基于柔性自動化的菜鳥無人倉

文/本刊記者 任 芳

柔性自動化物流系統(tǒng)需要應(yīng)用大量機器人以及人工智能技術(shù)。人工智能為智慧物流帶來了多樣化的技術(shù)，同時智慧物流給人工智能提供了廣闊的應(yīng)用場景。在菜鳥無人倉中，應(yīng)用了無人叉車、揀選AGV、分撥AGV、自動封箱機、碼垛機器人等多種物流設(shè)備，在入庫、揀選、打包、分拔等物流全鏈路都體現(xiàn)了柔性自動化的特點。

隨著物流逐漸成為電商核心競爭力，阿里巴巴對物流愈加重視。2017年9月，阿里巴巴集團宣布以53億元人民幣增資旗下菜鳥網(wǎng)絡(luò)的股份，并將在之后五年內(nèi)繼續(xù)投入1000億元建設(shè)菜鳥網(wǎng)絡(luò)物流體系。在5月底召開的2018全球智慧物流峰會上，阿里巴巴集團董事局主席馬云再次強調(diào)，上千億元投資僅僅只是開始，未來還將持續(xù)投入，全力以赴打造國家智能物流骨干網(wǎng)。其中，推進智能倉庫的建設(shè)便是重點之一。

在此背景下，菜鳥不斷加大對無人倉技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，從打造高度自動化的流水線，實現(xiàn)倉庫揀選環(huán)節(jié)的自動化開始，逐步引入各種類型的機器人，如AGV搬運機器人、揀選機器人、緩存系統(tǒng)等，建成智能無人揀選倉，隨后，能夠?qū)崿F(xiàn)全流程無人化作業(yè)的無人倉也最終落地。

菜鳥網(wǎng)絡(luò)資深算法專家、柔性自動化項目負責(zé)人朱禮君

菜鳥無人倉解決方案

近日，菜鳥與圓通速遞聯(lián)合宣布，超級機器人分撥中心在圓通杭州轉(zhuǎn)運中心正式啟用，350臺機器人晝夜工作，每天可分揀超過50萬個包裹，這一效率引起行業(yè)的廣泛關(guān)注。菜鳥表示，今年“雙11”之前還將在南京上線下一代機器人分撥中心，全面為行業(yè)自動化提速。

事實上，早在今年“618”期間，菜鳥無錫無人倉單倉便已投入超過500臺類KIVA機器人（新型AGV，與傳統(tǒng)AGV相比，導(dǎo)航方式更加先進，行駛路徑不受限制，擁有更加強大的上位軟件系統(tǒng)），成為國內(nèi)同類倉庫中機器人使用規(guī)模最大、運作效率最高的項目。從菜鳥在機器人倉上的投入和進程不難看出其打造“無人倉”的態(tài)度和決心。

菜鳥無人倉（如無錫倉）主要分為四大功能區(qū)域，即：立體存儲倉、機器人揀選倉、機械臂揀選倉及機器人分撥區(qū)域。

立體存儲倉：采用AS/RS系統(tǒng)，商品由機器人自動碼放在托盤上，并由無人叉車送至輸送線，堆垛機按指令實現(xiàn)商品自動入庫存儲以及自動出庫。

機器人揀選倉：分為A、B兩大區(qū)域，A/B區(qū)中間設(shè)置播種工作站，即貨物合流區(qū)，通過“貨到人”和“車到人”兩種方式并行，配合人工完成訂單商品揀選作業(yè)。訂單商品揀選完畢后，包裹被送上輸送線完成面單的全自動張貼以及全自動封箱。

機械臂揀選倉：主要針對中型包裹，通過無人叉車將貨物送上傳送帶，3D相機完成箱體的自動識別，機械臂從托盤上準確抓取包裹，逐一將其投入傳送帶，通過交叉帶分揀機實現(xiàn)包裹自動分揀。

機器人分撥區(qū)域：主要針對小件商品，通過高效的調(diào)度算法系統(tǒng)，結(jié)合工業(yè)相機快速讀碼技術(shù)和機器人智能調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人自主運行、讀碼、分揀包裹等作業(yè)，并將包裹送往指定格口，包裹經(jīng)螺旋升降機等設(shè)備落入集包袋。

最后，包裹通過無人叉車等設(shè)備裝車后發(fā)運。

在無人倉的整個作業(yè)區(qū)域，各種物流設(shè)備的狀態(tài)可實時監(jiān)控，一旦遇到突發(fā)問題及時處理，以確保整個物流系統(tǒng)的高效可靠運行。

人工智能時代下的柔性自動化

從菜鳥無人倉中使用的各類自動化物流設(shè)備來看，整個物流系統(tǒng)具備更大柔性及大量 AI（人工智能）技術(shù)的應(yīng)用，這也是菜鳥無人倉的最大特點之一。菜鳥網(wǎng)絡(luò)資深算法專家、柔性自動化項目負責(zé)人朱禮君表示，人工智能時代自動化物流系統(tǒng)的新變化即柔性自動化。

