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王继祥:软件定义硬件时代即将来临

发布时间:2019-04-02

编者按:随着现代物流进入智慧时代,未来物流装备技术发展将重点体现在智慧的进化上。   

一、物流硬件技术即将面临重大变革 

近年来,智慧物流获得了快速发展,从智慧物流执行系统来看,物流技术装备正全面向智能化方向进化。2018年11月上海举办的CeMAT亚洲国际物流技术与运输系统展览会上,物流自动化设备展台最多,智慧物流是最大的亮点。甚至个人感觉物流机器人市场已经出现过热,资本过度介入已出现泡沫化趋势。 

我在最近演讲中有一个基本判断,就是中国智慧物流的思维系统已经进入了数字化阶段,正在向程控化阶段进化,未来是全面智慧化。当智慧物流思维系统向程控化阶段发展的时候,物流技术装备硬件系统就必然呈现思维与执行的融合,向智能硬件进化,其中智慧物流思维系统将逐步成为硬件系统的大脑,成为硬件系统的控制中枢,成为硬件系统进化与升级的主导。 

我们知道,人类进入智慧化阶段后,最主要的进化就是我们的大脑软件系统进化了。几千年来,我们的手与脚的执行系统几乎没有多大进化,甚至还有一定的退化,但是我们的大脑却飞速进化,成为我们人的主导系统,可以讲:人类的大脑系统才是人的本质,决定了你是你,我是我,而不是人类的躯体(臭皮囊)决定的。 

从物流硬件角度看,物流机器人和各种自动化设备都是智慧物流体系中的执行系统,很多产品十几年前就已经出现,并在工业领域获得应用。多年来除了机器性能不断提高以外,基本功能也没有更多的颠覆性变革了。那么,当物理世界进入到智慧阶段,未来的主体进化路径是不是也会切换到“软件系统”,软件程序全面控制物流系统运作,进入到程控化阶段呢? 

201811月上海举办的CeMAT亚洲国际物流技术与运输系统展览会上,我们已经看到很多机器人系统的进化和技术亮点开始聚焦在导航系统进化、智能操控进化等方面了;很多输送分拣系统已经开始推动功能模块化、系统灵活组合,向更智能的柔性化方向发展了;从最近菜鸟、京东发布的无人仓与智能仓技术进展上看,柔性自动化也已经成为一个发展方向了等等。种种迹象表明,我判断的软件定义物流硬件的时代即将来临,这将是物流技术装备业非常大的变革,会带来很多颠覆式的创新。 

二、软件定义物流硬件的基本特征 

软件定义物流硬件的基本特征是硬件资源虚拟化,管理过程可编程,硬件智能可升级,系统维护智慧化。硬件资源虚拟化的过程就是硬件资源数字化的过程,因此数字物流是软件定义物流硬件的基础;管理过程可编程就是硬件资源调度和控制软件化的过程;硬件智能可升级指的是硬件系统迭代进化可以通过实时升级软件来实现;系统维护智慧化是的是硬件系统可以根据场景需求自动通过程序调动资源,可以预测性维护系统,可以异地维护系统,可以异地升级系统,让硬件系统可以自我智慧升级。 

关于物流系统数字化的一个精确地概括性描述是:一切流程数字化,一切数字流程化,也就是说首先要实现物流流程数字化描述,通过对物流流程数据提取、分析、优化,再引导流程实现数字化作业。 

在物流硬件领域,我们按照物流作业功能模块,可以把物流硬件按照物流功能抽象成虚拟资源,在此基础上实现硬件资源虚拟化,通过编写系统应用程序,对虚拟的、模块化的物流硬件进行更开放、更灵活的智能管理调度,实现硬件智能化,硬件系统智慧化。这就是软件定义物流硬件发展路径。 

