激光技術在智慧物流中的應用

毛丹輝+單彬+王勇+王仁芳

摘 要：智慧物流和電子商務在飛速發展，物流業與我們的生活也日益緊密，物聯網在給我們提供諸多便捷的同時卻也向物流環節提出了許多新的挑戰。隨著大量高性能、低成本傳感器的應用，智慧物流的技術瓶頸突破指日可待，而激光技術憑借其在測距、測速、定位、監測等方面的優勢在智慧物流領域已經有了長足的發展和應用。文章具體闡述了近些年激光測量與傳感技術在物流領域的應用及未來的發展趨勢。

關鍵詞：智慧物流；傳感器；激光技術；物聯網

Abstract： With the rapid development in intelligent logistics and E-commerce， logistics is increasingly related to our way of life. The internet of things（IoT）brings about not only lots of convenience but also some new challenges to people. As a great number of applications of high-performance and low-cost sensors are being applied， the break-through of the existing bottleneck of intelligent logistics is imminent， while a lot of progresses have been made in laser technologies， and wide applications in intelligent logistics have been implemented by taking advantages of measuring distance and velocity， positioning and other monitoring with lasers and sensors， etc. In this paper， the applications and future development trend of laser measurement and sensing technologies in the logistics field are comprehensively discussed.

Key words： intelligent logistics； sensor； laser technology； internet of things

引 言

智慧物流是利用集成智能化技術，使物流系統具有模仿人類的“思維”一樣，能感知、推理判斷并自行解決物流中某些問題的能力，它廣泛運用無線射頻識別、傳感器、定位系統、移動通訊等先進的物聯網技術，應用于運輸、倉儲、配送等基本環節，以實現智慧物流的自動化運作與智能化管理，其主要利用高新技術來代替傳統管理手段，來達到物流配送體系高效率、低成本的運作目的。并隨著大量高性能、低成本傳感器設備以及無線射頻技術（RFID）的普及，物聯網技術為物流發展的瓶頸突破提供了契機，智能物聯網的提出和發展更是使得智慧物流的進步有了更大的研究空間。因此，基于物聯網智能傳感器的研究與應用就具有重要的意義。

在智慧物流中，要做到物聯網的概念就必須實現對貨物感知、定位、識別、計量、分揀、監控等。同樣，在自動化生產過程中，倉儲物流由各種設備互相配合共同完成，如：貨物存取系統、輸送線、自動導向車、叉車、起重及吊運設備，需要與每一個工位保持有效的聯系以保證系統的正常工作：不能有碰撞、失控、生產過程中斷等情況發生。這就必須用到RFID、條碼以及各種傳感器，如：激光、紅外及視頻監控等傳感技術，因為它是物聯網的基礎，是人機互動的紐帶，其中激光檢測技術憑借其在測距、定位、測速、監測等方面的優勢，在智能化立體倉儲的空間利用、體積測算、港口散貨裝船機物位檢測、堆垛機和自動導向機等設備中起到了關鍵作用，并積極推動和提升了物流系統的整體性能[1]。

本文淺析了激光器測量和傳感技術在物流業現階段應用狀況，著手應用實例分析，重點闡述近些年激光測距、激光雷達技術在智慧物流領域的應用案例與未來的發展趨勢。

1 我國智慧物流的發展以及激光器技術在物流業的應用分析

2009年中國物流技術協會信息中心、華夏物聯網和《物流技術與應用》編輯部聯合提出了智慧物流的概念，認為智慧物流以物聯網為技術基礎，實現對物流運輸、倉儲、配送等環節的自動化、可視化與智能控制，是未來物流業的發展方向，也符合將來物聯網的發展趨勢[2]。

激光原理早在1917年由著名物理學家愛因斯坦提出，但直到1960年才在迫切的生產實踐需求和完備的理論體系背景下得以實現。激光一經問世，就獲得了超乎尋常的飛速發展，不僅使光學原理和技術應用獲得了全新的認知，而且直接導致了一門新興產業的出現。激光的使用使人們獲得了前所未有的先進方法和手段，以實現前人無法實現的想法和目標，去獲得空前的成果和效益，從而使得生產力得到了前所未有的發展。雖然我國激光產業近些年取得了長足的進步，但不得不承認，目前我國激光產業（特別是在激光核心器件方面）和激光產業發達國家還是存在明顯的差距，主要體現在成果轉化與產業化程度較低、基礎研究力量薄弱、激光關鍵器件技術提升緩慢等方面。

