫及軟件平臺設計, 數據庫設計包括貨物動態平衡數據庫設計、三維貨架狀態數據庫設計、托盤狀態數據庫設計、電子標簽與讀寫器天線邏輯地址數據庫設計、邏輯狀態與物理狀態對應關系的數據庫設計、內部操作人員及操作設備數據庫設計等;軟件平臺設計包括倉儲監控平臺、物品進庫平臺、物品出庫平臺、貨架動態分配平臺、智能尋址平臺、托盤及操作設備調度平臺、盤點及統計平臺等;

3) 系統數據與ERP內部供應鏈管理接口設計。包括異構數據的同步與訪問、ERP指令的接受、倉儲狀態的動態實時上傳等, 以實現企業整體信息化。

1) 解決適應于金屬表面的電子標簽和讀寫器天線的通訊有效性問題。眾所周知, 金屬表面會改變電子標簽和讀寫器的性能和參數, 對數據采集造成嚴重干擾, 影響電子標簽的識讀和通訊, 由于大型倉儲系統的載體單位的成品倉庫無論是貨架、托盤還是貨物很可能是金屬材料, 在其上部署RFID技術, 通訊的有效性是首當其沖的難題;

2) 解決密集讀寫系統的數據通路隔離和地址匹配問題。大型倉儲的立體貨架、貨位和托盤都非常多, 每個托盤都部署有電子標簽, 每個貨位都部署有讀寫天線, 讀寫器的數量非常多, 可見RFID數據通訊十分頻繁, 一方面要建立物理位置與邏輯地址的對應關系, 處理好信號采集及通訊的排序、防沖突、防干擾、信號甄別、信號遴選等核心問題, 處理好RFID觸發網絡反應速度問題;另一方面要處理好信號的隔離問題, 防止單元故障引發系統故障, 同時通過診斷軟件, 第一時間定位故障單元, 以便及時排除故障;

3) 解決RFID識讀的距離和極化問題。大型倉儲系統操作面龐大, 貨物就位大多采用廠內機動車協助, 隨意性大, 就位不可能十分理想, 托盤電子標簽與貨架讀寫天線的距離忽遠忽近, 角度也可能偏移。因此, 讀寫距離和極化角度是一個直接影響數據采集有效性的關鍵問題, 范圍過大會影響不同貨位之間的數據混讀, 范圍過小則會造成漏讀。解決這一問題一方面要根據現場情況設定合適的讀寫距離和極化角度;另一方面要適當設置屏蔽和隔離設施, 以確保數據采集的準確性;

4) 解決貨物批次與托盤級管理的貨物分解與合成問題。由于采用了托盤管理, 為提高空間利用率, 很可能同一批次和型號的貨物分布在不同的托盤和貨架, 這就是貨物批次分解問題。相反, 在貨物量少的情況下, 不同批次和型號的貨物可能存放于同一托盤和貨架內, 這就是貨物批次合成問題。因此, 必須根據實際操作情況, 分析并建立貨物分解和合成事件流模型, 厘清并規范分解與合成的邏輯關系, 形成標準的計算機解決方案, 這樣既可提高軟件系統的可靠性, 又便于技術平臺的產業化應用。

倉儲管理是企業供應鏈管理的一個重要環節, 必須基于企業的現行ERP系統來進行設計, 才能實現其智能管理和科學決策功能。底層也就是原始信息采集層通過通訊系統將大量數據包傳輸到服務器, 以供管理及決策使用。因此, 本項目總體設計的主要任務是倉儲數據采集系統、數據通訊系統、數據庫系統、管理軟件系統、與供應鏈接口系統以及與企業ERP接口系統。圖1是本系統的總體設計體系結構圖。

圖1 系統體系結構圖  下載原圖

RFID部署的科學性直接關系到系統的穩定性、有效性和可用性, 為實現RFID觸發容錯尋址, 同時防止通訊路徑的相互干擾和沖突, RFID系統部署共分為三級網絡, 一級網絡包含四個二級子網絡。每個二級子網絡包含20個三級子網絡。每個三級子網絡包含66~132個RF讀寫器節點。RF讀寫器及電子標簽采用125k Hz, 傳輸方式采用485工業總線技術傳輸, 電源采用分組供電方式, 每6個RF讀寫器節點共用一個電源。

