基于单元化层级级联模式的周转箱共享周转

房殿军，王昕杰，张新艳

（1.同济大学 中德学院，上海 201804；2.同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804）

1 引言

制造业的物流过程中，不可避免的需要使用到一次性纸质包装材料。2018年，用于纸箱的纸材成本增加了40%以上，这让同时兼顾合理的包装成本和必要的包装质量更具挑战性。如今中国每日运输的纸箱包裹数量已达1.3亿，为供应链与绿色生态带来巨大挑战，因此迫切需要一种面向未来绿色的纸箱再利用与周转模式。制造业中也有周转箱循环使用的例子，但由于所需硬件数目巨大，周转规模范围小，管理与流通效率低，始终没能得到很好发展。因此本文基于博世制造业物流，即博世工厂，其多级子供应商与主机厂组成的供应链，提出部署于云端、周转箱、托盘、货车的层级级联模式，实现周转箱低成本高效率的周转再利用。

2 博世制造业物流周转箱共享周转模式

要发挥最大的协同效应，实现周转箱的良性周转，效率最大化，需要推动博世整个供应链，即博世，其供应商合作伙伴与OEM或零售商组成的供应联盟，一同共享、循环共用周转箱与托盘。周转箱与托盘共享体系由处于博世供应链上的众多供应商、零售商、主机厂与博世共同出资筹建，共同使用。在实现资源分布化，社会化的同时，能够加强供应链内部的紧密协作。打破传统式各自公司使用维护自家托盘、资源利用率低、包装纸箱只能一次性使用、成本高且浪费的模式。营造一个更加高效、绿色的共享周转供应联盟[1]。

以博世为例，传统制造业物流中，原材料从供应商的调度开始，通过仓库后进入工厂，在工厂内制造完成后，成品离开仓库被运送到主机厂，如图1所示。

图1 制造业物流简图

以博世为例，基于周转箱共享周转模式，主要流程如图2所示。博世的供应商将原材料装于周转箱，多个周转箱放于托盘，装车发货至博世工厂（或通过仓库后进入博世工厂）解绑周转箱与托盘，部分周转箱随原材料进入工厂产线，部分进入仓库理货摆放。博世工厂保留所需周转箱与托盘基本库存，多出的作为资源平衡调度随车运回周转资源池（可减少工厂库存，同时解决返航货车空载率高问题）。博世工厂将生产好的产品装箱 ，绑定托盘后（若周转箱资源不足可从周转资源池中调取补货），运输至主机厂。主机厂重新理货，摆托盘后，部分托盘与周转箱留在主机厂仓库或被送至生产线线边。返航货车同样起到资源平衡的作用，将多出的托盘与周转箱运送回博世工厂或者周转资源池（调度指令基于云端的托盘与周转箱库存与需求信息），以循环调用。

周转资源池是托盘与周转箱的中间仓库，可实现托盘与周转箱的资源调度，实现需求平衡。周转资源池位置根据博世供应链上企业的分布选定，以提高客户服务水平，对周转箱资源不足的企业及时补货，盈余的企业进行回收，其分布示意图如图3所示。

图2 共享托盘与周转箱周转流程

图3 周转资源池分布

3 层级级联

为了提高物流系统的作业效率，首先需要把货物归整成统一规格的作业单元，一种便于储放、搬运和运输的货物单元。在供应链的各个环节中，以单元为对象组织装卸、搬运、储存和运输等物流活动一体化运作，也就是单元化物流。在制造业供应链物流中，不可或缺的使用到托盘作为单元化物流的一种形式，单元化物流占有的比例越高，供应链物流优化的素质则越好。各种提高物流系统效率和降低物流成本的措施就能够收到预想的效果[2,3]。

为了循环使用周转箱，核心是获得其地理位置与状态更新信息。如果在每一个周转箱上加装硬件模块，硬件数目大，且难以对成千上万的周转箱逐一管理[4]。因此受到单元化物流的启发，提出层级级联模式。

3.1 周转箱，托盘与货车层级绑定模式

每个周转箱配备一个二维码，每个托盘装配一个RFID标签，作为唯一标识，装货时多个周转箱绑定一个托盘形成一个子运输单元，如图4所示。

图4 周转箱与托盘层级绑定

每辆货车配备一个RFID读写器与Arduino开发板，上集成温湿度传感器，gps定位模块与wifi模块，同车多个托盘绑定其运输货车形成追踪运输单元，如图5所示。同车周转箱与托盘共享相同的位置信息与环境信息，这样便不必管理追踪每一个周转箱，而通过追踪运输单元，实现周转箱与托盘有效的管理追踪。节省大量本需布置在周转箱上的硬件定位模块。

图5 托盘与货车层级绑定

为了实现层级级联，需要解决如下关键点：

·周转箱，托盘，货车相关物流节点信息能分别有效上传云端，能够关联存储在数据库不同表中，并能以级联的形式被检索与更新。

·周转箱与托盘，托盘与货车的绑定、解绑信息在云端实时有效更新。当周转箱信息更新时，其绑定的托盘与货车信息能同步更新。

·云端数据库设计能适应层级级联模式，货车地理与环境信息能关联到其装载的每个周转箱与托盘。

·物理节点的周转信息汇总云端，进行基于云端配套的周转管理系统开发。

3.2 层级级联流程

3.2.1 周转箱绑定托盘（子运输单元）。手持端调用摄像头请求，依次扫描子运输单元中托盘上周转箱的二维码，将周转箱与托盘级联绑定信息上传存储于微软Azure云SQL数据库周转箱表中，信息流如图6所示，节选关键数据字段见表1。

