智能物流基于物联网的仓储管理系统的设计与应用外文翻译资料

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智能物流基于物联网的仓储管理系统的设计与应用

由于客户订单的日益复杂和多样化，仓库操作需要改变。由于高度定制的订单，对实时数据和上下文信息的需求被重新确定，这些订单往往是小批量的，但变化很大。由于订单经常根据客户的要求发生变化，因此同步采购订单以支持生产，以确保按时完成订单至关重要。然而，低效和不准确的订单选择过程对订单的实现产生了不利影响。本文的目的是提出一种基于物联网（物联网）的仓库管理系统，该系统采用先进的数据分析方法，利用计算智能技术为工业4.0提供智能物流。基于从案例公司收集的数据，提出的基于IoT的WMS表明，仓库生产率、拣选精度和效率可以提高，并且对订单可变性具有鲁棒性。

关键词：物联网；仓库管理系统；低容量、高混合；工业4.0；智能物流

1 导言

2011 为了提高生产力和应对客户不断变化的需求，产品设计、生产、包装和分销。2011年，德国引入了工业4.0 的新概念。在工业4.0的背景下，关于物理物体如何在世界各地运输、处理、储存、供应、实现和使用的未来物流可以通过物理互联网进行重塑，以便提高物流效率和可持续性（蒙特勒)、网络物理系统和物联网(物联网)，使工业相关项目，如材料、传感器、机器和产品，或物理互联网容器，都能够相互连接和通信。所有连接的项目都可以被跟踪和监控，以便制造商知道模式和性能。随着分散化的智能决策，工业4.0可以被描述为制造环境的数字化和自动化程度的提高，以及创建一个数字价值链，使产品、环境和商业伙伴之间能够进行通信(拉西等人，2014 )。工业4.0代表了即将到来的第四次工业革命，为下一个生产范式采用物联网、信息和服务。分散的智能有助于创建智能网络和优化独立的过程，真实和虚拟世界的互动代表了行业发展的一个关键的新里程碑。工业4.0代表了从“集中”到“分散”生产的范式转变-技术进步使之成为可能，这构成了传统生产过程逻辑的逆转。工业生产机械不再简单地“加工”产品，而是与机械沟通，准确地告诉它该做什么(王等人，2016 )。工业4.0 介绍了一种具有最新生产技术的嵌入式系统。智能生产流程为新的技术时代铺平了道路，这将从根本上改变工业和生产价值链和商业模式。

除了生产外，入境物流和出境物流在满足客户订单方面发挥着重要作用。由于客户订单的复杂性和多样性、对实时信息和数据准确性的需求，仓库的作用发生了巨大的变化。因此，提出了传统的手工操作导致仓库运行效率低，不再响应客户要求的问题。在仓库的所有操作中，研究发现，订单挑选过程可以占总操作费用的50- 55%(弗雷泽尔和弗雷泽尔 2002；德 考斯特，勒杜克 2007)。

需要制造商使用的当代仓库管理系统(WMS)来支持生产订单的变化，并提高仓库操作的效率（李、曹和吴 2017）。通常，WMS总是与自动ID数据捕获技术相关联，以提高库存控制和最小化人工操作。本研究的目的是设计和评估基于物联网的仓库库存管理系统对制造商面临的低容量、高产品混合情况的有效性，以获得更好的仓库接收、储存和拣选活动的性能。

此外，订单拣选过程是仓库作业的主要瓶颈。因此，我们提出了与模糊聚类技术相结合的WMS，以提出最合适的订单拣选方法，提高订单拣选过程的效率。通过提出的WMS系统，可以管理和改进仓库活动，包括接收、存储和订单拾取。

鉴于上述困难，手动操作应改为先进的WMS。提出了WMS的功能，如订单选择方法。一个物联网设备可以提供拣选者在项目上的工作位置信息，从而提高订单拣选过程的效率。另一方面，工人工作量大是核心问题。在手工操作中，工人随机放置产品是非常常见的，拣选过程依赖于工人的记忆和经验。因此，操作非常耗时，与高度自动化的仓库相比，工人的工作量相对较高。因此，工人的士气会降低，导致较高的离职率。

