基于电子标签的订单分区拣选系统设计与实现*

黄锥良，陈剑雄

（1.福州大学 经济与管理学院，福建 福州 350116；2.福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350116）

基于电子标签的订单分区拣选系统设计与实现*

黄锥良1，陈剑雄2

（1.福州大学 经济与管理学院，福建 福州 350116；2.福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350116）

电子标签技术能有效地提升订单拣选作业的效率，在配送中心中得到广泛的应用。针对多人多分区的订单拣选作业，研究设计了电子标签拣选系统的软硬件结构，提出了系统整体业务运作模型，构建“分区—储位”两级数据库模型实现系统多分区配置功能，利用订单分区状态矩阵实现3种分区拣选策略的在线配置和作业过程的逻辑控制。实践证明，该拣选系统具有可扩展性强和灵活性高的优点，能根据仓储作业的实际需求，将电子标签拣选区域划分为多个不同大小的分区，可在线选择配置串行、独立并行和关联并行3种分区拣选策略，进行不同批次批量的订单拣选作业。

分区拣选；电子标签；订单拣选系统；状态矩阵

0　引言

随着物流技术的发展，信息自动化和作业自动化设备在提升订单拣选作业效率中起了关键作用。目前，在物流中心拣选系统中，最常使用的是电子标签辅助拣选系统，其基本理念是视觉化的作业引导指示系统，主要通过系统控制一组安装在货架储位上的电子装置，借由灯号和数字显示，引导拣选人员正确、快速地拣选，现已广泛应用于各行各业的物流配送中心[2]。

目前使用电子标签技术时，其主要分拣模式是摘取式和播种式，文献[2-4]都对其应用方式进行了详细介绍，并根据不同的应用背景研究和设计了相应的拣选系统，但是对于多人多分区的订单拣选作业模式的研究却十分缺乏,限制了该技术的应用范围。本文研究开发了基于电子标签的订单分区拣选系统，对系统的软硬件总体结构进行设计，建立系统静态分区时拣选作业的整体运作模型，利用“分区—储位”两级数据模型和订单分区状态矩阵，分别实现了系统多分区配置功能、分区作业策略的在线配置和作业过程的逻辑控制，大大提升了分区式拣选作业的运作效率。

1　订单分区拣选作业策略

多人多分区的订单拣选是将拣选区划分为多个分区，每个拣选人员只负责拣选订单中属于其所处分区的货物[5]。实践中一般采用静态分区的方式，即拣选区划分为很多小的固定分区，订单相应的分割拆分为各分区子订单。按照订单的执行逻辑不同，可以进行串行或并行分区拣选作业，其中并行分区策略按照子订单的合单时机又可细分为独立并行和关联并行两种分区作业策略。具体策略内容如表1所示。

表1　订单分区拣选作业策略

2　系统总体设计

2.1系统结构

如图1所示，系统结构可分为上位机软件控制系统和底层电子标签硬件执行系统两大部分。其中上位机用于系统软件和数据库服务的运行，主要负责订单数据处理、分区划分、储位配置、作业策略控制及作业监控。底层电子标签硬件执行系统由控制器、电子标签、巷道灯、完成器等组件模块组成，其中控制器下位通过CAN总线与电子标签、完成器和巷道灯进行连接，上位通过以太网（TCP/IP协议）连接计算机。基于不同的通信协议，各个硬件模块都必须设置相应的通信地址。

图1　系统组成结构

在部署电子标签硬件组件时，电子标签与货位一一对应设置于货架上，用于显示拣选数量；巷道灯及完成器分别与货架的分区一一对应设置，巷道灯用于提示拣选区域或作业故障报警，完成器用于在完成对应分区的拣选任务后进行提示。

2.2系统业务运作模型

使用电子标签系统辅助进行订单分区拣选作业是一个人机相结合的过程。如图2所示，本文将系统抽象划分为上位机软件系统、电子标签执行系统和分区拣选员3个对象主体，基于UML活动图[6]建立了系统分区拣选作业时的整体运作模型，清晰描述了本研究系统从部署到运行时不同阶段各对象主体的主要活动和相互间的动态行为。

图2　系统运作UML活动图

由系统的运作模型可知，实现分区模式的电子标签拣选有2个关键技术环节：一是对电子标签货架进行分区部署和配置管理，二是按照选择配置的拣选作业策略，实现其人机作业过程的逻辑控制。

