倉庫自動化實踐研究
——WATERS項目操作改造案例

王 輝，朱海光

（1.上海城建職業學院機電工程與信息學院，上海 201415；2.NE公司國內物流部，上海 200336）

0 引言

隨著信息化、智能化工業的不斷發展和深入，人工智能已經迅速融入了全球各大產業，越來越多的制造業、物流業廠商等勞動力密集型企業正在努力尋求智能化操作，力圖減少日益增大的勞動力成本和不斷增加的作業量。在IT技術幾十年的發展過程中，我們看到信息化和智能化改變了人類的生產模式和生產方式，現代智能機器人的出現更是改變了傳統的產業操作模式，為所有產業帶來了全新的技術展望。

物流產業作為全球市場產業鏈中的重要環節，已經越來越成為制約貨物流通的瓶頸，可以說物流產業決定了全球貨物流通的速度，而貨物流通的速度也從一個側面決定了全球的經濟狀態。影響物流產業的因素很多，比如：各國的法律制度和政策，國與國之間的關系，人員素質等。但是越來越多的物流公司都遇到了同一個產業發展瓶頸，即勞動力成本不斷增長所帶來的制約因素。無論是大型國際物流公司，還是小型物流公司都面臨這個問題。人工操作已經無法適應當前物流的需求，也嚴重影響了貨物流通的速度和正確率。因此，采用自動化設備解決勞動密集型操作已經成為刻不容緩的任務。對此，NE國際物流公司也在積極探索和研究，先從倉儲方面尋找自動化操作模式。

1 NE公司倉儲業務操作現狀

NE公司是某國最大的綜合性物流公司，具有近百年歷史，世界五百強企業，擁有豐富的經驗、完善的網絡系統，聯結世界37個國家、212個城市、383個網點的物流網絡，雇員數量達43544人，擁有車輛32656輛，倉庫面積達260萬平方米，船舶載貨量42591噸，空運網絡遍布世界各地。對于NE公司來說，倉儲業務已經成為公司的重點發展對象，公司擁有一套完整的WMS系統，在信息化方面已經相當完善，但在現場操作方面，公司的智能化設備就相對落后。相比之下，國內的大型物流企業如京東、順豐、阿里巴巴等已經走在了NE公司前面，很多倉庫采用了智能設備，部分倉庫甚至發展成了無人倉，極大地減少了人力成本，提高了工作效率，增強了企業的競爭力。

雖然各個企業運輸的貨物類型不同，NE公司的倉儲貨物類型與上述三家公司也有著較大的區別，要實現全面智能化和無人倉管理有一定的困難，但還是可以從眾多業務中選擇性地開展自動化操作，對某些人力成本高、操作重復性高的項目可以進行操作改善，從一兩個項目入手，積累自動化改善經驗，從而實現全面智能化倉儲操作。

要實現智能化倉儲管理，首先要了解目前市場上的主流智能化設備，筆者參加了多個智能化倉庫展會，深入了解了多家智能化廠商及其產品，對當前市場上的主流產品有了充分的認知，對這些產品的功能和應用場景也有了進一步的了解。

2 現代化倉儲設備

2.1 電子標簽揀貨系統（DPS）

DPS（digital picking system），即摘取式電子標簽揀貨系統，是在揀貨操作區中的所有貨架上，為每一種貨物安裝一個電子標簽，并與系統的其他設備連接成網絡。

圖1 自動化流水線

2.2 機械手臂

機械手臂是機械人技術領域中得到最廣泛應用的自動化機械裝置，在工業制造、醫學治療、娛樂服務、軍事、半導體制造以及太空探索等領域都能見到它的身影。盡管它們形態各異，但都有一個共同的特點，就是能夠接受指令，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點進行作業。

從操作效率上來看，機械手臂可以減少操作人員，提高效率，初步實現無人操作。但是，該自動化設備在制造業中的使用比較廣泛，并且對于貨物的外形有一定的要求及限制。因為機械手爪需要根據貨物的外形進行調整，這個調整既可能是硬件方面的，也可能是軟件設計的調整。所以在倉儲物流中，機械手臂的實施性能完全取決于貨物的外形。

圖2 機械手臂

2.3 自動導引運輸車（AGV）

AGV（automated guided vehicle），即自動導引運輸車，是裝備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規定的導引路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車。

AGV以輪式移動為特征，較之步行、爬行或其它非輪式的移動機器人具有行動快捷、工作效率高、結構簡單、可控性強、安全性好等優勢。與物料輸送中常用的其他設備相比，AGV的活動區域無需鋪設軌道、支座架等固定裝置，不受場地、道路和空間的限制。因此，在自動化物流系統中，最能充分體現其自動性和柔性，實現高效、經濟、靈活的無人化生產，還能夠從原先的“人找貨”變成“貨找人”。

