智能仓储研究与应用进展

张可薇+王亚臣+范红岩+刘军

[摘要]智能仓储是智能物流的重要组成部分，是现代仓储物流的发展趋势。文章首先对“智能仓储”的概念、学术含义、研究范围进行界定；然后通过对国内外智能仓储的研究与应用的现状总结，可以看出信息识别技术、智能算法、智能控制等技术的应用是实现智能仓储的信息化、自动化和智能化的基础；最后对智能仓储理论和应用的发展趋势进行了展望。

[关键词]智能仓储；信息处理与决策；作业流程；智能控制和协调

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.08.166

1引言

随着我国经济迈入提质增效的经济“新常态”，产业结构不断优化调整，物流行业也需要从传统物流向现代物流体系转型升级。仓储作为现代物流的重要环节，不仅承担着储存货物的任务，还需要与供应链上、下游更好地衔接，提高仓储作业的效率和服务的品质，因此，信息化、自动化和智能化的智能仓储成为未来的发展目标。

我国的仓库总量较大，但管理水平相对低下，先进的仓储管理模式应用较少；仓储设备利用率较低，自动化程度不够高；信息化程度较低，仓储管理信息系统的使用较落后，仓储信息的处理和使用不够有效，在整个物流过程中信息的利用率和流通性较差。亚马逊、阿里巴巴、京东争相使用智能仓储机器人、智能仓储系统和智能仓库，为智能仓储的发展奠定了基础。

在智能仓储时代到来之际，国内外专家学者从不同的角度研究如何运用信息识别技术、自动控制技术、无线传感网络技术、通信技术、嵌入式技术、智能控制技术等来提高仓储运作效率，以实现仓储的信息化、自动化和智能化。

2智能仓储的界定

2.1“智能仓储”的概念

智能物流是我国物联网重点发展的领域之一，我国学者从智能技术应用、管理体系等角度对其进行了研究，但因为它融合了很多学科的知识，很难给出一个精确而全面的定义。以下给出几个常见的概念：吴功宜[1]认为“智能物流需要利用RFID与传感器技术，实现对物品从采购、入库、调拨、配送、运输等环节全过程的准确信息，利用信息流精确控制物流过程，使利润达到最大化”。董淑华[2]给出另一种描述“智能物流是借助现在信息技术，将物流活动过程中的作业环节、作业过程、附属管理等进行集成，使系统具有学习、推理判断和自行解决物流中某些问题的能力”。这两个概念强调了物流信息的使用，但不够全面，没有体现自动化和智能化。王喜富[3]从物流过程的角度定义智能物流是一种管理体系：“智能物流是指货物从供应者向需求者的智能移动过程，包括智能运输、智能仓储、智能包装、智能装卸及智能信息的获取、加工和处理等多项基本活动，为供方提供最大化的利润，为需方提供最佳的服务，同时也应消耗最小的自然资源和社会资源，最大限度地保护好生态环境，从而形成完备的智能物流管理體系。”较普遍认可的概念是“智能物流是利用集成智能化技术，使物流系统能模仿人的智能，具有思维、感知、学习、推理判断和自行解决物流中某些问题的能力”。[4]

智能仓储是智能物流的重要组成部分，智能仓储系统是智能仓储的实现形式。结合以上概念，本文认为智能仓储系统是由仓储设备系统、信息识别系统、智能控制系统、监控系统、信息管理系统等两个及以上子系统组成的智能自动执行系统，具有对信息进行智能感知、处理和决策，对仓储设备进行智能控制和调度，自动完成仓储作业的执行与流程优化的功能。

2.2“智能仓储”的学术含义

2.2.1理论意义

物联网技术为智能仓储系统的设计提供了一种架构，使智能仓储系统具有了信息感知、数据传输和信息运用的功能；智能机器人的应用，能够提高仓储系统的自动化水平，多机器人的协调是实现自动化仓储的基础；智能算法能够有效处理仓储信息，提高作业的准确率和效率，其中智能算法的动态适应性是研究难点；智能控制技术使仓储设备具有了决策和执行的能力，能够更好地适应工作环境和工作强度，是仓储智能化的基础之一。

