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有文獻指出，揀選作業(yè)約占倉庫運營(yíng)成本的30%-50%。而由于揀選作業(yè)的特殊性，揀選作業(yè)也是倉儲物流中勞動(dòng)*密集，耗時(shí)*多的環(huán)節。因此，在電商快速發(fā)展的背景下，倉儲物流的揀選技術(shù)不斷豐富。
但是，在生產(chǎn)制造過(guò)程中，有多種場(chǎng)合需要揀選作業(yè)。面向制造業(yè)生產(chǎn)組織的需求，其倉儲揀選作業(yè)方式也有所不同。本文針對制造業(yè)的特點(diǎn)，在研究揀選技術(shù)應用場(chǎng)景及分類(lèi)的基礎上，重點(diǎn)探討制造業(yè)倉儲物流中揀選技術(shù)的實(shí)現途徑及智能化趨勢。
引言
物流是生產(chǎn)制造及其供應鏈的重要保障。據統計，產(chǎn)品從原材料到成品，生產(chǎn)加工所占用的時(shí)間僅僅只有10%，而90%消耗在倉儲、搬運、包裝、運輸、配送等物流環(huán)節中。揀選作業(yè)作為物流作業(yè)的重要內容，也是生產(chǎn)制造及其供應鏈過(guò)程中的重要作業(yè)形式。隨著(zhù)制造方式和組織形態(tài)的變化，揀選技術(shù)也在不斷推陳出新，變革升級。
由于工業(yè)生產(chǎn)制造的組織模式多種多樣，比如大規模流水線(xiàn)制造、多品種小批量個(gè)性化定制、離散柔性制造、智能制造等等，其物流的組織方式也不一樣，相應各揀選環(huán)節的揀選技術(shù)也不一樣，甚至千差萬(wàn)別，具有十分顯著(zhù)的面向制造需求特征。
比如在大規模流水線(xiàn)制造中，物流的組織方式大多是標準化流程組織，涉及揀選作業(yè)比較固定和規范，比較容易實(shí)現自動(dòng)化揀選。而在多品種小批量個(gè)性化定制和離散柔性制造模式中，訂單的內容、數量和時(shí)間都會(huì )發(fā)生變化。因此，面向個(gè)性化定制和柔性制造的揀選作業(yè)也在不斷演化，新專(zhuān)利、新技術(shù)、新產(chǎn)品、新系統層出不窮。在智能制造快速發(fā)展的今天，揀選技術(shù)也在向自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。
揀選作業(yè)的功能與分類(lèi)
據國家標準物流術(shù)語(yǔ)(GB/T 18354-2016)定義，揀選(Order Picking)，是指根據訂單或出庫單的要求，從其存儲場(chǎng)所揀出物品的作業(yè)。
而文獻中對揀選作業(yè)的定義也有些微不同。一般認為，揀選作業(yè)是指根據訂單或者出庫單的要求，從貨位上把物品揀取出來(lái)，并將其送到指定位置放好的全過(guò)程。
根據揀選作業(yè)的定義，可以看出，揀選功能的一般性描述就是：1)將指定的物品(名稱(chēng)、規格、型號、數量等)從儲位揀出；2)送到指定位置；3)放置好。無(wú)疑，揀出作業(yè)是揀選過(guò)程核心的功能。
由于揀選過(guò)程中揀出和放置作業(yè)與所操作的對象密切相關(guān)，和作業(yè)環(huán)境密切相關(guān)，因此，揀選作業(yè)常?？梢苑譃椋喝斯x、機器揀選和人機協(xié)同揀選。限于篇幅，有關(guān)這種分類(lèi)的具體細節，在此不展開(kāi)。
