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王繼祥:軟件定義硬件時代即將來臨

發布時間:2019-04-02

編者按:隨著現代物流進入智慧時代,未來物流裝備技術發展將重點體現在智慧的進化上。   

一、物流硬件技術即將面臨重大變革 

近年來,智慧物流獲得了快速發展,從智慧物流執行系統來看,物流技術裝備正全面向智能化方向進化。2018年11月上海舉辦的CeMAT亞洲國際物流技術與運輸系統展覽會上,物流自動化設備展臺最多,智慧物流是最大的亮點。甚至個人感覺物流機器人市場已經出現過熱,資本過度介入已出現泡沫化趨勢。 

我在最近演講中有一個基本判斷,就是中國智慧物流的思維系統已經進入了數字化階段,正在向程控化階段進化,未來是全面智慧化。當智慧物流思維系統向程控化階段發展的時候,物流技術裝備硬件系統就必然呈現思維與執行的融合,向智能硬件進化,其中智慧物流思維系統將逐步成為硬件系統的大腦,成為硬件系統的控制中樞,成為硬件系統進化與升級的主導。 

我們知道,人類進入智慧化階段后,最主要的進化就是我們的大腦軟件系統進化了。幾千年來,我們的手與腳的執行系統幾乎沒有多大進化,甚至還有一定的退化,但是我們的大腦卻飛速進化,成為我們人的主導系統,可以講:人類的大腦系統才是人的本質,決定了你是你,我是我,而不是人類的軀體(臭皮囊)決定的。 

從物流硬件角度看,物流機器人和各種自動化設備都是智慧物流體系中的執行系統,很多產品十幾年前就已經出現,并在工業領域獲得應用。多年來除了機器性能不斷提高以外,基本功能也沒有更多的顛覆性變革了。那么,當物理世界進入到智慧階段,未來的主體進化路徑是不是也會切換到“軟件系統”,軟件程序全面控制物流系統運作,進入到程控化階段呢? 

201811月上海舉辦的CeMAT亞洲國際物流技術與運輸系統展覽會上,我們已經看到很多機器人系統的進化和技術亮點開始聚焦在導航系統進化、智能操控進化等方面了;很多輸送分揀系統已經開始推動功能模塊化、系統靈活組合,向更智能的柔性化方向發展了;從最近菜鳥、京東發布的無人倉與智能倉技術進展上看,柔性自動化也已經成為一個發展方向了等等。種種跡象表明,我判斷的軟件定義物流硬件的時代即將來臨,這將是物流技術裝備業非常大的變革,會帶來很多顛覆式的創新。 

二、軟件定義物流硬件的基本特征 

軟件定義物流硬件的基本特征是硬件資源虛擬化,管理過程可編程,硬件智能可升級,系統維護智慧化。硬件資源虛擬化的過程就是硬件資源數字化的過程,因此數字物流是軟件定義物流硬件的基礎;管理過程可編程就是硬件資源調度和控制軟件化的過程;硬件智能可升級指的是硬件系統迭代進化可以通過實時升級軟件來實現;系統維護智慧化是的是硬件系統可以根據場景需求自動通過程序調動資源,可以預測性維護系統,可以異地維護系統,可以異地升級系統,讓硬件系統可以自我智慧升級。 

關于物流系統數字化的一個精確地概括性描述是:一切流程數字化,一切數字流程化,也就是說首先要實現物流流程數字化描述,通過對物流流程數據提取、分析、優化,再引導流程實現數字化作業。 

在物流硬件領域,我們按照物流作業功能模塊,可以把物流硬件按照物流功能抽象成虛擬資源,在此基礎上實現硬件資源虛擬化,通過編寫系統應用程序,對虛擬的、模塊化的物流硬件進行更開放、更靈活的智能管理調度,實現硬件智能化,硬件系統智慧化。這就是軟件定義物流硬件發展路徑。 

