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金沙集团1862cc课堂:回眸《物流工程技术路线图》(一)

作者:尹军琪、翁迅等 时间:2023/04/23 来源:金沙集团186cc成色科技

        前言:2015年,由中国机械工程学会物流工程分会组织编写的《物流工程技术路线图》一书正式由中国科学技术出版社出版发行。这本书是由中国科学院院士路甬祥组织的《面向2030中国机械工程技术路线图》丛书中的一本。全书由包起帆院士担任顾问,陆大明会长担任主编,王国华、尹军琪、李苏剑、邱伏生、周云、周奇才、孟文俊、徐格宁担任副主编,参与编写的专家学者多达50余人,历经2年时间,6易其稿,最终成书。作者有幸担任第六章物流仓储设备的编写工作,参与编写的还有翁讯和王乐乐两位专家。能与这么多的专家一起,完成这样一部重要著作的编写工作,这是我一生的荣幸。

        现在,距离写作的时间已经过去近10年,有多少技术是预测对了,还有多少没有预测到,作为作者肯定是关心的,我想,读者也一定怀有好奇心。今天将第六章整个文献刊登出来,一是为了更多的人了解这一本书的内容,二是回眸10年前的文章,也颇具意义。为了尽可能还原原貌,本次转载除加了标题外,没有做任何修改。预测本来就具有风险,而其过程却充满乐趣。

        概  论

        物流仓储设备包括物流系统中的储存设备、搬运设备、输送设备、拣选设备、分拣设备等,是物流工程的重要分支,典型产品包括如货架、叉车、AS/RS、AGV、输送机、码垛/拆垛机、自动拣选机、高速分拣机等,以及如仓库门、托盘、拣选台车、调节平台、包装设备等辅助设备。作为一个复杂的系统,物流仓储系统通过上位计算机系统和自动控制系统实现各单元设备的协调与控制,从而完成货物的接收、入库、储存、拣选、包装、分类、集货和发运等一系列工作。

仓储作业流程

        随着国民经济的快速发展,社会对物流的需求日益扩大,物流仓储设备需求出现快速增长势头。据不完全统计,到2013年底,中国物流仓储设备的总需求量接近180亿元(不含工业叉车、托盘,以下同),约占全球市场15%,而且每年以超过20%的速度增长。我国物流仓储设备技术水平在最近15年间发展迅速,已经形成一定的产业规模,拥有一批生产企业和系统集成商。但与世界先进水平仍然差距明显,主要表现在产品的多样性、适应性以及可靠性等方面。此外,企业规模与世界领先企业还有相当大距离,2013年,全球排名第一的物流系统供应商产值达到26.54亿美元,排名第20的企业达到1.31亿美元,而国内的企业,最大的产值也不过10亿人民币左右,大致处于世界第20位左右的水平。

        未来15年(2015-2030年),将是我国物流仓储设备赶超世界先进水平的关键时期。从目前发展情况看,到2020年,中国市场需求将达到500-600亿人民币,占世界总量将接近25%,中国将成为全球三大市场之一。预测到2030年,中国物流仓储装备市场需求将达到1800亿左右,占世界总需求量的50%左右,成为全球最大的市场,中国将有企业进入世界物流系统供应商前10强(约10亿美元)。新型行业,如电子商务、农产品配送、军队后勤等对物流需求的增长,将对物流仓储设备的技术发展和市场需求产生重大影响。

        随着移动互联网技术、物联网技术以及大数据技术的发展和应用,物流仓储设备的发展在未来将呈现前所未有的快速发展态势,基于供应链系统优化的需要,快速、可靠、自动化、智能化、多样性、适应性将是发展的主要方向。技术方面,制造领域中新型设备将不断涌现,尤其是随着制造水平的提高,各种高端设备,如AGV、机器人等设备制造的难度将会降低,制造成本也将大幅度降低。这一趋势将从根本上改变物流仓储设备的格局,尤其是机器人参与物流作业不仅将成为可能,从远期发展看,更将成为一种常态。另一方面,标准化、单元化物流将得到快速发展,与此相适应的物流仓储设备也将应运而生。

