倉庫自動化實(shí)踐研究
——WATERS項(xiàng)目操作改造案例

王 輝，朱海光

（1.上海城建職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程與信息學(xué)院，上海 201415；2.NE公司國內(nèi)物流部，上海 200336）

0 引言

隨著信息化、智能化工業(yè)的不斷發(fā)展和深入，人工智能已經(jīng)迅速融入了全球各大產(chǎn)業(yè)，越來越多的制造業(yè)、物流業(yè)廠商等勞動力密集型企業(yè)正在努力尋求智能化操作，力圖減少日益增大的勞動力成本和不斷增加的作業(yè)量。在IT技術(shù)幾十年的發(fā)展過程中，我們看到信息化和智能化改變了人類的生產(chǎn)模式和生產(chǎn)方式，現(xiàn)代智能機(jī)器人的出現(xiàn)更是改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)操作模式，為所有產(chǎn)業(yè)帶來了全新的技術(shù)展望。

物流產(chǎn)業(yè)作為全球市場產(chǎn)業(yè)鏈中的重要環(huán)節(jié)，已經(jīng)越來越成為制約貨物流通的瓶頸，可以說物流產(chǎn)業(yè)決定了全球貨物流通的速度，而貨物流通的速度也從一個側(cè)面決定了全球的經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。影響物流產(chǎn)業(yè)的因素很多，比如：各國的法律制度和政策，國與國之間的關(guān)系，人員素質(zhì)等。但是越來越多的物流公司都遇到了同一個產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸，即勞動力成本不斷增長所帶來的制約因素。無論是大型國際物流公司，還是小型物流公司都面臨這個問題。人工操作已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前物流的需求，也嚴(yán)重影響了貨物流通的速度和正確率。因此，采用自動化設(shè)備解決勞動密集型操作已經(jīng)成為刻不容緩的任務(wù)。對此，NE國際物流公司也在積極探索和研究，先從倉儲方面尋找自動化操作模式。

1 NE公司倉儲業(yè)務(wù)操作現(xiàn)狀

NE公司是某國最大的綜合性物流公司，具有近百年歷史，世界五百強(qiáng)企業(yè)，擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)、完善的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，聯(lián)結(jié)世界37個國家、212個城市、383個網(wǎng)點(diǎn)的物流網(wǎng)絡(luò)，雇員數(shù)量達(dá)43544人，擁有車輛32656輛，倉庫面積達(dá)260萬平方米，船舶載貨量42591噸，空運(yùn)網(wǎng)絡(luò)遍布世界各地。對于NE公司來說，倉儲業(yè)務(wù)已經(jīng)成為公司的重點(diǎn)發(fā)展對象，公司擁有一套完整的WMS系統(tǒng)，在信息化方面已經(jīng)相當(dāng)完善，但在現(xiàn)場操作方面，公司的智能化設(shè)備就相對落后。相比之下，國內(nèi)的大型物流企業(yè)如京東、順豐、阿里巴巴等已經(jīng)走在了NE公司前面，很多倉庫采用了智能設(shè)備，部分倉庫甚至發(fā)展成了無人倉，極大地減少了人力成本，提高了工作效率，增強(qiáng)了企業(yè)的競爭力。

雖然各個企業(yè)運(yùn)輸?shù)呢浳镱愋筒煌?，NE公司的倉儲貨物類型與上述三家公司也有著較大的區(qū)別，要實(shí)現(xiàn)全面智能化和無人倉管理有一定的困難，但還是可以從眾多業(yè)務(wù)中選擇性地開展自動化操作，對某些人力成本高、操作重復(fù)性高的項(xiàng)目可以進(jìn)行操作改善，從一兩個項(xiàng)目入手，積累自動化改善經(jīng)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)全面智能化倉儲操作。