近幾年，民用激光器因其具有低功率、高穩定性和安全可靠性等多方面的優點引起了研究人員和應用企業日益濃厚的興趣，已經在通信、物流、醫療等民用領域大展身手，并在多種應用場合取代了目前常用的傳統設備。激光產品的出現以及其性能的不斷完善，必將加快激光技術在各領域的應用，從而提高生產工業自動化水平和人們的生活質量，而激光產品應用到物流行業也在人們的實驗中一步一步的走來，逐步提高了物流運輸自動化實現的進程。

（1）激光測距的應用。激光測距的原理與無線電雷達相同，在工作時由激光測距儀向目標射出一束很細的激光，由光電元件接收目標反射的激光束，計時器測定激光束從發射到接收的時間乘以光速計算出從觀測者到目標的距離。由于激光測距儀具有探測距離遠、測距精度高、抗干擾性強、保密性好、體積小巧等優點正日益受到重視，并隨著激光定位技術的發展和成本價格的急劇下降，越來越多的汽車行業、自動化行走及物流倉儲系統等紛紛開始采用激光測距定位系統，極大地推進了大型物流倉儲系統精確定位自動化的進程。現代工廠的大型物流輸送系統通常采用的是激光條碼定位系統，該系統安裝方便，設置容易，具有良好的抗震性和防晃性，條碼對灰塵和損傷不敏感，響應時間小，精度高，并且集激光測距與旋轉編碼器的優勢于一身，既可以用于直線運動，也可以用于曲線定位，掀起了現代物流行業的自動化的新一輪技術革命的浪潮[3]。

（2）激光測體積在物料堆位自動測量系統中的應用。文章《火電場煤場儲煤量激光檢測裝置》中提出了煤場物料堆位測量的方案，該方案是利用裝有CCD點陣式攝像機和激光器的小車在口式堆取料機上作二維掃描運動，讓激光器發出激光照射在煤堆表面，根據出射光和CCD之間存在一定的夾角和不同的煤堆厚度，激光器的照射點在CCD照相機中所呈現的紅點的不同位置的比例關系，算出該點的厚度。同時，送樣小車會隨著運動路程通過CCD將這些離散的厚度點記錄下來，并將這些離散的掃描一并傳入PC機，PC機再利用這些點的坐標，用近似積分法，算出煤堆的體積[4-5]。同樣的，對于水泥廠的熟料庫或者糧倉等這類大型倉儲，都可以運用此項技術測量倉庫內的物料堆位信息以方便工作人員的查看和工程術人員的數據參考。

（3）激光傳感器的智能監控系統。通過傳感器對特定環境中的CO等氣體濃度進行監測并保持實時提醒在智能家居和智能倉儲中發揮著重要作用。該系統是基于物聯網和激光傳感器的智能監控系統，利用紅外激光探測傳感器對監控區域內氣體濃度進行探測，通過比較分析探測信息與參照數據來得到區域內氣體濃度情況，并依據對指標值的處理結果來控制各類設備的工作，使監控區域內的各種指標達到預想狀態。系統還具有溫濕度數據采集設備控制等功能，能夠利用溫度和濕度采集設備實時采集區域中的溫度和濕度信息，并根據采集數據控制空調、加濕器等設備的工作狀態，使監控區域內保持設定的溫濕度狀態[6-8]。

