物流仓储配送优化及其基于射频识别的可视化运作管理

徐 琪

（东华大学旭日工商管理学院，上海市 200051）

物流仓储配送优化及其基于射频识别的可视化运作管理

徐 琪

（东华大学旭日工商管理学院，上海市 200051）

物流仓储配送优化对于提高整体物流效率具有重要现实意义。射频识别（RFID）技术能够准确识别货品、跟踪整个仓储配送过程，为提高仓储配送作业效率提供可视化服务管理。文章在探讨物流仓储配送RFID系统配置及其过程描述基础上，建立了仓储配送优化搬运距离模型，给出了一个由RFID物理服务层、数据通信服务层、业务逻辑集成服务层和应用服务层组成的RFID物流仓储配送可视化运作管理系统结构。运用本文建立的配送搬运过程优化模型，应用RFID过程状态信息跟踪功能，能够可视化地控制配送搬运设备的优化运作，实时将配送拣选状态变化信息传输到仓库管理系统和订单管理系统，及时更新仓库和订单信息，实现物流仓储配送过程的优化并进行有效的可视化管理。

仓储配送；优化；RFID；可视化管理

一、引言

物流仓储配送是对仓库的出入库、储位和配送拣选过程进行实时监控和管理。在现有物流仓储配送过程中，常常因物流运作过程信息无效或可见性差而导致物流供应链配送的低效率。因此，物流仓储配送过程的可视化管理对于提高仓储作业效率与资源利用率、降低物流成本、提升客户服务水平具有重要意义。[1]基于射频识别（Radio Frequency Identification，以下简称RFID）技术的物流仓储配送可视化服务运作管理，能够通过配送拣选路径的优化和仓位管理的优化，运用RFID实时跟踪定位技术，提高配送拣选效率，同时也为仓储配送中心计划维持最佳的仓库平面、货架区划和货品定位提供决策支持，缩短配送操作时间，提高仓库空间利用率。

RFID是一种非接触式的对产品进行自动识别、数据采集、跟踪的技术。典型的RFID系统一般由射频电子标签、读写器、天线及应用系统（包括应用接口、传输网络、业务应用及管理系统）等构成。当物品标签进入读写器磁场时，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在标签芯片中的产品信息（无源标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签），阅读器读取信息并解码后，送至应用系统进行有关数据处理。[2]、[3]目前基于RFID射频技术，可以识别和跟踪所有物理对象，提供准确真实的实时数据，实现物流信息的实时采集、交换、处理等。

在物流仓储配送过程中，RFID阅读器在仓库入库口自动采集入库货物信息，完成盘点，并传输到RFID应用管理系统，更新入库存储数据。对于在库货物，通过货架上固定的RFID阅读器自动完成清点作业，及时更新库存信息，实时监控货物库存量，实现自动补货功能。对于配送拣选过程，分布在仓库中的RFID阅读器可获取货物所在仓位信息和拣选设备（如叉车）所在位置信息，实现对配送拣选过程的跟踪与监控。本文研究的物流仓储配送优化及其RFID可视化服务管理，主要针对仓储配送环节的优化运作，从RFID物理服务、数据通信服务、业务逻辑集成服务和应用服务等方面探讨其管理方法和支持系统。通过仓储配送过程的信息跟踪，依据最短拣选搬运距离模型计算出的订单拣选配送最优路径和顺序，引导配送搬运设备的操作，并将货物仓储与搬移状态信息及时传输到仓库管理系统和订单管理系统，实现仓储货位的优化管理和订单的动态可视化管理，从而实现物流仓储配送过程的优化。

二、物流仓储配送RFID系统配置及其过程描述

在物流仓储管理中，RFID无源标签贴于每个货物单元，如货物包装箱或托盘上。当贴有RFID标签的托盘或包装箱在RFID读写器磁场感应区域内时，RFID读写器将自动捕获标签码中的信息，并将其传输到仓库管理系统（Warehouse Management System，简称WMS）。例如一个具有混合单品（SKUs）的托盘上装有多个产品，这些产品的信息通过读写器就可以被全部读入获取，之后由系统根据仓位信息安排入库位置，并建立库存记录，计算货品入库搬移距离等。[4]入库过程中，应用RFID自动识别系统的信息防冲撞功能，能同时读取多张不同标签并跟踪货物，以确保货物被放入正确的地点，优化调整仓库流程，改善库存周转率，控制库存量的最优化。

