基于RFID 的工廠物流車輛調度系統研究

李姍姍，石冬劍，陳小波

（1.江蘇航運職業技術學院智能制造與信息學院，江蘇南通；2.江蘇力德爾電子信息技術有限公司，江蘇南通）

前言

在經濟發展的大潮中，為了擴大利益，很多企業都走上了擴大再生產的路線，但就目前而言，很多企業僅僅在生產環節增加了投入，卻忽視了運輸調度環節出現的瓶頸。這些車輛在廠區的運輸工作缺乏管理，廠區交通指揮浮于形式，導致部分區域出現大規模擁堵，而裝卸區域也存在車輛相互妨礙導致的吞吐率較低、出貨不及時等一系列問題，隨著企業規模的擴大，上述問題也越突出。已經嚴重困擾著不少倉儲物流企業，制約著其發展。

1 物流車輛調度系統的整體設計規劃

1.1 車輛運輸起始位架構

在工廠廠區的物流車輛調度系統中，控制運輸車輛運行的基本邏輯在于車輛運行的起點與終點，控制調整車輛的起始點與終點是車輛調度作業最終目的，也是其意義所在。當車輛進入廠區后，即默認為車輛運輸資源處于可利用狀態，當運輸任務出現空閑時，則司機被安排在休息區，用電視或電子屏實時更新運輸任務動態和司機排隊情況，通過大屏幕，司機可根據其配屬車輛牌照的號碼確認所領取到的運輸任務，若出現指定型號車輛運輸的貨物時，可以設置分配權限等級來區分各類型供應商優先分配的卸貨位。需要等待且其他卸貨位有空閑時，預約界面提示優先分配卸貨位的等待車輛數和空閑卸貨位號，供預約司機手動選擇卸貨位。當車輛到達指定的卸貨臺后，指示屏上將顯示的車牌與司機車牌的匹配情況，當兩者相符合時，即可將RFID 臨時卡交給工作人員在一體機上進行核對，核對無誤后，車輛倒車進入卸貨位；控制計算機記錄車輛已進入[1]，并在信息顯示屏上顯示車號，開始計時；車輛卸貨完畢，收貨人員確認無誤后，在一體機上進行操作，車輛離開后，記錄卸貨完成時間，此時信息顯示屏顯示卸貨位空閑。其邏輯架構如圖1 所示。

圖1 起/終點分配控制邏輯架構

1.2 基本軟件算法

與城市交通調度不同，工廠中的車輛調度指揮系統是一個相對獨立封閉的系統，因此受到外部因素影響較小[2]，而影響到車輛調度系統工作效率的因素無外乎運輸資源（車輛或司機）與運輸任務（貨物量）兩項，所以對該系統的調整優化也需要圍繞以上兩個因素而展開，而交通運輸中的車輛調度就是在給定運輸任務的條件下，如何派車、組織循環運輸，使空駛里程最少，運輸成本最低[3]。基于上述需求，軟件邏輯的設計和算法的運用也需要體現出這種思維。在軟件算法領域中，道路交通運輸系統的運行邏輯被認為是若干點到點運動的集合，在特定有限數量的路徑中進行加權，然后求解最短路徑和運輸時效性等現實問題，稱為路徑運算。VRP 結合貨運加權算法是目前各大倉儲物流企業交通調度指揮軟件中應用的主要邏輯算法。該算法經過多年的運用和優化改進，已具備較強的兼容性和安全性，受到廣大物流運輸企業的信任青睞，成為車輛調度系統中不可或缺的一部分。

