5G在物流仓储行业的融合应用研究

2021-12-09 15:05| 发布者: www.daoteng56.com| 查看:

摘要: 物流业是支撑国民经济发展的基础性、战略性、先导性产业。仓储作为物流行业的关键环节,面临碎片化仓储的利用率低、高标仓占比少、分拣准确率低、多仓管理难等“效率泥潭”,而提升仓储效率瓶颈的关键是加强数字物流基础设施建设。作为新型数字化基础设施的关键技术之一,5G在提供低延时、高带宽、海量 ...

0 引言

根据国家统计局数据[1],我国当前物流总费用与GDP值的比值约在14%,高于美国日本等发达国家的8%~9%,其中约47%是仓储环节成本[2],而仓储环节正面临的碎片化利用率低、高标仓占比少、分拣准确率低、多仓管理难等“效率泥潭”。国家发展和改革委员会在《关于推动物流高质量发展促进形成强大国内市场的意见》中明确提出:为巩固物流降本增效成果,提出加大重大智能物流技术研发力度,加强物流核心装备设施研发攻关,推动关键技术装备产业化,加强数字物流基础设施建设,提高物流软件智慧化水平等政策意见。
5G是构建的新型基础设施的关键技术之一[3]。5G克服了传统有线和Wi-Fi等技术的灵活性差、信号覆盖和终端数受限、难以大范围移动、干扰严重等问题,可支撑大规模物流装备的实时协同控制;利用多接入边缘计算(Multi-access Edge Computing,MEC),将物流装备的算力需求上移至边缘,实现低成本轻量化部署和快速迭代升级[4]。同时,基于5G广域网架构,技术标准化和通用化水平高,向6G的技术演进路线清晰[5],利用端边云协同能力,可实现物流软件的多云协同部署,提升物流软件的智慧化水平[6]

1 5G助力物流仓储的发展方向

为解决物流仓储当前面临的“效率泥潭”,仓储建筑需朝着大型园区化和枢纽式、立体空间高密化方向发展;仓储作业需朝着少人化、仓配一体化等方向发展;仓储装备需朝着大规模、高可靠、智能化方向发展;仓储管理需能适应跨区域的多仓协作、共享共用等要求。结合我国物流高质量发展的政策意见,梳理出5G在物流仓储发展方向上发挥的价值:助力仓储装备的规模化、助力物流软件的智慧化。

(1)仓储装备的规模化

大规模使用仓储装备是提升仓储效率的关键。针对可靠连接类仓储装备,5G能够提供大带宽、广连接、低延时等特性,从而支撑大规模物流装备的实时协同效率。针对具有AI能力的仓储装备,5G结合MEC可以实现终端算力的上移,提高仓储装备的运行效率、准确率、稳定性,保证物流系统作业效率和作业质量。根据不同仓储装备协同运作的需求,5G的网络切片技术可以在统一架构的基础上用较低成本为用户灵活提供个性化、柔性化、差异化的网络服务。

(2)物流软件的智慧化

当前的物流管理软件还存在碎片化、功能少、部署成本高、云化水平低、开放兼容性差等问题,难以应对大规模协同式物流作业和实时化、专业化、一体化等管理需求。基于5G广域网架构提供的端边云基础设施能力,能够实现物流软件运营和智慧化升级所需要的计算和存储资源在端边云设施上的更高效供给,进而大幅度降低物流软件的运营成本,达到智慧化的效率提升。

2 基于5G的物流智能仓储的应用场景

基于上文所述5G在物流仓储发展方向上发挥的价值,本节具体介绍基于5G的智能物流仓储的应用场景。

2.1 基于5G专网自动化仓储装备

2.1.1 可靠连接类仓储装备

目前,我国的仓储发展正处在自动化阶段,以自动导引车(Automated Guided Vehicle,AGV)、堆垛机、穿梭车为代表的连接类仓储装备在搬运、拣货、存取三大场景实现广泛应用[7]。利用5G的大带宽、广连接、低延时等特性来支持大规模仓储装备的连接和移动范围,可保证仓储装备连接的可靠性和稳定性[8]。典型的连接类仓储装备AGV和穿梭车如图1所示[9],通信需求如表1所示。
  