要實(shí)現(xiàn)智能化倉儲管理，首先要了解目前市場上的主流智能化設(shè)備，筆者參加了多個智能化倉庫展會，深入了解了多家智能化廠商及其產(chǎn)品，對當(dāng)前市場上的主流產(chǎn)品有了充分的認(rèn)知，對這些產(chǎn)品的功能和應(yīng)用場景也有了進(jìn)一步的了解。

2 現(xiàn)代化倉儲設(shè)備

2.1 電子標(biāo)簽揀貨系統(tǒng)（DPS）

DPS（digital picking system），即摘取式電子標(biāo)簽揀貨系統(tǒng)，是在揀貨操作區(qū)中的所有貨架上，為每一種貨物安裝一個電子標(biāo)簽，并與系統(tǒng)的其他設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)。

圖1 自動化流水線

2.2 機(jī)械手臂

機(jī)械手臂是機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛應(yīng)用的自動化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造以及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影。盡管它們形態(tài)各異，但都有一個共同的特點(diǎn)，就是能夠接受指令，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。

從操作效率上來看，機(jī)械手臂可以減少操作人員，提高效率，初步實(shí)現(xiàn)無人操作。但是，該自動化設(shè)備在制造業(yè)中的使用比較廣泛，并且對于貨物的外形有一定的要求及限制。因?yàn)闄C(jī)械手爪需要根據(jù)貨物的外形進(jìn)行調(diào)整，這個調(diào)整既可能是硬件方面的，也可能是軟件設(shè)計(jì)的調(diào)整。所以在倉儲物流中，機(jī)械手臂的實(shí)施性能完全取決于貨物的外形。

圖2 機(jī)械手臂

2.3 自動導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV）

AGV（automated guided vehicle），即自動導(dǎo)引運(yùn)輸車，是裝備有電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸車。

AGV以輪式移動為特征，較之步行、爬行或其它非輪式的移動機(jī)器人具有行動快捷、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可控性強(qiáng)、安全性好等優(yōu)勢。與物料輸送中常用的其他設(shè)備相比，AGV的活動區(qū)域無需鋪設(shè)軌道、支座架等固定裝置，不受場地、道路和空間的限制。因此，在自動化物流系統(tǒng)中，最能充分體現(xiàn)其自動性和柔性，實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、靈活的無人化生產(chǎn)，還能夠從原先的“人找貨”變成“貨找人”。

圖3 AGV及貨架

3 倉庫智能化改善實(shí)施方案

根據(jù)以上自動化操作理論，作者希望結(jié)合倉庫的實(shí)際情況，對倉庫中的大項(xiàng)目進(jìn)行自動化改善操作。其目的就是將現(xiàn)有的人工操作轉(zhuǎn)成半自動操作，最后轉(zhuǎn)型成為自動化無人倉。由于我司倉庫的現(xiàn)場操作一直采用人工方式進(jìn)行，所以想要完全采用自動化操作具有相當(dāng)?shù)碾y度，因此我司想通過理論結(jié)合實(shí)際的方式，分多個階段來簡化現(xiàn)場的操作，節(jié)約人工成本，提高工作效率，改善工作質(zhì)量。

倉庫的操作分為入庫和出庫兩部分。從操作流程來看，入庫主要依靠WMS系統(tǒng)來分配庫位，如果公司擁有一套WMS系統(tǒng)，那么入庫操作就會變得簡單方便。而且入庫操作對于時間的要求不是很嚴(yán)格，所以操作成本也就相對低一些，因此入庫操作反映不出倉庫作業(yè)的真實(shí)能力。真正考驗(yàn)倉庫能力的是出庫操作，出庫操作對于人工和時間成本都有很高的要求。成本、效率、準(zhǔn)確率是考驗(yàn)倉庫出庫能力的三個標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下，出庫操作分為四個步驟：①訂單入系統(tǒng)，并指示貨物庫位；②揀貨操作；③貨物稱重流轉(zhuǎn)；④貼運(yùn)輸標(biāo)簽。其中，②—④步驟都可以由自動化設(shè)備來代替人工，但考慮到采購整套設(shè)備的可行性以及成本問題，作者還是計(jì)劃分三個階段完成倉庫自動化升級作業(yè)。這三個階段由易到難，成本由低到高。通過對每個階段的認(rèn)知，了解全自動化作業(yè)的整體運(yùn)行模式。

