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    基于智能微型仓库的铁路检修现场智能仓储管理系统设计与实现

      信息来源:   发布时间:2021-06-18  点击数:

    中国铁路的迅速发展对铁路检修作业的效率要求不断提高, 但目前铁路各检修部门对于检修现场的材料需求均不能做到良好的实时响应与及时配送, 待料时间占据检修时间比重过大;此外, 检修人员到物流仓库办理材料申请手续的时间长、流程多, 检修人员对于申请材料的数量不能精准把控, 为减少领料次数而超额领料的情况时有发生, 对库存统计造成了一定的困难[1]

    智能微型仓库, 也称为智能材料柜、智能储物柜或智能快递柜, 是一种可以全天24 h提供收料和领料服务的自助设备, 由多个小型封闭货位和控制柜、操作终端组成, 最早应用于德国邮政集团DHL在2001年开发的Packstation自助取货柜系统[2], 经过十几年的发展, 已经在物流快递、电商零售等行业得到广泛推广, 应用在校园、医院、社区、超市等场景。文献[3]提出, 在“互联网+”的背景下, 依托物联网、大数据、云计算等技术, 可以对智能快递柜的功能做出更多优化;文献[4]对智能储物柜在应用范围方面提出了有关工业生产的展望;文献[5]指出, 智能储物柜的应用有效地提升了物流末端的配送效率, 实现了无人化自助领取的仓储管理模式。从智能微库的发展来看, 目前还尚未有适用于铁路检修现场环境的应用性研究。

    本文旨在检修现场设立供检修人员自助领料的智能微型仓库 (简称:智能微库) , 建立铁路检修材料智能仓储管理系统, 通过调拨、盘点、高低储及保质期预警实现对检修材料库存的精准统计与调配, 结合电脑终端、手持终端及智能微库工位终端, 优化仓储管理流程, 对确保检修材料的及时供应具有良好的提升作用。

    1 系统设计

    智能微库主要由主机柜和材料柜组成, 主机柜包括服务主机、触摸显示屏、人脸/指纹识别、读卡器、管理软件等, 材料柜包括电磁锁、独立货柜。主机与材料柜之间采用PCP、COM口网络结构通信, 通信距离可无限扩展, 单台工控主机可以接任意数量的智能材料柜。既可单机运行, 也可依托其他仓储管理信息系统运行。智能微库示意图如图1所示。

    图1 智能微库示意图

    图1 智能微库示意图  


    1.1 硬件设计原则

    (1) 稳定性:保证智能微库可以长时间稳定运行, 断电后具备应急操作的空间。

    (2) 安全性:所有设备及配件在性能安全可靠运转的同时, 还应符合一定的防水防尘标准, 可在室外环境下有效工作。具备实时监控和联动报警功能, 在无人值守的条件下保证重点材料的领取安全。

    (3) 扩容方便:可与多组材料柜组合使用, 主机与单体材料柜通过PCP/IP/COM等通信, 仅需配置相应的控制系统即可, 保证扩容方便, 尽量满足铁路检修现场对材料数量及规格的不同需求。

    1.2 集成设备接口

    (1) 材料柜门控制接口:工位终端 (即除材料柜外, 工控主机、显示屏、身份识别等设备的合称) 管理软件通过接口调用控制程序发出开启指令, 控制材料柜货位电磁锁开启;当材料柜货位柜门关闭后, 控制程序采集到相关信号, 并通过接口将关闭柜门的具体位置发送至管理软件。

    (2) IC卡读卡器接口:提供IC卡读取接口, 能够读取用户一卡通中的身份信息。

    (3) 二维码扫描器接口:提供QR码制二维码及Codes128标准条形码读取接口, 能正确读取二维码或条形码中的英文及特殊字符, 并将转码信息传递给管理软件。

    (4) 人脸识别设备接口:采集人脸图像经过处理后形成特征码, 经过人脸识别比对算法与事先采集的人脸图像比较, 能够将识别结果通过接口发送至管理软件。

    (5) 指纹识别设备接口:采集指纹图像, 经过图像处理获得特征值后与事先录入的指纹图像特征值进行对比, 能够将识别结果通过接口发送至管理软件。

    1.3 软件功能分析

    智能微库在铁路检修现场的使用需满足检修车间和材料部门不同用户对物资管理、仓库管理、库存管理、出入库管理及综合统计等需求。智能微库管理软件的用户角色使用功能分析如表1所示。

