房殿軍，王昕杰，張新艷

（1.同濟大學 中德學院，上海 201804；2.同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804）

1 引言

制造業(yè)的物流過程中，不可避免的需要使用到一次性紙質(zhì)包裝材料。2018年，用于紙箱的紙材成本增加了40%以上，這讓同時兼顧合理的包裝成本和必要的包裝質(zhì)量更具挑戰(zhàn)性。如今中國每日運輸?shù)募埾浒鼣?shù)量已達1.3億，為供應鏈與綠色生態(tài)帶來巨大挑戰(zhàn)，因此迫切需要一種面向未來綠色的紙箱再利用與周轉(zhuǎn)模式。制造業(yè)中也有周轉(zhuǎn)箱循環(huán)使用的例子，但由于所需硬件數(shù)目巨大，周轉(zhuǎn)規(guī)模范圍小，管理與流通效率低，始終沒能得到很好發(fā)展。因此本文基于博世制造業(yè)物流，即博世工廠，其多級子供應商與主機廠組成的供應鏈，提出部署于云端、周轉(zhuǎn)箱、托盤、貨車的層級級聯(lián)模式，實現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱低成本高效率的周轉(zhuǎn)再利用。

2 博世制造業(yè)物流周轉(zhuǎn)箱共享周轉(zhuǎn)模式

要發(fā)揮最大的協(xié)同效應，實現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱的良性周轉(zhuǎn)，效率最大化，需要推動博世整個供應鏈，即博世，其供應商合作伙伴與OEM或零售商組成的供應聯(lián)盟，一同共享、循環(huán)共用周轉(zhuǎn)箱與托盤。周轉(zhuǎn)箱與托盤共享體系由處于博世供應鏈上的眾多供應商、零售商、主機廠與博世共同出資籌建，共同使用。在實現(xiàn)資源分布化，社會化的同時，能夠加強供應鏈內(nèi)部的緊密協(xié)作。打破傳統(tǒng)式各自公司使用維護自家托盤、資源利用率低、包裝紙箱只能一次性使用、成本高且浪費的模式。營造一個更加高效、綠色的共享周轉(zhuǎn)供應聯(lián)盟[1]。

以博世為例，傳統(tǒng)制造業(yè)物流中，原材料從供應商的調(diào)度開始，通過倉庫后進入工廠，在工廠內(nèi)制造完成后，成品離開倉庫被運送到主機廠，如圖1所示。

圖1 制造業(yè)物流簡圖

以博世為例，基于周轉(zhuǎn)箱共享周轉(zhuǎn)模式，主要流程如圖2所示。博世的供應商將原材料裝于周轉(zhuǎn)箱，多個周轉(zhuǎn)箱放于托盤，裝車發(fā)貨至博世工廠（或通過倉庫后進入博世工廠）解綁周轉(zhuǎn)箱與托盤，部分周轉(zhuǎn)箱隨原材料進入工廠產(chǎn)線，部分進入倉庫理貨擺放。博世工廠保留所需周轉(zhuǎn)箱與托盤基本庫存，多出的作為資源平衡調(diào)度隨車運回周轉(zhuǎn)資源池（可減少工廠庫存，同時解決返航貨車空載率高問題）。博世工廠將生產(chǎn)好的產(chǎn)品裝箱 ，綁定托盤后（若周轉(zhuǎn)箱資源不足可從周轉(zhuǎn)資源池中調(diào)取補貨），運輸至主機廠。主機廠重新理貨，擺托盤后，部分托盤與周轉(zhuǎn)箱留在主機廠倉庫或被送至生產(chǎn)線線邊。返航貨車同樣起到資源平衡的作用，將多出的托盤與周轉(zhuǎn)箱運送回博世工廠或者周轉(zhuǎn)資源池（調(diào)度指令基于云端的托盤與周轉(zhuǎn)箱庫存與需求信息），以循環(huán)調(diào)用。

周轉(zhuǎn)資源池是托盤與周轉(zhuǎn)箱的中間倉庫，可實現(xiàn)托盤與周轉(zhuǎn)箱的資源調(diào)度，實現(xiàn)需求平衡。周轉(zhuǎn)資源池位置根據(jù)博世供應鏈上企業(yè)的分布選定，以提高客戶服務水平，對周轉(zhuǎn)箱資源不足的企業(yè)及時補貨，盈余的企業(yè)進行回收，其分布示意圖如圖3所示。

圖2 共享托盤與周轉(zhuǎn)箱周轉(zhuǎn)流程

圖3 周轉(zhuǎn)資源池分布

3 層級級聯(lián)

為了提高物流系統(tǒng)的作業(yè)效率，首先需要把貨物歸整成統(tǒng)一規(guī)格的作業(yè)單元，一種便于儲放、搬運和運輸?shù)呢浳飭卧?。在供應鏈的各個環(huán)節(jié)中，以單元為對象組織裝卸、搬運、儲存和運輸?shù)任锪骰顒右惑w化運作，也就是單元化物流。在制造業(yè)供應鏈物流中，不可或缺的使用到托盤作為單元化物流的一種形式，單元化物流占有的比例越高，供應鏈物流優(yōu)化的素質(zhì)則越好。各種提高物流系統(tǒng)效率和降低物流成本的措施就能夠收到預想的效果[2,3]。

