大型离散制造业 (如装备、建材、汽车零配件、家具、家电等) 的内部供应链管理问题始终是企业信息化的重点和难点, 也是容易造成企业信息断层的薄弱环节, 内部供应链管理的有效性和科学性直接影响到企业运作的效率和成本, 影响到企业的客户关系和企业形象, 从而影响企业的整体竞争力。在制造业的内部供应链中, 仓储管理又是重要和关键环节, 大型制造业的内部仓储系统往往十分庞大和复杂, 具有品种型号繁多、立体多元密集、动态变化迅速、空间操作面庞大等特点, 企业常常因为物品进库未严格执行预先设定程序而造成出货效率低下, 货物寻址困难, 严重影响企业内部供应链管理。本系统针对大型制造业内部仓储系统的具体特点, 采用RFID触发容错寻址方式, 研究设计大型仓储的智能管理模型, 探索大型制造业的仓储系统智能化管理的普遍规律, 为工业化与信息化融合提供应用模型。系统设计的目标如下:

1) 通过信息化技术在大型制造业智能仓储系统中的应用, 有效提高企业内部供应链运行效率, 降低内部物流成本, 杜绝企业内部物流各环节的漏洞, 避免出现供应链信息断层, 提高企业信息化水平和整体竞争力;

2) 通过分析大型制造业智能仓储系统的典型事件流模型, 研究设计一套适应于大型离散制造业的内部仓储智能管理系统, 通过配置化、移植化、模块化等手段, 形成典型的大型仓储管理系统的应用解决方案, 为系统产业化打下基础;

3) 我国是世界制造业基地, 大型制造企业不乏其数, 这些企业大多具备离散制造的特点, 其内部供应链管理都面临同样的问题。本系统研究的成果可以在这些企业中得到很好的应用, 对推动我国制造业的发展具有重要意义。

国内大型制造企业的仓储管理大致分为3种类型:传统式的人工管理、依赖ERP系统的供应链管理、智能仓储管理系统。

传统的仓库管理一般依赖于一个非自动化的、以纸张文件为基础的系统来记录、追踪进出的货物, 完全由人工实施仓库内部的管理, 因此仓库管理的效率极其低下, 所能管理的仓库规模也很小。依赖ERP系统的供应链管理是基于企业的局域网或互联网, 对仓储的管理货物或材料进行计算机信息化管理, 物品进出仓依赖人工电脑输入, 并少量使用工作单的传递, 货物的堆放和定位靠事先的预定程序设定, 操作者必须严格执行, 货物的进出平衡基本有保证, 但寻址和定位就可能因为人的责任心或现场的客观情况而难于实现精准管理, 通常要靠一段时间进行一次盘点来理顺, 但盘点毕竟是事后行为, 并不能实现仓储系统信息的实时化。智能仓储管理系统常常采用条码技术、二维码技术甚至是RFID技术, 对仓库到货检验、入库、出库、调拨、移库移位、库存盘点等各个作业环节的数据进行自动化的数据采集, 保证仓库管理各个环节数据输入的速度和准确性, 确保企业及时准确地掌握库存的真实数据, 合理保持和控制企业库存。目前, 各大企业采用数据自动采集技术管理供应链中的仓储系统, 其采集方法还是被动采集或半自动采集, 数据采集终端通常装配在托盘或叉车上, 或者是操作者手持便携式终端, 无法做到密集货架地址的唯一性, 客观上还是无法实现货物的动态寻址, 一定程度上还是依赖人的责任心。

我国的大型制造企业的内部仓储系统虽然庞大, 但自动化程度还很低, 建设机械化、自动化的仓储系统投资也十分惊人, 在未来很长时间内还将维持目前现状。因此设计一种既能实现数据自动采集, 又能实现货物自动容错定位的仓储管理解决方案, 是一种既省钱又能达到智能管理目的的好方法, 这也正是本系统的核心内容。

