毛丹輝+單彬+王勇+王仁芳

摘 要：智慧物流和電子商務(wù)在飛速發(fā)展，物流業(yè)與我們的生活也日益緊密，物聯(lián)網(wǎng)在給我們提供諸多便捷的同時卻也向物流環(huán)節(jié)提出了許多新的挑戰(zhàn)。隨著大量高性能、低成本傳感器的應(yīng)用，智慧物流的技術(shù)瓶頸突破指日可待，而激光技術(shù)憑借其在測距、測速、定位、監(jiān)測等方面的優(yōu)勢在智慧物流領(lǐng)域已經(jīng)有了長足的發(fā)展和應(yīng)用。文章具體闡述了近些年激光測量與傳感技術(shù)在物流領(lǐng)域的應(yīng)用及未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：智慧物流；傳感器；激光技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)

Abstract： With the rapid development in intelligent logistics and E-commerce， logistics is increasingly related to our way of life. The internet of things（IoT）brings about not only lots of convenience but also some new challenges to people. As a great number of applications of high-performance and low-cost sensors are being applied， the break-through of the existing bottleneck of intelligent logistics is imminent， while a lot of progresses have been made in laser technologies， and wide applications in intelligent logistics have been implemented by taking advantages of measuring distance and velocity， positioning and other monitoring with lasers and sensors， etc. In this paper， the applications and future development trend of laser measurement and sensing technologies in the logistics field are comprehensively discussed.

Key words： intelligent logistics； sensor； laser technology； internet of things

引 言

智慧物流是利用集成智能化技術(shù)，使物流系統(tǒng)具有模仿人類的“思維”一樣，能感知、推理判斷并自行解決物流中某些問題的能力，它廣泛運(yùn)用無線射頻識別、傳感器、定位系統(tǒng)、移動通訊等先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)用于運(yùn)輸、倉儲、配送等基本環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)智慧物流的自動化運(yùn)作與智能化管理，其主要利用高新技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)管理手段，來達(dá)到物流配送體系高效率、低成本的運(yùn)作目的。并隨著大量高性能、低成本傳感器設(shè)備以及無線射頻技術(shù)（RFID）的普及，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為物流發(fā)展的瓶頸突破提供了契機(jī)，智能物聯(lián)網(wǎng)的提出和發(fā)展更是使得智慧物流的進(jìn)步有了更大的研究空間。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器的研究與應(yīng)用就具有重要的意義。

在智慧物流中，要做到物聯(lián)網(wǎng)的概念就必須實(shí)現(xiàn)對貨物感知、定位、識別、計量、分揀、監(jiān)控等。同樣，在自動化生產(chǎn)過程中，倉儲物流由各種設(shè)備互相配合共同完成，如：貨物存取系統(tǒng)、輸送線、自動導(dǎo)向車、叉車、起重及吊運(yùn)設(shè)備，需要與每一個工位保持有效的聯(lián)系以保證系統(tǒng)的正常工作：不能有碰撞、失控、生產(chǎn)過程中斷等情況發(fā)生。這就必須用到RFID、條碼以及各種傳感器，如：激光、紅外及視頻監(jiān)控等傳感技術(shù)，因?yàn)樗俏锫?lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，是人機(jī)互動的紐帶，其中激光檢測技術(shù)憑借其在測距、定位、測速、監(jiān)測等方面的優(yōu)勢，在智能化立體倉儲的空間利用、體積測算、港口散貨裝船機(jī)物位檢測、堆垛機(jī)和自動導(dǎo)向機(jī)等設(shè)備中起到了關(guān)鍵作用，并積極推動和提升了物流系統(tǒng)的整體性能[1]。

本文淺析了激光器測量和傳感技術(shù)在物流業(yè)現(xiàn)階段應(yīng)用狀況，著手應(yīng)用實(shí)例分析，重點(diǎn)闡述近些年激光測距、激光雷達(dá)技術(shù)在智慧物流領(lǐng)域的應(yīng)用案例與未來的發(fā)展趨勢。

