基于RFID 的工廠物流車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)研究

李?yuàn)檴?，石冬劍，陳小?/p>

（1.江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造與信息學(xué)院，江蘇南通；2.江蘇力德?tīng)栯娮有畔⒓夹g(shù)有限公司，江蘇南通）

前言

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大潮中，為了擴(kuò)大利益，很多企業(yè)都走上了擴(kuò)大再生產(chǎn)的路線，但就目前而言，很多企業(yè)僅僅在生產(chǎn)環(huán)節(jié)增加了投入，卻忽視了運(yùn)輸調(diào)度環(huán)節(jié)出現(xiàn)的瓶頸。這些車(chē)輛在廠區(qū)的運(yùn)輸工作缺乏管理，廠區(qū)交通指揮浮于形式，導(dǎo)致部分區(qū)域出現(xiàn)大規(guī)模擁堵，而裝卸區(qū)域也存在車(chē)輛相互妨礙導(dǎo)致的吞吐率較低、出貨不及時(shí)等一系列問(wèn)題，隨著企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，上述問(wèn)題也越突出。已經(jīng)嚴(yán)重困擾著不少倉(cāng)儲(chǔ)物流企業(yè)，制約著其發(fā)展。

1 物流車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)規(guī)劃

1.1 車(chē)輛運(yùn)輸起始位架構(gòu)

在工廠廠區(qū)的物流車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)中，控制運(yùn)輸車(chē)輛運(yùn)行的基本邏輯在于車(chē)輛運(yùn)行的起點(diǎn)與終點(diǎn)，控制調(diào)整車(chē)輛的起始點(diǎn)與終點(diǎn)是車(chē)輛調(diào)度作業(yè)最終目的，也是其意義所在。當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入廠區(qū)后，即默認(rèn)為車(chē)輛運(yùn)輸資源處于可利用狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)輸任務(wù)出現(xiàn)空閑時(shí)，則司機(jī)被安排在休息區(qū)，用電視或電子屏實(shí)時(shí)更新運(yùn)輸任務(wù)動(dòng)態(tài)和司機(jī)排隊(duì)情況，通過(guò)大屏幕，司機(jī)可根據(jù)其配屬車(chē)輛牌照的號(hào)碼確認(rèn)所領(lǐng)取到的運(yùn)輸任務(wù)，若出現(xiàn)指定型號(hào)車(chē)輛運(yùn)輸?shù)呢浳飼r(shí)，可以設(shè)置分配權(quán)限等級(jí)來(lái)區(qū)分各類(lèi)型供應(yīng)商優(yōu)先分配的卸貨位。需要等待且其他卸貨位有空閑時(shí)，預(yù)約界面提示優(yōu)先分配卸貨位的等待車(chē)輛數(shù)和空閑卸貨位號(hào)，供預(yù)約司機(jī)手動(dòng)選擇卸貨位。當(dāng)車(chē)輛到達(dá)指定的卸貨臺(tái)后，指示屏上將顯示的車(chē)牌與司機(jī)車(chē)牌的匹配情況，當(dāng)兩者相符合時(shí)，即可將RFID 臨時(shí)卡交給工作人員在一體機(jī)上進(jìn)行核對(duì)，核對(duì)無(wú)誤后，車(chē)輛倒車(chē)進(jìn)入卸貨位；控制計(jì)算機(jī)記錄車(chē)輛已進(jìn)入[1]，并在信息顯示屏上顯示車(chē)號(hào)，開(kāi)始計(jì)時(shí)；車(chē)輛卸貨完畢，收貨人員確認(rèn)無(wú)誤后，在一體機(jī)上進(jìn)行操作，車(chē)輛離開(kāi)后，記錄卸貨完成時(shí)間，此時(shí)信息顯示屏顯示卸貨位空閑。其邏輯架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 起/終點(diǎn)分配控制邏輯架構(gòu)

