如何打造高效的电商自动化仓储系统

苏州牧星智能科技有限公司/刘明

如何打造高效的电商自动化仓储系统

苏州牧星智能科技有限公司/刘明

过去15年，我国电子商务行业蓬勃发展，电商仓储运营作为一种特殊的仓储业务形态也经历了从无到有、逐步发展的过程。特别是近年来，国内几家电子商务巨头纷纷投巨资建设自动化仓储系统，把电商仓储行业自动化推向新高度。

一、电商仓储运营的特殊性

电商仓储与传统行业仓储相比，对整个仓储系统提出了更多、更高的要求。

首先，要求单位面积存储海量商品。为了满足终端客户的多样性需求，电商的商品种类远超传统仓库。亚马逊已经做到了在建筑面积10万平方米的仓库中同时存储400万种以上SKU。

第二，要求单位面积处理海量订单。电商一个库房处理的客户订单数量要远远大于传统行业，同时每个订单的平均商品数量大大下降，绝大部分订单的商品数量在10件以下，甚至仅为一件或者两件。与传统仓储行业相比，电商仓储的订单履行作业更为分散、复杂和不确定。

第三，订单数量的波动与热销商品的变化更加巨大。订单数量与结构受到商家促销、节假日以及季节性等因素的影响巨大。例如，国内很多商家在“双11”期间的订单量是平常工作日的十倍甚至几十倍。而每个季节和节假日客户的需求不同，又造成了仓库内快销商品类型的频繁变化。

最后，客户期望的订单响应处理时间越来越短。从过去的下单后几日达，到后来的次日达，再到今天大部分商家在主要城市已经做到了下单后12小时内送达。这意味着除了配送时间的大大缩短，留给仓储运营环节的时间也越来越短。客户订单处理完成的时间，已经从传统仓储行业的按天计算，发展到电商行业的按分钟计算。

此外，在我国电商行业飞速发展的同时，劳动力成本也在不断提高。一线城市和大型城市的客户订单占据整个电商行业订单的超过70%，而这些城市的企业用工成本大部分在35元每小时以上（企业用工成本包含保险、公积金与各种福利等成本）。

这一系列新变化，都是新兴的电商行业对传统的仓储运营行业提出的新要求和新挑战。怎样对传统仓储运营行业进行革命性的变革，来满足电商发展的需要，是每一名电商仓储运营人士面临和思考的问题。通过建设自动化、智能化的仓储运营系统来应对这些挑战，来助力电商的行业发展，一定将是解决这些行业痛点的道路之一。

二、电商自动化仓储系统应用现状

电商行业诞生到今天也不过二十几年，自动化仓储系统进入电商仓储这个新兴业态也不过十几年的时间。纵观全球，整个仓储运营行业对于自动化仓储系统如何在电商仓库进行应用，几乎还处在摸着石头过河的阶段。

走在行业前列的亚马逊已经成功建立成熟的几代标准化自动化仓储运营系统并在不断复制，而其他大型电商公司的自动化仓储系统可能还处于试验摸索阶段。即使在学术上，目前也没形成专门的学科和理论来研究电商仓储运营系统。而整个自动化仓储行业的相关企业和自动化设备厂家，正处在从传统仓储向电商仓储的过渡期。全世界除了亚马逊的KIVA以及其他厂家的类KIVA产品外，还没有第二款已经批量投产的专门为电商仓储设计开发的自动化仓储硬件设备。几乎所有的物流设备厂家和服务企业，都还在使用传统的仓储自动化设备和设计思路，加上自身对电商行业的理解，来为电商仓储客户提供解决方案，相关的电商自动化仓储系统设计人才也很紧缺。同时，因为建设电商自动化仓储系统的投资比较大，建成后的系统不断改造的成本较高，于是对于任何一家电商仓储运营企业是否实施自动化仓储系统以及如何实施是一项慎之又慎的重大决定。

Coupang仁川螺旋输送设备

Coupang仁川分拣设备

三、电商自动化仓储系统构成与功能

电商自动化仓储系统由硬件设备和软件系统两大部分组成。

1.硬件设备

完整的硬件部分通常由输送设备、存储设备、装载与拣选设备、合批（Rebatch）设备、分拨（Rebin）设备、包装设备以及分拣设备组成。如果投资预算较少，或者针对实际需求，对自动化程度的要求较低，那么不需要全部种类的硬件设备也可以建立部分功能自动化的仓储系统。例如，国内大都采用输送设备来完成自动化仓储系统的搭建，通过输送设备替代人工搬运，达到提升仓储运营效率的目的。

（1）输送设备：通常指各类传送带、螺旋提升机、垂直提升机这类完成货物搬运的设备。当前，各种类型的AGV，如AGV叉车、AGV周转车、亚马逊KIVA、一些厂家称之为Open Shuttle的设备等，成为电商自动化仓储系统中输送设备的重要组成部分。AGV类输送设备具有更高的柔性和调度管理可优化性，在未来的电商自动化仓储系统中将占有越来越重的地位。不过目前看，因为其输送速度和能力，以及调度管理算法可能还需要继续提升，价格比较昂贵，不适合大规模使用。

