1 概述
隨工業(yè)、物流自動(dòng)化發(fā)展浪潮，全球物流IT投資額持續(xù)快速增長(zhǎng)。其中倉儲(chǔ)物流是物流產(chǎn)業(yè)中最重要的環(huán)節(jié)之一，也是對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求最多的物流子場(chǎng)景，倉儲(chǔ)IT投資在整個(gè)物流行業(yè)中占比達(dá)47%。從行業(yè)趨勢(shì)上看，倉儲(chǔ)物流行業(yè)向信息化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展。
物流行業(yè)需求快速發(fā)展的同時(shí)，自動(dòng)機(jī)器人控制、調(diào)度對(duì)WLAN通信實(shí)時(shí)性、可靠性、并發(fā)能力提出了前所未有的要求。而針對(duì)傳統(tǒng)上網(wǎng)或人工倉儲(chǔ)應(yīng)用的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)難以滿足特性和規(guī)格要求，為WLAN自動(dòng)倉儲(chǔ)應(yīng)用方案帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。本方案采用Wi-Fi 6技術(shù)與AGV技術(shù)結(jié)合，解決了無人倉高性價(jià)比、多機(jī)高并發(fā)、低時(shí)延、高可靠無線通信的要求。未來還可以擴(kuò)展至工業(yè)環(huán)境其他的AGV場(chǎng)景。
1.1 背景
隨著工業(yè)、物流自動(dòng)化發(fā)展的浪潮，全球物流IT投資額持續(xù)快速增長(zhǎng)。其中倉儲(chǔ)物流是物流產(chǎn)業(yè)中最重要的環(huán)節(jié)之一，也是對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求最多的物流子場(chǎng)景，倉儲(chǔ)IT投資在整個(gè)物流行業(yè)中占比達(dá)47%。從行業(yè)趨勢(shì)上看，倉儲(chǔ)物流行業(yè)向信息化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展，具備如下特征：
1) 電商作為強(qiáng)有力的驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)物流市場(chǎng)空間迅速增長(zhǎng)，CAGR超過12%；
2) 人力成本提高及需求的不斷增加促進(jìn)物流產(chǎn)業(yè)向自動(dòng)化、智能化發(fā)展；
3) 第三方物流廠商在物流產(chǎn)業(yè)比重不斷提高，歐美最高可達(dá)70%以上，專業(yè)性提高；
4) 電商促進(jìn)冷鏈建設(shè)，對(duì)設(shè)備環(huán)境要求提高。
圖1-1 倉儲(chǔ)應(yīng)用從人工操作向自動(dòng)機(jī)械模式演進(jìn)
從業(yè)務(wù)形態(tài)上看，呈現(xiàn)出傳統(tǒng)的人工操作物流機(jī)械、掃描設(shè)備向機(jī)器人、全自動(dòng)化方向快速演進(jìn)（見圖1-1）。智能倉儲(chǔ)裝備成為物流行業(yè)發(fā)展的下一個(gè)風(fēng)口。行業(yè)預(yù)期5年內(nèi)世界倉儲(chǔ)物流機(jī)器人出貨量增長(zhǎng)15倍，達(dá)到62萬臺(tái)，市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)11倍達(dá)到224億美金（見圖1-2）。
圖1-2 全球倉儲(chǔ)物流機(jī)器人出貨量及市場(chǎng)規(guī)模
國(guó)內(nèi)近年電商業(yè)務(wù)快速發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈是推動(dòng)倉儲(chǔ)物流建設(shè)需求持續(xù)增長(zhǎng)主要因素。同時(shí)為提升效率和降低成本，主流電商和物流平臺(tái)積極推動(dòng)倉儲(chǔ)物流的自動(dòng)化。例如，京東倉儲(chǔ)規(guī)模保持每年40%增長(zhǎng)率（見圖1-3），其無人倉自2017年開始試點(diǎn)，首個(gè)商用全程無人分揀中心在昆山試運(yùn)行。后續(xù)將逐步商用和部分替代普通倉庫，預(yù)計(jì)3年內(nèi)部署10萬臺(tái)AGV，自動(dòng)化、智能化是電商倉儲(chǔ)的未來發(fā)展趨勢(shì)。