2.2.2实践意义

智能仓储能够有效利用仓储信息，提高仓储任务分配和执行的效率，优化仓储作业的流程，节约人力和物力，为管理者提供辅助决策依据；智能仓储设备的应用使人与仓储设备之间的交互更加便捷，减少人为操作错误，提高工作人员的操作准确率；智能优化算法和智能控制技术的使用在保证仓储作业效率的基础上，通过对仓储设备和人力、物力的合理调配，能够有效降低能耗，节约成本，合理保持和控制企业库存；仓储信息的流通性能够加强，与供应链上、下游的衔接能够更加畅通，对企业的发展大有裨益。

2.3智能仓储的研究范围

智能仓储系统是一个信息化、自动化和智能化的智能自动执行系统。智能仓储的研究重点主要是如何实现信息化、自动化和智能化，研究思路是从系统整体的设计到各功能的实现。

智能仓储系统整体的设计应根据实际情况分析系统的需求和功能，构建智能仓储系统的架构；对于不同的企业类型、仓库类型、货物类型、自然环境、交通条件等，应充分考虑技术的适用条件，然后选择合适的信息识别技术、通信技术、嵌入式系统等技术，对其硬件和软件进行全部或部分的开发和设计应用。

在仓储作业中，会产生大量的货物信息、设备信息、环境信息和人员信息等，如何实现对信息的智能感知、处理和决策，利用信息对仓储作业的执行和流程进行优化，是智能仓储研究的重点之一。

智能仓储设备和智能机器人的使用能够提高作业的效率，提高仓储的自动化水平。智能控制是在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。[5]对仓储设备和机器人进行智能控制，使其具有像人一样的感知、决策和执行的能力，设备之间能够进行沟通和协调，设备与人之间也能够更好地交互，可以大大减轻人力劳动的强度，提高操作的效率。所以，智能控制的研究与应用是最终实现智能仓储系统运作的核心。

3智能仓储国内外研究与应用现状

3.1智能仓储系统设计与实现

智能仓储系统的设计包括智能仓储系统的架构设计和功能设计，以及子系统的设计与实现。智能仓储系统具有提高仓储自动化水平及管理水平、提高信息利用率、减少流动资金的积压、提高物流效率等诸多优点。[6]

王永辉[7]等人将RFID技术、机器人自动码垛技术、自动开箱机技术和周转箱清洗机技术等相结合，构建了电能计量装置智能仓储系统，解决了计量器具多品规、高频次在有限空间内的识别、分类缓存和全自动高效输送的难题，并实现了库房零人工作业。郑家宋[8]等人应用物联网技术构建的智能仓储与物流运输管理系统，实现对车皮进行管理和调度和对物资运输过程監测，增加了运输能力和效率。马翔[9]运用ZigBee无线网络和工控机构建了星形结构的立体仓库自动化物流控制系统，并提出了堆垛机的二维模型；该系统具有规模可调整、布置灵活、方便设置和改变控制要求的特点。王金华[10]等人为了改变传统高劳动强度、高能耗的低温储粮方式，设计了基于Profinet总线方式的分布式控制系统。B.Bekta[11]设计了基于RFID和ZigBee无线网络的自动存储识别的智能仓储系统，最大限度地消除操作中的人为错误，确保自动核实系统在放置货物时没有错误。A.Mohammed[12]等人研究了RFID在智能仓储配送中心的应用，开发了多目标优化模型，并进行仿真验证，设计了仓储与配送功能集成的智能仓储系统。ZizhuoYang[13]等人为了改善传统仓储管理系统存在的简单的静态的管理方式，应用Web分布式数据处理，光纤网络和实时数据共享关系数据库建立了智能仓储管理系统，能够有效解决效率低下、信息准确度低的问题。

3.2智能仓储信息的处理和决策

仓储作业过程中会产生订单信息、货物信息、存储信息、设备信息等，信息的数量大、种类多、动态性强，智能仓储系统通过运用信息识别技术、数学建模、智能算法和决策等技术，能够对这些信息进行智能感知、处理和决策；基于这些决策信息完成仓储任务的分配与执行和作业流程的优化。