1 我國智慧物流的發(fā)展以及激光器技術(shù)在物流業(yè)的應(yīng)用分析

2009年中國物流技術(shù)協(xié)會信息中心、華夏物聯(lián)網(wǎng)和《物流技術(shù)與應(yīng)用》編輯部聯(lián)合提出了智慧物流的概念，認(rèn)為智慧物流以物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對物流運(yùn)輸、倉儲、配送等環(huán)節(jié)的自動化、可視化與智能控制，是未來物流業(yè)的發(fā)展方向，也符合將來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢[2]。

激光原理早在1917年由著名物理學(xué)家愛因斯坦提出，但直到1960年才在迫切的生產(chǎn)實(shí)踐需求和完備的理論體系背景下得以實(shí)現(xiàn)。激光一經(jīng)問世，就獲得了超乎尋常的飛速發(fā)展，不僅使光學(xué)原理和技術(shù)應(yīng)用獲得了全新的認(rèn)知，而且直接導(dǎo)致了一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。激光的使用使人們獲得了前所未有的先進(jìn)方法和手段，以實(shí)現(xiàn)前人無法實(shí)現(xiàn)的想法和目標(biāo)，去獲得空前的成果和效益，從而使得生產(chǎn)力得到了前所未有的發(fā)展。雖然我國激光產(chǎn)業(yè)近些年取得了長足的進(jìn)步，但不得不承認(rèn)，目前我國激光產(chǎn)業(yè)（特別是在激光核心器件方面）和激光產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國家還是存在明顯的差距，主要體現(xiàn)在成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化程度較低、基礎(chǔ)研究力量薄弱、激光關(guān)鍵器件技術(shù)提升緩慢等方面。

近幾年，民用激光器因其具有低功率、高穩(wěn)定性和安全可靠性等多方面的優(yōu)點(diǎn)引起了研究人員和應(yīng)用企業(yè)日益濃厚的興趣，已經(jīng)在通信、物流、醫(yī)療等民用領(lǐng)域大展身手，并在多種應(yīng)用場合取代了目前常用的傳統(tǒng)設(shè)備。激光產(chǎn)品的出現(xiàn)以及其性能的不斷完善，必將加快激光技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用，從而提高生產(chǎn)工業(yè)自動化水平和人們的生活質(zhì)量，而激光產(chǎn)品應(yīng)用到物流行業(yè)也在人們的實(shí)驗(yàn)中一步一步的走來，逐步提高了物流運(yùn)輸自動化實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程。

（1）激光測距的應(yīng)用。激光測距的原理與無線電雷達(dá)相同，在工作時由激光測距儀向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計時器測定激光束從發(fā)射到接收的時間乘以光速計算出從觀測者到目標(biāo)的距離。由于激光測距儀具有探測距離遠(yuǎn)、測距精度高、抗干擾性強(qiáng)、保密性好、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)正日益受到重視，并隨著激光定位技術(shù)的發(fā)展和成本價格的急劇下降，越來越多的汽車行業(yè)、自動化行走及物流倉儲系統(tǒng)等紛紛開始采用激光測距定位系統(tǒng)，極大地推進(jìn)了大型物流倉儲系統(tǒng)精確定位自動化的進(jìn)程。現(xiàn)代工廠的大型物流輸送系統(tǒng)通常采用的是激光條碼定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝方便，設(shè)置容易，具有良好的抗震性和防晃性，條碼對灰塵和損傷不敏感，響應(yīng)時間小，精度高，并且集激光測距與旋轉(zhuǎn)編碼器的優(yōu)勢于一身，既可以用于直線運(yùn)動，也可以用于曲線定位，掀起了現(xiàn)代物流行業(yè)的自動化的新一輪技術(shù)革命的浪潮[3]。

（2）激光測體積在物料堆位自動測量系統(tǒng)中的應(yīng)用。文章《火電場煤場儲煤量激光檢測裝置》中提出了煤場物料堆位測量的方案，該方案是利用裝有CCD點(diǎn)陣式攝像機(jī)和激光器的小車在口式堆取料機(jī)上作二維掃描運(yùn)動，讓激光器發(fā)出激光照射在煤堆表面，根據(jù)出射光和CCD之間存在一定的夾角和不同的煤堆厚度，激光器的照射點(diǎn)在CCD照相機(jī)中所呈現(xiàn)的紅點(diǎn)的不同位置的比例關(guān)系，算出該點(diǎn)的厚度。同時，送樣小車會隨著運(yùn)動路程通過CCD將這些離散的厚度點(diǎn)記錄下來，并將這些離散的掃描一并傳入PC機(jī)，PC機(jī)再利用這些點(diǎn)的坐標(biāo)，用近似積分法，算出煤堆的體積[4-5]。同樣的，對于水泥廠的熟料庫或者糧倉等這類大型倉儲，都可以運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)測量倉庫內(nèi)的物料堆位信息以方便工作人員的查看和工程術(shù)人員的數(shù)據(jù)參考。

