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現代物流系統技術的研究現狀及發展趨勢
0 前言
物流系統技術是先進制造技術中的重要組成部分，從其廣義內涵分析可以看出它已從以前簡單的物料搬運發展到今天的集機械設計、計算機科學、管理學和自動化控制技術等于一身的綜合技術。
進入90年代末，全世界的制造者和分銷商繼續承受著各種壓力，其中包括：產品定單更小、更頻繁，產品需求不斷變化且更加用戶化和服務價值升高等。經營者們必須使工廠的運行適應定單的混合、更短的定單周轉時間和更高的生產能力。必須采取一定的策略來適應不斷提高要求的庫存管理、運行的柔性以及各種過程集成的程度。在供應鏈中集中對一些過程進行轉移、結合或消除，使得工廠以及倉庫的物流和信息流更加有效。在這些變化的要求下現代物流技術從各個方面顯示出一些新的發展趨勢。
1 現代物流系統的廣義內涵
從廣義上講，物流泛指物質實體及其載體的場所(或位置)的轉移和時間占用，即指物質實體的物理流動過程。它是在生產和消費從時間和空間上被分離并日益擴大的形勢下為有機地銜接“供”和“需”，保證社會生產順利地進行，并取得良好的經濟效益而發展起來的一門科學。物流所要解決的問題是物流活動的機械化、自動化和合理化，以實現物流系統的時間和空間效益。
物流系統是指在一定的時間和空間里，由所需輸送的物料和包括有關設備、輸送工具、倉儲設備、人員以及通信聯系等若干相互制約的動態要素構成的具有特定功能的有機整體。隨
著計算機科學和自動化技術的發展，物流管理系統也從簡單的方式迅速向自動化管理演變，其主要標志是自動物流設備，如自動導引車(AGV-Automated guided vehicle)、自動存儲、提取系統(AS/RS-Automated storage/retrieve system)、空中單軌自動車(SKY-RAV-Rail automated vehicle)、堆垛機(Stacker crane)等，及物流計算機管理與控制系統的出現。
發展至今，物流系統是典型的現代機械電子相結合的系統�，F代物流系統由半自動化、自動化以至具有一定智能的物流設備和計算機物流管理和控制系統組成。任何一種物流設備都必須接受物流系統計算機的管理控制，接受計算機發出的指令，完成其規定的動作，反饋動作執行的情況或當前所處的狀況。智能程度較高的物流設備具有一定的自主性，能更好地識別路徑和環境，本身帶有一定的數據處理功能。
現代物流設備是在計算機科學和電子技術的基礎上，結合傳統的機械學科發展來的機電一體化的設備。從物流系統的管理和控制來看，計算機網絡和數據庫技術的采用是整個系統得以正常運行的前提。仿真技術的應用使物流系統設計處于更高的水平。物流已經成為并行工程的基礎和CIMS的組成部分。
2 現代物流系統技術研究現狀
我國于80年代末90年代初開始重視、引進和消化吸收國外的先進物流系統技術與設備，并在1994年和1997年先后召開了兩屆物流技術與裝備國際會議，1999年10月將再次召開物流技術與裝備國際會議。
下面就分別從物流設備的規劃布局、設計、仿真以及物料從到貨、倉儲、在線加工以及發運等過程闡述目前國際物流系統技術的現狀及新的發展趨勢。
2.1 多維仿真進入物流系統的設計與布局規劃
要實現對設備和物流工藝更加有效的布局規劃，目前一個重要的工具是仿真。仿真軟件將憑經驗的猜測從物流系統設計中去除，對設計一個復雜的工藝流程特
別有效。在屏幕上，操作者可以觀察不同的場景，通過不同的生產能力對各種物流方案進行評價，并可以假設一些條件，比如一個子系統暫時停止工作后，觀察可能發生的情況。
仿真軟件的開發者們也繼續在提高軟件的水平，最新的軟件通過四維(x、y、z、時間)設計，使得系統更加接近現實世界。更加復雜的軟件傾向于軟件不但在設計時是一個很好的幫助，也成為一個操作控制工具。
惠普公司在俄勒岡的噴墨打印機工廠在進行自動化物流改造時也選擇了AutoMod仿真軟件包。他們力求實現從裝配線接到一個電子定單開始，最多30 min內所有的裝配組件都能送達裝配工作站的JIT目標。為了解決組件輸送的這個瓶頸，他們最后選擇了兩個AS/RS、零件箱傳送線、AGV等自動化物流設備。他們將實際的定單數據用于仿真模型，逐步細化物流方案。他們將今天運行的流暢的物流很大程度歸功于設計時的仿真。
