激光技术在智慧物流中的应用

毛丹辉+单彬+王勇+王仁芳

摘 要：智慧物流和电子商务在飞速发展，物流业与我们的生活也日益紧密，物联网在给我们提供诸多便捷的同时却也向物流环节提出了许多新的挑战。随着大量高性能、低成本传感器的应用，智慧物流的技术瓶颈突破指日可待，而激光技术凭借其在测距、测速、定位、监测等方面的优势在智慧物流领域已经有了长足的发展和应用。文章具体阐述了近些年激光测量与传感技术在物流领域的应用及未来的发展趋势。

关键词：智慧物流；传感器；激光技术；物联网

Abstract： With the rapid development in intelligent logistics and E-commerce， logistics is increasingly related to our way of life. The internet of things（IoT）brings about not only lots of convenience but also some new challenges to people. As a great number of applications of high-performance and low-cost sensors are being applied， the break-through of the existing bottleneck of intelligent logistics is imminent， while a lot of progresses have been made in laser technologies， and wide applications in intelligent logistics have been implemented by taking advantages of measuring distance and velocity， positioning and other monitoring with lasers and sensors， etc. In this paper， the applications and future development trend of laser measurement and sensing technologies in the logistics field are comprehensively discussed.

Key words： intelligent logistics； sensor； laser technology； internet of things

引 言

智慧物流是利用集成智能化技術，使物流系统具有模仿人类的“思维”一样，能感知、推理判断并自行解决物流中某些问题的能力，它广泛运用无线射频识别、传感器、定位系统、移动通讯等先进的物联网技术，应用于运输、仓储、配送等基本环节，以实现智慧物流的自动化运作与智能化管理，其主要利用高新技术来代替传统管理手段，来达到物流配送体系高效率、低成本的运作目的。并随着大量高性能、低成本传感器设备以及无线射频技术（RFID）的普及，物联网技术为物流发展的瓶颈突破提供了契机，智能物联网的提出和发展更是使得智慧物流的进步有了更大的研究空间。因此，基于物联网智能传感器的研究与应用就具有重要的意义。

在智慧物流中，要做到物联网的概念就必须实现对货物感知、定位、识别、计量、分拣、监控等。同样，在自动化生产过程中，仓储物流由各种设备互相配合共同完成，如：货物存取系统、输送线、自动导向车、叉车、起重及吊运设备，需要与每一个工位保持有效的联系以保证系统的正常工作：不能有碰撞、失控、生产过程中断等情况发生。这就必须用到RFID、条码以及各种传感器，如：激光、红外及视频监控等传感技术，因为它是物联网的基础，是人机互动的纽带，其中激光检测技术凭借其在测距、定位、测速、监测等方面的优势，在智能化立体仓储的空间利用、体积测算、港口散货装船机物位检测、堆垛机和自动导向机等设备中起到了关键作用，并积极推动和提升了物流系统的整体性能[1]。

本文浅析了激光器测量和传感技术在物流业现阶段应用状况，着手应用实例分析，重点阐述近些年激光测距、激光雷达技术在智慧物流领域的应用案例与未来的发展趋势。

1 我国智慧物流的发展以及激光器技术在物流业的应用分析

2009年中国物流技术协会信息中心、华夏物联网和《物流技术与应用》编辑部联合提出了智慧物流的概念，认为智慧物流以物联网为技术基础，实现对物流运输、仓储、配送等环节的自动化、可视化与智能控制，是未来物流业的发展方向，也符合将来物联网的发展趋势[2]。

激光原理早在1917年由著名物理学家爱因斯坦提出，但直到1960年才在迫切的生产实践需求和完备的理论体系背景下得以实现。激光一经问世，就获得了超乎寻常的飞速发展，不仅使光学原理和技术应用获得了全新的认知，而且直接导致了一门新兴产业的出现。激光的使用使人们获得了前所未有的先进方法和手段，以实现前人无法实现的想法和目标，去获得空前的成果和效益，从而使得生产力得到了前所未有的发展。虽然我国激光产业近些年取得了长足的进步，但不得不承认，目前我国激光产业（特别是在激光核心器件方面）和激光产业发达国家还是存在明显的差距，主要体现在成果转化与产业化程度较低、基础研究力量薄弱、激光关键器件技术提升缓慢等方面。

近几年，民用激光器因其具有低功率、高稳定性和安全可靠性等多方面的优点引起了研究人员和应用企业日益浓厚的兴趣，已经在通信、物流、医疗等民用领域大展身手，并在多种应用场合取代了目前常用的传统设备。激光产品的出现以及其性能的不断完善，必将加快激光技术在各领域的应用，从而提高生产工业自动化水平和人们的生活质量，而激光产品应用到物流行业也在人们的实验中一步一步的走来，逐步提高了物流运输自动化实现的进程。