（3）激光傳感器的智能監(jiān)控系統(tǒng)。通過傳感器對特定環(huán)境中的CO等氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測并保持實(shí)時提醒在智能家居和智能倉儲中發(fā)揮著重要作用。該系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)和激光傳感器的智能監(jiān)控系統(tǒng)，利用紅外激光探測傳感器對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)氣體濃度進(jìn)行探測，通過比較分析探測信息與參照數(shù)據(jù)來得到區(qū)域內(nèi)氣體濃度情況，并依據(jù)對指標(biāo)值的處理結(jié)果來控制各類設(shè)備的工作，使監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的各種指標(biāo)達(dá)到預(yù)想狀態(tài)。系統(tǒng)還具有溫濕度數(shù)據(jù)采集設(shè)備控制等功能，能夠利用溫度和濕度采集設(shè)備實(shí)時采集區(qū)域中的溫度和濕度信息，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)控制空調(diào)、加濕器等設(shè)備的工作狀態(tài)，使監(jiān)控區(qū)域內(nèi)保持設(shè)定的溫濕度狀態(tài)[6-8]。

（4）分布式光纖傳感系統(tǒng)。原理為DTS系統(tǒng)使用一個特定頻率的光脈沖照射光纖內(nèi)的玻璃芯。當(dāng)光脈沖沿著光纖玻璃芯下移時，會產(chǎn)生多種類型的輻射散射。根據(jù)光在光纖中的傳輸速率和入射光與后向拉曼散射光之間的時間差，可以對不同的溫度點(diǎn)進(jìn)行定位，這樣就可以得到整根光纖沿線上的溫度并精確定位。該系統(tǒng)可應(yīng)用于?；穫}儲中，根據(jù)其分布式線型光纖感溫火災(zāi)報警系統(tǒng)的特性，系統(tǒng)監(jiān)測到的是光纜沿線的長期工作溫度情況。因此，在事故發(fā)生之前，系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了長期有效的溫度監(jiān)測，并可利用經(jīng)驗(yàn)值根據(jù)溫度情況做出合理判斷，在火災(zāi)發(fā)生之前對事故發(fā)展情況進(jìn)行掌控，真正做到防患于未然。它能迅速反映火情大小、火災(zāi)蔓延方向和火災(zāi)煙霧風(fēng)向，及時給指揮部門提供各類信息，及時給消防主機(jī)提供準(zhǔn)確的信號，將火災(zāi)倉儲的損失減小到最低程度[9]。

2 激光技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

隨著10年物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展熱潮和13年工業(yè)4.0的提出，在智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面，相關(guān)研究人員開始了全新的探索和實(shí)踐，下面簡單介紹近年幾個企業(yè)在智慧物流技術(shù)應(yīng)用的案例。

（1）浙江省煙草公司紹興市公司卷煙配送中心由于儲量巨大、貨物擺放密集且出貨頻繁，因此需要一套完備的倉儲自動化設(shè)備和有效的管理機(jī)制來完善倉儲服務(wù)以滿足其進(jìn)出貨安全、快捷、高效的目的。該配送中心選用的是高架貨庫系統(tǒng)中的堆垛機(jī)設(shè)備，其采用了激光測距定位條碼定位系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)編碼器作為定位的測距定位系統(tǒng)，通過對位置定位系統(tǒng)的詳細(xì)考察分析比較，完成全自動化、準(zhǔn)確無誤、定點(diǎn)存取貨物的流程，該系統(tǒng)還擁有故障率小、精度高等優(yōu)點(diǎn)并在實(shí)際使用中水平往復(fù)精度及垂直升降定位精度都達(dá)到了±3mm的水平。