2017年8月國(guó)內(nèi)目前規(guī)模最大的自動(dòng)分揀倉庫，在菜鳥廣東惠陽分揀中心投入使用。菜鳥計(jì)劃從2017開始逐步復(fù)制自動(dòng)無人倉儲(chǔ)模式，全國(guó)多地開始使用分揀機(jī)器人。預(yù)計(jì)2020年菜鳥物流預(yù)計(jì)達(dá)到1300W平米的倉儲(chǔ)規(guī)模，智能倉儲(chǔ)是未來5年菜鳥物流的4大重點(diǎn)投資領(lǐng)域之一。
圖1-3 京東倉儲(chǔ)、智能倉儲(chǔ)增長(zhǎng)趨勢(shì)
1.2實(shí)施目標(biāo)
本方案主要針對(duì)解決以下三個(gè)問題：
1) 目前物流倉儲(chǔ)實(shí)際項(xiàng)目使用中存在的典型問題是終端與WLAN網(wǎng)絡(luò)來自不同供應(yīng)商，由于WLAN的協(xié)議沒有規(guī)定終端應(yīng)該在什么狀態(tài)下進(jìn)行漫游，因此終端的漫游行為往往依賴于芯片廠商提供的默認(rèn)保守配置。這就導(dǎo)致在情況及其惡劣的下仍發(fā)生漫游，而此時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接已經(jīng)極差；
2) 11k與11r這兩項(xiàng)專門用于提高漫游速度的協(xié)議并非強(qiáng)制，相當(dāng)比例的終端并不支持，這一問題導(dǎo)致終端在與前一BSS連接斷開、漫游前需進(jìn)行全信道掃描，這對(duì)于連續(xù)的、延遲敏感的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)來說是災(zāi)難性的；
3) 工業(yè)級(jí)場(chǎng)景下AP的掛高較高，因此覆蓋區(qū)域內(nèi)可能存在大量小車并發(fā)的時(shí)候大量空口交互、退避，導(dǎo)致一定比例的終端無法得到及時(shí)調(diào)度，從而產(chǎn)生一片區(qū)域癱瘓的情況。
1.3適用范圍
本解決方案適用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的倉儲(chǔ)物流、智能生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)葢?yīng)用場(chǎng)景。
4.%2 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的位置
圖1-4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖
在圖1-4工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中，處在“1在制品和智能機(jī)器位置”，為在制品提供原料、配件、半成品、成品的自動(dòng)運(yùn)輸和物流倉儲(chǔ)，通過更加智能的手段，更可靠的調(diào)度和分配，節(jié)省人力物力，提高生產(chǎn)和物流效率。
2、需求分析
當(dāng)前自動(dòng)倉儲(chǔ)主要包括三種應(yīng)用場(chǎng)景：AGV自動(dòng)揀選、自動(dòng)貨架裝卸、AGV自動(dòng)分揀。
1）AGV自動(dòng)揀選
傳統(tǒng)有人倉庫，貨物采用人工揀選方式。即人員根據(jù)訂單信息，在貨架區(qū)域中尋找貨物。然后將找到所有貨物掃碼、裝框后交給打包環(huán)節(jié)。需要人力投入大、勞動(dòng)強(qiáng)度較高、揀選效率難以滿足忙時(shí)要求。
圖1-5 AGV自動(dòng)揀選
自動(dòng)揀選由后臺(tái)控制AGV將相應(yīng)貨架托舉到揀選區(qū)域，排隊(duì)等候完成掃碼裝框。提升人員揀選效率、降低工作強(qiáng)度，提升倉庫貨物吞吐量。
2）自動(dòng)貨架裝卸
在堆貨貨架區(qū)域，傳統(tǒng)采用人工或人工操作叉車取放貨物。自動(dòng)貨架Shuttle（見圖1-6），根據(jù)后臺(tái)指令負(fù)責(zé)在立體貨架區(qū)域的貨物裝卸操作。
圖1-6 自動(dòng)貨架裝卸