1.2 基本軟件算法

與城市交通調(diào)度不同，工廠中的車(chē)輛調(diào)度指揮系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立封閉的系統(tǒng)，因此受到外部因素影響較小[2]，而影響到車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)工作效率的因素?zé)o外乎運(yùn)輸資源（車(chē)輛或司機(jī)）與運(yùn)輸任務(wù)（貨物量）兩項(xiàng)，所以對(duì)該系統(tǒng)的調(diào)整優(yōu)化也需要圍繞以上兩個(gè)因素而展開(kāi)，而交通運(yùn)輸中的車(chē)輛調(diào)度就是在給定運(yùn)輸任務(wù)的條件下，如何派車(chē)、組織循環(huán)運(yùn)輸，使空駛里程最少，運(yùn)輸成本最低[3]?；谏鲜鲂枨螅浖壿嫷脑O(shè)計(jì)和算法的運(yùn)用也需要體現(xiàn)出這種思維。在軟件算法領(lǐng)域中，道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯被認(rèn)為是若干點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的集合，在特定有限數(shù)量的路徑中進(jìn)行加權(quán)，然后求解最短路徑和運(yùn)輸時(shí)效性等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，稱(chēng)為路徑運(yùn)算。VRP 結(jié)合貨運(yùn)加權(quán)算法是目前各大倉(cāng)儲(chǔ)物流企業(yè)交通調(diào)度指揮軟件中應(yīng)用的主要邏輯算法。該算法經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)用和優(yōu)化改進(jìn)，已具備較強(qiáng)的兼容性和安全性，受到廣大物流運(yùn)輸企業(yè)的信任青睞，成為車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)中不可或缺的一部分。

2 車(chē)輛調(diào)度交通運(yùn)輸中的路徑規(guī)劃算法

2.1 VRP 路徑規(guī)劃的基本模式

路徑規(guī)劃問(wèn)題是交通運(yùn)輸中的最基本問(wèn)題。所謂VRP 路徑規(guī)劃就是虛擬路徑計(jì)算協(xié)議運(yùn)輸?shù)暮?jiǎn)寫(xiě)，VRP 最早是由美國(guó)貝爾研究所于1969 年首次提出的。該研究針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)物流運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)，在有限的車(chē)輛及道路資源條件的限制下，如何安排發(fā)車(chē)間隔與運(yùn)輸線路，才能做到單位時(shí)間內(nèi)的運(yùn)輸效率最高，即在特定貨物需求量、車(chē)輛載荷、交發(fā)貨時(shí)間、行駛時(shí)間與行駛里程等限制條件下，按照貨物運(yùn)輸時(shí)間急迫性權(quán)重，保質(zhì)保量的完成運(yùn)輸任務(wù)，同時(shí)又能兼顧節(jié)約運(yùn)輸資源，調(diào)用較少的車(chē)輛。在此基礎(chǔ)上，VRP算法可以嵌入其他功能模塊，當(dāng)一部分車(chē)輛出現(xiàn)空余，同時(shí)另一部分車(chē)輛運(yùn)用處于飽和狀態(tài)，可以調(diào)整單個(gè)車(chē)輛單位的承載量來(lái)負(fù)載分擔(dān)運(yùn)輸任務(wù)，當(dāng)運(yùn)輸任務(wù)較少，且參與運(yùn)輸?shù)能?chē)輛未處于滿(mǎn)載狀態(tài)，運(yùn)輸終點(diǎn)為不同停車(chē)場(chǎng)，車(chē)輛自身性能也不相同，時(shí)間屬性取為軟時(shí)間窗，服務(wù)時(shí)間設(shè)為隨機(jī)服務(wù)時(shí)間時(shí)，此時(shí)為多用戶(hù)的配送任務(wù)，如果車(chē)輛服務(wù)時(shí)間隨機(jī)的帶軟時(shí)間窗問(wèn)題。其數(shù)據(jù)參數(shù)分類(lèi)如表1 所示。

表1 車(chē)輛路徑參數(shù)分類(lèi)

