面向高端裝備制造企業的物流中心揀選系統設計

戴 博，楊根科

（上海交通大學 自動化系系統控制與信息處理教育部重點實驗室，上海 200240）

面向高端裝備制造企業的物流中心揀選系統設計

戴 博，楊根科

（上海交通大學 自動化系系統控制與信息處理教育部重點實驗室，上海 200240）

針對高端裝備制造企業多品種、小批量、定制化的生產制造模式，設計了物流中心揀選系統及關鍵組成結構。系統集成了自動化立體倉庫、倉儲信息管理系統WMS和倉庫監控系統WCS，并結合了當前最主流的“貨到人”揀選技術。該系統能滿足高端裝備制造企業個性化物流需求，并有效提升物流中心揀選作業和整體運行效率。同時，該系統在高端裝備制造行業內具有較好的示范效應和推廣價值。

高端裝備企業；自動化立體倉庫；揀選系統；智能物流

0 引言

眾所周知，高端裝備制造企業[1]是指生產制造高技術含量、高附加值的先進工業設施設備的企業，往往處于產業鏈核心環節。由于產品定制化程度高、生命周期長、可靠性及質量要求極高，其生產具備典型的多品種、小批量、離散化、變更多和工藝復雜等特性，其生產所需物資同樣存在品種多、批量小、定制化程度高、差異大等特性。

因此，高端裝備制造企業的物流揀選系統面臨極大的挑戰，要求能夠在有限的場地內，以合理的庫存水平，保證生產各個環節所需物資的及時、準確、有效供應。通常來說，揀選作業時間約占整個倉儲作業時間的30%～40%，揀選搬運成本約占倉儲搬運成本的90%[2]；揀選人員的數量占倉儲作業人員數量的60%以上；在傳統揀選系統中，揀選人員70%的作業時間是在移動，30%的作業時間真正用于挑選物資[3]。因此，揀選作業作為倉儲作業中勞動密集程度最高、作業時間最長、作業成本占比最高的環節，是物流中心最核心、最重要的組成部分，其效率決定了企業物流中心的整體運作效率。

目前，物流揀選系統在高端裝備制造企業的應用屬于起步階段，大多數企業仍然較多采用傳統管理手段。近年來，隨著自動化立體倉庫（AS/RS，Automated Warehouse Automatic Storage And Retrieval System）、RFID射頻識別、二維碼等技術的逐步成熟與推廣，物流揀選系統開始進入智能化、自動化時代，并率先在電商[4,5]、煙草[6,7]、電子[8,9]、酒業[10,11]、部分加工制造業[12,13]等行業得以廣泛采用。

因此，本文針對高端裝備制造企業多品種、小批量、定制化的生產制造模式，設計了物流中心揀選系統及關鍵業務流程。揀選系統集成了自動化立體倉庫、倉儲信息管理系統WMS和倉庫監控系統WCS，并結合了當前最主流的“貨到人”揀選技術。該系統能滿足高端裝備制造企業個性化物流需求，并有效提升物流中心整體運行效率，并已在國內某世界五百強高端裝備企業實際應用。

1 揀選作業概述

揀選作為物流中心核心作業，是指從物流中心存儲區域將物資從庫位中揀選出庫，并送至發貨區的過程。揀選作業需解決以下主要課題：何時何地揀選？揀選哪些種類及數量的物資？揀選信息如何傳遞？揀選后物資送至何地？揀選路線如何規劃？

從揀選作業方式來看，揀貨作業可分為“人到貨”和“貨到人”兩種主要類型。“人到貨”揀選主要以人工操作為主，技術應用為輔[2]。“貨到人”揀選主要以技術應用為主，人工操作為輔[2]。

人到貨含義為：揀貨員根據揀選信息指示前往物流中心物資存儲區域，到達指定庫位，揀選指定種類及數量的物資，并運送出庫至指定位置。貨到人含義為：揀貨員只在揀選區域內部執行分揀任務，無須前往物資存儲區域，所需物資及相關揀選信息由系統自動輸送至揀選區域。因此，貨到人技術極大地減少了揀貨員的走動距離，自動化、智能化技術應用程度高，能大大提高揀選作業效率。

