面向高端装备制造企业的物流中心拣选系统设计

戴 博，杨根科

（上海交通大学 自动化系系统控制与信息处理教育部重点实验室，上海 200240）

面向高端装备制造企业的物流中心拣选系统设计

戴 博，杨根科

（上海交通大学 自动化系系统控制与信息处理教育部重点实验室，上海 200240）

针对高端装备制造企业多品种、小批量、定制化的生产制造模式，设计了物流中心拣选系统及关键组成结构。系统集成了自动化立体仓库、仓储信息管理系统WMS和仓库监控系统WCS，并结合了当前最主流的“货到人”拣选技术。该系统能满足高端装备制造企业个性化物流需求，并有效提升物流中心拣选作业和整体运行效率。同时，该系统在高端装备制造行业内具有较好的示范效应和推广价值。

高端装备企业；自动化立体仓库；拣选系统；智能物流

0 引言

众所周知，高端装备制造企业[1]是指生产制造高技术含量、高附加值的先进工业设施设备的企业，往往处于产业链核心环节。由于产品定制化程度高、生命周期长、可靠性及质量要求极高，其生产具备典型的多品种、小批量、离散化、变更多和工艺复杂等特性，其生产所需物资同样存在品种多、批量小、定制化程度高、差异大等特性。

因此，高端装备制造企业的物流拣选系统面临极大的挑战，要求能够在有限的场地内，以合理的库存水平，保证生产各个环节所需物资的及时、准确、有效供应。通常来说，拣选作业时间约占整个仓储作业时间的30%～40%，拣选搬运成本约占仓储搬运成本的90%[2]；拣选人员的数量占仓储作业人员数量的60%以上；在传统拣选系统中，拣选人员70%的作业时间是在移动，30%的作业时间真正用于挑选物资[3]。因此，拣选作业作为仓储作业中劳动密集程度最高、作业时间最长、作业成本占比最高的环节，是物流中心最核心、最重要的组成部分，其效率决定了企业物流中心的整体运作效率。

目前，物流拣选系统在高端装备制造企业的应用属于起步阶段，大多数企业仍然较多采用传统管理手段。近年来，随着自动化立体仓库（AS/RS，Automated Warehouse Automatic Storage And Retrieval System）、RFID射频识别、二维码等技术的逐步成熟与推广，物流拣选系统开始进入智能化、自动化时代，并率先在电商[4,5]、烟草[6,7]、电子[8,9]、酒业[10,11]、部分加工制造业[12,13]等行业得以广泛采用。

因此，本文针对高端装备制造企业多品种、小批量、定制化的生产制造模式，设计了物流中心拣选系统及关键业务流程。拣选系统集成了自动化立体仓库、仓储信息管理系统WMS和仓库监控系统WCS，并结合了当前最主流的“货到人”拣选技术。该系统能满足高端装备制造企业个性化物流需求，并有效提升物流中心整体运行效率，并已在国内某世界五百强高端装备企业实际应用。

1 拣选作业概述

拣选作为物流中心核心作业，是指从物流中心存储区域将物资从库位中拣选出库，并送至发货区的过程。拣选作业需解决以下主要课题：何时何地拣选？拣选哪些种类及数量的物资？拣选信息如何传递？拣选后物资送至何地？拣选路线如何规划？

从拣选作业方式来看，拣货作业可分为“人到货”和“货到人”两种主要类型。“人到货”拣选主要以人工操作为主，技术应用为辅[2]。“货到人”拣选主要以技术应用为主，人工操作为辅[2]。

人到货含义为：拣货员根据拣选信息指示前往物流中心物资存储区域，到达指定库位，拣选指定种类及数量的物资，并运送出库至指定位置。货到人含义为：拣货员只在拣选区域内部执行分拣任务，无须前往物资存储区域，所需物资及相关拣选信息由系统自动输送至拣选区域。因此，货到人技术极大地减少了拣货员的走动距离，自动化、智能化技术应用程度高，能大大提高拣选作业效率。