從揀選過(guò)程涉及的物品搬運或者說(shuō)輸送方式角度，揀選作業(yè)又可以分為：人到貨、貨到人，以及貨到機器。限于篇幅，有關(guān)這方面的具體細節，在此也不展開(kāi)。
在制造過(guò)程中，揀選作業(yè)可能出現在生產(chǎn)制造的倉儲、加工、裝配等多個(gè)環(huán)節。根據揀選所處的生產(chǎn)環(huán)節，可以將揀選作業(yè)分為兩類(lèi)。
(1)倉儲揀選
倉儲作業(yè)是保障生產(chǎn)制造各環(huán)節所需物料及時(shí)、準確、有效供給的重要手段，也是各制造企業(yè)一直試圖削減成本的關(guān)鍵環(huán)節。揀選是倉儲作業(yè)核心*占成本的作業(yè)單元。如圖1所示為人工倉儲揀選示意圖。
據文獻報道，在經(jīng)典的倉儲作業(yè)中，揀選作業(yè)約占倉庫運營(yíng)成本的30%-50%，揀選人員數量約占倉儲作業(yè)人員數量的60%以上，而揀選人員70%的作業(yè)時(shí)間在移動(dòng)，30%的作業(yè)時(shí)間是用于揀選物品。這也是為什么近年來(lái)“貨到人”揀選方法備受關(guān)注，并出現了“貨到機器”研究趨勢的原因所在。而為了不斷提高揀選效率，同時(shí)滿(mǎn)足柔性制造和個(gè)性化定制制造的需求，人們歸納出了“基于訂單的揀選(Single Order Picking)”、“基于批量的揀選(Batch Picking)”和“基于流程的揀選(Flow Picking)”三種主要的揀選技術(shù)。也有專(zhuān)家學(xué)者總結為“摘果式揀選”和“播種式揀選”技術(shù)。
(2)線(xiàn)邊揀選
生產(chǎn)制造的每一個(gè)加工環(huán)節以及上下加工工序間的轉換都離不開(kāi)物料的組織。因此，線(xiàn)邊揀選是必不可少的生產(chǎn)物流作業(yè)過(guò)程。根據生產(chǎn)制造的組織形式不同，可以分為：離散制造線(xiàn)邊揀選、流水線(xiàn)制造線(xiàn)邊揀選和單元制造線(xiàn)邊揀選等。
和倉儲揀選不同，線(xiàn)邊揀選的作業(yè)對象相對單一，搬運距離相對短，作業(yè)人員/設備相對少。但是線(xiàn)邊揀選直接關(guān)系到加工的效率和質(zhì)量，也是在制品庫存的重要因素和生產(chǎn)周期的重要占時(shí)成分。因此，線(xiàn)邊揀選受到制造企業(yè)的高度重視。一些龍頭的制造企業(yè)比如汽車(chē)制造企業(yè)，將線(xiàn)邊揀選外包給專(zhuān)業(yè)的物流公司。很多公司針對線(xiàn)邊揀選開(kāi)展技術(shù)革新和改造，創(chuàng )造出專(zhuān)用的小型貨架、料箱，以及RFID、PTL等揀選輔助裝置，甚至自動(dòng)化立體倉庫。
由于線(xiàn)邊揀選技術(shù)和裝置具有行業(yè)和企業(yè)特色，和制造工藝及環(huán)境甚至企業(yè)文化密切相關(guān)，這里不做詳細介紹。
面向制造的倉儲揀選技術(shù)
揀選作業(yè)受生產(chǎn)訂單的驅動(dòng)，受倉儲布局的制約，而整個(gè)過(guò)程訂單下達及匯聚生成揀貨策略輸出揀貨單規劃揀貨路徑揀貨集中審核送線(xiàn)邊受企業(yè)的生產(chǎn)組織模式的調度。倉庫在接到ERP系統的出貨指令后，WMS會(huì )根據生產(chǎn)調度需求，選擇揀貨策略(技術(shù))：“基于訂單的揀選”、“基于批量的揀選”和“基于流程的揀選”。