（4）分布式光纖傳感系統。原理為DTS系統使用一個特定頻率的光脈沖照射光纖內的玻璃芯。當光脈沖沿著光纖玻璃芯下移時，會產生多種類型的輻射散射。根據光在光纖中的傳輸速率和入射光與后向拉曼散射光之間的時間差，可以對不同的溫度點進行定位，這樣就可以得到整根光纖沿線上的溫度并精確定位。該系統可應用于危化品倉儲中，根據其分布式線型光纖感溫火災報警系統的特性，系統監測到的是光纜沿線的長期工作溫度情況。因此，在事故發生之前，系統已經進行了長期有效的溫度監測，并可利用經驗值根據溫度情況做出合理判斷，在火災發生之前對事故發展情況進行掌控，真正做到防患于未然。它能迅速反映火情大小、火災蔓延方向和火災煙霧風向，及時給指揮部門提供各類信息，及時給消防主機提供準確的信號，將火災倉儲的損失減小到最低程度[9]。

2 激光技術的應用實踐

隨著10年物聯網發展熱潮和13年工業4.0的提出，在智能物聯網應用方面，相關研究人員開始了全新的探索和實踐，下面簡單介紹近年幾個企業在智慧物流技術應用的案例。

（1）浙江省煙草公司紹興市公司卷煙配送中心由于儲量巨大、貨物擺放密集且出貨頻繁，因此需要一套完備的倉儲自動化設備和有效的管理機制來完善倉儲服務以滿足其進出貨安全、快捷、高效的目的。該配送中心選用的是高架貨庫系統中的堆垛機設備，其采用了激光測距定位條碼定位系統旋轉編碼器作為定位的測距定位系統，通過對位置定位系統的詳細考察分析比較，完成全自動化、準確無誤、定點存取貨物的流程，該系統還擁有故障率小、精度高等優點并在實際使用中水平往復精度及垂直升降定位精度都達到了±3mm的水平。

此工程是爭創錢江杯的工程之一，采用的測距測速傳感器是激光測距器和條碼定位儀，結合變頻器、PLC技術和精確的絕對認址及閉環控制系統，達到機動性好、停準精度高的特點，既滿足設備定位精度的要求，也實現了故障率低、經濟、實用的特點；由于激光測距儀應用上實際環境條件的限制，在垂直向很難滿足定位要求，于是在垂直向采用條碼定位儀，它的響應時間為1ms，精度可達0.83mm，在保證設備正常運行的同時也滿足其定位要求，也避免了后續維修上的困難及相互影響，目前該技術也廣泛應用于食品、煙草、汽配、藥品等倉庫或者配送中心[10-11]。

（2）港口行業作為國家重要的交通基礎設施產業的主要組成部分，對國民經濟的發展具有重要的基礎作用，有較高的社會效益。同時我國經濟的快速發展對港口行業形成巨大市場需求，在國家和地方性政府的大力支持下，港口散貨總體吞吐量在逐年的迅速增長，碼頭散貨裝卸面臨很大的壓力，實現智慧物流的模式和散貨的自動化裝卸勢在必行。天津港煤碼頭引進的新型散貨自動裝船設備，可在無人操作的情況下實現遠程自動化裝卸作業，在提高作業效率的同時實現了安全性、可靠性作業，也節約了人力成本，為其他港口提供了切實可行的實例依據，也勢必成為未來散貨裝卸自動化系統的新的發展形勢[12]。

天津港煤碼頭的多次裝船試驗廣泛應用沈陽自動化散貨裝船機物位檢測技術。為實現散貨裝船機在安全作業的前提下自動快速高效地完成裝船作業，它利用安裝在散貨裝船機上的激光雷達，通過多軸伺服控制激光雷達完成對船艙的三維輪廓掃描，后臺運用截面邊緣提取算法與圖形擬合算法相結合的圖像處理算法，自動實時獲取船艙尺寸以及艙內物料的形狀，確定落料軌跡，來實現散貨裝船機的自動化作業。其檢測數據與實際的數據對比如表1所示[13]：