（1）激光测距的应用。激光测距的原理与无线电雷达相同，在工作时由激光測距仪向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间乘以光速计算出从观测者到目标的距离。由于激光测距仪具有探测距离远、测距精度高、抗干扰性强、保密性好、体积小巧等优点正日益受到重视，并随着激光定位技术的发展和成本价格的急剧下降，越来越多的汽车行业、自动化行走及物流仓储系统等纷纷开始采用激光测距定位系统，极大地推进了大型物流仓储系统精确定位自动化的进程。现代工厂的大型物流输送系统通常采用的是激光条码定位系统，该系统安装方便，设置容易，具有良好的抗震性和防晃性，条码对灰尘和损伤不敏感，响应时间小，精度高，并且集激光测距与旋转编码器的优势于一身，既可以用于直线运动，也可以用于曲线定位，掀起了现代物流行业的自动化的新一轮技术革命的浪潮[3]。

（2）激光测体积在物料堆位自动测量系统中的应用。文章《火电场煤场储煤量激光检测装置》中提出了煤场物料堆位测量的方案，该方案是利用装有CCD点阵式摄像机和激光器的小车在口式堆取料机上作二维扫描运动，让激光器发出激光照射在煤堆表面，根据出射光和CCD之间存在一定的夹角和不同的煤堆厚度，激光器的照射点在CCD照相机中所呈现的红点的不同位置的比例关系，算出该点的厚度。同时，送样小车会随着运动路程通过CCD将这些离散的厚度点记录下来，并将这些离散的扫描一并传入PC机，PC机再利用这些点的坐标，用近似积分法，算出煤堆的体积[4-5]。同样的，对于水泥厂的熟料库或者粮仓等这类大型仓储，都可以运用此项技术测量仓库内的物料堆位信息以方便工作人员的查看和工程术人员的数据参考。

（3）激光传感器的智能监控系统。通过传感器对特定环境中的CO等气体浓度进行监测并保持实时提醒在智能家居和智能仓储中发挥着重要作用。该系统是基于物联网和激光传感器的智能监控系统，利用红外激光探测传感器对监控区域内气体浓度进行探测，通过比较分析探测信息与参照数据来得到区域内气体浓度情况，并依据对指标值的处理结果来控制各类设备的工作，使监控区域内的各种指标达到预想状态。系统还具有温湿度数据采集设备控制等功能，能够利用温度和湿度采集设备实时采集区域中的温度和湿度信息，并根据采集数据控制空调、加湿器等设备的工作状态，使监控区域内保持设定的温湿度状态[6-8]。

（4）分布式光纤传感系统。原理为DTS系统使用一个特定频率的光脉冲照射光纤内的玻璃芯。当光脉冲沿着光纤玻璃芯下移时，会产生多种类型的辐射散射。根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的时间差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。该系统可应用于危化品仓储中，根据其分布式线型光纤感温火灾报警系统的特性，系统监测到的是光缆沿线的长期工作温度情况。因此，在事故发生之前，系统已经进行了长期有效的温度监测，并可利用经验值根据温度情况做出合理判断，在火灾发生之前对事故发展情况进行掌控，真正做到防患于未然。它能迅速反映火情大小、火灾蔓延方向和火灾烟雾风向，及时给指挥部门提供各类信息，及时给消防主机提供准确的信号，将火灾仓储的损失减小到最低程度[9]。

2 激光技术的应用实践

随着10年物联网发展热潮和13年工业4.0的提出，在智能物联网应用方面，相关研究人员开始了全新的探索和实践，下面简单介绍近年几个企业在智慧物流技术应用的案例。

（1）浙江省烟草公司绍兴市公司卷烟配送中心由于储量巨大、货物摆放密集且出货频繁，因此需要一套完备的仓储自动化设备和有效的管理机制来完善仓储服务以满足其进出货安全、快捷、高效的目的。该配送中心选用的是高架货库系统中的堆垛机设备，其采用了激光测距定位条码定位系统旋转编码器作为定位的测距定位系统，通过对位置定位系统的详细考察分析比较，完成全自动化、准确无误、定点存取货物的流程，该系统还拥有故障率小、精度高等优点并在实际使用中水平往复精度及垂直升降定位精度都达到了±3mm的水平。

此工程是争创钱江杯的工程之一，采用的测距测速传感器是激光测距器和条码定位仪，结合变频器、PLC技术和精确的绝对认址及闭环控制系统，达到机动性好、停准精度高的特点，既满足设备定位精度的要求，也实现了故障率低、经济、实用的特点；由于激光测距仪应用上实际环境条件的限制，在垂直向很难满足定位要求，于是在垂直向采用条码定位仪，它的响应时间为1ms，精度可达0.83mm，在保证设备正常运行的同时也满足其定位要求，也避免了后续维修上的困难及相互影响，目前该技术也广泛应用于食品、烟草、汽配、药品等仓库或者配送中心[10-11]。

（2）港口行业作为国家重要的交通基础设施产业的主要组成部分，对国民经济的发展具有重要的基础作用，有较高的社会效益。同时我国经济的快速发展对港口行业形成巨大市场需求，在国家和地方性政府的大力支持下，港口散货总体吞吐量在逐年的迅速增长，码头散货装卸面临很大的压力，实现智慧物流的模式和散货的自动化装卸势在必行。天津港煤码头引进的新型散货自动装船设备，可在无人操作的情况下实现远程自动化装卸作业，在提高作业效率的同时实现了安全性、可靠性作业，也节约了人力成本，为其他港口提供了切实可行的实例依据，也势必成为未来散货装卸自动化系统的新的发展形势[12]。

