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智能物流物联网仓库管理系统的设计与应用
由于客户订单的复杂性和种类不断增加，仓库操作需要更改。由于对实时数据和上下文信息的需求是重新满足的，因为高度定制的订单，这些订单往往小批量，但品种繁多。由于订单经常根据客户要求更改，因此同步采购订单以支持生产以确保按时完成订单非常重要。但是，低效和不准确的订单领料流程对订单履行有不利影响。本文旨在提出一种基于物联网 （IoT） 的仓库管理系统，该系统采用先进的数据分析方法，采用计算智能技术，为工业 4.0 实现智能物流。根据从案例公司收集的数据，基于物联网的 WMS 建议表明，仓库的生产率、拣选精度和效率可以提高，并且具有强大的订单可变性。
关键词： 物联网， 仓库管理系统， 低容量高组合， 行业 4.0， 智能物流
1. 简介
提高生产力，应对客户不断变化的需求，产品设计、生产、包装和分销也相应。2011 年，德国推出了一个新概念'工业 4.0'。在工业 4.0 中，未来物流可以通过物理 Internet 重塑物理物体的传输、处理、储存、供应、实现和使用，从而提高物流效率和可持续性以及网络物理系统和物联网 （IoT），使与行业相关的物品（如材料、传感器、机器和产品或物理互联网容器）能够相互连接和通信成为可能。可以跟踪和监视所有连接的项目，以便制造商了解模式和性能。通过分散的智能决策，工业 4.0 可以说是制造环境的日益数字化和自动化，以及创建数字价值链，实现产品、环境和业务合作伙伴之间的通信。工业 4.0 代表了即将到来的第四次工业革命，采用物联网、信息和服务来为下一个生产模式。分散式智能有助于创建智能网络并优化独立流程，真实世界和虚拟世界的交互是工业发展中一个重要的新里程碑。工业4.0代表了从'集中'到'分散'生产的范式转变——技术进步使生产成为可能，这构成了传统生产工艺逻辑的逆转。工业生产机械不再只是'加工'产品，而是与机器沟通，告诉它到底该怎么做。工业 4.0 引入了具有最新生产技术的嵌入式系统。智能生产流程为新时代铺平了道路，这将从根本上改变行业和生产价值链和商业模式。
除生产外，进港物流和出站物流在履行客户订单方面起着重要作用。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变化。因此，它提出了传统的手动操作导致仓库操作效率低，不再响应客户需求的问题。在仓库的所有业务中，研究发现订单拣选过程可以占总运营费用的50-55%。
制造商使用的当代仓库管理系统 （WMS） 用于支持生产订单的变化并提高仓库操作的效率。通常，WMS 始终与自动 ID 数据捕获技术相关联，以便改进库存控制并最大限度地减少手动操作。本研究旨在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、高产品组合情况的有效性，从而在仓库中实现更好的收货、存储和拣选活动。
此外，订单领料流程是仓库操作的主要瓶颈。因此，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，提高订单拣选流程的效率。通过建议的 WMS 系统，可以管理和改进仓库活动，包括收货、存储和订单拣选。
鉴于上述困难，手动操作应替换为高级 WMS。提出了 WMS 的功能，如订单领料方法。IoT 设备可以提供拾取器的物料位置信息，从而提高订单拣选流程的效率。另一方面，工人工作量高是核心问题。在手动操作中，工作人员随机放置产品，而拣选过程依赖于工作人员的记忆和经验，这是很常见的。因此，操作非常耗时，与高度自动化的仓库相比，工作人员的工作量相对较高。因此，工人的士气就会降低，导致高的更替率。
由于上述问题，提出了基于 IoT 的 WMS，以尽量减少仓库操作过程。通过在接收过程中应用基于 IoT 的技术，而不是手动记录库存，减少不必要的流程可以减少拾取器的工作量。因此，有利于提高仓库作业效率，提高职工的工作满意度。
2. 文献评论
2.1. 工业4.0时代的仓库运营挑战
库存准确性、空间利用率、流程管理和拣选优化是现代仓库管理的主要挑战。敏捷的供应链战略成为供应链网络中的必需品。为了保持顺畅的进出境物流，有必要在不断变化的环境中提高灵活性，减少供应链系统的总周期时间。CPS 网络成为通过物联网（无线网络）在仓库操作中连接人员、对象和物理流程的中介。CPS 网络的出现促进了 WMS 的响应性和灵活性。从传统的 WMS 到 CPS-WMS 的演进需要技术和行政创新的融合，这成为 WMS 设计面临的主要挑战。其中包括正确选择 CPS 技术、环境智能、及时信息流和敏捷性。
