探討制造業(yè)倉儲物流中揀選技術(shù)的實現(xiàn)途徑

 物流是生產(chǎn)制造及其供應(yīng)鏈的重要保障。據(jù)統(tǒng)計，產(chǎn)品從原材料到成品，生產(chǎn)加工所占用的時間僅僅只有10%，而90%消耗在倉儲、搬運、包裝、運輸、配送等物流環(huán)節(jié)中。揀選作業(yè)作為物流作業(yè)的重要內(nèi)容，也是生產(chǎn)制造及其供應(yīng)鏈過程中的重要作業(yè)形式。隨著制造方式和組織形態(tài)的變化，揀選技術(shù)也在不斷推陳出新，變革升級。

由于工業(yè)生產(chǎn)制造的組織模式多種多樣，比如大規(guī)模流水線制造、多品種小批量個性化定制、離散柔性制造、智能制造等等，其物流的組織方式也不一樣，相應(yīng)各揀選環(huán)節(jié)的揀選技術(shù)也不一樣，甚至千差萬別，具有十分顯著的面向制造需求特征。

比如在大規(guī)模流水線制造中，物流的組織方式大多是標準化流程組織，涉及揀選作業(yè)比較固定和規(guī)范，比較容易實現(xiàn)自動化揀選。而在多品種小批量個性化定制和離散柔性制造模式中，訂單的內(nèi)容、數(shù)量和時間都會發(fā)生變化。因此，面向個性化定制和柔性制造的揀選作業(yè)也在不斷演化，新專利、新技術(shù)、新產(chǎn)品、新系統(tǒng)層出不窮。在智能制造快速發(fā)展的今天，揀選技術(shù)也在向自動化和智能化方向發(fā)展。

揀選作業(yè)的功能與分類

據(jù)國家標準物流術(shù)語(GB/T18354-2016)定義，揀選(OrderPicking)，是指根據(jù)訂單或出庫單的要求，從其存儲場所揀出物品的作業(yè)。

而文獻中對揀選作業(yè)的定義也有些微不同。一般認為，揀選作業(yè)是指根據(jù)訂單或者出庫單的要求，從貨位上把物品揀取出來，并將其送到指定位置放好的全過程。

根據(jù)揀選作業(yè)的定義，可以看出，揀選功能的一般性描述就是：1)將指定的物品(名稱、規(guī)格、型號、數(shù)量等)從儲位揀出;2)送到指定位置;3)放置好。無疑，揀出作業(yè)是揀選過程最核心的功能。

由于揀選過程中揀出和放置作業(yè)與所操作的對象密切相關(guān)，和作業(yè)環(huán)境密切相關(guān)，因此，揀選作業(yè)常?？梢苑譃椋喝斯x、機器揀選和人機協(xié)同揀選。限于篇幅，有關(guān)這種分類的具體細節(jié)，在此不展開。

從揀選過程涉及的物品搬運或者說輸送方式角度，揀選作業(yè)又可以分為：人到貨、貨到人，以及貨到機器。限于篇幅，有關(guān)這方面的具體細節(jié)，在此也不展開。

在制造過程中，揀選作業(yè)可能出現(xiàn)在生產(chǎn)制造的倉儲、加工、裝配等多個環(huán)節(jié)。根據(jù)揀選所處的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可以將揀選作業(yè)分為兩類。

(1)倉儲揀選

倉儲作業(yè)是保障生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)所需物料及時、準確、有效供給的重要手段，也是各制造企業(yè)一直試圖削減成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。揀選是倉儲作業(yè)最核心最占成本的作業(yè)單元。如圖1所示為人工倉儲揀選示意圖。

圖1人工倉儲揀選示意圖

據(jù)文獻報道，在經(jīng)典的倉儲作業(yè)中，揀選作業(yè)約占倉庫運營成本的30%-50%，揀選人員數(shù)量約占倉儲作業(yè)人員數(shù)量的60%以上，而揀選人員70%的作業(yè)時間在移動，30%的作業(yè)時間是用于揀選物品。這也是為什么近年來“貨到人”揀選方法備受關(guān)注，并出現(xiàn)了“貨到機器”研究趨勢的原因所在。而為了不斷提高揀選效率，同時滿足柔性制造和個性化定制制造的需求，人們歸納出了“基于訂單的揀選(SingleOrderPicking)”、“基于批量的揀選(BatchPicking)”和“基于流程的揀選(FlowPicking)”三種主要的揀選技術(shù)。也有專家學(xué)者總結(jié)為“摘果式揀選”和“播種式揀選”技術(shù)。

(2)線邊揀選

生產(chǎn)制造的每一個加工環(huán)節(jié)以及上下加工工序間的轉(zhuǎn)換都離不開物料的組織。因此，線邊揀選是必不可少的生產(chǎn)物流作業(yè)過程。根據(jù)生產(chǎn)制造的組織形式不同，可以分為：離散制造線邊揀選、流水線制造線邊揀選和單元制造線邊揀選等。如圖2、3所示。

