離散型制造企業數字化揀選配送物流系統及應用

■北京京北職業技術學院機電工程系 白 俊

■四川航天職業技術學院計算機科學系 郭 華

小批量、多種類、多研發是離散型制造企業生產經營過程中最為顯著的特點，之所以說其屬于離散型，就是因為其生產制造現場和管理過程中會涉及到大量多變的動態數據，生產技術工藝十分復雜，從而使得生產組織和生產過程十分離散。同時不同的離散制造企業之間的差異化程度較高，限制了標準化的數字解決方案的產生。離散型制造企業的數字化建設應以生產制造數據源為導向，通過優化設計、仿真和實驗的方式產生數字化效果，需要從基層生產一線開始為起點進行。

1 離散型制造企業數字化物流系統的現狀解析

我國傳統的離散型制造企業大多處于傳統的管理經營模式階段，人為因素成為生產制造現場數據信息采集的主要障礙，此外生產計劃的變更、生產工藝和生產過程的調整等造成物流過程出現中斷性間歇。同時，制造物流過程中的采購、加工、倉儲、包裝等環節過于依賴人工控制而得不到數字化信息系統的支持，使得生產計劃和生產工藝之間的信息流很難真正暢通，從而造成了企業生產制造鏈條中出現多個信息孤島。這些都成為離散型制造企業數字化物流系統的瓶頸。

出現上述狀況的根源在于生產協同、物流控制和物料管理三者之間的協調出現了問題，由于基礎性生產制造數據源建設不健全，使得管理信息系統與自動化實時處理系統很難真正實現集成，造成自動化裝備、管理系統、生產工藝等信息源信息與物流運作出現銜接性障礙。因此，對于離散型制造企業的數字化物流系統建設來說，應該在改進生產作業流程的基礎上將生產管理、物料管理和物流管理相結合，培育跨企業、跨部門、跨職能的大制造流程，以解決生產制造供應鏈中存在的問題。本文試圖從揀選配送系統方面來研究離散型制造企業的數字化物流系統建設及應用。

2 數字化揀選配送物流系統的組成及技術

2.1 系統結構

數字化揀選配送物流系統的結構包括系統應用平臺、相關軟件和硬件設備等三部分，應用平臺即數字化揀選配送物流系統平臺，相關軟件包括倉庫管理軟件、倉庫控制軟件、設備控制軟件以及制造、工藝、供應、計劃等系統的相關接口，硬件設備主要包括倉儲存儲設備、倉儲揀選設備等。

2.2 使用的技術

（1）揀選建模技術。該技術根據離散型制造企業的特點，基于生產工序、零配件組裝、工序零配件配對分布等變量特征構建模型以優化揀選配送，從而實現壓縮生產準備期和降低庫存水平的目標。其建模過程包括以下假設：

每個訂單至少涉及一件貨物；多個揀選訂單可以通過一個揀選路徑實現，每批揀選訂單的數量為定值，這樣就不會產生二次分揀問題；每個揀選訂單都具有完整性和不可分割性；待揀選貨物都有唯一確定的貨位，貨物與貨位一一對應；貨物揀選者以固定的速度進行工作；訂單揀選貨物不存在缺貨的情形；超過預定提前期進行貨物揀選的訂單需要支付提前期費用；貨物配送順序與訂單的分揀順序無關；貨物揀選成本、揀選提前期成本、貨物揀選速度成本三者的系數均為固定值；基于揀選訂單的動態變化，模型可以進行多批次計算；每個揀選訂單貨物的容量小于或等于一個周轉箱的容積。

考慮以上假設的限定，結合貨物揀選路徑、訂單提前期和揀選訂單的特征等方面因素，使用動態規劃方法和運籌學對貨物揀選路徑進行優化，構建旨在降低貨物揀選成本和提高揀選效率的揀選模型。

