智能倉儲研究與應用進展

張可薇+王亞臣+范紅巖+劉軍

[摘要]智能倉儲是智能物流的重要組成部分，是現代倉儲物流的發展趨勢。文章首先對“智能倉儲”的概念、學術含義、研究范圍進行界定；然后通過對國內外智能倉儲的研究與應用的現狀總結，可以看出信息識別技術、智能算法、智能控制等技術的應用是實現智能倉儲的信息化、自動化和智能化的基礎；最后對智能倉儲理論和應用的發展趨勢進行了展望。

[關鍵詞]智能倉儲；信息處理與決策；作業流程；智能控制和協調

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.08.166

1引言

隨著我國經濟邁入提質增效的經濟“新常態”，產業結構不斷優化調整，物流行業也需要從傳統物流向現代物流體系轉型升級。倉儲作為現代物流的重要環節，不僅承擔著儲存貨物的任務，還需要與供應鏈上、下游更好地銜接，提高倉儲作業的效率和服務的品質，因此，信息化、自動化和智能化的智能倉儲成為未來的發展目標。

我國的倉庫總量較大，但管理水平相對低下，先進的倉儲管理模式應用較少；倉儲設備利用率較低，自動化程度不夠高；信息化程度較低，倉儲管理信息系統的使用較落后，倉儲信息的處理和使用不夠有效，在整個物流過程中信息的利用率和流通性較差。亞馬遜、阿里巴巴、京東爭相使用智能倉儲機器人、智能倉儲系統和智能倉庫，為智能倉儲的發展奠定了基礎。

在智能倉儲時代到來之際，國內外專家學者從不同的角度研究如何運用信息識別技術、自動控制技術、無線傳感網絡技術、通信技術、嵌入式技術、智能控制技術等來提高倉儲運作效率，以實現倉儲的信息化、自動化和智能化。

2智能倉儲的界定

2.1“智能倉儲”的概念

智能物流是我國物聯網重點發展的領域之一，我國學者從智能技術應用、管理體系等角度對其進行了研究，但因為它融合了很多學科的知識，很難給出一個精確而全面的定義。以下給出幾個常見的概念：吳功宜[1]認為“智能物流需要利用RFID與傳感器技術，實現對物品從采購、入庫、調撥、配送、運輸等環節全過程的準確信息，利用信息流精確控制物流過程，使利潤達到最大化”。董淑華[2]給出另一種描述“智能物流是借助現在信息技術，將物流活動過程中的作業環節、作業過程、附屬管理等進行集成，使系統具有學習、推理判斷和自行解決物流中某些問題的能力”。這兩個概念強調了物流信息的使用，但不夠全面，沒有體現自動化和智能化。王喜富[3]從物流過程的角度定義智能物流是一種管理體系：“智能物流是指貨物從供應者向需求者的智能移動過程，包括智能運輸、智能倉儲、智能包裝、智能裝卸及智能信息的獲取、加工和處理等多項基本活動，為供方提供最大化的利潤，為需方提供最佳的服務，同時也應消耗最小的自然資源和社會資源，最大限度地保護好生態環境，從而形成完備的智能物流管理體系。”較普遍認可的概念是“智能物流是利用集成智能化技術，使物流系統能模仿人的智能，具有思維、感知、學習、推理判斷和自行解決物流中某些問題的能力”。[4]

智能倉儲是智能物流的重要組成部分，智能倉儲系統是智能倉儲的實現形式。結合以上概念，本文認為智能倉儲系統是由倉儲設備系統、信息識別系統、智能控制系統、監控系統、信息管理系統等兩個及以上子系統組成的智能自動執行系統，具有對信息進行智能感知、處理和決策，對倉儲設備進行智能控制和調度，自動完成倉儲作業的執行與流程優化的功能。

2.2“智能倉儲”的學術含義

2.2.1理論意義

物聯網技術為智能倉儲系統的設計提供了一種架構，使智能倉儲系統具有了信息感知、數據傳輸和信息運用的功能；智能機器人的應用，能夠提高倉儲系統的自動化水平，多機器人的協調是實現自動化倉儲的基礎；智能算法能夠有效處理倉儲信息，提高作業的準確率和效率，其中智能算法的動態適應性是研究難點；智能控制技術使倉儲設備具有了決策和執行的能力，能夠更好地適應工作環境和工作強度，是倉儲智能化的基礎之一。