需要注意的是，输送设备除了搬运商品外，通过专门的设计和WCS的控制，还可以当成合批设备以及分拣设备使用。

（2）存储设备：通常指堆垛机、穿梭车系统以及与其匹配的货架系统。堆垛机目前主要有托盘堆垛机、箱式堆垛机等几种类型。穿梭车有单向穿梭车、多向穿梭车以及子母穿梭车等几种类型。没有使用任何机械设备的传统货架（如高位货架、普通货架）和异形货架（如KIVA配套使用的POD），也可以单独作为电商自动化仓储系统中的存储设备。使用货架可以实现立体仓储，增加单位面积的存储量，而堆垛机和穿梭车的使用是为了实现存储作业自动化。

（3）装载与拣选设备：主要指各种多关节机器人与机械手臂等装载和拣选自动化设备。在传统仓储系统中，因为商品种类较少，批量较大，包装规则，在装载和拣选流程使用自动化设备的案例比较多。但是，因为电商仓储的特殊性，装载设备在电商仓库目前可以应用的场景比较少，只有部分电商仓库在将整托盘商品存储到存储区（Buffer Zone）时会使用装载设备，通常配合输送设备和存储设备的堆垛机一起使用。

自动化拣选设备在电商仓库还没有非常成功的应用案例，主要是因为商品种类太多，包装与商品摆放不规则等特殊性，现有的拣选设备夹具、商品视觉识别算法以及机械动作路径算法还没有实质性的突破。

（4）合批设备：指客户订单按照批次（Batch picking）完成拣选后，通过输送设备送往分播设备前，能够将每批次商品集中收集起来并同时释放出来的设备。通常合批设备因为在订单数量波动较大的情况，极容易成为仓储运营能力的瓶颈，所以在国内实施的大部分电商自动化仓储系统项目中没有应用。当前大部分使用批次拣选的电商自动化仓储系统，依旧使用人工方式进行合批作业。苏宁上海库房使用经过专门设计的传送带组合作为合批设备，笔者主持设计实施的韩国Coupang的仁川库房，使用了OSRShuttle作为合批设备。

（5）分拨设备：指自动完成分播作业或辅助完成分拨作业的设备。目前，笔者只见过亚马逊应用了此类型设备，在其第七代运营中心和部分第八代运营中心里面使用滑块分拣机对按照流程拣选（FlowPicking）方式拣选出来的商品进行辅助分拨作业。因为流程拣选方式的特殊性，在最大化拣选效率以后，无法只依靠人工作业的方式完成分拨作业，必须依靠分拣机、相关算法和WCS协调辅助进行分拨作业。

（6）包装设备：在传统的仓储库房应用广泛，有各种折箱设备、封箱设备以及打包设备。但是在电商的自动化仓储系统中鲜有应用，原因之一是目前主流的自动封箱设备效率比较低，其二是在电商业态下，每个客户订单的商品总体积差异较大，为了提高配送车辆的空间利用率，寻求为每一个客户订单使用最合适的包装材料和箱型，进而保障每个配送包裹内未利用空间最小化。这就造成了一个仓库内有多种包装方式以及多种包装箱型，再加上很多电商企业的WMS系统没有一个可靠的包装箱型推荐算法，均导致了不具备应用自动化包装设备的前提条件。

（7）分拣设备：用来完成最终客户包裹分拣的设备，主要是各类分拣机，如滑块分拣机、交叉带分拣机、翻盘分拣机等，输送设备经过特殊设计和WCS协调控制，可以变成挡板式分拣机和浮出式分拣机，但是分拣能力有限。

2.软件系统

电商自动化仓储系统的软件部分主要指WMS（仓库管理系统）和WCS（仓库控制系统）。

（1）WMS

电商仓储的WMS与传统WMS相比，除了具备进销存盘等基本功能外，还要有强大的仓储运营流程管理能力，有点像传统WMS与制造业MES（制造执行系统）的结合体。设计柔性的仓储运营流程，获得最优化的客户订单处理方法，监控和分析仓储运营全流程的各种数据，是电商WMS的三大基本特征。

亚马逊批量收货机器人

（2）WCS

WCS是实现自动化设备动作管理的控制系统，负责WMS与自动化设备之间的信息转译与传递，控制着设备按照设计的运行方式进行工作。需要特别注意的是，虽然WMS更加关注于仓储管理和订单履行，WCS只负责设备动作控制，但是依旧有一些部分边界不是特别清楚。比如，当使用堆垛机或者穿梭车及其配套货架作为存储设备时，每次商品上架，或者拣选与归位，周转容器（托盘或货框）的存取计算模块，既可以放置到WMS下面，又可以放置到WCS下面。如果放置在WMS，只需要将明确的指令传递给WCS，由WCS控制设备到相应的货位完成操作；如果放置在WCS，那么整个自动化存储设备对于WMS来说，就相当于一个黑箱子，WMS只要通知WCS所要获取的周转容器编码即可，WCS会控制设备完成周转容器的取出和存储，并将信息通知WMS，而此时WMS不需要负责进行容器储位分配的计算。通常，WCS对设备的控制逻辑和优化算法，会直接影响设备最大产能的实现。