天津港煤码头的多次装船试验广泛应用沈阳自动化散货装船机物位检测技术。为实现散货装船机在安全作业的前提下自动快速高效地完成装船作业，它利用安装在散货装船机上的激光雷达，通过多轴伺服控制激光雷达完成对船舱的三维轮廓扫描，后台运用截面边缘提取算法与图形拟合算法相结合的图像处理算法，自动实时获取船舱尺寸以及舱内物料的形状，确定落料轨迹，来实现散货装船机的自动化作业。其检测数据与实际的数据对比如表1所示[13]：

（3）在现代工业生产和智慧物流中，仓储业已经成为企业物流的一个重要环节，它的成本控制、自动化的程度时时影响着企业的效益和服务水平。同样水泥工业和大型粮仓也不例外，通常需要将饲料、颗粒状物料、水泥等货物放在高10～20米高圆筒型仓库中，为了控制生产的连续进行与产品的储存就必须对仓库现存量进行实时监测与控制，最有效的方法就是通过测量物料的高度来估算物料的存储量。考虑到目前激光物位计的小型化、方向性好、非接触式、连续、量程大等特点，同时操作简单，能够测量高粘度物质或粉状物质，并且广泛应用在高温高压、真空和狭小弯曲环境中，分辨率达到1mm、精度<0.1%的要求，因此四川、云南、山东等多家水泥公司和粮仓都已安装使用了此物位计[14]。

3 激光技术在物流业的未来发展方向

以万能传感器著稱的分布式传感系统是根据沿线光波分布参量，同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量的分布信息，包括温度、湿度、振动、气体浓度等，现已广泛应用于管道、隧道、围栏、电力系统检测等方面，但是在仓储上却少有应用，然而随着生鲜果蔬、水产品、烟草、医药等物流业的发展，尤其是危化品企业对仓储环境参数的监控提出了更高的要求，特别是温度、湿度等仓储环境参数对存储物品的寿命和腐损率有着重要的影响，并且要求实时监控、图形化显示的同时，最好能对所属货架、藏品柜等甚至是单箱货物的温度、振动情况进行监控，而不是一个笼统的空间温度值。因而将新的科学技术引入仓储系统中构建信息化、网络化、智能化的仓储环境监控系统是重大事故的有效预警措施，具有重大的应用背景及意义。

在现阶段的国内绝大多数仓储企业仍采取人工作业方式，但随着电子商务的不断发展与壮大，仅仅叉车的使用根本无法满足企业对于快速增长的货物处理需求，更无法满足顾客对于购买商品便捷、高效的购物体验。而目前发达国家仓储运作模式均采用了现代化的物流系统，需要达到这样的模式单一物流公司或者软件公司很难实现，拥有跨领域的合作才能实现领域技术双赢的突破。例如做为中国激光业界的后起之秀——海目星激光，就与聚龙股份合作，共同投资组建辽宁聚龙智能物流科技有限公司。他们致力于物流、仓储自动化设备及系统的研发和业务的开拓，主要方向是金库物流管理系统。这种技术型公司利用在软件和自动化设备方技术方面的优势与投资公司在客户资源方面的优势结合，可以实现在智慧物流领域业务的快速增长与突破。

汇能光电有限责任公司创始人徐仕安认为，“中国激光设备走的是模仿、吸收和创新的道路，因为在激光技术和自动化紧密结合的今天，工业制造领域的自动上下料、仓储、物流、无人车间等都涉及到自动化，而这些领域的生产，已离不开激光技术。”想象一下，在我们未来的智能仓储中，装备了以激光制导技术为核心的AGV搬运小车，具有无线的通讯和信息处理的能力，能根据操作人员先前下达的指令协同作业，甚至发展到后期有了场景的自适应能力，能应对复杂环境的突发状况，来达到高效完成装卸与搬运的目的。这将是飞跃性的历史革新，就如同传统手机迅速被智能手机取代一样，留给传统装卸、搬运装备的转型升级时间不会很长，所以，传统物流企业现在要做的就是与相关装备厂商合作，朝着提升企业智能化水平方向不断革新，提高智能装备的技术水平。由此可见，激光测量与传感技术的高速发展和日益普及势必将引起智慧仓储的大革新，甚至是整个物流行业、整个制造业，生产、配送乃至于我们生活方方面面都会得到全新的服务水平[15]。

4 总 结

随着中国智能制造的不断推进，激光技术凭借其在测距、定位、测速、监测等方面的优势在智能化立体仓储的空间利用、堆货体积测算、港口散货装船机物位检测等方面已经拥有了无可替代的应用前景，对于物流业、工业激光的需求也将越来越大，相信在“互联网+”和“工业4.0”等背景下一些新思路和观点的提出，会使得智慧物流下的激光技术应用演绎出更绚丽的光彩。

参考文献：

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[15] 佚名. 智能装备：智能仓储系统中的AGV[EB/OL]. （2016-03-02）[2016-12-05]. http：//scholar.google.com/schhp？hl=zh

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