2.2.2實踐意義

智能倉儲能夠有效利用倉儲信息，提高倉儲任務分配和執行的效率，優化倉儲作業的流程，節約人力和物力，為管理者提供輔助決策依據；智能倉儲設備的應用使人與倉儲設備之間的交互更加便捷，減少人為操作錯誤，提高工作人員的操作準確率；智能優化算法和智能控制技術的使用在保證倉儲作業效率的基礎上，通過對倉儲設備和人力、物力的合理調配，能夠有效降低能耗，節約成本，合理保持和控制企業庫存；倉儲信息的流通性能夠加強，與供應鏈上、下游的銜接能夠更加暢通，對企業的發展大有裨益。

2.3智能倉儲的研究范圍

智能倉儲系統是一個信息化、自動化和智能化的智能自動執行系統。智能倉儲的研究重點主要是如何實現信息化、自動化和智能化，研究思路是從系統整體的設計到各功能的實現。

智能倉儲系統整體的設計應根據實際情況分析系統的需求和功能，構建智能倉儲系統的架構；對于不同的企業類型、倉庫類型、貨物類型、自然環境、交通條件等，應充分考慮技術的適用條件，然后選擇合適的信息識別技術、通信技術、嵌入式系統等技術，對其硬件和軟件進行全部或部分的開發和設計應用。

在倉儲作業中，會產生大量的貨物信息、設備信息、環境信息和人員信息等，如何實現對信息的智能感知、處理和決策，利用信息對倉儲作業的執行和流程進行優化，是智能倉儲研究的重點之一。

智能倉儲設備和智能機器人的使用能夠提高作業的效率，提高倉儲的自動化水平。智能控制是在無人干預的情況下能自主地驅動智能機器實現控制目標的自動控制技術。[5]對倉儲設備和機器人進行智能控制，使其具有像人一樣的感知、決策和執行的能力，設備之間能夠進行溝通和協調，設備與人之間也能夠更好地交互，可以大大減輕人力勞動的強度，提高操作的效率。所以，智能控制的研究與應用是最終實現智能倉儲系統運作的核心。

3智能倉儲國內外研究與應用現狀

3.1智能倉儲系統設計與實現

智能倉儲系統的設計包括智能倉儲系統的架構設計和功能設計，以及子系統的設計與實現。智能倉儲系統具有提高倉儲自動化水平及管理水平、提高信息利用率、減少流動資金的積壓、提高物流效率等諸多優點。[6]

王永輝[7]等人將RFID技術、機器人自動碼垛技術、自動開箱機技術和周轉箱清洗機技術等相結合，構建了電能計量裝置智能倉儲系統，解決了計量器具多品規、高頻次在有限空間內的識別、分類緩存和全自動高效輸送的難題，并實現了庫房零人工作業。鄭家宋[8]等人應用物聯網技術構建的智能倉儲與物流運輸管理系統，實現對車皮進行管理和調度和對物資運輸過程監測，增加了運輸能力和效率。馬翔[9]運用ZigBee無線網絡和工控機構建了星形結構的立體倉庫自動化物流控制系統，并提出了堆垛機的二維模型；該系統具有規模可調整、布置靈活、方便設置和改變控制要求的特點。王金華[10]等人為了改變傳統高勞動強度、高能耗的低溫儲糧方式，設計了基于Profinet總線方式的分布式控制系統。B.Bekta[11]設計了基于RFID和ZigBee無線網絡的自動存儲識別的智能倉儲系統，最大限度地消除操作中的人為錯誤，確保自動核實系統在放置貨物時沒有錯誤。A.Mohammed[12]等人研究了RFID在智能倉儲配送中心的應用，開發了多目標優化模型，并進行仿真驗證，設計了倉儲與配送功能集成的智能倉儲系統。ZizhuoYang[13]等人為了改善傳統倉儲管理系統存在的簡單的靜態的管理方式，應用Web分布式數據處理，光纖網絡和實時數據共享關系數據庫建立了智能倉儲管理系統，能夠有效解決效率低下、信息準確度低的問題。

3.2智能倉儲信息的處理和決策

倉儲作業過程中會產生訂單信息、貨物信息、存儲信息、設備信息等，信息的數量大、種類多、動態性強，智能倉儲系統通過運用信息識別技術、數學建模、智能算法和決策等技術，能夠對這些信息進行智能感知、處理和決策；基于這些決策信息完成倉儲任務的分配與執行和作業流程的優化。