表1 典型的连接类仓储装备通信需求表  下载原图


表1 典型的连接类仓储装备通信需求表

2.1.2 具备AI能力的仓储装备

随着人工智能技术的发展,智能叉车、视觉机械臂等具备AI能力的高端仓储装备不断涌现,大规模智能机器人的集群调度和智能化升级需求愈发迫切。5G利用MEC的就近计算和边缘存储能力,将仓储装备的算力上移,能够在节省终端的硬件成本和缩减开发周期的同时,满足时延敏感的业务要求,提高仓储装备的运行效率、准确率、灵活性,保证物流系统作业效率和作业质量。典型的具有AI能力的仓储装备智能叉车和视觉机械臂如图2所示[10],通信需求如表2所示。
根据可靠连接类仓储装备和具有AI能力的仓储装备在规模化协同使用过程中出现的差异化通信需求,5G专网可通过网络切片技术,基于特定切片用户组的无线资源分配和隔离要求,满足不同业务的SLA(Service Level Agreement)需求,灵活定制、合理部署硬件设备和网络资源[11]。5G专网的切片分类要求如表3所示。

2.2 端边云协同的智慧化物流软件

智能仓储的物流软件主要包括仓库管理、分拣管理、仓库控制和仓库数据等系统,如图3所示。
仓库管理系统(Warehouse Management System,WMS)为仓储作业过程和上下游环节提供更快、更准确、更精细的信息系统支持。为了满足对仓储管理的全局性精细化要求,WMS需要利用大数据、云计算等技术解决集中管理问题,逐渐向一体化、集中化、柔性化方向发展。
图1 典型的AGV和穿梭车示意图图1 典型的AGV和穿梭车示意图  下载原图
 
图2 典型的智能叉车和视觉机械臂示意图图2 典型的智能叉车和视觉机械臂示意图  下载原图
 
  
表2 典型的具有AI能力的仓储装备通信需求表  下载原图


表2 典型的具有AI能力的仓储装备通信需求表
  
表3 基于5G专网的智慧仓储网络切片示例  下载原图


表3 基于5G专网的智慧仓储网络切片示例
分拣管理系统(Distribution Management System,DMS)支持物品分拣计划调度、分播管理等生产过程。随着分拣准确性、时效性和协同性要求的持续提高,DMS需要在调度算法和管理效率等智慧化方向上持续演进。
仓库控制系统(Warehouse Control System,WCS)是介于业务系统生产管理层和设备执行层之间的一层管理控制系统。目前的WCS系统根据不同的底层电气硬件选择不同的平台,烟囱式的WCS无法支持更大规模的协同作业,随着WCS智能化功能的逐步加强,需要持续增强的算力保障和更可靠实时调度能力。
仓储数据系统将仓储数据进行备份汇总,挖掘潜在的如监控、运营、运维等提升管理效率的功能。
物流软件运营和智慧化升级需要更高效的计算和存储资源,5G广域网架构中的边云协同基础设施能力可以按需地提供资源分配和保障。WCS和本地仓储数据系统主要服务于园区内的智能终端,且对业务处理时延要求较高,更适合部署在本地MEC (园区级或区域级)中。WMS、DMS和集中仓储数据系统服务于多个物流园区和全局系统,需要满足复杂的智慧化升级需求,而且对成本比较敏感,更适合部署在低成本的公有云中。利用公有云和边缘云之间的协同策略可实现资源的高效利用,从而大幅度降低物流软件的运营成本,提高智慧化物流软件的效率。智能仓储的业务系统根据不同通信需求情况,建议分布式部署在公有云和MEC中[12,13,14,15],如图4所示。
本文重点分析了物流仓储行业的发展趋势,聚焦5G在智能仓储中具有潜力的发展方向和应用场景。2021年是5G规模发展的关键年,《5G应用“扬帆”行动计划(2021-2023年)》明确提出了“5G+智慧物流”的发展方向,加强5G在仓库等场所的应用创新,推动5G在智能分拣、无人仓储等场景应用落地,推进端边云协同的物流自动化智能装备和基础设施建设,助力物流行业实现智能仓储。根据全球物流行业发展的最新趋势,无人仓储、云仓等创新模式已成为重要方向,同时新冠疫情防控也推动了仓储作业的少人化、无人化和冷链产品的溯源需求。5G作为构建数字物流基础设施的关键技术之一,将与大数据、人工智能、区块链等技术深度融合,推动物流仓储的智慧化升级和创新。
图3 智能仓储的软件架构示意图图3 智能仓储的软件架构示意图  下载原图
 
图4 基于5G专网的物流智能仓储架构图图4 基于5G专网的物流智能仓储架构图