基于物聯網的車間物流自動配送系統研究

黃 鑫，周長榮

（河北經貿大學 管理科學與工程學院，河北 石家莊 050061）

0 引 言

在科技飛速發展的當今社會，物聯網概念已經逐漸被國內企業所熟知。物聯網融合了智能識別技術、無線傳感技術、普適計算技術和網絡技術等[1]，可以收集并存儲整個企業的基礎信息并形成一整套系統。通過將物聯網引入到制造型企業，并將射頻技術同生產車間的流水線結合，可以獲得最準確的底層生產數據信息。這正是各個企業最需要的，能夠為企業決策提供完整依據，為企業實現柔性、敏捷、精細化生產打下基礎，同時也能改善物流配送效率，降低人工成本，避免缺料等情況出現。

本文研究的車間自動配送系統主要針對離散型制造企業總裝配車間層面，包括生產車間、配送系統、車間外倉庫三個方面，且生產配送模式是齊套配送，產品生產模式為小批量多品種。由于齊套配送通常一個訂單包含多種產品，且不同產品需要在不同的車間甚至是用不同的制造商進行加工，而不同產品的組成部分又可能在不同車間進行加工[2]，這使得車間配送變得復雜，在切換訂單時易導致物料不能及時到達進而影響生產。如何實現快速切換是齊套型生產模式下的難點，解決方法之一就是通過物流配送的改進來實現快速切換。

車間物流配送的高效性與車間數據采集的及時性和數量有著密切的關系，而物聯網技術恰好具有信息收集的全面性和便捷性這兩個得天獨厚的優勢。本文針對制造型企業中傳統的人工叫料和配送進行分析，提出了車間內自動配送模式，實現車間內叫料依賴于系統，避免人工的干預，提高車間配送的效率，減少配送過程中不必要的浪費，為車間實現全程自動化配送提供切實可行的方案。

1 離散型制造企業在生產中存在的問題

傳統制造業大部分采取的是訂單生產模式，即根據訂單量來安排生產計劃。此種模式減少了不必要產品的生產，更好地滿足了市場需求。但訂單的隨機性容易導致生產企業出現波動式生產，也同步造成物料采購、配送以及生產的壓力；需要從原材料庫房運送到車間外倉庫的物料通常通過定量控制系統安排配送，這無疑也會增加車間配送人員的工作量。此外，離散型制造企業通常要對各個分廠采購的原材料進行裝配，由于其物料的復雜性、多樣性，導致采購物料信息不能同本公司生產的物料信息進行統一編碼而存儲在公司的數據庫中，這難免會導致信息混亂。以上因素的存在使得離散型制造企業在生產過程中常常存在以下問題：

（1）配送混亂，影響生產效率。國內制造型企業雖然大多是根據提前發送的車間生產計劃進行備料、送料，但是每個崗位需要的物料、時間通常是產線的班長或者該崗位員工在查看到該物料點缺料或者快用完時聯系配送人員，或者是配送人員在配送過程中看見某些崗位缺料就會及時將物料補充過去。這種情況就會導致配送人員配送混亂，即在空閑時能及時配送物料，但是當多個崗位都需要時，配送人員基本上只根據自己的判斷進行配送，那些急需物料的崗位不能及時得到缺料，從而影響了生產的進度，甚至導致停線。

（2）基礎生產信息不能被實時收集并反饋。基礎生產信息主要分為流水線上產品的生產信息、物流信息兩大基礎板塊，其中流水線生產信息包括單個產品的生產時刻、生產數量、生產批次、生產訂單、在各個崗位的實際生產時間以及暫存時間、每個崗位的在制品數量以及合格情況等。物流信息是指在某一時刻每個崗位的線邊物料存儲數量、存儲物料編碼、物料名稱、物料的送達時刻、配送時間耗費，若有缺料情況出現，還包括缺料時間以及停線時間等。

（3）由于決策的依據過少導致結果不夠準確，影響企業的運營。由于傳統制造企業沒有最原始的底層生產數據，導致中高層做決策時往往是根據自己的經驗進行判斷，這或多或少會有偏差，而這一點偏差也可能會給企業利益帶來非常大的影響。

