5G 在物流倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)的融合應(yīng)用研究

趙婧博 ，喬亞娟 ，張學(xué)智 ，趙慧杰 ，孫 健 ，陸 燕

(1.中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京 102209；2.中國(guó)電信股份有限公司北京分公司，北京 100010；3.中國(guó)電信股份有限公司上海分公司，上海 200060)

0 引言

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)[1]，我國(guó)當(dāng)前物流總費(fèi)用與GDP 值的比值約在14%，高于美國(guó)日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的8%～9%，其中約47%是倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)成本[2]，而倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)正面臨的碎片化利用率低、高標(biāo)倉(cāng)占比少、分揀準(zhǔn)確率低、多倉(cāng)管理難等“效率泥潭”。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)在《關(guān)于推動(dòng)物流高質(zhì)量發(fā)展促進(jìn)形成強(qiáng)大國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的意見(jiàn)》中明確提出：為鞏固物流降本增效成果，提出加大重大智能物流技術(shù)研發(fā)力度，加強(qiáng)物流核心裝備設(shè)施研發(fā)攻關(guān)，推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)化，加強(qiáng)數(shù)字物流基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高物流軟件智慧化水平等政策意見(jiàn)。

5G 是構(gòu)建的新型基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。5G克服了傳統(tǒng)有線和Wi-Fi 等技術(shù)的靈活性差、信號(hào)覆蓋和終端數(shù)受限、難以大范圍移動(dòng)、干擾嚴(yán)重等問(wèn)題，可支撐大規(guī)模物流裝備的實(shí)時(shí)協(xié)同控制；利用多接入邊緣計(jì)算(Multi-access Edge Computing，MEC)，將物流裝備的算力需求上移至邊緣，實(shí)現(xiàn)低成本輕量化部署和快速迭代升級(jí)[4]。同時(shí)，基于5G 廣域網(wǎng)架構(gòu)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和通用化水平高，向6G 的技術(shù)演進(jìn)路線清晰[5]，利用端邊云協(xié)同能力，可實(shí)現(xiàn)物流軟件的多云協(xié)同部署，提升物流軟件的智慧化水平[6]。

1 5G 助力物流倉(cāng)儲(chǔ)的發(fā)展方向

為解決物流倉(cāng)儲(chǔ)當(dāng)前面臨的“效率泥潭”，倉(cāng)儲(chǔ)建筑需朝著大型園區(qū)化和樞紐式、立體空間高密化方向發(fā)展；倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)需朝著少人化、倉(cāng)配一體化等方向發(fā)展；倉(cāng)儲(chǔ)裝備需朝著大規(guī)模、高可靠、智能化方向發(fā)展；倉(cāng)儲(chǔ)管理需能適應(yīng)跨區(qū)域的多倉(cāng)協(xié)作、共享共用等要求。結(jié)合我國(guó)物流高質(zhì)量發(fā)展的政策意見(jiàn)，梳理出5G 在物流倉(cāng)儲(chǔ)發(fā)展方向上發(fā)揮的價(jià)值：助力倉(cāng)儲(chǔ)裝備的規(guī)模化、助力物流軟件的智慧化。

(1)倉(cāng)儲(chǔ)裝備的規(guī)模化

大規(guī)模使用倉(cāng)儲(chǔ)裝備是提升倉(cāng)儲(chǔ)效率的關(guān)鍵。針對(duì)可靠連接類倉(cāng)儲(chǔ)裝備，5G 能夠提供大帶寬、廣連接、低延時(shí)等特性，從而支撐大規(guī)模物流裝備的實(shí)時(shí)協(xié)同效率。針對(duì)具有AI 能力的倉(cāng)儲(chǔ)裝備，5G 結(jié)合MEC 可以實(shí)現(xiàn)終端算力的上移，提高倉(cāng)儲(chǔ)裝備的運(yùn)行效率、準(zhǔn)確率、穩(wěn)定性，保證物流系統(tǒng)作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。根據(jù)不同倉(cāng)儲(chǔ)裝備協(xié)同運(yùn)作的需求，5G 的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以在統(tǒng)一架構(gòu)的基礎(chǔ)上用較低成本為用戶靈活提供個(gè)性化、柔性化、差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

