多層“貨到人”自動化揀選系統設計

龔志鋒，石 超，閆 豐，陳建銀

（北京科捷智云技術服務有限公司，北京 100085）

0 引言

伴隨著電子商務的飛速發展，電商等物流配送中心需要處理的訂單往多品種、小批量方向轉變，因此拆零揀選日漸成為電商配送中心最主要的揀選方式之一。與整件揀選不同，拆零揀選需要耗費更多的人力，從而導致配送中心成本不斷上升。為了能夠在提高物流效率的同時降低人力成本，使用自動化設備逐漸成為新的風向。

亞馬遜的Kiva機器人是目前智能自動化倉儲中較新的一項技術，在國內，類Kiva機器人貨到人揀選系統以其高訂單揀選效率被廣泛應用于各大電商倉儲物流中，例如京東、菜鳥等。此外，對類Kiva機器人的開發應用從未停止過，各大廠商都在不斷探索新的模式從而能夠在提高揀選效率的同時降低人力成本。

對于物流機器人，往往都采用當下流行的“貨到人”揀選模式。在該模式下，貨架被物流機器人自動運往工作站，大幅節省了人工找貨與搬運時間，效率提升顯著。然而，“貨到人”模式作為一種存揀一體的方案，其貨架高度往往在2m左右，且整體的存儲布局為單層結構，而目前國內的大部分倉庫的高度基本都在10m甚至更高，因此“貨到人”模式對庫房的空間利用率較為低下，隨著庫房租金的上漲以及業務規模的擴大，傳統“貨到人”模式的局限性開始顯現。

本文研究并設計一種具有多層結構的“貨到人”揀選系統，在解決原模式空間利用率低下問題的同時，增強單位時間吞吐量，使得新模式具有更高的庫容與出庫效率。

1 系統簡介

本文設計的多層“貨到人”揀選系統，顧名思義，是在“貨到人”的基礎上采用多層結構，提高系統的庫容量。在此種模式下，在有訂單存在的情況下，系統會自動控制物流機器人將各層的貨架取出后搬運至各層的工作站進行下架揀選，操作人員只需在工作站就能完成所有的工作，存儲區域基本能夠實現無人化。

圖1 系統總覽

從圖1(a)可以看出，系統總共包含了3個區域，分別為存儲區、交通區、工作站區，各區域主要功能如下：

1）存儲區：主要由可搬運貨架與AGV通道構成，每兩列貨架與一條通道構成一巷道，AGV在不同巷道中執行搬運任務。

2）交通區：由提升機與AGV道路構成，是連接存儲區與工作站區的樞紐，其中提升機用于AGV往返于不同層之間，是連接各層的紐帶。

3）工作站區：唯一的人工操作區，工作人員在這里完成下架、播種、復核打包等一些列操作。

從流程上講，AGV接到搬運命令后，在存儲區找到貨架，經過交通區來到工作站區，工作人員將貨架上的貨物取下后，AGV將貨架搬回存儲區，接著執行下一個搬運任務，并由此不斷循環，因此本系統構成了一個揀選系統的閉環作業流程。

2 軟件流程設計

多層“貨到人”管理軟件系統主要由5個部分構成，如圖2所示，分別為WMS（倉儲管理系統）、RMS（機器人管理系統）、Client（工作站客戶端）、AGV以及提升機。其中，RMS為整個系統的核心，擔任數據交換樞紐以及命令下發的角色，工作時，WMS將訂單數據推送給RMS，RMS再將訂單分配至各個工作站并調度AGV與提升機執行搬運任務。各個工作站中裝有客戶端，用于接收訂單以及下架播種，而最后的復核打包操作在WMS客戶端中完成。

圖2 管理軟件系統

“貨到人”管理軟件系統可分為5個管理階段，分別為數據準備、訂單指派、貨物搬運、訂單揀選以及訂單完成，通過類Kiva的智能機器人（AGV）實現物料的輸送，并在最后對訂單復核打包進行管理，最終實現對整個物料系統的信息追蹤。