软件定义硬件不仅仅是物流装备行业的一个趋势,在很多最早进入信息化与智能化的领域,软件定义硬件早已成为主流创新趋势,只不过我们司空见惯,日用而不知。 

如:计算机实际上就是操作系统给了你一台软件定义的计算机,向下通过计算机硬件资源的虚拟化管理各种各样资源调度,向上通过管理功能编程提供各种计算机服务。此外,当我们的手机呈现电脑化趋势,变成智能手机后,也是一个最经典由软件定义的硬件产品了。在手机操作系统上安装一个导航软件就成为了导航仪,安装了计步软件成为了计步器,安装计算软件就成为计算器,安装一个照相软件就是照相机,通过管理功能的编程软件可以把手机定义成很多产品,并可以不断地系统升级。 

当然,软件定义硬件还有很多经典例子和应用,我们物流装备行业如果向软件定义硬件方向发展,需要广泛借鉴其他领域软件定义硬件的创新模式,推动物流领域软件定义硬件的创新与应用。  

三、软件定义物流硬件的基本原则 

我认为推动软件定义物流硬件创新,一定要注意采用硬件层、控制层与数据层逻辑分层的原则(不是物理分离)。如果把控制软件与硬件融合,软件完全固化在硬件系统中,虽然也可以实现一些功能判断,但未来系统无法升级,物流硬件的大脑不能进化,将带来严重的方向错误。如果把数据层与硬件层或控制层融合,也同样会带来很多问题。只有实现了控制层、数据层与硬件层逻辑分层,控制层系统软件可以通过网络系统链接互联网,并可以对软件系统随时升级和迭代更新;数据层数据可以实时接收互联网数据,实施识别自动感知的流程数据,随时调动软件处理数据,这样的模式才是适合软件定义物流硬件的发展路径。 

1、硬件层:物流硬件虚拟化:在硬件层作业设施设备主要包括:仓储设施、仓储设备、货运装备、搬运设备等;按照单元化思想,物流设施设备资源的虚拟化是通过定义物流作业的标准功能模块来实现的。 

随着智慧物流发展,自动化与无人化等智能物流设备的硬件资源虚拟化更有意义。我们可以把机器人、无人机等独立的终端设备按照现代最新的“智能物件”技术理念,定义为单元级智慧物流功能模块,把由各类单元级智慧物流模块编程组合的系统定义为系统级智慧物流模组,把网络化和平台化的智慧物流大系统定义为平台型智慧物流系统。  

2、控制层:管理功能可编程:在控制层需要全面推动物流流程标准化和物流服务标准化,需要把物流知识和作业流程软件化,实现管理功能可编程,对物流设施设备作业功能进行模组化编程和智能控制。控制层的可编程需要推动大数据应用,实现一切流程数据化,一起数据流程化。在编程过程中要全面应用人工智能的最新成果,需要借鉴各类适合于物流行业分析的数学模型研究成果,根据物流作业实际落地应用。 

3、数据层:一切流程数字化,一切数据流程化:把物流硬件资源虚拟化的数学模型可以采用现代数字孪生技术,即以数字化方式为物理对象创建的虚拟模型,来模拟其在现实环境中的行为。通过搭建整合物流作业流程中数字孪生物流系统,能实现从取货、集货、入库、库存管理、分拣、出库、配送的全过程数字化,将物流模式创新、物流效率提升和智慧物流体系福彩快3官网提升至一个新的高度。此外,数据系统开放,实时写入预处理感知数据,依据状态感知,进行实时分析与科学决策,为智慧物流系统精准执行打下基础。 

4、执行层:万物互联,硬件觉醒:执行层首先需要实现万物互联,把控制层的软件运行产生的智慧决策实时传导到设施设备功能模块,激发作业设施设备和作业对象等硬件资源的智慧觉醒,经过软件的控制与赋能,对各类物流作业场景与应用环境实现智慧化管控,并推动物流网络的天网与地网融合,实现全网运作的智慧化。 