3　系统分区配置功能设计

系统分区配置主要是对电子标签货架上的储位进行分区划分和储位配置管理。分区划分是以货架列为最小分区单位配置其区域范围，并且每个分区对应配置一个完成器、一个巷道灯和一个拣选员。储位配置主要实现 “电子标签ID—货位号ID—所在分区号ID—货品种类”四者间的一一对应关系。因此，如图3所示，本文构建了“分区—储位”两级数据模型，便于多分区配置功能的设计和实现。基于每一级的数据属性特征建立了系统软件的数据库，设计了分区硬件配置表、分区储位配置表、拣选员表、物品基础数据表等。

4　系统分区作业逻辑控制功能设计

4.1订单分区状态矩阵构建

假设电子标签货架划分为n个分区，订单拣选批量为m时，则根据订单品项在各个分区的分布情况，可以分割生成各分区子订单P(i，j)(1≤i≤m，1≤j≤n)。由此可定义一个(n+1)×(m+1)阶的订单分区状态矩阵A：

图3　“分区—储位”两级数据逻辑模型

矩阵元素 a(i，j)(1≤i≤m，1≤j≤n)表示第i个订单在第j个分区子订单P(i，j)的作业状态，共有 3种状态：未发送、已发送、已完成，分别对应状态值“0，1，2”；元素a(0，j)(0≤j≤m)和a(i，0)(0≤i≤n)为辅助判断位，其值始终为2，用于发送订单数据时的作业逻辑辅助控制。

当作业开始时，各分区订单命令数据还未下达到底层电子标签执行系统，状态矩阵A的初始状态值 a(i，j) (1≤i≤m，1≤j≤n)置0；当系统下发分区子订单 P(i，j)命令数据，A中对应的状态值a(i，j)置 1；当底层电子标签执行系统系反馈分区子订单 P(i，j)拣选完成后，则 A中对的状态位a(i，j)置2。

4.2基于状态矩阵的分区作业逻辑控制

图4描述了系统基于状态矩阵的分区作业逻辑控制过程，主要分为2个控制部分：一是发送分区子订单数据控制；二是分区子订单作业完成反馈控制。

4.2.1发送分区子订单数据控制

发送分区子订单数据控制是根据当前完成的分区子订单P的下标号(i，j)，再基于状态矩阵A进行相应的分区作业策略逻辑判断，决定是否发送指定的分区子订单数据，若发送，则对应分区电子标签亮灯显示，同时更新状态矩阵A中对应的状态位值为1；若不发送，则等待其他分区子订单完成。

不同的分区作业策略下，系统的发送分区子订单的作业过程的判断逻辑是不同的，下面结合图4具体阐述。若当前反馈完成分区子订单 P的下标号为(i，j)时，3种分区拣选策略的控制过程如下：

(1)在串行分区拣选策略下，系统需要发送子订单P(i+1，j)和 P(i，j+1)，其发送的判断条件是其同区标号的上一个子订单和同行标号的前一个区的子订单都已经完成，即假设要发送子订单 P(i，j)，则检查判断状态矩阵A中：a(i-1，j)=a(i，j-1)=2是否成立；(2)在独立并行分区拣选策略下，系统需要发送子订单 P(i+1，j)，其发送判断条件是同区上一个子订单完成，即检查判断状态矩阵 A中：a(i，j)=2是否成立；(3)在关联并行分区拣选策略下，系统需要发送第i+1个订单所有分区子订单P(i+1，j)(1≤j≤N)，其发送判断条件是上一个订单所有分区子订单都已经完成，即检查判断状态矩阵A中：a(i，j)=2(1≤j≤N)是否成立。

图4　基于状态矩阵的分区作业过程逻辑控制

4.2.2分区子订单作业完成反馈控制

分区子订单作业完成反馈控制是指当拣选员完成某个分区子订单任务并拍灭对应分区完成器后，系统会通过自动反馈的完成器ID号来判断作业是全部完成，还是按所配置的分区作业策略继续发送其他分区子订单任务，具体控制逻辑过程如图4所示。其中系统识别分区子订单下标号(i，j)方法是根据反馈的完成器ID号，通过分区硬件配置表查找到对应的分区号j，然后在状态矩阵A的第j列中从上往下查找到首位为1元素的行号i。