在仓储配送过程中，搬运设备（如叉车）上也安置有RFID读写器及有源RFID标签，叉车按订单在不同巷道的仓区/仓位拣选货物。其中，订单信息通过订单管理系统（OMS）发送至RFID业务逻辑集成服务子系统，该子系统可根据仓库管理系统（WMS）中的货物储存仓位信息给出需要拣选货物的位置信息，并按照最优拣选距离量化模型算法给出拣选方案，该方案可在叉车的电脑终端显示，指导叉车正确搬移。叉车上的读写器读取货物上的标签信息，随着叉车从起点到终点移动状态的变化，拣选货物在哪辆叉车上、拣选货物信息以及货物搬运移动位置变化等信息即可被读写到叉车上的有源标签中，通过RFID中间件发送到数据通信子系统和业务逻辑集成子系统，并与仓库管理系统连接，自动完成出库的复核。RFID中间件在此收集、储存RFID读写器发射的产品电子代码（Electronic Product Code，简称EPC）信息并采取相对应的行动，如更新仓库管理系统的数据信息等。这样，物流仓储配送过程就实现了货物信息的自动获取与搬移状态变化的可视化跟踪。

三、物流仓储配送优化模型

1.最短配送拣选距离定义

设开始拣选时叉车所在的仓位号为s，在拣选巷道中，L和R分别为s左右两边按订单准备拣选的最远货物所在的仓位号。叉车在巷道中准备拣选时，首先确定开始拣选的左右边。若|s-R|≤|s-L|，则向右边拣选，否则相反，且同一边仓位中的货物拣选完成之后，再移到另一边进行拣选。这样，最短距离为2min{（R-s），（s-L）}+max{（R-s），（s-L）}。其中所要拣选的货物标签中的信息由货架上的RFID阅读器读取，这样拣选货物所在仓位的信息也可获得。假设所要选择的货物分别位于仓位1、3、4、6和9，此时叉车在仓位6开始拣选操作。根据上述最短距离算法，仓位6中的货物拣选完成后，叉车移动到右边的仓位9进行拣选，然后依次到4、3、1仓位进行拣选，最短距离是11个仓位。

2.最短配送拣选距离建模

在仓储配送过程中，根据订单，可知当前所需拣选的货物，进一步由RFID系统可知该货物所在的仓位等状态信息，而这些状态信息可用来预测下一个仓位的状态。[5]因此，这种配送拣选过程属于一种离散时间随机过程，通常情况下用马尔可夫链来解决离散时间随机过程问题是一种较好的方法。本文探讨的是最短配送拣选距离模型，根据马尔可夫链原则，将所有可能的状态记为Xt（t=1，…，k），它们是不确定的随机变量，其状态空间为I，如仓位和配送拣选搬运设备（如叉车）的起始位置等；将可列的发生转移的时间1、时间2、时间3、……分别记为t1、t2、t3……。状态的改变称为转移，与不同的状态改变相关的概率为转移概率，表示为：

其中，Pij表示已知第t-1个订单处于状态i时，系统在第t个订单（t>t-1）处于状态j的概率。所有转移概率可组成一个矩阵，称为转移概率矩阵，因此状态的转移用转移概率矩阵P=[Pij]表示，即：

其中，Pij=Nij/∑Nij，Nij表示从状态 i到状态 j的总次数。

若对任意 i，j∈I，马尔可夫链｛Xt，t∈k｝的转移概率Pij（t）均与t无关，则称马尔可夫链为时齐的（对时间齐次的），也叫平稳的。对于物流仓储配送，其按订单的拣选是相互独立的，各订单的拣选从起始仓位到结束仓位的路径不同，将导致路径状态的变化。于是可用马尔可夫链来描述这个过程，计算在起始仓位拣选到货物的概率以及起始仓位与结束仓位不同情况下的转移概率。由于订单的不同、路径选择的不同，这个概率每次是不同的，因此可在时间充分长之后，按平稳状态进行分析并计算拣选叉车起始位于某仓位s的平稳概率分布，进一步可得到在同一个库区的期望拣选移动距离。通常情况下叉车的移动速度是已知的，因此只要得出叉车拣选一个订单的期望拣选移动距离，即可得到拣选一个订单平均所用的时间。这样，仓储配送中订单的整个拣选过程就得到了优化，并通过RFID系统进行可视化控制管理，提高仓储配送效率。

（1）订单拣选的转移概率

假设某仓区巷道中有k个仓位，Xt为拣选第t个订单时的起始位置，是一个随机变量，Pg为货物g被拣选的概率，Ps为在仓位s至少有一件货物被拣选的概率，则Ps可表示为：

其中，若Xt=Xt-1，即第t个订单的拣选起始位置（对应仓位为s）等于第t-1个订单的拣选结束位置（对应仓位为e），即此时s=e，在满足所有第t-1个订单上的货物都被拣选的条件下，此情形的拣选转移概率为：

若Xt≠Xt-1，则需要考虑叉车拣选第t-1个订单后所在的位置。若巷道中总仓位数为k，第t-1个订单拣选结束时所在的位置可按小于、等于、大于k/2三种情形来讨论：