2 物聯網環境下生產車間物流自動配送系統研究

在2008年，黃國全教授就產線信息數據采集問題提出了AUTOM[3]解決方法，他提出了一種無線制造架構，通過將RFID設備部署到工作站、重要工具、關鍵部件、在制品容器等地方實現操作對象的智能化，并且可隨時查看該位置的各種信息。而本文將以GN空調公司目前存在的線邊缺料、庫存多、物流配送不及時等問題為研究方向，旨在提出基于AUTOM解決方案的車間物流自動配送系統。目前，該車間采用的是拉動式配送，即人工聯系配送人員和車間外倉庫分揀人員，從而讓他們分別進行配送、分揀、拆包，但由于人工操作經常導致叫料時間太晚，使得車間外倉庫人員分揀、拆包過晚，后續也影響物流配送人員的配送，從而導致產線缺料甚至停線。另外，車間外倉庫分揀人員為了防止產線人員叫料不及時導致某種物料分揀不及時甚至缺料，提前將某種物料大量分揀，但同時大面積占用了庫存場地。同樣的問題也出現在配送人員身上，配送人員在產線上仍有較多物料時繼續向線邊配送物料，導致線邊物料堆積過多，甚至占用其他物料位置使得物料工無法將缺料裝車，產線的5S管理[4]混亂。

2.1 研究范圍

制造型企業往往設有原材料倉庫以及車間附帶的暫存倉庫，但是由于原材料倉庫通常是一對多個生產需求車間并采用按時區配送的模式，再加上各個車間的需求多樣性導致原材料倉庫經常提前配送物料，故很難實現JIT[5]的配送模式。而車間附帶的暫存倉庫由于需要與生產線的生產進程相匹配，所以配送物料需要做到及時響應、及時配送，這不免給生產物流帶來了挑戰。此外，由于生產過程中常常存在插單的情況，打亂了原有的生產計劃，導致物流配送人員與生產信息脫節，使得物料配送混亂。在上述情況下，車間配送就更需要實現及時化和精準化配送，因此車間實行自動化配送是非常必要的。

2.2 車間物流配送運行流程

車間生產信息的采集與MES之間有著密切的聯系，這也是車間配送系統的信息來源。它為系統提供了物料生產過程數據、物流狀態、人員的工作效率和工作質量等信息，這些都是ERP無法直接快速獲取到的關鍵信息。對生產現場加工狀態信息的實時采集，有利于生產計劃的動態調度和優化調度[6]。因此在MES系統上進行車間自動配送系統研究更具有優勢。該物流配送系統架構如圖1所示。

圖1 物流配送系統架構

2.2.1 應用層

MES處于上層ERP和底層車間控制系統之間，作為上下層應用間的集線器[7]。由于MES是連接ERP和車間生產平臺的橋梁，所以軟件應用系統可以通過讀取MES系統中的BOM表，根據軟件自身的運算邏輯并結合車間生產計劃形成自己的數據庫，從而指導車間的物流配送模式。該層的主要功能如下：

（1）物料分配功能：首先通過軟件系統讀取MES系統的BOM表中的物料信息，根據物料類型或物料編碼得出此種物料的類型，并基于提前制定的物料分配邏輯來指導車間分揀人員進行分揀或者拆包各個崗位所需物料，見表1所列。

表1 信息體系架構

（2）物料呼叫功能：以生產為核心，物流環節的決策要充分考慮生產執行過程的動態性[8]。當從生產線上某個工位的固定讀寫器獲得某產品的信息時，通過將產品條型碼與數據庫比對，得知已經生產了某訂單下該種產品的數量；基于線邊工裝車RFID讀寫器掃描工裝車RFID電子標簽獲得的物料數據（物料編碼、數量等），計算出該工位線邊工裝車消耗的數量以及當前線邊工裝車剩余數量。當各個工位線邊的庫存達到訂貨庫存時，軟件系統計算得出需要配送的物料，并將此信息發送到電子看板，車間外倉庫可基于此信息進行分揀或者拆包；當物料到達工位的安全庫存時，軟件應用系統將訂貨庫存的信息發送到物流配送人員，提醒物流人員進行配送。運行流程如圖2所示。