        集成控制技术

        概述

        物流仓储设备在其发展过程中,一直朝着自动化、系统化、智能化方向发展。一个复杂的自动化物流仓储系统,往往集成了众多种类的物流仓储设备,这些设备互相关联,共享信息,协调工作。如何高效的协调各设备的运转,即系统集成控制技术的研究,成为物流仓储设备发展的一项重要内容。

就基础技术而言,在可以预见的未来,自动化控制仍然主要以计算机和PLC控制为主,其技术包括现场总线技术、网络控制技术、分布式控制技术、模块化控制技术等。集成化、智能化和网络化是其基本发展方向。毋庸置疑,随着基础技术水平的大幅提升,控制系统的反馈速度、精准性、可靠性将有质的提高。

        在集成控制研究中,我们会看到一项非常重要的成果:即物流设备相互匹配和协调的重要性超过了单一设备性能指标的重要性。尽管我们在设备研究中,特别注重设备的基本性能,如载荷、速度等,但从系统的角度看,协调性或者说匹配才是优先要考虑的问题。如自动化立体库中,堆垛机和输送机的匹配、输送机与叉车的匹配等等。

AS/RS系统

        另一方面,集成控制技术研究并非仅停留在设备简单连接,而是要研究多形态、多层次、多角度、多数据库的系统连接,并通过优化控制技术,使这种连接更加高效、可靠和安全。

        近年来被反复提到的大数据技术,将对集成控制产生深远影响。在未来若干年内,大数据技术将在决策、控制理论、跟踪技术等多方面对集成控制产生重大影响。

        典型应用方面,以复杂物流配送中心为典型的集成控制技术是研究的重点,主要体现在系统的接口、数据传输、网络通讯以及系统安全等多个方面。

        随着物流仓储自动化程度的提高,物流装备在整个配送中心中的投资占比逐渐提升。目前约占15-20%左右,2020年将达到25%,到2030年,在很多系统中这一比例有望达到30%。由此可见,集成控制技术的发展对于未来物流仓储设备发展的影响程度。

        基于对未来自动化和智能化的基本判断,“自主控制”将是未来的亮点。

        虽然可热插拔技术目前还没有出现应用的迹象,但它的未来应该是可期待的。可热插拔技术是模块化控制技术的一项应用,它既可应用于AGV、机器人一类的系统之中,也可应用于输送机、智能叉车、AS/RS等系统之中。

        关键技术

        (一)复杂物流配送中心的集成控制技术

        ❖  1. 现状

        复杂物流配送中心是一个相对的概念。主要体现在大规模、多系统、多流程、多业务形态等多个方面。

        配送中心是物流仓储系统的典型代表。一个综合的自动化配送中心,各种设备的相互协调构成了一个复杂的系统,规模大,所集成的设备种类多,流程复杂,接口复杂。这一类系统代表了未来物流仓储系统的基本形态。

某行业自动化物流中心

        就目前的技术而言,各子系统的控制技术已经趋于成熟,如自动化立体库(AS/RS)。基于PLC的可编程控制技术是目前常用的技术,未来这一技术将继续存在。通讯方面,基于总线的通讯技术是最常见的通讯技术,此外还有红外通讯、无线通讯、载波通讯等主要用于移动设备的通讯。过去10年,系统集成度在物流配送中心取得了大幅提升,但无论是自动化水平还是系统的复杂程度,与国际先进水平还有较大的差距。

        ❖  2. 挑战

        (1)接口与通讯:系统的规模和复杂性将进一步扩大以适应业务的需求。如投资数亿元以上的物流配送中心将成为非常普遍的现象。多系统间的接口技术,将是未来发展的关键技术。目前主要以基于TCP/IP的协议为主,未来可能有多种协议的协同。

        (2)调度:复杂物流中心集成控制的一个难点是集成调度问题。成千上万条指令的协同工作给集成调度提出了很高的要求,集成算法面临挑战。各种业务模式、各种目标形态(如单元种类)的交错工作,更是对集成控制提出了挑战。

        (3)数据传输:目前以现场总线、红外通讯和无线通讯为主,未来发展的主要方向是传输带宽、稳定性、实时性、抗干扰性的大幅度提升。

        (4)安全性:主要是数据的安全性,各种备份机制的完善是未来要面对的重要问题,系统不能承受长时间的中断,更加迅捷和安全的恢复机制将产生。云端技术、现场拍照、瞬时恢复技术、自主修复技术等将得到广泛应用。