（2）網絡熱插拔技術。數字化揀選配送物流系統中會使用較多的硬件設施設備，基于信息化物流網絡的需要，這些設備需要聯網工作。同時這些設備設施的電器元件需要穩定的電壓才能工作，因此網絡系統運行的穩定性就必須支持相關設備設施在網絡節點上隨時進行熱插拔。在綜合分析了系統控制結構和網絡通訊要求的基礎上，采用自動識別和多線程技術，同時輔之以數據庫多事務處理技術，以解決不同設備設施在網絡系統中進行熱插拔可能引起的數據丟失問題。例如在貨物揀選工具車中，如果使用線纜將車連接起來，其移動路徑就會受到一定的限制，線路纏繞和安全問題將難以解決；如果使用熱插拔接頭，根據工具車移動路徑可以隨時選擇熱插拔，不僅十分方便，同時也能夠保證插拔過程中數據信息不會丟失。

（3）接口標準化技術。接口標準化技術既包括軟件接口的標準化，又包括硬件接口的標準化，接口包括系統模塊的界面劃分和標準功能接口、界面數據交換共享接口、揀選設備硬件接口、系統拓展延伸接口等。在企業用戶對揀選配送系統的標準功能、相關軟硬件自定義完成以后，系統會即刻生成規范化的接口，揀選設備、配送設備、存儲設備、揀選配送軟件等與企業使用的軟件系統都會生成滿足功能需要的標準接口，這些接口可以滿足企業設備設施相互快速鏈接的需要，從而減少了系統二次開發的成本。

3 應用實例

3.1 案例

F公司作為一家主要從事物流裝備設計生產制造的集團企業，主要面向特定物流項目提供個性化裝備設計方案以及生產制造服務，因此其設計生產制造過程具備明顯的離散型特征，研發頻率高、生產批量小、產品種類多，并且生產地點在多個具有不同區域分布的工廠車間同時進行，大部分的部件需要外購或外包，同時生產計劃、生產工藝和生產技術經常需要根據項目變化進行調整，因此生產組織過程也十分復雜。隨著F公司生產經營業務的擴張，其傳統的倉庫管理技術和管理水平越來越不能滿足新的業務需求，出現了生產工藝、生產流程與物流過程、倉庫貨物揀選作業等無法有效銜接的問題，為了解決該問題，F公司決定基于現代物流理念和物流裝備技術構建數字化揀選配送物流系統。圖1給出了F公司數字化揀選配送物流系統的設計規劃思路及所采取的技術。

3.2 系統架構

圖1 F公司數字化揀選配送物流系統思路和技術框架

圖2 F公司數字化揀選配送物流系統平臺架構

F公司根據圖1的思路和技術框架建設如圖2所示的系統平臺架構。在該架構下，系統會根據生產工位上的物料需求詳情，將所需物資自動下發給相應的存儲裝置，如果存儲裝置欠缺原料，系統就會自動讀取所欠缺的物資信息并傳遞給物料供應商。生產工位上所需要的物料通過各種輸送設備根據工序需求進行供給，然后再根據物料類型、大小等信息決定揀選策略，最后直接配送到相對應的生產工位上。

3.3 系統流程

圖3給出了F公司數字化揀選配送物流系統流程。公司級別的生產計劃部門根據生產任務制定計劃，生產工藝部門根據產品生產的工藝要求制定生產工藝卡片，車間將生產任務和生產工藝數據信息結合后生成車間級別的生產計劃，物料總庫根據各車間的生產計劃進行物料補充，然后根據車間的不同需求將物料分發到零配件庫房，零配件庫房借助電子標簽進行揀選，將揀選到的貨物統一配送到相應的生產工位。

3.4 系統平臺

數字化揀選配送物流系統平臺基于不同架構的軟件和硬件設備遵照模塊化和標準化的方法進行開發設計，最終組配成具有符合要求功能的平臺，可以根據不同的企業需求靈活進行功能模塊的組裝和搭配，同時也可以對系統的硬件進行自定義式的組配，這樣就降低了軟件開發成本，而且具有較為廣泛的適用性。