5　系统实现

电子标签货架区域大小和分区取决于实际的仓储需求，本研究针对一个仓库实例，根据上述的订单分区拣选作业策略和控制方法，基于C#和SQL数据库具体开发实现系统功能。该仓库实例现场部署了7个电子标签货架，最多可以支持4个分区，其组件模块硬件地址配置范围如表2所示。

表2　硬件地址配置

（1）系统分区配置管理。图5为系统分区配置功能界面，图中货位方格内的数字标识其对应的电子标签ID地址。在进行分区划分和储位配置时，首先在分区基本设置维护中，选择分区数；接着配置每个仓储分区的区域范围和分区对应的完成器ID、巷道灯ID和拣选员；最后，在分区储位维护中对储位物品进行配置。

（2）订单拣选策略配置和作业执行。在批次订单拣选作业执行前，用户必须在线选择配置所需的分区拣选作业策略，共有串行、独立并行、关联并行3种拣选作业策略供用户选择。作业执行监控界面时会实时监控各个分区的作业执行状态和完成进度。

图5　分区配置功能界面

6　结论

本文研究设计了分区模式下的电子标签拣选系统的软硬件组成和业务运作模型，所实现的系统具有以下优点：可扩展性强，可以根据实际仓储需求将电子标签拣选区域部署为任意n个分区，并对每个分区的大小和储位进行管理配置；灵活性高，支持不同批次批量的订单拣选作业，实现对串行、独立并行、关联并行3种常用的分区拣选策略进行在线动态配置，用户可以根据实际情况配置最优的分区拣选策略，大大提升了拣选作业的效率。

[1]侯保华.CAPS电子标签拣货系统介绍[J].商场现代化，2012(1)：46-48.

[2]徐强.电子标签拣货系统的研究与设计[J].物流科技，2008，31(4)：136-138.

[3]马银忠,邱胜海,王云霞，等.现代物流环境下电子标签拣货系统的设计与实现[J].机械设计与制造，2012(9): 263-265.

[4]苑海涛.电子标签拣货系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2012.

[5]刘丙午.仓储中心拣选作业研究综述[J].物流技术，2008，27(8)：15-19.

[6]杨家伟,姚进,李涛，等.改进的UML活动图在建模中的研究与实现[J].电子科技大学学报，2009，38(1)：126-129.

[7]BURINSKIENE A.Order picking process at warehouses[J].International Journal of Logistics Systems and Management，2010，6(2)：162-178.

The design and implementation of zone order picking system based on electronic tag

Huang Zhuiliang1，Chen Jianxiong2
(1.School of Economics&Management，Fuzhou University，Fuzhou 350116，China；2.School of Mechanical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350116，China)

The electronic tag technology can effectively improve the efficiency of the order picking system,which is widely used in the distribution center.Firstly,the software and hardware structure of the zone order picking system based on electronic-tagging was investigated under the mode of zone picking.Then a picking system operation model was built.In addition,the two“zonestorage”levels of the database model were developed to implement the system zone configuration function.Furthermore,the order zone state strategy matrix was proposed to control the picking operation and configure the strategy of zone picking online.Finally, the practice shows that the picking system has the advantages of high scalability and flexibility.In the order picking operations,the picking area can be divided into several zones with different sizes and online configuration according to the actual demand for warehousing operation.

zone picking；electronic tag；order picking system；state strategy

TP23；TP31

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.022

国家自然科学基金青年科学基金项目(51405085)；福建省中青年教师教育科研项目(JAS160075)；福州大学社科科研扶持基金资助项目（15SKF15）；福州大学科技发展基金社科资助（育苗基金）(12SKY03)

（2016-05-09）

黄锥良(1984-)，男，博士研究生，实验师，主要研究方向：系统决策优化、物流技术。

陈剑雄(1981-)，男，博士，副教授，主要研究方向：数控系统、精密测量技术。

中文引用格式：黄锥良，陈剑雄.基于电子标签的订单分区拣选系统设计与实现[J].电子技术应用，2016，42(10)：85-88，91.

英文引用格式：Huang Zhuiliang，Chen Jianxiong.The design and implementation of zone order picking system based on electronic tag[J].Application of Electronic Technique，2016，42(10)：85-88，91.