基于訂單的揀選，或者說(shuō)摘果式揀選，是基本的揀選方式。WMS會(huì )將每一個(gè)客戶(hù)的訂單，根據倉庫布局(貨物儲存布局)分解成揀貨單，分派給不同區域的揀貨員，并生成揀貨路徑。揀貨員揀取貨物后，送到集中區域合并，復核后交由下一個(gè)配送流程，送交生產(chǎn)線(xiàn)邊。
基于批次的揀選，或者說(shuō)播種式揀選，是為了進(jìn)一步提升揀選效率，降低揀貨強度而提出的一種揀選策略(技術(shù))。接到ERP指令后，WMS會(huì )將若干訂單匯總，將相同的物品進(jìn)行合并，再根據倉庫布局(貨物儲存布局)編制揀貨單，分派給不同區域的揀貨員，并生成揀貨路徑。揀貨員揀取貨物后，送到集中區域。在該區域，根據生產(chǎn)組織需要，可以按照訂單再次揀選組合，也可以直接復核后交由下一個(gè)配送流程，送交生產(chǎn)線(xiàn)邊?；诹鞒痰膾x和基于批次的揀選相似，不同之處在于，WMS會(huì )匯聚當前生產(chǎn)流程中所有的訂單(比如一天的訂單)，進(jìn)行訂單的合并和分解，形成揀貨單。
隨著(zhù)個(gè)性化定制需求的日益增長(cháng)，生產(chǎn)組織向更為柔性可重組方向發(fā)展。因此，揀選技術(shù)也在不斷進(jìn)化，產(chǎn)生了一種組合“基于訂單的揀選”和“基于批次的揀選”的新方式，我們把它定義為“動(dòng)態(tài)組合揀選”技術(shù)。該技術(shù)在正常生產(chǎn)條件下，根據生產(chǎn)節拍，選定批次大小，按照批次進(jìn)行揀選作業(yè)。當有緊急訂單或者特殊訂單到達時(shí)，按照“訂單揀選”方式實(shí)時(shí)響應出入庫需求。
智能揀選技術(shù)
根據圖4所示的揀選流程，揀選技術(shù)的智能化可以從幾個(gè)方面入手。1)揀貨方法的智能化，比如機器揀選，以及RFID、VR、二維碼、PTL等輔助揀貨方法；2)物品輸送技術(shù)，比如可以采用堆垛機、AGV、輸送帶等方式。如圖5是一種基于Kiva機器人的貨到人倉儲布局示意圖。在該場(chǎng)景中，Kiva機器人在接到揀貨指令后，找到指定的貨架，并將該貨架運送到指定的揀選臺(W1-W4)，供揀貨員揀貨。
智能揀選的第三個(gè)途徑就是訂單的處理和揀貨策略的選取。在傳統的訂單分拆、物品合并的算法基礎上，基于大數據和優(yōu)化技術(shù)的方法正逐步得到應用。
智能揀選的第四個(gè)途徑就是輸出揀貨單。多Kiva機器人和多揀選臺場(chǎng)景中，將揀貨單分派給哪個(gè)機器人、哪個(gè)揀選臺，是影響揀選效率的關(guān)鍵因素。目前的方法主要有動(dòng)態(tài)規劃法、博弈、合同網(wǎng)法等。如圖6就是筆者團隊提出的一種基于合同網(wǎng)算法的訂單派發(fā)流程，其中，招標方為派單方，投標方為Kiva機器人和揀選臺。
智能揀選的第五個(gè)途徑就是物品的輸送路徑規劃。堆垛機和輸送帶都是采用固定路徑輸送，而AGV的路徑則可能根據貨物輸送的源點(diǎn)和目的地，以及道路狀況，進(jìn)行路徑規劃。路徑規劃的方法很多，比較經(jīng)典的是A*算法，也可以借用TSP問(wèn)題模型進(jìn)行優(yōu)化求解。當AGV數量較多時(shí)，路徑規劃會(huì )變得非常復雜，這時(shí)可以采用群體機器人協(xié)同調度技術(shù)，也可以采用網(wǎng)絡(luò )流理論和圖論等進(jìn)行建模優(yōu)化。
本文分析了制造業(yè)揀選技術(shù)，給出了揀選作業(yè)的功能、分類(lèi)以及主要技術(shù)和方法，針對倉儲揀選作業(yè)的流程及智能化方法進(jìn)行了闡述。