四、软件定义物流硬件的进化方向 

我认并首先要分析哪些物流装备最适合向软件定义硬件方向发展,并不是所有的物流产品都必须成为智能硬件的独立单元。如托盘、货架可以组成物流智能系统,但至少目前看这些产品还不具备成为物流智能硬件的独立单元。但无人叉车、搬运机器人、配送机器人、无人卡车、物流输送分拣设备等均是单元级的软件定义物流硬件的最主要创新方向;智能仓储系统与配送中心是系统级的软件定义物流硬件创新方向;物流仓储设施网络、云仓资源系统均可以成为软件定义物流设施的创新方向。 

从综合角度看,软件定义的物流硬件可以分为单元级、系统级和平台级。  

通过软件定义的单元级物流硬件。单元级物流硬件应该是具有不可分割性的智能物流硬件最小单元。可以是一个部件或一个产品;通过“一硬(硬件)”和“一软(软件)”构成“感知-分析-决策-执行”的数据闭环,具备了可感知、可计算、可交互、可延展、自决策功能的物流硬件。如:AGV、物流机器人、配送机器人、无人叉车等。 

通过软件定义的系统级物流硬件系统,是“一硬、一软、一网”有机组合。是多个最小单元的物流智能硬件,通过网络实现更大范围、更宽领域的数据自动流动,实现了多个单元级物流硬件的互联、互通和互操作。系统级物流硬件基于多个单元级物流硬件的状态感知、信息交互、实时分析,实现了局部自福彩快3官网、自配置、自决策、自优化。如:由机器人、AGV小车、传送带等构成的智能物流系统是系统级智慧物流系统。 

通过软件定义的平台级智慧物流系统,是多个系统级智能硬件集成系统的有机组合,涵盖了“一硬、一软、一网、一平台”四大要素,通过大数据平台,实现了跨系统、跨平台的互联、互通和互操作,在全局范围内实现信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执行。菜鸟智慧物流系统、京东智慧物流系统具备了初级智能的平台级智慧物流系统。 

五、软件定义物流硬件的创新模式分析 

1、软件定义无人叉车 

叉车AGV系统是符合软件定义硬件的创新方向。在叉车上加载各种导引技术,构建地图算法,辅以避障安全技术,可以实现叉车的无人化作业。其中叉车导引系统、构建地图算法、安全避障系统、自动感知系统等是无人化叉车的技术进化主体,需要实现控制层、数据层、与硬件层的逻辑分层,可以实现相关软件系统的迭代升级和不断进化。 

叉车智能化技术是将数字化、网络化和自动化等先进技术应用于传统叉车,以提高驾驶安全、提高工作效率和降低保养维修费用等运营费用,实现更全面、准确的数据采集和分析应用,进而实现与其他物流设备、仓储设备之间的互联,从单一产品走向系统化应用的智能硬件系统。 

与传统叉车相比,智能化和无人化叉车主要有四个方面的关键技术和应用优势:一是叉车的感知技术,如车载超高频RFID读写技术,与巷道标签、货位标签、货物标签有效识别感知,实现出入库系统自动确认。二是与信息系统调度指令的交互技术,最典型的是车载电脑和手持的应用,大大提高物流效率。三是叉车的各类传感器的应用,如速度、重量、碰撞、温度、油压、电量等传感技术,使得叉车总线控制数据更加丰富,配以系统安全预警,实现设备状态的监控。四是将智能化叉车的位置、任务、状态、效率等信息汇集“工业车辆远程平台”,进行大数据处理和输出,实现叉车的远程运维和租赁运营。 

作为独立的智能单元的无人叉车,应该具有操作系统和计算系统,有软件运算的内存和数据存储空间,其智慧晋级方向是不断升级控制系统软件,优化导航系统,升级调度和运作的算法,通过软件升级不断进化大脑系统。当然,目前的智能叉车不仅仅需要软件进化,更需要硬件的不断进化。 

作为智能单元的无人叉车,还应该具有物联网全面感知与硬件单元互联与互操作功能,当多台无人叉车组建叉车车队系统时,可以实现系统级的进化,形成叉车车队智慧系统;此外,叉车还应该可以与其他的物流智能硬件互联互通与互操作。 