1) 研究开发全新理念的主动采集、容错寻址的RFID技术部署方案, 包括货物托盘电子标签设计及部署、多层密集货架感应天线设计及部署、密集采集分布式读写器设计及部署、多通道数据通讯路径设计及部署、RFID原始信号的预处理 (如隔离、分序、过滤、判断及干扰处理等) 、故障诊断及定位系统的设计等;

2) 仓储系统数据库及软件平台设计, 数据库设计包括货物动态平衡数据库设计、三维货架状态数据库设计、托盘状态数据库设计、电子标签与读写器天线逻辑地址数据库设计、逻辑状态与物理状态对应关系的数据库设计、内部操作人员及操作设备数据库设计等;软件平台设计包括仓储监控平台、物品进库平台、物品出库平台、货架动态分配平台、智能寻址平台、托盘及操作设备调度平台、盘点及统计平台等;

3) 系统数据与ERP内部供应链管理接口设计。包括异构数据的同步与访问、ERP指令的接受、仓储状态的动态实时上传等, 以实现企业整体信息化。

1) 解决适应于金属表面的电子标签和读写器天线的通讯有效性问题。众所周知, 金属表面会改变电子标签和读写器的性能和参数, 对数据采集造成严重干扰, 影响电子标签的识读和通讯, 由于大型仓储系统的载体单位的成品仓库无论是货架、托盘还是货物很可能是金属材料, 在其上部署RFID技术, 通讯的有效性是首当其冲的难题;

2) 解决密集读写系统的数据通路隔离和地址匹配问题。大型仓储的立体货架、货位和托盘都非常多, 每个托盘都部署有电子标签, 每个货位都部署有读写天线, 读写器的数量非常多, 可见RFID数据通讯十分频繁, 一方面要建立物理位置与逻辑地址的对应关系, 处理好信号采集及通讯的排序、防冲突、防干扰、信号甄别、信号遴选等核心问题, 处理好RFID触发网络反应速度问题;另一方面要处理好信号的隔离问题, 防止单元故障引发系统故障, 同时通过诊断软件, 第一时间定位故障单元, 以便及时排除故障;

3) 解决RFID识读的距离和极化问题。大型仓储系统操作面庞大, 货物就位大多采用厂内机动车协助, 随意性大, 就位不可能十分理想, 托盘电子标签与货架读写天线的距离忽远忽近, 角度也可能偏移。因此, 读写距离和极化角度是一个直接影响数据采集有效性的关键问题, 范围过大会影响不同货位之间的数据混读, 范围过小则会造成漏读。解决这一问题一方面要根据现场情况设定合适的读写距离和极化角度;另一方面要适当设置屏蔽和隔离设施, 以确保数据采集的准确性;

4) 解决货物批次与托盘级管理的货物分解与合成问题。由于采用了托盘管理, 为提高空间利用率, 很可能同一批次和型号的货物分布在不同的托盘和货架, 这就是货物批次分解问题。相反, 在货物量少的情况下, 不同批次和型号的货物可能存放于同一托盘和货架内, 这就是货物批次合成问题。因此, 必须根据实际操作情况, 分析并建立货物分解和合成事件流模型, 厘清并规范分解与合成的逻辑关系, 形成标准的计算机解决方案, 这样既可提高软件系统的可靠性, 又便于技术平台的产业化应用。

仓储管理是企业供应链管理的一个重要环节, 必须基于企业的现行ERP系统来进行设计, 才能实现其智能管理和科学决策功能。底层也就是原始信息采集层通过通讯系统将大量数据包传输到服务器, 以供管理及决策使用。因此, 本项目总体设计的主要任务是仓储数据采集系统、数据通讯系统、数据库系统、管理软件系统、与供应链接口系统以及与企业ERP接口系统。图1是本系统的总体设计体系结构图。

