应用无线射频识别技术的配送中心系统设计

1 引言 

随着业务量的不断增长和客户需求的不断提升，配送中心的管理也面临着越来越大的挑战。如何更快地完成每天都要重复进行的大批量货物的快速核对、收取、出库、复核；如何降低库存成本、加强库存控制、提高空间、人员和设备的使用率；如何快速地找到指定的货物；如何在不停业情况下实现配送中心的自动盘点等，已经成为各个配送中心共同关心的热点和难点问题^[1] 。 

目前的条码技术一定程度上提高了配送中心的自动化水平。但是，由于条码本身不可逾越的缺陷，使其在解决配送中心上述问题时收效甚微，无法满足企业现有的应用^[2]。无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术因为其特有的远距离、非接触识别、防冲撞，以及大容量、识别速度快、抗干扰能力强等优点，为进一步实现配送中心的完全自动化提供了可能。电子标签全球唯一的UID序列号，为每一个最小单位的流通商品建立一个全球性的标志，从而实现对整个供应链的物品进行实时的跟踪和管理^[3]。 

本文提出基于RFID技术的配送中心系统架构，采用分层的方式进行系统硬件结构设计和软件结构设计，同时提出一种新的数据采集过滤方法，并通过建立小型配送中心实验室，模拟配送中心各流程，从而验证系统方案的正确性和可靠性，大大提高配送中心效率。 

2 配送中心系统集成设计 

2．1 配送系统硬件结构设计 
配送中心的工作流程通常包括收货、入库、补货、拣选、分拣、复核、出库，如图1所示。 

一般来讲，在以上配送中心的各个工作区域，相应安装RFID阅读器用于数据采集并将采集到的数据传输至中心计算机系统进行分析处理，然后根据分析结果指导工作区域采取下一步动作。考虑到配送中心操作中对识别距离的要求，系统应采用超高频硬件设备。但是，由于配送中心内不同工作区域相邻较近或可能存在重叠区域，如果全部应用超高频的RFID系统，将不可避免地发生不同功能区域之间的“串读”现象。为了避免因串读而导致的射频屏蔽困难，我们尝试把高频(13．56MHz)和超高频(915MHz)RFID设备统一规划于系统之中，在数据库中关联高频(UH)和超高频(UHF)电子标签数据信息，并通过中间件使之协调工作。 

具体来讲，在出入库区域、库存区域以及分拣区域，系统采用超高频阅读器，可以在大范围内一次读取多个电子标签，以提高配送中心出入库速度、自动化程度以及库存准确度。在补货时，阅读器读取周转箱标签进行数据库信息更新，此时系统一次只需读取一个电子标签，故在补货区采用高频阅读器避免串读。这些部分构成了整个RFID系统中的固定式数据采集终端，如图2所示。 

以叉车为载体的移动式RFID数据采集终端在该配送中心系统中担负着重要的角色。其作用包括：在叉车终端承载货物人(出)库时，系统根据人(出)货单和实际人(出)货情况进行复核，并将复核结果反馈于叉车终端以提示其下一步动作；通过叉车车载RFID阅读器读取货架上的货位标签，以确认货物(托盘)在仓库中的具体位置，方便事后货品定位和盘点；可在地面安置一系列RFID标签(地标)，通过读取地标以确定和跟踪叉车在配送中心的行驶路线和位置。该移动数据采集系统由RFID阅读器和显示终端组成，并通过无线局域网(802．11b／g)和中心计算机实现数据交换。由于移动终端在执行业务操作时只需读取一个货位标签，故移动终端也采用高频RFID系统，同时可避免串读。目前的RFID阅读器硬件接口通常有串口和网口两种形式，单套RFID应用系统只需串口就可以满足需求，而多套复杂应用系统需要网络接口以便于设备联网。系统根据不同阅读器所提供的通讯接口的不同，设计集成多种通讯方式，通过集线器和多串口卡和主机通信。 

