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嘉峪檢測網(wǎng) 2025-05-09 17:34
本文以某制藥車間立體庫為研究對象，開發(fā)了一套適用于制藥 BDC（建設(shè)藥品分配中心）的 WCS（藥品庫控制系統(tǒng)），并集成了 MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了庫內(nèi)藥品存儲分配、庫外空藥品載具轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)度及堆垛入庫邏輯的分析處理；同時(shí)、它還能夠統(tǒng)計(jì)貨位狀態(tài)及藥品在庫信息、記錄藥品進(jìn)出庫操作日志，并實(shí)施監(jiān)控整個(gè) BDC 輸送設(shè)備與巷道堆垛機(jī)。此外，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)訂單計(jì)劃線上自動獲取，并根據(jù)藥品出庫序列執(zhí)行藥品出庫任務(wù)，從而提升 BDC 的整體運(yùn)轉(zhuǎn)效率，智能處理突發(fā)問題，助力車間生產(chǎn)達(dá)到靈活可控的均衡生產(chǎn)狀態(tài)。
1.前 言
自黨的二十大以來，國家強(qiáng)調(diào)：“以科技創(chuàng)新和數(shù)字化變革催生新的發(fā)展動力”，各行各業(yè)為貫徹這一重要指導(dǎo)精神，都在通過全方位的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，謀求新時(shí)代下的數(shù)字紅利，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)向數(shù)字經(jīng)濟(jì)的升級[1]。
在制藥制造領(lǐng)域，自動化立體倉庫已得到廣泛應(yīng)用。利用立體倉庫設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)倉庫高層空間的合理化利用，存取作用的自動化，以及操作流程的簡便化。自動化立體倉庫是當(dāng)前技術(shù)水平較高的倉儲形式[2]。其調(diào)度監(jiān)控與管理系統(tǒng)使計(jì)算機(jī)能夠全面控制自動化倉儲系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行過程、實(shí)現(xiàn)對物流信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理與跟蹤。物流信息管理包括作業(yè)計(jì)劃、作業(yè)調(diào)度、作業(yè)過程以及作業(yè)變更。
然而，目前的技術(shù)尚缺乏智能化應(yīng)用。在出現(xiàn)突發(fā)故障時(shí)，仍需要人工判定處理；并且無法根據(jù)實(shí)時(shí)變化的生產(chǎn)狀態(tài)自動優(yōu)化倉儲進(jìn)出策略。因此，本研究旨在開發(fā)一套集 WCS、MES 和IoT(物聯(lián)網(wǎng)平臺）于一體的智能化立體庫系統(tǒng)。
2.研究目的
本研究旨在開發(fā)一套制藥 BDC 的WCS，以實(shí)現(xiàn)庫內(nèi)藥品存儲分配、庫外空藥品載具轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)度及堆垛入庫邏輯分析處理、貨位狀態(tài)及藥品在庫信息統(tǒng)計(jì)、藥品進(jìn)出庫操作日志以及整個(gè)BDC 輸送設(shè)備與巷道堆垛機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等業(yè)務(wù)。
系統(tǒng)將與 MES 系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)訂單計(jì)劃線上自動獲取，根據(jù)藥品出庫序列執(zhí)行藥品出庫任務(wù)[3]。
系統(tǒng)上線后，通過最優(yōu)算法邏輯與高可靠自動化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及其他信息化系統(tǒng)高度集成[4]，提升 BDC 整體運(yùn)轉(zhuǎn)效率，通過合理的計(jì)劃和有效的組織助力車間生產(chǎn)，達(dá)到隨叫隨到、靈活可控的均衡生產(chǎn)狀態(tài)。
3.研究設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循明確的策劃流程：首先確立系統(tǒng)框架，接著明確系統(tǒng)語言，然后敲定核心邏輯與算法，繼而確認(rèn)運(yùn)行環(huán)境，最后確定輸出頁面的功能形式。詳細(xì)內(nèi)容請參閱下文。
3.1軟件系統(tǒng)框架
立體庫調(diào)度系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1 所示。
