無線射頻識別技術配送中心系統(tǒng)設計

文章出處：http:// 作者：虞俊俊 趙犁 郜笙   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月23日

    1 引言

    隨著業(yè)務量的不斷增長和客戶需求的不斷提升，配送中心的管理也面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。如何更快地完成每天都要重復進行的大批量貨物的快速核對、收取、出庫、復核；如何降低庫存成本、加強庫存控制、提高空間、人員和設備的使用率；如何快速地找到指定的貨物；如何在不停業(yè)情況下實現(xiàn)配送中心的自動盤點等，已經成為各個配送中心共同關心的熱點和難點問題。

    目前的條碼技術一定程度上提高了配送中心的自動化水平。但是，由于條碼本身不可逾越的缺陷，使其在解決配送中心上述問題時收效甚微，無法滿足企業(yè)現(xiàn)有的應用[2]。無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術因為其特有的遠距離、非接觸識別、防沖撞，以及大容量、識別速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點，為進一步實現(xiàn)配送中心的完全自動化提供了可能。電子標簽全球唯一的UID序列號，為每一個最小單位的流通商品建立一個全球性的標志，從而實現(xiàn)對整個供應鏈的物品進行實時的跟蹤和管理。

    本文提出基于RFID技術的配送中心系統(tǒng)架構，采用分層的方式進行系統(tǒng)硬件結構設計和軟件結構設計，同時提出一種新的數(shù)據采集過濾方法，并通過建立小型配送中心實驗室，模擬配送中心各流程，從而驗證系統(tǒng)方案的正確性和可靠性，大大提高配送中心效率。

    2 配送中心系統(tǒng)集成設計

    2．1 配送系統(tǒng)硬件結構設計 

    配送中心的工作流程通常包括收貨、入庫、補貨、揀選、分揀、復核、出庫，如圖1所示。 

    一般來講，在以上配送中心的各個工作區(qū)域，相應安裝RFID閱讀器用于數(shù)據采集并將采集到的數(shù)據傳輸至中心計算機系統(tǒng)進行分析處理，然后根據分析結果指導工作區(qū)域采取下一步動作?？紤]到配送中心操作中對識別距離的要求，系統(tǒng)應采用超高頻硬件設備。但是，由于配送中心內不同工作區(qū)域相鄰較近或可能存在重疊區(qū)域，如果全部應用超高頻的RFID系統(tǒng)，將不可避免地發(fā)生不同功能區(qū)域之間的“串讀”現(xiàn)象。為了避免因串讀而導致的射頻屏蔽困難，我們嘗試把高頻(13．56MHz)和超高頻(915MHz)RFID設備統(tǒng)一規(guī)劃于系統(tǒng)之中，在數(shù)據庫中關聯(lián)高頻(UH)和超高頻(UHF)電子標簽數(shù)據信息，并通過中間件使之協(xié)調工作。

    具體來講，在出入庫區(qū)域、庫存區(qū)域以及分揀區(qū)域，系統(tǒng)采用超高頻閱讀器，可以在大范圍內一次讀取多個電子標簽，以提高配送中心出入庫速度、自動化程度以及庫存準確度。在補貨時，閱讀器讀取周轉箱標簽進行數(shù)據庫信息更新，此時系統(tǒng)一次只需讀取一個電子標簽，故在補貨區(qū)采用高頻閱讀器避免串讀。這些部分構成了整個RFID系統(tǒng)中的固定式數(shù)據采集終端，如圖2所示。 

    以叉車為載體的移動式RFID數(shù)據采集終端在該配送中心系統(tǒng)中擔負著重要的角色。其作用包括：在叉車終端承載貨物人(出)庫時，系統(tǒng)根據人(出)貨單和實際人(出)貨情況進行復核，并將復核結果反饋于叉車終端以提示其下一步動作；通過叉車車載RFID閱讀器讀取貨架上的貨位標簽，以確認貨物(托盤)在倉庫中的具體位置，方便事后貨品定位和盤點；可在地面安置一系列RFID標簽(地標)，通過讀取地標以確定和跟蹤叉車在配送中心的行駛路線和位置。該移動數(shù)據采集系統(tǒng)由RFID閱讀器和顯示終端組成，并通過無線局域網(802．11b／g)和中心計算機實現(xiàn)數(shù)據交換。由于移動終端在執(zhí)行業(yè)務操作時只需讀取一個貨位標簽，故移動終端也采用高頻RFID系統(tǒng)，同時可避免串讀。目前的RFID閱讀器硬件接口通常有串口和網口兩種形式，單套RFID應用系統(tǒng)只需串口就可以滿足需求，而多套復雜應用系統(tǒng)需要網絡接口以便于設備聯(lián)網。系統(tǒng)根據不同閱讀器所提供的通訊接口的不同，設計集成多種通訊方式，通過集線器和多串口卡和主機通信。