目前，該環(huán)節(jié)不是自動(dòng)物流主要效率瓶頸；目前接觸的主流倉儲(chǔ)客戶暫無大規(guī)模建設(shè)的計(jì)劃。且技術(shù)上有被無人叉車等其他技術(shù)替代的可能性。該場(chǎng)景不在本案例需求分析優(yōu)化范圍之內(nèi)。
3）AGV自動(dòng)分揀
傳統(tǒng)人工分揀或傳送帶分揀存在錯(cuò)誤率較高、效率較低、忙時(shí)大量貨物積壓的情況。
AGV自動(dòng)分揀場(chǎng)景（見圖1-7），分揀機(jī)器人自動(dòng)掃描包裹條碼，將包裹和分發(fā)指令下發(fā)給分揀AGV。AGV自動(dòng)導(dǎo)航到指定的分揀口，將貨物投入物流框。該場(chǎng)景下AGV密度較高，1000平米分揀庫區(qū)，忙時(shí)AGV可達(dá)200臺(tái)。
圖1-7 AGV自動(dòng)分揀
對(duì)于以上提到的揀選、分揀場(chǎng)景，都需要通過WLAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)AGV小車位置、狀態(tài)信息上報(bào)，和任務(wù)、運(yùn)行控制指令的下發(fā)。WLAN網(wǎng)絡(luò)需要保障運(yùn)行控制信息實(shí)時(shí)、可靠、正確傳遞給目標(biāo)設(shè)備。
3解決方案
3.1方案介紹
在本方案中，華為主要聚焦在通信管道領(lǐng)域，為自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的WLAN通信系統(tǒng)解決方案，包括針對(duì)性優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)控制算法和特性設(shè)計(jì)，需要同時(shí)提升AGV網(wǎng)卡軟硬件可靠性、優(yōu)化終端側(cè)算法機(jī)制，以配合網(wǎng)絡(luò)側(cè)實(shí)現(xiàn)端到端的空口性能可靠。此外，需要AGV終端配合采集網(wǎng)絡(luò)和終端運(yùn)行信息、提供調(diào)測(cè)接口，以滿足網(wǎng)絡(luò)倉儲(chǔ)自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維要求。上海快倉主要負(fù)責(zé)在端測(cè)調(diào)用接口，進(jìn)行端管適配，構(gòu)建完整的方案。
3.2 系統(tǒng)架構(gòu)
WLAN倉儲(chǔ)AGV通信系統(tǒng)由AC、AP、AGV網(wǎng)卡（或CPE）三部分共同組成（見圖1-8）。
圖1-8 WLAN倉儲(chǔ)AGV通信系統(tǒng)模型
外部接口包括：
1）AGV業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)：
AGV終端網(wǎng)絡(luò)信息接口（系統(tǒng)獲取AGV終端網(wǎng)絡(luò)側(cè)連接狀態(tài)、流量統(tǒng)計(jì)、漫游切換等信息）。
AGV設(shè)備信息接口（通報(bào)sta對(duì)應(yīng)的AGV設(shè)備ID、狀態(tài)、位置、速度等信息）。
2）網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維平臺(tái)：
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)維接口（上報(bào)網(wǎng)絡(luò)側(cè)統(tǒng)計(jì)、狀態(tài)、漫游、速率、異常日志等信息）。
AGV STA運(yùn)維接口（上報(bào)STA鏈接狀態(tài)、漫游切換、異常日志等信息）。
系統(tǒng)接口包括AP/AGV終端接口，主要負(fù)責(zé)AGV狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)掃描等信息上報(bào)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)控制引指令、推送信息下發(fā)等功能。
3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)
本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1-9所示。
圖1-9 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>
6.4 功能設(shè)計(jì)