軟件定義硬件不僅僅是物流裝備行業的一個趨勢,在很多最早進入信息化與智能化的領域,軟件定義硬件早已成為主流創新趨勢,只不過我們司空見慣,日用而不知。 

如:計算機實際上就是操作系統給了你一臺軟件定義的計算機,向下通過計算機硬件資源的虛擬化管理各種各樣資源調度,向上通過管理功能編程提供各種計算機服務。此外,當我們的手機呈現電腦化趨勢,變成智能手機后,也是一個最經典由軟件定義的硬件產品了。在手機操作系統上安裝一個導航軟件就成為了導航儀,安裝了計步軟件成為了計步器,安裝計算軟件就成為計算器,安裝一個照相軟件就是照相機,通過管理功能的編程軟件可以把手機定義成很多產品,并可以不斷地系統升級。 

當然,軟件定義硬件還有很多經典例子和應用,我們物流裝備行業如果向軟件定義硬件方向發展,需要廣泛借鑒其他領域軟件定義硬件的創新模式,推動物流領域軟件定義硬件的創新與應用。  

三、軟件定義物流硬件的基本原則 

我認為推動軟件定義物流硬件創新,一定要注意采用硬件層、控制層與數據層邏輯分層的原則(不是物理分離)。如果把控制軟件與硬件融合,軟件完全固化在硬件系統中,雖然也可以實現一些功能判斷,但未來系統無法升級,物流硬件的大腦不能進化,將帶來嚴重的方向錯誤。如果把數據層與硬件層或控制層融合,也同樣會帶來很多問題。只有實現了控制層、數據層與硬件層邏輯分層,控制層系統軟件可以通過網絡系統鏈接互聯網,并可以對軟件系統隨時升級和迭代更新;數據層數據可以實時接收互聯網數據,實施識別自動感知的流程數據,隨時調動軟件處理數據,這樣的模式才是適合軟件定義物流硬件的發展路徑。 

1、硬件層:物流硬件虛擬化:在硬件層作業設施設備主要包括:倉儲設施、倉儲設備、貨運裝備、搬運設備等;按照單元化思想,物流設施設備資源的虛擬化是通過定義物流作業的標準功能模塊來實現的。 

隨著智慧物流發展,自動化與無人化等智能物流設備的硬件資源虛擬化更有意義。我們可以把機器人、無人機等獨立的終端設備按照現代最新的“智能物件”技術理念,定義為單元級智慧物流功能模塊,把由各類單元級智慧物流模塊編程組合的系統定義為系統級智慧物流模組,把網絡化和平臺化的智慧物流大系統定義為平臺型智慧物流系統。  

2、控制層:管理功能可編程:在控制層需要全面推動物流流程標準化和物流服務標準化,需要把物流知識和作業流程軟件化,實現管理功能可編程,對物流設施設備作業功能進行模組化編程和智能控制。控制層的可編程需要推動大數據應用,實現一切流程數據化,一起數據流程化。在編程過程中要全面應用人工智能的最新成果,需要借鑒各類適合于物流行業分析的數學模型研究成果,根據物流作業實際落地應用。 

3、數據層:一切流程數字化,一切數據流程化:把物流硬件資源虛擬化的數學模型可以采用現代數字孿生技術,即以數字化方式為物理對象創建的虛擬模型,來模擬其在現實環境中的行為。通過搭建整合物流作業流程中數字孿生物流系統,能實現從取貨、集貨、入庫、庫存管理、分揀、出庫、配送的全過程數字化,將物流模式創新、物流效率提升和智慧物流體系建設提升至一個新的高度。此外,數據系統開放,實時寫入預處理感知數據,依據狀態感知,進行實時分析與科學決策,為智慧物流系統精準執行打下基礎。 

4、執行層:萬物互聯,硬件覺醒:執行層首先需要實現萬物互聯,把控制層的軟件運行產生的智慧決策實時傳導到設施設備功能模塊,激發作業設施設備和作業對象等硬件資源的智慧覺醒,經過軟件的控制與賦能,對各類物流作業場景與應用環境實現智慧化管控,并推動物流網絡的天網與地網融合,實現全網運作的智慧化。 