2.2 最優(yōu)路徑的基本算法

根據(jù)邏輯算法的基本規(guī)律，所需完成的目標(biāo)涉及的屬性因素越多，在編程過(guò)程中遇到的障礙就越多，其變量參數(shù)對(duì)整個(gè)程序的影響就越不可控，所以整個(gè)程序的邏輯算法就愈加復(fù)雜。目前針對(duì)車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)算法的研究，大多數(shù)還處在局域變量向整體變量過(guò)度的準(zhǔn)孤立階段。因此其算法建模也需要以此為依據(jù)而展開(kāi)。車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)算法邏輯中的常見(jiàn)模型可分為網(wǎng)絡(luò)模型和數(shù)學(xué)模型兩大類(lèi)。首先是網(wǎng)絡(luò)模型，VPR 算法經(jīng)典采用離散數(shù)學(xué)中的圖論理論對(duì)車(chē)輛路徑問(wèn)題進(jìn)行建模，并用G=（V，E）表示交通網(wǎng)絡(luò)圖，V={V0、V1，...，Vn}表示發(fā)貨點(diǎn)和收貨點(diǎn)，用E={Vi，Vj}表示路段，用Cij 表示路段的距離或者開(kāi)銷(xiāo)。巳知發(fā)貨點(diǎn)V0和車(chē)輛數(shù)量m 及單位載重Q 的情況下，擁有輛載重皆為的配送車(chē)輛時(shí)，滿(mǎn)足客戶(hù)要求配送車(chē)輛總配送成本最小。依次為條件利用VRP 網(wǎng)絡(luò)圖模型做配送調(diào)度建模，假設(shè)車(chē)輛無(wú)需考慮外部因素，僅在調(diào)度掌控范圍內(nèi)進(jìn)行活動(dòng)，根據(jù)VRP 調(diào)度指揮系統(tǒng)中的圖定運(yùn)輸任務(wù)，其所蘊(yùn)含的約束條件包括運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)輸端點(diǎn)（起點(diǎn)或終點(diǎn)）、運(yùn)輸端點(diǎn)的任務(wù)派發(fā)權(quán)重（可理解為客戶(hù)運(yùn)輸時(shí)限要求）、個(gè)體運(yùn)輸單位的載重瓶頸（車(chē)輛載重上限）等。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模型的圖形化轉(zhuǎn)換，可以使較為復(fù)雜的交通網(wǎng)絡(luò)易于理解，但是由于其信息量局限性，又無(wú)法加入更多深層次邏輯參數(shù)，使得這一應(yīng)用只能用于表述淺層次運(yùn)行狀態(tài)，而難以用于描述復(fù)雜問(wèn)題。進(jìn)而引入了VRP 數(shù)學(xué)模型，其中以最常見(jiàn)的車(chē)流量參數(shù)模型和以物流參數(shù)為基礎(chǔ)的模型進(jìn)行舉例。鑒于數(shù)學(xué)模型變化特性,這里只給出兩類(lèi)問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，多車(chē)型裝貨送貨一體化的車(chē)輛路徑問(wèn)題，其目標(biāo)函數(shù)為[3]：

車(chē)輛的約束函數(shù)表示為：

其任務(wù)約束則表示為：

道路約束則根據(jù)上述兩個(gè)函數(shù)進(jìn)行累加，其結(jié)果為：

由此可以推斷出，VRP 數(shù)學(xué)模型主要的約束條件為時(shí)間約束、車(chē)輛及載荷約束、道路約束、運(yùn)輸量約束等，并由上述幾種約束條件共同決定最終的決策約束。

2.3 基于RFID 的實(shí)時(shí)決策與應(yīng)激策略

為了簡(jiǎn)化車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)中斷性機(jī)制的觸發(fā)流程，在代碼架構(gòu)的設(shè)計(jì)上可以將之理解為車(chē)輛終端利用RFID 技術(shù)對(duì)若干個(gè)隨機(jī)因素簡(jiǎn)單查詢(xún)操作的排列組合，這么做確實(shí)可以極大地簡(jiǎn)化應(yīng)激事件的觸發(fā)流程，但由于嚴(yán)謹(jǐn)性不足而容易出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤，考慮到調(diào)度系統(tǒng)的安全性問(wèn)題，就需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)增加運(yùn)行補(bǔ)丁來(lái)建立決策支持系統(tǒng)框架，計(jì)算影響目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的相關(guān)信息數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后判斷選項(xiàng)優(yōu)劣，為調(diào)度指揮中心提供決策意見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)特定的目標(biāo)，提高決策質(zhì)量，同時(shí)減少?zèng)Q策時(shí)間和運(yùn)行開(kāi)銷(xiāo)[3]。這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為自適應(yīng)決策支持系統(tǒng)框架，其處理流程如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)決策系統(tǒng)框架

在此基礎(chǔ)上，RFID 感知網(wǎng)絡(luò)組成任務(wù)請(qǐng)求組件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理組件、VRP 請(qǐng)求組件、決策組件與執(zhí)行組件等，上述組件互相配合，共同完成車(chē)輛調(diào)度任務(wù)，業(yè)務(wù)具體分配關(guān)系如圖3 所示。

圖3 RFID 實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)框架

3 物流車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)的硬件組成

3.1 傳感器系統(tǒng)