盧慶光[14]根據電子物資對存儲環境溫濕度、粉塵的條件的要求，采用將WSN網絡和RFID相結合的方法，運用WSN網絡采集倉儲環境的數據，通過RFID標簽對物資的使用進行跟蹤和識別，實現對倉儲信息的自動采集與處理。楊飛龍[15]等人為了及時發現危險化學品被盜及混存情況，利用RFID與步進電機相結合的精確定位技術，對化學品存儲狀態進行實時監測。申悅[16]提出了利用WSN網絡和信息融合技術，監測果品的存儲環境信息，使果品的質量得到最好的保障。孫彪瑞[17]等人則建立了遺傳算法和神經網絡糧倉通風智能決策模型，能夠充分利用有利通風的時機，避免無效通風和有害風現象的發生。Q.Zhang[18]等人利用無線通信技術和傳感網絡結合，對倉儲溫度、濕度、煙霧、光、門禁和人類運動等信息進行自動采集、處理，并進行自動控制。張馨予[19]將RFID技術應用于倉儲流程中，對手工查詢、校驗等環節進行優化，使得貨物流入、流出以及存放的信息能夠被及時準確地記錄。H.Ma[20]針對倉儲系統的任務分配，提出了基于“總體任務先分組后重新分配”的新的任務分組方法，改善了傳統的靜態分配算法應用于動態任務倉庫的不足，并使動態任務可以相對靜態的形式處理。A.Tsagaris[21]提出了基于判斷物體會出現在倉庫的位置信息來進行存儲流程的優化的方法，該方法基于物體的重量，利用遺傳算法在最短時間內進行存儲策略的優化。

3.3智能倉儲設備與智能機器人的控制與調度

倉儲設備控制系統和智能機器人是智能倉儲系統的硬件基礎，他們的使用能夠有效提高倉儲作業的自動化水平，降低人工勞動強度。通過運用智能控制和智能算法，能夠解決智能倉儲設備和多個機器人間協調和調度的問題，提高倉儲設備的利用率。

李文玉[22]在將多機器人任務分配問題分為機器人數量充足和不足分別研究，并建立了訂單分組模型，用啟發式算法、匈牙利算法等多種算法尋找最優解。V.Digani[23]等人則提出了一個在自動化倉庫中可進行交通擁擠區域預測的概率模型，避免交通擁堵的同時有效提高運輸效率。X.Fu[24]等人提出了“自動駕駛車倉儲”與“檢選系統”的新概念，通過設置車輛在干線上單向移動和授權后通過道路節點來避免車輛碰撞，并通過限制干線網絡節點沒有切割邊緣的形狀來避免死鎖情況。I.Draganjac[25]等人提出一個多個自動引導車輛的分散控制算法，提供了車輛自主路徑規劃和運動協調能力，對算法模型進行仿真驗證，證明該算法用在每輛車上之后，能夠有效避免車輛之間的相互碰撞。A.Krnjak[26]等人提出了一種對倉儲環境中的自動引導車輛的分散控制算法，該算法可以為車輛提供自主運動路徑規劃，可以防止死鎖的情況，并在實驗室進行了驗證。L.Li[27]等人運用具有全局姿勢修正的視覺定位算法和視覺算法控制器的智能叉車自動引導車輛（AGV），使其執行工廠和倉庫的運輸任務，其任務執行效率、準確度和靈活性有了提高。N.Kimura[28]等人設計了可用于倉庫中的不同類型產品的訂單揀選移動雙臂機器人，運用自定位、目標識別和手臂軌跡規劃技術，能實現兩個手臂同時抓取兩個不同型號的產品放在兩個重量不同的架子上的功能，降低了揀選作業的復雜度。敦豪供應鏈（DHL）在德國烏納的倉庫利用EffiBOT機器人實現自動化訂單揀貨，機器人跟在揀貨員身后，在貨架系統周圍揀貨，當滿載時自動卸貨，下一輛車自動投入作業；該方式實現了單一訂單到多訂單高效揀貨，并且解放了揀貨員的雙手，使揀貨流程更符合人體工學規律。

綜上所述，國內學者側重于運用系統的思想，構建智能倉儲的整體架構，進行系統硬件和軟件的開發，設計智能倉儲系統；并對信息識別技術、通信技術、自動控制技術、智能算法等技術如何在智能倉儲中應用進行了研究；國外的學者善于運用數學的方法，建立智能倉儲的數學模型，并通過仿真、實驗進行驗證；對信息的處理和決策、倉儲設備和智能機器人的控制和協調的研究也較多使用數學的方法。

總之，運用先進的智能算法，能夠有效地處理大量的、種類繁多的倉儲信息，提高信息的使用效率；智能決策能夠降低人為操作帶來的錯誤和誤差，提高操作的準確性和及時性；智能控制能夠使倉儲設備具有學習能力、適應能力、決策能力和組織能力，[29]能夠在無人干預的情況下，自動處理訂單任務，調節倉儲環境，調整設備工作模式，組織倉儲設備執行作業，提高作業效率并降低能耗。這些技術的使用，使得智能倉儲能夠根據貨物的信息、環境信息、設備信息和人員信息，進行智能決策和控制，組織最佳的作業流程和人力資源，減少不必要的作業環節，縮短作業時間，能夠提高作業的效率，降低費用，保證倉儲作業流程的流暢和協調，大大提高了智能倉儲信息化、自動化和智能化的水平。