（3）在現代工業生產和智慧物流中，倉儲業已經成為企業物流的一個重要環節，它的成本控制、自動化的程度時時影響著企業的效益和服務水平。同樣水泥工業和大型糧倉也不例外，通常需要將飼料、顆粒狀物料、水泥等貨物放在高10～20米高圓筒型倉庫中，為了控制生產的連續進行與產品的儲存就必須對倉庫現存量進行實時監測與控制，最有效的方法就是通過測量物料的高度來估算物料的存儲量。考慮到目前激光物位計的小型化、方向性好、非接觸式、連續、量程大等特點，同時操作簡單，能夠測量高粘度物質或粉狀物質，并且廣泛應用在高溫高壓、真空和狹小彎曲環境中，分辨率達到1mm、精度<0.1%的要求，因此四川、云南、山東等多家水泥公司和糧倉都已安裝使用了此物位計[14]。

3 激光技術在物流業的未來發展方向

以萬能傳感器著稱的分布式傳感系統是根據沿線光波分布參量，同時獲取在傳感光纖區域內隨時間和空間變化的被測量的分布信息，包括溫度、濕度、振動、氣體濃度等，現已廣泛應用于管道、隧道、圍欄、電力系統檢測等方面，但是在倉儲上卻少有應用，然而隨著生鮮果蔬、水產品、煙草、醫藥等物流業的發展，尤其是危化品企業對倉儲環境參數的監控提出了更高的要求，特別是溫度、濕度等倉儲環境參數對存儲物品的壽命和腐損率有著重要的影響，并且要求實時監控、圖形化顯示的同時，最好能對所屬貨架、藏品柜等甚至是單箱貨物的溫度、振動情況進行監控，而不是一個籠統的空間溫度值。因而將新的科學技術引入倉儲系統中構建信息化、網絡化、智能化的倉儲環境監控系統是重大事故的有效預警措施，具有重大的應用背景及意義。

在現階段的國內絕大多數倉儲企業仍采取人工作業方式，但隨著電子商務的不斷發展與壯大，僅僅叉車的使用根本無法滿足企業對于快速增長的貨物處理需求，更無法滿足顧客對于購買商品便捷、高效的購物體驗。而目前發達國家倉儲運作模式均采用了現代化的物流系統，需要達到這樣的模式單一物流公司或者軟件公司很難實現，擁有跨領域的合作才能實現領域技術雙贏的突破。例如做為中國激光業界的后起之秀——海目星激光，就與聚龍股份合作，共同投資組建遼寧聚龍智能物流科技有限公司。他們致力于物流、倉儲自動化設備及系統的研發和業務的開拓，主要方向是金庫物流管理系統。這種技術型公司利用在軟件和自動化設備方技術方面的優勢與投資公司在客戶資源方面的優勢結合，可以實現在智慧物流領域業務的快速增長與突破。

匯能光電有限責任公司創始人徐仕安認為，“中國激光設備走的是模仿、吸收和創新的道路，因為在激光技術和自動化緊密結合的今天，工業制造領域的自動上下料、倉儲、物流、無人車間等都涉及到自動化，而這些領域的生產，已離不開激光技術。”想象一下，在我們未來的智能倉儲中，裝備了以激光制導技術為核心的AGV搬運小車，具有無線的通訊和信息處理的能力，能根據操作人員先前下達的指令協同作業，甚至發展到后期有了場景的自適應能力，能應對復雜環境的突發狀況，來達到高效完成裝卸與搬運的目的。這將是飛躍性的歷史革新，就如同傳統手機迅速被智能手機取代一樣，留給傳統裝卸、搬運裝備的轉型升級時間不會很長，所以，傳統物流企業現在要做的就是與相關裝備廠商合作，朝著提升企業智能化水平方向不斷革新，提高智能裝備的技術水平。由此可見，激光測量與傳感技術的高速發展和日益普及勢必將引起智慧倉儲的大革新，甚至是整個物流行業、整個制造業，生產、配送乃至于我們生活方方面面都會得到全新的服務水平[15]。

4 總 結

隨著中國智能制造的不斷推進，激光技術憑借其在測距、定位、測速、監測等方面的優勢在智能化立體倉儲的空間利用、堆貨體積測算、港口散貨裝船機物位檢測等方面已經擁有了無可替代的應用前景，對于物流業、工業激光的需求也將越來越大，相信在“互聯網+”和“工業4.0”等背景下一些新思路和觀點的提出，會使得智慧物流下的激光技術應用演繹出更絢麗的光彩。

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