2）扶蔓促。苗高超過10 cm時，及時定枝、疏枝。選留上部生長最為健壯的新梢，抹除多余枝梢，立桿扶直，讓其直立向上生長至1.2 m摘心。

第一階段：對于出庫操作的稱重流轉(zhuǎn)進(jìn)行升級，采用自動滾帶和自動稱重機(jī)來代替目前的人工搬運(yùn)操作，提高貨物流轉(zhuǎn)能力。

第二階段：采用機(jī)器人流轉(zhuǎn)貨物，用機(jī)器人替換自動滾帶和自動稱重機(jī)，可以為倉庫節(jié)省大量的空間，進(jìn)一步提高貨物的流轉(zhuǎn)速率。缺點(diǎn)是仍舊需要人工進(jìn)行揀貨，機(jī)器人只負(fù)責(zé)引導(dǎo)人工揀貨和流轉(zhuǎn)。

第三階段：全自動化操作，由機(jī)器人負(fù)責(zé)揀貨、稱重、打印標(biāo)簽等一系列出庫操作，人工只需在作業(yè)臺按機(jī)器人指示進(jìn)行簡單的操作。這樣庫內(nèi)基本實(shí)現(xiàn)無人化。

作者的想法是通過完成每個階段目標(biāo)，來達(dá)到自動化倉庫操作的經(jīng)驗(yàn)積累，并根據(jù)每個項(xiàng)目的特點(diǎn)和人員配備，開發(fā)出一套效率最優(yōu)的操作方案。下面就以WATERS項(xiàng)目為例，介紹通過實(shí)際操作來解決該項(xiàng)目的自動化操作方案。

3.1 WATERS項(xiàng)目當(dāng)前出庫操作流程

WATERS是我司某個倉庫的一個非常重要的倉儲項(xiàng)目，其貨物主要為化學(xué)試劑和化學(xué)儀器等部件。我司安排了7排5層貨架供其存放，其貨物品種達(dá)到了3500種。每日工作量情況請參考表1。

表1 WATERS項(xiàng)目操作情況

從表1可以看出，WATERS項(xiàng)目占用了倉庫相當(dāng)大的勞動力，由于技術(shù)手段落后，倉庫只能通過手工方式進(jìn)行出入庫操作，工作效率非常低下。

當(dāng)前WATERS項(xiàng)目的現(xiàn)場操作包括入庫和出庫兩個步驟。入庫操作相對于出庫來說比較簡單，在此不做過多的描述，我們需要改善的是出庫操作。出庫操作是本次自動化改善的重點(diǎn)。

WATERS項(xiàng)目出庫操作步驟：①客戶通過郵件形式發(fā)訂單至倉庫事務(wù)（倉庫事務(wù)主要負(fù)責(zé)WMS和TMS系統(tǒng)的導(dǎo)入工作）。②事務(wù)獲取訂單后，打印揀貨單、訂單標(biāo)簽給現(xiàn)場操作。③現(xiàn)場操作人員（1人）根據(jù)訂單指示到庫區(qū)揀貨。④完成每票訂單的揀貨后，貨物被放在人工流水線上，由操作人員（2人）掃描貨物上的貨品型號二維碼，并將掃描信息上傳至客戶系統(tǒng)。⑤所有掃描的貨物放入紙箱內(nèi)進(jìn)行封箱操作并貼上訂單標(biāo)簽（1人）。⑥對所有紙箱進(jìn)行稱重操作（1人）。⑦所有稱重完成的紙箱放在堆放區(qū)，現(xiàn)場操作將重量信息（紙質(zhì)）交給事務(wù)，由事務(wù)將重量信息輸入TMS系統(tǒng)并完成分貨操作。⑧分貨完成后，事務(wù)打印運(yùn)單并交給現(xiàn)場操作。⑨現(xiàn)場操作人員根據(jù)運(yùn)單上的單號進(jìn)行貼標(biāo)工作（2人）。