①第t-1个订单拣选结束时的仓位小于k/2，即 Xt-1=e

设叉车开始仓位为s，预移动的目的仓位为j，若 1≤s≤2e-1，且 s>j或 j>2e-s，则根据 RFID 系统控制算法中的最优路径选择规则，叉车将不到达仓位j，即叉车拣选的第t-1个订单并不包括仓位j中的任何货物。若第t-1个订单中有2e-s仓位中的货物，由于2e-s仓位与e仓位之间的距离等于s仓位与e仓位之间的距离，叉车首先到2e-s仓位，而不是到s仓位开始拣选的概率是1/2，此情形的拣选转移概率为：

若2e≤s≤k，则不论是否有货物从仓位j被拣选（j

②第t-1个订单拣选结束时的仓位等于k/2，即Xt-1=e=k/2，当仓位数为奇数时，叉车首先到仓位s而不是到仓位2e-s进行第t个订单的拣选的概率是1/2，则转移概率为：

③第t-1个订单拣选结束时的仓位大于k/2，此情形的拣选转移概率为：

根据时齐马尔可夫链的性质，P（t）的极限为时齐马尔可夫链在平稳状态下的概率分布：

则完成一个订单的拣选后，叉车位于仓位s的概率分布为：

（2）配送拣选搬移的期望距离

从上述讨论可以看到，仓储配送叉车的搬移距离由两个因素决定，一个是开始拣选的仓位，其平稳分布概率如式（7）所示，另一个是订单中货物所存放的仓位位置。假设叉车从仓位s开始，最终移动到仓位e，如果s与e之间没有订单上所需要的货物，则叉车不进行拣选操作，此时按照上文最短距离的定义描述，叉车从仓位s移动到仓位e相反方向的最远仓位a开始拣选，最终到达仓位e。从仓位a中至少拣选一件货物的概率是Pa，这样从仓位s移动到仓位e的期望距离为：

由此，对于任意一个起始点仓位s，叉车的期望搬移距离为：

四、优化配送模型在基于RFID的仓储配送系统中的可视化运作管理

上述仓储配送拣选优化模型可在一个RFID可视化服务管理系统中得以应用。该系统是一个四层结构，分别为RFID物理服务层、数据通信服务层、业务逻辑集成服务层与应用服务层。整个系统的运作流程如图1所示。

1.RFID物理服务层

RFID物理服务层由RFID无源标签（或有源标签）、读写器、天线等组成。其中，读写器安置于货架、叉车或周转箱等设施上。读写器借助天线，识别和读取进入其磁场范围的RFID标签中的信息，并将所读取的信息通过边缘服务器和RFID中间件发送到第二层的数据通信服务层进行信息通信和数据处理。读写器由一个边缘服务器控制，可进行读取信息的自动过滤管理。[6]RFID中间件是介于RFID读写器硬件模块与数据通信模块和数据库之间的重要组件。RFID中间件与对象命名服务器（Object Name Service，简称 ONS）通信，查找识别唯一的RFID标签，标记ID标识号，并从电子产品码（EPC）服务器数据库查询数据，通过防火墙中的网关与其他物流系统交互数据。[7]、[8]

2.数据通信服务层

数据通信服务层支持阅读器和RFID标签之间的有线和无线网络通信以及媒体访问控制（Media Access Control，简称 MAC），提供数据链接和数据采集与处理功能，并应用媒体访问控制协议校验标签访问速度和准确性，解析和处理物理层读写器采集的符合协议规定的各种原始数据，并进行数据处理与数据验证。[9]在该层的通信服务中，媒体访问控制协议包含各类识别、决策算法，如多标签信息防碰撞的Aloha算法（一种无线数据通信协议），通过定期轮询读写器，防止标签碰撞，消除重复操作等。

3.业务逻辑集成服务层

该层的功能是通过面向服务的应用集成提供业务逻辑集成处理，包括配送拣选路径的优化定位，实时RFID信息跟踪处理等。在此可应用上文讨论的配送拣选最优模型对路线和拣选次序进行控制。通过计算仓区拣选完成一个订单的平均拣选距离，并根据叉车的移动速度，进一步计算出叉车在z个仓区完成一个订单所需要的平均时间，由此优化调整仓储配送流程。此外，该层还提供数据集成服务，其一方面是使订单管理、仓库管理等内部系统数据同步化；另一方面是支持生产、销售等外部数据与内部数据融合，以保证RFID标签编码能够被RFID中间件所使用。当仓储配送过程中仓储量和仓位状态发生变化时，经RFID系统的数据集成过程，其仓储管理系统、订单管理系统及企业资源规划系统 （Enterprise Resourse Planning，ERP）同时更新，并将更新数据写入相应的RFID标签，供应链上的其他企业可以共享该信息，实时调整其供应或销售过程，实现可视化管理。