图1 系统体系结构图  下载原图

RFID部署的科学性直接关系到系统的稳定性、有效性和可用性, 为实现RFID触发容错寻址, 同时防止通讯路径的相互干扰和冲突, RFID系统部署共分为三级网络, 一级网络包含四个二级子网络。每个二级子网络包含20个三级子网络。每个三级子网络包含66~132个RF读写器节点。RF读写器及电子标签采用125k Hz, 传输方式采用485工业总线技术传输, 电源采用分组供电方式, 每6个RF读写器节点共用一个电源。

所谓触发容错寻址, 就是操作者在运送货物到货架存放时, 无论是严格按计算机事先安排的空位存放还是因多种原因造成错误存放, 计算机系统都能通过RFID的实际触发地址而进行容错处理, 货物及托盘的实际物理地址并不会出现混乱。本系统通过在密集货架的每一个货位上设计部署逻辑地址唯一的读写器或感应天线, 在每一个托盘上部署唯一UID码的电子标签, 一旦托盘进入货位的识读范围, 即可触发RFID系统动作, 将货物与货架的对应关系自动传输到计算机系统, 计算机系统数据库里始终保存着正确的地址信息。这种方式下允许人的操作误差, 并实现自动容错, 充分体现了人性化设计的特点, 同时大大提高了系统的稳定性和适应性。

软件系统是实现管理功能和决策功能的载体和工具, 软件设计基于RFID采集的原始信息数据库、物理仓储系统抽象描述数据库及货物属性描述数据库, 大型制造业内部仓储系统软件设计至少包括如下平台:动态监管及调度平台、入库作业平台、出库作业平台、移库作业平台、盘库作业平台、数据接口平台、数据挖掘及分析平台等。

1) 动态监管及调度平台:包括监管仓库的货物存量、货物流量、货物存放物理及逻辑位置、发送入库指令、发送出库指令、货物寻址指引、维持动态平衡等功能;

2) 入库作业流程:收货检验=〉制作和粘贴标签=〉货物进托盘=〉现场计算机自动分配库位=〉运送货物到指定库位 (错放了也没关系, 系统会自动容错) =〉托盘与货架自动对接通讯=〉每次操作的货架号和对应物品编号自动传输到网络计算机系统=〉计算机比对实际存放库位与理论存放库位是否一致=〉更新库存数据库;

3) 出库作业流程:中心计算机下达出库计划=〉现场计算机编制出库指令=〉作业人员按数据终端提示, 到达指定库位=〉从库位上取出指定货物对应的托盘=〉货架与托盘脱离触发RFID动作=〉货物离开货架的信息自动传输到计算机网络=〉货物运送到出口处=〉向现场计算机发回完成出库作业信息=〉更新中心数据库;

4) 移库作业流程:根据需要, 计算机编制移库指令=〉将需要移动的货物对应的托盘从货架取出=〉货架与托盘脱离触发RFID动作=〉货物离开货架的信息自动传输到计算机网络=〉运送货物到指定库位=〉托盘与货架自动对接通讯=〉每次操作的货架号和对应物品编号自动传输到网络计算机系统=〉更新库存数据库;

5) 盘库作业流程:分为自动盘库和人工盘库。自动盘库流程:计算机发出盘库指令=〉对RFID全部单元进行扫描=〉输出盘库结果=〉比较盘库结果与货物实际存量, 不符时发出警示=〉向现场计算机发出盘库结束信息。人工盘库采用便携式RFID数据终端和条码终端, 理论上并不需要人工盘库, 只有当货物、货架、托盘出现匹配混乱时才需进行;

6) 数据挖掘及分析平台:包括生成统计分析报表、决策建议、仓储效率分析、物流路径优化设计、操作者考核与作业量统计等。

本系统适应于大型离散制造业 (如装备、建材、汽车零配件、家具、家电等) 内部供应链管理的仓储管理环节, 着重解决大型制造业的内部仓储系统货物自动寻址问题, 同时本系统也是一个典型的物联网络应用系统, 是“两化融合”的经典案例, 有助于推动物联网络技术的产业化应用, 加速推动我国制造业整体信息化的进程。