卢庆光[14]根据电子物资对存储环境温湿度、粉尘的条件的要求，采用将WSN网络和RFID相结合的方法，运用WSN网络采集仓储环境的数据，通过RFID标签对物资的使用进行跟踪和识别，实现对仓储信息的自动采集与处理。杨飞龙[15]等人为了及时发现危险化学品被盗及混存情况，利用RFID与步进电机相结合的精确定位技术，对化学品存储状态进行实时监测。申悦[16]提出了利用WSN网络和信息融合技术，监测果品的存储环境信息，使果品的质量得到最好的保障。孙彪瑞[17]等人则建立了遗传算法和神经网络粮仓通风智能决策模型，能够充分利用有利通风的时机，避免无效通风和有害风现象的发生。Q.Zhang[18]等人利用无线通信技术和传感网络结合，对仓储温度、湿度、烟雾、光、门禁和人类运动等信息进行自动采集、处理，并进行自动控制。张馨予[19]将RFID技术应用于仓储流程中，对手工查询、校验等环节进行优化，使得货物流入、流出以及存放的信息能够被及时准确地记录。H.Ma[20]针对仓储系统的任务分配，提出了基于“总体任务先分组后重新分配”的新的任务分组方法，改善了传统的静态分配算法应用于动态任务仓库的不足，并使动态任务可以相对静态的形式处理。A.Tsagaris[21]提出了基于判断物体会出现在仓库的位置信息来进行存储流程的优化的方法，该方法基于物体的重量，利用遗传算法在最短时间内进行存储策略的优化。

3.3智能仓储设备与智能机器人的控制与调度

仓储设备控制系统和智能机器人是智能仓储系统的硬件基础，他们的使用能够有效提高仓储作业的自动化水平，降低人工劳动强度。通过运用智能控制和智能算法，能够解决智能仓储设备和多个机器人间协调和调度的问题，提高仓储设备的利用率。

李文玉[22]在将多机器人任务分配问题分为机器人数量充足和不足分别研究，并建立了订单分组模型，用启发式算法、匈牙利算法等多种算法寻找最优解。V.Digani[23]等人则提出了一个在自动化仓库中可进行交通拥挤区域预测的概率模型，避免交通拥堵的同时有效提高运输效率。X.Fu[24]等人提出了“自动驾驶车仓储”与“检选系统”的新概念，通过设置车辆在干线上单向移动和授权后通过道路节点来避免车辆碰撞，并通过限制干线网络节点没有切割边缘的形状来避免死锁情况。I.Draganjac[25]等人提出一个多个自动引导车辆的分散控制算法，提供了车辆自主路径规划和运动协调能力，对算法模型进行仿真验证，证明该算法用在每辆车上之后，能够有效避免车辆之间的相互碰撞。A.Krnjak[26]等人提出了一种对仓储环境中的自动引导车辆的分散控制算法，该算法可以为车辆提供自主运动路径规划，可以防止死锁的情况，并在实验室进行了验证。L.Li[27]等人运用具有全局姿势修正的视觉定位算法和视觉算法控制器的智能叉车自动引导车辆（AGV），使其执行工厂和仓库的运输任务，其任务执行效率、准确度和灵活性有了提高。N.Kimura[28]等人设计了可用于仓库中的不同类型产品的订单拣选移动双臂机器人，运用自定位、目标识别和手臂轨迹规划技术，能实现两个手臂同时抓取两个不同型号的产品放在两个重量不同的架子上的功能，降低了拣选作业的复杂度。敦豪供应链（DHL）在德国乌纳的仓库利用EffiBOT机器人实现自动化订单拣货，机器人跟在拣货员身后，在货架系统周围拣货，当满载时自动卸货，下一辆车自动投入作业；该方式实现了单一订单到多订单高效拣货，并且解放了拣货员的双手，使拣货流程更符合人体工学规律。

综上所述，国内学者侧重于运用系统的思想，构建智能仓储的整体架构，进行系统硬件和软件的开发，设计智能仓储系统；并对信息识别技术、通信技术、自动控制技术、智能算法等技术如何在智能仓储中应用进行了研究；国外的学者善于运用数学的方法，建立智能仓储的数学模型，并通过仿真、实验进行验证；对信息的处理和决策、仓储设备和智能机器人的控制和协调的研究也较多使用数学的方法。

总之，运用先进的智能算法，能够有效地处理大量的、种类繁多的仓储信息，提高信息的使用效率；智能决策能够降低人为操作带来的错误和误差，提高操作的准确性和及时性；智能控制能够使仓储设备具有学习能力、适应能力、决策能力和组织能力，[29]能够在无人干预的情况下，自动处理订单任务，调节仓储环境，调整设备工作模式，组织仓储设备执行作业，提高作业效率并降低能耗。这些技术的使用，使得智能仓储能够根据货物的信息、环境信息、设备信息和人员信息，进行智能决策和控制，组织最佳的作业流程和人力资源，减少不必要的作业环节，缩短作业时间，能够提高作业的效率，降低费用，保证仓储作业流程的流畅和协调，大大提高了智能仓储信息化、自动化和智能化的水平。

