基于RFID的倉儲自動化與智能化技術(shù)應(yīng)用

陳 艷

(嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 嘉興 314000)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)4.0和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的迅速發(fā)展,供應(yīng)鏈與物流行業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。為滿足消費(fèi)者對物流快速、準(zhǔn)確及透明化的需求,倉儲管理須采用先進(jìn)的技術(shù)來提升效率及響應(yīng)速度,故而射頻識別(RFID)技術(shù)逐漸成為倉儲自動化與智能化的關(guān)鍵組成部分[1]。RFID技術(shù)在航天、物流、裝備等智能倉儲及庫存管理方面展現(xiàn)出了巨大的潛力[2-3],其優(yōu)于傳統(tǒng)的條形碼或手工系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地獲取并分析倉儲數(shù)據(jù),為企業(yè)提供決策信息[4]。目前,高校物流實(shí)驗(yàn)室使用基于RFID的智能倉儲管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了自動化、智能化出入庫管理,顯著提升了效益[5],將其與現(xiàn)有的倉儲系統(tǒng)有效集成,更好地實(shí)現(xiàn)技術(shù)管理,是未來研究的重點(diǎn)。本研究介紹了RFID的基本原理和功能,探討了其在不同倉儲環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用案例,指出需要注意的關(guān)鍵因素,通過模擬仿真,驗(yàn)證了基于RFID的倉儲在提升自動化及智能化方面的有效性,以期推動RFID技術(shù)的利用,優(yōu)化倉儲操作。

1 RFID技術(shù)原理

射頻識別是一種無線通信技術(shù),通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù),無需建立機(jī)械或光學(xué)接觸。射頻識別系統(tǒng)主要由3部分組成,即RFID標(biāo)簽、RFID讀寫器和中央信息處理系統(tǒng),它們通過耦合元件實(shí)現(xiàn)無接觸的射頻信號耦合,并在耦合通道內(nèi)傳遞能量及交換數(shù)據(jù)。

RFID電子標(biāo)簽包含一個(gè)小型的射頻芯片和一個(gè)天線,芯片用于存儲與該標(biāo)簽相關(guān)的特定信息,如產(chǎn)品ID、序列號等,這些標(biāo)簽可以是被動的、有源的或半主動的。被動標(biāo)簽沒有內(nèi)部電源,由讀寫器的射頻(RF)信號激活。有源標(biāo)簽有自己的電源,可以主動發(fā)送信號。半主動標(biāo)簽結(jié)合了這兩種屬性,由于RFID使用無線電波進(jìn)行通信,因此需考慮物理環(huán)境和其他電磁設(shè)備的干擾。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸,RFID技術(shù)必須考慮并克服這些干擾。讀寫器是一種用于讀取和寫入電子標(biāo)簽內(nèi)存信息的設(shè)備,由射頻模塊、控制處理模塊和天線3部分組成,通過無線通信與電子標(biāo)簽進(jìn)行交互,連接中央信息處理系統(tǒng),進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和管理。

讀寫器通過天線發(fā)送一個(gè)無線電波信號,激活附近的RFID標(biāo)簽,一旦標(biāo)簽被激活就會回傳存儲到射頻芯片中的信息讀寫器,讀寫器接收到標(biāo)簽信號,將其傳送到中央處理系統(tǒng)進(jìn)行處理分析。此系統(tǒng)可與其他應(yīng)用或管理系統(tǒng)(如倉儲管理系統(tǒng)或供應(yīng)鏈管理系統(tǒng))集成。RFID標(biāo)簽可在不同的頻率下工作,如低頻(LF)、高頻(HF)及超高頻(UHF)。不同的頻率有其特定的應(yīng)用、傳輸距離及能量需求。

圖1 RFID系統(tǒng)的基本組成和工作流程

2 RFID優(yōu)化倉儲智能化管理的優(yōu)勢

在智能倉儲系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的人工管理、條形碼技術(shù)及RFID技術(shù)各具優(yōu)勢,但RFID的優(yōu)勢更為突出。RFID技術(shù)具有自動化優(yōu)勢,傳統(tǒng)的人工管理需要大量的人力投入來執(zhí)行庫存跟蹤、出入庫操作及物品追蹤,而RFID技術(shù)能夠自動完成這些任務(wù),不僅提高了效率,還減少了人為錯(cuò)誤的可能性。與條形碼技術(shù)相比,RFID技術(shù)在數(shù)據(jù)收集速度及準(zhǔn)確性方面更出色。條形碼需要一個(gè)接一個(gè)的掃描,而RFID可同時(shí)讀取多個(gè)標(biāo)簽,實(shí)現(xiàn)了更快速的數(shù)據(jù)獲取。RFID標(biāo)簽不需要直接對準(zhǔn)讀寫器,可在不同方向和位置讀取,提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性。RFID技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)控并進(jìn)行物品追蹤定位。傳統(tǒng)的人工管理和條形碼技術(shù)難以實(shí)時(shí)監(jiān)控庫存水平或追蹤物品的準(zhǔn)確位置。RFID技術(shù)能夠提供即時(shí)、精確的庫存信息和物品定位,幫助管理人員快速響應(yīng)需求變化。RFID具有防盜和安全管理優(yōu)勢,可提高倉庫安全性。