4.RFID应用服务层

应用服务层由各种后端的RFID企业应用构成，包括基于识别、跟踪、检验等功能的应用。该层应用模块从RFID系统获取信息，并将数据转化为统一的数据表达格式，以方便支持企业高层进行管理决策。这些功能的实现主要是应用XML技术进行信息交换，[10]将拣选时读取的货品RFID标签信息、货品仓位信息等通过网络进行可视化显示，辅助管理决策。通过应用表示层进行统计及报表生成，可完成一些个性化业务需求，方便供应链节点信息的注册、查询及交互等应用服务。

五、结束语

物流仓储配送优化对于提高整体物流效率具有重要现实意义。本文研究在物流仓储配送过程中应用RFID技术，跟踪叉车起点到终点的拣选移动操作，将被拣选货物的信息以及货物的搬运移动位置状态变化信息读写到叉车上的有源标签中，通过RFID中间件发送到数据通信服务子系统和业务逻辑集成服务子系统，即可实现货物信息的自动获取与搬移状态变化的可视化跟踪。其中，仓储配送最短拣选距离模型主要利用叉车从起始仓位到终止仓位的转移概率，得到期望拣选移动距离，并进一步计算得到一个订单的平均拣选时间。这样，可按照该模型算法给出配送拣选优化方案，并通过叉车的电脑系统指导叉车正确搬移。

同时，此货物仓储与搬移变化状态信息通过由RFID物理服务层、数据通信服务层、业务逻辑集成服务层和应用服务层组成的RFID物流仓储配送可视化服务运作管理系统，及时传输到仓库管理和订单管理系统，及时更新仓库和订单信息，从而实现物流仓储配送过程的优化与可视化的有效管理。

[1]HarryK.H.Chowa，King Lun Choya，W.B.Leea，et al.Design of a RFID Case-based Resource Management System for Warehouse Operations[J].Expert Systems with Applications，2006，30：561-576.

[2]Lee，Y.M.，Feng Cheng，Ying Tat Leung.Exploring the Impact of RFID on Supply Chain Dynamics[C].Proceedings of the 2004 Winter Simulation Conference，IEEE Press，2004：1145-1152.

[3]Gary M.Gaukler，Ralf W.Seifert.，Warren H.Hausman.Item-Level RFID in the Retail Supply Chain[J].Production and Operations Management，2007，16（1）：65-76.

[4]J.L.Hou，C.H.Huang.Quantitative Performance Evaluation of RFID Applications in the Supply Chain of the Printing Industry [J].IndustrialManagementand Data Systems，2006，106（1）：96-120.

[5]Yahia Zare Mehrjerdi.RFID-enabled Supply Chain Systems with Computer Simulation[J].Assembly Automation，2009，29（2）：174-183.

[6]臧玉洁，李忱.基于RFID技术的信息采集模式在供应链管理中的应用[J].物流技术，2005（10）：241-245.

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[8]陈宏武，曾凡智.基于RFID技术的物流路径跟踪管理系统的设计与实现[J].物流与采购研究，2008（12）：13-18.

[9]、[10]Su，Chuan Jun.Effective Mobile Assets Management System Using RFID and ERP Technology[C].2009 International Conference on Communications and Mobile Computing，Kunming，2009：147-152.

Optimization of Logistics Warehouse Distribution and RFID-based Visual Operational Management

XU Qi
（Donghua University，Shanghai200051，China）

Optimization of logistics warehouse distribution is of great significance for us to improve the integrated efficient of logistics.Due to the automatic data capture or auto identification and tracking functions,RFID technology has been booming in the logistic warehouse distribution processes by providing visual service to realize high efficiency.The authors firstly give out a warehouse distribution RFID system deployment and its processes description.Then,an optimal transited distance model of distributed process is developed.And a RFID visualization service operations management system framework is also present with the RFID physical service layer,data communication service layer,business logic integration services layer and application services layer.Within this framework,the system could instruct delivery handling equipment(e.g.,forklift)to move based on the distance optimization model for distribution and delivery status change information transmitted to the warehouse management system and order management systems,and timely update the warehouse and order information to achieve optimization of logistics and effective visual management.

warehouse distribution；optimization；RFID；visualization management

F252.24

A

1007－8266（2011）01－0026－05

＊本文系国家自然科学基金“纺织服装供应链广义快速响应机制、模型及运作策略研究”（项目编号：70772073）、国家软科学研究计划项目“我国现代物流服务创新模式、体系和绩效评价研究”（项目编号：2007GXQ4D154）的研究成果之一。

徐琪（1963-），女，浙江省椒江市人，东华大学旭日工商管理学院教授，博士生导师，主要研究方向为供应链管理、物流管理、企业信息集成等。

陈静