2．2 配送系统软件结构设计 
配送系统的软件结构由前端各个区域的RFID数据采集系统、中间件、以及后端的仓储管理系统(wMS)构成。系统软件结构如图3所示。 

在图3中，前端的RFID数据采集系统完成对电子标签数据的采集；中间件把采集到的数据进行加工处理和格式匹配，并且封装不同频率设备以及不同的通信方式，提供接口给后端的WMS系统；WMS统一管理配送中心各项业务操作。其中，入库管理模块完成货位分配、进货复核和定制订货单操作；库存管理模块完成托盘货物查询、货位货物查询、流利式货架管理和货位货物盘点操作；出库管理模块完成出库方案选择、分拣显示、出库复核和定制订单操作；资源管理模块完成托盘管理、货位管理和叉车管理操作；报表管理模块对入库管理、库存管理、出库管理和叉车管理过程中使用和产生的数据表格进行定制、查询、修改和删除等管理操作。系统运行时，WMS首先对入库区域采集的数据进行分析和统计，完成收到货品的货位分配，并通过显示终端指导叉车完成货品的正确入库，WMS同时对其他区域的RFID系统上传的信息进行相关操作，实现货物单品、周转箱、托盘以及叉车的高效管理。 

3 系统数据获取方法研究要实现配送中心高效、自动地正常运转，需要在配送中心的各个工作环节获取指定数据信息，需要采集的详细信息如表1。 

为保证上述各项信息采集的可靠性，在硬件特性充分发挥的前提下，系统从软件上采用多次读取方式来进一步克服电子标签漏读现象，确保以后用于所有数据处理的数据源的完整性。从表1可知，配送中心的不同业务环节所需采集的数据信息并不相同，如何区分不同类型标签，从而过滤无用数据信息，经过研究分析解决的方案有如下几种： 
(1)不同类型的标签以不同频率的设备读取。这种方法数据处理速度快，但成本较高； 
(2)采用同种频率标签，规定标签UID范围作为不同类型的标签。这种方法简单易用，但系统可扩展性差。 
(3)采用同种频率标签，在标签的数据块中设置标志符来加以区分，这种方法硬件投入成本低，操作方便，同时，此方法不受标签协议标准的限制，既可用于ISO类型标签也可用于EPC类型标签。但由于需读取标签数据块信息，所以标签读取速度稍低。 
综合考虑各种因素，本文认为第三种方法最为恰当，虽然标签读取速度稍有牺牲，但对于通常配送中心的物流速度而言不会构成负面影响。通常ISO电子标签内部存储容量为2048bits，被分成256个字节，每个字节有一个对应地址0~255。设置标签的数据格式如表2所示。 

4 RFID配送中心操作流程模拟 

4．1 RFID配送中心实验室建设 
为支持此项研究，我们在实验室中特建立一套小型配送中心，其基本物流设备包括横梁式货架、流利式货架、可变速传输线以及叉车等，并依据配送中心典型布局设置了出入口、分拣区、补货区、仓储区等不同的功能区域。按照本文的系统设计思想，我们在各个RFID通道配置了相应的RFID设备并分别与中心计算机相连进行数据通讯。RFID设备基本信息如表2。其中为节省设备资源，出入库区域用同一设备的不同天线分别用作入库和出库操作。 

系统设备选型灵活、兼容性好，其中，库存区域和补货区域的RFID阅读器采用TCP／IP方式和中心计算机通讯，出入库区域和分拣区域的RFID阅读器采用RS232串口方式和中心计算机通讯，车载(叉车)RFID阅读器通过RS232串口方式与车载计算机相连，再通过无线局域网实现与中心计算机的通讯^[4~7] 。 

配送系统运行之前预先在货物单品、周转箱、托盘、货位、叉车等物流单元分别贴附电子标签，并在标签内写入相应代码以进行快速识别。当物流单元经过各个RFID通道时，系统进行数据采集并将采集到的数据传输到WMS进行过滤、比对和分析，最后相应对中心系统或移动终端做出反馈或指令，从而实现对入库、库存、盘点、补货、拣选、分拣、出库等基本业务进行统一调度管理。 