近年来，“货到人”技术在电商行业得到了较多应用，使得分拣订单履行更高效，每小时可以处理500～1000SKU的流量，处理能力是传统作业方式的10倍以上[14]，并可避免由于人工拣选带来的千分之一误差率[15]。与此同时，在拣选作业中，智能化自动拣选设备已经广泛地得以应用[16～18]。

自动拣选设备是按照发货指令，通过识别自动传输线上的货物种类，利用拣选结构将货物进行分类。由于自动拣选设备使用的流水线自动作业方式，货物信息识别速度快，能连续、大批量地拣选货物，不受时间、人的体力等因素的限制，因此可以达到较高的拣选作业效率。同时自动拣选设备广泛采用条码等自动识别技术，货物的信息可以正确读取，因此货物种类的确定差错率低，系统作业的准确性好；该类设备对货物一般具有较好的保护作用，对货物损伤比较小；有些类型的自动拣选设备还可以通过修改相应的运行参数，可以快速实现不同种货物的拣选种类切换，适应性比较强；自动拣选设备系统能最大限度地减少人员的使用，货物的移动、信息的读取都自动完成，大幅度地减轻员工的劳动强度。本文将着重研究自动拣选设备在面向高端装备制造企业的物流中心拣选系统中的应用。

2 拣选系统设计

对于高端装备制造企业，最新趋势为采用集成供应、生产、销售、逆向物流，中央集控，分布式布局的智能物流管理模式[19]，并导入智能化、自动化物流中心及拣选系统[20]。其中，在企业投入、转换、产出等各环节的物流活动中，所需原材料、零部件、在制品、备品备件供应均具备多品种、小批量、多频次、需求不确定性及定制化程度高的特性，对物流中心拣选系统设计带来极大挑战与难度。下文首先阐述物流中心关键业务流程及其相互逻辑关系，随后提出拣选系统设计原理及其关键技术。

一般来说，企业物流中心包含收货、检验、更换包装、入库、拣选出库、配送等作业流程，具体如图1所示。

由图1可知，拣选系统在物流中心内部主要涉及物资的拣选与出库作业环节，但在设计拣选系统时须向前后作业环节甚至物流中心外部进行延伸，综合考虑各环节之间的匹配关系。从前端来说，拣选作业与入库、收货、更换包装甚至供应商处的采购订单类型、包装及出库作业有关联；从后端来说，拣选作业与生产线、客户的领用订单、收货作业有关联。下文从三个方面对拣选系统设计进行详细阐述。

2.1 物资包装标准化

在高端装备制造企业物流中心内，根据物资类型、重量、尺寸信息，一般会采用三种货架存储形式。第一种是存放小件物资的标准周转箱式立体仓库（如图2中①所示），该类物资尺寸一般为600×400×300mm、重量为50kg以内；第二种是存放中件物资的标准托盘式立体仓库（如图2中②所示），该类物资尺寸一般为1200×1100×1400mm、重量为1.5t以内；第三种是存放大件物资的重型托盘式高位货架仓库（如图2中③所示），该类物资尺寸一般为2000×1200×1400mm、重量为3t以内；对于其他尺寸超过2000mm、重量超过3t的物资，一般直送存放于生产现场。

图1 物流中心作业流程示意图

图2 物流中心拣选系统示意图

由图2可见，无论物资存放于何种形式的货架，所有物资均需配有承载包装，以便于物资防护、存储、运输、出入库、减少物流中间环节转运等过程，即为包装标准化。它是物流中心拣选系统设计的最重要基础条件。一旦物资包装实现标准化，从供应商至物流中心、从物流中心至生产线或客户均可实现包装一体化流转和重复利用，将大大降低拣选系统复杂程度并提高物资流转效率。需要指出的是，各类物资包装可以根据高端装备制造企业物资特性进行选择，且应尽可能选用标准化包装。同时，每个包装内可设置分隔从而能存放多种物资，以符合物资多品种、小批量、多批次需求。

2.2 拣选系统硬件设计

物流中心拣选系统硬件主要包含以下三大类型。

第一类为图2中对应各类物资包装的存储货架，包括周转箱式自动化立体仓库、托盘式自动化立体仓库、重型货架仓库。该类货架空间利用率高、占地面积小、库位数量多，适合于物资密集型存储。