2.2 接貨
接貨要達到的目標是使接收物料更快、更安全、高效和準確。碼頭充當接貨和發貨雙重任務，所以碼頭的物流布局又分為結合型、分離型和直接轉發型。和供應商和客戶的及時的信息交流是流暢碼頭物流的關鍵。Crossdocking是個越加被廣泛應用的操作，它就是將接貨的物料直接發運，省去了倉儲等其他內部操作。實現Crossdocking的條件有：
(1) 到貨時這些貨物的發貨目的地就已經知道。
(2) 需要這些到貨的客戶已經做好了接受準備。
(3) 到貨物品是被預先貼好標簽或打好條碼的。
(4) 你的倉庫或配送中心的容量已接近飽和。
(5) 到貨物料的價格是預先定好的。
應用自動數據收集(ADC)可以提高接貨的效率和準確性。
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2.3 存儲
從接貨碼頭下一步就到了存儲區�，F代制造業的一些新的概念，象JIT、連續物流和跨碼頭直接發運(Crossdocking)使得庫存量和庫存時間都大大減少。存儲越來越被認為是一個物流的過程而不只是一種靜態的存儲技術。通過應用緩沖站、積累區以及一些相關操作，倉儲已不只是一個短暫的物料停留過程。
最近的趨勢包括動態存儲系統的發展。例如VLM(Vertical lift modules)的應用，Sikorsky’s Stratford Conn飛機制造廠采用5個VLM存儲30 000可重用的模具和32 000一次性的工具。將原來的存儲區域減少至原來的1/10，工具的提取時間由原來的3～5min減少至45s庫存控制軟件現在也能跟蹤工具在何時、何地被何人領取，也因此可以將庫存降低到原來的一半。并且操作由原來的人上下移動來取工具，變為工具上下移動到人適合提取的位置。再比如通過一個振動的氣缸將負載從流動的巷道中移下，由于不是通過重力，所以不需要有斜坡，負載是在一個水平面上移動，大大節省了空間。
全面的庫存控制是高效的倉庫管理的關鍵，新的WMS(Warehouse management software)倉庫管理軟件，提供了一個基于小型機、PC機、服務器的，對倉儲、分配和制造等操作提供實時的庫存管理，并將它們集成在一個軟件包內。美國的集成化物流系統IMHS軟件是當前物流行業中最完整的一體化解決方案，目前國內大長江摩托車集團和玉溪(紅塔)煙草集團已經引進了該系統。它的主要特征為：
(1) 開放的、客戶機/服務器結構。
(2) Oracle、SQL等大型數據庫。
(3) 面向對象的設計。
(4) 擴展的倉庫管理功能(包括供應商管理、拼盤管理、零部件檢驗與質量跟蹤、存儲、生產計劃管理、BOM管理和銷售管理等)。
(5) 具有在線監控仿真和離線設計仿真，與物流管理系統集成并能夠自動轉換。
(6) 投資成本估算。
(7) 大量采用新技術(支持WEB數據庫、并行數據處理與仿真和虛擬現實技術)。
賣主管理庫存(VMI，Vendor managed inven- tory)是制造者和客戶之間一種新型的合作關系。它允許制造者依據產品的用途以及用戶所提供的庫存水平信息來對客戶的庫存進行補充。電子數據交換(EDI，Electronic data interchange)使這項操作成為可能。
2.4 處理和揀選
下一步是在工廠中的制造或裝配，或者直接從成品倉庫中按定單揀選。兩者共同的趨勢包括：
在工廠的車間中輕載的、獨立的‘工作站’式的起重機的應用有所增加。傳統的在高架上行走的橋式起重機能覆蓋整個車間的長度，而這種只能服務于一個特定的工作范圍。它具有重量輕、操作簡單，并更加符合人機工程的設計。比如，在最近應用該單元的Becton Dickinson公司，在5條包裝線上去除了背后傷人事件，并提高了生產效率。
在處理和揀選這一領域，很多運輸設備包括叉車、自動導引車(AGV)、以及傳送帶都起到重要作用。聯邦將頒布新的叉車操作員的訓練標準。在叉車的設計方面，人機工程學仍然是重點。人機工程學設計的好處包括：減少對操作員健康和身體的損壞、降低工人的人身傷害索賠費用、提高生產率以及減低崗位缺班和換班的頻率。使操作員更舒服包括：控制界面友好、前視和后視范圍大，腿、腳的空間大等等。有很多對叉車控制部分和座位改造的例子：比如使控制器的輪廓更符合人手的輪廓、增加多功能裝置以及采用高度可調節的面板、座椅上的減振裝置等。
