现代工厂仓储智能管理

李梅，谭道桓，李恒毅，鲁毅，张睿锋

1.云南省弥勒市星田工业园区红河卷烟厂，云南红河，652300；2.昆明理工大学理学院，云南昆明，650093

0 引言

当今时代，物联网、大数据技术飞速发展，随着物流运输不断向数据化、信息化发展，物流仓储业应紧跟时代脚步[1]。在本次智慧仓库管理方案分析中，我们以云南红河烟厂技术升级改造项目为例[2]，探讨智能管控在现代仓储中的运用。

针对红河烟厂仓储情况，有如下现状：① 物料入库需要整托盘入库，散件需要人工或自动配盘入库；② 需要存放的物料或成品种类不多，其体积和质量相近；③ 成品库存区与销售运输区域相连，成品可直接装车出库。

企业传统仓库管理往往存在诸多问题：入库登记不规范；人工完成从库房到生产线的物料运输，库内运输效率低下；不同时间生产包装的成品堆积，位于货堆底部的成品出库困难；多品种产品出库需协调多个仓库，程序繁琐。针对这些问题，红河烟厂提出并实践了一套为生产原材料、加工半成品、成品的存储管理全过程进行智能化管控的方案。该方案提出货物使用高架库存放代替传统仓库存放，通过机械手和自动引导车（automated guided vehicle, 后简称AGV）进行物料和成品的入库出库，通过自动电磁悬挂（electromagnetic suspension, 后简称EMS）运输车进行库内运输[3]，不同货架的物料和成品的分拣通过分合流系统进行，最终通过双向堆码垛机送入高架库中进行存放。全过程信息化实现，物料通过托盘上射频识别（radio-frequency identification,简称RFID）芯片进行标记、成品通过唯一标识条码配合 RFID 芯片进行识别，物料和成品在库内位置、状态等信息可实现全程精准可控、智慧管理。

1 入库与出库

仓库分为辅料库区（存放生产用物料）和成品库区（存放成品），辅料库区与生产线直接相连，成品库区位于生产线末端。辅料库和成品库均采用高架库进行物料存放，对少数特殊物料通过平库存放，位于生产车间旁，平库内物料由 AGV 车或人工叉车进行存取，仅作为临时使用，不在智慧仓储管理范围之内。

无论是成品库还是辅料库，主要货物均存放于高架库内，成品高架库共 24 个货架，每个货架有8层，每层60个货位，辅料库有10个货架，每个货架14层，每层48个货位，辅料库每4个货架成品库，每 2 个货架间配备一台双向堆垛机，由该堆垛机负责左右两排货架的货位存取。成品库的入库和出库由上下两层分别完成，下层传送带连接运输车辆所在区域，完成出库操作，生产线直接与上层入库区域连接。

物料运送至仓库后若为整托盘物料，则通过人工叉车送至入库区入库站台处，每一个入库站台均配备 RFID 扫描装置，通过扫描托盘上的 RFID 芯片获取数据，与数据库内订单进行匹配后管理系统将为其分配存储货位[4]；人工入库主要针对未使用完的物料或特殊物料入库，人工入库在人工配盘区进行操作，由工作人员摆放托盘，并将数据录入系统，系统根据当前库区情况分配货位。货位分配完成后传送带和库内运输设备将自动运输至对应货架处，再经堆垛机运送入库。成品通过生产线运输带直接运输至成品库分合流系统，分合流系统上配备 RFID 扫描装置和红外条码扫描装置，经机器手堆垛至托盘上后，写入托盘 RFID 芯片，系统为其分配货位，进行成品入库操作。

出库过程与入库过程相反，成品库整托盘出库过程和辅料库出库过程一致。当生产线发出物料配送请求或收到成品出库订单出库指令之后，系统根据当前库存状态和预定的规则进行选择货位进行操作，对于多盘或多种物料请求，则每一种和每一盘物料均进行出库和运输。辅料物料通过堆垛机从高架库上取下，经库内运输系统送至辅料区出库口，随后由 AGV 车辆将物料输送至请求生产线或请求工位[5]。成品库散件出库通过前述系统取出托盘后送至机器手堆码垛区[6]，由机器手对需要出库成品进行拆垛，经运输带、分合流系统运输至出库车辆运输区。对于已经拆散的成品托盘将临时存放在机器手拆码垛缓冲区，若后续有该托盘货物需要散件出库，则可直接使用，若缓冲区不足，则系统根据规则，将部分散盘运回原货位或将散盘直接拆散，经传送带和提升机运输至上层入库区重新入库[7]。

