基于RFID的倉儲自動化與智能化技術應用

陳 艷

(嘉興職業技術學院,浙江 嘉興 314000)

0 引言

隨著現代工業4.0和數字化轉型的迅速發展,供應鏈與物流行業面臨著前所未有的挑戰與機遇。為滿足消費者對物流快速、準確及透明化的需求,倉儲管理須采用先進的技術來提升效率及響應速度,故而射頻識別(RFID)技術逐漸成為倉儲自動化與智能化的關鍵組成部分[1]。RFID技術在航天、物流、裝備等智能倉儲及庫存管理方面展現出了巨大的潛力[2-3],其優于傳統的條形碼或手工系統,能夠實時、準確地獲取并分析倉儲數據,為企業提供決策信息[4]。目前,高校物流實驗室使用基于RFID的智能倉儲管理系統,實現了自動化、智能化出入庫管理,顯著提升了效益[5],將其與現有的倉儲系統有效集成,更好地實現技術管理,是未來研究的重點。本研究介紹了RFID的基本原理和功能,探討了其在不同倉儲環境中的實際應用案例,指出需要注意的關鍵因素,通過模擬仿真,驗證了基于RFID的倉儲在提升自動化及智能化方面的有效性,以期推動RFID技術的利用,優化倉儲操作。

1 RFID技術原理

射頻識別是一種無線通信技術,通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據,無需建立機械或光學接觸。射頻識別系統主要由3部分組成,即RFID標簽、RFID讀寫器和中央信息處理系統,它們通過耦合元件實現無接觸的射頻信號耦合,并在耦合通道內傳遞能量及交換數據。

RFID電子標簽包含一個小型的射頻芯片和一個天線,芯片用于存儲與該標簽相關的特定信息,如產品ID、序列號等,這些標簽可以是被動的、有源的或半主動的。被動標簽沒有內部電源,由讀寫器的射頻(RF)信號激活。有源標簽有自己的電源,可以主動發送信號。半主動標簽結合了這兩種屬性,由于RFID使用無線電波進行通信,因此需考慮物理環境和其他電磁設備的干擾。為了確保數據的準確傳輸,RFID技術必須考慮并克服這些干擾。讀寫器是一種用于讀取和寫入電子標簽內存信息的設備,由射頻模塊、控制處理模塊和天線3部分組成,通過無線通信與電子標簽進行交互,連接中央信息處理系統,進行數據存儲和管理。

讀寫器通過天線發送一個無線電波信號,激活附近的RFID標簽,一旦標簽被激活就會回傳存儲到射頻芯片中的信息讀寫器,讀寫器接收到標簽信號,將其傳送到中央處理系統進行處理分析。此系統可與其他應用或管理系統(如倉儲管理系統或供應鏈管理系統)集成。RFID標簽可在不同的頻率下工作,如低頻(LF)、高頻(HF)及超高頻(UHF)。不同的頻率有其特定的應用、傳輸距離及能量需求。

圖1 RFID系統的基本組成和工作流程

2 RFID優化倉儲智能化管理的優勢

在智能倉儲系統中,傳統的人工管理、條形碼技術及RFID技術各具優勢,但RFID的優勢更為突出。RFID技術具有自動化優勢,傳統的人工管理需要大量的人力投入來執行庫存跟蹤、出入庫操作及物品追蹤,而RFID技術能夠自動完成這些任務,不僅提高了效率,還減少了人為錯誤的可能性。與條形碼技術相比,RFID技術在數據收集速度及準確性方面更出色。條形碼需要一個接一個的掃描,而RFID可同時讀取多個標簽,實現了更快速的數據獲取。RFID標簽不需要直接對準讀寫器,可在不同方向和位置讀取,提高了數據的準確性及可靠性。RFID技術可實時監控并進行物品追蹤定位。傳統的人工管理和條形碼技術難以實時監控庫存水平或追蹤物品的準確位置。RFID技術能夠提供即時、精確的庫存信息和物品定位,幫助管理人員快速響應需求變化。RFID具有防盜和安全管理優勢,可提高倉庫安全性。

RFID技術在智能倉儲系統中具有明顯的應用優勢,如自動化、數據準確性、實時監控、安全管理及庫存優化,可為倉儲管理帶來高效、智能、可持續的解決方案,是未來智能倉儲系統的關鍵技術。

2.1 庫存管理

在每個物品上附加RFID標簽可實現實時庫存跟蹤。RFID讀寫器可快速掃描標簽,記錄物品的類型、數量及位置等信息。倉庫管理人員通過RFID系統實時監控庫存水平,了解庫存的準確狀態,避免庫存缺貨或過剩。傳統的庫存盤點通常需要耗費大量的時間和人力資源,利用RFID技術可實現自動化庫存盤點。使用RFID讀寫器,可快速掃描整個倉庫中的RFID標簽,準確記錄每個物品的數量和位置,大大提高盤點效率及準確性,減少盤點過程中的人為錯誤。RFID技術可用于防止庫存丟失和盜竊。將RFID標簽與安全裝置相結合,可實現對庫存的實時監控。當有未經授權的物品離開倉庫時,RFID系統會立即發出警報,提醒倉庫管理人員采取相應的措施,從而有效防止庫存丟失和盜竊。利用RFID技術可實現庫存優化及補貨管理。通過實時監測庫存水平和銷售情況及時了解哪些物品需要補貨及需要補充的數量,避免庫存過多或過少,提高庫存管理效率,加強成本控制。

2.2 物品追蹤與定位

在大型倉庫中,快速定位和檢索特定物品是重要的任務。利用RFID技術可準確追蹤每個物品的位置。當需要某個物品時,RFID系統可提供物品的準確位置信息,實現高效、準確的定位及檢索。將電子標簽附加到叉車、AGV(自動引導車輛)等設備上,可實現倉庫物品定位和導航,有助于提高倉庫操作的精確性及效率,減少潛在的碰撞和誤操作。

