RFID IoT-enabled warehouse for safety management using product class-based storage and potential fields methods

（Excerpt）

Abstract: Security and risk management in warehouses and logistics is a key factor to achieve a sustainable and safe supply chain. The paper aims at proposing RFID-IoT-enabled warehouse management focused on safety assurance for goods and people leveraging product class-based storage (pCBS), communicating object, RFID and IoT components.Security issues between products,storage locations, transportation equipment, environment and people are handled with the use of potential fields methods associated with smart product management in RFID-IoT warehouse architecture. A dynamic calculation of suitable storage locations s proposed, founded on negotiation mechanisms between products and shelves and their availability and compatibility constraints according to pCBS method. A safe and secure product storage path discovery method is presented using attractive/repulsive potential fields for path minimisation while maximising security level along the way. A multi-agent-based simulation with NetLogo demonstrates the effectiveness of the proposal allowing to achieve safe warehouse management by using smart product reactivity against critical risks.

1 Introduction

Nowadays, design and operation of warehouses play an important role in the whole supply chain system. For this reason, many researchers have dealt with its problems not only by mathematical modelling but also by artificial intelligence methods and collaborative-based negotiations architectures (Vrysagotis and Kontis, 2011). The crucial goal and key issue for reducing the logistics costs is guaranteeing effective warehouse management (Giannikas et al., 2013). In this context, the two most important aspects to be considered are inventory management and optimal product allocation. The optimal product allocation during storing operations can bring down the storage costs by reducing inventory levels, while maintaining defined service levels (Sanei et al., 2011).

According to sustainable and safety policies, the risks of major accidents in warehousing operations are challenging owing to the handling and storing of hazardous products, as well as product to productrsquo; interaction and human exposure. The concept of safety consciousness system was introduced in De Koster et al. (2011) with the aim of guaranteeing warehousesrsquo; safety performance and avoiding fatal accidents. An efficient product allocation in the warehouse, in terms of costs and safety, can reduce retrieval and storage times, while balancing different activities in warehouse.

The presented work aims at providing a novel solution for smart logistics and security issues in warehouse management system (WMS) with the use of constraint-based negotiation mechanisms supported by communicating objects approach in an internet of things (IoT) background for hazardous industrial context and green environmental issues (Trab et al., 2015). This research work is conducted in a joint industry – university research and development program with the chemical industry.

The paper is organised as follows: in Section 2, related challenges and trends in WMS are detailed, Section 3 presents security issues in WMS and Section 4 explains how a product will be considered as a communicating object using RFID and IoT infrastructure. Section5 presents a multi-agent-based simulation of product class-based storage. Finally, Section 6 gives conclusion and prospects of future work.

2 Challenges and trends in WMS

Many researchers have focused their research works on major operations in warehousing which involve the receiving, storing, picking and shipping stages to facing the challenges on solving critical issues caused by the fast changing in received orders and customers references.

The increase of special characteristics related to huge orders size and products variety along with shorter response-time requests or changes after the initial creation and placement of the order creates disruption in the warehouse managing process (Giannikas et al., 2013).

Distributed and adaptive strategy was proposed to resolve the dynamic picking and storage location assignment problems (Tsamis et al., 2015). Such approach is reinforced by the use of the concept of intelligence embedding on product, in addition with the use of an agent-based modelling framework for the process logic control. The product takes an active role in the decision process for its own storage-location assignment by means of collaboration and negotiation mechanisms, along with scenarios dynamically and automatically played out with the surrounding shelves, resources, other products, and operators. This trend of product empowerment offers tremendous opportunities to tackle the challenging issues in WMS caused by the product allocation problem, high diversity of products, the security/compatibility constraints between products and operators for a safe environment. The IoT approach with its underlying associated technologies (RFID,wireless sensors network –WSN) offers suitable solutions and infrastructures for collaborative warehouse management. For this reason, many researchers have dealt with the use and improvement of WSN (Shang, 2012; Longo et al., 2015; Kostantos et al., 2015) and RFID technologies (Li et al., 2015; Cai et al., 2015) in many domains fields.

