离散型制造企业数字化拣选配送物流系统及应用

■北京京北职业技术学院机电工程系 白 俊

■四川航天职业技术学院计算机科学系 郭 华

小批量、多种类、多研发是离散型制造企业生产经营过程中最为显著的特点，之所以说其属于离散型，就是因为其生产制造现场和管理过程中会涉及到大量多变的动态数据，生产技术工艺十分复杂，从而使得生产组织和生产过程十分离散。同时不同的离散制造企业之间的差异化程度较高，限制了标准化的数字解决方案的产生。离散型制造企业的数字化建设应以生产制造数据源为导向，通过优化设计、仿真和实验的方式产生数字化效果，需要从基层生产一线开始为起点进行。

1 离散型制造企业数字化物流系统的现状解析

我国传统的离散型制造企业大多处于传统的管理经营模式阶段，人为因素成为生产制造现场数据信息采集的主要障碍，此外生产计划的变更、生产工艺和生产过程的调整等造成物流过程出现中断性间歇。同时，制造物流过程中的采购、加工、仓储、包装等环节过于依赖人工控制而得不到数字化信息系统的支持，使得生产计划和生产工艺之间的信息流很难真正畅通，从而造成了企业生产制造链条中出现多个信息孤岛。这些都成为离散型制造企业数字化物流系统的瓶颈。

出现上述状况的根源在于生产协同、物流控制和物料管理三者之间的协调出现了问题，由于基础性生产制造数据源建设不健全，使得管理信息系统与自动化实时处理系统很难真正实现集成，造成自动化装备、管理系统、生产工艺等信息源信息与物流运作出现衔接性障碍。因此，对于离散型制造企业的数字化物流系统建设来说，应该在改进生产作业流程的基础上将生产管理、物料管理和物流管理相结合，培育跨企业、跨部门、跨职能的大制造流程，以解决生产制造供应链中存在的问题。本文试图从拣选配送系统方面来研究离散型制造企业的数字化物流系统建设及应用。

2 数字化拣选配送物流系统的组成及技术

2.1 系统结构

数字化拣选配送物流系统的结构包括系统应用平台、相关软件和硬件设备等三部分，应用平台即数字化拣选配送物流系统平台，相关软件包括仓库管理软件、仓库控制软件、设备控制软件以及制造、工艺、供应、计划等系统的相关接口，硬件设备主要包括仓储存储设备、仓储拣选设备等。

2.2 使用的技术

（1）拣选建模技术。该技术根据离散型制造企业的特点，基于生产工序、零配件组装、工序零配件配对分布等变量特征构建模型以优化拣选配送，从而实现压缩生产准备期和降低库存水平的目标。其建模过程包括以下假设：

每个订单至少涉及一件货物；多个拣选订单可以通过一个拣选路径实现，每批拣选订单的数量为定值，这样就不会产生二次分拣问题；每个拣选订单都具有完整性和不可分割性；待拣选货物都有唯一确定的货位，货物与货位一一对应；货物拣选者以固定的速度进行工作；订单拣选货物不存在缺货的情形；超过预定提前期进行货物拣选的订单需要支付提前期费用；货物配送顺序与订单的分拣顺序无关；货物拣选成本、拣选提前期成本、货物拣选速度成本三者的系数均为固定值；基于拣选订单的动态变化，模型可以进行多批次计算；每个拣选订单货物的容量小于或等于一个周转箱的容积。

考虑以上假设的限定，结合货物拣选路径、订单提前期和拣选订单的特征等方面因素，使用动态规划方法和运筹学对货物拣选路径进行优化，构建旨在降低货物拣选成本和提高拣选效率的拣选模型。