為了循環(huán)使用周轉(zhuǎn)箱，核心是獲得其地理位置與狀態(tài)更新信息。如果在每一個周轉(zhuǎn)箱上加裝硬件模塊，硬件數(shù)目大，且難以對成千上萬的周轉(zhuǎn)箱逐一管理[4]。因此受到單元化物流的啟發(fā)，提出層級級聯(lián)模式。

3.1 周轉(zhuǎn)箱，托盤與貨車層級綁定模式

每個周轉(zhuǎn)箱配備一個二維碼，每個托盤裝配一個RFID標簽，作為唯一標識，裝貨時多個周轉(zhuǎn)箱綁定一個托盤形成一個子運輸單元，如圖4所示。

圖4 周轉(zhuǎn)箱與托盤層級綁定

每輛貨車配備一個RFID讀寫器與Arduino開發(fā)板，上集成溫濕度傳感器，gps定位模塊與wifi模塊，同車多個托盤綁定其運輸貨車形成追蹤運輸單元，如圖5所示。同車周轉(zhuǎn)箱與托盤共享相同的位置信息與環(huán)境信息，這樣便不必管理追蹤每一個周轉(zhuǎn)箱，而通過追蹤運輸單元，實現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱與托盤有效的管理追蹤。節(jié)省大量本需布置在周轉(zhuǎn)箱上的硬件定位模塊。

圖5 托盤與貨車層級綁定

為了實現(xiàn)層級級聯(lián)，需要解決如下關鍵點：

·周轉(zhuǎn)箱，托盤，貨車相關物流節(jié)點信息能分別有效上傳云端，能夠關聯(lián)存儲在數(shù)據(jù)庫不同表中，并能以級聯(lián)的形式被檢索與更新。

·周轉(zhuǎn)箱與托盤，托盤與貨車的綁定、解綁信息在云端實時有效更新。當周轉(zhuǎn)箱信息更新時，其綁定的托盤與貨車信息能同步更新。

·云端數(shù)據(jù)庫設計能適應層級級聯(lián)模式，貨車地理與環(huán)境信息能關聯(lián)到其裝載的每個周轉(zhuǎn)箱與托盤。

·物理節(jié)點的周轉(zhuǎn)信息匯總云端，進行基于云端配套的周轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)開發(fā)。

3.2 層級級聯(lián)流程

3.2.1 周轉(zhuǎn)箱綁定托盤（子運輸單元）。手持端調(diào)用攝像頭請求，依次掃描子運輸單元中托盤上周轉(zhuǎn)箱的二維碼，將周轉(zhuǎn)箱與托盤級聯(lián)綁定信息上傳存儲于微軟Azure云SQL數(shù)據(jù)庫周轉(zhuǎn)箱表中，信息流如圖6所示，節(jié)選關鍵數(shù)據(jù)字段見表1。

圖6 周轉(zhuǎn)箱綁定托盤信息流

表1 周轉(zhuǎn)箱表

3.2.2 托盤綁定貨車（追蹤運輸單元）。托盤被裝上貨車時，位于貨車車門處的RFID讀寫器自動與托盤上的RFID標簽通信。RFID讀寫器與Arduino開發(fā)板相連，通過其上Wifi通信模塊通過MQTT/HTTP協(xié)議將托盤與貨車的級聯(lián)信息上傳微軟Azure IoThub，再使用流處理將信息轉(zhuǎn)存到微軟Azure云SQL數(shù)據(jù)庫托盤表中，信息流如圖7所示，數(shù)據(jù)字段見表2。

表2 托盤表

圖7 托盤綁定貨車信息流

3.2.3 周轉(zhuǎn)箱與托盤追蹤方式。同一貨車上的周轉(zhuǎn)箱與托盤具有同一地理位置，環(huán)境與時間屬性。位于貨車上的Arduino開發(fā)板，定時發(fā)送貨車地理位置，傳感器采集到的信息到云端，存儲于貨車表中，信息流如圖8所示，數(shù)據(jù)字段見表3。

圖8 傳感定位信息流

表3 貨車表

微軟Azure云SQL數(shù)據(jù)庫中周轉(zhuǎn)箱表，托盤表與貨車表通過外鍵綁定，實現(xiàn)信息的級聯(lián)形成視圖見表4。通過級聯(lián)的部署與操作形式，避免在每一個周轉(zhuǎn)箱上安裝硬件模塊，實現(xiàn)用更少的硬件模塊實現(xiàn)成千上萬周轉(zhuǎn)箱的層級管理，實現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱狀態(tài)，地理位置，所屬貨車的實時監(jiān)控與追蹤。

表4 周轉(zhuǎn)箱托盤貨車信息級聯(lián)視圖

3.2.4 解除托盤-貨車綁定。接貨方從貨車卸載托盤時，托盤與位于貨車車門處的RFID讀寫器通信，取消托盤表中托盤與貨車的綁定記錄，記錄托盤卸載方與時間地點，并通過Arduino開發(fā)板上傳更新云端貨車表信息。