所謂觸發容錯尋址, 就是操作者在運送貨物到貨架存放時, 無論是嚴格按計算機事先安排的空位存放還是因多種原因造成錯誤存放, 計算機系統都能通過RFID的實際觸發地址而進行容錯處理, 貨物及托盤的實際物理地址并不會出現混亂。本系統通過在密集貨架的每一個貨位上設計部署邏輯地址唯一的讀寫器或感應天線, 在每一個托盤上部署唯一UID碼的電子標簽, 一旦托盤進入貨位的識讀范圍, 即可觸發RFID系統動作, 將貨物與貨架的對應關系自動傳輸到計算機系統, 計算機系統數據庫里始終保存著正確的地址信息。這種方式下允許人的操作誤差, 并實現自動容錯, 充分體現了人性化設計的特點, 同時大大提高了系統的穩定性和適應性。

軟件系統是實現管理功能和決策功能的載體和工具, 軟件設計基于RFID采集的原始信息數據庫、物理倉儲系統抽象描述數據庫及貨物屬性描述數據庫, 大型制造業內部倉儲系統軟件設計至少包括如下平臺:動態監管及調度平臺、入庫作業平臺、出庫作業平臺、移庫作業平臺、盤庫作業平臺、數據接口平臺、數據挖掘及分析平臺等。

1) 動態監管及調度平臺:包括監管倉庫的貨物存量、貨物流量、貨物存放物理及邏輯位置、發送入庫指令、發送出庫指令、貨物尋址指引、維持動態平衡等功能;

2) 入庫作業流程:收貨檢驗=〉制作和粘貼標簽=〉貨物進托盤=〉現場計算機自動分配庫位=〉運送貨物到指定庫位 (錯放了也沒關系, 系統會自動容錯) =〉托盤與貨架自動對接通訊=〉每次操作的貨架號和對應物品編號自動傳輸到網絡計算機系統=〉計算機比對實際存放庫位與理論存放庫位是否一致=〉更新庫存數據庫;

3) 出庫作業流程:中心計算機下達出庫計劃=〉現場計算機編制出庫指令=〉作業人員按數據終端提示, 到達指定庫位=〉從庫位上取出指定貨物對應的托盤=〉貨架與托盤脫離觸發RFID動作=〉貨物離開貨架的信息自動傳輸到計算機網絡=〉貨物運送到出口處=〉向現場計算機發回完成出庫作業信息=〉更新中心數據庫;

4) 移庫作業流程:根據需要, 計算機編制移庫指令=〉將需要移動的貨物對應的托盤從貨架取出=〉貨架與托盤脫離觸發RFID動作=〉貨物離開貨架的信息自動傳輸到計算機網絡=〉運送貨物到指定庫位=〉托盤與貨架自動對接通訊=〉每次操作的貨架號和對應物品編號自動傳輸到網絡計算機系統=〉更新庫存數據庫;

5) 盤庫作業流程:分為自動盤庫和人工盤庫。自動盤庫流程:計算機發出盤庫指令=〉對RFID全部單元進行掃描=〉輸出盤庫結果=〉比較盤庫結果與貨物實際存量, 不符時發出警示=〉向現場計算機發出盤庫結束信息。人工盤庫采用便攜式RFID數據終端和條碼終端, 理論上并不需要人工盤庫, 只有當貨物、貨架、托盤出現匹配混亂時才需進行;

6) 數據挖掘及分析平臺:包括生成統計分析報表、決策建議、倉儲效率分析、物流路徑優化設計、操作者考核與作業量統計等。

本系統適應于大型離散制造業 (如裝備、建材、汽車零配件、家具、家電等) 內部供應鏈管理的倉儲管理環節, 著重解決大型制造業的內部倉儲系統貨物自動尋址問題, 同時本系統也是一個典型的物聯網絡應用系統, 是“兩化融合”的經典案例, 有助于推動物聯網絡技術的產業化應用, 加速推動我國制造業整體信息化的進程。