在過去的幾年，在美國安裝的AGV系統的車輛數有所減少。和前幾年復雜的系統相比，現在的系統趨向車輛數少，應用更集中，平均為6個以下。
2.5 加工處理
越來越多的制造企業認為全盤計劃、改進物料搬運和信息處理系統是提高生產率的關鍵。例如內華達州的游戲機制造廠，決定將17個分散的制造基地組成一個制造廠，他們對生產
過程進行重新考慮，目標定在縮短制造周期和減少庫存成本。通過采用一系列先進的裝配輸送裝置，不但增加了生產的柔性，還將制造周期減少至原來的1/3。Miller SQA辦公家具公司采取快速反應制造策略：他們的工廠是一個閉環的、高容量的、以定單為中心的制造環境。他們的兩個改進策略一是將車間規劃為19個制造單元，每一單元能從頭到尾生產一種辦公設備，而不象以前大部分時間浪費在將家具在多個工作站之間的移動上。
另一顯著趨勢是MES(manufacturing execu- tion system)制造執行系統的應用，它可以作為生產計劃、調度和車間物流之間的橋梁。雖然生產計劃和調度仍然是物料需求計劃(MRP)和制造資源計劃(MRPII)管理的范疇。但現在的MES將計劃和調度信息作為實時管理車間物流與工藝，并進行補償的基礎信息。簡單地說，MES就是來管理包括物料、工作站和物料搬運裝置以及人力等車間資源的有效利用。IMHS軟件的成功也許就是它大部分地包含了MES的功能。
MES的功能有：
(1) 對包括物料、生產機器、人力等資源的管理。
(2) 對由MRP或MRPII制定的調度計劃進行優先級整理。
(3) 控制機器間的生產單元的流動。
(4) 自動記錄控制文檔。
(5) 提供質量、工藝和維護管理。
(6) 管理人力資源分配。
2.6 定單揀選
在所有的倉庫操作中定單揀選是一項勞動密集型過程。既提高揀選的效率又不犧牲準確度的策略包括：
庫存分析：對庫存物品進行分析是正確選擇存儲設備和存儲區域的關鍵。例如，物品的體積、揀選的數量(分離容器數量、整容器和單元托盤等)都縮小存儲設備的選擇范圍。通過分析產品的重量、物品種類的多少、每一定單平均涉及的種類數、產品的易碎程度等，可以幫助選擇更合適的倉儲設備。通過庫存分析可以對物品進行分區存放，能提高揀選的效率。例如，將最常用的物品放在最容易取到的位置，把經常要求配套的產品，放在相鄰的區域存放等。
揀選策略：三種流行的揀選策略為：嚴格揀選、批量揀選和區域揀選。通過對定單的分析來選擇合適的揀選策略。嚴格揀選是一次完成一個定單的揀選，當每一定單涉及的產品項目不多時，這種策略是理想的。好處是它保持了定單的完整性，并不需要再有其他分類工作。批量揀選是指操作者同時揀選多個定單，主要好處是操作者在倉庫中走一趟就可完成多個定單的揀選。如果定單物品小，操作者可以將不同的定單放在不同的箱中，或者增加后續分離定單的操作。區域揀選類似批量揀選，只是每個操作者固定負責一定區域，好處是大大減少了行走距離。除此之外，揀選次序也會影響揀選的效率。
倉庫管理系統(WMS)：大多數公司都安裝了倉庫管理系統來幫助實時地管理倉庫。WMS跟蹤和控制庫存的變化和定單的流動，自動將定單組合或分離、優先處理緊急的定單、提醒及時的庫存補充、并發出提前發運通知(ASN)等。
2.7 信息的作用
從到貨到發運整個過程中起粘合作用的是高效的信息流。自動數據收集(ADC)是一項在需要時自動采集信息的作用。在這一領域有一明顯的傾向：那就是將盡可能多的數據源相互連接，然后使信息的發送和傳輸標準化，以便提供給盡可能多的需要該信息的人。一般是將自動數據收集連接到既服務于客戶又服務于供應商的中央數據庫。
典型的途徑是通過條碼掃描或射頻標簽識別，并將得到的信息輸入倉庫管理系統(WMS)或制造執行系統(MES)。當定單完成后，定單的狀態被送到信息系統的最高層-企業資源計劃(ERP)。ERP又將這一信息發布給供應鏈軟件和電子數據交換(EDI)，以便向客戶發貨。目前通過因特網進行EDI已成為現實，一些人預測用因特網完全代替傳統的EDI電話連接只是時間問題。