RFID技術(shù)在智能倉儲系統(tǒng)中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢,如自動化、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)監(jiān)控、安全管理及庫存優(yōu)化,可為倉儲管理帶來高效、智能、可持續(xù)的解決方案,是未來智能倉儲系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 庫存管理

在每個(gè)物品上附加RFID標(biāo)簽可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)庫存跟蹤。RFID讀寫器可快速掃描標(biāo)簽,記錄物品的類型、數(shù)量及位置等信息。倉庫管理人員通過RFID系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控庫存水平,了解庫存的準(zhǔn)確狀態(tài),避免庫存缺貨或過剩。傳統(tǒng)的庫存盤點(diǎn)通常需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力資源,利用RFID技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動化庫存盤點(diǎn)。使用RFID讀寫器,可快速掃描整個(gè)倉庫中的RFID標(biāo)簽,準(zhǔn)確記錄每個(gè)物品的數(shù)量和位置,大大提高盤點(diǎn)效率及準(zhǔn)確性,減少盤點(diǎn)過程中的人為錯(cuò)誤。RFID技術(shù)可用于防止庫存丟失和盜竊。將RFID標(biāo)簽與安全裝置相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)對庫存的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)有未經(jīng)授權(quán)的物品離開倉庫時(shí),RFID系統(tǒng)會立即發(fā)出警報(bào),提醒倉庫管理人員采取相應(yīng)的措施,從而有效防止庫存丟失和盜竊。利用RFID技術(shù)可實(shí)現(xiàn)庫存優(yōu)化及補(bǔ)貨管理。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測庫存水平和銷售情況及時(shí)了解哪些物品需要補(bǔ)貨及需要補(bǔ)充的數(shù)量,避免庫存過多或過少,提高庫存管理效率,加強(qiáng)成本控制。

2.2 物品追蹤與定位

在大型倉庫中,快速定位和檢索特定物品是重要的任務(wù)。利用RFID技術(shù)可準(zhǔn)確追蹤每個(gè)物品的位置。當(dāng)需要某個(gè)物品時(shí),RFID系統(tǒng)可提供物品的準(zhǔn)確位置信息,實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的定位及檢索。將電子標(biāo)簽附加到叉車、AGV(自動引導(dǎo)車輛)等設(shè)備上,可實(shí)現(xiàn)倉庫物品定位和導(dǎo)航,有助于提高倉庫操作的精確性及效率,減少潛在的碰撞和誤操作。

表1是基于對多家物流和航空公司倉儲系統(tǒng)的調(diào)研,呈現(xiàn)了RFID倉儲智能化技術(shù)應(yīng)用實(shí)例及其為企業(yè)帶來的粗量效益。其效益是從每批貨物出入庫速度等方面進(jìn)行綜合考量,與傳統(tǒng)的人工記錄倉儲方式與條形碼方法相比,無論是出入庫效率還是倉儲系統(tǒng)安全性等,基于RFID的倉儲自動化與智能化技術(shù)均具有顯著優(yōu)勢。

表1 RFID在智能倉儲中的應(yīng)用實(shí)例及效益對比

基于RFID的倉儲自動化與智能化技術(shù)在倉儲管理中具有廣闊的應(yīng)用前景。利用RFID技術(shù)可實(shí)現(xiàn)庫存跟蹤與管理、入庫及出庫管理、路徑優(yōu)化與物流調(diào)度、防盜與安全管理及倉庫布局和空間利用優(yōu)化,提高倉儲效率、準(zhǔn)確性及安全性,為物流和供應(yīng)鏈管理提供有力支持。

圖2 基于RFID的倉儲系統(tǒng)條形碼和人工管理粗測效益對比

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

針對某大型倉庫設(shè)計(jì)了基于RFID的智能化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)(傳統(tǒng)人工管理和RFID智能化管理方式對比),實(shí)現(xiàn)智能出入庫和倉儲物品分揀定位,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

3.1 基于RFID的倉儲自動化與智能化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽是RFID技術(shù)的核心組成部分,包括一個(gè)芯片和一個(gè)天線。設(shè)計(jì)RFID電子標(biāo)簽時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：針對傳統(tǒng)RFID電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)與部署方式存在的不足,為了最大程度耦合到貼附的金屬表面產(chǎn)生的磁場,保持標(biāo)簽天線磁軸與金屬平行,以實(shí)現(xiàn)更流暢的數(shù)據(jù)讀取,增強(qiáng)其工作頻率,應(yīng)對金屬介質(zhì)對標(biāo)簽的影響。對倉庫內(nèi)部空間進(jìn)行重新規(guī)劃和布局,將倉庫內(nèi)部空間劃分為具體的托盤貨位,在每個(gè)托盤貨位的中心位置安裝地埋式無源電子標(biāo)簽,實(shí)現(xiàn)貨物精確到貨位的數(shù)字化存儲。

