基于RFID的智能仓库管理系统设计与实现外文翻译资料

英语原文共 16 页

2011年第八届IEEE电子商务工程国际会议

基于RFID的智能仓库管理系统设计与实现

关键词：RFID; 智能仓库; 叉车调度和跟踪; 仓库管理系统（WMS）

摘要 - 本文提出了一种基于RFID的智能仓库管理系统（RFID-IWMS）。RFID-IWMS有助于实现更好的库存控制，并提高运营效率。为此，它自动化手动仓库操作，并提供与当前仓库管理系统（WMS）的紧密集成。在该系统中，RFID标签嵌入托盘和架子中；叉车配备智能终端以及RFID阅读器和天线，以支持自动数据扫描和存储位置检查；中间层软件组件被设计为便于通过无线LAN在WMS，便携式终端和叉车终端之间进行通信；支持其他强大的功能，如叉车调度，拣货顺序管理和3D货架监控。该系统的设计充分利用了现有的设备和设备，具有成本低，操作快捷的特点。通过百联集团配送中心的实际工作实践，证明该系统在技术和成本方面都是可行的。

1. 引言
   根据国家信息中心发布的零售业预测报告，2005年至2010年，中国零售业以8％-10％的速度稳步增长。 2020年，消费品零售总额将超过20万亿元。此外，零售业逐步自由化对外国投资加剧了零售业的竞争。结果，竞争从单一公司转移到整个供应链，效率起着至关重要的作用。
   总体而言，零售商品的流通就像供应商 - 经销商仓库或配送中心 - 零售商店。其中，仓库是上游和下游实体之间必不可少的联系，因此其性能至关重要。在合同中，大多数仓库业务都是劳动力或资本密集型。通常，仓库管理系统（WMS）被广泛用于收集仓库数据，以优化运营和管理。然而，当前的WMS在终端数据收集中具有明显的弱点，因为它们不包含实时和自动数据检索的特征。相反，WMS严重依赖仓库员工手动输入操作信息通过条形码系统。因此，不正确的信息是不可避免的，因为人为错误占不正确信息的80％左右。仓库的效率不满意。结果，这些实际问题和热点问题日益成为企业的瓶颈，降低了规模经济的优势。此外，很难制定可靠的物料搬运解决方案来处理仓库工作人员或WMS的不同订单。因此，必须提出一种具有实时和自动数据同步功能的智能系统，以将物流操作和WMS结合在一起。
   事实上，已采用各种技术来改善仓库的性能。从业务的角度来看，无论什么技术最终在仓库管理中变得流行，毫无疑问迫切需要更高的效率和更低的成本。在所有技术中，射频识别（RFID）被认为是最有前途的技术。因为RFID技术具有小尺寸，强穿透性，无线可读性，形状多样性，可重用性和相对低成本的优点，满足了两个主要需求（效率和成本效益）。与自动化仓库的高投入和运营成本相比，RFID技术的应用充分利用了现有的设备和设备，具有成本低，行动迅速的特点。 RFID并不是推动仓库管理系统发展的唯一技术。最大化仓储操作的优化工具是WMS的另一项技术补充。这些工具专门用于查看仓库或分销业务，并发现哪些操作最有效且效率最低。
   本文介绍了基于RFID的智能仓库管理系统（RFID-IWMS）的设计。总体而言，针对当前的问题，我们的设计在劳动密集型操作中采用了智能RFID方法，并将其与当前的WMS集成。 RFID-IWMS可实现仓库空间的有效管理，整个过程中货物的自动识别和跟踪以及仓库操作与WMS之间的实时数据同步。结果，仓库运营和管理的效率显着提高，人为错误率降低了90％。
   为此，创新和改进主要有三个方面。首先，在我们的设计中，考虑一下实用性和可操作性，标签放置在托盘中以及架子的每个架子的入口处。机架是配送中心的最小存储单元。 RFID粘贴的机架具有主动响应的能力，通过自动识别货物的进入和离开，并提供存储位置检查和错误警告功能。托盘和货架的标签组合在一起，以提高库存的效率。此外，执行一组RFID读取性能测试。基于该结果，确定了用于安装RFID设备的最合适的位置。其次，叉车的桅杆也进行了修改，以适应RFID阅读器和天线。叉车中的读卡器连接到专用的车载终端，该终端能够通过无线网络与WMS通信。通过这种方式，智能终端能够有效地扫描所需商品的数据，找到正确的存储位置并在发生错误分配时提供错误警告。完成后，终端将与WMS执行实时数据同步。第三，提出了一种RFID中间件，以便于RFID设备，便携式和叉车终端以及WMS系统之间的大规模RFID数据的通信和处理。它还支持其他强大的功能，如叉车的定位和调度，多仓库的远程和集中管理，货架的三维监控。在此基础上，通过数学算法构建订单拣选模型，以生成适当叉车的最短拣货序列。在此过程中，实现了最大化仓库生产率和最小化仓库中的运营成本的目标。
   本文分为五个部分。第1节是介绍，第2节介绍了当前RFID在仓库管理中的应用的相关文献综述，第3节解释了RFID-IWMS的设计方法，在第4节中，结果和讨论旨在说明借助RFID技术提高仓库管理的生产率。最后，得出了RFID技术应用的结论，并提出了今后工作的建议。
2. 文献综述