图6 周转箱绑定托盘信息流

表1 周转箱表

3.2.2 托盘绑定货车（追踪运输单元）。托盘被装上货车时，位于货车车门处的RFID读写器自动与托盘上的RFID标签通信。RFID读写器与Arduino开发板相连，通过其上Wifi通信模块通过MQTT/HTTP协议将托盘与货车的级联信息上传微软Azure IoThub，再使用流处理将信息转存到微软Azure云SQL数据库托盘表中，信息流如图7所示，数据字段见表2。

表2 托盘表

图7 托盘绑定货车信息流

3.2.3 周转箱与托盘追踪方式。同一货车上的周转箱与托盘具有同一地理位置，环境与时间属性。位于货车上的Arduino开发板，定时发送货车地理位置，传感器采集到的信息到云端，存储于货车表中，信息流如图8所示，数据字段见表3。

图8 传感定位信息流

表3 货车表

微软Azure云SQL数据库中周转箱表，托盘表与货车表通过外键绑定，实现信息的级联形成视图见表4。通过级联的部署与操作形式，避免在每一个周转箱上安装硬件模块，实现用更少的硬件模块实现成千上万周转箱的层级管理，实现周转箱状态，地理位置，所属货车的实时监控与追踪。

表4 周转箱托盘货车信息级联视图

3.2.4 解除托盘-货车绑定。接货方从货车卸载托盘时，托盘与位于货车车门处的RFID读写器通信，取消托盘表中托盘与货车的绑定记录，记录托盘卸载方与时间地点，并通过Arduino开发板上传更新云端货车表信息。

3.2.5 解除周转箱-托盘绑定。从托盘卸载周转箱时，用手持端扫描该托盘上周转箱单元的二维码，将云端数据库对应周转箱置于闲置并取消其与托盘的绑定，便于后续托盘与周转箱的综合调度与管理。若周转箱随物料被送至工厂，可与工厂物料管理系统API对接，实现对周转箱全生命周期的流转追踪。若不与工厂物料管理系统对接，则记录周转箱流入工厂，其地点与时间，便于后续调度，循环利用与资源优化。

层级级联总体信息流如图9所示，扫描周转箱上二维码将绑定，解绑与相关状态状态信息上传微软Azure SQL数据库。托盘与货车的级联绑定通过RFID通信完成，并通过Arduino开发板将温湿度，地理位置，时间等信息上传至微软Azure IoThub，再通过流处理转存到Azure数据库中，然后与周转管理云系统交互。

图9 层级级联信息流

所搭建云端解决方案的IT架构如图10所示。

图10 层级级联IT架构

3.2.6 周转管理。从周转箱表中实时获取每个周转箱状态并用周转管理系统统计示意如图11所示，对于超出循环寿命，损坏的周转箱查看其位置进行回收修复，实现周转箱的再利用。

图11 周转箱状态

结合周转箱地理位置信息，可以实时得到使用中周转箱城市分布数量统计，如图12所示。基于每个公司周转箱的使用记录，可建立预测模型，预测公司未来一周内的周转箱需求量，结合其所属的周转资源池的库存量，提前进行资源调度，优化服务水平。

图12 周转箱地理位置分布

图13 周转管理系统功能模块

将物理节点的周转信息汇总，进行基于云端的周转管理系统开发，功能模块如图13所示。主要分为周转箱与托盘管理，周转资源池管理与用户信用管理模块，再通过数据挖掘分析进行综合展示并提供决策分析[5]。

4 可循环周转箱三维模型

设计的周转箱是模块化的，积木似快速拼装，节约人工包装作业量，可直接插入封盖，迅速完成密封，如图14所示。中间隔板数目可调整，加大周转箱空间使用率，灵活性高（每个隔板内同品种，一个品种对应一个二维码，一个周转箱内可多品种），可拆散平放，便于节约调度时空间占用。

图14 模块化周转箱三维模型

5 结论

为了优化协同效应与效率，实现周转箱的良性周转，需要共享，循环共用周转箱与托盘。打破企业自行使用维护，资源利用率低，包装纸箱只能一次性使用，成本高且浪费的传统模式。在实现资源分布化，社会化的同时，加强供应链间紧密协作。设计单元化层级级联的模式实现周转箱，托盘，货车信息层级绑定。用较少的硬件模块，维护成本，实现成千上万周转箱高效率共享，追踪管理与信息流通。设计新型模块化积木式周转箱原型，节省包装材料，提高人工作业效率，单箱空间利用率并实现高灵活调度。基于单元化层级级联的硬件模块架构设计，低成本，稳定，工业可实施性强，结合Azure云平台，数据库架构设计，周转管理应用开发，实现周转箱低成本高效率的周转再利用。