圖3 系統流程

1）數據準備

WMS獲得訂單任務后，首先會對其進行篩選，將適合機器人揀選的散單挑出，整合后推送給RMS，RMS再根據訂單貨物的分布狀況將訂單分配至各個工作站客戶端，盡可能使貨物的搬運距離最短。

2）訂單指派

當工作站客戶端收到訂單任務后，向RMS申請AGV搬運指定貨架至工作站。

3）貨物搬運

接收到搬運任務的AGV按照規劃的路徑前往存儲區獲取指定貨架，然后經過交通區前往指定工作站，其中涉及到換層時，AGV經過RMS向提升機發出換層指令，提升機接收到指令后將AGV送至指定樓層。

4）訂單揀選

AGV將貨架送至工作站后，操作人員根據客戶端的指引將指定商品下架，然后按照訂單分類投放至播種墻的對應訂單筐中。完成一個貨架的任務后，后續AGV會不斷將貨架運送至工作站，直至所有訂單全部完成。

5）訂單完成

完成的訂單會被傳遞至工作站另一側進行復核打包操作，并等待與快遞進行交接。

3 硬件設計

3.1 AGV

AGV為本系統的核心設備，承擔著運送物料的重要任務。其采用類Kiva機器人的形式，具有頂升裝置，通過底部的輪子行走，采用差速進行轉向，內部裝有加速度計進行慣性導航，從而能夠完成行走、旋轉與托舉貨架等動作。AGV頂底部都裝有攝像頭，分別用于掃描貨架底部與地面的二維碼以實現貨架識別及導航，此外，其前后都裝有激光傳感器與物理碰撞條，以實現檢測障礙物距離與碰撞停車的功能。

AGV通過庫內AP發射的Wi-Fi信號連接至RMS服務器，因此RMS可以實時控制與獲取機器人狀態。AGV的外形如圖4所示。

圖4 AGV三視圖

AGV通過二維碼進行定位與輔助導航，其行走路徑由一個個正方形行走單元構成，行走單元尺寸可以自由定義，一般大于等于1m×1m，每個行走單元底部中央都貼有二維碼，運行時，機器人底部的攝像頭掃描二維碼，將二維碼的數據與地圖數據比對，從而進行定位。行走單元具體如圖5所示。

圖5 智能機器人行走單元

每個行走單元最多僅有4個方向可移動，即機器人僅能走直線與直角路徑。此外，對于每一個行走單元，在構成地圖時，可以關閉1個或多個方向，從而構成一定的交通規則以約束機器人的行走路徑。

3.2 機器人貨架

為了便于AGV搬運，存儲用的貨架需要進行特殊的定制，其往往由立柱片與隔板構成，可自由裝配調整高度以適應不同體積的貨物。

此外，貨架每層空間都被紙箱或周轉筐劃分為一個個貨格，即庫存管理中的倉位，具體如圖6所示。

圖6 機器人貨架

3.3 提升機

采用連續式提升機，每層對接機構都裝有光電傳感器，用于平臺的對接。提升機控制系統通過網線連接至服務器，從而實現與AGV的交互，以滿足AGV前往不同樓層的需求。

圖7 提升機

4 各區域設計

4.1 存儲區

存儲區由機器人貨架以“2+1”的形式構成，即每2列機器人貨架增加1條通道，采用此種單深的形式可以使任意一個貨架都能夠直接取出，避免了倒騰貨架的麻煩。

對于AGV，其在空車狀態下可以無視通道的限制，直接在貨架底下穿行，但一旦處于貨架搬運狀態，則只能在通道中行走。此外，當前的AGV在規劃路徑時基本采用最短路徑的原則，路徑規劃后AGV會嚴格按照路徑執行，若在行走過程中遇到障礙物或其他AGV堵路時會首先進行停車等待，在一定時間后道路仍不通暢的情況下才會重新規劃路徑，離智能化仍存在較大的差距。考慮到當前設備的智能程度尚不能達到人類的高度，在大量AGV同時工作的情況下，擁堵情況時有發生，因此對AGV的路徑進行嚴格的約束，以降低擁堵發生概率。

