基于物聯(lián)網(wǎng)的車間物流自動(dòng)配送系統(tǒng)研究

黃 鑫，周長榮

（河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050061）

0 引 言

在科技飛速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，物聯(lián)網(wǎng)概念已經(jīng)逐漸被國內(nèi)企業(yè)所熟知。物聯(lián)網(wǎng)融合了智能識(shí)別技術(shù)、無線傳感技術(shù)、普適計(jì)算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等[1]，可以收集并存儲(chǔ)整個(gè)企業(yè)的基礎(chǔ)信息并形成一整套系統(tǒng)。通過將物聯(lián)網(wǎng)引入到制造型企業(yè)，并將射頻技術(shù)同生產(chǎn)車間的流水線結(jié)合，可以獲得最準(zhǔn)確的底層生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息。這正是各個(gè)企業(yè)最需要的，能夠?yàn)槠髽I(yè)決策提供完整依據(jù)，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性、敏捷、精細(xì)化生產(chǎn)打下基礎(chǔ)，同時(shí)也能改善物流配送效率，降低人工成本，避免缺料等情況出現(xiàn)。

本文研究的車間自動(dòng)配送系統(tǒng)主要針對(duì)離散型制造企業(yè)總裝配車間層面，包括生產(chǎn)車間、配送系統(tǒng)、車間外倉庫三個(gè)方面，且生產(chǎn)配送模式是齊套配送，產(chǎn)品生產(chǎn)模式為小批量多品種。由于齊套配送通常一個(gè)訂單包含多種產(chǎn)品，且不同產(chǎn)品需要在不同的車間甚至是用不同的制造商進(jìn)行加工，而不同產(chǎn)品的組成部分又可能在不同車間進(jìn)行加工[2]，這使得車間配送變得復(fù)雜，在切換訂單時(shí)易導(dǎo)致物料不能及時(shí)到達(dá)進(jìn)而影響生產(chǎn)。如何實(shí)現(xiàn)快速切換是齊套型生產(chǎn)模式下的難點(diǎn)，解決方法之一就是通過物流配送的改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)快速切換。

車間物流配送的高效性與車間數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性和數(shù)量有著密切的關(guān)系，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)恰好具有信息收集的全面性和便捷性這兩個(gè)得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。本文針對(duì)制造型企業(yè)中傳統(tǒng)的人工叫料和配送進(jìn)行分析，提出了車間內(nèi)自動(dòng)配送模式，實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)叫料依賴于系統(tǒng)，避免人工的干預(yù)，提高車間配送的效率，減少配送過程中不必要的浪費(fèi)，為車間實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化配送提供切實(shí)可行的方案。

1 離散型制造企業(yè)在生產(chǎn)中存在的問題

傳統(tǒng)制造業(yè)大部分采取的是訂單生產(chǎn)模式，即根據(jù)訂單量來安排生產(chǎn)計(jì)劃。此種模式減少了不必要產(chǎn)品的生產(chǎn)，更好地滿足了市場需求。但訂單的隨機(jī)性容易導(dǎo)致生產(chǎn)企業(yè)出現(xiàn)波動(dòng)式生產(chǎn)，也同步造成物料采購、配送以及生產(chǎn)的壓力；需要從原材料庫房運(yùn)送到車間外倉庫的物料通常通過定量控制系統(tǒng)安排配送，這無疑也會(huì)增加車間配送人員的工作量。此外，離散型制造企業(yè)通常要對(duì)各個(gè)分廠采購的原材料進(jìn)行裝配，由于其物料的復(fù)雜性、多樣性，導(dǎo)致采購物料信息不能同本公司生產(chǎn)的物料信息進(jìn)行統(tǒng)一編碼而存儲(chǔ)在公司的數(shù)據(jù)庫中，這難免會(huì)導(dǎo)致信息混亂。以上因素的存在使得離散型制造企業(yè)在生產(chǎn)過程中常常存在以下問題：

（1）配送混亂，影響生產(chǎn)效率。國內(nèi)制造型企業(yè)雖然大多是根據(jù)提前發(fā)送的車間生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行備料、送料，但是每個(gè)崗位需要的物料、時(shí)間通常是產(chǎn)線的班長或者該崗位員工在查看到該物料點(diǎn)缺料或者快用完時(shí)聯(lián)系配送人員，或者是配送人員在配送過程中看見某些崗位缺料就會(huì)及時(shí)將物料補(bǔ)充過去。這種情況就會(huì)導(dǎo)致配送人員配送混亂，即在空閑時(shí)能及時(shí)配送物料，但是當(dāng)多個(gè)崗位都需要時(shí)，配送人員基本上只根據(jù)自己的判斷進(jìn)行配送，那些急需物料的崗位不能及時(shí)得到缺料，從而影響了生產(chǎn)的進(jìn)度，甚至導(dǎo)致停線。