圖3 AGV及貨架

3 倉庫智能化改善實施方案

根據以上自動化操作理論，作者希望結合倉庫的實際情況，對倉庫中的大項目進行自動化改善操作。其目的就是將現有的人工操作轉成半自動操作，最后轉型成為自動化無人倉。由于我司倉庫的現場操作一直采用人工方式進行，所以想要完全采用自動化操作具有相當的難度，因此我司想通過理論結合實際的方式，分多個階段來簡化現場的操作，節約人工成本，提高工作效率，改善工作質量。

倉庫的操作分為入庫和出庫兩部分。從操作流程來看，入庫主要依靠WMS系統來分配庫位，如果公司擁有一套WMS系統，那么入庫操作就會變得簡單方便。而且入庫操作對于時間的要求不是很嚴格，所以操作成本也就相對低一些，因此入庫操作反映不出倉庫作業的真實能力。真正考驗倉庫能力的是出庫操作，出庫操作對于人工和時間成本都有很高的要求。成本、效率、準確率是考驗倉庫出庫能力的三個標準。一般情況下，出庫操作分為四個步驟：①訂單入系統，并指示貨物庫位；②揀貨操作；③貨物稱重流轉；④貼運輸標簽。其中，②—④步驟都可以由自動化設備來代替人工，但考慮到采購整套設備的可行性以及成本問題，作者還是計劃分三個階段完成倉庫自動化升級作業。這三個階段由易到難，成本由低到高。通過對每個階段的認知，了解全自動化作業的整體運行模式。

2）扶蔓促。苗高超過10 cm時，及時定枝、疏枝。選留上部生長最為健壯的新梢，抹除多余枝梢，立桿扶直，讓其直立向上生長至1.2 m摘心。

第一階段：對于出庫操作的稱重流轉進行升級，采用自動滾帶和自動稱重機來代替目前的人工搬運操作，提高貨物流轉能力。

第二階段：采用機器人流轉貨物，用機器人替換自動滾帶和自動稱重機，可以為倉庫節省大量的空間，進一步提高貨物的流轉速率。缺點是仍舊需要人工進行揀貨，機器人只負責引導人工揀貨和流轉。

第三階段：全自動化操作，由機器人負責揀貨、稱重、打印標簽等一系列出庫操作，人工只需在作業臺按機器人指示進行簡單的操作。這樣庫內基本實現無人化。

作者的想法是通過完成每個階段目標，來達到自動化倉庫操作的經驗積累，并根據每個項目的特點和人員配備，開發出一套效率最優的操作方案。下面就以WATERS項目為例，介紹通過實際操作來解決該項目的自動化操作方案。

3.1 WATERS項目當前出庫操作流程

WATERS是我司某個倉庫的一個非常重要的倉儲項目，其貨物主要為化學試劑和化學儀器等部件。我司安排了7排5層貨架供其存放，其貨物品種達到了3500種。每日工作量情況請參考表1。

表1 WATERS項目操作情況

從表1可以看出，WATERS項目占用了倉庫相當大的勞動力，由于技術手段落后，倉庫只能通過手工方式進行出入庫操作，工作效率非常低下。

當前WATERS項目的現場操作包括入庫和出庫兩個步驟。入庫操作相對于出庫來說比較簡單，在此不做過多的描述，我們需要改善的是出庫操作。出庫操作是本次自動化改善的重點。

WATERS項目出庫操作步驟：①客戶通過郵件形式發訂單至倉庫事務（倉庫事務主要負責WMS和TMS系統的導入工作）。②事務獲取訂單后，打印揀貨單、訂單標簽給現場操作。③現場操作人員（1人）根據訂單指示到庫區揀貨。④完成每票訂單的揀貨后，貨物被放在人工流水線上，由操作人員（2人）掃描貨物上的貨品型號二維碼，并將掃描信息上傳至客戶系統。⑤所有掃描的貨物放入紙箱內進行封箱操作并貼上訂單標簽（1人）。⑥對所有紙箱進行稱重操作（1人）。⑦所有稱重完成的紙箱放在堆放區，現場操作將重量信息（紙質）交給事務，由事務將重量信息輸入TMS系統并完成分貨操作。⑧分貨完成后，事務打印運單并交給現場操作。⑨現場操作人員根據運單上的單號進行貼標工作（2人）。

3.2 WATERS項目出庫操作改善方案

以上就是目前WATERS項目的操作流程，整個流程相當復雜，非常耗時，人工成本也很高。從理論上分析，整個出庫的操作過程有三個節點可以實現自動化：①現場揀貨。②掃描、稱重操作。③貼運單。這三個節點消耗了大量的時間和人力，而且錯誤率也很高。從客戶投訴的情況看，每三次投訴中就有一次是關于這三個節點的操作。我們對這三個節點預想的改善操作如下：

（1）采用AGV智能機器人揀貨。如前文所述，AGV是目前最先進的物流倉儲機器人，可以完全替代人工進行揀貨操作。從理論上來說AGV可以應用在WATERS項目上。

（2）采用自動傳送帶傳送貨物并完成自動掃描、封箱及稱重。當貨物被挑選出來后，我們需要掃描、封箱、稱重等一系列操作。我們采用自動傳送帶來完成上述操作。傳送帶配備有掃描設備、封箱設備以及稱重設備。貨物在流轉過程中會被自動掃描、封箱及稱重，其中掃描信息自動傳入客戶系統，稱重信息傳入事務電腦中。貨物在皮帶傳送過程中，只有裝箱一個動作是需要人工操作的，這樣極大地減少了人力。

