物流倉儲配送優化及其基于射頻識別的可視化運作管理

徐 琪

（東華大學旭日工商管理學院，上海市 200051）

物流倉儲配送優化及其基于射頻識別的可視化運作管理

徐 琪

（東華大學旭日工商管理學院，上海市 200051）

物流倉儲配送優化對于提高整體物流效率具有重要現實意義。射頻識別（RFID）技術能夠準確識別貨品、跟蹤整個倉儲配送過程，為提高倉儲配送作業效率提供可視化服務管理。文章在探討物流倉儲配送RFID系統配置及其過程描述基礎上，建立了倉儲配送優化搬運距離模型，給出了一個由RFID物理服務層、數據通信服務層、業務邏輯集成服務層和應用服務層組成的RFID物流倉儲配送可視化運作管理系統結構。運用本文建立的配送搬運過程優化模型，應用RFID過程狀態信息跟蹤功能，能夠可視化地控制配送搬運設備的優化運作，實時將配送揀選狀態變化信息傳輸到倉庫管理系統和訂單管理系統，及時更新倉庫和訂單信息，實現物流倉儲配送過程的優化并進行有效的可視化管理。

倉儲配送；優化；RFID；可視化管理

一、引言

物流倉儲配送是對倉庫的出入庫、儲位和配送揀選過程進行實時監控和管理。在現有物流倉儲配送過程中，常常因物流運作過程信息無效或可見性差而導致物流供應鏈配送的低效率。因此，物流倉儲配送過程的可視化管理對于提高倉儲作業效率與資源利用率、降低物流成本、提升客戶服務水平具有重要意義。[1]基于射頻識別（Radio Frequency Identification，以下簡稱RFID）技術的物流倉儲配送可視化服務運作管理，能夠通過配送揀選路徑的優化和倉位管理的優化，運用RFID實時跟蹤定位技術，提高配送揀選效率，同時也為倉儲配送中心計劃維持最佳的倉庫平面、貨架區劃和貨品定位提供決策支持，縮短配送操作時間，提高倉庫空間利用率。

RFID是一種非接觸式的對產品進行自動識別、數據采集、跟蹤的技術。典型的RFID系統一般由射頻電子標簽、讀寫器、天線及應用系統（包括應用接口、傳輸網絡、業務應用及管理系統）等構成。當物品標簽進入讀寫器磁場時，接收讀寫器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在標簽芯片中的產品信息（無源標簽），或者主動發送某一頻率的信號（有源標簽），閱讀器讀取信息并解碼后，送至應用系統進行有關數據處理。[2]、[3]目前基于RFID射頻技術，可以識別和跟蹤所有物理對象，提供準確真實的實時數據，實現物流信息的實時采集、交換、處理等。

在物流倉儲配送過程中，RFID閱讀器在倉庫入庫口自動采集入庫貨物信息，完成盤點，并傳輸到RFID應用管理系統，更新入庫存儲數據。對于在庫貨物，通過貨架上固定的RFID閱讀器自動完成清點作業，及時更新庫存信息，實時監控貨物庫存量，實現自動補貨功能。對于配送揀選過程，分布在倉庫中的RFID閱讀器可獲取貨物所在倉位信息和揀選設備（如叉車）所在位置信息，實現對配送揀選過程的跟蹤與監控。本文研究的物流倉儲配送優化及其RFID可視化服務管理，主要針對倉儲配送環節的優化運作，從RFID物理服務、數據通信服務、業務邏輯集成服務和應用服務等方面探討其管理方法和支持系統。通過倉儲配送過程的信息跟蹤，依據最短揀選搬運距離模型計算出的訂單揀選配送最優路徑和順序，引導配送搬運設備的操作，并將貨物倉儲與搬移狀態信息及時傳輸到倉庫管理系統和訂單管理系統，實現倉儲貨位的優化管理和訂單的動態可視化管理，從而實現物流倉儲配送過程的優化。

二、物流倉儲配送RFID系統配置及其過程描述

在物流倉儲管理中，RFID無源標簽貼于每個貨物單元，如貨物包裝箱或托盤上。當貼有RFID標簽的托盤或包裝箱在RFID讀寫器磁場感應區域內時，RFID讀寫器將自動捕獲標簽碼中的信息，并將其傳輸到倉庫管理系統（Warehouse Management System，簡稱WMS）。例如一個具有混合單品（SKUs）的托盤上裝有多個產品，這些產品的信息通過讀寫器就可以被全部讀入獲取，之后由系統根據倉位信息安排入庫位置，并建立庫存記錄，計算貨品入庫搬移距離等。[4]入庫過程中，應用RFID自動識別系統的信息防沖撞功能，能同時讀取多張不同標簽并跟蹤貨物，以確保貨物被放入正確的地點，優化調整倉庫流程，改善庫存周轉率，控制庫存量的最優化。