圖1 立體庫調(diào)度系統(tǒng)功能架構(gòu)圖
3.2軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)語言
本次開發(fā)采用前后端分離的方式進(jìn)行開發(fā)，前端采用 VUE2.0，后端采用 Java 開發(fā)，詳細(xì)描述如下：
前端：VUE2.0 + Element UI
后端：Springboot + mybatis
3.3關(guān)鍵核心邏輯及算法
系統(tǒng)的邏輯和算法相當(dāng)于人體的心臟，是本系統(tǒng)運(yùn)行的核心動力源。他們必須具備可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和安全性。這些要求被細(xì)分為立體庫庫位分配邏輯、出入庫邏輯和算法。具體細(xì)節(jié)制定詳見下文。
3.3.1 立體庫庫位分配邏輯
庫位分配邏輯構(gòu)成了所有邏輯的基礎(chǔ)。務(wù)必重視基礎(chǔ)邏輯的構(gòu)建，并清晰地定義功能以及后續(xù)的優(yōu)化目標(biāo)。具體細(xì)節(jié)詳見下文。
3.3.1.1 基礎(chǔ)邏輯
在進(jìn)行庫位分配時(shí)，允許自定義每個(gè)立體庫的每列庫位所存放的藥品類型。這些類型主要包括中藥、西藥以及全品類藥品，涵蓋了包括中藥、西藥、保健品在內(nèi)的所有藥品種類。當(dāng)庫位分配發(fā)生調(diào)整時(shí)，庫內(nèi)現(xiàn)有的藥品保持不動，而后續(xù)入庫的藥品將遵循更新后的庫位分配規(guī)則。
原則上，堆垛機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)遵循中藥和西藥的一出一入庫循環(huán)模式。具體來說，當(dāng)堆垛機(jī)處于空閑狀態(tài)時(shí)，會根據(jù)上一個(gè)任務(wù)的類型來決定下一個(gè)任務(wù)。例如，如果上一個(gè)任務(wù)是中藥出庫，那么接下來將分配西藥入庫指令。在執(zhí)行入庫指令時(shí)，系統(tǒng)會檢查對應(yīng)入口處的藥品是否到位，若藥品未到位，則跳過該指令；在執(zhí)行出庫指令時(shí)，系統(tǒng)會檢查對應(yīng)出口處是否有藥品阻塞，若存在阻塞，則同樣跳過該指令。當(dāng)某個(gè)立體庫的所有生產(chǎn)計(jì)劃操作都無法執(zhí)行時(shí)，堆垛機(jī)將被視為閑置，并執(zhí)行手動計(jì)劃（第二計(jì)劃）中的出入庫任務(wù)；否則，堆垛機(jī)將保持閑置狀態(tài)，直至生產(chǎn)計(jì)劃中有可執(zhí)行的指令。
3.3.1.2 功能描述
根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和訂單信息等因素，生成合理的調(diào)度指令。例如，根據(jù)訂單的緊急程度和生產(chǎn)線的產(chǎn)能等因素，確定藥品的優(yōu)先級和運(yùn)輸順序。同時(shí)，考慮運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和倉庫的存儲能力等因素，確保調(diào)度指令的可行性和高效性。
3.3.1.3 優(yōu)化目標(biāo)
基于生產(chǎn)計(jì)劃和出入庫任務(wù)序列，構(gòu)建叉車調(diào)度目標(biāo)函數(shù)，求解出中藥和西藥的出入庫最佳執(zhí)行順序，并輸出任務(wù)調(diào)度序列。目標(biāo)是提高叉車?yán)寐?，減少叉車空閑和等待時(shí)間，已實(shí)現(xiàn)叉車運(yùn)行效率的最大化和總體運(yùn)行時(shí)間的最短化。
3.3.2 出入庫邏輯
出入庫邏輯作為核心執(zhí)行邏輯，其效率、嚴(yán)謹(jǐn)性和擴(kuò)展性至關(guān)重要。該邏輯細(xì)分為入庫邏輯和出庫邏輯兩部分，詳細(xì)內(nèi)容參閱下文。
3.3.2.1 入庫邏輯
當(dāng)西藥或中藥到達(dá)立體庫的入庫轉(zhuǎn)臺時(shí)，調(diào)度系統(tǒng)會請求藥品信息。MES 系統(tǒng)隨后會確認(rèn)該藥品是否需要入庫（大部分藥品都是需要入庫的）。如果入庫，入庫調(diào)度算法將計(jì)算出藥品應(yīng)該停放的巷道和庫位，并將巷道號發(fā)送給 PLC（可編程邏輯控制器），并記錄相關(guān)信息，并鎖定庫位以待藥品入庫時(shí)放置。對于直通藥品，系統(tǒng)會直接向PLC 發(fā)送直通指令。如果該藥品信息與入庫計(jì)劃不符，則系統(tǒng)會在該處停臺并發(fā)出報(bào)警。當(dāng)藥品到達(dá)入口后，執(zhí)行入庫指令，將它存放到相應(yīng)的庫位。
3.3.2.2 出庫邏輯