四、軟件定義物流硬件的進化方向 

我認并首先要分析哪些物流裝備最適合向軟件定義硬件方向發展,并不是所有的物流產品都必須成為智能硬件的獨立單元。如托盤、貨架可以組成物流智能系統,但至少目前看這些產品還不具備成為物流智能硬件的獨立單元。但無人叉車、搬運機器人、配送機器人、無人卡車、物流輸送分揀設備等均是單元級的軟件定義物流硬件的最主要創新方向;智能倉儲系統與配送中心是系統級的軟件定義物流硬件創新方向;物流倉儲設施網絡、云倉資源系統均可以成為軟件定義物流設施的創新方向。 

從綜合角度看,軟件定義的物流硬件可以分為單元級、系統級和平臺級。  

通過軟件定義的單元級物流硬件。單元級物流硬件應該是具有不可分割性的智能物流硬件最小單元。可以是一個部件或一個產品;通過“一硬(硬件)”和“一軟(軟件)”構成“感知-分析-決策-執行”的數據閉環,具備了可感知、可計算、可交互、可延展、自決策功能的物流硬件。如:AGV、物流機器人、配送機器人、無人叉車等。 

通過軟件定義的系統級物流硬件系統,是“一硬、一軟、一網”有機組合。是多個最小單元的物流智能硬件,通過網絡實現更大范圍、更寬領域的數據自動流動,實現了多個單元級物流硬件的互聯、互通和互操作。系統級物流硬件基于多個單元級物流硬件的狀態感知、信息交互、實時分析,實現了局部自組織、自配置、自決策、自優化。如:由機器人、AGV小車、傳送帶等構成的智能物流系統是系統級智慧物流系統。 

通過軟件定義的平臺級智慧物流系統,是多個系統級智能硬件集成系統的有機組合,涵蓋了“一硬、一軟、一網、一平臺”四大要素,通過大數據平臺,實現了跨系統、跨平臺的互聯、互通和互操作,在全局范圍內實現信息全面感知、深度分析、科學決策和精準執行。菜鳥智慧物流系統、京東智慧物流系統具備了初級智能的平臺級智慧物流系統。 

五、軟件定義物流硬件的創新模式分析 

1、軟件定義無人叉車 

叉車AGV系統是符合軟件定義硬件的創新方向。在叉車上加載各種導引技術,構建地圖算法,輔以避障安全技術,可以實現叉車的無人化作業。其中叉車導引系統、構建地圖算法、安全避障系統、自動感知系統等是無人化叉車的技術進化主體,需要實現控制層、數據層、與硬件層的邏輯分層,可以實現相關軟件系統的迭代升級和不斷進化。 

叉車智能化技術是將數字化、網絡化和自動化等先進技術應用于傳統叉車,以提高駕駛安全、提高工作效率和降低保養維修費用等運營費用,實現更全面、準確的數據采集和分析應用,進而實現與其他物流設備、倉儲設備之間的互聯,從單一產品走向系統化應用的智能硬件系統。 

與傳統叉車相比,智能化和無人化叉車主要有四個方面的關鍵技術和應用優勢:一是叉車的感知技術,如車載超高頻RFID讀寫技術,與巷道標簽、貨位標簽、貨物標簽有效識別感知,實現出入庫系統自動確認。二是與信息系統調度指令的交互技術,最典型的是車載電腦和手持的應用,大大提高物流效率。三是叉車的各類傳感器的應用,如速度、重量、碰撞、溫度、油壓、電量等傳感技術,使得叉車總線控制數據更加豐富,配以系統安全預警,實現設備狀態的監控。四是將智能化叉車的位置、任務、狀態、效率等信息匯集“工業車輛遠程平臺”,進行大數據處理和輸出,實現叉車的遠程運維和租賃運營。 

作為獨立的智能單元的無人叉車,應該具有操作系統和計算系統,有軟件運算的內存和數據存儲空間,其智慧晉級方向是不斷升級控制系統軟件,優化導航系統,升級調度和運作的算法,通過軟件升級不斷進化大腦系統。當然,目前的智能叉車不僅僅需要軟件進化,更需要硬件的不斷進化。 

作為智能單元的無人叉車,還應該具有物聯網全面感知與硬件單元互聯與互操作功能,當多臺無人叉車組建叉車車隊系統時,可以實現系統級的進化,形成叉車車隊智慧系統;此外,叉車還應該可以與其他的物流智能硬件互聯互通與互操作。 