（2）网络热插拔技术。数字化拣选配送物流系统中会使用较多的硬件设施设备，基于信息化物流网络的需要，这些设备需要联网工作。同时这些设备设施的电器元件需要稳定的电压才能工作，因此网络系统运行的稳定性就必须支持相关设备设施在网络节点上随时进行热插拔。在综合分析了系统控制结构和网络通讯要求的基础上，采用自动识别和多线程技术，同时辅之以数据库多事务处理技术，以解决不同设备设施在网络系统中进行热插拔可能引起的数据丢失问题。例如在货物拣选工具车中，如果使用线缆将车连接起来，其移动路径就会受到一定的限制，线路缠绕和安全问题将难以解决；如果使用热插拔接头，根据工具车移动路径可以随时选择热插拔，不仅十分方便，同时也能够保证插拔过程中数据信息不会丢失。

（3）接口标准化技术。接口标准化技术既包括软件接口的标准化，又包括硬件接口的标准化，接口包括系统模块的界面划分和标准功能接口、界面数据交换共享接口、拣选设备硬件接口、系统拓展延伸接口等。在企业用户对拣选配送系统的标准功能、相关软硬件自定义完成以后，系统会即刻生成规范化的接口，拣选设备、配送设备、存储设备、拣选配送软件等与企业使用的软件系统都会生成满足功能需要的标准接口，这些接口可以满足企业设备设施相互快速链接的需要，从而减少了系统二次开发的成本。

3 应用实例

3.1 案例

F公司作为一家主要从事物流装备设计生产制造的集团企业，主要面向特定物流项目提供个性化装备设计方案以及生产制造服务，因此其设计生产制造过程具备明显的离散型特征，研发频率高、生产批量小、产品种类多，并且生产地点在多个具有不同区域分布的工厂车间同时进行，大部分的部件需要外购或外包，同时生产计划、生产工艺和生产技术经常需要根据项目变化进行调整，因此生产组织过程也十分复杂。随着F公司生产经营业务的扩张，其传统的仓库管理技术和管理水平越来越不能满足新的业务需求，出现了生产工艺、生产流程与物流过程、仓库货物拣选作业等无法有效衔接的问题，为了解决该问题，F公司决定基于现代物流理念和物流装备技术构建数字化拣选配送物流系统。图1给出了F公司数字化拣选配送物流系统的设计规划思路及所采取的技术。

3.2 系统架构

图1 F公司数字化拣选配送物流系统思路和技术框架

图2 F公司数字化拣选配送物流系统平台架构

F公司根据图1的思路和技术框架建设如图2所示的系统平台架构。在该架构下，系统会根据生产工位上的物料需求详情，将所需物资自动下发给相应的存储装置，如果存储装置欠缺原料，系统就会自动读取所欠缺的物资信息并传递给物料供应商。生产工位上所需要的物料通过各种输送设备根据工序需求进行供给，然后再根据物料类型、大小等信息决定拣选策略，最后直接配送到相对应的生产工位上。

3.3 系统流程

图3给出了F公司数字化拣选配送物流系统流程。公司级别的生产计划部门根据生产任务制定计划，生产工艺部门根据产品生产的工艺要求制定生产工艺卡片，车间将生产任务和生产工艺数据信息结合后生成车间级别的生产计划，物料总库根据各车间的生产计划进行物料补充，然后根据车间的不同需求将物料分发到零配件库房，零配件库房借助电子标签进行拣选，将拣选到的货物统一配送到相应的生产工位。

3.4 系统平台

数字化拣选配送物流系统平台基于不同架构的软件和硬件设备遵照模块化和标准化的方法进行开发设计，最终组配成具有符合要求功能的平台，可以根据不同的企业需求灵活进行功能模块的组装和搭配，同时也可以对系统的硬件进行自定义式的组配，这样就降低了软件开发成本，而且具有较为广泛的适用性。