嚴(yán)格按照 MES 系統(tǒng)下發(fā)的出庫計(jì)劃執(zhí)行。當(dāng)庫存不滿足設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)會請求出庫序列。若無出庫序列，系統(tǒng)將發(fā)出警告，并持續(xù)更新出庫序列。
系統(tǒng)策略如下：
● 根據(jù)庫存情況請求 MES 系統(tǒng)生成出庫序列；
● 按照出庫序列進(jìn)行出庫操作，將出庫序列信息下發(fā)到 PLC，由 PLC 按順序進(jìn)行出庫操作；
● 根據(jù)設(shè)定的報(bào)工點(diǎn)進(jìn)行報(bào)工；
● 針對出庫計(jì)劃，自動執(zhí)行的出庫操作將按照創(chuàng)建訂單的時(shí)間順序與MES 系統(tǒng)自動生產(chǎn)的計(jì)劃進(jìn)行排序。當(dāng)庫存為零時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出告警；
● 系統(tǒng)具備自動插隊(duì)功能。
3.3.3 算法
在算法系統(tǒng)中，算法扮演著人類大腦的角色，是推動系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)、提升性能與智能化水平的核心引擎。其作用不僅體現(xiàn)在基礎(chǔ)功能實(shí)現(xiàn)上，更直接影響系統(tǒng)的效率、可靠性和競爭力。下文將詳細(xì)介紹。
（1）參數(shù)說明
Ik：第 k個(gè)巷道的藥品集合。K：巷道集合；
Jk：第 k 個(gè)巷道的庫位集合；
Ikcolours：第 k 個(gè)巷道的中藥集合；
Ikwhite：第 k 個(gè)巷道的西藥集合；
Ikothers：第 k 個(gè)巷道的第三類藥品集合；
Hoti：藥品 i 的熱度值；
Costki：第 k 個(gè)巷道的庫位 j 到入口與出口的成本；
Jkcolours：第 k 個(gè)巷道中藥庫位集合；
Jkwhite：第 k 個(gè)巷道西藥庫位集合；
Jkcommon：第 k 個(gè)巷道公共庫位集合；
Jkcoccupied：第 k 個(gè)巷道庫位被長期占用的庫位集合；
Qk：第 k 和巷道的叉車執(zhí)行任務(wù)隊(duì)列；
Qink：第 k 個(gè)巷道的入庫藥品序列；
Qkout：第 k 個(gè)巷道出庫的藥品序列；
jm：藥品 m 的存儲庫位，
。
（2）變量定義
xkij：值為 1 表示藥品 i 存儲在第 k個(gè)巷道的庫位 j 中。
（3）優(yōu)化目標(biāo)
滿足業(yè)務(wù)約束的同時(shí)，最小化叉車作業(yè)時(shí)間，同時(shí)增加藥品熱度懲罰項(xiàng)。
（4）約束條件
約束 1 ：中藥存儲的庫位號需屬于中藥庫位集合，西藥庫位號屬于西藥庫位集合。第三類藥品可以存儲在中藥、西藥或保健品的庫位集合中。
約束 2 ：一個(gè)藥品只能存儲于一個(gè)庫位。
約束 3 ：不在出庫隊(duì)列里的已經(jīng)占用的庫位不能再分配藥品。
約束 4 ：針對隊(duì)列順序中要出庫的藥品對應(yīng)的庫位，按隊(duì)列順序在出庫藥品前入庫的藥品不能分配該庫位。
（5）算法輸入
每個(gè)叉車調(diào)度順序 Qk。
（6）算法輸出
每個(gè)叉車調(diào)度順序 Qk。
Qk為每個(gè)叉車要執(zhí)行的任務(wù)隊(duì)列。
任務(wù)信息包括：任務(wù)類型（入庫或出庫），入庫藥品的 VIN，所屬巷道和藥品位置信息。
（7）算法求解流程
步驟 1
初始化：設(shè)定入庫藥品熱度值，庫位距離信息及庫存信息。
步驟 2
構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)：目標(biāo)是最小化叉車作業(yè)時(shí)間。
步驟 3
構(gòu)建業(yè)務(wù)約束：基于業(yè)務(wù)約束構(gòu)建約束條件。
步驟 4
求解：在滿足所有約束條件下，求解出最佳庫位存儲策略，使得目標(biāo)函數(shù)值最小。
3.4系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境
本系統(tǒng)采用單體架構(gòu)部署方式，性能瓶頸主要受服務(wù)器內(nèi)存和具體接口計(jì)算復(fù)雜度的影響。適用于處理每秒查詢量（QPS）在 100 ～ 500 之間的相對簡易的應(yīng)用場景。
3.5基礎(chǔ)頁面功能設(shè)計(jì)
3.5.1 立體庫總覽（見圖2）
圖2 立體庫總覽圖
支持按藥品分類（顯示各品類數(shù)量）、按批次（顯示所有批次數(shù)量）、按訂單類型（包括預(yù)定單、正常單、加急單）進(jìn)行篩選。
● 通過平面圖展示目前各個(gè)立體庫的庫存狀態(tài)及各類型藥品的數(shù)量；
● 通過不同顏色顯示立體庫中各藥品在立體庫中的停放時(shí)長；
● 以日、周、月為時(shí)間段統(tǒng)計(jì)立體庫的出入庫藥品數(shù)量和節(jié)拍對比；
● 統(tǒng)計(jì)庫中中藥和西藥，以及出庫變化趨勢；
● 統(tǒng)計(jì)各個(gè)立體庫中的車位占用比例；