（3）采用掃描槍結合軟件程序完成運單打印和貼標工作。貼運單標簽是整個出庫過程中最后的步驟，也是最容易出錯的環節。在人工模式下，操作人員只能通過肉眼來尋找紙箱上的訂單號并張貼運單。這是最原始的操作方式，針對這個問題我們提出了兩種改善方案。第一種方案是直接在傳動帶上配備貼標設備，貼標工作由機械設備完成，無需人工干預。方案一的前期投入較大，需要將貼標系統與TMS系統對接，傳送帶掃描單號后上傳至TMS，TMS接到單號后將打印結果反饋至傳送帶的打印設備，打印設備完成打印后由貼標設備進行貼標。第二種是利用掃描槍和程序相結合完成貼標工作，由操作人員掃描紙箱上的型號條碼，打印機根據條碼打出運單，操作人員再將運單貼到紙箱上，整個過程需要人工干預，打印機可以放在現場，也可以采用便攜式打印機。

3.3 WATERS項目改善方案可行性分析

對這三種改善方案進行可行性分析：

第一種方案是采用AGV模式進行揀貨。從目前的物流趨勢來看，AGV已經占據了智能化倉儲的大部分市場，其性能非常優越，也很適合在WATERS項目上開展實施。按每個AGV工作3年以及3年內維護、耗電等費用約15～20萬元，貨架的購買改造為30萬元來計算，對人工操作和AGV操作進行比較，如表2所示，可以看出AGV每小時的揀貨數量相當于四個操作人員。但其價格也比較昂貴，按3年使用成本來看，其費用與人工成本相差不多。

表2 人工與AGV操作對比

在現有模式下，算上AGV的充電時間，倉庫需要購買兩臺AGV才能保證正常的操作，這樣采用AGV操作的成本已經高于人工成本。而且AGV操作無法完全做到無人化，AGV是貨到人的操作模式，貨物必須由人工從貨架上提取出來。因此在當前情況下，我司只能放棄AGV計劃。當人工費用或是業務量持續增加的情況下，我司將會投入AGV。

第二種方案采用了自動傳送帶以及配屬的智能化設備來完成三個操作：①掃描上傳；②封箱打包；③稱重上傳。目前倉庫用3個人工來完成這套操作工序，貨物從上操作平臺到下操作平臺需要大約3分鐘的時間。采用自動傳送帶后，大約在30秒內可以完成這一套操作工序，速度提高了近6倍。兩者的工作效率見表3。

表3 人工與自動傳送帶對比

從表3可知，自動傳送帶完全達到了無人化操作水平，無論是成本還是工作效率都優于人工操作。因此，我們計劃使用自動傳送帶取代人工進行操作。

第三種改善操作包含了兩個方案，第一個方案在技術手段和操作成本上都優于第二個方案，但根據實際操作情況倉庫選擇了第二種方案。主要原因在客戶方面。如果按照第一個方案實施，紙箱進入到貼標環節的時候是不能長時間等待的，長時間等待會造成貨物堆積和碰撞，而傳送帶上沒有足夠的空間給貨物排隊。如果客戶給出的收貨人和收貨地址是錯誤的，在紙箱稱重完成后需要事務進入TMS系統修改每個訂單的收貨人姓名和收貨地址，確保地址和聯系人正確后才能進行打印工作，所以當紙箱完成稱重后無法及時地打印出運單，必須等待較長的時間才能進行貼標工作。根據這個情況我們設計出了方案二，與目前的操作情況相比，方案二已經最大限度地提高了貼標的準確率，并減輕了操作人員的壓力和負擔，提高了工作效率。

表4 兩個操作模式的對比表

4 結語

以上是本文根據現有市場的智能化設備和倉庫實際情況做出的改善方案，自動化操作一旦開展實施將會極大地釋放勞動力，從原來的8個人工減少為3個人工。在只有20萬元預算的情況下，這是我們探索之后所采取的一套有效解決方案。這個方案雖然只是自動化方案的第一個階段，但已經積累了不少的自動化操作經驗，隨著各個項目的產能改善和預算增加，我們也正在積極策劃第二階段的改善進程，通過AGV機器人等智能化設備，實現倉內少人化的操作。我們也在探索不同項目混合操作來擴大工作量從而解決AGV使用的問題。我們的目標是通過每個階段的努力完成倉內無人化操作，最終達到成本最優化的目標。

綜上所述，通過對自動化倉庫的研究，筆者已經摸索出了一套行之有效的改善方法，我們也對市場上的各種自動化設備和操作模式有了進一步的了解，在條件允許的情況下，可以對倉庫的操作進行自動化改善。