基于單元化層級級聯模式的周轉箱共享周轉

房殿軍，王昕杰，張新艷

（1.同濟大學 中德學院，上海 201804；2.同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804）

1 引言

制造業的物流過程中，不可避免的需要使用到一次性紙質包裝材料。2018年，用于紙箱的紙材成本增加了40%以上，這讓同時兼顧合理的包裝成本和必要的包裝質量更具挑戰性。如今中國每日運輸的紙箱包裹數量已達1.3億，為供應鏈與綠色生態帶來巨大挑戰，因此迫切需要一種面向未來綠色的紙箱再利用與周轉模式。制造業中也有周轉箱循環使用的例子，但由于所需硬件數目巨大，周轉規模范圍小，管理與流通效率低，始終沒能得到很好發展。因此本文基于博世制造業物流，即博世工廠，其多級子供應商與主機廠組成的供應鏈，提出部署于云端、周轉箱、托盤、貨車的層級級聯模式，實現周轉箱低成本高效率的周轉再利用。

2 博世制造業物流周轉箱共享周轉模式

要發揮最大的協同效應，實現周轉箱的良性周轉，效率最大化，需要推動博世整個供應鏈，即博世，其供應商合作伙伴與OEM或零售商組成的供應聯盟，一同共享、循環共用周轉箱與托盤。周轉箱與托盤共享體系由處于博世供應鏈上的眾多供應商、零售商、主機廠與博世共同出資籌建，共同使用。在實現資源分布化，社會化的同時，能夠加強供應鏈內部的緊密協作。打破傳統式各自公司使用維護自家托盤、資源利用率低、包裝紙箱只能一次性使用、成本高且浪費的模式。營造一個更加高效、綠色的共享周轉供應聯盟[1]。

以博世為例，傳統制造業物流中，原材料從供應商的調度開始，通過倉庫后進入工廠，在工廠內制造完成后，成品離開倉庫被運送到主機廠，如圖1所示。

圖1 制造業物流簡圖

以博世為例，基于周轉箱共享周轉模式，主要流程如圖2所示。博世的供應商將原材料裝于周轉箱，多個周轉箱放于托盤，裝車發貨至博世工廠（或通過倉庫后進入博世工廠）解綁周轉箱與托盤，部分周轉箱隨原材料進入工廠產線，部分進入倉庫理貨擺放。博世工廠保留所需周轉箱與托盤基本庫存，多出的作為資源平衡調度隨車運回周轉資源池（可減少工廠庫存，同時解決返航貨車空載率高問題）。博世工廠將生產好的產品裝箱 ，綁定托盤后（若周轉箱資源不足可從周轉資源池中調取補貨），運輸至主機廠。主機廠重新理貨，擺托盤后，部分托盤與周轉箱留在主機廠倉庫或被送至生產線線邊。返航貨車同樣起到資源平衡的作用，將多出的托盤與周轉箱運送回博世工廠或者周轉資源池（調度指令基于云端的托盤與周轉箱庫存與需求信息），以循環調用。

周轉資源池是托盤與周轉箱的中間倉庫，可實現托盤與周轉箱的資源調度，實現需求平衡。周轉資源池位置根據博世供應鏈上企業的分布選定，以提高客戶服務水平，對周轉箱資源不足的企業及時補貨，盈余的企業進行回收，其分布示意圖如圖3所示。

圖2 共享托盤與周轉箱周轉流程

圖3 周轉資源池分布

3 層級級聯

為了提高物流系統的作業效率，首先需要把貨物歸整成統一規格的作業單元，一種便于儲放、搬運和運輸的貨物單元。在供應鏈的各個環節中，以單元為對象組織裝卸、搬運、儲存和運輸等物流活動一體化運作，也就是單元化物流。在制造業供應鏈物流中，不可或缺的使用到托盤作為單元化物流的一種形式，單元化物流占有的比例越高，供應鏈物流優化的素質則越好。各種提高物流系統效率和降低物流成本的措施就能夠收到預想的效果[2,3]。

為了循環使用周轉箱，核心是獲得其地理位置與狀態更新信息。如果在每一個周轉箱上加裝硬件模塊，硬件數目大，且難以對成千上萬的周轉箱逐一管理[4]。因此受到單元化物流的啟發，提出層級級聯模式。

3.1 周轉箱，托盤與貨車層級綁定模式

每個周轉箱配備一個二維碼，每個托盤裝配一個RFID標簽，作為唯一標識，裝貨時多個周轉箱綁定一個托盤形成一個子運輸單元，如圖4所示。

圖4 周轉箱與托盤層級綁定

每輛貨車配備一個RFID讀寫器與Arduino開發板，上集成溫濕度傳感器，gps定位模塊與wifi模塊，同車多個托盤綁定其運輸貨車形成追蹤運輸單元，如圖5所示。同車周轉箱與托盤共享相同的位置信息與環境信息，這樣便不必管理追蹤每一個周轉箱，而通過追蹤運輸單元，實現周轉箱與托盤有效的管理追蹤。節省大量本需布置在周轉箱上的硬件定位模塊。

圖5 托盤與貨車層級綁定

為了實現層級級聯，需要解決如下關鍵點：

·周轉箱，托盤，貨車相關物流節點信息能分別有效上傳云端，能夠關聯存儲在數據庫不同表中，并能以級聯的形式被檢索與更新。

·周轉箱與托盤，托盤與貨車的綁定、解綁信息在云端實時有效更新。當周轉箱信息更新時，其綁定的托盤與貨車信息能同步更新。

·云端數據庫設計能適應層級級聯模式，貨車地理與環境信息能關聯到其裝載的每個周轉箱與托盤。

·物理節點的周轉信息匯總云端，進行基于云端配套的周轉管理系統開發。

3.2 層級級聯流程

3.2.1 周轉箱綁定托盤（子運輸單元）。手持端調用攝像頭請求，依次掃描子運輸單元中托盤上周轉箱的二維碼，將周轉箱與托盤級聯綁定信息上傳存儲于微軟Azure云SQL數據庫周轉箱表中，信息流如圖6所示，節選關鍵數據字段見表1。

