如何打造高效的電商自動化倉儲系統(tǒng)

蘇州牧星智能科技有限公司/劉明

如何打造高效的電商自動化倉儲系統(tǒng)

蘇州牧星智能科技有限公司/劉明

過去15年，我國電子商務行業(yè)蓬勃發(fā)展，電商倉儲運營作為一種特殊的倉儲業(yè)務形態(tài)也經(jīng)歷了從無到有、逐步發(fā)展的過程。特別是近年來，國內(nèi)幾家電子商務巨頭紛紛投巨資建設自動化倉儲系統(tǒng)，把電商倉儲行業(yè)自動化推向新高度。

一、電商倉儲運營的特殊性

電商倉儲與傳統(tǒng)行業(yè)倉儲相比，對整個倉儲系統(tǒng)提出了更多、更高的要求。

首先，要求單位面積存儲海量商品。為了滿足終端客戶的多樣性需求，電商的商品種類遠超傳統(tǒng)倉庫。亞馬遜已經(jīng)做到了在建筑面積10萬平方米的倉庫中同時存儲400萬種以上SKU。

第二，要求單位面積處理海量訂單。電商一個庫房處理的客戶訂單數(shù)量要遠遠大于傳統(tǒng)行業(yè)，同時每個訂單的平均商品數(shù)量大大下降，絕大部分訂單的商品數(shù)量在10件以下，甚至僅為一件或者兩件。與傳統(tǒng)倉儲行業(yè)相比，電商倉儲的訂單履行作業(yè)更為分散、復雜和不確定。

第三，訂單數(shù)量的波動與熱銷商品的變化更加巨大。訂單數(shù)量與結(jié)構(gòu)受到商家促銷、節(jié)假日以及季節(jié)性等因素的影響巨大。例如，國內(nèi)很多商家在“雙11”期間的訂單量是平常工作日的十倍甚至幾十倍。而每個季節(jié)和節(jié)假日客戶的需求不同，又造成了倉庫內(nèi)快銷商品類型的頻繁變化。

最后，客戶期望的訂單響應處理時間越來越短。從過去的下單后幾日達，到后來的次日達，再到今天大部分商家在主要城市已經(jīng)做到了下單后12小時內(nèi)送達。這意味著除了配送時間的大大縮短，留給倉儲運營環(huán)節(jié)的時間也越來越短?？蛻粲唵翁幚硗瓿傻臅r間，已經(jīng)從傳統(tǒng)倉儲行業(yè)的按天計算，發(fā)展到電商行業(yè)的按分鐘計算。

此外，在我國電商行業(yè)飛速發(fā)展的同時，勞動力成本也在不斷提高。一線城市和大型城市的客戶訂單占據(jù)整個電商行業(yè)訂單的超過70%，而這些城市的企業(yè)用工成本大部分在35元每小時以上（企業(yè)用工成本包含保險、公積金與各種福利等成本）。

這一系列新變化，都是新興的電商行業(yè)對傳統(tǒng)的倉儲運營行業(yè)提出的新要求和新挑戰(zhàn)。怎樣對傳統(tǒng)倉儲運營行業(yè)進行革命性的變革，來滿足電商發(fā)展的需要，是每一名電商倉儲運營人士面臨和思考的問題。通過建設自動化、智能化的倉儲運營系統(tǒng)來應對這些挑戰(zhàn)，來助力電商的行業(yè)發(fā)展，一定將是解決這些行業(yè)痛點的道路之一。

二、電商自動化倉儲系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

電商行業(yè)誕生到今天也不過二十幾年，自動化倉儲系統(tǒng)進入電商倉儲這個新興業(yè)態(tài)也不過十幾年的時間?？v觀全球，整個倉儲運營行業(yè)對于自動化倉儲系統(tǒng)如何在電商倉庫進行應用，幾乎還處在摸著石頭過河的階段。

走在行業(yè)前列的亞馬遜已經(jīng)成功建立成熟的幾代標準化自動化倉儲運營系統(tǒng)并在不斷復制，而其他大型電商公司的自動化倉儲系統(tǒng)可能還處于試驗摸索階段。即使在學術上，目前也沒形成專門的學科和理論來研究電商倉儲運營系統(tǒng)。而整個自動化倉儲行業(yè)的相關企業(yè)和自動化設備廠家，正處在從傳統(tǒng)倉儲向電商倉儲的過渡期。全世界除了亞馬遜的KIVA以及其他廠家的類KIVA產(chǎn)品外，還沒有第二款已經(jīng)批量投產(chǎn)的專門為電商倉儲設計開發(fā)的自動化倉儲硬件設備。幾乎所有的物流設備廠家和服務企業(yè)，都還在使用傳統(tǒng)的倉儲自動化設備和設計思路，加上自身對電商行業(yè)的理解，來為電商倉儲客戶提供解決方案，相關的電商自動化倉儲系統(tǒng)設計人才也很緊缺。同時，因為建設電商自動化倉儲系統(tǒng)的投資比較大，建成后的系統(tǒng)不斷改造的成本較高，于是對于任何一家電商倉儲運營企業(yè)是否實施自動化倉儲系統(tǒng)以及如何實施是一項慎之又慎的重大決定。