4智能仓储发展趋势

4.1理论研究

目前对智能仓储概念的研究比较少，未来的学术研究应该更加明确智能仓储的概念、含义和研究范围，智能技术在智能仓储中的应用研究也会更加深入。

智能仓储系统将能够充分利用数据挖掘技术、信息融合技术等，对货物信息、环境信息、设备信息和人力资源信息进行充分的整合，综合地分析，作出相关的决策，为物流系统上、下游提供良好的信息支持，促进信息的流动性，提高信息的安全性；仓库的管理不仅仅是分裂的、单一的仓库管理，而是通过云端，相互连接的，能够数据共享的虚拟仓库之间的共同管理，提高了货物的流通性，同时对管理者有了更高的要求。

智能仓储设备通过智能控制具有自治性、交互性和协调性：智能运输设备能够根据订单任务、货物存储条件、货位情况，自动规划运输路线，并能够与其他智能运输设备进行交流，相互配合，寻找最优的运输方法；智能货架使得实现自动盘点成为可能，对库存进行管理，与仓储管理系统交换信息，完成控制库存和及时补货的任务；智能托盘具有称重、检测货物的功能，大大地减少检验工作的任务量；可穿戴设备的使用，解除了工作人员双手的限制，并通过准确地提醒和出错警告提高工作人员的操作准确率。

4.2工程应用

电子商务市场的持续升温，以及跨境电商的逐渐兴起，客户对物流服务有了更多的要求，智能仓储的应用能够提高订单的处理速度，减少人工操作流程。亚马逊的KIVA机器人，京东的“亚洲一号”，阿里巴巴的菜鸟网络下的智能仓库，都在部署智能仓储，未来智能仓储会催生电商的新业态。

“中国制造2025”为智能制造业提供了政策的支持，智能制造离不开智能物流的服务，张曙[30]提出，若干智能工厂通过中间件、云计算和服务联结成庞大的制造网络，借助基于物流网的智能物流构建完整的制造体系。德国提出“工业4.0”，是以移动互联网、大数据、云计算和物联网等新一代信息技术为驱动，以物理信息系统（CPS）为基础，通过融合电气、机械、自动化、信息通信等技术，深度优化企业生产与管理流程；智能物流是“工业4.0”的核心组成部分，是连接客户、供应链和制造业的重要环节，也是构建未来智能工厂的基石。[31]弗劳恩霍夫物流实验室的工程师们对“工业4.0”在物流领域产生的变革作了猜想，建立了未来仓储的框架，该框架是空白的，各部分没有永久固定的形式，而是能够灵活移动的。[32]

中国物流与采购联合会会长何黎明指出，2015年物流业应该密切关注客户新需求，更加关注物流服务的新市场，向农村、社区拓展纵深方向的服务空间，着力提升和改善物流服务质量[33]。农业生鲜及农产品加工业的市场需求量大，但属于易损耗品，不同农产品的保管条件不同，保管难度较大；智能倉储能够根据产品种类、保管条件和市场需求及时调节仓储条件，管理库存，及时供货，保证产品质量的同时降低损失，并为产品质量追溯提供支持。

医药物流是智能仓储的另一应用领域，医药具有的特殊的理化特性，存储不当可能导致药物失效，甚至产生毒性。智能仓储能够保证药品的药性，减少其变质的概率，对药物存储信息的随时监测能够为药品质量追溯提供基础，保障国民的用药安全，增强国家的药物监管能力。

5结论

智能仓储作为智能物流中的重要环节，影响着物流业转型升级的进程，影响着“中国制造2025”的实现进程。本文从智能仓储的概念出发，分析了其研究范围、学术内涵和使用技术；通过智能仓储在国内外的研究与应用现状，可以看出信息识别技术、智能算法、智能控制技术等技术的应用，能提高仓储的信息化、自动化和智能化水平，为智能仓储的实现奠定了基础；最后对智能仓储作了展望，为下一步的研究作了铺垫。

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