● 還可以通過庫位的使用頻次來統(tǒng)計(jì)庫位的使用頻繁程度。
3.5.2 立體庫管理
立體庫管理屬于系統(tǒng)的功能性的輸出，必須簡單、全面、直觀、易操作。具體詳見下文：
● 顯示選擇的立體庫的平面圖，包括藥品的物料號、堆垛機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)、各庫位的狀態(tài)，實(shí)時(shí)的報(bào)警信息以及庫位的統(tǒng)計(jì)信息；
● 通過掃碼標(biāo)識顯示各庫位的分配狀態(tài)，例如，中藥庫位、西藥庫位、全品庫位，以及庫位的正常和異常狀態(tài)；
● 顯示庫位占用統(tǒng)計(jì)；
● 點(diǎn)擊【入庫規(guī)則】顯示入庫規(guī)則配置界面（見圖3）；
圖3 入庫規(guī)則配置界面圖
● 點(diǎn)擊【出庫規(guī)則】顯示出庫規(guī)則設(shè)置界面。
根據(jù)藥品出庫原則，可選擇庫位占用時(shí)間最長的藥品進(jìn)行出庫，或者遵循最近入庫先出的原則。
3.5.3 立體庫分析
對于立體庫出入情況，要求可直觀簡單分析，以便為是否需要更改生產(chǎn)計(jì)劃或變更出入庫邏輯做好論證基礎(chǔ)。具體而言，可以通過圖表查看出入庫詳情。
圖4 出入庫訂單詳情頁面圖
4.結(jié)論與價(jià)值
本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)研究目的后成功上線，通過運(yùn)用最優(yōu)算法邏輯與高可靠的自動化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及其他信息化系統(tǒng)的高度集成。這顯著提升了 BDC 的整體運(yùn)轉(zhuǎn)效率，并通過合理的計(jì)劃和有效的組織，支持了車間生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了隨需應(yīng)變、靈活可控的均衡生產(chǎn)狀態(tài)。
4.1結(jié)論
本研究旨在開發(fā)適用于制藥車間的智能立體庫系統(tǒng)。經(jīng)過 9 次升級優(yōu)化，系統(tǒng)運(yùn)行已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某制藥項(xiàng)目的前中期階段，提前識別并解決了立體庫對線體產(chǎn)能的潛在影響。通過實(shí)驗(yàn)，我們確定了最合理的庫位數(shù)量，并調(diào)整優(yōu)化了進(jìn)出庫策略。此外，在后期的實(shí)際生產(chǎn)中，該系統(tǒng)也展現(xiàn)了其智能化處理的能力。
4.2價(jià)值
此立體庫系統(tǒng)的價(jià)值不僅體現(xiàn)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面，更深刻影響著企業(yè)運(yùn)營、社會效率和人類生活方式的變革。以下是其核心價(jià)值的結(jié)構(gòu)化分析，結(jié)合數(shù)據(jù)與案例說明：
● 經(jīng)濟(jì)價(jià)值：通過系統(tǒng)優(yōu)化，最終減少了 30 個(gè)庫位，節(jié)約了約 20 萬元的配套設(shè)備及材料成本；同時(shí)減少了 59 個(gè)藥品載具，直接節(jié)省了 8 萬元的經(jīng)濟(jì)成本。這些成果在后續(xù)的實(shí)際生產(chǎn)中得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。
● 風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值：在設(shè)計(jì)和輸送方案中提前識別出 7 個(gè)潛在瓶頸點(diǎn)，并提出了最合理的解決方案。同時(shí)，驗(yàn)證了最佳緩存位數(shù)量，有效降低了方案風(fēng)險(xiǎn)，確保了風(fēng)險(xiǎn)可控。
● 能效價(jià)值：通過實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)過程并實(shí)施智能決策，系統(tǒng)能夠迅速且準(zhǔn)確地解決突發(fā)問題，從而減少損失[5]。
● 成本價(jià)值：整個(gè)過程周期短，所需人力少，具有廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值。
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本文作者趙爽1、趙久龍2、張瀚文1，1.長春雷允上藥業(yè)有限公司、2.機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，僅供交流學(xué)習(xí)。
來源：制藥工藝與裝備
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