Coupang仁川螺旋輸送設備

Coupang仁川分揀設備

三、電商自動化倉儲系統(tǒng)構(gòu)成與功能

電商自動化倉儲系統(tǒng)由硬件設備和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。

1.硬件設備

完整的硬件部分通常由輸送設備、存儲設備、裝載與揀選設備、合批（Rebatch）設備、分撥（Rebin）設備、包裝設備以及分揀設備組成。如果投資預算較少，或者針對實際需求，對自動化程度的要求較低，那么不需要全部種類的硬件設備也可以建立部分功能自動化的倉儲系統(tǒng)。例如，國內(nèi)大都采用輸送設備來完成自動化倉儲系統(tǒng)的搭建，通過輸送設備替代人工搬運，達到提升倉儲運營效率的目的。

（1）輸送設備：通常指各類傳送帶、螺旋提升機、垂直提升機這類完成貨物搬運的設備。當前，各種類型的AGV，如AGV叉車、AGV周轉(zhuǎn)車、亞馬遜KIVA、一些廠家稱之為Open Shuttle的設備等，成為電商自動化倉儲系統(tǒng)中輸送設備的重要組成部分。AGV類輸送設備具有更高的柔性和調(diào)度管理可優(yōu)化性，在未來的電商自動化倉儲系統(tǒng)中將占有越來越重的地位。不過目前看，因為其輸送速度和能力，以及調(diào)度管理算法可能還需要繼續(xù)提升，價格比較昂貴，不適合大規(guī)模使用。

需要注意的是，輸送設備除了搬運商品外，通過專門的設計和WCS的控制，還可以當成合批設備以及分揀設備使用。

（2）存儲設備：通常指堆垛機、穿梭車系統(tǒng)以及與其匹配的貨架系統(tǒng)。堆垛機目前主要有托盤堆垛機、箱式堆垛機等幾種類型。穿梭車有單向穿梭車、多向穿梭車以及子母穿梭車等幾種類型。沒有使用任何機械設備的傳統(tǒng)貨架（如高位貨架、普通貨架）和異形貨架（如KIVA配套使用的POD），也可以單獨作為電商自動化倉儲系統(tǒng)中的存儲設備。使用貨架可以實現(xiàn)立體倉儲，增加單位面積的存儲量，而堆垛機和穿梭車的使用是為了實現(xiàn)存儲作業(yè)自動化。

（3）裝載與揀選設備：主要指各種多關節(jié)機器人與機械手臂等裝載和揀選自動化設備。在傳統(tǒng)倉儲系統(tǒng)中，因為商品種類較少，批量較大，包裝規(guī)則，在裝載和揀選流程使用自動化設備的案例比較多。但是，因為電商倉儲的特殊性，裝載設備在電商倉庫目前可以應用的場景比較少，只有部分電商倉庫在將整托盤商品存儲到存儲區(qū)（Buffer Zone）時會使用裝載設備，通常配合輸送設備和存儲設備的堆垛機一起使用。

自動化揀選設備在電商倉庫還沒有非常成功的應用案例，主要是因為商品種類太多，包裝與商品擺放不規(guī)則等特殊性，現(xiàn)有的揀選設備夾具、商品視覺識別算法以及機械動作路徑算法還沒有實質(zhì)性的突破。

（4）合批設備：指客戶訂單按照批次（Batch picking）完成揀選后，通過輸送設備送往分播設備前，能夠?qū)⒚颗紊唐芳惺占饋聿⑼瑫r釋放出來的設備。通常合批設備因為在訂單數(shù)量波動較大的情況，極容易成為倉儲運營能力的瓶頸，所以在國內(nèi)實施的大部分電商自動化倉儲系統(tǒng)項目中沒有應用。當前大部分使用批次揀選的電商自動化倉儲系統(tǒng)，依舊使用人工方式進行合批作業(yè)。蘇寧上海庫房使用經(jīng)過專門設計的傳送帶組合作為合批設備，筆者主持設計實施的韓國Coupang的仁川庫房，使用了OSRShuttle作為合批設備。