車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)的工作邏輯確定以后，還需要有軟件所支配的對(duì)應(yīng)硬件設(shè)備，其中最重要的當(dāng)屬基于RFID 技術(shù)的管理傳感器。射頻識(shí)別技術(shù)是一種通過(guò)接受或發(fā)送特定的無(wú)線信號(hào)實(shí)現(xiàn)信息交互的通信技術(shù)，可在5～10 米范圍內(nèi)快速識(shí)別目標(biāo)并完成信息交互，避免了機(jī)械接觸帶來(lái)的不便，為了應(yīng)對(duì)不同環(huán)境條件下的業(yè)務(wù)，RFID 技術(shù)要求傳感器硬件設(shè)備具備在極寒、潮濕、高溫等惡劣的環(huán)境下的穩(wěn)定性，特別是對(duì)于高速移動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別能力提出了較高要求，在此基礎(chǔ)上，加入了人機(jī)交互的調(diào)試端口，使每個(gè)傳感器都可以單獨(dú)操作，且操作簡(jiǎn)易快捷，易于上手學(xué)習(xí)和故障排除。射頻識(shí)別技術(shù)主要包括電子標(biāo)簽、I/O 端口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備組成。其中電子標(biāo)簽用于存儲(chǔ)和區(qū)分用戶(hù)信息，如用戶(hù)ID 和身份驗(yàn)證、入網(wǎng)許可（秘鑰）等。I/O 端口設(shè)備則用于讀寫(xiě)電子標(biāo)簽信息；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備則用于管理數(shù)據(jù)及通信傳輸，與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過(guò)傳感器的陣列兼容性調(diào)試，系統(tǒng)要達(dá)到的預(yù)期目的有如下幾點(diǎn)：首先是對(duì)廠區(qū)的進(jìn)出門(mén)禁實(shí)現(xiàn)RFID 智能控制，對(duì)進(jìn)出廠區(qū)的車(chē)輛發(fā)放RFID 智能卡，自動(dòng)識(shí)別進(jìn)出車(chē)輛并提示相應(yīng)的進(jìn)出廠區(qū)信息；其次是對(duì)所有卸貨點(diǎn)、卸貨位進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)整個(gè)廠區(qū)的貨車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)位置信息、卸貨點(diǎn)忙閑信息進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，打造高效的廠內(nèi)車(chē)輛監(jiān)管模式[1]；第三是能做到對(duì)任務(wù)指令的快速響應(yīng)，提高對(duì)生產(chǎn)任務(wù)的響應(yīng)速度，解決在臨時(shí)插單情況下快速物料配送無(wú)法響應(yīng)等瓶頸問(wèn)題，縮短生產(chǎn)響應(yīng)周期。

3.2 調(diào)度門(mén)禁控制系統(tǒng)

調(diào)度門(mén)禁控制系統(tǒng)是調(diào)節(jié)車(chē)輛位置和數(shù)量，保證行車(chē)安全的重要抓手，其原理就是通過(guò)RFID 技術(shù)阻擋或允許車(chē)輛進(jìn)入某一閉塞區(qū)，達(dá)到控制車(chē)流量的目的。從微觀講，單獨(dú)的控制門(mén)禁的妥善率決定整個(gè)系統(tǒng)的工作效率，因此其傳感器的可靠性至關(guān)重要，必須保證其射頻信號(hào)可以穿透金屬和人體的遮擋且性能穩(wěn)定，安裝簡(jiǎn)單方便；高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)也能輕易捕獲；防水防曬，可于戶(hù)外使用[1]，同時(shí)具有較好的抗干擾能力。為了滿(mǎn)足上述要求，企業(yè)園區(qū)內(nèi)的RFID 門(mén)禁控制多選擇2.4～2.8 GHz 讀寫(xiě)器，此頻段讀寫(xiě)器識(shí)別率高，抗干擾能力強(qiáng)。電子標(biāo)簽選擇有源主動(dòng)式電子標(biāo)簽，該標(biāo)簽的工作溫度在-35 ℃～75 ℃之間，接收靈敏度為-90 dBm，可以大大提高讀取速率[4]。另一方面，對(duì)車(chē)輛卸貨位管理也是調(diào)度門(mén)禁控制系統(tǒng)的管理職責(zé)之一。門(mén)禁系統(tǒng)主要控制車(chē)輛的進(jìn)出，被呼叫的車(chē)輛允許進(jìn)入，否則在場(chǎng)外等候排隊(duì)，此舉可避免廠區(qū)內(nèi)車(chē)輛過(guò)多造成擁堵。卸貨位管理系統(tǒng)主要管理卸貨位，指導(dǎo)車(chē)輛去空閑卸貨位，避免車(chē)輛在廠區(qū)亂找卸貨位，造成卸貨速率低下，卸貨位利用率低等問(wèn)題。從進(jìn)門(mén)到卸貨都用RFID 卡來(lái)進(jìn)行信息核對(duì)，不會(huì)出現(xiàn)調(diào)度不當(dāng)?shù)膯?wèn)題。

結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)從物流車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)規(guī)劃、車(chē)輛調(diào)度交通運(yùn)輸中的路徑規(guī)劃算法、物流車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)的硬件組成等多個(gè)角度出發(fā)，全面對(duì)工廠物流車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，并基于RFID 技術(shù)的運(yùn)用，簡(jiǎn)要介紹了整個(gè)系統(tǒng)的組織架構(gòu)和運(yùn)行邏輯，希望可以通過(guò)互相之間的交流與探討，促進(jìn)彼此共同進(jìn)步。