（2）基礎(chǔ)生產(chǎn)信息不能被實(shí)時(shí)收集并反饋?；A(chǔ)生產(chǎn)信息主要分為流水線上產(chǎn)品的生產(chǎn)信息、物流信息兩大基礎(chǔ)板塊，其中流水線生產(chǎn)信息包括單個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)刻、生產(chǎn)數(shù)量、生產(chǎn)批次、生產(chǎn)訂單、在各個(gè)崗位的實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間以及暫存時(shí)間、每個(gè)崗位的在制品數(shù)量以及合格情況等。物流信息是指在某一時(shí)刻每個(gè)崗位的線邊物料存儲(chǔ)數(shù)量、存儲(chǔ)物料編碼、物料名稱、物料的送達(dá)時(shí)刻、配送時(shí)間耗費(fèi)，若有缺料情況出現(xiàn)，還包括缺料時(shí)間以及停線時(shí)間等。

（3）由于決策的依據(jù)過少導(dǎo)致結(jié)果不夠準(zhǔn)確，影響企業(yè)的運(yùn)營。由于傳統(tǒng)制造企業(yè)沒有最原始的底層生產(chǎn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致中高層做決策時(shí)往往是根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，這或多或少會(huì)有偏差，而這一點(diǎn)偏差也可能會(huì)給企業(yè)利益帶來非常大的影響。

2 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下生產(chǎn)車間物流自動(dòng)配送系統(tǒng)研究

在2008年，黃國全教授就產(chǎn)線信息數(shù)據(jù)采集問題提出了AUTOM[3]解決方法，他提出了一種無線制造架構(gòu)，通過將RFID設(shè)備部署到工作站、重要工具、關(guān)鍵部件、在制品容器等地方實(shí)現(xiàn)操作對(duì)象的智能化，并且可隨時(shí)查看該位置的各種信息。而本文將以GN空調(diào)公司目前存在的線邊缺料、庫存多、物流配送不及時(shí)等問題為研究方向，旨在提出基于AUTOM解決方案的車間物流自動(dòng)配送系統(tǒng)。目前，該車間采用的是拉動(dòng)式配送，即人工聯(lián)系配送人員和車間外倉庫分揀人員，從而讓他們分別進(jìn)行配送、分揀、拆包，但由于人工操作經(jīng)常導(dǎo)致叫料時(shí)間太晚，使得車間外倉庫人員分揀、拆包過晚，后續(xù)也影響物流配送人員的配送，從而導(dǎo)致產(chǎn)線缺料甚至停線。另外，車間外倉庫分揀人員為了防止產(chǎn)線人員叫料不及時(shí)導(dǎo)致某種物料分揀不及時(shí)甚至缺料，提前將某種物料大量分揀，但同時(shí)大面積占用了庫存場地。同樣的問題也出現(xiàn)在配送人員身上，配送人員在產(chǎn)線上仍有較多物料時(shí)繼續(xù)向線邊配送物料，導(dǎo)致線邊物料堆積過多，甚至占用其他物料位置使得物料工無法將缺料裝車，產(chǎn)線的5S管理[4]混亂。

2.1 研究范圍

制造型企業(yè)往往設(shè)有原材料倉庫以及車間附帶的暫存?zhèn)}庫，但是由于原材料倉庫通常是一對(duì)多個(gè)生產(chǎn)需求車間并采用按時(shí)區(qū)配送的模式，再加上各個(gè)車間的需求多樣性導(dǎo)致原材料倉庫經(jīng)常提前配送物料，故很難實(shí)現(xiàn)JIT[5]的配送模式。而車間附帶的暫存?zhèn)}庫由于需要與生產(chǎn)線的生產(chǎn)進(jìn)程相匹配，所以配送物料需要做到及時(shí)響應(yīng)、及時(shí)配送，這不免給生產(chǎn)物流帶來了挑戰(zhàn)。此外，由于生產(chǎn)過程中常常存在插單的情況，打亂了原有的生產(chǎn)計(jì)劃，導(dǎo)致物流配送人員與生產(chǎn)信息脫節(jié)，使得物料配送混亂。在上述情況下，車間配送就更需要實(shí)現(xiàn)及時(shí)化和精準(zhǔn)化配送，因此車間實(shí)行自動(dòng)化配送是非常必要的。