工控機(jī)的無線網(wǎng)絡(luò)作用在于提供工控機(jī)核心運(yùn)算單元到后臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù)鏈路。可通過以太網(wǎng)口外接獨(dú)立CPE無線網(wǎng)卡獲取，也可在工控機(jī)內(nèi)部以mini PCIe或USB的方式增加Wi-Fi模塊，并通過饋線與外部天線連接的方式實(shí)施。
在以太網(wǎng)口外接獨(dú)立CPE無線網(wǎng)卡的部署方式下，共涉及兩個(gè)接口，分別為電源接口與數(shù)據(jù)接口。若工控機(jī)的以太網(wǎng)口和CPE網(wǎng)卡支持PoE功能，且電壓、功率都匹配，則供電接口和數(shù)據(jù)接口可歸一為RJ-45等以太接口。否則需分別連接電源與數(shù)據(jù)，即AGV需為CPE網(wǎng)卡提供額外的電源接口。同時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)鏈路，工控機(jī)需部署以太網(wǎng)絡(luò)模塊。從安裝方式的角度來看，AGV需為CPE無線網(wǎng)卡提供安裝與固定位置、走線的固定方式，且保證CPE的無線網(wǎng)卡不被金屬部件遮蔽。在這一場(chǎng)景下，CPE無線網(wǎng)卡對(duì)工控機(jī)來說僅僅是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，所有的傳輸控制、空口行為、協(xié)議棧都由CPE無線網(wǎng)卡負(fù)責(zé)，無線網(wǎng)卡的組成部分為CPU、Wi-Fi芯片；此時(shí)工控機(jī)本身無需任何處理，無線網(wǎng)絡(luò)與操作系統(tǒng)完全解耦。在操作系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)外設(shè)擁有某一ip地址，CPE無線網(wǎng)卡擁有2個(gè)ip地址，其中一個(gè)ip地址用于連接工控機(jī)，另一個(gè)ip地址用于網(wǎng)絡(luò)側(cè)通信。該場(chǎng)景下接口示意如圖1-10所示。
圖1-10 以太網(wǎng)口外接獨(dú)立CPE無線網(wǎng)卡場(chǎng)景接口示意
在無線網(wǎng)卡部署于工控機(jī)內(nèi)部的場(chǎng)景下，由于mini PCIe或USB接口都提供標(biāo)準(zhǔn)的供電能力，且提供數(shù)據(jù)接口，因此僅需考慮網(wǎng)絡(luò)接口。工控機(jī)的核心運(yùn)算單元通過高速物理接口、PCB走線連接至無線網(wǎng)卡的高速物理接口，傳輸基帶信號(hào)，由無線網(wǎng)卡進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)的功能。此時(shí)CPU即為工控機(jī)的CPU、無線網(wǎng)卡僅為Wi-Fi芯片，協(xié)議棧部分由操作系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)部分負(fù)責(zé)。在這一場(chǎng)景下，無線網(wǎng)絡(luò)與操作系統(tǒng)耦合較為緊密，空口行為的修改需配套對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。該場(chǎng)景下接口示意如圖1-11所示。
圖1-11 無線網(wǎng)卡部署于工控機(jī)內(nèi)部場(chǎng)景接口示意
3.5 優(yōu)化效果
在華為和快倉的端管方案和WIFI6 AP的助力下，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，優(yōu)化效果如圖1-12所示。
圖1-12 方案優(yōu)化對(duì)比
4、成功案例
汕頭某倉庫使用本方案網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造后，AGV速率提升25%，承載AGV數(shù)量從500提升750，網(wǎng)絡(luò)無故障運(yùn)行時(shí)間從24小時(shí)提升至72小時(shí)。運(yùn)維效率提升50%。出單成功率從10萬單/天提升至13萬單/天，出單率提升30%。
從快倉的實(shí)際使用情況來看，該方案為業(yè)內(nèi)最佳無線承載方案。接下來快倉計(jì)劃在快倉的惠陽、汕頭、無錫等倉儲(chǔ)基地進(jìn)行廣泛復(fù)制。