2.8 包裝和發運
很多公司意識到包裝是制造過程的一個延伸，所以關鍵是將包裝設備集成于制造和定單完成過程，使得從定單到貨物發運碼頭形成自然的流動。簡短地說，就是要將正確的產品在正確的時間發送給正確的客戶。包括包裝完好、產品識別清晰、避免瓶頸、縮短送貨周期、避免發運錯誤等。紙箱樹立機、標簽打印機、電子稱、自動分配機和碼垛機等一些包裝設備的集成應用，使包裝物流更加流暢。工業包裝的發展著重于兩個區域：集裝箱和貨盤。
既能用于發運又能用于生產線的可回收集裝箱，不但提高了生產和發運鏈的結合，也降低了包裝成本。如FORD的加拿大發動機廠從應用可回收集裝箱以來，每天減少3萬只一次性包裝，并降低了產品的損壞率，提高了零件輸送密度和零件的識別度。使用可回收集裝箱的條件：
(1) 庫存周轉快。
(2) 貿易伙伴數量少。
(3) 集裝箱可以被標準化。
(4) 集裝箱的尺寸種類較少。
(5) 產品破損成本較高。
(6) 有存放空箱的位置。
維吉尼亞理工大學的懷特博士通過數月的工廠調查和實驗室研究，對貨盤的性能提出了一個新的應用在自動搬運系統中的性能規格。塑料、木頭、紙和金屬的貨盤都可以依據這一規格來設計。
EDI在發運環節也得到了廣泛的應用，制造者可以通過應用EDI，即通過計算機網絡來完成標準的商務交易，使得在同一天能夠向其所有零售地發送貨物。產品經過生產后自動被碼垛、解包并暫放在輸送機巷道上，其中的信息完全由EDI提供并控制。
3 現代物流系統技術的發展趨勢
近年來，隨著市場競爭的加劇，國際分工協作進一步完善，以及計算機網絡技術的不斷發展，使現代物流系統技術的研究和開發出現了以下幾個新趨勢。
3.1 集成化物流系統技術的開發與應用加速
在國內，隨著立體倉庫數量的增加，立體倉庫技術的普及，很多企業已經開始考慮如何使自動存儲系統與整個企業的生產系統集成在一起，形成企業完整的合理化物流體系。國外這種集成的趨勢表現在將企業內部的物流系統向前與供應商的物流系統連接，向后與銷售體系的物流集成在一起，使社會物流(宏觀物流)與生產物流(微觀物流)融合在一起。
3.2 物流系統更加柔性化
隨著市場變化的加快，產品壽命周期正在逐步縮短，小批量多品種的生產已經成為企業生存的關鍵。目前，國外許多適用于大批量制造的剛性生產線正在逐步改造為小批量多品種的柔性生產線。
(1) 工裝夾具設計的柔性化。
(2) 托盤與包裝箱設計的統一和標準化。
(3) 生產線節拍的無級變化，輸送系統調度的靈活性。
(4) 柔性拼盤管理。
3.3 物流系統軟件的開發與研究成為新的熱點
從前面的對制造執行系統的分析可以看出，企業對儲運系統與生產系統的集成的要求越來越高，由于兩個系統的集成主要取決于軟件系統的完善與發展，因此目前物流系統的軟件開發與研究有以下幾個趨勢。
(1) 集成化物流系統軟件向深度和廣度發展。
(2) 物流仿真系統軟件已經成為虛擬制造系統的重要組成部分。
(3) 制造執行系統軟件與物流系統軟件合二為一，并與ERP系統集成。
3.4 虛擬物流系統走向應用
隨著全球衛星定位系統(GPS)的應用，社會大物流系統的動態調度、動態儲存和動態運輸將逐漸代替企業的靜態固定倉庫。由于物流系統的優化目的是減少庫存直到零庫存，這種動態倉儲運輸體系借助于全球衛星定位系統，充分體現了未來宏觀物流系統的發展趨勢；隨著虛擬企業、虛擬制造技術不斷深入，虛擬物流系統已經成為企業內部虛擬制造系統一個重要的組成部分。英國一家公司采用三維仿真系統對擬建的一條汽車裝配線及其相關的倉儲輸送系統進行了虛擬仿真，經過不斷完善和修改，最終的系統降低了成本，提高了效率。
3.5 綠色物流
隨著環境資源惡化程度的加深，人類生存和發展的威脅越大，因此人們對資源的利用和環境的保護越來越重視，對于物流系統中的托盤、包裝箱、貨架等資源消耗大的環節出現了以下幾個方面的趨勢。
(1) 包裝箱材料采用可降解材料。
(2) 托盤的標準化使得可重用性提高。
(3) 供應鏈管理的不斷完善大大地降低了托盤和包裝箱的使用。
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