基于智能微型倉庫的鐵路檢修現場智能倉儲管理系統設計與實現

程 凱，張惟皎，崔中偉，張紹哲

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

中國鐵路的迅速發展對鐵路檢修作業的效率要求不斷提高，但目前鐵路各檢修部門對于檢修現場的材料需求均不能做到良好的實時響應與及時配送，待料時間占據檢修時間比重過大；此外，檢修人員到物流倉庫辦理材料申請手續的時間長、流程多，檢修人員對于申請材料的數量不能精準把控，為減少領料次數而超額領料的情況時有發生，對庫存統計造成了一定的困難[1]。

智能微型倉庫，也稱為智能材料柜、智能儲物柜或智能快遞柜，是一種可以全天24 h提供收料和領料服務的自助設備，由多個小型封閉貨位和控制柜、操作終端組成，最早應用于德國郵政集團DHL在2001年開發的Packstation自助取貨柜系統[2]，經過十幾年的發展，已經在物流快遞、電商零售等行業得到廣泛推廣，應用在校園、醫院、社區、超市等場景。文獻[3]提出，在“互聯網+”的背景下，依托物聯網、大數據、云計算等技術，可以對智能快遞柜的功能做出更多優化；文獻[4]對智能儲物柜在應用范圍方面提出了有關工業生產的展望；文獻[5]指出，智能儲物柜的應用有效地提升了物流末端的配送效率，實現了無人化自助領取的倉儲管理模式。從智能微庫的發展來看，目前還尚未有適用于鐵路檢修現場環境的應用性研究。

本文旨在檢修現場設立供檢修人員自助領料的智能微型倉庫（簡稱：智能微庫），建立鐵路檢修材料智能倉儲管理系統，通過調撥、盤點、高低儲及保質期預警實現對檢修材料庫存的精準統計與調配，結合電腦終端、手持終端及智能微庫工位終端，優化倉儲管理流程，對確保檢修材料的及時供應具有良好的提升作用。

1 系統設計

智能微庫主要由主機柜和材料柜組成，主機柜包括服務主機、觸摸顯示屏、人臉/指紋識別、讀卡器、管理軟件等，材料柜包括電磁鎖、獨立貨柜。主機與材料柜之間采用PCP、COM口網絡結構通信，通信距離可無限擴展，單臺工控主機可以接任意數量的智能材料柜。既可單機運行，也可依托其他倉儲管理信息系統運行。智能微庫示意圖如圖1所示。

圖1 智能微庫示意圖

1.1 硬件設計原則

（1）穩定性：保證智能微庫可以長時間穩定運行，斷電后具備應急操作的空間。

（2）安全性：所有設備及配件在性能安全可靠運轉的同時，還應符合一定的防水防塵標準，可在室外環境下有效工作。具備實時監控和聯動報警功能，在無人值守的條件下保證重點材料的領取安全。

（3）擴容方便：可與多組材料柜組合使用，主機與單體材料柜通過PCP/IP/COM等通信，僅需配置相應的控制系統即可，保證擴容方便，盡量滿足鐵路檢修現場對材料數量及規格的不同需求。

1.2 集成設備接口

（1）材料柜門控制接口：工位終端（即除材料柜外，工控主機、顯示屏、身份識別等設備的合稱）管理軟件通過接口調用控制程序發出開啟指令，控制材料柜貨位電磁鎖開啟；當材料柜貨位柜門關閉后，控制程序采集到相關信號，并通過接口將關閉柜門的具體位置發送至管理軟件。

（2）IC卡讀卡器接口：提供IC卡讀取接口，能夠讀取用戶一卡通中的身份信息。

（3）二維碼掃描器接口：提供QR碼制二維碼及Codes128標準條形碼讀取接口，能正確讀取二維碼或條形碼中的英文及特殊字符，并將轉碼信息傳遞給管理軟件。

（4）人臉識別設備接口：采集人臉圖像經過處理后形成特征碼，經過人臉識別比對算法與事先采集的人臉圖像比較，能夠將識別結果通過接口發送至管理軟件。

（5）指紋識別設備接口：采集指紋圖像，經過圖像處理獲得特征值后與事先錄入的指紋圖像特征值進行對比，能夠將識別結果通過接口發送至管理軟件。

1.3 軟件功能分析

智能微庫在鐵路檢修現場的使用需滿足檢修車間和材料部門不同用戶對物資管理、倉庫管理、庫存管理、出入庫管理及綜合統計等需求。智能微庫管理軟件的用戶角色使用功能分析如表1所示。