此工程是爭創(chuàng)錢江杯的工程之一，采用的測距測速傳感器是激光測距器和條碼定位儀，結(jié)合變頻器、PLC技術(shù)和精確的絕對認(rèn)址及閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到機(jī)動性好、停準(zhǔn)精度高的特點(diǎn)，既滿足設(shè)備定位精度的要求，也實(shí)現(xiàn)了故障率低、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的特點(diǎn)；由于激光測距儀應(yīng)用上實(shí)際環(huán)境條件的限制，在垂直向很難滿足定位要求，于是在垂直向采用條碼定位儀，它的響應(yīng)時間為1ms，精度可達(dá)0.83mm，在保證設(shè)備正常運(yùn)行的同時也滿足其定位要求，也避免了后續(xù)維修上的困難及相互影響，目前該技術(shù)也廣泛應(yīng)用于食品、煙草、汽配、藥品等倉庫或者配送中心[10-11]。

（2）港口行業(yè)作為國家重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)的主要組成部分，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的基礎(chǔ)作用，有較高的社會效益。同時我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對港口行業(yè)形成巨大市場需求，在國家和地方性政府的大力支持下，港口散貨總體吞吐量在逐年的迅速增長，碼頭散貨裝卸面臨很大的壓力，實(shí)現(xiàn)智慧物流的模式和散貨的自動化裝卸勢在必行。天津港煤碼頭引進(jìn)的新型散貨自動裝船設(shè)備，可在無人操作的情況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化裝卸作業(yè)，在提高作業(yè)效率的同時實(shí)現(xiàn)了安全性、可靠性作業(yè)，也節(jié)約了人力成本，為其他港口提供了切實(shí)可行的實(shí)例依據(jù)，也勢必成為未來散貨裝卸自動化系統(tǒng)的新的發(fā)展形勢[12]。

天津港煤碼頭的多次裝船試驗(yàn)廣泛應(yīng)用沈陽自動化散貨裝船機(jī)物位檢測技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)散貨裝船機(jī)在安全作業(yè)的前提下自動快速高效地完成裝船作業(yè)，它利用安裝在散貨裝船機(jī)上的激光雷達(dá)，通過多軸伺服控制激光雷達(dá)完成對船艙的三維輪廓掃描，后臺運(yùn)用截面邊緣提取算法與圖形擬合算法相結(jié)合的圖像處理算法，自動實(shí)時獲取船艙尺寸以及艙內(nèi)物料的形狀，確定落料軌跡，來實(shí)現(xiàn)散貨裝船機(jī)的自動化作業(yè)。其檢測數(shù)據(jù)與實(shí)際的數(shù)據(jù)對比如表1所示[13]：

（3）在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和智慧物流中，倉儲業(yè)已經(jīng)成為企業(yè)物流的一個重要環(huán)節(jié)，它的成本控制、自動化的程度時時影響著企業(yè)的效益和服務(wù)水平。同樣水泥工業(yè)和大型糧倉也不例外，通常需要將飼料、顆粒狀物料、水泥等貨物放在高10～20米高圓筒型倉庫中，為了控制生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行與產(chǎn)品的儲存就必須對倉庫現(xiàn)存量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與控制，最有效的方法就是通過測量物料的高度來估算物料的存儲量。考慮到目前激光物位計的小型化、方向性好、非接觸式、連續(xù)、量程大等特點(diǎn)，同時操作簡單，能夠測量高粘度物質(zhì)或粉狀物質(zhì)，并且廣泛應(yīng)用在高溫高壓、真空和狹小彎曲環(huán)境中，分辨率達(dá)到1mm、精度<0.1%的要求，因此四川、云南、山東等多家水泥公司和糧倉都已安裝使用了此物位計[14]。

3 激光技術(shù)在物流業(yè)的未來發(fā)展方向

以萬能傳感器著稱的分布式傳感系統(tǒng)是根據(jù)沿線光波分布參量，同時獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時間和空間變化的被測量的分布信息，包括溫度、濕度、振動、氣體濃度等，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于管道、隧道、圍欄、電力系統(tǒng)檢測等方面，但是在倉儲上卻少有應(yīng)用，然而隨著生鮮果蔬、水產(chǎn)品、煙草、醫(yī)藥等物流業(yè)的發(fā)展，尤其是?；菲髽I(yè)對倉儲環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控提出了更高的要求，特別是溫度、濕度等倉儲環(huán)境參數(shù)對存儲物品的壽命和腐損率有著重要的影響，并且要求實(shí)時監(jiān)控、圖形化顯示的同時，最好能對所屬貨架、藏品柜等甚至是單箱貨物的溫度、振動情況進(jìn)行監(jiān)控，而不是一個籠統(tǒng)的空間溫度值。因而將新的科學(xué)技術(shù)引入倉儲系統(tǒng)中構(gòu)建信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的倉儲環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是重大事故的有效預(yù)警措施，具有重大的應(yīng)用背景及意義。

