智慧倉儲物流系統的魂---數字化資訊管理系統WMS，WCS……
導語
大家好，我是智慧倉儲物流技術研習社的社長，老K。之前給大家分享了在工廠或者物流中心內的各個關鍵業務環節的自動化技術和系統，比如收貨，入庫，出庫，揀選，分揀，打包等。
之前我們更多的是從物理的角度來分析在這些環節中各種自動化技術如何賦能其中，並實現高效、高質量的物料的移動。
而在物料被移動的同時，大家肯定也會想到，究竟背後有什麼樣隱形的手在指揮著整個系統按照一定的規則去操作這些物料單元呢？
今天我們就來講一講智慧倉儲物流系統的魂：數字化資訊管理系統。
本文主要從如下結構講述：
01 前言
02 魂之結構：自動化金字塔
03 魂之源：資料
04 魂之經絡：工業網路
05 魂之中樞：WMS
06 魂之網：數字化網路
07 總結
01 前言
指揮一個系統去做事情，這很像人的大腦指揮身體各個器官做出行為一樣。人在走路，奔跑，說話，微笑，吃飯等等一系列動作前，都是大腦在經過思考（資訊處理）後做出的指令。
而在指令之前首先要人要獲取外界的資訊，經過眼耳口鼻面板等感受器，傳遞給周圍神經網路，最後將資訊交給大腦中樞系統進行分析後，大腦再反向將命令傳遞給外部器官。
設想一個場景：
一個舉重運動員，在舉起槓鈴之前都要經歷那些過程：
-聽裁判員的指令
-用眼睛找槓鈴的位置
-用手去槓鈴上找一個舒服的抓取位置
-抓取發力
-腿部、腰部、上臂同時協調到合適的姿勢
-在人身體能保持住的前提下，繼續發力
-全身統一支撐住槓鈴
-再次調動身體各處將槓鈴放置於地面
在這個舉重過程中，運動員要將全身腳、腿、腰、臂、腕、手掌、呼吸等等多個器官還有觸覺、視覺、聽覺等外界資訊統一協調起來才能完成一個舉重動作。
在此過程中，如果沒有中樞神經的集中協調指揮，運動員要不夠不到槓鈴，要不不能正確的時機發力，要不抓起來會傷著自己。
智慧倉儲物流系統中與人體過程類似，一個大型系統中可能有幾十萬個裝置、電機、子系統、感測器同時線上，同時要可能要掌控也許幾百萬的SKU的移動和當前狀態，要使得海量的單元和機構能互相協調配合，背後同樣需要一套強大的神經網路和中樞來運籌帷幄，這就是倉儲物流系統中的數字化資訊管理系統。
02-魂之結構
自動化金字塔
我們在中學學習生物的時候瞭解過，人體的神經系統有個組成圖，從中樞神經系統到周圍神經系統。
對於智慧倉儲物流系統，也有一個神經系統組成圖，那就是非常經典的自動化金字塔結構。
結構主要包括：
最底層：
現場執行機構，比如電機、氣缸，專機裝置（機械手，AGV、機器人等），各類感測器
中間層：
主要負責收集現場資訊並控制現場各類裝置或者各類子系統，主要包括WCS（PLC、DCS等）
上 層：
主要負責倉儲物流各環節的業務操作和資料彙總，主要包括WMS
最高層：
主要負責上層與實際生產業務的資訊化巨集觀管理，比如MES，ERP等等
從金字塔結構中我們可以看到，越位於底層，各個單元越分散，與現場的物理實物越相關，此部分的實時性要求越高。比如眾多的輸送機分散在現場，對於其上要傳輸的物料進行實時的資訊採集和相應的動作反應。
同時，越位於高層，該層關注的資料更加偏重業務層面，與現場的物理實物結合約不緊密。同時，高層的資料往往更加偏巨集觀、更加是為了付諸於倉儲業務業務辦理和資料統計。
對於智慧倉儲物流的數字化資訊管理，我們主要集中討論在上層WMS和中間控制層。上層WMS相當於人體的大腦中樞神經，中間控制層WCS相當於周圍神經網路。
事實上，上位WMS在倉儲物流系統中更加偏重於倉儲業務管理，而儘量不去與現場硬體和實物發生直接的連結關係，而是經過中間的WCS來進行資訊銜接。
如果WMS直接管理現場裝置，如下圖所示，
WMS與現場裝置交融在一起，互相影響和互相牽制的因素增多。比如現場某個裝置停機或者故障，可能會到導致整個WMS系統不能正常執行或者某些功能因此要停滯。
再比如，現場的某個裝置升級或者換品牌後，之前的介面和使用方式發生了變化，此時也需要對WMS進行相應的程式修改和除錯，很大程度上會影響現有WMS的正常使用。