表1 用戶使用功能

1.4 部署使用環境

考慮智能微庫的使用場景可能接近鐵路供電系統，對電磁環境要求：在 10 KHz～10 GHz 范圍內，環境電磁場強度不超過 130 dBuV/m。在沒有條件判別是否環境滿足以上條件時，可參考以下要求：安裝位置遠離大型電機、UPS電源、逆變器10 m以上；遠離變電站20 m以上。為保證觸摸顯示屏及生物識別設備的靈敏度，智能微庫使用環境靜電強度應小于2 000 V。

2 關鍵技術及實現

鐵路檢修材料智能倉儲管理系統的設計目標是為了配合智能微庫在鐵路檢修現場的使用，方便對檢修用料進行自助領取、定期補庫，可依托動車組管理信息系統物流管理子系統運行，也可獨立部署于計算機終端、手持機終端和工位機終端，各設備通過車間級本地局域網接入鐵路計算機網。

2.1 邏輯架構

鐵路檢修材料智能倉儲管理系統采用分層架構設計[6]，既增強了系統開發部署的靈活性，同時也加強了系統的安全性，系統邏輯架構如圖2所示。

數據整合層用于統一規范鐵路檢修現場智能倉儲管理系統中部門、人員、物資、倉庫、二維碼、車組號等關鍵數據的編碼、字典等信息，便于與動車組管理信息系統、鐵路物資管理信息系統等既有信息系統進行數據互通。

基礎平臺層提供鐵路檢修現場智能倉儲管理系統所有業務的后臺服務，包括對部門人員可操作權限的識別、材料庫存增減的處理、倉儲存放位置的更改、領料配送業務流程的轉化，以及提供對外數據傳輸服務、接收外部系統數據服務等。

應用功能層涵蓋計算機終端、手持終端、工位終端的應用，主要包括材料庫存查詢、領料作業、出入庫作業、消息通知、基礎配置等功能。

2.2 網絡結構

鐵路檢修材料智能倉儲管理系統依托鐵路計算機網。客戶端與數據庫服務器和應用服務器的數據通信使用車間級本地局域網，通過專線通道接入鐵路計算機網，與動車組管理信息系統、鐵路物資管理信息系統相聯接[7]。網絡結構如圖3所示。

圖3 系統網絡結構示意圖

2.3 數據交互

鐵路檢修材料智能倉儲管理系統的業務數據采用Windows通信開發平臺（WCF），通過鐵路計算機網在車間級數據庫服務器中進行數據交互。與動車組管理信息系統的采用動態鏈接庫（DLL）方式在車間級數據庫服務器進行數據交互。與鐵路物資管理信息系統的數據共享通過本地局域網采用WebService技術進行數據交互[8]。

3 系統功能及應用

3.1 計算機終端功能

3.1.1 倉儲管理

出入庫作業：材料采購后進行入庫驗收，管庫員錄入基本信息并辦理實物入庫；當有用料需求時，管庫員在信息系統中核減庫存并辦理實物出庫。

調撥作業：分為調出作業和調入作業。檢修材料一般在主庫內存較多，為了方便各車間檢修用料，時常需要從主庫向各車間分庫調出材料，調出作業完成后，各分庫管庫員根據調撥單辦理材料調入作業。

盤點作業：定期對各倉庫內的材料進行盤點統計，下發盤點計劃，由各倉庫的管庫員對盤點材料進行按比例抽查或全部盤查，將系統中賬面數量與實物庫存進行比對，生成盤盈單或盤虧單，對系統中的庫存進行調整。