2 車輛調度交通運輸中的路徑規劃算法

2.1 VRP 路徑規劃的基本模式

路徑規劃問題是交通運輸中的最基本問題。所謂VRP 路徑規劃就是虛擬路徑計算協議運輸的簡寫，VRP 最早是由美國貝爾研究所于1969 年首次提出的。該研究針對倉儲物流運輸系統的運轉特點，在有限的車輛及道路資源條件的限制下，如何安排發車間隔與運輸線路，才能做到單位時間內的運輸效率最高，即在特定貨物需求量、車輛載荷、交發貨時間、行駛時間與行駛里程等限制條件下，按照貨物運輸時間急迫性權重，保質保量的完成運輸任務，同時又能兼顧節約運輸資源，調用較少的車輛。在此基礎上，VRP算法可以嵌入其他功能模塊，當一部分車輛出現空余，同時另一部分車輛運用處于飽和狀態，可以調整單個車輛單位的承載量來負載分擔運輸任務，當運輸任務較少，且參與運輸的車輛未處于滿載狀態，運輸終點為不同停車場，車輛自身性能也不相同，時間屬性取為軟時間窗，服務時間設為隨機服務時間時，此時為多用戶的配送任務，如果車輛服務時間隨機的帶軟時間窗問題。其數據參數分類如表1 所示。

表1 車輛路徑參數分類

2.2 最優路徑的基本算法

根據邏輯算法的基本規律，所需完成的目標涉及的屬性因素越多，在編程過程中遇到的障礙就越多，其變量參數對整個程序的影響就越不可控，所以整個程序的邏輯算法就愈加復雜。目前針對車輛調度系統算法的研究，大多數還處在局域變量向整體變量過度的準孤立階段。因此其算法建模也需要以此為依據而展開。車輛調度系統算法邏輯中的常見模型可分為網絡模型和數學模型兩大類。首先是網絡模型，VPR 算法經典采用離散數學中的圖論理論對車輛路徑問題進行建模，并用G=（V，E）表示交通網絡圖，V={V0、V1，...，Vn}表示發貨點和收貨點，用E={Vi，Vj}表示路段，用Cij 表示路段的距離或者開銷。巳知發貨點V0和車輛數量m 及單位載重Q 的情況下，擁有輛載重皆為的配送車輛時，滿足客戶要求配送車輛總配送成本最小。依次為條件利用VRP 網絡圖模型做配送調度建模，假設車輛無需考慮外部因素，僅在調度掌控范圍內進行活動，根據VRP 調度指揮系統中的圖定運輸任務，其所蘊含的約束條件包括運輸網絡中的運輸端點（起點或終點）、運輸端點的任務派發權重（可理解為客戶運輸時限要求）、個體運輸單位的載重瓶頸（車輛載重上限）等。通過網絡模型的圖形化轉換，可以使較為復雜的交通網絡易于理解，但是由于其信息量局限性，又無法加入更多深層次邏輯參數，使得這一應用只能用于表述淺層次運行狀態，而難以用于描述復雜問題。進而引入了VRP 數學模型，其中以最常見的車流量參數模型和以物流參數為基礎的模型進行舉例。鑒于數學模型變化特性,這里只給出兩類問題的數學模型，多車型裝貨送貨一體化的車輛路徑問題，其目標函數為[3]：

車輛的約束函數表示為：

其任務約束則表示為：

道路約束則根據上述兩個函數進行累加，其結果為：

由此可以推斷出，VRP 數學模型主要的約束條件為時間約束、車輛及載荷約束、道路約束、運輸量約束等，并由上述幾種約束條件共同決定最終的決策約束。

2.3 基于RFID 的實時決策與應激策略

為了簡化車輛調度系統中斷性機制的觸發流程，在代碼架構的設計上可以將之理解為車輛終端利用RFID 技術對若干個隨機因素簡單查詢操作的排列組合，這么做確實可以極大地簡化應激事件的觸發流程，但由于嚴謹性不足而容易出現運行錯誤，考慮到調度系統的安全性問題，就需要通過實驗數據增加運行補丁來建立決策支持系統框架，計算影響目標實現的相關信息數據和經驗數據，然后判斷選項優劣，為調度指揮中心提供決策意見，實現特定的目標，提高決策質量，同時減少決策時間和運行開銷[3]。這種結構被稱為自適應決策支持系統框架，其處理流程如圖2所示。