在他看來，柔性自動化物流系統(tǒng)具有四大特點：

第一，擴展性強、魯棒性強。系統(tǒng)可以很快部署新的機器人等自動化設(shè)備，從而處理更多的訂單；同時系統(tǒng)魯棒性非常強，當(dāng)單個節(jié)點出現(xiàn)問題時不會影響整個倉庫的作業(yè)。

第二，模塊化設(shè)計，易部署和搬遷。隨著電商的快速發(fā)展，商品種類越來越多，其具有各種各樣的物流屬性和銷售屬性，不同的商品需要不同的作業(yè)模式，物流系統(tǒng)需要模塊化的設(shè)計。正是因為模塊化的設(shè)計，柔性自動化物流系統(tǒng)能輕松實現(xiàn)部署和搬遷，如，菜鳥某個面積為5000平方米的機器人倉庫僅用1小時便在正常揀貨作業(yè)的情況下完成了搬倉作業(yè)。

第三，便于根據(jù)業(yè)務(wù)變化調(diào)整作業(yè)流程。倉庫需要根據(jù)訂單商品的特點，不停地改變物流作業(yè)模式，以快速適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展變化。

第四，在物流全鏈路大部分實現(xiàn)自動化的情況下，物流作業(yè)的可預(yù)測性更強。

近期，菜鳥與圓通速遞聯(lián)合宣布超級機器人分撥中心在圓通杭州轉(zhuǎn)運中心正式啟用

菜鳥無人倉實現(xiàn)全鏈路柔性自動化

柔性自動化物流系統(tǒng)需要應(yīng)用大量機器人以及人工智能技術(shù)，可以說，人工智能為智慧物流帶來了多樣化的技術(shù)，同時智慧物流給人工智能提供了廣闊的應(yīng)用場景。在菜鳥無人倉中，應(yīng)用了無人叉車、揀選AGV、分撥AGV、自動封箱機、碼垛機器人等多種物流設(shè)備，在入庫、揀選、打包、分拔等物流全鏈路都體現(xiàn)了柔性自動化的特點。

1. 多區(qū)并行柔性自動化方案的提出

據(jù)朱禮君介紹，倉儲作業(yè)跟計算機的工作原理非常類似。如，倉庫做物品的存儲，計算機做數(shù)據(jù)的存儲；倉庫進行訂單生產(chǎn)時是把貨物從貨架上取出，這與計算機做數(shù)據(jù)提取、計算非常類似；倉庫存儲商品，這類似于計算機硬盤；計算機有很多文件，有些文件可能很長時間不會訪問，這和倉庫備貨區(qū)一樣；倉庫揀選區(qū)則和計算機內(nèi)存差不多；而電商倉庫中的爆品區(qū)域則相當(dāng)于計算機的高速運轉(zhuǎn)。因此，倉庫作業(yè)總能在計算機結(jié)構(gòu)里找到映射。在電商時代，倉庫變得非常大，每天要處理的商品種類和訂單量非常多，映射到計算機結(jié)構(gòu)里面就相當(dāng)于大數(shù)據(jù)處理。大數(shù)據(jù)處理最有名的框架是MapReduce，它包含三個重要操作——Map（將工作并行化）、Shuffle（再次合并）、Reduce（最終產(chǎn)生結(jié)果）。

基于該想法，菜鳥提出了模塊化的多區(qū)并行的自動化物流解決方案，將大數(shù)據(jù)處理框架映射到倉儲系統(tǒng)中，MAP代表不同的訂單與不同的生產(chǎn)作業(yè)模式，Shuffle表示暫存與合單，Reduce表示播種在不同的訂單中，即將倉儲作業(yè)中不同的分區(qū)、不同的作業(yè)模式，以及不同的自動化模式進行并行操作、并行生產(chǎn)后再合并，流入Rebin Zone（合流區(qū)，即菜鳥無人倉中的播種工作站），訂單商品合流到一個箱子后進行打包出庫。

2. 柔性自動化方案在菜鳥無人倉的實踐

（1）多方式并行揀選。在前文提到的菜鳥無人倉內(nèi)的機器人分揀倉，A區(qū)機器人針對低流動量的商品，即“冷品”，采用貨架到人的類Kiva系統(tǒng)進行揀選作業(yè)；B區(qū)機器人針對高流動量商品，即“爆品”,采用車到人（訂單到人）揀選。這兩種方式采用的并行揀選作業(yè)是模塊化的，不會影響其他區(qū)的作業(yè)，同時打破了原有AGV系統(tǒng)僅能單區(qū)作業(yè)的局限，提升整個系統(tǒng)的作業(yè)效率，這背后提供支撐的無疑是菜鳥先進的算法。

2018全球智慧物流峰會上展示的菜鳥無人倉柔性分撥解決方案

（2）柔性分撥。即，將倉庫生產(chǎn)好的包裹按照不同流向和目的地進行分揀，機器人非常適合完成該作業(yè)，因為機器人有固定的運動軌跡，適合做點對點的物品搬運。