近年來，“貨到人”技術在電商行業得到了較多應用，使得分揀訂單履行更高效，每小時可以處理500～1000SKU的流量，處理能力是傳統作業方式的10倍以上[14]，并可避免由于人工揀選帶來的千分之一誤差率[15]。與此同時，在揀選作業中，智能化自動揀選設備已經廣泛地得以應用[16～18]。

自動揀選設備是按照發貨指令，通過識別自動傳輸線上的貨物種類，利用揀選結構將貨物進行分類。由于自動揀選設備使用的流水線自動作業方式，貨物信息識別速度快，能連續、大批量地揀選貨物，不受時間、人的體力等因素的限制，因此可以達到較高的揀選作業效率。同時自動揀選設備廣泛采用條碼等自動識別技術，貨物的信息可以正確讀取，因此貨物種類的確定差錯率低，系統作業的準確性好；該類設備對貨物一般具有較好的保護作用，對貨物損傷比較小；有些類型的自動揀選設備還可以通過修改相應的運行參數，可以快速實現不同種貨物的揀選種類切換，適應性比較強；自動揀選設備系統能最大限度地減少人員的使用，貨物的移動、信息的讀取都自動完成，大幅度地減輕員工的勞動強度。本文將著重研究自動揀選設備在面向高端裝備制造企業的物流中心揀選系統中的應用。

2 揀選系統設計

對于高端裝備制造企業，最新趨勢為采用集成供應、生產、銷售、逆向物流，中央集控，分布式布局的智能物流管理模式[19]，并導入智能化、自動化物流中心及揀選系統[20]。其中，在企業投入、轉換、產出等各環節的物流活動中，所需原材料、零部件、在制品、備品備件供應均具備多品種、小批量、多頻次、需求不確定性及定制化程度高的特性，對物流中心揀選系統設計帶來極大挑戰與難度。下文首先闡述物流中心關鍵業務流程及其相互邏輯關系，隨后提出揀選系統設計原理及其關鍵技術。

一般來說，企業物流中心包含收貨、檢驗、更換包裝、入庫、揀選出庫、配送等作業流程，具體如圖1所示。

由圖1可知，揀選系統在物流中心內部主要涉及物資的揀選與出庫作業環節，但在設計揀選系統時須向前后作業環節甚至物流中心外部進行延伸，綜合考慮各環節之間的匹配關系。從前端來說，揀選作業與入庫、收貨、更換包裝甚至供應商處的采購訂單類型、包裝及出庫作業有關聯；從后端來說，揀選作業與生產線、客戶的領用訂單、收貨作業有關聯。下文從三個方面對揀選系統設計進行詳細闡述。

2.1 物資包裝標準化

在高端裝備制造企業物流中心內，根據物資類型、重量、尺寸信息，一般會采用三種貨架存儲形式。第一種是存放小件物資的標準周轉箱式立體倉庫（如圖2中①所示），該類物資尺寸一般為600×400×300mm、重量為50kg以內；第二種是存放中件物資的標準托盤式立體倉庫（如圖2中②所示），該類物資尺寸一般為1200×1100×1400mm、重量為1.5t以內；第三種是存放大件物資的重型托盤式高位貨架倉庫（如圖2中③所示），該類物資尺寸一般為2000×1200×1400mm、重量為3t以內；對于其他尺寸超過2000mm、重量超過3t的物資，一般直送存放于生產現場。

圖1 物流中心作業流程示意圖

圖2 物流中心揀選系統示意圖

由圖2可見，無論物資存放于何種形式的貨架，所有物資均需配有承載包裝，以便于物資防護、存儲、運輸、出入庫、減少物流中間環節轉運等過程，即為包裝標準化。它是物流中心揀選系統設計的最重要基礎條件。一旦物資包裝實現標準化，從供應商至物流中心、從物流中心至生產線或客戶均可實現包裝一體化流轉和重復利用，將大大降低揀選系統復雜程度并提高物資流轉效率。需要指出的是，各類物資包裝可以根據高端裝備制造企業物資特性進行選擇，且應盡可能選用標準化包裝。同時，每個包裝內可設置分隔從而能存放多種物資，以符合物資多品種、小批量、多批次需求。

2.2 揀選系統硬件設計

物流中心揀選系統硬件主要包含以下三大類型。

第一類為圖2中對應各類物資包裝的存儲貨架，包括周轉箱式自動化立體倉庫、托盤式自動化立體倉庫、重型貨架倉庫。該類貨架空間利用率高、占地面積小、庫位數量多，適合于物資密集型存儲。