在上海CeMAT亞洲國際物流技術與運輸系統展覽會上,林德等許多叉車企業展示了自己的叉車智能硬件系統。 

2、軟件定義輸送分揀 

通過軟件定義的理念,可以讓物流分揀更智慧,讓分揀機械更智能。先進的智能物流輸送分揀系統應該是一個智慧化、相互高度協同的有機整體,它由許多個智能單元設備和智能零部件組成,在大數據分析和指導下,各個單元自主而協同地完成復雜任務。 

軟件定義智能分揀系統,首先需要將分揀系統按功能模塊分類,設計智能分揀模塊和智能零部件。智能零部件要包含感知系統實現可感知,使每個包裹成為可感知的智能網絡節點,實現自動識別物料、自動揀選物品,讓每件貨物沿著智能規劃后的路徑,找到工位上的操作人員。聰明的物流機器人就像貼心管家一樣,代替人工完成物流中心一系列繁瑣的揀選及搬運工序,高效省心。 

根據我的了解,目前中國智能輸送分揀領域,蘇州金峰物聯網、華南新海等企業正在大力推進的智能分揀系統功能的模塊化分類、管理過程的可編程調度,向根據不同的場景隨時排列組合成滿足需求的智能分揀系統方向發展,具有了軟件定義物流分揀系統的先進理念。 

在國際上,最近看到“軟件定義”思想在萬向細胞傳送帶Celluveyor上有充分體現,比較經典推薦給大家。這一技術是德國不萊梅大學生產與物流研究所(BIBA)創造性的發明,是一套極為靈活的模塊化輸送和定位系統,它借助單元化與軟件定義思想,實現了分揀系統的高度柔性化。一是以單元理念為基礎,設計了單元化的六邊形細胞模塊,每個模塊都包含了三個特定安排的全向輪,每個輪子都可以單獨和有選擇性的工作,便于被軟件控制與調用。二是將萬象細胞傳送到的模塊化智能硬件虛擬化,通過通訊網絡與控制系統(大腦)鏈接,通過對各個六邊形細胞模塊的編程控制,實現了各種分揀需求場景下的分揀方案自動生成,自動組合,自動運作。 

這個分揀系統具有如下優勢:  

一是輸送過程的靈活性,整體功能僅僅需要按一個鍵盤按鈕就可以進行調整和適應。不需要任何的機械改變,只需要簡單的軟件調整和升級。  

二是布局的靈活,添加和分離都極為容易。另外,其布局的變化完全依靠控制軟件的操作和調整,將可以大大減少停機時間。 

三是吞吐量的靈活性,你只需要通過增減模塊,就可以適應不同的運送量。  

四是運送對象的靈活性,輸送的對象可以是多種形狀和尺寸,僅僅只需要它擁有平坦的接觸表面即可五是維保極為方便,哪塊壞了會立馬被控制電腦偵測到,出問題的細胞模塊或被貨物繞行,而不影響整條線的持續運作。六是節能高效,只有在和貨物短暫接觸的時候才會運作耗能,機械部件之間的內部摩擦非常小,可以說是能源友好型系統的典范之作。 

再看一個具有軟件定義理念的一個輸送分揀系統的重大發明吧:不久前的歐洲最大自動化展會SPS IPC Drives上,德國倍福(beckhoff)發布了創造性的XPlanar平面輸送系統,該系統基于倍福的 TwinCAT 自動化軟件平臺來進行編程控制,移動托盤利用磁懸浮技術自由懸浮在由傳輸平面模塊拼接組成的任意形狀的傳輸平面上運動,可以實現極其靈活、精確且高動態的定位任務。每個模塊的尺寸為 240 x 240 mm,用戶可以根據具體的應用需要自由拼接成任意幾何形狀。每個平面模塊都配有完整而獨立的電子元器件,并支持 EtherCAT G 通信協議,動子托盤內集成了永磁體,因此其上方可以懸浮任意數量的動子。動子不僅可以水平運動,也可以垂直運動,甚至還可以上下晃動。 

