面向高端裝備制造企業(yè)的物流中心揀選系統(tǒng)設計

戴 博，楊根科

（上海交通大學 自動化系系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點實驗室，上海 200240）

面向高端裝備制造企業(yè)的物流中心揀選系統(tǒng)設計

戴 博，楊根科

（上海交通大學 自動化系系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點實驗室，上海 200240）

針對高端裝備制造企業(yè)多品種、小批量、定制化的生產制造模式，設計了物流中心揀選系統(tǒng)及關鍵組成結構。系統(tǒng)集成了自動化立體倉庫、倉儲信息管理系統(tǒng)WMS和倉庫監(jiān)控系統(tǒng)WCS，并結合了當前最主流的“貨到人”揀選技術。該系統(tǒng)能滿足高端裝備制造企業(yè)個性化物流需求，并有效提升物流中心揀選作業(yè)和整體運行效率。同時，該系統(tǒng)在高端裝備制造行業(yè)內具有較好的示范效應和推廣價值。

高端裝備企業(yè)；自動化立體倉庫；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]是指生產制造高技術含量、高附加值的先進工業(yè)設施設備的企業(yè)，往往處于產業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)。由于產品定制化程度高、生命周期長、可靠性及質量要求極高，其生產具備典型的多品種、小批量、離散化、變更多和工藝復雜等特性，其生產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地內，以合理的庫存水平，保證生產各個環(huán)節(jié)所需物資的及時、準確、有效供應。通常來說，揀選作業(yè)時間約占整個倉儲作業(yè)時間的30%～40%，揀選搬運成本約占倉儲搬運成本的90%[2]；揀選人員的數(shù)量占倉儲作業(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)時間是在移動，30%的作業(yè)時間真正用于挑選物資[3]。因此，揀選作業(yè)作為倉儲作業(yè)中勞動密集程度最高、作業(yè)時間最長、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)物流中心的整體運作效率。

目前，物流揀選系統(tǒng)在高端裝備制造企業(yè)的應用屬于起步階段，大多數(shù)企業(yè)仍然較多采用傳統(tǒng)管理手段。近年來，隨著自動化立體倉庫（AS/RS，Automated Warehouse Automatic Storage And Retrieval System）、RFID射頻識別、二維碼等技術的逐步成熟與推廣，物流揀選系統(tǒng)開始進入智能化、自動化時代，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，本文針對高端裝備制造企業(yè)多品種、小批量、定制化的生產制造模式，設計了物流中心揀選系統(tǒng)及關鍵業(yè)務流程。揀選系統(tǒng)集成了自動化立體倉庫、倉儲信息管理系統(tǒng)WMS和倉庫監(jiān)控系統(tǒng)WCS，并結合了當前最主流的“貨到人”揀選技術。該系統(tǒng)能滿足高端裝備制造企業(yè)個性化物流需求，并有效提升物流中心整體運行效率，并已在國內某世界五百強高端裝備企業(yè)實際應用。

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區(qū)域將物資從庫位中揀選出庫，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，技術應用為輔[2]。“貨到人”揀選主要以技術應用為主，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區(qū)域，到達指定庫位，揀選指定種類及數(shù)量的物資，并運送出庫至指定位置。貨到人含義為：揀貨員只在揀選區(qū)域內部執(zhí)行分揀任務，無須前往物資存儲區(qū)域，所需物資及相關揀選信息由系統(tǒng)自動輸送至揀選區(qū)域。因此，貨到人技術極大地減少了揀貨員的走動距離，自動化、智能化技術應用程度高，能大大提高揀選作業(yè)效率。

近年來，“貨到人”技術在電商行業(yè)得到了較多應用，使得分揀訂單履行更高效，每小時可以處理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，在揀選作業(yè)中，智能化自動揀選設備已經廣泛地得以應用[16～18]。

自動揀選設備是按照發(fā)貨指令，通過識別自動傳輸線上的貨物種類，利用揀選結構將貨物進行分類。由于自動揀選設備使用的流水線自動作業(yè)方式，貨物信息識別速度快，能連續(xù)、大批量地揀選貨物，不受時間、人的體力等因素的限制，因此可以達到較高的揀選作業(yè)效率。同時自動揀選設備廣泛采用條碼等自動識別技術，貨物的信息可以正確讀取，因此貨物種類的確定差錯率低，系統(tǒng)作業(yè)的準確性好；該類設備對貨物一般具有較好的保護作用，對貨物損傷比較?。挥行╊愋偷淖詣訏x設備還可以通過修改相應的運行參數(shù)，可以快速實現(xiàn)不同種貨物的揀選種類切換，適應性比較強；自動揀選設備系統(tǒng)能最大限度地減少人員的使用，貨物的移動、信息的讀取都自動完成，大幅度地減輕員工的勞動強度。本文將著重研究自動揀選設備在面向高端裝備制造企業(yè)的物流中心揀選系統(tǒng)中的應用。