3.2 WATERS項(xiàng)目出庫操作改善方案

以上就是目前WATERS項(xiàng)目的操作流程，整個流程相當(dāng)復(fù)雜，非常耗時，人工成本也很高。從理論上分析，整個出庫的操作過程有三個節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)自動化：①現(xiàn)場揀貨。②掃描、稱重操作。③貼運(yùn)單。這三個節(jié)點(diǎn)消耗了大量的時間和人力，而且錯誤率也很高。從客戶投訴的情況看，每三次投訴中就有一次是關(guān)于這三個節(jié)點(diǎn)的操作。我們對這三個節(jié)點(diǎn)預(yù)想的改善操作如下：

（1）采用AGV智能機(jī)器人揀貨。如前文所述，AGV是目前最先進(jìn)的物流倉儲機(jī)器人，可以完全替代人工進(jìn)行揀貨操作。從理論上來說AGV可以應(yīng)用在WATERS項(xiàng)目上。

（2）采用自動傳送帶傳送貨物并完成自動掃描、封箱及稱重。當(dāng)貨物被挑選出來后，我們需要掃描、封箱、稱重等一系列操作。我們采用自動傳送帶來完成上述操作。傳送帶配備有掃描設(shè)備、封箱設(shè)備以及稱重設(shè)備。貨物在流轉(zhuǎn)過程中會被自動掃描、封箱及稱重，其中掃描信息自動傳入客戶系統(tǒng)，稱重信息傳入事務(wù)電腦中。貨物在皮帶傳送過程中，只有裝箱一個動作是需要人工操作的，這樣極大地減少了人力。

（3）采用掃描槍結(jié)合軟件程序完成運(yùn)單打印和貼標(biāo)工作。貼運(yùn)單標(biāo)簽是整個出庫過程中最后的步驟，也是最容易出錯的環(huán)節(jié)。在人工模式下，操作人員只能通過肉眼來尋找紙箱上的訂單號并張貼運(yùn)單。這是最原始的操作方式，針對這個問題我們提出了兩種改善方案。第一種方案是直接在傳動帶上配備貼標(biāo)設(shè)備，貼標(biāo)工作由機(jī)械設(shè)備完成，無需人工干預(yù)。方案一的前期投入較大，需要將貼標(biāo)系統(tǒng)與TMS系統(tǒng)對接，傳送帶掃描單號后上傳至TMS，TMS接到單號后將打印結(jié)果反饋至傳送帶的打印設(shè)備，打印設(shè)備完成打印后由貼標(biāo)設(shè)備進(jìn)行貼標(biāo)。第二種是利用掃描槍和程序相結(jié)合完成貼標(biāo)工作，由操作人員掃描紙箱上的型號條碼，打印機(jī)根據(jù)條碼打出運(yùn)單，操作人員再將運(yùn)單貼到紙箱上，整個過程需要人工干預(yù)，打印機(jī)可以放在現(xiàn)場，也可以采用便攜式打印機(jī)。

3.3 WATERS項(xiàng)目改善方案可行性分析

對這三種改善方案進(jìn)行可行性分析：

第一種方案是采用AGV模式進(jìn)行揀貨。從目前的物流趨勢來看，AGV已經(jīng)占據(jù)了智能化倉儲的大部分市場，其性能非常優(yōu)越，也很適合在WATERS項(xiàng)目上開展實(shí)施。按每個AGV工作3年以及3年內(nèi)維護(hù)、耗電等費(fèi)用約15～20萬元，貨架的購買改造為30萬元來計(jì)算，對人工操作和AGV操作進(jìn)行比較，如表2所示，可以看出AGV每小時的揀貨數(shù)量相當(dāng)于四個操作人員。但其價格也比較昂貴，按3年使用成本來看，其費(fèi)用與人工成本相差不多。