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，在智能 WMS 的性能方面透明。回顾支持 CPS-WMS 发展的九大技术支柱，常见技术包括射频识别/近场通信 （RFID/NFC）、无线传感器和执行器网络 （WSAN）、物联网 （IoT） 和云计算。CPS 网络synergises通过这些分离的关键支持技术协同实现大数据分析的增长，从而深入了解更大的价值主张、分析能力和决策过程。
2.1.2. 环境智能
WMS 中 CPS 技术的可用性有助于通过环境智能来提高仓库操作的可追溯性和透明度。环境智能系统的异质性和可组合性使系统能够检测仓库内操作的活动和相互作用。此外，系统包含多个同步决策。如果开发了不正确的软件框架，则系统运行期间可能会出现死锁条件。
2.1.3. 实时信息共享
为了在 CPS-WMS 中保持高度敏捷性，CPS 网络要求在 WMS 内的所有操作和活动中实时监控 CPS 系统的信息和可见性。物理操作和可视化系统之间的数据采集的高级连接至关重要。实时信息共享支持正确的决策支持，并应对客户不断变化的需求。
2.2. WMS物联网的最新发展
无线传感器和执行器网络 （WSAN） 通过更有力、更复杂的支持决策，在 WMS 中创造透明度和价值。IoT 成为 CPS-WMS 中的基本要素，通过 WSAN 提高管理可见性和实时性。部署自动化数据采集支持云平台中的仓库操作或大数据基础架构之间的通信。智能 WMS 增强了计数流程，简化了操作，并增加了自动化 WMS 的程度。
基于物联网的WMS的应用已变得流行起来。RFID 技术在仓库管理中得到了广泛的应用，因为该技术允许跟踪和识别指定对象。周等人（2006年）提出了一个基于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测系统。Poon等人（2009年）利用基于 RFID 的订单拣选操作来降低操作错误的可能性。
此外，基于 RFID 的 WMS 和企业资源规划 （EPR） 的集成鼓励了事件驱动型的发展
业务流程管理中的流程链 （EPC）。此外，WSN是协助提取物体条件信息的另一种补充研究方法。然而，在数据采集、分发和挖掘方面，它具有挑战性。为了在烟草供应链中获得完整的物流订单跟踪，江、苏二人利用全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）和通用分组无线电服务（GPRS）对入站和出站物流的跟踪和交付进行了审查。杨（2012）提出了叉车的定位系统，以监控智能仓库的物流活动。 IoT 的部署有助于开发自动化仓库。Kim 和 Sohn引入了一种控制系统，用于在信息技术基础设施中通过物联网管理工业机器、资源和产品。Alyahya等人进一步研究了支持RFID的自动存储和检索系统的可行性，无需人工干预。Bajic介绍了一个带有 IoT 的平台以及产品、流程、环境和用户之间的环境网络，用于代理仓储管理。基于代理的 WMS 允许远程操作调用，它成为基于服务的控制点，提供高水平的可管理功能和提高操作效率。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 到物理对象的虚拟同步的控制级别。此透视允许在自主 CPS-WMS 中进行基于 WSAN 的通信。尽管在 WMS 中应用 IoT 概念为 CPS 启用自主特性，但仍有较少的研究说明 WMS 的实际和操作级别，例如使用计算智能进行订单拣选物联网，实现智能物流。
3. 拟议仓库管理系统的框架
本研究的目的是设计和评估基于物联网的仓库管理系统 （WMS） 对于低容量、高产品组合方案的有效性。由于此仓库管理系统中 IoT 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的一致性至关重要。这就是为什么拟议的基于物联网的WMS系统是非常可取的。本节提出了低容量、高产品组合仓库管理系统的工作流程，并给出了整个框架，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、高混合场景仓库管理系统的工作流程
仓库活动包括进站区域活动和出站区域活动，如收货、存储、质检、领料和装运。但是，在低容量、高混合工业环境中，除了进站和出站区域之外，内部处理是仓库管理中另一个非常重要的部分，因为这种特定的仓库配置允许采购订单 （PO） 更改。
3.2. 基于物联网的仓库管理系统