表1是基于對多家物流和航空公司倉儲系統的調研,呈現了RFID倉儲智能化技術應用實例及其為企業帶來的粗量效益。其效益是從每批貨物出入庫速度等方面進行綜合考量,與傳統的人工記錄倉儲方式與條形碼方法相比,無論是出入庫效率還是倉儲系統安全性等,基于RFID的倉儲自動化與智能化技術均具有顯著優勢。

表1 RFID在智能倉儲中的應用實例及效益對比

基于RFID的倉儲自動化與智能化技術在倉儲管理中具有廣闊的應用前景。利用RFID技術可實現庫存跟蹤與管理、入庫及出庫管理、路徑優化與物流調度、防盜與安全管理及倉庫布局和空間利用優化,提高倉儲效率、準確性及安全性,為物流和供應鏈管理提供有力支持。

圖2 基于RFID的倉儲系統條形碼和人工管理粗測效益對比

3 實驗設計與分析

針對某大型倉庫設計了基于RFID的智能化系統實驗(傳統人工管理和RFID智能化管理方式對比),實現智能出入庫和倉儲物品分揀定位,實驗結果如下。

3.1 基于RFID的倉儲自動化與智能化系統的設計

電子標簽是RFID技術的核心組成部分,包括一個芯片和一個天線。設計RFID電子標簽時應考慮以下幾個因素：針對傳統RFID電子標簽設計與部署方式存在的不足,為了最大程度耦合到貼附的金屬表面產生的磁場,保持標簽天線磁軸與金屬平行,以實現更流暢的數據讀取,增強其工作頻率,應對金屬介質對標簽的影響。對倉庫內部空間進行重新規劃和布局,將倉庫內部空間劃分為具體的托盤貨位,在每個托盤貨位的中心位置安裝地埋式無源電子標簽,實現貨物精確到貨位的數字化存儲。

如圖3,針對無源電子標簽設計了一種圓形天線方案,產生隨時間變化的磁場,可匹配各種形式的電子標簽,防止電子標簽的出入庫信息丟失,通過3個讀寫器的空間部署保證貨物在出入倉庫時均處于無線射頻的覆蓋范圍,保證倉儲系統的正常運行。

圖3 倉庫出入口讀寫器設置

圖4 倉儲系統整體框架

圖5 仿真數據的單位貨物吞吐量

3.2 數據分析

以該大型倉庫作為實驗對象,應用設計的基于RFID的倉儲自動化與智能化系統,采集倉庫每日的進出庫明細表格,基于進出庫數據進行模擬仿真。具體流程如下：

使用Ubuntu系統下Gazebo虛擬物理環境進行模擬,設置倉庫大小、貨架擺放順序、出入口位置等基本信息。在倉庫入口平均設置不同規格、存儲時長、出庫頻率的貨物,測試結束時按順序重新布置存儲物。采用傳統人工貨物管理,仿真環境中設置一定的登記核對時間30 s,大型貨物的登記時長適當加長,對出入庫情況進行模擬。

(1)

采用基于RFID的智能化倉儲系統進行出入庫管理,將倉儲過程結束條件設置為該倉庫貨架空間利用率為70%。重復上述過程5次,統計每次入庫和出庫結束時間及單位時間內倉儲吞吐量,由于本系統中未增加路徑軌跡優化算法,因此不考慮貨物上架時間,實驗結果如下：

從實驗結果可以看出,相對于人工倉儲管理,基于RFID的智能化倉儲管理系統在一定程度上提高了倉儲系統的單位時間吞吐量,在出入庫時間上,相對于人工管理提高達40%以上,有效提高了倉儲系統效率。

4 展望

探討了利用RFID技術實現倉儲管理的自動化與智能化,通過對現有倉儲管理系統的改造與升級,實現RFID系統集成,提高倉儲管理效率、精確性及可靠性,為物流行業帶來巨大的價值及競爭優勢,為基于RFID的倉儲自動化與智能化技術提供了一種系統方法和框架。RFID技術將在倉儲管理領域發揮更加重要的作用,為物流行業帶來更高效、智能和可持續的解決方案。

未來,RFID技術與5G的融合將推動智能倉儲的進一步發展。5G的高帶寬和低延遲特性將使RFID系統實時傳輸大量數據,支持智能倉儲的實時監控和反應,可更準確地跟蹤庫存,實現庫存的即時更新及高效的出入庫管理。RFID與人工智能(AI)的結合將加速智能倉儲的發展。將RFID數據與AI算法相結合可實現自動化庫存管理、路徑規劃及預測性維護,倉庫將更智能化,自動適應不斷變化的需求,提高庫存管理效率及準確性。RFID技術的小型化和集成將使智能倉儲更具靈活性。RFID芯片和天線的尺寸將繼續減小,可輕松嵌入各種貨架、貨物及設備中,這將促進智能倉儲系統的部署,使其更容易適應各種倉庫環境和物品類型。RFID技術還將在物品追蹤與定位方面發揮關鍵作用,倉庫管理人員可利用RFID實時跟蹤物品位置,提高物品定位及檢索效率,將RFID標簽附加到設備上,實現設備的智能定位及導航,減少操作錯誤和設備損壞風險。隨著RFID技術在智能倉儲中的廣泛應用,人們也將更加重視安全和隱私保護。未來要著重提高RFID系統的安全性,包括數據加密、訪問控制及身份驗證,確保倉庫數據的保密性和完整性。RFID技術在智能倉儲領域中的應用將繼續推動倉儲自動化與智能化發展,使倉庫更加智能、高效、靈活,為供應鏈管理提供更多的可能性,實現智能倉儲的全面優化。