再比如智慧倉儲系統在除錯期，WMS的開發人員會被緊緊的繫結在現場所有裝置正常執行的時候才能測試，不便於單獨測試業務方面的功能；等等。
因此，將WMS與現場的實際裝置進行分離是不得不做出的選擇，分離的過程就是增加一箇中間層，也就是上邊的金字塔結構中的中間控制層WCS。這樣倉儲物流業務管理與底層的裝置執行和資訊採集就被某種程度上分離出來了，互相不影響。WCS就充當了這個銜接兩者的橋樑，結構如下圖所示。
WCS的基本功能包括接受WMS的作業指令，經過整理、組合、拆分，形成各自動化系統的作業指令，分發給各自動化系統。同時，接收各自動化系統的現場狀態，反饋給WMS。
事實上WCS內部也是按照金字塔結構組成的，比如WCS作為上位，各個裝置的控制器如PLC、嵌入式等作為中間層，各個執行機構和感測器作為最底層。
與上述的總金字塔結構類似，這樣可以將各子系統和裝置進行分離，便於系統的分離除錯、維修、執行，使用。
03-魂之源
資料
系統要對外界做出反饋和動作，一定是有所依據的。人體通過對外界的視覺、聽覺、觸覺等等資訊的接納後，才針對性的做出反射動作。
對於智慧倉儲物流系統而言，物料該動不改動，裝置執行不執行，什麼時候執行，多塊的速度執行，裝置接收不接收新物料等等，所有的反應也都是有依據的，而依據就是當前的倉儲物流中從大到小、從巨集觀到微觀、從客觀到人為的各方面的資料輸入。
智慧倉儲物流系統中的資訊來源主要有
01 工藝生產資料：
-裝置狀態資料
裝置負載狀態、現場感測器資料、報警資料等等
-裝置執行資料
裝置搬運任務執行狀態、完成度、速度、時長、優先順序，上下游的介面等等
-物流儲存資料
從收貨、入庫、盤點、出庫、揀選、分揀、打包、發貨等全流程各個環節的業務資料，比如物流量、任務量、庫存量、吞吐量等等。
-操作流資料
主要包括各級操作人員資料、操作日誌資料等。
02 物料資料：
-物料的基本屬性資料：
l物料編號
l物料描述
l包裝碼
l裝箱組別
l標準毛重
l標準淨重
l標準體積
l其他屬性
-物料資訊的載體
為便於管理和資料傳遞，通常用給物料上貼附標籤來代表本物料的資訊。目前最常用的是條形碼、二維碼、RFID。
通過讀取標籤上的號碼後，再根據一定的規則，關聯到後臺資料庫，即可以知道該物料的全部資訊細節。
03：人為資料
以上提及的生產工藝資料和物料資訊都是物理客觀存在和按照一定的邏輯自動生成的資料，有些資料很重要但是無法依靠常規的邏輯生成，此時就需要有智慧的人來介入並輔助自動化系統一起完成更加的任務，比如綜合性的一些決策輸入就需要人工來輸入。
人工輸入給系統需要通過如下幾大類：
l按鈕類
l工控PC類
l工業觸控式螢幕
l手持終端
這樣，從系統的所有結構層面和所有各個業務環節的資料就都準備好了。
04-魂之經絡
工業網路
資料在各個節點、各個環節、各個裝置處產生後，需要彙總和傳遞才能被利用起來，因此首先要解決的是如何將這些資料節點連結起來。
這就需要工業網路將所有的節點串起來，通過各種通訊介質將這些裝置或者子系統從物理層面打通，為資料互動鋪平道路。
最常見的工業通訊鏈路方式為工業匯流排通訊和工業乙太網通訊。
工業匯流排通訊：資料通訊的內容往往不止幾個狀態位能解決，而往往一方面是更復雜的資料資訊，另一方面B可能與不止A一個終端通訊，這樣就需要能高效的資料通訊的方式。在工業中，各種基於標準協議的匯流排就派上了用場。多數的工業匯流排都由主站、從站組成，經過一定的系統配置後，各個站點之間可以互相傳遞資料。
在倉儲物流系統中，應用較廣泛的有Profibus、Modbus，Can，ASI，RS232/485匯流排。
工業乙太網：乙太網是辦公環境的主流標準，在上述的金字塔結構中，監控管理層往往都是建立在PC上的，因此監控管理層較適合乙太網的應用，為通訊便利，金字塔從底層到最高層，如果能用統一的通訊方式能有諸多的好處。
另外在倉儲物流自動化系統中，有一大類裝置是機動性較高的，比如AGV，搬運機器人等等，對於機動性較高的裝置能採用無線的通訊無疑是最佳的方案。