3.5 系统软件

（1）WMS。WM S（W arehouse M anagement System，仓库管理系统）是一种面向库存管理的仓库数据管理软件，其主要功能是实现对实际库存的处理，进行库存调整和处理收货、退货数据，对相关数据进行实时录入更新，同时还支持用户自定义管理复杂的仓库机构，将仓库从逻辑上划分为不同的存储区域，从而可以更灵活地实现对存储区和货架区的管理，同时系统还可以智能地根据已经定义的策略提醒货物应该采取的存储策略，哪些存储区域的货物该如何取出，同时还可以向仓库管理人员提供过期的物料信息、物料检修状况以及库存报警等信息。

（2）WCS。WCS（W arehouse Contro l System，仓库控制系统）是一种仓库设备自动化控制软件，既可以进行通信管理又可以进行仓储作业活动，还可以对货物出库入库操作任务进行监控和分解处理。另外该系统将相关指令和自定义程序通过网络传送到自动化设备并接受设备传来的信息，从而实现对仓库运行状况的实时监控。该系统可以控制智能回转库、立体自动化库以及电子标签库，可以实现作业监视、设备状态管理、作业调度、故障管理、动画模拟、单步调试、通讯管理等功能。

图3 F公司数字化拣选配送物流系统流程

自动化仓库作业调度的核心就是WCS系统，该系统根据作业分配地址信息对作业顺序进行优化，以获得最短的作业运行时间和最合理的作业协调，然后将优化信息和指令传递给执行作业的仓储设备，系统对作业设备反馈的信息进行实时接收和处理，从而可以对仓储作业设备的作业状态、运行位置、货位占用信息以及设备故障等信息进行动态监控显示。具体的过程可以描述为以下几个步骤：

①任务分解。将等待执行的任务进行分解并将其置于网络上等待自动化设备的处理；②任务队列的调整。可以选择以手动的方式对联机排队等候处理的任务队列进行调整，从而可以将某种货物置于优先出库或优先入库的状态；③系统工作方式的显示。系统运行中根据作业预设置的不同，有联机作业、自动作业和手动作业3种工作方式；④显示相关设备的相关信息。例如设备的位置、作业状态、通讯状态等；⑤故障报警和通讯设置。提供故障的详细信息或者提供解决问题的相关建议和措施，对通讯网络的相关参数和协议进行设置。

图4 F公司数字化拣选配送物流系统与企业相关管理系统的接口方式

（3）DPS。DPS（D igital Picking System，数字化拣选系统)的主要功能是实现对自动化立体仓库、智能助力车、车载设备、传输线路、货柜拣选设备等进行控制和管理。该系统可以对不同类型和形式的仓库进行整合，从而决定采用不同类型的拣选设备，然后借助RFID技术、条形码技术、电子标签技术等，根据车间生产计划对货物进行拣选出库。

(4)系统接口。数字化拣选配送物流系统的运行不可避免地要与企业其他的信息系统进行衔接，诸如生产制造系统、产品工艺系统、计划供应系统等，从而交换共享数据信息，为此就需要为该系统开发出相应的接口，以实现离散型制造企业车间级别的计划和控制信息相协调。

数字化拣选配送物流系统同时还会与企业的ERP系统、供应链管理系统(SCM)、企业资源计划系统（ERP）、计算机辅助工艺设计系统（CAPP）、生产制造执行系统（M ES）等进行无缝衔接。为此就需要开发出如下的系统接口：研制工艺与WM S接口、研制计划与WM S接口、研制供应与WM S接口、研制生产计划与WM S接口。数字化拣选配送物流系统在接口开发方面可以采取针对不同架构的软件以统一的接口方式进行标准化开发，然后在此基础上进行二次开发以保证衔接的良好性。图4给出了F公司数字化拣选配送物流系统与企业相关管理系统的接口方式。

4 总结

本文从拣选配送的视角探讨了离散型制造企业的数字化物流系统，介绍了数字化拣选配送物流系统的组成结构，并就该系统的应用进行了实例应用解析，希望能够对离散型制造企业的数字化物流系统建设起到一定的作用借鉴。