(2)物流軟件的智慧化

當(dāng)前的物流管理軟件還存在碎片化、功能少、部署成本高、云化水平低、開(kāi)放兼容性差等問(wèn)題，難以應(yīng)對(duì)大規(guī)模協(xié)同式物流作業(yè)和實(shí)時(shí)化、專業(yè)化、一體化等管理需求。基于5G 廣域網(wǎng)架構(gòu)提供的端邊云基礎(chǔ)設(shè)施能力，能夠?qū)崿F(xiàn)物流軟件運(yùn)營(yíng)和智慧化升級(jí)所需要的計(jì)算和存儲(chǔ)資源在端邊云設(shè)施上的更高效供給，進(jìn)而大幅度降低物流軟件的運(yùn)營(yíng)成本，達(dá)到智慧化的效率提升。

2 基于5G 的物流智能倉(cāng)儲(chǔ)的應(yīng)用場(chǎng)景

基于上文所述5G 在物流倉(cāng)儲(chǔ)發(fā)展方向上發(fā)揮的價(jià)值，本節(jié)具體介紹基于5G 的智能物流倉(cāng)儲(chǔ)的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.1 基于5G專網(wǎng)自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)裝備

2.1.1 可靠連接類倉(cāng)儲(chǔ)裝備

目前，我國(guó)的倉(cāng)儲(chǔ)發(fā)展正處在自動(dòng)化階段，以自動(dòng)導(dǎo)引車(Automated Guided Vehicle，AGV)、堆垛機(jī)、穿梭車為代表的連接類倉(cāng)儲(chǔ)裝備在搬運(yùn)、揀貨、存取三大場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用[7]。利用5G 的大帶寬、廣連接、低延時(shí)等特性來(lái)支持大規(guī)模倉(cāng)儲(chǔ)裝備的連接和移動(dòng)范圍，可保證倉(cāng)儲(chǔ)裝備連接的可靠性和穩(wěn)定性[8]。典型的連接類倉(cāng)儲(chǔ)裝備AGV 和穿梭車如圖1 所示[9]，通信需求如表1 所示。

圖1 典型的AGV 和穿梭車示意圖

表1 典型的連接類倉(cāng)儲(chǔ)裝備通信需求表

2.1.2 具備AI 能力的倉(cāng)儲(chǔ)裝備

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能叉車、視覺(jué)機(jī)械臂等具備AI 能力的高端倉(cāng)儲(chǔ)裝備不斷涌現(xiàn)，大規(guī)模智能機(jī)器人的集群調(diào)度和智能化升級(jí)需求愈發(fā)迫切。5G 利用MEC 的就近計(jì)算和邊緣存儲(chǔ)能力，將倉(cāng)儲(chǔ)裝備的算力上移，能夠在節(jié)省終端的硬件成本和縮減開(kāi)發(fā)周期的同時(shí)，滿足時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)要求，提高倉(cāng)儲(chǔ)裝備的運(yùn)行效率、準(zhǔn)確率、靈活性，保證物流系統(tǒng)作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。典型的具有AI 能力的倉(cāng)儲(chǔ)裝備智能叉車和視覺(jué)機(jī)械臂如圖2 所示[10]，通信需求如表2 所示。

表2 典型的具有AI 能力的倉(cāng)儲(chǔ)裝備通信需求表

圖2 典型的智能叉車和視覺(jué)機(jī)械臂示意圖

根據(jù)可靠連接類倉(cāng)儲(chǔ)裝備和具有AI 能力的倉(cāng)儲(chǔ)裝備在規(guī)模化協(xié)同使用過(guò)程中出現(xiàn)的差異化通信需求，5G專網(wǎng)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，基于特定切片用戶組的無(wú)線資源分配和隔離要求，滿足不同業(yè)務(wù)的SLA(Service Level Agreement)需求，靈活定制、合理部署硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源[11]。5G專網(wǎng)的切片分類要求如表3 所示。

表3 基于5G專網(wǎng)的智慧倉(cāng)儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)切片示例

2.2 端邊云協(xié)同的智慧化物流軟件

智能倉(cāng)儲(chǔ)的物流軟件主要包括倉(cāng)庫(kù)管理、分揀管理、倉(cāng)庫(kù)控制和倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)等系統(tǒng)，如圖3 所示。