以上的場景無疑採用工業乙太網是不二的選擇。因此在倉儲物流自動化系統中，工業乙太網有非常大量的應用。工業乙太網除了有以上的特點外，還具有通訊速率高，系統擴充套件性強的優點。
工業乙太網有線的連結方式通常採用交換機、雙絞線、光纖，網絡卡組合達成通訊連結，無線的連結方式通常採用無線AP，無線網絡卡的方式達成通訊連結。
下圖為典型的一個智慧倉儲物流系統的通訊網路構架：
通過各種工業網路技術，將各種裝置的控制器、感測器、子系統、單機設計、PC、伺服器、手持終端、條屏、移動裝置，AGV，機器人等等直接或者間接（通過轉換）連結到總的工業乙太網絡中。
這樣，底層系統的所有單元發生的實時資料可以通過一定的鏈路上傳到控制層和WMS層，同時，上位WMS也可以將指令通過一定的鏈路下發到底層各個執行器或者控制器內。
05-魂之中樞
WMS
上文已經提及到，倉儲物流系統中的數字化資訊管理主要是集中在中間層WCS和上層WMS。
WCS的基本功能包括接受WMS的作業指令，經過整理、組合、拆分，形成各自動化系統的作業指令，分發給各自動化系統。同時，接收各自動化系統的現場狀態，反饋給WMS。
WCS更多的是與現場的裝置和物料發生關係，與業務層面的交集很少。有點類似於人體的周圍神經系統。
而我們搭建整個的智慧倉儲物流系統的最終目的是為了服務倉儲物流業務，因為作為與業務緊密相連的WMS的重要性不言而喻。
既然WMS是整個倉儲物流系統的大腦和中樞，那它的主要作用就是思考和運算。
對於軟體來講，思考和運算主要是通過演算法來實現的，WMS通過一定的資料演算法，將各類資料進行計算，得出各種輸出，主要為業務管理與報表資料呈現。
WMS的演算法主要分為兩大類。
一類是通用邏輯規則，比如物料存放不能超過庫容，先進入的物料先被系統先錄入，大件物料不能存放到miniload區域等等。
更加重要的是另外一種演算法：業務邏輯規則。
比如：
入庫規則
lABC 原則
l最短路徑原則
l產品屬性原則(重量、體積)
l產品相對集中原則
l包裝規則
l產品屬性規則
l訂單型別規則
l遞進式尋找庫位
l庫存合併規則
出庫規則
l先入先出
l先到期先出貨
l指定批次出貨
l包裝規則(整貨與零貨分開，非標準包裝規則)
l庫位利用率優先
l動態揀選
波次規則
l 定時規則：按照一個固定的時間週期將訂單進行合併
l 路線規則：按照收貨人所在的路線進行訂單合併
l 訂單數量規則：每個波次合併的訂單總量控制
l 訂單行數規則：每個波次合併的訂單行總量控制
l 產品數量規則：每個波次合併的產品總量控制
另外還有
質檢規則
週轉規則
盤庫規則
分配規則
補貨規則
序列號規則
配送規則
盤庫規則
等等。
資料經過邏輯和業務規則計算後，主要輸出為業務管理和資料呈現兩大方式。
業務管理包括：
基礎設定：
l客戶檔案
l物料檔案
l批次屬性
l迴圈屬性
入庫管理
l採購訂單
l收貨質檢
l收貨上架
庫存管理
l庫存事務
l庫存移動
l庫存調整
l庫存檔點
l庫存凍結
出庫管理
l出庫訂單
l貨位分配
l出庫複核
l出庫單據
l取貨出庫
揀選管理
l上架揀選
l裝箱補貨
l盤點質檢
資料呈現主要包括：
報表與查詢
l庫位利用率
l作業報表
l進出報表
l自定義報表
l電子看板
l預警管理
l列印管理
事實上，WMS本來是集中在倉庫的進出管理的，但隨著智慧倉儲系統在各個行業的實戰應用和商業環境的變化，當前的WMS也越來越複雜，同時也在逐步的往倉庫的上游和下游的管理去衍生。
比如生產企業的WMS，由於倉儲系統與生產工藝緊密關聯，因此WMS會衍生出與生產工藝有關聯的功能；
再比如大型的倉儲物流中心，由於收發貨頻繁，月臺的使用情況直接會影響倉內的各個環節的作業效率，因此某些WMS也會有對於月臺排程管理的功能模組。
06-魂之網
數字化網路
不論是一個倉儲物流中心還是在工廠中的倉儲物流環節，說到底是為上下游提供一種服務。如果將倉儲物流中心比作一個黑盒的話，這項服務就是為上下游環節實時的將正確的物料存進去和實時的取出來。