圖2 物料呼叫功能運行流程

2.2.2 服務層和對象層

服務層：通過軟件系統將物料配送信息發送到各地的電子看板，包括車間展示平臺、倉庫平臺、配送人員平臺等。

對象層：（1）將需要揀選的物料信息發給倉庫的電腦或者看板顯示器，包括物料代碼、數量、需求物料的生產線；（2）線邊工位到達訂貨庫存時將需要揀選的物料信息發給物流配送人員的看板顯示器（物料代碼、數量、生產線）。

2.2.3 數據采集層

（1）RFID電子標簽的應用

目前，傳統的生產企業多是采用一維碼標簽來記錄物流配送信息，一維碼是在一個矩形區域內由一組黑色條塊和空白按照一定編碼規則組成[9]。但是由于在配送過程中的不可控因素易導致紙質標簽被弄臟或者丟失，給員工帶來不必要的麻煩。而要實現車間自動化配送，則需要RFID電子標簽技術，RFID具有自動識別的方便性，可提高數據采集的準確性及便利性，還可以節約產品配送工時、降低人力成本。表2為兩種標簽的對比。

表2 一維碼標簽與RFID電子標簽的對比

（2）各部分數據采集流程

工裝車：通過將RFID電子標簽安裝在工裝車上，實現物料配送數據的錄入與修改。

車間外倉庫：倉庫分揀人員可以通過手持式RFID掃描槍將揀選的物料信息錄入到工裝車上的電子標簽里面。

配送過程：配送人員將工裝車開到指定配送地點，通過配送地點固定位置的讀寫器可以對工裝車的信息進行讀取并上傳至軟件系統，實現物料配送到達的確認以及將由于分揀和配送導致的錯誤通過該系統進行比對和反饋。

流水線：在流水線下方放置讀取器，并且在工藝板上安裝電子標簽，實現生產產品信息的錄入和讀取。

產線生產人員：產線生產人員通過手持式掃描槍掃描產品的條形碼，從而將生產產品的基本信息錄入到工藝板的電子標簽上。

2.3 基于工時的線邊訂貨庫存和安全庫存計算

對訂貨庫存和安全庫存的確定是該車間自動配送系統的支撐點。由于每個工位的物料消耗速度不一樣且其裝載量都不同，需明確每個物料的最大庫存、訂貨庫存及安全庫存。線邊庫存訂貨量不同于倉庫庫存，每次的訂貨量都是按照單次配送載具的最大量進行配送，而不是按上一個訂單到下一個訂單實際消耗的量進行訂貨。以工裝車配送為例，單個工裝車單種物料線邊庫存消耗示意圖如圖3所示。相關計算公式如下：

圖3 訂貨庫存和安全庫存示意圖

其中：w為訂貨庫存；p為安全庫存；k為生產線平均每小時生產量；h為單次配送時間；t為單個物品單次分揀時間；n為單個工裝車可攜帶物品的數量；Qi為第i次訂貨量。

在上述線邊訂貨庫存和安全庫存計算公式中存在h和t兩個變量，而這兩個變量計算的精準性關系著該系統運行的準確性。在計算倉庫的單個物品單次分揀時間t時應做到對每一個物品的分揀、拆包時間都有詳細的計算方法和記錄。同樣地，每種物料的配送時間也該有詳細的計算方法和記錄，在此引入標準工時[10]來減小分揀、配送時間的誤差，如秒表法、預定動作時間標準法、模特法等。這樣系統才能精準計算出訂貨庫存和安全庫存，從而確定何時讓倉庫分揀人員進行分揀、拆包物料以及讓配送人員進行配送。

3 結 語

針對現如今離散型制造業的小批量多品種、柔性化、精細化、低成本的生產需求，可以通過引入物聯網技術來滿足。本文總結了目前制造業普遍存在的問題并結合實際案例提出車間自動配送系統的理論，確定了線邊物料安全庫存和訂貨庫存的計算方法，給出了這兩種庫存的影響因素，為車間自動化配送提供了切實可行的方法。此外，通過RFID技術實現了底層數據的收集，改善了車間配送的方式，為車間快速切換生產模式提供了方向，避免了人工叫料的不準確性引發的一系列問題，為企業決策提供了依據。另外，該車間物流自動配送理論不僅可以應用到傳統的依靠人力配送的車間，還可以應用到AGV配送的生產車間，為實現AGV全程自動化配送提供了方向。