第二类为用于物流中心出入库作业的设备，包括输送机、堆垛机、码垛机械手等，如图3所示。该类设备可取代人工出入库作业，既减轻人员劳动强度、作业误差率，又提高出入库作业效率。

图3 物流中心出入库作业设备示意图

第三类为专门用于物流中心拣选作业的设备，包括“货到人”拣选设备（如图4所示）、辅助拣选设备（如图5所示）。

图4 物流中心货到人拣选作业专用设备示意图

图4中左图为最新的全自动“货到人”拣选设备，其特点是：待拣选周转箱、空周转箱、拣选后周转箱均为系统自动输送与返回；系统自动提示拣选数量和位置并防错、减少人为错误；基于人机工程学，考虑人体搬运疲劳度和舒适度，减少作业人员劳动强度；拣选效率高，是传统拆零拣选的5倍以上，每小时可处理1000订单行以上拣选任务，且无误差率。图4中右图为电子标签拣选系统[21]，其功能与左图设备类似，区别在于空周转箱、拣选后周转箱需人工补给与取拿。

图5 物流中心辅助拣选作业专用设备示意图

图5中左图为机器人辅助拣选设备，图5右图为悬臂吊辅助拣选设备。由于高端装备制造企业的零部件物资具有体积大、重量大的特性，不宜人工搬运、拣选，在包装标准化的基础上，采用机械助力设备既能取代人工劳动，又能提高拣选作业效率。

2.3 拣选系统软件设计

物流中心拣选系统软件系统包括仓储信息管理系统WMS和仓库监控系统WCS。WMS为物流中心与企业资源规划系统ERP、制造执行系统MES、客户管理系统CRM、供应商管理系统SRM进行信息传递的支撑系统，结合条码技术、RFID技术，能实现所有物资信息的自动存储、传递、准时化供应，并确保库存信息齐全、可追溯。同时，WMS将接收上位系统传递的物资采购订单、领用订单，是指导拣选作业的指令来源。WCS是物流中心拣选系统硬件设备的调度与监控系统，通过与WMS系统进行信息传递，可实现物资在物流中心的自动入库、出库、货位分配、拣选提示、快速拣选与配盘等功能。

此外，在WMS系统中可结合多种拣选订单方式，比如播种式、摘果式和混合式等类型[2]，又如订单拣选、批次拣选和流程拣选等类型[22]。

3 结束语

物流中心拣选系统按以上方式设计并实施后，以国内某世界五百强高端装备制造企业为例，将从有形和无形两个方面给企业及整个供应链带来以下预期效果。

首先，从有形绩效指标来看，物资及时交付率和齐套供应率提升20%，物资周转率提升20%，呆滞库存比例降低20%；库存总成本降低20%；拣选作业效率提升50%以上。

其次，从无形效益来看，拣选系统的高效运作将串联起企业乃至供应链的产供销核心业务，促进实现物流的标准化、精益化、信息化，从而及时、快速、高质量的满足供应链上物资的个性化、定制化需求，有助于打造全供应链的核心竞争力。此外，系统为我国高端制造企业物流中心及拣选系统设计提供了较好的示范和参考模板。

展望未来，随着高端装备制造企业物流管理逐步实现智能化、自动化，物流中心拣选系统设计将纳入更多先进的智能技术、自动化技术。同时，随着信息化时代的来临，拣选系统也将向以高端装备制造企业为核心的产业链上下游进行深度扩展，结合多种信息系统的深入应用，将获得更多、更准确的物流数据。通过结合大数据技术对所获取数据进行深度挖掘与处理，将为产业链提供更多有效物流运营决策支持，对于全产业链物流服务与运作水平持续提升具有重大意义。

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The logistics center sorting system design in high-grademanufacturing enterprise

DAI Bo, YANG Gen-ke

F274

：B

：1009-0134(2017)05-0147-04

2017-04-19

国家自然科学基金项目（61290323；61290322；61304214）

戴博（1981 -），男，湖南岳阳人，博士，研究方向为供应链与物流管理、智能制造和合作博弈。