2.1 Product allocation problem

The product allocation problem in a warehouse consists of allocating products to different slots of shelves situated in the repository while on one hand minimising the handling costs and on the other hand maximising space utilisation. The basic principle is that the high demand products have to be allocated in the shelf slots closer to the in/out doors in order to reduce the total time for the handling operations (Guerriero et al

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译文

基于产品类别存储和势场法对支持RFID物联网的仓库进行安全管理

（节选）

摘要：仓库和物流的安全与风险管理是实现可持续和安全供应链的关键因素。本文旨在提出支持RFID物联网的仓库管理，重点是利用基于产品类别存储(pCBS)、通信对象、RFID和物联网组件来保证商品和人员的安全。产品、存储位置、运输设备、环境和人员之间的安全问题，都是通过使用与智能产品管理相关的势场法来处理的。本文根据pCBS方法，基于产品与货架之间的协商机制及其可用性和兼容性约束，提出了一种动态计算合适存储位置的方法。提出了一种安全可靠的产品存储路径发现方法，该方法利用吸引/排斥势场实现最小化路径，同时最大限度地提高安全水平。本文使用NetLogo软件进行的多主体仿真模拟证实了该方法的有效性，该方案允许通过使用智能产品反应性来应对关键风险，从而实现安全的仓库管理。

关键词：基于产品类别存储、势场法、通信对象、物联网、RFID、协商机制；仿真；NetLogo。

1介绍

目前，仓库的设计和运营在整个供应链系统中发挥着重要的作用。因此，许多研究人员不仅通过数学建模，还通过人工智能方法和基于协作的谈判架构来解决其问题(弗里萨戈蒂斯和康蒂斯，2011)。降低物流成本的关键目标和关键问题是保证有效的仓库管理(吉安尼卡斯等人，2013)。在这种情况下，需要考虑的两个最重要的方面是库存管理和最佳产品分配。在存储操作期间的最佳产品分配可以通过降低库存水平来降低存储成本，同时保持原有的服务水平（萨内等人，2011）。

根据可持续和安全政策，由于危险产品的处理和储存，以及产品之间的相互影响和人为接触，仓储作业中重大事故发生的风险很大。德科斯特等人（2011）引入了安全意识系统的概念，旨在保证仓库的安全性能，避免发生致命事故。从成本和安全方面而言，在仓库中进行有效的产品分配可以减少检索和存储时间，同时平衡仓库中的不同活动。

本文旨在为仓库管理系统（WMS）中的智能物流和安全问题提供一种新的解决方案，在物联网（IoT）背景下，使用基于约束的协商机制，以解决危险工业环境和绿色环境问题(特拉布等人，2015)。这项研究工作是在一个与化学工业联合的工业-大学研究与开发项目中进行的。

本文的组织结构如下：第2节详细介绍了WMS中的相关挑战和趋势，第3节介绍了WMS中的安全问题，第4节解释了如何将产品作为使用RFID和物联网基础设施的通信对象。第5节介绍了一个基于产品类别存储的多主体的仿真模拟。最后，第6节给出了结论和未来工作的展望。

2 WMS面临的挑战和趋势

许多研究人员的研究工作集中在仓储的主要业务上，包括接收、储存、拣选和运输，以解决因订单和客户参考资料快速变化而引起的关键问题。

与巨大订单规模和产品种类相关的特殊特性的增加，以及在初始创建和放置订单后需要更短的请求或更改响应时间，都会造成仓库管理过程的中断（吉安尼卡斯等人，2013）。

为解决动态拣选和存储位置分配问题，察米斯等人（2015）提出了分布式和自适应策略。通过在产品上嵌入智能概念，以及使用基于主体的过程逻辑控制建模框架，这种方法得到了加强。通过协作和协商机制，产品通过协作和协商机制在自己的存储位置分配的决策过程中发挥积极作用，并能够与周围的货架、资源、其他产品和运营商一起动态和自动地执行。这种产品授权的趋势为解决WMS中由产品分配问题、产品多样性、产品与运营商之间的安全/兼容性限制所造成的问题提供了巨大的机会。物联网方法及其底层相关技术(RFID、无线传感器网络-WSN)为协作式仓库管理提供了合适的解决方案和基础设施。因此，许多研究人员在许多领域研究了WSN（尚，2012；隆哥等人，2015；科斯塔托斯等人，2015）和RFID技术（里等人，2015年；卡伊等人，2015年）的使用和改进。