2.2 車間物流配送運(yùn)行流程

車間生產(chǎn)信息的采集與MES之間有著密切的聯(lián)系，這也是車間配送系統(tǒng)的信息來源。它為系統(tǒng)提供了物料生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、物流狀態(tài)、人員的工作效率和工作質(zhì)量等信息，這些都是ERP無法直接快速獲取到的關(guān)鍵信息。對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場加工狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集，有利于生產(chǎn)計(jì)劃的動(dòng)態(tài)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度[6]。因此在MES系統(tǒng)上進(jìn)行車間自動(dòng)配送系統(tǒng)研究更具有優(yōu)勢。該物流配送系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 物流配送系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 應(yīng)用層

MES處于上層ERP和底層車間控制系統(tǒng)之間，作為上下層應(yīng)用間的集線器[7]。由于MES是連接ERP和車間生產(chǎn)平臺(tái)的橋梁，所以軟件應(yīng)用系統(tǒng)可以通過讀取MES系統(tǒng)中的BOM表，根據(jù)軟件自身的運(yùn)算邏輯并結(jié)合車間生產(chǎn)計(jì)劃形成自己的數(shù)據(jù)庫，從而指導(dǎo)車間的物流配送模式。該層的主要功能如下：

（1）物料分配功能：首先通過軟件系統(tǒng)讀取MES系統(tǒng)的BOM表中的物料信息，根據(jù)物料類型或物料編碼得出此種物料的類型，并基于提前制定的物料分配邏輯來指導(dǎo)車間分揀人員進(jìn)行分揀或者拆包各個(gè)崗位所需物料，見表1所列。

表1 信息體系架構(gòu)

（2）物料呼叫功能：以生產(chǎn)為核心，物流環(huán)節(jié)的決策要充分考慮生產(chǎn)執(zhí)行過程的動(dòng)態(tài)性[8]。當(dāng)從生產(chǎn)線上某個(gè)工位的固定讀寫器獲得某產(chǎn)品的信息時(shí)，通過將產(chǎn)品條型碼與數(shù)據(jù)庫比對(duì)，得知已經(jīng)生產(chǎn)了某訂單下該種產(chǎn)品的數(shù)量；基于線邊工裝車RFID讀寫器掃描工裝車RFID電子標(biāo)簽獲得的物料數(shù)據(jù)（物料編碼、數(shù)量等），計(jì)算出該工位線邊工裝車消耗的數(shù)量以及當(dāng)前線邊工裝車剩余數(shù)量。當(dāng)各個(gè)工位線邊的庫存達(dá)到訂貨庫存時(shí)，軟件系統(tǒng)計(jì)算得出需要配送的物料，并將此信息發(fā)送到電子看板，車間外倉庫可基于此信息進(jìn)行分揀或者拆包；當(dāng)物料到達(dá)工位的安全庫存時(shí)，軟件應(yīng)用系統(tǒng)將訂貨庫存的信息發(fā)送到物流配送人員，提醒物流人員進(jìn)行配送。運(yùn)行流程如圖2所示。

圖2 物料呼叫功能運(yùn)行流程

2.2.2 服務(wù)層和對(duì)象層

服務(wù)層：通過軟件系統(tǒng)將物料配送信息發(fā)送到各地的電子看板，包括車間展示平臺(tái)、倉庫平臺(tái)、配送人員平臺(tái)等。

對(duì)象層：（1）將需要揀選的物料信息發(fā)給倉庫的電腦或者看板顯示器，包括物料代碼、數(shù)量、需求物料的生產(chǎn)線；（2）線邊工位到達(dá)訂貨庫存時(shí)將需要揀選的物料信息發(fā)給物流配送人員的看板顯示器（物料代碼、數(shù)量、生產(chǎn)線）。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集層

（1）RFID電子標(biāo)簽的應(yīng)用

目前，傳統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè)多是采用一維碼標(biāo)簽來記錄物流配送信息，一維碼是在一個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)由一組黑色條塊和空白按照一定編碼規(guī)則組成[9]。但是由于在配送過程中的不可控因素易導(dǎo)致紙質(zhì)標(biāo)簽被弄臟或者丟失，給員工帶來不必要的麻煩。而要實(shí)現(xiàn)車間自動(dòng)化配送，則需要RFID電子標(biāo)簽技術(shù)，RFID具有自動(dòng)識(shí)別的方便性，可提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性及便利性，還可以節(jié)約產(chǎn)品配送工時(shí)、降低人力成本。表2為兩種標(biāo)簽的對(duì)比。