表2 人工與AGV操作對比

在現(xiàn)有模式下，算上AGV的充電時間，倉庫需要購買兩臺AGV才能保證正常的操作，這樣采用AGV操作的成本已經(jīng)高于人工成本。而且AGV操作無法完全做到無人化，AGV是貨到人的操作模式，貨物必須由人工從貨架上提取出來。因此在當(dāng)前情況下，我司只能放棄AGV計(jì)劃。當(dāng)人工費(fèi)用或是業(yè)務(wù)量持續(xù)增加的情況下，我司將會投入AGV。

第二種方案采用了自動傳送帶以及配屬的智能化設(shè)備來完成三個操作：①掃描上傳；②封箱打包；③稱重上傳。目前倉庫用3個人工來完成這套操作工序，貨物從上操作平臺到下操作平臺需要大約3分鐘的時間。采用自動傳送帶后，大約在30秒內(nèi)可以完成這一套操作工序，速度提高了近6倍。兩者的工作效率見表3。

表3 人工與自動傳送帶對比

從表3可知，自動傳送帶完全達(dá)到了無人化操作水平，無論是成本還是工作效率都優(yōu)于人工操作。因此，我們計(jì)劃使用自動傳送帶取代人工進(jìn)行操作。

第三種改善操作包含了兩個方案，第一個方案在技術(shù)手段和操作成本上都優(yōu)于第二個方案，但根據(jù)實(shí)際操作情況倉庫選擇了第二種方案。主要原因在客戶方面。如果按照第一個方案實(shí)施，紙箱進(jìn)入到貼標(biāo)環(huán)節(jié)的時候是不能長時間等待的，長時間等待會造成貨物堆積和碰撞，而傳送帶上沒有足夠的空間給貨物排隊(duì)。如果客戶給出的收貨人和收貨地址是錯誤的，在紙箱稱重完成后需要事務(wù)進(jìn)入TMS系統(tǒng)修改每個訂單的收貨人姓名和收貨地址，確保地址和聯(lián)系人正確后才能進(jìn)行打印工作，所以當(dāng)紙箱完成稱重后無法及時地打印出運(yùn)單，必須等待較長的時間才能進(jìn)行貼標(biāo)工作。根據(jù)這個情況我們設(shè)計(jì)出了方案二，與目前的操作情況相比，方案二已經(jīng)最大限度地提高了貼標(biāo)的準(zhǔn)確率，并減輕了操作人員的壓力和負(fù)擔(dān)，提高了工作效率。

表4 兩個操作模式的對比表

4 結(jié)語

以上是本文根據(jù)現(xiàn)有市場的智能化設(shè)備和倉庫實(shí)際情況做出的改善方案，自動化操作一旦開展實(shí)施將會極大地釋放勞動力，從原來的8個人工減少為3個人工。在只有20萬元預(yù)算的情況下，這是我們探索之后所采取的一套有效解決方案。這個方案雖然只是自動化方案的第一個階段，但已經(jīng)積累了不少的自動化操作經(jīng)驗(yàn)，隨著各個項(xiàng)目的產(chǎn)能改善和預(yù)算增加，我們也正在積極策劃第二階段的改善進(jìn)程，通過AGV機(jī)器人等智能化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)倉內(nèi)少人化的操作。我們也在探索不同項(xiàng)目混合操作來擴(kuò)大工作量從而解決AGV使用的問題。我們的目標(biāo)是通過每個階段的努力完成倉內(nèi)無人化操作，最終達(dá)到成本最優(yōu)化的目標(biāo)。

綜上所述，通過對自動化倉庫的研究，筆者已經(jīng)摸索出了一套行之有效的改善方法，我們也對市場上的各種自動化設(shè)備和操作模式有了進(jìn)一步的了解，在條件允許的情況下，可以對倉庫的操作進(jìn)行自動化改善。