2.1产品分配问题

仓库中的产品分配问题包括将产品分配到仓库中不同的货架槽中，一方面需要将处理成本降至最低，另一方面需要最大限度地提高空间利用率。其基本原则是，高需求的产品必须分配在更靠近室内/室外的货架槽中，以减少搬运操作的总时间(格雷罗等人，2013)。从一般范围来看，产品分配问题可以通过考虑有关存储区域（仓库的布局）、存储货架和插槽（位置、数量、大小、可达性、可用性、尺寸等），产品供应的需求、数量和时间的信息来形式化。许多研究工作都在使用集中和分散的方法来解决这个WMS问题。

首先，为了改善集中化WMS(奥兹坎等人，2011)，他们试图在零售部门案例研究中解决仓库位置问题。他们采用了一种精确计算仓库灰色关系等级的方法，对仓库产生影响的最佳选择将取决于其重要等级顺序。格雷罗等人（2013）详细介绍了一种针对具有兼容性约束的仓库的产品分配问题的数学方法。普拉克巴等人（2009）使用浮动库存分配概念，利用多式联运，在零售商产生需求之前就在供应链中部署库存。通过这种方式，可以减少响应时间，也可以通过生产产品来降低存储成本。

其次，为了改进分散和协作的仓库管理(吉安尼卡斯等人，2013)，使用了智能产品(IP)范式，以应对WMS改进所需的不同挑战。这是IP概念首次用于WMS环境，以改进存储位置分配和拣选操作的调度和控制。与经典的集中化WMS相比，基本分布的IP方法在高不确定性和不可预测的事件、变化和中断发生时表现更好。IP方法可以降低供应链运营成本(特伦特苏克塞尔.，2013)，但也意味着与管理IP数量的增加直接相关的复杂性的增加。使用智能产品概念的优点是可以确保接近物质世界的信息、通信和决策能力。这减少了决策延迟，提高了解决局部动态中断的效率，同时避免了集中所有信息的固有风险。如雷亚迪等人（2015）提出的那样，基于IoT基础设施部署的自底向上的方法可以利用系统反应性来实现订单，包括在协同仓储环境中的提货-包装-运输阶段。

然而，以往的工作缺乏对产品分配决策过程中的安全考虑。

2.2兼容性约束

与产品分配操作相关的最典型的约束条件是指货架和插槽容量、浮动位置大小、小车容量、存储时间、产品兼容性和产品分配策略。因此，在存储操作的实际环境中，应该会出现许多限制。许多研究工作都集中在具有兼容性约束的产品分配上。在察米斯等人（2015）中，巧克力储存的情况被解释为牛奶巧克力和黑巧克力产品不应该分配在相邻的槽中以维持其质量。这种情况也发生在化学产品的危险工业仓库（邹因奇.，2011）或核反应堆(哈桑，2007)中，这些仓库必须重视产品之间的不兼容性。在我们的工作环境中，化学产品在接触时可能会发生剧烈的反应。因此，它们必须单独存储。要采用的存储策略包括避免在相邻的插槽中分配不兼容的产品，然后建立隔离策略(加西和马蒂厄，2012)。在这项工作中需要解决的约束不仅涉及产品之间的兼容性，而且还涉及浮动位置大小的最小化。实际上，浮动位置问题是一个分配问题，其中一个项目可以被分配在许多位置（浮动位置）。然而，要分配的项目和位于可能分配位置的相邻槽中的产品之间的兼容性测试代表了减少浮动位置问题的最优解决方案。