四、电商自动化仓储系统实施关键点

1.进行自动化系统规划设计前要确定仓储策略与仓储运营流程。

在开始搭建电商自动化仓储系统时，首先不要去考虑选择使用哪些类型的设备，而是应该确定仓储策略和运营流程。比如，使用固定库位存储模式，还是随机库位存储模式？仓储商品是否需要区分快销品和慢销品？是否需要单独建立存储区，采用存拣分离的模式，还是整个仓库只设立拣选区，使用存拣一体的模式？拣选技术使用按照订单拣选，还是按照批次拣选，或按照流程拣选？拣选方法使用接力拣选还是区域拣选？……这一系列的仓储策略和运营流程都是仓储自动化系统设计的基础，需要依据对未来订单的预测以及所存储商品自身属性来确定，然后再匹配合适的自动化设备。反之，不但无法满足电商仓储运营的需求，还会导致设备过度投资。

2.重视整个运营流程的产能平衡与冗余设计。

通常在仓储策略和运营流程确定后，就开始仓库布局设计，如仓库分区、区域功能设定、存放位置等。为了实现区域功能，内部需要选择哪些自动化设备，需要多大的面积；为了实现整个仓库的功能，每个区域又需要使用哪些输送设备将整个库房的各个区域连接起来。这时候就需要注意整个流程的产能平衡和冗余设计。

对于存储区和拣选区，只需要确定使用的存储设备，然后依据仓储策略和对未来存储的商品的预测加上波动性放宽余量，计算出最终所需要的存储设备数量，就可以获得该区域的面积。同理，对于包装、分拨、分拣等操作区，就需要依据对未来订单结构的预测，以及未来作业效率的预测，计算出所需的自动设备数量或者人工操作工作站的数量，进而获得这些区域的面积。在此过程中需要保证每个运营流程的产能不但达到设计目标，并且基本保持均衡。在使用输送设备连接各区域时，需要特别注意每条输送路线上的流量，尤其是涉及合流和分流的区域，要确保所选择的设备在输送能力上能够满足各条线路流量的要求，并且按照历史数据预测将来的准确性，酌情放置余量。

在整个电商自动化系统设计中，对于产能和流量的审核，不仅仅需要考虑自动化设备之间的产能是否匹配，流量是否可以满足，也需要考虑人工作业之间，以及人工作业与自动化设备之间是否匹配，流量是否可以满足。对此，可以考虑通过在每处流程衔接区域适当留有缓存区的方式，来消除因为设备或者人员等待而造成的浪费。

3.不要让WCS成为限制设备产能实现的瓶颈。

在自动化仓储系统整体设计完成以后，所有的区域和流程都已经实现了均衡和冗余，但是项目实施结束后却发现很多自动化设备无法达成原先的设计产能。其中很重要的原因在于WCS的控制逻辑导致自动化设备产能无法充分发挥。例如，输送设备在合分流处的控制逻辑出现问题便会导致输送线硬件自身产能不能充分利用，并成为瓶颈；堆垛机以及穿梭车系统因为控制逻辑问题将导致吞吐能力下降，进而成为瓶颈等。所以，对于每一处WCS控制的区域，需要特别注明流量和产能的具体要求，在设计阶段要充分与WCS设计开发人员进行沟通，必要时可以通过更改控制逻辑和更换硬件选型的方式，务必保障各处合流、分流以及其他设备衔接部分满足产能要求。

4.系统设计要充分考虑柔性、扩展性与可维护性。

虽然是依据对未来订单的预测和未来存储商品属性进行电商自动化仓储系统的设计，但是因为电商行业是直接面对个体消费者的行业，而个体消费行为往往又是最难以预测的，所以预测不可能做到非常精确。那么在系统设计阶段，最好是知晓预测数据的置信区间，同时分析潜在的预测失误，并且评估如果预测失真会对整个仓储自动化系统带来什么影响，这就是预测失效分析。通过设计冗余和系统的二次可扩展性来覆盖预测失真带来的这部分影响。此外，在所有设备的布局设计时，务必考虑将来的维护与保养作业，留有维护作业空间。

我国电商行业发展到今天，已经从跑马圈地，争夺市场份额，进入到精耕细作，向运营要利润的发展阶段。电商自动化仓储系统作为一种通过自动化设备来提高运营效率、降低运营成本的方式，未来也必将在电商仓储运营行业中得到越来越广泛的应用。虽然各种自动化设备作为直接替代人工的硬件，是整个电商自动化系统中的重要组成部分，但是整个系统是否可以高效、低成本运营，并不主要取决于自动化设备，而是仓储管理系统的设计思想和后台算法起了关键作用。一套不但可以柔性地支持各种仓储流程设计，还能匹配各种仓储自动化设备的WMS系统，才是整个电商自动化仓储系统的灵魂。