對此，菜鳥設(shè)計了新的柔性分撥系統(tǒng)解決方案，即通過機械手臂（目前為人工，未來將替代為機械手臂）將包裹放到AGV上；AGV在經(jīng)過掃描臺時，包裹上的信息被自動掃描，AGV按照上位系統(tǒng)的指令前往目的地，然后將包裹倒入對應(yīng)的集包簍；集包簍裝滿后，會被另外一臺AGV帶到對應(yīng)的出庫月臺。這是非常柔性的自動化分撥系統(tǒng)。

需要注意的是，由于既有運送集包簍的大型AGV，也有分揀用的小型AGV，它們的路徑規(guī)劃非常復(fù)雜；此外，每一個集包簍的目的地也需要規(guī)劃，不同目的地的集包簍流量不同，如何使它既不攔路，又能縮短AGV的行走時間非常關(guān)鍵，這是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

（3）機械臂的應(yīng)用。機械臂在菜鳥無人倉內(nèi)被應(yīng)用于拆/碼垛及揀貨作業(yè)，基于RGB-D數(shù)據(jù)的三維物體識別、定位、姿態(tài)估計激發(fā)、箱體分割算法等技術(shù)，采用工業(yè)生產(chǎn)線標準，具有高效率、高可靠性、高魯棒性等特點。

柔性自動化方案關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展方向

1.軟硬結(jié)合&系統(tǒng)工程

無人倉建設(shè)項目既不是純軟件工程，也不是純硬件工程，而是一個系統(tǒng)工程，從流程設(shè)計到硬件設(shè)計、軟件設(shè)計，都需要綜合考慮，才能夠?qū)崿F(xiàn)高效率作業(yè)。物流柔性自動化技術(shù)具體包括軟硬件協(xié)同、端到端設(shè)計，以及可轉(zhuǎn)換性、魯棒性、靈活性等。

2. I o T（物聯(lián)網(wǎng)）與 E d g e Computing（邊緣計算）

菜鳥在IoT方面有非常多的投入。在2018全球智慧物流峰會上，菜鳥宣布全面啟動物流IoT戰(zhàn)略，并發(fā)布全球首個基于物流IoT的“未來園區(qū)”，這也是IoT、邊緣計算和人工智能等技術(shù)首次大規(guī)模應(yīng)用于物流領(lǐng)域。

無人倉是未來物流園區(qū)的標配，也是IoT技術(shù)非常好的投入點，具體技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、預(yù)見性維護等。

3. 機器人技術(shù)

各種類型及功能的機器人是無人倉中毫無疑問的主角。菜鳥無人倉內(nèi)有超過500臺AGV在多個庫區(qū)作業(yè)，機器人技術(shù)最重要的三點分別是Perception（感知）、Planning（規(guī)劃）、Execution（執(zhí)行）。

4. 大規(guī)模多智能體規(guī)劃和調(diào)度技術(shù)

倉庫要實現(xiàn)柔性自動化，機器人必須協(xié)同作業(yè)。為了實現(xiàn)最大化的倉儲生產(chǎn)效率，縮短訂單處理時間，需要對AGV進行聯(lián)合調(diào)動、任務(wù)分配、路徑規(guī)劃，對資源進行合理分配優(yōu)化等，這就涉及大規(guī)模的規(guī)劃和分配技術(shù)。

資源分配通常有兩種解決方法，一種是中央規(guī)劃解法，首先要建立模型，收集各類數(shù)據(jù)，包括每一個機器人及每個貨物的位置等信息，通過數(shù)據(jù)分布分析求解單位時間內(nèi)的最大出庫量，菜鳥在相對較小的倉庫采用這種解法。

在大型倉庫，如菜鳥無人倉，則采用另一種解法——資源分布式競價，大倉庫內(nèi)有非常多的機器人和貨架，可以進行各種組合完成揀選任務(wù)。機器人和貨架可以模擬成一個任務(wù)，誰贏了誰做任務(wù)。這其中的關(guān)鍵技術(shù)便是競價策略的設(shè)計，在大型倉庫上下游之間銜接比較緊密、很難解耦的環(huán)境比較適合，因為最上游的決策可能影響到最后一個決策，所以貫穿上下游的決策全部做下來是難點所在。

智能規(guī)劃調(diào)度部分涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括Swarm Intelligence（群體智能）、Resource Allocation（資源配置）、Path Planning（路徑規(guī)劃）、Traffic Control（流量控制）等。

朱禮君表示，未來很多大規(guī)模智能體的技術(shù)會向群體智能方向發(fā)展，借鑒自然界生物的行為，如優(yōu)化算法里的蟻群算法便是通過模擬螞蟻行為進行的算法——單個螞蟻不會搭橋，但是螞蟻之間可以互相搭橋讓其他螞蟻通過。這些概念可以引入智能體在倉庫中的應(yīng)用，未來當(dāng)每一個智能體有了足夠強大的智能導(dǎo)航及決策功能后，群體智能將成為柔性自動化技術(shù)的發(fā)展方向。并且，柔性自動化物流系統(tǒng)基于其擴展性強、易部署、模塊化、算法高效智能、魯棒性強等突出優(yōu)勢，將會對整個物流行業(yè)帶來巨大革命。