    表1 用户使用功能    

    表1 用户使用功能

    1.4 部署使用环境

    考虑智能微库的使用场景可能接近铁路供电系统, 对电磁环境要求:在10 KHz~10 GHz范围内, 环境电磁场强度不超过130 dBuV/m。在没有条件判别是否环境满足以上条件时, 可参考以下要求:安装位置远离大型电机、UPS电源、逆变器10 m以上;远离变电站20 m以上。为保证触摸显示屏及生物识别设备的灵敏度, 智能微库使用环境静电强度应小于2 000 V。

    2 关键技术及实现

    铁路检修材料智能仓储管理系统的设计目标是为了配合智能微库在铁路检修现场的使用, 方便对检修用料进行自助领取、定期补库, 可依托动车组管理信息系统物流管理子系统运行, 也可独立部署于计算机终端、手持机终端和工位机终端, 各设备通过车间级本地局域网接入铁路计算机网。

    2.1 逻辑架构

    铁路检修材料智能仓储管理系统采用分层架构设计[6], 既增强了系统开发部署的灵活性, 同时也加强了系统的安全性, 系统逻辑架构如图2所示。

    图2 系统逻辑架构示意图

    图2 系统逻辑架构示意图   


    数据整合层用于统一规范铁路检修现场智能仓储管理系统中部门、人员、物资、仓库、二维码、车组号等关键数据的编码、字典等信息, 便于与动车组管理信息系统、铁路物资管理信息系统等既有信息系统进行数据互通。

    基础平台层提供铁路检修现场智能仓储管理系统所有业务的后台服务, 包括对部门人员可操作权限的识别、材料库存增减的处理、仓储存放位置的更改、领料配送业务流程的转化, 以及提供对外数据传输服务、接收外部系统数据服务等。

    应用功能层涵盖计算机终端、手持终端、工位终端的应用, 主要包括材料库存查询、领料作业、出入库作业、消息通知、基础配置等功能。

    2.2 网络结构

    铁路检修材料智能仓储管理系统依托铁路计算机网。客户端与数据库服务器和应用服务器的数据通信使用车间级本地局域网, 通过专线通道接入铁路计算机网, 与动车组管理信息系统、铁路物资管理信息系统相联接[7]。网络结构如图3所示。

    图3 系统网络结构示意图

    图3 系统网络结构示意图   


    2.3 数据交互

    铁路检修材料智能仓储管理系统的业务数据采用Windows通信开发平台 (WCF) , 通过铁路计算机网在车间级数据库服务器中进行数据交互。与动车组管理信息系统的采用动态链接库 (DLL) 方式在车间级数据库服务器进行数据交互。与铁路物资管理信息系统的数据共享通过本地局域网采用WebService技术进行数据交互[8]

    3 系统功能及应用

    3.1 计算机终端功能

    3.1.1 仓储管理

    出入库作业:材料采购后进行入库验收, 管库员录入基本信息并办理实物入库;当有用料需求时, 管库员在信息系统中核减库存并办理实物出库。

    调拨作业:分为调出作业和调入作业。检修材料一般在主库内存较多, 为了方便各车间检修用料, 时常需要从主库向各车间分库调出材料, 调出作业完成后, 各分库管库员根据调拨单办理材料调入作业。

    盘点作业:定期对各仓库内的材料进行盘点统计, 下发盘点计划, 由各仓库的管库员对盘点材料进行按比例抽查或全部盘查, 将系统中账面数量与实物库存进行比对, 生成盘盈单或盘亏单, 对系统中的库存进行调整。