如圖8所示，將存儲區的所有通道都約束為單向道，出入通道以間隔的形式布局，使AGV的出入路徑構成U字形，從而有效避免AGV之間發生擁堵。

圖8 存儲區路線設計

4.2 交通區

如圖9所示，交通區總計有3種路線，分別為工作站前的排隊隊列、提升機出入路線以及交通區大環線，AGV可通過不同路線之間的連接部分（即圖9種為標明部分）實現在不同路線間的切換。

1）工作站排隊隊列

為了使操作人員能夠連續不斷地揀貨，減少人等車的閑置時間，在工作站前設置排隊緩沖，并限制其隊形，防止排隊AGV堵塞交通。從圖9中可以看到，每個工作站前都設有一段長約6m的排隊區（由數字1標出），正常運行時，AGV搬運貨架從大環線切入排隊區的隊尾，在工作站前一字排開，等待操作人員一一揀貨，完成揀貨后AGV從隊首離開進入大環線，返回存儲區。

圖9 交通區路線設計

2）提升機出入路線

由于AGV僅能依靠提升機進行上下樓層，因此提升機往往成為系統的效率瓶頸，為了提高AGV上下樓層的效率，當前設計系統包含2臺連續式提升機，分別負責AGV的上樓與下樓，使上下樓分流且出入口分流。同時考慮到，提升機入口處往往是多臺AGV等待一臺提升機，而出口處是AGV與提升機一對一的，因此在提升機入口處設置排隊隊列，分別設置在2臺提升機的兩側，一字排開。如圖9所示，數字2標出了提升機的出入路線，總體邏輯為2側入中間出。

3）大環線

在過往的AGV使用中發現，若將路徑規劃完全交由系統執行，而不做人為條件限制，一旦同時運行的AGV數量增多，結果往往會導致擁堵現象頻發。對此，本文對交通區的中樞道路進行了嚴格限制，規劃了一條環線，所有AGV在交通區僅能繞環形運動，直到到達指定出口處后離開環線。該環形相當于一條流動的緩沖隊列，AGV在其中無時無刻都處于運動中，從而大大減少發生擁堵的可能性。如圖9所示，環線已有數字3標出，該環線將工作站排隊區、提升機出入路線以及存儲區相互連接，是整個交通系統的核心。

4.3 工作站區

工作站區主要由工作站組成，此區域是整個系統唯一的人工操作區域，操作人員在此處進行下架、播種、復核打包。

圖10 工作站

如圖10所示，當貨架被運至工作站，操作人員就將客戶端屏幕指定的貨物取出后按照播種墻提示放入對應的格子中，一個格子便對應一個訂單，當某個訂單的貨物全部被滿足后，則將該訂單筐推向播種墻另一側；另一側的工作人員拿到訂單筐后，在WMS客戶端中執行復核操作，確認無誤后打包并貼上快遞面單，投入旁邊的滑道中，該滑倒貫通所有樓層，將不同層的包裹悉數引向一層的收集筐中，待收集筐滿后便被運至快遞交接處等待發貨，如圖11所示。

圖11 一層收集筐

5 結語

本文設計了一種多層“貨到人”揀選模式，在改進原“貨到人”模式的基礎上，解決倉儲物流和自動化實施的痛點，具體表現在以下幾點：

1）存儲高效。由于原“貨到人”模式中，往往采用單層結構，且無法使用高架，只能使用AGV專用的搬運型貨架，對庫房的空間利用率嚴重不足；本設計中的多層結構很好的利用了庫房的上層空間，存儲密度更高，空間利用率相比普通“貨到人”模式能夠成倍提升。

2）揀選高效。原“貨到人”模式中，由于僅有一層，因此工作站數量往往較為有限，而本設計中不僅將存儲區改為多層，工作站也變為了多層布局，使得系統的最大吞吐量大大提升，同時系統的彈性更強，可根據現場訂單量選擇開啟的工作站數量以適應不同的產能要求。

3）高準確性。“貨到人”模式中使用了電子標簽以及圖片指引，使得操作人員的作業準確性可以提高一個量級，誤差能夠控制在萬分之五以內。

4）降低勞動強度。由于人員主要工作都在固定地點即工作站進行，簡單且重復，取消了人員的走動、尋找作業，因此“貨到人”揀選可以大幅降低工作人員的勞動強度。