在倉儲配送過程中，搬運設備（如叉車）上也安置有RFID讀寫器及有源RFID標簽，叉車按訂單在不同巷道的倉區/倉位揀選貨物。其中，訂單信息通過訂單管理系統（OMS）發送至RFID業務邏輯集成服務子系統，該子系統可根據倉庫管理系統（WMS）中的貨物儲存倉位信息給出需要揀選貨物的位置信息，并按照最優揀選距離量化模型算法給出揀選方案，該方案可在叉車的電腦終端顯示，指導叉車正確搬移。叉車上的讀寫器讀取貨物上的標簽信息，隨著叉車從起點到終點移動狀態的變化，揀選貨物在哪輛叉車上、揀選貨物信息以及貨物搬運移動位置變化等信息即可被讀寫到叉車上的有源標簽中，通過RFID中間件發送到數據通信子系統和業務邏輯集成子系統，并與倉庫管理系統連接，自動完成出庫的復核。RFID中間件在此收集、儲存RFID讀寫器發射的產品電子代碼（Electronic Product Code，簡稱EPC）信息并采取相對應的行動，如更新倉庫管理系統的數據信息等。這樣，物流倉儲配送過程就實現了貨物信息的自動獲取與搬移狀態變化的可視化跟蹤。

三、物流倉儲配送優化模型

1.最短配送揀選距離定義

設開始揀選時叉車所在的倉位號為s，在揀選巷道中，L和R分別為s左右兩邊按訂單準備揀選的最遠貨物所在的倉位號。叉車在巷道中準備揀選時，首先確定開始揀選的左右邊。若|s-R|≤|s-L|，則向右邊揀選，否則相反，且同一邊倉位中的貨物揀選完成之后，再移到另一邊進行揀選。這樣，最短距離為2min{（R-s），（s-L）}+max{（R-s），（s-L）}。其中所要揀選的貨物標簽中的信息由貨架上的RFID閱讀器讀取，這樣揀選貨物所在倉位的信息也可獲得。假設所要選擇的貨物分別位于倉位1、3、4、6和9，此時叉車在倉位6開始揀選操作。根據上述最短距離算法，倉位6中的貨物揀選完成后，叉車移動到右邊的倉位9進行揀選，然后依次到4、3、1倉位進行揀選，最短距離是11個倉位。

2.最短配送揀選距離建模

在倉儲配送過程中，根據訂單，可知當前所需揀選的貨物，進一步由RFID系統可知該貨物所在的倉位等狀態信息，而這些狀態信息可用來預測下一個倉位的狀態。[5]因此，這種配送揀選過程屬于一種離散時間隨機過程，通常情況下用馬爾可夫鏈來解決離散時間隨機過程問題是一種較好的方法。本文探討的是最短配送揀選距離模型，根據馬爾可夫鏈原則，將所有可能的狀態記為Xt（t=1，…，k），它們是不確定的隨機變量，其狀態空間為I，如倉位和配送揀選搬運設備（如叉車）的起始位置等；將可列的發生轉移的時間1、時間2、時間3、……分別記為t1、t2、t3……。狀態的改變稱為轉移，與不同的狀態改變相關的概率為轉移概率，表示為：

其中，Pij表示已知第t-1個訂單處于狀態i時，系統在第t個訂單（t>t-1）處于狀態j的概率。所有轉移概率可組成一個矩陣，稱為轉移概率矩陣，因此狀態的轉移用轉移概率矩陣P=[Pij]表示，即：

其中，Pij=Nij/∑Nij，Nij表示從狀態 i到狀態 j的總次數。

若對任意 i，j∈I，馬爾可夫鏈｛Xt，t∈k｝的轉移概率Pij（t）均與t無關，則稱馬爾可夫鏈為時齊的（對時間齊次的），也叫平穩的。對于物流倉儲配送，其按訂單的揀選是相互獨立的，各訂單的揀選從起始倉位到結束倉位的路徑不同，將導致路徑狀態的變化。于是可用馬爾可夫鏈來描述這個過程，計算在起始倉位揀選到貨物的概率以及起始倉位與結束倉位不同情況下的轉移概率。由于訂單的不同、路徑選擇的不同，這個概率每次是不同的，因此可在時間充分長之后，按平穩狀態進行分析并計算揀選叉車起始位于某倉位s的平穩概率分布，進一步可得到在同一個庫區的期望揀選移動距離。通常情況下叉車的移動速度是已知的，因此只要得出叉車揀選一個訂單的期望揀選移動距離，即可得到揀選一個訂單平均所用的時間。這樣，倉儲配送中訂單的整個揀選過程就得到了優化，并通過RFID系統進行可視化控制管理，提高倉儲配送效率。