    退库作业:用于对已经出库而未能及时使用的材料进行重新入库操作, 与出入库的区别是退库作业不产生财务结算, 退库单不列入系统的支出统计中。

    3.1.2 综合查询

    库存统计:材料科、检修人员、各级领导需要随时了解各类材料现有的库存情况, 库存信息功能可提供对不同地区、仓库、货位、批次的材料库存信息查询, 支持图片查看、打印与导出Excel功能。

    单据统计:为材料管理和财务管理人员提供对不同单据进行多种分类的统计查询, 提供台账统计信息的打印和导出Excel功能。

    支出统计:提供按车间、车组、修程、日期等多种项目对材料支出进行分类统计, 并与同期数据和财务预算进行比较, 能够提供多种形式的图表展示, 可通过数据准确分析材料支出规律, 制定采购计划与检修预算。

    3.1.3 消息通知

    仓储预警:多数材料需要在仓库中保留有一定的库存, 系统提供设置材料的高低储数量功能, 在达到高低储库存时向管库员推送消息通知;对于需要进行保质期管理的材料, 系统提供根据生产日期和保质期自动计算到期时间并提前向管库员推送消息通知。

    待料提醒:检修人员在现场检修过程中如果发生待料停止检修的情况, 经过信息系统登记后会向管库员及时发送消息通知以便及时对材料进行配送或补库。

    3.1.4 基础配置

    部门管理:根据铁路检修单位的部门组织结构, 在部门管理功能中建立部门结构树, 并对各部门的属性进行设置。

    用户管理:在建立部门组织架构树的基础上, 用户管理功能提供在各部门下建立职工信息与用户信息, 并采集面部特征、指纹特征, 并对一卡通进行授卡。

    权限管理:主要设置库存查询权限和仓储管理权限, 并可以进行个性化授权开放或屏蔽指定功能, 满足铁路检修生产物流涉及的使用需求。

    仓库信息:提供在系统中建立仓库、库区、货位, 并可以对不同仓库的属性进行设置, 支持选择打印货位二维码。

    物资信息:主要用于维护系统中的物资基本信息, 如物资名称、物资编码、规格型号、主机厂编码、单位等, 支持选择打印物资二维码。

    3.2 手持终端功能

    3.2.1 仓储管理

    出入库作业:采用扫码方式, 即扫描货位二维码获取仓库、库区、货位信息, 扫描物资二维码获取物资编码、物资名称、规格型号等信息, 填写出入库数量即可完成系统的出入库作业。

    调拨作业:在主库扫码或手动选择有库存的材料办理调出单, 各分存库关联调出单, 点击确认即可办理材料调入。

    盘点作业:管库员在手持机接受到盘点计划后, 可直接利用手持机扫描物资二维码和货位二维码进行盘点, 将账面数量与实物库存进行比对, 生成盘盈单或盘亏单, 对系统中的库存进行调整。

    退库作业:采用扫描物资二维码填写退库数量的方式完成, 货位默认为该材料出库时所在货位。

    3.2.2 智能微库

    微库动态:根据物资基本信息搜索该材料在智能微库内的所在货位及库存数量。

    出库下单:对于在智能微库内有库存的材料, 选择材料后填写出库作业必填信息即可完成出库下单。

    出库查询:可对历史出库单各项信息进行查询, 分为未完成和已完成两个界面, 每个未完成的出库单都可以生成出库单二维码, 供智能微库识别, 已完成实物出库的出库单则只能查看。

    3.2.3 物料查询

    提供输入物资基本信息进行模糊匹配的功能, 可以查看物资的各项基本信息, 并具有图片展示功能, 选择某一物资后可以查看其仓储分布以及库存信息。

    3.2.4 消息通知

    对于智能微库内设置了高低储库存的材料, 达到高低储界限时会向微库管库员的手持机推送库存预警通知, 以便及时补充库存。

    3.3 智能微库工位终端功能

    3.3.1 微库动态

    用于查询智能微库库存, 查询方式分为按货位查询和按物料查询。货位查询功能提供智能微库的货位可视化界面, 并通过颜色加以区分, 可以直观查看智能微库的货位使用情况, 选择某一货位后可以查看该货位中的物资信息与库存信息;物料查询功能用于根据物资基本信息查询该材料在智能微库内的所在货位及库存数量。