在現(xiàn)階段的國內(nèi)絕大多數(shù)倉儲企業(yè)仍采取人工作業(yè)方式，但隨著電子商務(wù)的不斷發(fā)展與壯大，僅僅叉車的使用根本無法滿足企業(yè)對于快速增長的貨物處理需求，更無法滿足顧客對于購買商品便捷、高效的購物體驗(yàn)。而目前發(fā)達(dá)國家倉儲運(yùn)作模式均采用了現(xiàn)代化的物流系統(tǒng)，需要達(dá)到這樣的模式單一物流公司或者軟件公司很難實(shí)現(xiàn)，擁有跨領(lǐng)域的合作才能實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域技術(shù)雙贏的突破。例如做為中國激光業(yè)界的后起之秀——海目星激光，就與聚龍股份合作，共同投資組建遼寧聚龍智能物流科技有限公司。他們致力于物流、倉儲自動化設(shè)備及系統(tǒng)的研發(fā)和業(yè)務(wù)的開拓，主要方向是金庫物流管理系統(tǒng)。這種技術(shù)型公司利用在軟件和自動化設(shè)備方技術(shù)方面的優(yōu)勢與投資公司在客戶資源方面的優(yōu)勢結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)在智慧物流領(lǐng)域業(yè)務(wù)的快速增長與突破。

匯能光電有限責(zé)任公司創(chuàng)始人徐仕安認(rèn)為，“中國激光設(shè)備走的是模仿、吸收和創(chuàng)新的道路，因?yàn)樵诩す饧夹g(shù)和自動化緊密結(jié)合的今天，工業(yè)制造領(lǐng)域的自動上下料、倉儲、物流、無人車間等都涉及到自動化，而這些領(lǐng)域的生產(chǎn)，已離不開激光技術(shù)?！毕胂笠幌拢谖覀兾磥淼闹悄軅}儲中，裝備了以激光制導(dǎo)技術(shù)為核心的AGV搬運(yùn)小車，具有無線的通訊和信息處理的能力，能根據(jù)操作人員先前下達(dá)的指令協(xié)同作業(yè)，甚至發(fā)展到后期有了場景的自適應(yīng)能力，能應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境的突發(fā)狀況，來達(dá)到高效完成裝卸與搬運(yùn)的目的。這將是飛躍性的歷史革新，就如同傳統(tǒng)手機(jī)迅速被智能手機(jī)取代一樣，留給傳統(tǒng)裝卸、搬運(yùn)裝備的轉(zhuǎn)型升級時間不會很長，所以，傳統(tǒng)物流企業(yè)現(xiàn)在要做的就是與相關(guān)裝備廠商合作，朝著提升企業(yè)智能化水平方向不斷革新，提高智能裝備的技術(shù)水平。由此可見，激光測量與傳感技術(shù)的高速發(fā)展和日益普及勢必將引起智慧倉儲的大革新，甚至是整個物流行業(yè)、整個制造業(yè)，生產(chǎn)、配送乃至于我們生活方方面面都會得到全新的服務(wù)水平[15]。

4 總 結(jié)

隨著中國智能制造的不斷推進(jìn)，激光技術(shù)憑借其在測距、定位、測速、監(jiān)測等方面的優(yōu)勢在智能化立體倉儲的空間利用、堆貨體積測算、港口散貨裝船機(jī)物位檢測等方面已經(jīng)擁有了無可替代的應(yīng)用前景，對于物流業(yè)、工業(yè)激光的需求也將越來越大，相信在“互聯(lián)網(wǎng)+”和“工業(yè)4.0”等背景下一些新思路和觀點(diǎn)的提出，會使得智慧物流下的激光技術(shù)應(yīng)用演繹出更絢麗的光彩。

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