由于上述问题，提出了一种基于物联网的WMS，以最小化仓库操作过程。减少不必要的过程可以通过在接收过程中应用基于物联网的技术，而不是库存的手动纸质记录来减少拾取器的工作量。因此，有助于提高仓库运行效率，增加工人的工作满意度。

在本文中，部分2列出了目前的研究回顾，仓库管理，以应对低容量，高产品混合与物联网技术。本节3概述了拟议系统的整个框架，并在章节中介绍了一个案例研究，以验证我们提出的系统4。最后一节给出了结论，并列出了局限性和今后的工作。

2 文献综述

2.1 工业4.0时代仓库运营的挑战

库存准确性、空间利用率、流程管理和挑选优化是现代仓库管理(Richards 2014)的主要挑战。在供应链网络中，敏捷的供应链策略成为一种必然。为了保持进出物流的顺畅，需要在不断变化的环境中增强灵活性，减少供应链系统的总周期时间。网络物理系统(CPS)网络成为连接物联网(卡勒和龙 2016)上仓库操作中的人员、对象和物理过程的中介。CPS网络的出现促进了WMS(莱托、科伦坡和卡努斯科斯 2016)的响应和灵活性。从传统的WMS向CPS-WMS的演进需要技术和行政创新的融合，这成为WMS设计的主要挑战。这些包括正确选择CPS技术、环境智能、及时的信息流和敏捷性(雷亚迪、古斯卡兰和扎尼 2015)。

2.1.1 WMS中的CPS技术

CPS-WMS的实施有助于建立人类、智能机器和机器人之间的合作，使智能WMS的性能透明(波萨达等人 2015 )。回顾支持CPS-WMS发展的九大技术支柱，常用技术包括射频识别/近场通信(RFID/NFC)、无线传感器和执行器网络(WSAN)、物联网和云计算（邱等人 2015 ；万等人 2016 )。CPS网络与这些分离的关键技术协同大数据分析的增长，以提供更大的价值主张、分析能力和决策过程的洞察力(沃勒和福塞特 2013)。

2.1.2 环境情报

在WMS中提供CPS技术有助于通过使用环境智能(奥拉鲁和格拉蒂 2011)促进仓库操作的可追溯性和透明度。环境的异质性和可组合性.情报系统允许系统检测仓库内操作的活动和相互作用(阿莫霍等人 2015 )。此外，系统包含多个同步决策。如果开发了不适当的软件框架，则在系统运行期间可能会出现死锁条件(阿莫霍等人 2015 )。

2.1.3 实时信息共享.

为了在CPS-WMS中保持高度的敏捷性，CPS网络需要在WMS内的所有操作和活动(雷亚迪、古斯卡兰和扎尼 2015)中对CPS系统进行实时信息监测和可见性。物理操作和视觉系统之间数据采集的高级连通性是至关重要的（李、巴盖里和高 2015）。实时信息共享使客户能够正确的决策支持和应对不断变化的需求。

2.2 用于WMS的IoT的最新研究开发

无线传感器网络在WMS中创造透明度和价值，具有更有力和更复杂的支持决策。物联网成为CPS-WMS中必不可少的元素，通过WSAN提高了管理的可见性和实时性。部署自动化数据获取可以在云平台或大数据基础设施(特蕾西和斯雷南 2013)中的仓库操作之间进行通信。智能WMS增强了理货过程，简化了操作，增加了自动WMS（丁 2013）的程度。