退庫作業：用于對已經出庫而未能及時使用的材料進行重新入庫操作，與出入庫的區別是退庫作業不產生財務結算，退庫單不列入系統的支出統計中。

3.1.2 綜合查詢

庫存統計：材料科、檢修人員、各級領導需要隨時了解各類材料現有的庫存情況，庫存信息功能可提供對不同地區、倉庫、貨位、批次的材料庫存信息查詢，支持圖片查看、打印與導出Excel功能。

單據統計：為材料管理和財務管理人員提供對不同單據進行多種分類的統計查詢，提供臺賬統計信息的打印和導出Excel功能。

支出統計：提供按車間、車組、修程、日期等多種項目對材料支出進行分類統計，并與同期數據和財務預算進行比較，能夠提供多種形式的圖表展示，可通過數據準確分析材料支出規律，制定采購計劃與檢修預算。

3.1.3 消息通知

倉儲預警：多數材料需要在倉庫中保留有一定的庫存，系統提供設置材料的高低儲數量功能，在達到高低儲庫存時向管庫員推送消息通知；對于需要進行保質期管理的材料，系統提供根據生產日期和保質期自動計算到期時間并提前向管庫員推送消息通知。

待料提醒：檢修人員在現場檢修過程中如果發生待料停止檢修的情況，經過信息系統登記后會向管庫員及時發送消息通知以便及時對材料進行配送或補庫。

3.1.4 基礎配置

部門管理：根據鐵路檢修單位的部門組織結構，在部門管理功能中建立部門結構樹，并對各部門的屬性進行設置。

用戶管理：在建立部門組織架構樹的基礎上，用戶管理功能提供在各部門下建立職工信息與用戶信息，并采集面部特征、指紋特征，并對一卡通進行授卡。

權限管理：主要設置庫存查詢權限和倉儲管理權限，并可以進行個性化授權開放或屏蔽指定功能，滿足鐵路檢修生產物流涉及的使用需求。

倉庫信息：提供在系統中建立倉庫、庫區、貨位，并可以對不同倉庫的屬性進行設置，支持選擇打印貨位二維碼。

物資信息：主要用于維護系統中的物資基本信息，如物資名稱、物資編碼、規格型號、主機廠編碼、單位等，支持選擇打印物資二維碼。

3.2 手持終端功能

3.2.1 倉儲管理

出入庫作業：采用掃碼方式，即掃描貨位二維碼獲取倉庫、庫區、貨位信息，掃描物資二維碼獲取物資編碼、物資名稱、規格型號等信息，填寫出入庫數量即可完成系統的出入庫作業。

調撥作業：在主庫掃碼或手動選擇有庫存的材料辦理調出單，各分存庫關聯調出單，點擊確認即可辦理材料調入。

盤點作業：管庫員在手持機接受到盤點計劃后，可直接利用手持機掃描物資二維碼和貨位二維碼進行盤點，將賬面數量與實物庫存進行比對，生成盤盈單或盤虧單，對系統中的庫存進行調整。

退庫作業：采用掃描物資二維碼填寫退庫數量的方式完成，貨位默認為該材料出庫時所在貨位。

3.2.2 智能微庫

微庫動態：根據物資基本信息搜索該材料在智能微庫內的所在貨位及庫存數量。

出庫下單：對于在智能微庫內有庫存的材料，選擇材料后填寫出庫作業必填信息即可完成出庫下單。

出庫查詢：可對歷史出庫單各項信息進行查詢，分為未完成和已完成兩個界面，每個未完成的出庫單都可以生成出庫單二維碼，供智能微庫識別，已完成實物出庫的出庫單則只能查看。