4智能倉儲發展趨勢

4.1理論研究

目前對智能倉儲概念的研究比較少，未來的學術研究應該更加明確智能倉儲的概念、含義和研究范圍，智能技術在智能倉儲中的應用研究也會更加深入。

智能倉儲系統將能夠充分利用數據挖掘技術、信息融合技術等，對貨物信息、環境信息、設備信息和人力資源信息進行充分的整合，綜合地分析，作出相關的決策，為物流系統上、下游提供良好的信息支持，促進信息的流動性，提高信息的安全性；倉庫的管理不僅僅是分裂的、單一的倉庫管理，而是通過云端，相互連接的，能夠數據共享的虛擬倉庫之間的共同管理，提高了貨物的流通性，同時對管理者有了更高的要求。

智能倉儲設備通過智能控制具有自治性、交互性和協調性：智能運輸設備能夠根據訂單任務、貨物存儲條件、貨位情況，自動規劃運輸路線，并能夠與其他智能運輸設備進行交流，相互配合，尋找最優的運輸方法；智能貨架使得實現自動盤點成為可能，對庫存進行管理，與倉儲管理系統交換信息，完成控制庫存和及時補貨的任務；智能托盤具有稱重、檢測貨物的功能，大大地減少檢驗工作的任務量；可穿戴設備的使用，解除了工作人員雙手的限制，并通過準確地提醒和出錯警告提高工作人員的操作準確率。

4.2工程應用

電子商務市場的持續升溫，以及跨境電商的逐漸興起，客戶對物流服務有了更多的要求，智能倉儲的應用能夠提高訂單的處理速度，減少人工操作流程。亞馬遜的KIVA機器人，京東的“亞洲一號”，阿里巴巴的菜鳥網絡下的智能倉庫，都在部署智能倉儲，未來智能倉儲會催生電商的新業態。

“中國制造2025”為智能制造業提供了政策的支持，智能制造離不開智能物流的服務，張曙[30]提出，若干智能工廠通過中間件、云計算和服務聯結成龐大的制造網絡，借助基于物流網的智能物流構建完整的制造體系。德國提出“工業4.0”，是以移動互聯網、大數據、云計算和物聯網等新一代信息技術為驅動，以物理信息系統（CPS）為基礎，通過融合電氣、機械、自動化、信息通信等技術，深度優化企業生產與管理流程；智能物流是“工業4.0”的核心組成部分，是連接客戶、供應鏈和制造業的重要環節，也是構建未來智能工廠的基石。[31]弗勞恩霍夫物流實驗室的工程師們對“工業4.0”在物流領域產生的變革作了猜想，建立了未來倉儲的框架，該框架是空白的，各部分沒有永久固定的形式，而是能夠靈活移動的。[32]

中國物流與采購聯合會會長何黎明指出，2015年物流業應該密切關注客戶新需求，更加關注物流服務的新市場，向農村、社區拓展縱深方向的服務空間，著力提升和改善物流服務質量[33]。農業生鮮及農產品加工業的市場需求量大，但屬于易損耗品，不同農產品的保管條件不同，保管難度較大；智能倉儲能夠根據產品種類、保管條件和市場需求及時調節倉儲條件，管理庫存，及時供貨，保證產品質量的同時降低損失，并為產品質量追溯提供支持。

醫藥物流是智能倉儲的另一應用領域，醫藥具有的特殊的理化特性，存儲不當可能導致藥物失效，甚至產生毒性。智能倉儲能夠保證藥品的藥性，減少其變質的概率，對藥物存儲信息的隨時監測能夠為藥品質量追溯提供基礎，保障國民的用藥安全，增強國家的藥物監管能力。

5結論

智能倉儲作為智能物流中的重要環節，影響著物流業轉型升級的進程，影響著“中國制造2025”的實現進程。本文從智能倉儲的概念出發，分析了其研究范圍、學術內涵和使用技術；通過智能倉儲在國內外的研究與應用現狀，可以看出信息識別技術、智能算法、智能控制技術等技術的應用，能提高倉儲的信息化、自動化和智能化水平，為智能倉儲的實現奠定了基礎；最后對智能倉儲作了展望，為下一步的研究作了鋪墊。

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