在零售业中，仓库是连接上游和下游的关键组件。 今天，激烈的竞争对仓库管理系统提出了更高的要求。 目前，仓库管理系统（WMS）已被广泛用于处理仓库资源和监控仓库操作。 然而，目前WMS严重依赖传统的条形码系统来从箱子，托盘和货架获取信息。基于条形码的方法的缺点包括驾驶员必须离开他们的卡车并手动扫描条形码标签。 由于污染或损坏，条形码标签可能变得不可读。 此外，无法编辑条形码标签上的数据[1]。 另外，条码系统的数据采集缺乏实时信息共享能力。 因此，WMS是无法捕获实时信息或可视化仓库的实际库存状态[2]。
近年来，RFID技术在商业应用中变得流行，特别是在物流和供应链管理中。该技术已被广泛应用于不同的业务操作中，以识别、定位和跟踪人、动物或资产[3]。通过使用RFID技术，可以实现自动数据捕获的要求。与传统的条形码技术相比，生产率和效率的显着提高压倒了相对较高的成本。因此，企业愿意在工作实践中使用这种技术[4]。然而，仍然忽略了RFID数据捕获和背景系统（如WMS）之间集成的重要性。这突出了开发与RFID技术集成的中间件以支持仓库智能管理的需求。
[2]和[3]中提到的系统是一种过于复杂而无法实现的理想化。如果可以应用，它将是非常昂贵和时间要求。但在RFID-IWMS中，它侧重于当前仓库系统的关键缺点。它实用，简单且相对便宜得多。与[4]中提到的系统不同，我们的系统提供了与后台WMS的紧密集成。这大大提高了仓库的管理水平。例如，获取KPI（关键绩效指数）数据更容易。与现有的RFID仓库管理相比，例如沃尔玛，我们的系统可以充分利用现有设施，因此具有快速行动和廉价的特点。在中国，物流业的大多数公司都是中小企业，因此这些特点对他们来说非常有吸引力。
[3]系统设计和体系结构
A.系统和网络架构
该系统的组件包括：RFID硬件，中间件软件，无线局域网（WLAN），智能车载终端和RFID数据流集线器处理器。 RFID硬件包括：RFID标签，天线，固定和便携式阅读器。中间层软件包括三个部分：存储和分发管理系统，3D货架监控以及与WMS和ERP（企业资源计划）的接口。存储和分配管理系统在后台控制中起着重要作用。它有三个部分，即数字货架管理系统，叉车定位系统和叉车调度系统。
RFID数据流集线器处理器主要用于对RFID数据流进行分类，过滤和预处理。它为其他系统提供统一且集中的数据源。将来集线器处理器可以扩展到支持物联网的本地EPCIS（电子产品代码信息服务）。该系统的设计遵循RFID行业的ISO标准，该标准具有支持未来物联网的能力。