表2 一維碼標(biāo)簽與RFID電子標(biāo)簽的對(duì)比

（2）各部分?jǐn)?shù)據(jù)采集流程

工裝車：通過將RFID電子標(biāo)簽安裝在工裝車上，實(shí)現(xiàn)物料配送數(shù)據(jù)的錄入與修改。

車間外倉庫：倉庫分揀人員可以通過手持式RFID掃描槍將揀選的物料信息錄入到工裝車上的電子標(biāo)簽里面。

配送過程：配送人員將工裝車開到指定配送地點(diǎn)，通過配送地點(diǎn)固定位置的讀寫器可以對(duì)工裝車的信息進(jìn)行讀取并上傳至軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物料配送到達(dá)的確認(rèn)以及將由于分揀和配送導(dǎo)致的錯(cuò)誤通過該系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)和反饋。

流水線：在流水線下方放置讀取器，并且在工藝板上安裝電子標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品信息的錄入和讀取。

產(chǎn)線生產(chǎn)人員：產(chǎn)線生產(chǎn)人員通過手持式掃描槍掃描產(chǎn)品的條形碼，從而將生產(chǎn)產(chǎn)品的基本信息錄入到工藝板的電子標(biāo)簽上。

2.3 基于工時(shí)的線邊訂貨庫存和安全庫存計(jì)算

對(duì)訂貨庫存和安全庫存的確定是該車間自動(dòng)配送系統(tǒng)的支撐點(diǎn)。由于每個(gè)工位的物料消耗速度不一樣且其裝載量都不同，需明確每個(gè)物料的最大庫存、訂貨庫存及安全庫存。線邊庫存訂貨量不同于倉庫庫存，每次的訂貨量都是按照單次配送載具的最大量進(jìn)行配送，而不是按上一個(gè)訂單到下一個(gè)訂單實(shí)際消耗的量進(jìn)行訂貨。以工裝車配送為例，單個(gè)工裝車單種物料線邊庫存消耗示意圖如圖3所示。相關(guān)計(jì)算公式如下：

圖3 訂貨庫存和安全庫存示意圖

其中：w為訂貨庫存；p為安全庫存；k為生產(chǎn)線平均每小時(shí)生產(chǎn)量；h為單次配送時(shí)間；t為單個(gè)物品單次分揀時(shí)間；n為單個(gè)工裝車可攜帶物品的數(shù)量；Qi為第i次訂貨量。

在上述線邊訂貨庫存和安全庫存計(jì)算公式中存在h和t兩個(gè)變量，而這兩個(gè)變量計(jì)算的精準(zhǔn)性關(guān)系著該系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性。在計(jì)算倉庫的單個(gè)物品單次分揀時(shí)間t時(shí)應(yīng)做到對(duì)每一個(gè)物品的分揀、拆包時(shí)間都有詳細(xì)的計(jì)算方法和記錄。同樣地，每種物料的配送時(shí)間也該有詳細(xì)的計(jì)算方法和記錄，在此引入標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)[10]來減小分揀、配送時(shí)間的誤差，如秒表法、預(yù)定動(dòng)作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)法、模特法等。這樣系統(tǒng)才能精準(zhǔn)計(jì)算出訂貨庫存和安全庫存，從而確定何時(shí)讓倉庫分揀人員進(jìn)行分揀、拆包物料以及讓配送人員進(jìn)行配送。

3 結(jié) 語

針對(duì)現(xiàn)如今離散型制造業(yè)的小批量多品種、柔性化、精細(xì)化、低成本的生產(chǎn)需求，可以通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來滿足。本文總結(jié)了目前制造業(yè)普遍存在的問題并結(jié)合實(shí)際案例提出車間自動(dòng)配送系統(tǒng)的理論，確定了線邊物料安全庫存和訂貨庫存的計(jì)算方法，給出了這兩種庫存的影響因素，為車間自動(dòng)化配送提供了切實(shí)可行的方法。此外，通過RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)了底層數(shù)據(jù)的收集，改善了車間配送的方式，為車間快速切換生產(chǎn)模式提供了方向，避免了人工叫料的不準(zhǔn)確性引發(fā)的一系列問題，為企業(yè)決策提供了依據(jù)。另外，該車間物流自動(dòng)配送理論不僅可以應(yīng)用到傳統(tǒng)的依靠人力配送的車間，還可以應(yīng)用到AGV配送的生產(chǎn)車間，為實(shí)現(xiàn)AGV全程自動(dòng)化配送提供了方向。