圖6 周轉箱綁定托盤信息流

表1 周轉箱表

3.2.2 托盤綁定貨車（追蹤運輸單元）。托盤被裝上貨車時，位于貨車車門處的RFID讀寫器自動與托盤上的RFID標簽通信。RFID讀寫器與Arduino開發板相連，通過其上Wifi通信模塊通過MQTT/HTTP協議將托盤與貨車的級聯信息上傳微軟Azure IoThub，再使用流處理將信息轉存到微軟Azure云SQL數據庫托盤表中，信息流如圖7所示，數據字段見表2。

表2 托盤表

圖7 托盤綁定貨車信息流

3.2.3 周轉箱與托盤追蹤方式。同一貨車上的周轉箱與托盤具有同一地理位置，環境與時間屬性。位于貨車上的Arduino開發板，定時發送貨車地理位置，傳感器采集到的信息到云端，存儲于貨車表中，信息流如圖8所示，數據字段見表3。

圖8 傳感定位信息流

表3 貨車表

微軟Azure云SQL數據庫中周轉箱表，托盤表與貨車表通過外鍵綁定，實現信息的級聯形成視圖見表4。通過級聯的部署與操作形式，避免在每一個周轉箱上安裝硬件模塊，實現用更少的硬件模塊實現成千上萬周轉箱的層級管理，實現周轉箱狀態，地理位置，所屬貨車的實時監控與追蹤。

表4 周轉箱托盤貨車信息級聯視圖

3.2.4 解除托盤-貨車綁定。接貨方從貨車卸載托盤時，托盤與位于貨車車門處的RFID讀寫器通信，取消托盤表中托盤與貨車的綁定記錄，記錄托盤卸載方與時間地點，并通過Arduino開發板上傳更新云端貨車表信息。

3.2.5 解除周轉箱-托盤綁定。從托盤卸載周轉箱時，用手持端掃描該托盤上周轉箱單元的二維碼，將云端數據庫對應周轉箱置于閑置并取消其與托盤的綁定，便于后續托盤與周轉箱的綜合調度與管理。若周轉箱隨物料被送至工廠，可與工廠物料管理系統API對接，實現對周轉箱全生命周期的流轉追蹤。若不與工廠物料管理系統對接，則記錄周轉箱流入工廠，其地點與時間，便于后續調度，循環利用與資源優化。

層級級聯總體信息流如圖9所示，掃描周轉箱上二維碼將綁定，解綁與相關狀態狀態信息上傳微軟Azure SQL數據庫。托盤與貨車的級聯綁定通過RFID通信完成，并通過Arduino開發板將溫濕度，地理位置，時間等信息上傳至微軟Azure IoThub，再通過流處理轉存到Azure數據庫中，然后與周轉管理云系統交互。

圖9 層級級聯信息流

所搭建云端解決方案的IT架構如圖10所示。

圖10 層級級聯IT架構

3.2.6 周轉管理。從周轉箱表中實時獲取每個周轉箱狀態并用周轉管理系統統計示意如圖11所示，對于超出循環壽命，損壞的周轉箱查看其位置進行回收修復，實現周轉箱的再利用。

圖11 周轉箱狀態

結合周轉箱地理位置信息，可以實時得到使用中周轉箱城市分布數量統計，如圖12所示。基于每個公司周轉箱的使用記錄，可建立預測模型，預測公司未來一周內的周轉箱需求量，結合其所屬的周轉資源池的庫存量，提前進行資源調度，優化服務水平。

圖12 周轉箱地理位置分布

圖13 周轉管理系統功能模塊

將物理節點的周轉信息匯總，進行基于云端的周轉管理系統開發，功能模塊如圖13所示。主要分為周轉箱與托盤管理，周轉資源池管理與用戶信用管理模塊，再通過數據挖掘分析進行綜合展示并提供決策分析[5]。

4 可循環周轉箱三維模型

設計的周轉箱是模塊化的，積木似快速拼裝，節約人工包裝作業量，可直接插入封蓋，迅速完成密封，如圖14所示。中間隔板數目可調整，加大周轉箱空間使用率，靈活性高（每個隔板內同品種，一個品種對應一個二維碼，一個周轉箱內可多品種），可拆散平放，便于節約調度時空間占用。

圖14 模塊化周轉箱三維模型

5 結論

為了優化協同效應與效率，實現周轉箱的良性周轉，需要共享，循環共用周轉箱與托盤。打破企業自行使用維護，資源利用率低，包裝紙箱只能一次性使用，成本高且浪費的傳統模式。在實現資源分布化，社會化的同時，加強供應鏈間緊密協作。設計單元化層級級聯的模式實現周轉箱，托盤，貨車信息層級綁定。用較少的硬件模塊，維護成本，實現成千上萬周轉箱高效率共享，追蹤管理與信息流通。設計新型模塊化積木式周轉箱原型，節省包裝材料，提高人工作業效率，單箱空間利用率并實現高靈活調度。基于單元化層級級聯的硬件模塊架構設計，低成本，穩定，工業可實施性強，結合Azure云平臺，數據庫架構設計，周轉管理應用開發，實現周轉箱低成本高效率的周轉再利用。