圖2 自適應決策系統框架

在此基礎上，RFID 感知網絡組成任務請求組件、實時數據管理組件、VRP 請求組件、決策組件與執行組件等，上述組件互相配合，共同完成車輛調度任務，業務具體分配關系如圖3 所示。

圖3 RFID 實時調度系統框架

3 物流車輛調度系統的硬件組成

3.1 傳感器系統

車輛調度系統的工作邏輯確定以后，還需要有軟件所支配的對應硬件設備，其中最重要的當屬基于RFID 技術的管理傳感器。射頻識別技術是一種通過接受或發送特定的無線信號實現信息交互的通信技術，可在5～10 米范圍內快速識別目標并完成信息交互，避免了機械接觸帶來的不便，為了應對不同環境條件下的業務，RFID 技術要求傳感器硬件設備具備在極寒、潮濕、高溫等惡劣的環境下的穩定性，特別是對于高速移動目標的識別能力提出了較高要求，在此基礎上，加入了人機交互的調試端口，使每個傳感器都可以單獨操作，且操作簡易快捷，易于上手學習和故障排除。射頻識別技術主要包括電子標簽、I/O 端口、數據存儲設備組成。其中電子標簽用于存儲和區分用戶信息，如用戶ID 和身份驗證、入網許可（秘鑰）等。I/O 端口設備則用于讀寫電子標簽信息；數據存儲設備則用于管理數據及通信傳輸，與計算機網絡相連接實現數據傳輸。經過傳感器的陣列兼容性調試，系統要達到的預期目的有如下幾點：首先是對廠區的進出門禁實現RFID 智能控制，對進出廠區的車輛發放RFID 智能卡，自動識別進出車輛并提示相應的進出廠區信息；其次是對所有卸貨點、卸貨位進行監控，對整個廠區的貨車運轉位置信息、卸貨點忙閑信息進行聯動，打造高效的廠內車輛監管模式[1]；第三是能做到對任務指令的快速響應，提高對生產任務的響應速度，解決在臨時插單情況下快速物料配送無法響應等瓶頸問題，縮短生產響應周期。

3.2 調度門禁控制系統

調度門禁控制系統是調節車輛位置和數量，保證行車安全的重要抓手，其原理就是通過RFID 技術阻擋或允許車輛進入某一閉塞區，達到控制車流量的目的。從微觀講，單獨的控制門禁的妥善率決定整個系統的工作效率，因此其傳感器的可靠性至關重要，必須保證其射頻信號可以穿透金屬和人體的遮擋且性能穩定，安裝簡單方便；高速運動的目標也能輕易捕獲；防水防曬，可于戶外使用[1]，同時具有較好的抗干擾能力。為了滿足上述要求，企業園區內的RFID 門禁控制多選擇2.4～2.8 GHz 讀寫器，此頻段讀寫器識別率高，抗干擾能力強。電子標簽選擇有源主動式電子標簽，該標簽的工作溫度在-35 ℃～75 ℃之間，接收靈敏度為-90 dBm，可以大大提高讀取速率[4]。另一方面，對車輛卸貨位管理也是調度門禁控制系統的管理職責之一。門禁系統主要控制車輛的進出，被呼叫的車輛允許進入，否則在場外等候排隊，此舉可避免廠區內車輛過多造成擁堵。卸貨位管理系統主要管理卸貨位，指導車輛去空閑卸貨位，避免車輛在廠區亂找卸貨位，造成卸貨速率低下，卸貨位利用率低等問題。從進門到卸貨都用RFID 卡來進行信息核對，不會出現調度不當的問題。

結束語

本文通過從物流車輛調度系統的整體設計規劃、車輛調度交通運輸中的路徑規劃算法、物流車輛調度系統的硬件組成等多個角度出發，全面對工廠物流車輛調度系統進行了分析研究，并基于RFID 技術的運用，簡要介紹了整個系統的組織架構和運行邏輯，希望可以通過互相之間的交流與探討，促進彼此共同進步。