圖2流水線線邊揀選示意圖

圖3柔性制造線邊揀選示意圖

和倉儲揀選不同，線邊揀選的作業(yè)對象相對單一，搬運距離相對短，作業(yè)人員/設(shè)備相對少。但是線邊揀選直接關(guān)系到加工的效率和質(zhì)量，也是在制品庫存的重要因素和生產(chǎn)周期的重要占時成分。因此，線邊揀選受到制造企業(yè)的高度重視。一些龍頭的制造企業(yè)比如汽車制造企業(yè)，將線邊揀選外包給專業(yè)的物流公司。很多公司針對線邊揀選開展技術(shù)革新和改造，創(chuàng)造出專用的小型貨架、料箱，以及RFID、PTL等揀選輔助裝置，甚至自動化立體倉庫。

由于線邊揀選技術(shù)和裝置具有行業(yè)和企業(yè)特色，和制造工藝及環(huán)境甚至企業(yè)文化密切相關(guān)，這里不做詳細介紹。

面向制造的倉儲揀選技術(shù)

倉儲揀選作業(yè)的一般流程如圖4：

圖4倉儲揀選作業(yè)的一般流程

從圖4可見，揀選作業(yè)受生產(chǎn)訂單的驅(qū)動，受倉儲布局的制約，而整個過程訂單下達及匯聚生成揀貨策略輸出揀貨單規(guī)劃揀貨路徑揀貨集中審核送線邊受企業(yè)的生產(chǎn)組織模式的調(diào)度。倉庫在接到ERP系統(tǒng)的出貨指令后，WMS會根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度需求，選擇揀貨策略(技術(shù))：“基于訂單的揀選”、“基于批量的揀選”和“基于流程的揀選”。

基于訂單的揀選，或者說摘果式揀選，是最基本的揀選方式。WMS會將每一個客戶的訂單，根據(jù)倉庫布局(貨物儲存布局)分解成揀貨單，分派給不同區(qū)域的揀貨員，并生成揀貨路徑。揀貨員揀取貨物后，送到集中區(qū)域合并，復(fù)核后交由下一個配送流程，送交生產(chǎn)線邊。

基于批次的揀選，或者說播種式揀選，是為了進一步提升揀選效率，降低揀貨強度而提出的一種揀選策略(技術(shù))。接到ERP指令后，WMS會將若干訂單匯總，將相同的物品進行合并，再根據(jù)倉庫布局(貨物儲存布局)編制揀貨單，分派給不同區(qū)域的揀貨員，并生成揀貨路徑。揀貨員揀取貨物后，送到集中區(qū)域。在該區(qū)域，根據(jù)生產(chǎn)組織需要，可以按照訂單再次揀選組合，也可以直接復(fù)核后交由下一個配送流程，送交生產(chǎn)線邊。

基于流程的揀選和基于批次的揀選相似，不同之處在于，WMS會匯聚當前生產(chǎn)流程中所有的訂單(比如一天的訂單)，進行訂單的合并和分解，形成揀貨單。

隨著個性化定制需求的日益增長，生產(chǎn)組織向更為柔性可重組方向發(fā)展。因此，揀選技術(shù)也在不斷進化，產(chǎn)生了一種組合“基于訂單的揀選”和“基于批次的揀選”的新方式，我們把它定義為“動態(tài)組合揀選”技術(shù)。該技術(shù)在正常生產(chǎn)條件下，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍，選定批次大小，按照批次進行揀選作業(yè)。當有緊急訂單或者特殊訂單到達時，按照“訂單揀選”方式實時響應(yīng)出入庫需求。

智能揀選技術(shù)

根據(jù)圖4所示的揀選流程，揀選技術(shù)的智能化可以從幾個方面入手。1)揀貨方法的智能化，比如機器揀選，以及RFID、VR、二維碼、PTL等輔助揀貨方法;2)物品輸送技術(shù)，比如可以采用堆垛機、AGV、輸送帶等方式。如圖5是一種基于Kiva機器人的貨到人倉儲布局示意圖。在該場景中，Kiva機器人在接到揀貨指令后，找到指定的貨架，并將該貨架運送到指定的揀選臺(W1-W4)，供揀貨員揀貨。

智能揀選的第三個途徑就是訂單的處理和揀貨策略的選取。在傳統(tǒng)的訂單分拆、物品合并的算法基礎(chǔ)上，基于大數(shù)據(jù)和優(yōu)化技術(shù)的方法正逐步得到應(yīng)用。

智能揀選的第四個途徑就是輸出揀貨單。在如圖5所示的多Kiva機器人和多揀選臺場景中，將揀貨單分派給哪個機器人、哪個揀選臺，是影響揀選效率的關(guān)鍵因素。目前的方法主要有動態(tài)規(guī)劃法、博弈、合同網(wǎng)法等。如圖6就是筆者團隊提出的一種基于合同網(wǎng)算法的訂單派發(fā)流程，其中，招標方為派單方，投標方為Kiva機器人和揀選臺。

圖5Kiva機器人貨到人揀選場景示意圖

圖6基于合同網(wǎng)的倉儲揀選單派發(fā)

智能揀選的第五個途徑就是物品的輸送路徑規(guī)劃。堆垛機和輸送帶都是采用固定路徑輸送，而AGV的路徑則可能根據(jù)貨物輸送的源點和目的地，以及道路狀況，進行路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃的方法很多，比較經(jīng)典的是A*算法，也可以借用TSP問題模型進行優(yōu)化求解。當AGV數(shù)量較多時，路徑規(guī)劃會變得非常復(fù)雜，這時可以采用群體機器人協(xié)同調(diào)度技術(shù)，也可以采用網(wǎng)絡(luò)流理論和圖論等進行建模優(yōu)化。