在上海CeMAT亚洲国际物流技术与运输系统展览会上,林德等许多叉车企业展示了自己的叉车智能硬件系统。 

2、软件定义输送分拣 

通过软件定义的理念,可以让物流分拣更智慧,让分拣机械更智能。先进的智能物流输送分拣系统应该是一个智慧化、相互高度协同的有机整体,它由许多个智能单元设备和智能零部件组成,在大数据分析和指导下,各个单元自主而协同地完成复杂任务。 

软件定义智能分拣系统,首先需要将分拣系统按功能模块分类,设计智能分拣模块和智能零部件。智能零部件要包含感知系统实现可感知,使每个包裹成为可感知的智能网络节点,实现自动识别物料、自动拣选物品,让每件货物沿着智能规划后的路径,找到工位上的操作人员。聪明的物流机器人就像贴心管家一样,代替人工完成物流中心一系列繁琐的拣选及搬运工序,高效省心。 

根据我的了解,目前中国智能输送分拣领域,苏州金峰物联网、华南新海等企业正在大力推进的智能分拣系统功能的模块化分类、管理过程的可编程调度,向根据不同的场景随时排列组合成满足需求的智能分拣系统方向发展,具有了软件定义物流分拣系统的先进理念。 

在国际上,最近看到“软件定义”思想在万向细胞传送带Celluveyor上有充分体现,比较经典推荐给大家。这一技术是德国不莱梅大学生产与物流研究所(BIBA)创造性的发明,是一套极为灵活的模块化输送和定位系统,它借助单元化与软件定义思想,实现了分拣系统的高度柔性化。一是以单元理念为基础,设计了单元化的六边形细胞模块,每个模块都包含了三个特定安排的全向轮,每个轮子都可以单独和有选择性的工作,便于被软件控制与调用。二是将万象细胞传送到的模块化智能硬件虚拟化,通过通讯网络与控制系统(大脑)链接,通过对各个六边形细胞模块的编程控制,实现了各种分拣需求场景下的分拣方案自动生成,自动组合,自动运作。 

这个分拣系统具有如下优势:  

一是输送过程的灵活性,整体功能仅仅需要按一个键盘按钮就可以进行调整和适应。不需要任何的机械改变,只需要简单的软件调整和升级。  

二是布局的灵活,添加和分离都极为容易。另外,其布局的变化完全依靠控制软件的操作和调整,将可以大大减少停机时间。 

三是吞吐量的灵活性,你只需要通过增减模块,就可以适应不同的运送量。  

四是运送对象的灵活性,输送的对象可以是多种形状和尺寸,仅仅只需要它拥有平坦的接触表面即可五是维保极为方便,哪块坏了会立马被控制电脑侦测到,出问题的细胞模块或被货物绕行,而不影响整条线的持续运作。六是节能高效,只有在和货物短暂接触的时候才会运作耗能,机械部件之间的内部摩擦非常小,可以说是能源友好型系统的典范之作。 

再看一个具有软件定义理念的一个输送分拣系统的重大发明吧:不久前的欧洲最大自动化展会SPS IPC Drives上,德国倍福(beckhoff)发布了创造性的XPlanar平面输送系统,该系统基于倍福的 TwinCAT 自动化软件平台来进行编程控制,移动托盘利用磁悬浮技术自由悬浮在由传输平面模块拼接组成的任意形状的传输平面上运动,可以实现极其灵活、精确且高动态的定位任务。每个模块的尺寸为 240 x 240 mm,用户可以根据具体的应用需要自由拼接成任意几何形状。每个平面模块都配有完整而独立的电子元器件,并支持 EtherCAT G 通信协议,动子托盘内集成了永磁体,因此其上方可以悬浮任意数量的动子。动子不仅可以水平运动,也可以垂直运动,甚至还可以上下晃动。 