    2．2 配送系統(tǒng)軟件結構設計 

    配送系統(tǒng)的軟件結構由前端各個區(qū)域的RFID數(shù)據采集系統(tǒng)、中間件、以及后端的倉儲管理系統(tǒng)(wMS)構成。系統(tǒng)軟件結構如圖3所示。 

    在圖3中，前端的RFID數(shù)據采集系統(tǒng)完成對電子標簽數(shù)據的采集；中間件把采集到的數(shù)據進行加工處理和格式匹配，并且封裝不同頻率設備以及不同的通信方式，提供接口給后端的WMS系統(tǒng)；WMS統(tǒng)一管理配送中心各項業(yè)務操作。其中，入庫管理模塊完成貨位分配、進貨復核和定制訂貨單操作；庫存管理模塊完成托盤貨物查詢、貨位貨物查詢、流利式貨架管理和貨位貨物盤點操作；出庫管理模塊完成出庫方案選擇、分揀顯示、出庫復核和定制訂單操作；資源管理模塊完成托盤管理、貨位管理和叉車管理操作；報表管理模塊對入庫管理、庫存管理、出庫管理和叉車管理過程中使用和產生的數(shù)據表格進行定制、查詢、修改和刪除等管理操作。系統(tǒng)運行時，WMS首先對入庫區(qū)域采集的數(shù)據進行分析和統(tǒng)計，完成收到貨品的貨位分配，并通過顯示終端指導叉車完成貨品的正確入庫，WMS同時對其他區(qū)域的RFID系統(tǒng)上傳的信息進行相關操作，實現(xiàn)貨物單品、周轉箱、托盤以及叉車的高效管理。 

    為保證上述各項信息采集的可靠性，在硬件特性充分發(fā)揮的前提下，系統(tǒng)從軟件上采用多次讀取方式來進一步克服電子標簽漏讀現(xiàn)象，確保以后用于所有數(shù)據處理的數(shù)據源的完整性。從表1可知，配送中心的不同業(yè)務環(huán)節(jié)所需采集的數(shù)據信息并不相同，如何區(qū)分不同類型標簽，從而過濾無用數(shù)據信息，經過研究分析解決的方案有如下幾種： 

    (1)不同類型的標簽以不同頻率的設備讀取。這種方法數(shù)據處理速度快，但成本較高；
    (2)采用同種頻率標簽，規(guī)定標簽UID范圍作為不同類型的標簽。這種方法簡單易用，但系統(tǒng)可擴展性差。
    (3)采用同種頻率標簽，在標簽的數(shù)據塊中設置標志符來加以區(qū)分，這種方法硬件投入成本低，操作方便，同時，此方法不受標簽協(xié)議標準的限制，既可用于ISO類型標簽也可用于EPC類型標簽。但由于需讀取標簽數(shù)據塊信息，所以標簽讀取速度稍低。 

    綜合考慮各種因素，本文認為第三種方法最為恰當，雖然標簽讀取速度稍有犧牲，但對于通常配送中心的物流速度而言不會構成負面影響。通常ISO電子標簽內部存儲容量為2048bits，被分成256個字節(jié)，每個字節(jié)有一個對應地址0~255。設置標簽的數(shù)據格式如表2所示。 

    4 RFID配送中心操作流程模擬

    4．1 RFID配送中心實驗室建設 

    為支持此項研究，我們在實驗室中特建立一套小型配送中心，其基本物流設備包括橫梁式貨架、流利式貨架、可變速傳輸線以及叉車等，并依據配送中心典型布局設置了出入口、分揀區(qū)、補貨區(qū)、倉儲區(qū)等不同的功能區(qū)域。按照本文的系統(tǒng)設計思想，我們在各個RFID通道配置了相應的RFID設備并分別與中心計算機相連進行數(shù)據通訊。RFID設備基本信息如表2。其中為節(jié)省設備資源，出入庫區(qū)域用同一設備的不同天線分別用作入庫和出庫操作。 

    系統(tǒng)設備選型靈活、兼容性好，其中，庫存區(qū)域和補貨區(qū)域的RFID閱讀器采用TCP／IP方式和中心計算機通訊，出入庫區(qū)域和分揀區(qū)域的RFID閱讀器采用RS232串口方式和中心計算機通訊，車載(叉車)RFID閱讀器通過RS232串口方式與車載計算機相連，再通過無線局域網實現(xiàn)與中心計算機的通訊 。