XPlanar平面磁懸浮輸送系統的靈活度極高,可以在二維平面上進行無摩擦、無接觸的運動,最高速度可達 4 m/s,加速度可達 2 g,重復定位精度可達 50 μm;運行過程中幾乎不會產生任何噪音或機械磨損,動子托盤有四種不同規格可供選擇。該系統適用于通用機械制造領域,尤其適合用于實現包裝、裝配、分揀和訂單揀選過程的自動化。 

3、軟件定義物流機器人 

軟件定義物流硬件在物流機器人領域是引導創新的重要理念,物流機器人是一個智能單元,是由一硬(硬件)和一軟(軟件)組成,目前硬件在機器人設計中已經不占據主導地位了,機器人的軟件系統才是決定機器人水平高低的根本。 

機器人的軟件系統主要有控制系統、導航系統與計算系統,算法分為感知算法和控制算法,導航技術目前有定位導航、網絡調度、視覺輪廓的自然導航等等;機器人的智能作業包括搬運、分揀、拆垛、碼垛、上料、混雜物體分類。 

目前機器人在軟件系統進化很快,在3D視覺分辨、高速分揀、無序堆碼垛、復雜場景導航與調度等方面新技術不斷涌現。此外,通過一硬、一軟、一網集成的物流機器人作業系統也成為電子商務物流黑科技的關注焦點。 

4、軟件定義柔性自動化 

傳統的物流自動化系統具有整體性、系統性,具有牽一發而動全身的剛性,對物流自動化的實際應用帶來阻礙。如果一個物流處理量非常巨大的物流自動化配送中心,僅僅因為某一個零部件的損壞就可能帶來全系統的癱瘓,這對物流系統的應用方就是個災難。 

如何提升物流自動化柔性,讓物流自動化系統也具有智能,這就需要應用軟件定義理念,將硬件資源虛擬化,將管理過程可編程,實現軟件系統可以隨機、柔性的調度與管理整個物流自動化系統,實現物流作業場景的柔性切換和自動的調整,讓系統單個節點出現問題不影響整個系統。 

基于軟件定義物流硬件的理念,對物流系統采取模塊化設計,實現易搬遷與部署;通過排列組合式擴展,可以很快部署新的機器人與自動化設備,處理更多訂單,同時單節點出現故障不影響整個系統;通過業務流程的程序化管控與調整,可根據訂單商品的特點,不停地改變物流作業模式,以快速適應業務發展變化,讓物流作業更靈活和智能。 

根據報道,菜鳥無人倉就已經實現全鏈路柔性自動化。菜鳥利用了計算機的軟件定義硬件的思路,提出了模塊化的多區并行的自動化物流解決方案,將大數據處理框架映射到倉儲系統中,將倉儲作業中不同的分區、不同的作業模式,以及不同的自動化模式進行并行操作、并行生產后再合并打包出庫。 

軟件定義無人倉項目既不是純軟件工程,也不是純硬件工程,而是一個系統工程,從流程設計到硬件設計、軟件設計,都需要綜合考慮,才能夠實現高效率作業。物流柔性自動化技術具體包括軟硬件協同、端到端設計,以及可轉換性、魯棒性、靈活性等。 

大規模多智能體規劃和調度技術是柔性自動化的重要技術,智能規劃調度部分涉及的關鍵技術主要包括Swarm Intelligence(群體智能)、Resource Allocation(資源配置)、Path Planning(路徑規劃)、TrafficControl(流量控制)等,未來大規模智能體的技術會向群體智能方向發展。如:優化算法里的蟻群算法便是通過模擬螞蟻行為進行的算法——單個螞蟻不會搭橋,但是螞蟻之間可以互相搭橋讓其他螞蟻通過。這些概念可以引入智能體在倉庫中的應用,未來當每一個智能體有了足夠強大的智能導航及決策功能后,群體智能將成為柔性自動化技術的發展方向。 

軟件定義無人倉儲,實現柔性自動化物流作業,具有擴展性強、易部署、模塊化、算法高效智能、魯棒性強等突出優勢,將會對整個物流行業帶來巨大革命。 


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