基于物联网的WMS的应用已经变得流行起来。RFID技术被广泛应用于仓库管理中，因为该技术允许跟踪、跟踪和识别指定的对象。Chow等人 (2006)提出了一种基于RFID的WMS，用于客户订单的检索和匹配过程，以提高仓库的吞吐量，并提供准确的库存监控系统。蓬等人 (2009)使用基于RFID的订单选择操作，以减少操作错误的可能性。此外，基于RFID的WMS和企业资源规划的集成鼓励了事件驱动流程链(EPC)在业务流程管理中的发展（刘、曾和张 2008）。此外，无线传感器网络是辅助对象条件信息提取的另一种互补的研究方法。然而，它在数据采集、分发和挖掘方面具有挑战性(王等人 2014 )。为了在烟草供应链中获得完整的物流订单跟踪，江和苏（2013）用全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)和通用分组无线电服务(GPRS)对进出境物流中的跟踪和交付进行了审查。杨(2012 )提出了一种基于位置的叉车系统，以监测智能仓库中的物流活动。

物联网的部署促进了自动化仓库的发展。金和孙(2009)在信息技术基础设施中引入了一个控制系统，通过物联网管理工业机器、资源和产品。阿尔雅海亚、王和班纳特(2016)进一步研究了一个RFID支持的自动存储和检索系统的可行性，而不需要人工干预。巴吉奇(2009)提出了一个基于物联网和环境网络的产品、流程、环境和用户之间的代理仓储管理平台。所提出的基于代理的WMS允许远程操作调用，成为提供高水平可管理能力和提高操作效率的基于服务的控制点。最后，WMS中的过程控制进入CPS网络时代，进一步提高了从自动WMS到物理对象虚拟同步的控制水平。这一视角允许基于WSAN的通信在一个自主的CPS-WMS中进行。

虽然在WMS中应用IoT概念以实现CPS的自治特性有更多的发现，但有一些稀疏的研究表明了WMS的实际和操作水平，例如使用IoT的计算智能来实现智能物流的订单选择。

3 拟议的WMS框架

本研究的目的是设计和评估基于物联网的WMS在低容量、高产品混合场景下的有效性。由于WMS中物联网数据同步的复杂性，网络物理系统的状态跟踪和连接对于保持数据一致性至关重要。这就是为什么提出的基于物联网的WMS系统是非常可取的。在这一部分中，提出了低容量、高产品混合WMS的工作流程，并提供了整个框架，并嵌入了适当的技术来处理每个阶段的不同问题。

3.1 低容量、高混合场景WMS的工作流程

仓库活动包括入境区活动和出境区活动，如收货、储存、质量检验、拣选和运输。 然而，在低容量、高混合的工业环境中，除了入站和出站区域外，内部处理是仓库管理中另一个非常关键的部分，因为这种特定的仓库配置允许更高的采购订单(PO)更改的灵活性。

图1说明了仓库活动与典型的工作流的低容量，高混合场景。当一个新的订单进来时，物料清单是根据不同原材料的所需数量生成的，这样生产过程就可以准时开始，没有任何延误。 如果所需的材料是可用的，拣选活动从入站商店或子商店进行。在检查当前库存后，如果所需材料的数量不足，则生成短缺的PO。它触发入境物流活动，以便事后收到未付的材料间，由内机负责更改订单。如果客户要求拉入、推出或取消某一订单，PO根据不同的情况进行调整，以更新相应的信息。更新后的PO导致入站仓库活动，这些活动对应于新的PO。

3.2 基于物联网的WMS

在高度定制和灵活的低容量、高产品混合行业，所涉及的原材料和半成品数量少，品种多。信息交换和更新是处理新订单的关键问题，而订单的变化总是发生的。提出的基于物联网的WMS充分利用RFID技术和无线传感器来跟踪和跟踪原材料、半成品和成品。嵌入式系统帮助收集仓库活动的所有信息更改和更新。采用IoT技术，对进件和活动均进行控制，由于订单变更或更新造成的不一致，可由所提系统自动处理和解决。

图2显示了基于IoT的WMS的框架：原材料、半成品和成品存储在仓库、子库中，或等待在配送中心交付。在物联网环境中，所有部件都贴上RFID标签。部分或产品从射频读写器天线中识别出来，然后将信息传输到无线电识别读写器，随后通过RFID中间件传输到EPC信息服务器。主机应用程序然后根据不同的需要集成应用程序(Lv等人 2012 ，2013 )

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