    配送系統(tǒng)運行之前預先在貨物單品、周轉箱、托盤、貨位、叉車等物流單元分別貼附電子標簽，并在標簽內寫入相應代碼以進行快速識別。當物流單元經過各個RFID通道時，系統(tǒng)進行數(shù)據采集并將采集到的數(shù)據傳輸?shù)絎MS進行過濾、比對和分析，最后相應對中心系統(tǒng)或移動終端做出反饋或指令，從而實現(xiàn)對入庫、庫存、盤點、補貨、揀選、分揀、出庫等基本業(yè)務進行統(tǒng)一調度管理。

    配送中心的全部作業(yè)流程都在WMS的統(tǒng)一調配之下。入庫時，加載了標簽的貨品通過收貨RFID系統(tǒng)，WMS系統(tǒng)根據當前貨位情況分配貨位，同時采集記錄貨品、周轉箱、托盤上標簽信息。

    車載RFID系統(tǒng)確認貨品進入正確的貨位后，主機和叉車終端相互通信，完成人庫操作。進行盤點作業(yè)時，分布在貨架上的RFID系統(tǒng)實時采集數(shù)據信息，并與數(shù)據庫信息進行核對，以提供準確的庫存查詢。當流利式貨架上的貨品量低于設定的最低值時，系統(tǒng)提示進行補貨作業(yè)。從橫梁式貨架上向流利式貨架補充貨品，安裝于傳送線下方的RFID系統(tǒng)采集相關標簽信息，同時流利式貨架上貨品數(shù)據即時進行更新，提供最新的庫存信息。配送中心根據訂單進行出庫時，首先WMS系統(tǒng)自動生成出庫方案，整托盤的貨品直接經出庫RFID系統(tǒng)采集信息后到指定區(qū)域，散件貨品經流利式貨架區(qū)域揀選，由分揀區(qū)域的RFID系統(tǒng)根據貨品目的地信息分揀到指定的出口，經出庫RFID系統(tǒng)采集貨品信息，WMS系統(tǒng)根據訂單標簽信息統(tǒng)一復核完成出庫操作。

    4．2 配送系統(tǒng)模擬結果 

    WMS系統(tǒng)是整個配送中心的心臟，統(tǒng)一控制管理著配送中心各個業(yè)務流程，實現(xiàn)配送中心的連續(xù)自動入庫、貨位分配核對、庫存實時查詢、補貨及時報警、出庫方案生成、自動分揀分流、出庫自動復核、以及相關報表的管理。

    在該系統(tǒng)中，各個業(yè)務流程所涉及的數(shù)據采集全部通過RFID技術實現(xiàn)。測試表明，相對于傳統(tǒng)的條碼支持的配送系統(tǒng)，該基于RFID技術的配送中心系統(tǒng)庫存透明度和準確率大大提高，可以根據需要實時對貨架上的貨物進行盤點；出入庫實現(xiàn)自動貨物訂單復核，提高配送精度；數(shù)據采集速度快，實現(xiàn)不停頓的自動出入庫，解決了條碼系統(tǒng)中由于對單個貨品逐一掃描而造成的效率瓶頸，同時也驗證系統(tǒng)所采用的電子標簽數(shù)據信息過濾方法的可靠性。

    5 結論

    配送中心是物流供應鏈中承上啟下、必不可少的環(huán)節(jié)，配送中心的效率直接影響到企業(yè)的市場競爭力。本文論述的RFID配送中心實驗室以配送中心的實際流程為模板，無論是煙草配送、醫(yī)藥配送或其他貨品的配送本系統(tǒng)都同樣適用。系統(tǒng)同時集成高頻和超高頻設備，免除電磁屏蔽的困擾。系統(tǒng)對RFID技術的應用雖然是面向配送中心，但只要有數(shù)據采集和自動識別的場合都有RFID技術的用武之地，同樣適用于供應鏈中的其他環(huán)節(jié)和其他各行各業(yè)，可以實現(xiàn)跨部門、跨行業(yè)的信息共享?；赗FID的數(shù)據采集系統(tǒng)拓展到商場等銷售環(huán)節(jié)能有效降低商場產品脫銷率，附有電子標簽的商品補充的速度遠比條碼的快。RFID技術的應用實施目前來說成本略高，但為企業(yè)帶來的巨大收益也顯而易見，相信隨著技術的不斷成熟以及硬件成本的進一步降低，RFID技術必將得到廣泛應用。

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