圖3 智能倉(cāng)儲(chǔ)的軟件架構(gòu)示意圖

倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)(Warehouse Management System，WMS)為倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)過(guò)程和上下游環(huán)節(jié)提供更快、更準(zhǔn)確、更精細(xì)的信息系統(tǒng)支持。為了滿足對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)管理的全局性精細(xì)化要求，WMS 需要利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)解決集中管理問(wèn)題，逐漸向一體化、集中化、柔性化方向發(fā)展。

分揀管理系統(tǒng)(Distribution Management System，DMS)支持物品分揀計(jì)劃調(diào)度、分播管理等生產(chǎn)過(guò)程。隨著分揀準(zhǔn)確性、時(shí)效性和協(xié)同性要求的持續(xù)提高，DMS 需要在調(diào)度算法和管理效率等智慧化方向上持續(xù)演進(jìn)。

倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)(Warehouse Control System，WCS)是介于業(yè)務(wù)系統(tǒng)生產(chǎn)管理層和設(shè)備執(zhí)行層之間的一層管理控制系統(tǒng)。目前的WCS 系統(tǒng)根據(jù)不同的底層電氣硬件選擇不同的平臺(tái)，煙囪式的WCS 無(wú)法支持更大規(guī)模的協(xié)同作業(yè)，隨著WCS 智能化功能的逐步加強(qiáng)，需要持續(xù)增強(qiáng)的算力保障和更可靠實(shí)時(shí)調(diào)度能力。

倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)將倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份匯總，挖掘潛在的如監(jiān)控、運(yùn)營(yíng)、運(yùn)維等提升管理效率的功能。

物流軟件運(yùn)營(yíng)和智慧化升級(jí)需要更高效的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，5G 廣域網(wǎng)架構(gòu)中的邊云協(xié)同基礎(chǔ)設(shè)施能力可以按需地提供資源分配和保障。WCS 和本地倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要服務(wù)于園區(qū)內(nèi)的智能終端，且對(duì)業(yè)務(wù)處理時(shí)延要求較高，更適合部署在本地MEC(園區(qū)級(jí)或區(qū)域級(jí))中。WMS、DMS 和集中倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)服務(wù)于多個(gè)物流園區(qū)和全局系統(tǒng)，需要滿足復(fù)雜的智慧化升級(jí)需求，而且對(duì)成本比較敏感，更適合部署在低成本的公有云中。利用公有云和邊緣云之間的協(xié)同策略可實(shí)現(xiàn)資源的高效利用，從而大幅度降低物流軟件的運(yùn)營(yíng)成本，提高智慧化物流軟件的效率。智能倉(cāng)儲(chǔ)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)根據(jù)不同通信需求情況，建議分布式部署在公有云和MEC 中[12-15]，如圖4 所示。

圖4 基于5G專網(wǎng)的物流智能倉(cāng)儲(chǔ)架構(gòu)圖

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了物流倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，聚焦5G在智能倉(cāng)儲(chǔ)中具有潛力的發(fā)展方向和應(yīng)用場(chǎng)景。2021年是5G 規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵年，《5G 應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動(dòng)計(jì)劃(2021-2023 年)》明確提出了“5G+智慧物流”的發(fā)展方向，加強(qiáng)5G 在倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)所的應(yīng)用創(chuàng)新，推動(dòng)5G 在智能分揀、無(wú)人倉(cāng)儲(chǔ)等場(chǎng)景應(yīng)用落地，推進(jìn)端邊云協(xié)同的物流自動(dòng)化智能裝備和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，助力物流行業(yè)實(shí)現(xiàn)智能倉(cāng)儲(chǔ)。根據(jù)全球物流行業(yè)發(fā)展的最新趨勢(shì)，無(wú)人倉(cāng)儲(chǔ)、云倉(cāng)等創(chuàng)新模式已成為重要方向，同時(shí)新冠疫情防控也推動(dòng)了倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的少人化、無(wú)人化和冷鏈產(chǎn)品的溯源需求。5G 作為構(gòu)建數(shù)字物流基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)之一，將與大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)深度融合，推動(dòng)物流倉(cāng)儲(chǔ)的智慧化升級(jí)和創(chuàng)新。