（5）分撥設備：指自動完成分播作業(yè)或輔助完成分撥作業(yè)的設備。目前，筆者只見過亞馬遜應用了此類型設備，在其第七代運營中心和部分第八代運營中心里面使用滑塊分揀機對按照流程揀選（FlowPicking）方式揀選出來的商品進行輔助分撥作業(yè)。因為流程揀選方式的特殊性，在最大化揀選效率以后，無法只依靠人工作業(yè)的方式完成分撥作業(yè)，必須依靠分揀機、相關算法和WCS協(xié)調(diào)輔助進行分撥作業(yè)。

（6）包裝設備：在傳統(tǒng)的倉儲庫房應用廣泛，有各種折箱設備、封箱設備以及打包設備。但是在電商的自動化倉儲系統(tǒng)中鮮有應用，原因之一是目前主流的自動封箱設備效率比較低，其二是在電商業(yè)態(tài)下，每個客戶訂單的商品總體積差異較大，為了提高配送車輛的空間利用率，尋求為每一個客戶訂單使用最合適的包裝材料和箱型，進而保障每個配送包裹內(nèi)未利用空間最小化。這就造成了一個倉庫內(nèi)有多種包裝方式以及多種包裝箱型，再加上很多電商企業(yè)的WMS系統(tǒng)沒有一個可靠的包裝箱型推薦算法，均導致了不具備應用自動化包裝設備的前提條件。

（7）分揀設備：用來完成最終客戶包裹分揀的設備，主要是各類分揀機，如滑塊分揀機、交叉帶分揀機、翻盤分揀機等，輸送設備經(jīng)過特殊設計和WCS協(xié)調(diào)控制，可以變成擋板式分揀機和浮出式分揀機，但是分揀能力有限。

2.軟件系統(tǒng)

電商自動化倉儲系統(tǒng)的軟件部分主要指WMS（倉庫管理系統(tǒng)）和WCS（倉庫控制系統(tǒng)）。

（1）WMS

電商倉儲的WMS與傳統(tǒng)WMS相比，除了具備進銷存盤等基本功能外，還要有強大的倉儲運營流程管理能力，有點像傳統(tǒng)WMS與制造業(yè)MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）的結(jié)合體。設計柔性的倉儲運營流程，獲得最優(yōu)化的客戶訂單處理方法，監(jiān)控和分析倉儲運營全流程的各種數(shù)據(jù)，是電商WMS的三大基本特征。

亞馬遜批量收貨機器人

（2）WCS

WCS是實現(xiàn)自動化設備動作管理的控制系統(tǒng)，負責WMS與自動化設備之間的信息轉(zhuǎn)譯與傳遞，控制著設備按照設計的運行方式進行工作。需要特別注意的是，雖然WMS更加關注于倉儲管理和訂單履行，WCS只負責設備動作控制，但是依舊有一些部分邊界不是特別清楚。比如，當使用堆垛機或者穿梭車及其配套貨架作為存儲設備時，每次商品上架，或者揀選與歸位，周轉(zhuǎn)容器（托盤或貨框）的存取計算模塊，既可以放置到WMS下面，又可以放置到WCS下面。如果放置在WMS，只需要將明確的指令傳遞給WCS，由WCS控制設備到相應的貨位完成操作；如果放置在WCS，那么整個自動化存儲設備對于WMS來說，就相當于一個黑箱子，WMS只要通知WCS所要獲取的周轉(zhuǎn)容器編碼即可，WCS會控制設備完成周轉(zhuǎn)容器的取出和存儲，并將信息通知WMS，而此時WMS不需要負責進行容器儲位分配的計算。通常，WCS對設備的控制邏輯和優(yōu)化算法，會直接影響設備最大產(chǎn)能的實現(xiàn)。

四、電商自動化倉儲系統(tǒng)實施關鍵點

1.進行自動化系統(tǒng)規(guī)劃設計前要確定倉儲策略與倉儲運營流程。

在開始搭建電商自動化倉儲系統(tǒng)時，首先不要去考慮選擇使用哪些類型的設備，而是應該確定倉儲策略和運營流程。比如，使用固定庫位存儲模式，還是隨機庫位存儲模式？倉儲商品是否需要區(qū)分快銷品和慢銷品？是否需要單獨建立存儲區(qū)，采用存揀分離的模式，還是整個倉庫只設立揀選區(qū)，使用存揀一體的模式？揀選技術使用按照訂單揀選，還是按照批次揀選，或按照流程揀選？揀選方法使用接力揀選還是區(qū)域揀選？……這一系列的倉儲策略和運營流程都是倉儲自動化系統(tǒng)設計的基礎，需要依據(jù)對未來訂單的預測以及所存儲商品自身屬性來確定，然后再匹配合適的自動化設備。反之，不但無法滿足電商倉儲運營的需求，還會導致設備過度投資。