如圖3,針對無源電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)了一種圓形天線方案,產(chǎn)生隨時(shí)間變化的磁場,可匹配各種形式的電子標(biāo)簽,防止電子標(biāo)簽的出入庫信息丟失,通過3個(gè)讀寫器的空間部署保證貨物在出入倉庫時(shí)均處于無線射頻的覆蓋范圍,保證倉儲系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖3 倉庫出入口讀寫器設(shè)置

圖4 倉儲系統(tǒng)整體框架

圖5 仿真數(shù)據(jù)的單位貨物吞吐量

3.2 數(shù)據(jù)分析

以該大型倉庫作為實(shí)驗(yàn)對象,應(yīng)用設(shè)計(jì)的基于RFID的倉儲自動化與智能化系統(tǒng),采集倉庫每日的進(jìn)出庫明細(xì)表格,基于進(jìn)出庫數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真。具體流程如下：

使用Ubuntu系統(tǒng)下Gazebo虛擬物理環(huán)境進(jìn)行模擬,設(shè)置倉庫大小、貨架擺放順序、出入口位置等基本信息。在倉庫入口平均設(shè)置不同規(guī)格、存儲時(shí)長、出庫頻率的貨物,測試結(jié)束時(shí)按順序重新布置存儲物。采用傳統(tǒng)人工貨物管理,仿真環(huán)境中設(shè)置一定的登記核對時(shí)間30 s,大型貨物的登記時(shí)長適當(dāng)加長,對出入庫情況進(jìn)行模擬。

(1)

采用基于RFID的智能化倉儲系統(tǒng)進(jìn)行出入庫管理,將倉儲過程結(jié)束條件設(shè)置為該倉庫貨架空間利用率為70%。重復(fù)上述過程5次,統(tǒng)計(jì)每次入庫和出庫結(jié)束時(shí)間及單位時(shí)間內(nèi)倉儲吞吐量,由于本系統(tǒng)中未增加路徑軌跡優(yōu)化算法,因此不考慮貨物上架時(shí)間,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,相對于人工倉儲管理,基于RFID的智能化倉儲管理系統(tǒng)在一定程度上提高了倉儲系統(tǒng)的單位時(shí)間吞吐量,在出入庫時(shí)間上,相對于人工管理提高達(dá)40%以上,有效提高了倉儲系統(tǒng)效率。

4 展望

探討了利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)倉儲管理的自動化與智能化,通過對現(xiàn)有倉儲管理系統(tǒng)的改造與升級,實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)集成,提高倉儲管理效率、精確性及可靠性,為物流行業(yè)帶來巨大的價(jià)值及競爭優(yōu)勢,為基于RFID的倉儲自動化與智能化技術(shù)提供了一種系統(tǒng)方法和框架。RFID技術(shù)將在倉儲管理領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用,為物流行業(yè)帶來更高效、智能和可持續(xù)的解決方案。

未來,RFID技術(shù)與5G的融合將推動智能倉儲的進(jìn)一步發(fā)展。5G的高帶寬和低延遲特性將使RFID系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸大量數(shù)據(jù),支持智能倉儲的實(shí)時(shí)監(jiān)控和反應(yīng),可更準(zhǔn)確地跟蹤庫存,實(shí)現(xiàn)庫存的即時(shí)更新及高效的出入庫管理。RFID與人工智能(AI)的結(jié)合將加速智能倉儲的發(fā)展。將RFID數(shù)據(jù)與AI算法相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)自動化庫存管理、路徑規(guī)劃及預(yù)測性維護(hù),倉庫將更智能化,自動適應(yīng)不斷變化的需求,提高庫存管理效率及準(zhǔn)確性。RFID技術(shù)的小型化和集成將使智能倉儲更具靈活性。RFID芯片和天線的尺寸將繼續(xù)減小,可輕松嵌入各種貨架、貨物及設(shè)備中,這將促進(jìn)智能倉儲系統(tǒng)的部署,使其更容易適應(yīng)各種倉庫環(huán)境和物品類型。RFID技術(shù)還將在物品追蹤與定位方面發(fā)揮關(guān)鍵作用,倉庫管理人員可利用RFID實(shí)時(shí)跟蹤物品位置,提高物品定位及檢索效率,將RFID標(biāo)簽附加到設(shè)備上,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能定位及導(dǎo)航,減少操作錯(cuò)誤和設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。隨著RFID技術(shù)在智能倉儲中的廣泛應(yīng)用,人們也將更加重視安全和隱私保護(hù)。未來要著重提高RFID系統(tǒng)的安全性,包括數(shù)據(jù)加密、訪問控制及身份驗(yàn)證,確保倉庫數(shù)據(jù)的保密性和完整性。RFID技術(shù)在智能倉儲領(lǐng)域中的應(yīng)用將繼續(xù)推動倉儲自動化與智能化發(fā)展,使倉庫更加智能、高效、靈活,為供應(yīng)鏈管理提供更多的可能性,實(shí)現(xiàn)智能倉儲的全面優(yōu)化。