2 揀選系統(tǒng)設計

對于高端裝備制造企業(yè)，最新趨勢為采用集成供應、生產、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]，并導入智能化、自動化物流中心及揀選系統(tǒng)[20]。其中，在企業(yè)投入、轉換、產出等各環(huán)節(jié)的物流活動中，所需原材料、零部件、在制品、備品備件供應均具備多品種、小批量、多頻次、需求不確定性及定制化程度高的特性，對物流中心揀選系統(tǒng)設計帶來極大挑戰(zhàn)與難度。下文首先闡述物流中心關鍵業(yè)務流程及其相互邏輯關系，隨后提出揀選系統(tǒng)設計原理及其關鍵技術。

一般來說，企業(yè)物流中心包含收貨、檢驗、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)在物流中心內部主要涉及物資的揀選與出庫作業(yè)環(huán)節(jié)，但在設計揀選系統(tǒng)時須向前后作業(yè)環(huán)節(jié)甚至物流中心外部進行延伸，綜合考慮各環(huán)節(jié)之間的匹配關系。從前端來說，揀選作業(yè)與入庫、收貨、更換包裝甚至供應商處的采購訂單類型、包裝及出庫作業(yè)有關聯(lián)；從后端來說，揀選作業(yè)與生產線、客戶的領用訂單、收貨作業(yè)有關聯(lián)。下文從三個方面對揀選系統(tǒng)設計進行詳細闡述。

2.1 物資包裝標準化

在高端裝備制造企業(yè)物流中心內，根據(jù)物資類型、重量、尺寸信息，一般會采用三種貨架存儲形式。第一種是存放小件物資的標準周轉箱式立體倉庫（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；第二種是存放中件物資的標準托盤式立體倉庫（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；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；對于其他尺寸超過2000mm、重量超過3t的物資，一般直送存放于生產現(xiàn)場。

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、存儲、運輸、出入庫、減少物流中間環(huán)節(jié)轉運等過程，即為包裝標準化。它是物流中心揀選系統(tǒng)設計的最重要基礎條件。一旦物資包裝實現(xiàn)標準化，從供應商至物流中心、從物流中心至生產線或客戶均可實現(xiàn)包裝一體化流轉和重復利用，將大大降低揀選系統(tǒng)復雜程度并提高物資流轉效率。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)物資特性進行選擇，且應盡可能選用標準化包裝。同時，每個包裝內可設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)硬件設計

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中對應各類物資包裝的存儲貨架，包括周轉箱式自動化立體倉庫、托盤式自動化立體倉庫、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。

第二類為用于物流中心出入庫作業(yè)的設備，包括輸送機、堆垛機、碼垛機械手等，如圖3所示。該類設備可取代人工出入庫作業(yè)，既減輕人員勞動強度、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)設備示意圖

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

圖4 物流中心貨到人揀選作業(yè)專用設備示意圖

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

圖5 物流中心輔助揀選作業(yè)專用設備示意圖

圖5中左圖為機器人輔助揀選設備，圖5右圖為懸臂吊輔助揀選設備。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、揀選，在包裝標準化的基礎上，采用機械助力設備既能取代人工勞動，又能提高揀選作業(yè)效率。

2.3 揀選系統(tǒng)軟件設計

物流中心揀選系統(tǒng)軟件系統(tǒng)包括倉儲信息管理系統(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、供應商管理系統(tǒng)SRM進行信息傳遞的支撐系統(tǒng)，結合條碼技術、RFID技術，能實現(xiàn)所有物資信息的自動存儲、傳遞、準時化供應，并確保庫存信息齊全、可追溯。同時，WMS將接收上位系統(tǒng)傳遞的物資采購訂單、領用訂單，是指導揀選作業(yè)的指令來源。WCS是物流中心揀選系統(tǒng)硬件設備的調度與監(jiān)控系統(tǒng)，通過與WMS系統(tǒng)進行信息傳遞，可實現(xiàn)物資在物流中心的自動入庫、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 結束語

物流中心揀選系統(tǒng)按以上方式設計并實施后，以國內某世界五百強高端裝備制造企業(yè)為例，將從有形和無形兩個方面給企業(yè)及整個供應鏈帶來以下預期效果。

首先，從有形績效指標來看，物資及時交付率和齊套供應率提升20%，物資周轉率提升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)的高效運作將串聯(lián)起企業(yè)乃至供應鏈的產供銷核心業(yè)務，促進實現(xiàn)物流的標準化、精益化、信息化，從而及時、快速、高質量的滿足供應鏈上物資的個性化、定制化需求，有助于打造全供應鏈的核心競爭力。此外，系統(tǒng)為我國高端制造企業(yè)物流中心及揀選系統(tǒng)設計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)物流管理逐步實現(xiàn)智能化、自動化，物流中心揀選系統(tǒng)設計將納入更多先進的智能技術、自動化技術。同時，隨著信息化時代的來臨，揀選系統(tǒng)也將向以高端裝備制造企業(yè)為核心的產業(yè)鏈上下游進行深度擴展，結合多種信息系統(tǒng)的深入應用，將獲得更多、更準確的物流數(shù)據(jù)。通過結合大數(shù)據(jù)技術對所獲取數(shù)據(jù)進行深度挖掘與處理，將為產業(yè)鏈提供更多有效物流運營決策支持，對于全產業(yè)鏈物流服務與運作水平持續(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

國家自然科學基金項目（61290323；61290322；61304214）

戴博（1981 -），男，湖南岳陽人，博士，研究方向為供應鏈與物流管理、智能制造和合作博弈。