（1）訂單揀選的轉移概率

假設某倉區巷道中有k個倉位，Xt為揀選第t個訂單時的起始位置，是一個隨機變量，Pg為貨物g被揀選的概率，Ps為在倉位s至少有一件貨物被揀選的概率，則Ps可表示為：

其中，若Xt=Xt-1，即第t個訂單的揀選起始位置（對應倉位為s）等于第t-1個訂單的揀選結束位置（對應倉位為e），即此時s=e，在滿足所有第t-1個訂單上的貨物都被揀選的條件下，此情形的揀選轉移概率為：

若Xt≠Xt-1，則需要考慮叉車揀選第t-1個訂單后所在的位置。若巷道中總倉位數為k，第t-1個訂單揀選結束時所在的位置可按小于、等于、大于k/2三種情形來討論：

①第t-1個訂單揀選結束時的倉位小于k/2，即 Xt-1=e

設叉車開始倉位為s，預移動的目的倉位為j，若 1≤s≤2e-1，且 s>j或 j>2e-s，則根據 RFID 系統控制算法中的最優路徑選擇規則，叉車將不到達倉位j，即叉車揀選的第t-1個訂單并不包括倉位j中的任何貨物。若第t-1個訂單中有2e-s倉位中的貨物，由于2e-s倉位與e倉位之間的距離等于s倉位與e倉位之間的距離，叉車首先到2e-s倉位，而不是到s倉位開始揀選的概率是1/2，此情形的揀選轉移概率為：

若2e≤s≤k，則不論是否有貨物從倉位j被揀選（j

②第t-1個訂單揀選結束時的倉位等于k/2，即Xt-1=e=k/2，當倉位數為奇數時，叉車首先到倉位s而不是到倉位2e-s進行第t個訂單的揀選的概率是1/2，則轉移概率為：

③第t-1個訂單揀選結束時的倉位大于k/2，此情形的揀選轉移概率為：

根據時齊馬爾可夫鏈的性質，P（t）的極限為時齊馬爾可夫鏈在平穩狀態下的概率分布：

則完成一個訂單的揀選后，叉車位于倉位s的概率分布為：

（2）配送揀選搬移的期望距離

從上述討論可以看到，倉儲配送叉車的搬移距離由兩個因素決定，一個是開始揀選的倉位，其平穩分布概率如式（7）所示，另一個是訂單中貨物所存放的倉位位置。假設叉車從倉位s開始，最終移動到倉位e，如果s與e之間沒有訂單上所需要的貨物，則叉車不進行揀選操作，此時按照上文最短距離的定義描述，叉車從倉位s移動到倉位e相反方向的最遠倉位a開始揀選，最終到達倉位e。從倉位a中至少揀選一件貨物的概率是Pa，這樣從倉位s移動到倉位e的期望距離為：

由此，對于任意一個起始點倉位s，叉車的期望搬移距離為：

四、優化配送模型在基于RFID的倉儲配送系統中的可視化運作管理

上述倉儲配送揀選優化模型可在一個RFID可視化服務管理系統中得以應用。該系統是一個四層結構，分別為RFID物理服務層、數據通信服務層、業務邏輯集成服務層與應用服務層。整個系統的運作流程如圖1所示。

1.RFID物理服務層

RFID物理服務層由RFID無源標簽（或有源標簽）、讀寫器、天線等組成。其中，讀寫器安置于貨架、叉車或周轉箱等設施上。讀寫器借助天線，識別和讀取進入其磁場范圍的RFID標簽中的信息，并將所讀取的信息通過邊緣服務器和RFID中間件發送到第二層的數據通信服務層進行信息通信和數據處理。讀寫器由一個邊緣服務器控制，可進行讀取信息的自動過濾管理。[6]RFID中間件是介于RFID讀寫器硬件模塊與數據通信模塊和數據庫之間的重要組件。RFID中間件與對象命名服務器（Object Name Service，簡稱 ONS）通信，查找識別唯一的RFID標簽，標記ID標識號，并從電子產品碼（EPC）服務器數據庫查詢數據，通過防火墻中的網關與其他物流系統交互數據。[7]、[8]

2.數據通信服務層

數據通信服務層支持閱讀器和RFID標簽之間的有線和無線網絡通信以及媒體訪問控制（Media Access Control，簡稱 MAC），提供數據鏈接和數據采集與處理功能，并應用媒體訪問控制協議校驗標簽訪問速度和準確性，解析和處理物理層讀寫器采集的符合協議規定的各種原始數據，并進行數據處理與數據驗證。[9]在該層的通信服務中，媒體訪問控制協議包含各類識別、決策算法，如多標簽信息防碰撞的Aloha算法（一種無線數據通信協議），通過定期輪詢讀寫器，防止標簽碰撞，消除重復操作等。