第二類為用于物流中心出入庫作業的設備，包括輸送機、堆垛機、碼垛機械手等，如圖3所示。該類設備可取代人工出入庫作業，既減輕人員勞動強度、作業誤差率，又提高出入庫作業效率。

圖3 物流中心出入庫作業設備示意圖

第三類為專門用于物流中心揀選作業的設備，包括“貨到人”揀選設備（如圖4所示）、輔助揀選設備（如圖5所示）。

圖4 物流中心貨到人揀選作業專用設備示意圖

圖4中左圖為最新的全自動“貨到人”揀選設備，其特點是：待揀選周轉箱、空周轉箱、揀選后周轉箱均為系統自動輸送與返回；系統自動提示揀選數量和位置并防錯、減少人為錯誤；基于人機工程學，考慮人體搬運疲勞度和舒適度，減少作業人員勞動強度；揀選效率高，是傳統拆零揀選的5倍以上，每小時可處理1000訂單行以上揀選任務，且無誤差率。圖4中右圖為電子標簽揀選系統[21]，其功能與左圖設備類似，區別在于空周轉箱、揀選后周轉箱需人工補給與取拿。

圖5 物流中心輔助揀選作業專用設備示意圖

圖5中左圖為機器人輔助揀選設備，圖5右圖為懸臂吊輔助揀選設備。由于高端裝備制造企業的零部件物資具有體積大、重量大的特性，不宜人工搬運、揀選，在包裝標準化的基礎上，采用機械助力設備既能取代人工勞動，又能提高揀選作業效率。

2.3 揀選系統軟件設計

物流中心揀選系統軟件系統包括倉儲信息管理系統WMS和倉庫監控系統WCS。WMS為物流中心與企業資源規劃系統ERP、制造執行系統MES、客戶管理系統CRM、供應商管理系統SRM進行信息傳遞的支撐系統，結合條碼技術、RFID技術，能實現所有物資信息的自動存儲、傳遞、準時化供應，并確保庫存信息齊全、可追溯。同時，WMS將接收上位系統傳遞的物資采購訂單、領用訂單，是指導揀選作業的指令來源。WCS是物流中心揀選系統硬件設備的調度與監控系統，通過與WMS系統進行信息傳遞，可實現物資在物流中心的自動入庫、出庫、貨位分配、揀選提示、快速揀選與配盤等功能。

此外，在WMS系統中可結合多種揀選訂單方式，比如播種式、摘果式和混合式等類型[2]，又如訂單揀選、批次揀選和流程揀選等類型[22]。

3 結束語

物流中心揀選系統按以上方式設計并實施后，以國內某世界五百強高端裝備制造企業為例，將從有形和無形兩個方面給企業及整個供應鏈帶來以下預期效果。

首先，從有形績效指標來看，物資及時交付率和齊套供應率提升20%，物資周轉率提升20%，呆滯庫存比例降低20%；庫存總成本降低20%；揀選作業效率提升50%以上。

其次，從無形效益來看，揀選系統的高效運作將串聯起企業乃至供應鏈的產供銷核心業務，促進實現物流的標準化、精益化、信息化，從而及時、快速、高質量的滿足供應鏈上物資的個性化、定制化需求，有助于打造全供應鏈的核心競爭力。此外，系統為我國高端制造企業物流中心及揀選系統設計提供了較好的示范和參考模板。

展望未來，隨著高端裝備制造企業物流管理逐步實現智能化、自動化，物流中心揀選系統設計將納入更多先進的智能技術、自動化技術。同時，隨著信息化時代的來臨，揀選系統也將向以高端裝備制造企業為核心的產業鏈上下游進行深度擴展，結合多種信息系統的深入應用，將獲得更多、更準確的物流數據。通過結合大數據技術對所獲取數據進行深度挖掘與處理，將為產業鏈提供更多有效物流運營決策支持，對于全產業鏈物流服務與運作水平持續提升具有重大意義。

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The logistics center sorting system design in high-grademanufacturing enterprise

DAI Bo, YANG Gen-ke

F274

：B

：1009-0134(2017)05-0147-04

2017-04-19

國家自然科學基金項目（61290323；61290322；61304214）

戴博（1981 -），男，湖南岳陽人，博士，研究方向為供應鏈與物流管理、智能制造和合作博弈。