在高度定制化、灵活低容量、高产品组合的行业中，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，而订单变化总是发生。所提议的基于物联网的仓库管理系统充分利用RFID技术和无线传感器，跟踪和跟踪原材料、半成品和成品。嵌入式系统有助于收集仓库活动的所有信息更改和更新。使用 IoT 技术，传入的部件和活动均受到控制，建议的系统可以自动处理和解决订单更改或更新引起的不一致。
由于此建议系统专为低容量高混合方案而设计，这是工业 4.0 时代制造商面临的典型情况，因此订单定制需要高度灵活的信息更新灵活性。这就是为什么 RFID 收集的信息可以在任何时候通过移动应用程序通过移动应用程序被授权员工羞辱或删除。为了同步和优化库存，将数据和信息输入到智能库存管理引擎中，以处理订单变更和领料问题，其中数据聚类、一些机器学习方法以及模糊推理系统应用于决策支持中的信息处理。输出将传输回主机应用程序，并与移动应用程序共享结果。因此，参与此基于物联网的仓库管理系统的员工可以接收相应的操作信息。
如第 3.1 节所述，接收货物的入站物流可通过 IoT 技术轻松结算。内部引擎侧重于处理订单更改，如图 3 所示。输入是客户在现有订单上请求的更改，包括拉出、推出和取消。在低容量、高混合方案中，特定采购订单下的大多数部件都包括公共部件，并且由于最低订单数量 （MOQ） 一个采购订单可用于多个作业订单。因此，内部引擎将建立一个高效、有效的基于规则的逻辑引擎，以提供正确的操作，从而避免影响其他作业计划。
内部订单更改手柄引擎、输入'现有订单要求拉上/推出/取消'、输出需要对采购订单采取什么相应的操作，可用于多个作业订单。因此，内部引擎将建立一个高效、有效的基于规则的逻辑引擎，以提供正确的操作，从而避免影响其他作业计划。
毕竟，如果所有 PO 都确认库存充足，则仓库管理的另一个重要操作是订单采摘。领料比接收过程复杂、困难，建议的系统与模糊逻辑集成技术提出了最合适的订单拣选方法，以提高操作效率。模糊的优点之一逻辑模型比其他方法是，最终用户更容易理解其语言模糊术语，模糊值和逻辑推理过程。对于可配置性等定性属性，我们模型的出色易于理解功能
使其可用于非数字或输入数据评估不足，以满足实际需求。其第二个优点是通过优化或自定义最终用户的域知识或业务逻辑，将其纳入测量流程的能力模糊系统。
当仓库操作员从生产部门收到货物时，有关货物的信息，如 SKU 编号， IoT 技术在数据收集模块中捕获采购订单编号、客户详细信息、数量和位置。如将信息考虑在内，以生成最佳订单领料方法。在此订单领料模块中，模糊逻辑引擎是涉及。在本单元中，应用模糊逻辑理论，以评估最合适的订单拣选方法，以提高订单领料流程的效率。模糊化是模糊逻辑引擎的第一步。收集数据后，RFID，输入数据转换为模糊集，特征主要由使用
配方：
在引擎中，推理过程的工作原理是将输入模糊集传输到模糊推理引擎中，其中过程涉及规则块形成和规则组成。模糊逻辑的最后一步是解构。在解毒中，采用分级平均积分表示来计算结果。GMIR 可以描述如下：假设 $%和 amp;%分别是函数 $ 和 amp;的反向函数，以及广义模糊数的分级平均值 h 级值
，然后基于分级平均 h 级的积分值的广义模糊数的分级平均积分表示
,
其中 h 介于 0 和 w 之间，0）=1。
通过此过程，可以生成清晰的值，以评估拣选工在领料活动中的操作的领单方法，并分别采取严格的订单领料、批次领料、顺序区域领料、批次区域领料和波浪采摘。
4. 案例研究
在本节中，讨论和研究制造公司（别名为 CCI）。CCI 是一家信誉良好的盒装制造商制造和设备制造，专注于高混合、低容量合同制造服务和设备集成。由于 CCI 的高混合低容量模式，制造材料部件在仓库。由于原材料和半成品高度复杂，CCI在维护库存在合理的水平。
CCI 的低容量、高混合制造模式决定了其订单驱动的物料库存管理流程。使用物联网技术，物料流得到控制，同时，公司的信息流是透明的，这使得规划者对任何新情况做出迅速反应。与传统的预测和规划相比，IoT 允许用户获得通过传感器、执行器和计算工具提供有关环境的更多相关上下文信息，以确保智能行为。精确的预测方法可以计算大规模生产的材料需求。但是，CCI 面临典型的低容量、高混合情况和预测并不容易，错误预测总是导致高库存。这就是为什么CCI 在订单驱动模式下运行，这需要材料实时监控功能和快速订单更改处理能力。在这种情况下，建议的基于物联网的仓库管理系统被引入 CCI，用于监测
种类繁多的材料，并自动处理不同的场景。本节讨论基于物联网的建议仓库管理系统适用于 CCI。
4.1. 处理用于 PO 同步的引擎
CCI入站物流活动的
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