3.業務邏輯集成服務層

該層的功能是通過面向服務的應用集成提供業務邏輯集成處理，包括配送揀選路徑的優化定位，實時RFID信息跟蹤處理等。在此可應用上文討論的配送揀選最優模型對路線和揀選次序進行控制。通過計算倉區揀選完成一個訂單的平均揀選距離，并根據叉車的移動速度，進一步計算出叉車在z個倉區完成一個訂單所需要的平均時間，由此優化調整倉儲配送流程。此外，該層還提供數據集成服務，其一方面是使訂單管理、倉庫管理等內部系統數據同步化；另一方面是支持生產、銷售等外部數據與內部數據融合，以保證RFID標簽編碼能夠被RFID中間件所使用。當倉儲配送過程中倉儲量和倉位狀態發生變化時，經RFID系統的數據集成過程，其倉儲管理系統、訂單管理系統及企業資源規劃系統 （Enterprise Resourse Planning，ERP）同時更新，并將更新數據寫入相應的RFID標簽，供應鏈上的其他企業可以共享該信息，實時調整其供應或銷售過程，實現可視化管理。

4.RFID應用服務層

應用服務層由各種后端的RFID企業應用構成，包括基于識別、跟蹤、檢驗等功能的應用。該層應用模塊從RFID系統獲取信息，并將數據轉化為統一的數據表達格式，以方便支持企業高層進行管理決策。這些功能的實現主要是應用XML技術進行信息交換，[10]將揀選時讀取的貨品RFID標簽信息、貨品倉位信息等通過網絡進行可視化顯示，輔助管理決策。通過應用表示層進行統計及報表生成，可完成一些個性化業務需求，方便供應鏈節點信息的注冊、查詢及交互等應用服務。

五、結束語

物流倉儲配送優化對于提高整體物流效率具有重要現實意義。本文研究在物流倉儲配送過程中應用RFID技術，跟蹤叉車起點到終點的揀選移動操作，將被揀選貨物的信息以及貨物的搬運移動位置狀態變化信息讀寫到叉車上的有源標簽中，通過RFID中間件發送到數據通信服務子系統和業務邏輯集成服務子系統，即可實現貨物信息的自動獲取與搬移狀態變化的可視化跟蹤。其中，倉儲配送最短揀選距離模型主要利用叉車從起始倉位到終止倉位的轉移概率，得到期望揀選移動距離，并進一步計算得到一個訂單的平均揀選時間。這樣，可按照該模型算法給出配送揀選優化方案，并通過叉車的電腦系統指導叉車正確搬移。

同時，此貨物倉儲與搬移變化狀態信息通過由RFID物理服務層、數據通信服務層、業務邏輯集成服務層和應用服務層組成的RFID物流倉儲配送可視化服務運作管理系統，及時傳輸到倉庫管理和訂單管理系統，及時更新倉庫和訂單信息，從而實現物流倉儲配送過程的優化與可視化的有效管理。

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Optimization of Logistics Warehouse Distribution and RFID-based Visual Operational Management

XU Qi
（Donghua University，Shanghai200051，China）

Optimization of logistics warehouse distribution is of great significance for us to improve the integrated efficient of logistics.Due to the automatic data capture or auto identification and tracking functions,RFID technology has been booming in the logistic warehouse distribution processes by providing visual service to realize high efficiency.The authors firstly give out a warehouse distribution RFID system deployment and its processes description.Then,an optimal transited distance model of distributed process is developed.And a RFID visualization service operations management system framework is also present with the RFID physical service layer,data communication service layer,business logic integration services layer and application services layer.Within this framework,the system could instruct delivery handling equipment(e.g.,forklift)to move based on the distance optimization model for distribution and delivery status change information transmitted to the warehouse management system and order management systems,and timely update the warehouse and order information to achieve optimization of logistics and effective visual management.

warehouse distribution；optimization；RFID；visualization management

F252.24

A

1007－8266（2011）01－0026－05

＊本文系國家自然科學基金“紡織服裝供應鏈廣義快速響應機制、模型及運作策略研究”（項目編號：70772073）、國家軟科學研究計劃項目“我國現代物流服務創新模式、體系和績效評價研究”（項目編號：2007GXQ4D154）的研究成果之一。

徐琪（1963-），女，浙江省椒江市人，東華大學旭日工商管理學院教授，博士生導師，主要研究方向為供應鏈管理、物流管理、企業信息集成等。

陳靜