2.重視整個運營流程的產(chǎn)能平衡與冗余設計。

通常在倉儲策略和運營流程確定后，就開始倉庫布局設計，如倉庫分區(qū)、區(qū)域功能設定、存放位置等。為了實現(xiàn)區(qū)域功能，內(nèi)部需要選擇哪些自動化設備，需要多大的面積；為了實現(xiàn)整個倉庫的功能，每個區(qū)域又需要使用哪些輸送設備將整個庫房的各個區(qū)域連接起來。這時候就需要注意整個流程的產(chǎn)能平衡和冗余設計。

對于存儲區(qū)和揀選區(qū)，只需要確定使用的存儲設備，然后依據(jù)倉儲策略和對未來存儲的商品的預測加上波動性放寬余量，計算出最終所需要的存儲設備數(shù)量，就可以獲得該區(qū)域的面積。同理，對于包裝、分撥、分揀等操作區(qū)，就需要依據(jù)對未來訂單結(jié)構(gòu)的預測，以及未來作業(yè)效率的預測，計算出所需的自動設備數(shù)量或者人工操作工作站的數(shù)量，進而獲得這些區(qū)域的面積。在此過程中需要保證每個運營流程的產(chǎn)能不但達到設計目標，并且基本保持均衡。在使用輸送設備連接各區(qū)域時，需要特別注意每條輸送路線上的流量，尤其是涉及合流和分流的區(qū)域，要確保所選擇的設備在輸送能力上能夠滿足各條線路流量的要求，并且按照歷史數(shù)據(jù)預測將來的準確性，酌情放置余量。

在整個電商自動化系統(tǒng)設計中，對于產(chǎn)能和流量的審核，不僅僅需要考慮自動化設備之間的產(chǎn)能是否匹配，流量是否可以滿足，也需要考慮人工作業(yè)之間，以及人工作業(yè)與自動化設備之間是否匹配，流量是否可以滿足。對此，可以考慮通過在每處流程銜接區(qū)域適當留有緩存區(qū)的方式，來消除因為設備或者人員等待而造成的浪費。

3.不要讓WCS成為限制設備產(chǎn)能實現(xiàn)的瓶頸。

在自動化倉儲系統(tǒng)整體設計完成以后，所有的區(qū)域和流程都已經(jīng)實現(xiàn)了均衡和冗余，但是項目實施結(jié)束后卻發(fā)現(xiàn)很多自動化設備無法達成原先的設計產(chǎn)能。其中很重要的原因在于WCS的控制邏輯導致自動化設備產(chǎn)能無法充分發(fā)揮。例如，輸送設備在合分流處的控制邏輯出現(xiàn)問題便會導致輸送線硬件自身產(chǎn)能不能充分利用，并成為瓶頸；堆垛機以及穿梭車系統(tǒng)因為控制邏輯問題將導致吞吐能力下降，進而成為瓶頸等。所以，對于每一處WCS控制的區(qū)域，需要特別注明流量和產(chǎn)能的具體要求，在設計階段要充分與WCS設計開發(fā)人員進行溝通，必要時可以通過更改控制邏輯和更換硬件選型的方式，務必保障各處合流、分流以及其他設備銜接部分滿足產(chǎn)能要求。

4.系統(tǒng)設計要充分考慮柔性、擴展性與可維護性。

雖然是依據(jù)對未來訂單的預測和未來存儲商品屬性進行電商自動化倉儲系統(tǒng)的設計，但是因為電商行業(yè)是直接面對個體消費者的行業(yè)，而個體消費行為往往又是最難以預測的，所以預測不可能做到非常精確。那么在系統(tǒng)設計階段，最好是知曉預測數(shù)據(jù)的置信區(qū)間，同時分析潛在的預測失誤，并且評估如果預測失真會對整個倉儲自動化系統(tǒng)帶來什么影響，這就是預測失效分析。通過設計冗余和系統(tǒng)的二次可擴展性來覆蓋預測失真帶來的這部分影響。此外，在所有設備的布局設計時，務必考慮將來的維護與保養(yǎng)作業(yè)，留有維護作業(yè)空間。

我國電商行業(yè)發(fā)展到今天，已經(jīng)從跑馬圈地，爭奪市場份額，進入到精耕細作，向運營要利潤的發(fā)展階段。電商自動化倉儲系統(tǒng)作為一種通過自動化設備來提高運營效率、降低運營成本的方式，未來也必將在電商倉儲運營行業(yè)中得到越來越廣泛的應用。雖然各種自動化設備作為直接替代人工的硬件，是整個電商自動化系統(tǒng)中的重要組成部分，但是整個系統(tǒng)是否可以高效、低成本運營，并不主要取決于自動化設備，而是倉儲管理系統(tǒng)的設計思想和后臺算法起了關鍵作用。一套不但可以柔性地支持各種倉儲流程設計，還能匹配各種倉儲自動化設備的WMS系統(tǒng)，才是整個電商自動化倉儲系統(tǒng)的靈魂。