3.2.3 物料查詢

提供輸入物資基本信息進行模糊匹配的功能，可以查看物資的各項基本信息，并具有圖片展示功能，選擇某一物資后可以查看其倉儲分布以及庫存信息。

3.2.4 消息通知

對于智能微庫內設置了高低儲庫存的材料，達到高低儲界限時會向微庫管庫員的手持機推送庫存預警通知，以便及時補充庫存。

3.3 智能微庫工位終端功能

3.3.1 微庫動態

用于查詢智能微庫庫存，查詢方式分為按貨位查詢和按物料查詢。貨位查詢功能提供智能微庫的貨位可視化界面，并通過顏色加以區分，可以直觀查看智能微庫的貨位使用情況，選擇某一貨位后可以查看該貨位中的物資信息與庫存信息；物料查詢功能用于根據物資基本信息查詢該材料在智能微庫內的所在貨位及庫存數量。

3.3.2 掃碼取料

根據手持機出庫查詢功能提供的出庫單二維碼，經過工位終端二維碼掃描槍掃描后，讀取出庫單信息，自動打開智能微庫貨位柜門供檢修人員取料。

3.3.3 驗證取料

檢修人員通過密碼登錄、刷卡驗證、指紋識別或人臉識別等多種方式驗證身份后，對當前登錄人未完成的出庫單做出展示，選擇某一出庫單進行出庫操作后智能微庫的相應柜門自

動打開。

3.3.4 補庫作業

智能微庫管庫員根據材料庫存定期向智能微庫調撥，采用機械鎖打開智能微庫的柜門，根據工位終端補庫作業中調出單明細信息進行材料補庫。

3.3.5 出庫作業

身份驗證后直接填寫出庫單信息，跳轉到微庫動態功能添加出庫物資后提交出庫單，智能微庫的響應柜門立即打開，完成自助取料操作。

3.3.6 退庫作業

對已經出庫但未及時使用材料的退庫操作，檢修人員進行身份驗證后，選擇已經完成的出庫單，確認退庫后，材料出庫前所在貨位的柜門自動打開，同時恢復該貨位退庫材料的庫存。

智能微庫工位終端主操作界面設計如圖4所示。

圖4 智能微庫工位終端主界面

3.4 系統測試應用情況

為了測試系統在鐵路檢修現場的實際使用情況，在經過軟硬件研發集成后，分別在廣州鐵路局集團有限公司廣州動車段長沙動車所、成都鐵路局集團有限公司成都動車段三級修檢修車間兩個地點進行了針對不同屬性的系統測試，應用場景如圖5和圖6所示。

圖5 智能微庫應用場景1

圖6 智能微庫應用場景2

為了測試系統的可靠性，系統在長沙動車所進行了高頻率的試點應用，經過系統連續一周對出入庫業務操作記錄的統計，每天使用智能微庫進行出入庫作業的次數至少為31次，最高使用次數為57次，平均故障率為2%以下，測試應用結果如表2所示。

表2 長沙動車所系統使用頻率數據采集

為了測試系統的經濟效益，在智能微庫投入到成都動車段檢修車間前后，系統通過對出庫單中不同車組號的分析分別采集了4列動車組3個工位的領料持續時間，從結果分析來看，智能微庫的使用，有效地降低了這3個工位的領料持續時間，經過檢修車間調度確認，引入系統應用后整列動車組的檢修時間平均縮短了0.8 h，大部分時間節省在了檢修人員與材料部門進行檢修材料交接的過程中。

4 結束語

本文對智能微庫在鐵路檢修生產物流中的應用提出了解決方案，并在此基礎上設計了配套的鐵路檢修現場智能倉儲管理系統，充分結合了鐵路檢修生產過程對材料管理時效性、準確性的需求，使用多終端進行業務信息化管理，為倉庫管理人員和檢修生產人員提供快速、精準、可靠的材料倉儲和領取方式，減少了檢修人員在作業過程中的待料時間，同時大幅度地降低了鐵路檢修材料供應部門的配送工作量。

本文中智能微庫的應用針對的是大批檢修物資材料，如果需要對特殊物品管理如精密工具等，則需要在材料柜的每個貨位加裝RFID讀寫器。同時，智能微庫只是解決物流配送時效性問題的方式之一，在智能倉儲物流管理系統中，AGV（Automated Guided Vehicle）及自動分揀機器人逐漸嶄露頭角[9]，將成為物流各環節效力的主力[10]，這些是未來的研究方向。