配送中心的全部作业流程都在WMS的统一调配之下。入库时，加载了标签的货品通过收货RFID系统，WMS系统根据当前货位情况分配货位，同时采集记录货品、周转箱、托盘上标签信息。 

车载RFID系统确认货品进入正确的货位后，主机和叉车终端相互通信，完成人库操作。进行盘点作业时，分布在货架上的RFID系统实时采集数据信息，并与数据库信息进行核对，以提供准确的库存查询。当流利式货架上的货品量低于设定的最低值时，系统提示进行补货作业。从横梁式货架上向流利式货架补充货品，安装于传送线下方的RFID系统采集相关标签信息，同时流利式货架上货品数据即时进行更新，提供最新的库存信息。配送中心根据订单进行出库时，首先WMS系统自动生成出库方案，整托盘的货品直接经出库RFID系统采集信息后到指定区域，散件货品经流利式货架区域拣选，由分拣区域的RFID系统根据货品目的地信息分拣到指定的出口，经出库RFID系统采集货品信息，WMS系统根据订单标签信息统一复核完成出库操作。 

4．2 配送系统模拟结果 
WMS系统是整个配送中心的心脏，统一控制管理着配送中心各个业务流程，实现配送中心的连续自动入库、货位分配核对、库存实时查询、补货及时报警、出库方案生成、自动分拣分流、出库自动复核、以及相关报表的管理。 

在该系统中，各个业务流程所涉及的数据采集全部通过RFID技术实现。测试表明，相对于传统的条码支持的配送系统，该基于RFID技术的配送中心系统库存透明度和准确率大大提高，可以根据需要实时对货架上的货物进行盘点；出入库实现自动货物订单复核，提高配送精度；数据采集速度快，实现不停顿的自动出入库，解决了条码系统中由于对单个货品逐一扫描而造成的效率瓶颈，同时也验证系统所采用的电子标签数据信息过滤方法的可靠性。 

5 结论 

配送中心是物流供应链中承上启下、必不可少的环节，配送中心的效率直接影响到企业的市场竞争力。本文论述的RFID配送中心实验室以配送中心的实际流程为模板，无论是烟草配送、医药配送或其他货品的配送本系统都同样适用。系统同时集成高频和超高频设备，免除电磁屏蔽的困扰。系统对RFID技术的应用虽然是面向配送中心，但只要有数据采集和自动识别的场合都有RFID技术的用武之地，同样适用于供应链中的其他环节和其他各行各业，可以实现跨部门、跨行业的信息共享。基于RFID的数据采集系统拓展到商场等销售环节能有效降低商场产品脱销率，附有电子标签的商品补充的速度远比条码的快。RFID技术的应用实施目前来说成本略高，但为企业带来的巨大收益也显而易见，相信随着技术的不断成熟以及硬件成本的进一步降低，RFID技术必将得到广泛应用。 

参考文献： 
[1]北京维深电子技术有限公司．RFID技术在存储管理中的应用[EB/OL]．http://www.vete.com.cn,2005-07-04． 
[2]中国自动识别协会射频工作组．RFID技术在快速消费品供应链管理的应用[J]．自动识别技术与应用，2005，(12)． 
[3]美国ThingMagic公司．ThingMagic ThingMagic`S Mercury4 Tag Command API EEB/OL]．
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[4]深圳市丰泰瑞达实业有限公司．FTRD2022用户手册[EB/OL]．http://www.sz-rfick.com/index.asp，2005-07． 
[5]深圳普诺码商业安全设备有限公司．PRR8310函数接口参考手册v1.2[EB/OL]．http://www.promatic.com.cn，2003-12． 
[6]香港普诺码集团.PRR8152安装使用[EB／OL]．http://www.promatic.com.cn，2004—12—24