而要使這個黑盒能出色的完成服務，就需要對其進行精準的控制。精準的控制需要安插做夠多的“眼線”在各個位置，也需要安插足夠多的“警察”來監管黑盒子裡發生的一切的流程。
而上文講述的從結構、資料、網路、中樞都在服務於以上兩點，潛移默化的形成了一張數字化網路，掌控了整個倉儲物流各個節點和各個環節。
從節點來看，不論是底層裝置、物料狀態，人員操作，發生的每個時刻的資料都被捕捉到系統中，並被上傳到中樞管理系統；
從業務流程來看，從收貨、驗貨、入庫一直到出庫發貨，所有的環節都被拆分成一步步的邏輯關係巢狀。每個業務環節都必須經過前後業務邏輯驗證順序才能辦理完成，因此業務流程被全程管理和跟蹤。
倉儲物流本質是提供針對物料的一種服務，那追求服務質量自然是核心。“人機料法環”是影響質量的五個最重要的要素。
而這張數字化網對於“人機料法環”都進行了控制和跟蹤。
人
數字化資訊管理系統將倉儲物流系統中的業務操作形成標準化，一方面極大的降低了對人的操作難度要求，一方面通過數字化的形式直接輔助人員進行決策，同時也對人員自身的角色進行了定義和分配。
比如有了WMS系統，人員無需記錄庫內每個貨位分割槽，也無需自己去思考揀選時該先做哪一個訂單行，也無需考慮自己該不該做某些工作。
機
智慧倉儲物流中心裡的裝置主要是各種搬運、輸送裝置，自動化金字塔結構將底層裝置與上層WCS與WMS串在一起。現場都是裝置不僅實時被監控，同時也按照上位的指令進行動作執行。
同時裝置出現故障和異常後，可以在直接在以虛擬化的形式直接呈現給維護人員，便於裝置的及時恢復和維護。
料
物料通過條碼、二維碼、RFID等介質，通過各類感測器對物料進行掃描資訊採集後，被資訊管理系統全流程跟蹤。
法
智慧倉儲物流系統的資訊管理系統將從收貨、驗貨、入庫一直到出庫發貨，所有的環節都被拆分成一步步的邏輯關係巢狀。對於自動化裝置負責的物料處理，則一定按照嚴格的程式執行；對於需要人工處理的，資訊系統也會將其拆分成可執行的單個步驟供人員依據執行。
環
物料的存放位置、搬運過程都是在系統提前設定好的條件下存放的，比如不同工藝要求的物料被自動存放到正確的庫房位置處。
對於環境控制較為敏感的倉儲物流環節，通過一定的現場感測器也可以直接併入到現在的網路中，並將實時的環境感測資料上傳到上位資訊終端如WCS監控系統，以供人員對現場的環境有效的進行實時監控管理。
07-總結
近些年來，為了進一步提高產品的效能和質量，同時節約成本、提高運營效率，數字化建設成為了各類企業的核心需求。而WMS之類的倉儲物流資訊系統的應用，成為了倉儲物流環節數字化化建設的一個核心要素。
智慧倉儲物流系統的數字化資訊管理系統，通過數字化倉庫作業過程管控，藉助條碼化和智慧化技術手段，實現倉庫作業條碼化、作業過程透明化、庫存管理精準化、資料採集自動化和倉庫資訊整合化。
同時可以為企業提供資料管理、標籤管理、庫內管理、出入庫管理、批次管理、追溯管理、績效管理、報表管理等管理模組，為企業打造一個紮實、可靠、全面、可行的倉庫協同管理平臺。
智慧倉儲物流系統的數字化資訊系統，終極目標是實現智慧化的業務自動管理和操作。
這些根本上算是計算機、自動化等技術在這一業務方面的具體應用和功能實現。而在這一切功能的實現前提下，是無數的工程師在各種應用場景和流程下的不斷功能迭代，功能實現背後可能數十年的對於計算機應用軟體、程式碼編寫、語言開發、資料庫的設計和資料的演算法等等的長期研究。
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圍繞廠內物流Intralogisitics，分享倉儲物流自動化技術、裝置、系統等知識，暢談智慧倉儲物流的未來和去向。專欄包括智慧倉儲物流自動化規劃設計，自動化立體庫、智慧機器人，自動化揀選系統，倉儲管理軟體WMS，AGV應用等等一系列熱點內容。
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