    3.3.2 扫码取料

    根据手持机出库查询功能提供的出库单二维码, 经过工位终端二维码扫描枪扫描后, 读取出库单信息, 自动打开智能微库货位柜门供检修人员取料。

    3.3.3 验证取料

    检修人员通过密码登录、刷卡验证、指纹识别或人脸识别等多种方式验证身份后, 对当前登录人未完成的出库单做出展示, 选择某一出库单进行出库操作后智能微库的相应柜门自动打开。

    3.3.4 补库作业

    智能微库管库员根据材料库存定期向智能微库调拨, 采用机械锁打开智能微库的柜门, 根据工位终端补库作业中调出单明细信息进行材料补库。

    3.3.5 出库作业

    身份验证后直接填写出库单信息, 跳转到微库动态功能添加出库物资后提交出库单, 智能微库的响应柜门立即打开, 完成自助取料操作。

    3.3.6 退库作业

    对已经出库但未及时使用材料的退库操作, 检修人员进行身份验证后, 选择已经完成的出库单, 确认退库后, 材料出库前所在货位的柜门自动打开, 同时恢复该货位退库材料的库存。

    智能微库工位终端主操作界面设计如图4所示。

    图4 智能微库工位终端主界面

    图4 智能微库工位终端主界面   


    3.4 系统测试应用情况

    为了测试系统在铁路检修现场的实际使用情况, 在经过软硬件研发集成后, 分别在广州铁路局集团有限公司广州动车段长沙动车所、成都铁路局集团有限公司成都动车段三级修检修车间两个地点进行了针对不同属性的系统测试, 应用场景如图5和图6所示。

    为了测试系统的可靠性, 系统在长沙动车所进行了高频率的试点应用, 经过系统连续一周对出入库业务操作记录的统计, 每天使用智能微库进行出入库作业的次数至少为31次, 最高使用次数为57次, 平均故障率为2%以下, 测试应用结果如表2所示。

    图5 智能微库应用场景1

    图5 智能微库应用场景1   下载原图


    图6 智能微库应用场景2

    图6 智能微库应用场景2   


    表2 长沙动车所系统使用频率数据采集     

    表2 长沙动车所系统使用频率数据采集

    为了测试系统的经济效益, 在智能微库投入到成都动车段检修车间前后, 系统通过对出库单中不同车组号的分析分别采集了4列动车组3个工位的领料持续时间, 从结果分析来看, 智能微库的使用, 有效地降低了这3个工位的领料持续时间, 经过检修车间调度确认, 引入系统应用后整列动车组的检修时间平均缩短了0.8 h, 大部分时间节省在了检修人员与材料部门进行检修材料交接的过程中。

    4 结束语

    本文对智能微库在铁路检修生产物流中的应用提出了解决方案, 并在此基础上设计了配套的铁路检修现场智能仓储管理系统, 充分结合了铁路检修生产过程对材料管理时效性、准确性的需求, 使用多终端进行业务信息化管理, 为仓库管理人员和检修生产人员提供快速、精准、可靠的材料仓储和领取方式, 减少了检修人员在作业过程中的待料时间, 同时大幅度地降低了铁路检修材料供应部门的配送工作量。

    本文中智能微库的应用针对的是大批检修物资材料, 如果需要对特殊物品管理如精密工具等, 则需要在材料柜的每个货位加装RFID读写器。同时, 智能微库只是解决物流配送时效性问题的方式之一, 在智能仓储物流管理系统中, AGV (Automated Guided Vehicle) 及自动分拣机器人逐渐崭露头角[9], 将成为物流各环节效力的主力[10], 这些是未来的研究方向。

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