        短期(2020年)将研究出面对各种类型设备的统一接口平台。通过这一平台,管理系统与集成控制系统将变得相对独立,从而降低各自系统的复杂程度。

        各种集成控制算法将以新的面貌出现。自动控制编程将实现平台化,基于模块化的各种复杂逻辑控制将变得更加简单。在一些领域,基于计算机的控制编程将逐渐取代PLC层面的编程,快捷、可靠、简单将是未来发展的方向。此外,关于复杂系统的调度系统将采用云端计算等先进技术,一方面使各子系统间的工作协调性得到加强,另一方面,使系统的安全性、可靠性将得到大幅提升。

        通讯方面,现场总线技术的应用仍然是通讯的主流方式,但带宽将有成千倍的增加,以适应大数据量通讯和实时通讯的需要。红外通讯技术,无线网络技术,移动互联网技术的应用将全面展开。

        (二)多维监控技术

        ❖  1 现状

        监控技术是自动化物流仓储系统中关键技术之一。在目前应用的绝大多数系统中,监控主要包括两类:其一是独立的电视监控系统,其二是基于现场信号反馈的数字监控系统。数字监控系统通过获取现场信号,传输到中央控制室,通过计算机予以呈现。传统的监控系统以监视为主,控制主要通过人工完成,或远程干预维护,或现场解决。

        以AS/RS系统为例,系统的故障类型多达四、五十种,如超载、超限、超速、超时、双重入库等,监视系统不仅可以通过视频手段查看现场状况,也可以通过数字反馈定位故障类型,以便于维护人员及时处理,解除故障。

监控系统

        多维监控不仅是手段和角度的多样性,如电视、光电信号、设备参数等,而且还包括设备寿命监控、系统关键指标监控等;不仅要监控当前的运行状态,还应为系统提供预警,预防故障的发生。

        对于越来越复杂和庞大的系统,多维监控提供不同角度监控系统的能力。一方面,可以尽可能的减少监控的死角,包括视频监控、设备状态监控、设备寿命监控和关键参数监控等;另一方面,多维度监控为系统的稳定运行提供保障。

        ❖  2 挑战

        电视监控仍然是系统监控的重要方式之一,高清晰度的监控技术目前已经得到广泛应用。具有挑战性的是:是否支持诸如图像比对等自主功能,这一技术使电视监控改变过去仅仅是监视功能的模式,从而具备智能监控的能力。

        数字反馈未来的挑战在于大量现场数据的传输和处理问题。目前的问题是,有些故障无法反馈,从而造成问题得不到及时处理。

        预警是未来技术发展的最有价值的方面,除了监视设备的设定寿命以外(可以通过数据库提示),还要监视设备在运行过程中关键参数的渐变,为系统预警提供数据支持。尤其对于高端设备,如高速堆垛机、分拣机等,这一技术将可以预防灾难性结果发生。

        ❖  3 目标

        (1)电视监视系统具备自主监视和报警能力,在技术上的难度已经突破,关键是成本问题。目前,高清晰度监视系统的费用将比普通监视系统高出10倍左右,很多企业无法承受。估计具备自主识别功能的监控系统未来的应用将局限于关键设备和关键系统。前者如AS/RS系统和高速分拣系统,后者如烟草生产物流中心、电子商务配送中心。

        (2)数字监控技术将是未来发展的重点方向。随着通讯技术的发展,更大的数据量将使得更多的现场信号反馈到中央控制室,从而使得监控更加及时、全面、有效。

        (3)预警和关键设备寿命监控是多维监控发展的重要方向。通过获取关键设备和系统的关键参数信号,从而判断设备和系统当前是否处于健康运行状况,是否需要维护,从而避免事故发生后所造成的重大损失。

        (4)基于图像识别技术的智能识别监控也是未来可能的发展方向。通过图像的识别实现设备某些工况的状态反馈,也可实现基于图像识别技术的仓库智能盘点。

        (三)大数据技术(决策、跟踪、服务)