2 仓库内运输

在本文研究环境下，库内运输包括辅料从运输车辆运送至入库站台、经入库站台运送至货架、从货架运输至生产线和成品从生产线运输至货架、货架之间的相互运输以及成品从货架出库等过程。

针对物料运输至入库站台，对于整托盘物料直接通过 AGV 车进行运输，特殊情况下由人工叉车负责运送[8]。散件由人工叉车运送至人工配盘区后由人工配盘。

物料从入库站台送至货架分为两部分，第一部分通过传送带进行运输，传送带连接到各个入库站台，对于路线交叉处采用可升降的传输机通过升降控制运输方向[9]。由于货架使用频率较高，若使用 AGV 或人工叉车等运输方式容易造成堵塞，影响整个系统工作效率，综合考虑下，EMS运输系统是解决货架区域运输的首选。自动电磁悬挂车辆根据预定轨道运行，变轨装置的存在使运送路径得以多样选择，通过良好的调度管理和精确的控制技术实现高效的运输[10]。

分合流系统是一种先进高效的自动分拣系统，其一般由输送部分、设备自动控制部分和物联网系统组成。本仓库中分合流系统分为三个部分：二楼入库分合流设备、一楼出库分合流设备及提升机[11]。其中入库分合流设备包括含1个货物主要入口和17个分类出口、提升机入口，另外包含不合格的物体剔除口、物体回流口和环形输送机各一个。物体从主要入口进入，在通过环形分合流轨道后可以最多分成17个种类进入仓库进行存储。出库分合流设备，该设备分为6个入库口、8个出库口、提升机出口、不合格的物体剔除口、物体回流口和环形输送机。将通过这6个入库口将仓库中的物体输送到出库分合流设备，然后在8个出库口进行出库装车。提升机可以在将一楼的货物提升到二楼并进入入库分合流设备，进行分类[12]。

3 智能控制及数字孪生平台

在整个仓储区间，几乎所有的设备均连接网络，并通过网络实现控制信号和状态数据的传送[13]。在该项目中，入库站台、出库站台、人工配盘区、机械手、堆码垛设备均配备 RFID 读写设备，传送带、智能运输车、分合流系统配备扫描装置，可识别物件形状及表面存在的条码信息。AGV 车辆通过智能调控系统进行任务分派和路径规划[14]，EMS运输系统根据运输任务实时控制EMS穿梭车速度并调用变轨系统优化路线[15]。库区堆垛机通过智能控制实现货位分配优化，使得在利于管理货物存放的同时，获得较高的效率。

正是因为几乎所有设备均通过物联网技术与控制中心连接，由此孕育而生了库区数字孪生平台——虚拟仿真监控管理平台[16]。平台通过综合处理各传感器所读取到的数据，及时进行分析处理，通过虚拟仿真技术实现数字孪生[17]。该平台同时连接数据库系统，实时获取任务信息，将任务信息与传感器数据进行匹配比较，从而低延时、高精度地反映运输线上的实际情况[18]。同时，虚拟监控平台在需要时直接通过Socket、TCP 等协议与边缘计算设备以及物理设备进行连接，进而可通过该平台直接控制运输流程[19]。系统还可调用厂区监控系统，通过物理监控辅助问题和故障的排查和诊断。

智能管理平台同时追踪控制各个设备运行状态、设备运行时间，实现发现故障后自动调整运输方案并及时报警、设备生命周期管理，为设备保养维护提供有力基础[20]。

4 结语

现代工厂发展要面向世界科技前沿、面向经济主战场，勇于创新。云南红河烟厂通过技术改造实现现代工厂智能仓储运输控制，利用 EMS、AGV、分合流设备打造库内智能运输体系；配合传送带、堆码垛设备完成物料、成品位置、状态精确把控；利用虚拟仿真系统实现运输生产可视化管理。该项目结合传感器、物联网、人工智能等关键技术，深入研究并搭建工厂和仓库的三维虚拟监控数字孪生系统，除前述特点外系统具备良好的可扩展性，设备、物料、成品信息可跨系统跨平台共享，促进工业生产车间智能化发展，为现代工厂仓储运输提供可行的解决方案。