图1. RFID-IWMS的系统架构。

1. Portable RFID终端
   RFID-IWMS中采用的便携式RFID终端具有普通RF手持终端的所有功能。 此外，它还支持RFID标签的读写。 在此设计中，货物信息被限制在托盘中的RFID标签上。 通过读写RFID标签，仓库工作人员可以避免手动记录。 此外，可以在读取和写入时同步地将信息发送到存储和分发管理系统。 图2示出了便携式RFID终端和软件接口。

图2.便携式RFID终端的图示。

1. 数字托盘和货架

如上所述，考虑到实用性和可操作性，标签被放置在托盘水平以及架子的每个架子的入口处，参见图3.嵌有RFID标签的托盘被称为数字托盘。 标签记录了产品的所有相关信息，例如数量，名称，生产日期等。数字托盘的状态可能是满的，一半或空的。 货架具有一定数量的货架，货架是由ID号识别的最小存储空间，即货架ID（RID），其与放置在其上的数字货盘的标签ID（TID）绑定。 与数字托盘类似，机架的状态可能是满的或空的。
在实际应用环境中，托盘和货架采用大容量且耐用的RFID标签。 通过绑定机架的标签和放置在其上的数字托盘，库存的效率大大提高。

图3.数字托盘和数字货架的图示

1. RFID增强型叉车

叉车是仓库中用于货物处理，接地和底盘等任务的主要工具之一。 其工作性能直接影响仓库的整体运营效率。尽管条形码阅读器等支持设备被广泛使用，但驾驶员不可避免地需要手动离开叉车，扫描条形码标签和输入数据以供WMS系统进一步处理。 如果没有实时集成，数据也会变得不一致，因为信息和商品在物理上是分开的。

使用配备RFID和WLAN系统的叉车以避免这些故障。

图4. RFID增强型叉车的图示。

在RFID-IWMS中，开发了一种智能终端，将RFID设备、叉车和中间层控制系统（存储和分配管理系统）结合在一起。首先，叉车经过改装，配备了RFID识别单元和数据预处理单元。对于每个叉车，安装两个天线和读取器作为RFID识别单元。一个天线安装在叉头的前部，垂直于地板，用于检测托盘和货架上的标签。另一个安装在叉车下方，平行于地板，负责检测仓库楼层和调度区域的RFID标签。每个叉车中的车载计算机，作为数据预处理单元，通过WLAN与后台信息系统交换数据。图4显示了系统结构。
叉车司机从存储和配送管理系统接收有关要运输的货物的来源和目的地的说明和信息。集成的RFID阅读器可以加速货物信息的读取和传输，并且还可以让叉车司机专注于驾驶而无需任何其他干预。当需要阅读时，终端打开阅读器。采用不同的算法来避免多重读取。例如，如果读取多个托盘标签，则天线功率将降低到某个值，直到读取一个标签。
叉车调度系统从WMS系统接收订单并将它们存储在队列中。该队列由叉车任务模块管理。订单被发送到适当的叉车，确保最短的订单拣货路径。每个托盘上都固定有唯一ID的RFID标签。当叉车移动托盘时，叉头上的天线将检测到托盘的标签。这样，系统可以立即从后台信息数据库访问货物信息。这是管理仓库中大量托盘的有效方式。当机架位置错误时，叉车终端将显示“错误的机架”警告，如下图5所示。

图5.正确和错误存储操作的屏幕截图

一旦操作完成，存储和配送管理系统将从叉车智能终端接收消息，并且货物的状态将立即更新。 此功能用于加入货物流和信息流。 整个过程如下图6所示。

图6.存储过程的流程图

E.编码方案

本项目采用EPC CLASS-1 GEN2标准无源标签。 标签的存储容量为96位，由EPCglobal标签数据标准1.3版定义。 前8位是Header，设置为固定值0x35。 以下28位是总经理编号，由EPCglobal分配以识别公司，经理或组织，由VeriSign提供的测试代码0x0024ABD暂时用作总经理编号。接下来的24位是对象类，由EPC管理实体用于识别事物的类或“类型”。 目前，需要在系统中区分三个对象，即楼层ID（0x000065），机架ID（0x000066）和托盘ID（0x000067）。 最后的36位是序列号，在每个对象类中是唯一的。详细定义见下表1。

TABLE I. THE DETAILED DEFINITION OF CODING SCHEME

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