XPlanar平面磁悬浮输送系统的灵活度极高,可以在二维平面上进行无摩擦、无接触的运动,最高速度可达 4 m/s,加速度可达 2 g,重复定位精度可达 50 µm;运行过程中几乎不会产生任何噪音或机械磨损,动子托盘有四种不同规格可供选择。该系统适用于通用机械制造领域,尤其适合用于实现包装、装配、分拣和订单拣选过程的自动化。 

3、软件定义物流机器人 

软件定义物流硬件在物流机器人领域是引导创新的重要理念,物流机器人是一个智能单元,是由一硬(硬件)和一软(软件)组成,目前硬件在机器人设计中已经不占据主导地位了,机器人的软件系统才是决定机器人水平高低的根本。 

机器人的软件系统主要有控制系统、导航系统与计算系统,算法分为感知算法和控制算法,导航技术目前有定位导航、网络调度、视觉轮廓的自然导航等等;机器人的智能作业包括搬运、分拣、拆垛、码垛、上料、混杂物体分类。 

目前机器人在软件系统进化很快,在3D视觉分辨、高速分拣、无序堆码垛、复杂场景导航与调度等方面新技术不断涌现。此外,通过一硬、一软、一网集成的物流机器人作业系统也成为电子商务物流黑科技的关注焦点。 

4、软件定义柔性自动化 

传统的物流自动化系统具有整体性、系统性,具有牵一发而动全身的刚性,对物流自动化的实际应用带来阻碍。如果一个物流处理量非常巨大的物流自动化配送中心,仅仅因为某一个零部件的损坏就可能带来全系统的瘫痪,这对物流系统的应用方就是个灾难。 

如何提升物流自动化柔性,让物流自动化系统也具有智能,这就需要应用软件定义理念,将硬件资源虚拟化,将管理过程可编程,实现软件系统可以随机、柔性的调度与管理整个物流自动化系统,实现物流作业场景的柔性切换和自动的调整,让系统单个节点出现问题不影响整个系统。 

基于软件定义物流硬件的理念,对物流系统采取模块化设计,实现易搬迁与部署;通过排列组合式扩展,可以很快部署新的机器人与自动化设备,处理更多订单,同时单节点出现故障不影响整个系统;通过业务流程的程序化管控与调整,可根据订单商品的特点,不停地改变物流作业模式,以快速适应业务发展变化,让物流作业更灵活和智能。 

根据报道,菜鸟无人仓就已经实现全链路柔性自动化。菜鸟利用了计算机的软件定义硬件的思路,提出了模块化的多区并行的自动化物流解决方案,将大数据处理框架映射到仓储系统中,将仓储作业中不同的分区、不同的作业模式,以及不同的自动化模式进行并行操作、并行生产后再合并打包出库。 

软件定义无人仓项目既不是纯软件工程,也不是纯硬件工程,而是一个系统工程,从流程设计到硬件设计、软件设计,都需要综合考虑,才能够实现高效率作业。物流柔性自动化技术具体包括软硬件协同、端到端设计,以及可转换性、鲁棒性、灵活性等。 

大规模多智能体规划和调度技术是柔性自动化的重要技术,智能规划调度部分涉及的关键技术主要包括Swarm Intelligence(群体智能)、Resource Allocation(资源配置)、Path Planning(路径规划)、TrafficControl(流量控制)等,未来大规模智能体的技术会向群体智能方向发展。如:优化算法里的蚁群算法便是通过模拟蚂蚁行为进行的算法——单个蚂蚁不会搭桥,但是蚂蚁之间可以互相搭桥让其他蚂蚁通过。这些概念可以引入智能体在仓库中的应用,未来当每一个智能体有了足够强大的智能导航及决策功能后,群体智能将成为柔性自动化技术的发展方向。 

软件定义无人仓储,实现柔性自动化物流作业,具有扩展性强、易部署、模块化、算法高效智能、鲁棒性强等突出优势,将会对整个物流行业带来巨大革命。 


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