3.5 系統軟件

（1）WMS。WM S（W arehouse M anagement System，倉庫管理系統）是一種面向庫存管理的倉庫數據管理軟件，其主要功能是實現對實際庫存的處理，進行庫存調整和處理收貨、退貨數據，對相關數據進行實時錄入更新，同時還支持用戶自定義管理復雜的倉庫機構，將倉庫從邏輯上劃分為不同的存儲區域，從而可以更靈活地實現對存儲區和貨架區的管理，同時系統還可以智能地根據已經定義的策略提醒貨物應該采取的存儲策略，哪些存儲區域的貨物該如何取出，同時還可以向倉庫管理人員提供過期的物料信息、物料檢修狀況以及庫存報警等信息。

（2）WCS。WCS（W arehouse Contro l System，倉庫控制系統）是一種倉庫設備自動化控制軟件，既可以進行通信管理又可以進行倉儲作業活動，還可以對貨物出庫入庫操作任務進行監控和分解處理。另外該系統將相關指令和自定義程序通過網絡傳送到自動化設備并接受設備傳來的信息，從而實現對倉庫運行狀況的實時監控。該系統可以控制智能回轉庫、立體自動化庫以及電子標簽庫，可以實現作業監視、設備狀態管理、作業調度、故障管理、動畫模擬、單步調試、通訊管理等功能。

圖3 F公司數字化揀選配送物流系統流程

自動化倉庫作業調度的核心就是WCS系統，該系統根據作業分配地址信息對作業順序進行優化，以獲得最短的作業運行時間和最合理的作業協調，然后將優化信息和指令傳遞給執行作業的倉儲設備，系統對作業設備反饋的信息進行實時接收和處理，從而可以對倉儲作業設備的作業狀態、運行位置、貨位占用信息以及設備故障等信息進行動態監控顯示。具體的過程可以描述為以下幾個步驟：

①任務分解。將等待執行的任務進行分解并將其置于網絡上等待自動化設備的處理；②任務隊列的調整?？梢赃x擇以手動的方式對聯機排隊等候處理的任務隊列進行調整，從而可以將某種貨物置于優先出庫或優先入庫的狀態；③系統工作方式的顯示。系統運行中根據作業預設置的不同，有聯機作業、自動作業和手動作業3種工作方式；④顯示相關設備的相關信息。例如設備的位置、作業狀態、通訊狀態等；⑤故障報警和通訊設置。提供故障的詳細信息或者提供解決問題的相關建議和措施，對通訊網絡的相關參數和協議進行設置。

圖4 F公司數字化揀選配送物流系統與企業相關管理系統的接口方式

（3）DPS。DPS（D igital Picking System，數字化揀選系統)的主要功能是實現對自動化立體倉庫、智能助力車、車載設備、傳輸線路、貨柜揀選設備等進行控制和管理。該系統可以對不同類型和形式的倉庫進行整合，從而決定采用不同類型的揀選設備，然后借助RFID技術、條形碼技術、電子標簽技術等，根據車間生產計劃對貨物進行揀選出庫。

(4)系統接口。數字化揀選配送物流系統的運行不可避免地要與企業其他的信息系統進行銜接，諸如生產制造系統、產品工藝系統、計劃供應系統等，從而交換共享數據信息，為此就需要為該系統開發出相應的接口，以實現離散型制造企業車間級別的計劃和控制信息相協調。

數字化揀選配送物流系統同時還會與企業的ERP系統、供應鏈管理系統(SCM)、企業資源計劃系統（ERP）、計算機輔助工藝設計系統（CAPP）、生產制造執行系統（M ES）等進行無縫銜接。為此就需要開發出如下的系統接口：研制工藝與WM S接口、研制計劃與WM S接口、研制供應與WM S接口、研制生產計劃與WM S接口。數字化揀選配送物流系統在接口開發方面可以采取針對不同架構的軟件以統一的接口方式進行標準化開發，然后在此基礎上進行二次開發以保證銜接的良好性。圖4給出了F公司數字化揀選配送物流系統與企業相關管理系統的接口方式。

4 總結

本文從揀選配送的視角探討了離散型制造企業的數字化物流系統，介紹了數字化揀選配送物流系統的組成結構，并就該系統的應用進行了實例應用解析，希望能夠對離散型制造企業的數字化物流系統建設起到一定的作用借鑒。