3.2.5 解除周轉(zhuǎn)箱-托盤綁定。從托盤卸載周轉(zhuǎn)箱時，用手持端掃描該托盤上周轉(zhuǎn)箱單元的二維碼，將云端數(shù)據(jù)庫對應周轉(zhuǎn)箱置于閑置并取消其與托盤的綁定，便于后續(xù)托盤與周轉(zhuǎn)箱的綜合調(diào)度與管理。若周轉(zhuǎn)箱隨物料被送至工廠，可與工廠物料管理系統(tǒng)API對接，實現(xiàn)對周轉(zhuǎn)箱全生命周期的流轉(zhuǎn)追蹤。若不與工廠物料管理系統(tǒng)對接，則記錄周轉(zhuǎn)箱流入工廠，其地點與時間，便于后續(xù)調(diào)度，循環(huán)利用與資源優(yōu)化。

層級級聯(lián)總體信息流如圖9所示，掃描周轉(zhuǎn)箱上二維碼將綁定，解綁與相關狀態(tài)狀態(tài)信息上傳微軟Azure SQL數(shù)據(jù)庫。托盤與貨車的級聯(lián)綁定通過RFID通信完成，并通過Arduino開發(fā)板將溫濕度，地理位置，時間等信息上傳至微軟Azure IoThub，再通過流處理轉(zhuǎn)存到Azure數(shù)據(jù)庫中，然后與周轉(zhuǎn)管理云系統(tǒng)交互。

圖9 層級級聯(lián)信息流

所搭建云端解決方案的IT架構(gòu)如圖10所示。

圖10 層級級聯(lián)IT架構(gòu)

3.2.6 周轉(zhuǎn)管理。從周轉(zhuǎn)箱表中實時獲取每個周轉(zhuǎn)箱狀態(tài)并用周轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)統(tǒng)計示意如圖11所示，對于超出循環(huán)壽命，損壞的周轉(zhuǎn)箱查看其位置進行回收修復，實現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱的再利用。

圖11 周轉(zhuǎn)箱狀態(tài)

結(jié)合周轉(zhuǎn)箱地理位置信息，可以實時得到使用中周轉(zhuǎn)箱城市分布數(shù)量統(tǒng)計，如圖12所示。基于每個公司周轉(zhuǎn)箱的使用記錄，可建立預測模型，預測公司未來一周內(nèi)的周轉(zhuǎn)箱需求量，結(jié)合其所屬的周轉(zhuǎn)資源池的庫存量，提前進行資源調(diào)度，優(yōu)化服務水平。

圖12 周轉(zhuǎn)箱地理位置分布

圖13 周轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)功能模塊

將物理節(jié)點的周轉(zhuǎn)信息匯總，進行基于云端的周轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)開發(fā)，功能模塊如圖13所示。主要分為周轉(zhuǎn)箱與托盤管理，周轉(zhuǎn)資源池管理與用戶信用管理模塊，再通過數(shù)據(jù)挖掘分析進行綜合展示并提供決策分析[5]。

4 可循環(huán)周轉(zhuǎn)箱三維模型

設計的周轉(zhuǎn)箱是模塊化的，積木似快速拼裝，節(jié)約人工包裝作業(yè)量，可直接插入封蓋，迅速完成密封，如圖14所示。中間隔板數(shù)目可調(diào)整，加大周轉(zhuǎn)箱空間使用率，靈活性高（每個隔板內(nèi)同品種，一個品種對應一個二維碼，一個周轉(zhuǎn)箱內(nèi)可多品種），可拆散平放，便于節(jié)約調(diào)度時空間占用。

圖14 模塊化周轉(zhuǎn)箱三維模型

5 結(jié)論

為了優(yōu)化協(xié)同效應與效率，實現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱的良性周轉(zhuǎn)，需要共享，循環(huán)共用周轉(zhuǎn)箱與托盤。打破企業(yè)自行使用維護，資源利用率低，包裝紙箱只能一次性使用，成本高且浪費的傳統(tǒng)模式。在實現(xiàn)資源分布化，社會化的同時，加強供應鏈間緊密協(xié)作。設計單元化層級級聯(lián)的模式實現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱，托盤，貨車信息層級綁定。用較少的硬件模塊，維護成本，實現(xiàn)成千上萬周轉(zhuǎn)箱高效率共享，追蹤管理與信息流通。設計新型模塊化積木式周轉(zhuǎn)箱原型，節(jié)省包裝材料，提高人工作業(yè)效率，單箱空間利用率并實現(xiàn)高靈活調(diào)度。基于單元化層級級聯(lián)的硬件模塊架構(gòu)設計，低成本，穩(wěn)定，工業(yè)可實施性強，結(jié)合Azure云平臺，數(shù)據(jù)庫架構(gòu)設計，周轉(zhuǎn)管理應用開發(fā)，實現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱低成本高效率的周轉(zhuǎn)再利用。