        ❖  1 现状

        大数据包罗万象,具有四个基本特征,即:大量、高速、多样、价值。大数据所包含的范围非常广泛,在物流系统中,所有被控制对象的位置、运动、震动、温度、湿度以及周边环境数据都属于大数据的基本范畴。所谓大数据技术,就是从各种各样类型的数据中,快速获取有用的数据信息。随着数字化时代的到来,大数据时代已经悄然而至。

        目前虽然还没有大数据技术在物流集成控制中的典型应用,但可以预期的是,系统诊断、集成控制等关键技术的应用将有赖于大数据技术。

        ❖  2 挑战

        大数据在物流系统集成控制中的应用研究是一项崭新的课题,将彻底改变目前依靠单一和有限数据来源进行控制、故障诊断的方式。有一些重点方向可以预测,如:

        (1)设备和关键零部件特征参数的数据判断;

        (2)基于历史特征数据比对技术的故障分析技术;

        (3)基于现场多维数据反馈的系统故障的诊断和预警;

        (4)基于对未来预期的系统软启动技术。

        ❖  3 目标

        (1)大数据技术的应用将会有一个由浅入深的过程。基于历史特征数据参数分析的故障诊断技术将会很快投入使用,尤其对于AS/RS系统、快速分拣系统、AGV系统、机器人系统等关键设备,这一技术将会有用武之地。

交叉带自动分拣系统

        (2)系统软启动技术对于提高系统的效率会有一定效果。但如何实现可能需要大量现场数据的支持,由于这一技术困难较小,其应用会很快展开。

        (3)远期(2030)可以期望在系统预警方面发挥作用。现场反馈的有效信息越多,系统预警的可靠性就越高。

        (四)自主控制技术与可热插拔技术

        ❖  1 现状

        自主控制和自动控制有一个模糊的边界:自主控制技术目前已经在类似AGV的系统中得到广泛采用。未来随着机器人的大范围使用,自主控制将进入一个崭新的时代。

        与自主控制类似的概念是智能控制。在一个复杂的物流系统中,系统将根据当前所处的状态自主选择设备、速度、方向甚至任务策略,这是未来发展的重要方向。

        热插拔技术源于计算机系统,其基本含义是在不停止主机系统工作的情况下增加或减少外设,包括磁盘、鼠标、显示器、打印机等。目前来看,物流仓储系统中的热插拔设备还寥寥无几,热插拔技术对于物流系统的灵活性、可维护性、柔性将会产生重要影响。

        热插拔技术可以在系统的扩展方面发挥重要作用,如AS/RS、AGV、输送机、包装台等。移动网络对于可插拔技术将有更大的支持。

AGV系统

        此外,热插拔技术还基于设备的模块化技术支持。可自成系统的模块,可能是一组输送设备,一台AGV,通过简单组合,即将构成一套新的系统。随着电池性能的大幅提升,可移动设备会成为未来设计的一个趋势。

        ❖  2 挑战

        (1)自主控制的控制理论和方法研究。

        自主控制是智能控制的组成部分,重点研究内容将在识别、运算、控制等方面,最大的挑战在于控制理论和方法的研究。

        (2)热插拔技术的可靠性与安全性研究。

        热插拔技术将改变系统扩展遇到的难题,如接口问题,不间断工作问题等。但如何使工作变得更为简单可靠,并解决安全问题将是研究的主要工作。其中,尤其难以克服的是控制系统的硬件和软件连接问题。

        ❖  3 目标

        未来自主控制将会得到的应用场合包括:

        (1)根据货物的特性参数(包括尺寸、重量、商品环境需求特性、易碎性等)选择不同的设备,包括储存设备、拣选设备、输送设备和分拣设备;

        (2)根据可移动设备(如AGV)充电状况选择不同的设备进行作业;

        (3)根据可移动设备的位置、工作状况选择不同设备进行作业;

        (4)无固定路径移动设备的路径选择、障碍回避、速度调整。

        热插拔技术的应用首先会在AGV系统,AS/RS系统和输送系统中实现。在AGV系统中,采用激光、图像导引技术、陀螺仪导引技术等可以支持路径的重新规划,可以灵活追加和减少AGV数量。在AS/RS系统中,可以通过热插拔技术,在不影响系统运行的前提下增减或减少堆垛机和输送机设备的数量。其他系统如包装台数量的调整,如果采用热插拔技术将变得更加方便。