2.3基于产品类别的存储

仓库中的总体风险问题必须考虑许多因素，如产品的性质、产品之间的相互作用、人员与产品之间的交互、产品的移动、产品的处理和操作以及产品的位置。

利用多标准的方法对产品进行分类，将有助于优化执行和保证货物和人员安全的整体方程式中的输入因素。

基于类的存储(CBS)的实施决策对所需的存储空间和仓库中的材料处理成本有重大影响(穆帕尼和阿迪尔，2008年)。

彼得森和阿斯（2004）采用CBS方法，根据需求将库存单元(SKU)划分为存储类别，并在每个存储类区域内随机分配存储位置。本研究比较了CBS与手动订单拣选仓库的随机存储和基于卷的存储(VBS)的性能影响。他们通过检查存储类的数量、选择列表大小、存储类的分区策略和仓库中的存储实现策略的影响来探索CBS。该结果支持了先前的研究，表明CBS和VBS之间的性能差距随着存储类数量的增加而减小。然而，这并不意味着应该使用更多的类。结果证实，一个简单的两类系统获得了基于数量的政策所提供的近80%的好处，这需要更多的时间和精力来正确地管理。因此，使用适当的划分策略会降低完成时间。此外，CBS的节省可以通过最优或简单的遍历路由来实现。该研究还表明，存储实现策略（即选择如何将存储类分配到存储位置）对CBS的成功实现有重大影响。无论存储类的数量或选择列表的大小如何，通道内策略都优于其他存储实现策略。本研究的结果对订单的履行和配送中心的管理者具有重要的意义。CBS比VBS更容易实现，因为它不需要按数量排序的SKU的完整列表，而且它比VBS策略需要更少的时间来管理。相反，SKU只需要根据其预期的需求水平被划分为几个存储类。此外，本研究还表明，使用存储实现和类分区策略可以轻松地实现CBS。此外，CBS的有效性可以通过使用遍历路由来实现，遍历路由是当今仓库中最广泛使用的路由方法，因为它易于使用，并且提供了接近最优的性能。

当产品组合成更少的类，高活性产品（定义为高拣选活动水平，这通常证明自动化的订单拣选系统与自动化物料处理系统）占据了一个不太理想的位置，而当产品到达时可能无法获得溢价（格拉夫等人，1977）。当低活动产品到达时，情况可能会发生相反的情况(由专门为小型操作的自动化或复杂的存储和拣选设备定义。主要用于地板存储、堆放托盘、常规货架和手动处理)。因此，如果分配了相同数量的存储位置，与将产品合并为更少的类别相比，n类策略产生的平均拣选距离更小(弗朗西斯等人，1992)。

根据另一种观点（昂等人，2012）提出的稳健优化存储分配模型，该模型使用具有随机需求的存储类的预定方向。他们声称，这个模型在存储分配方面比现有的启发式模型表现得更好。

仓库的风险管理是保证全球供应链关键部分安全的一个重要问题，我们综合文献和进行的现场实践表明，目前大多数仓库管理方法仍然没有考虑到SKU的风险级别分类。

塞迪洛-坎波斯和塞迪洛-坎波斯（2015）提出了一种名为w@reRISK的方法来分析在仓库中储存的SKU的安全风险。因为风险分析不仅涉及事实数据，而且还涉及感知，该混合方法是基于SKU的ABC分类法，将库存分为三类——“A类”需要严格控制和准确记录，“B类”比“A类”的要求低一些，“C类”只需简单控制和简单记录。ABC分析提供了一种机制来确定将对总体库存成本产生重大影响的项目，同时也提供了一种机制来确定需要不同管理和控制的不同类别的库存。

w@reRISK方法包括SKU的安全风险等级分类，指出高风险和低风险之间的34个标准，第一级对应SKU的物理特征和使用（产品损失、人员损失、财产损失），第二级对应与SKU的物理特征和潜在非法使用（恐怖主义、物资走私、人口走私）直接相关的风险。

由于它的全局视野，该方法不仅可以用于分类SKU，还可以用于分类那些必须存储或放置在物理空间（码头、物流平台等）的任何类型的物理物品（托盘、容器等）。该方法的通用性提供了重要的灵活性，可以适应用户的特定需要。此外，由于其逻辑方法，它容易成为自动化信息工具，轻松减少仓库的安全漏洞。

2.4产品跟踪和监控

实现物联网的第一步是收集有关物理环境（例如，温度、湿度、亮度等）或者有关物体（例如，特征、状态、能级）的信息。数据采集包括使用与传感器、摄像头、GPS终端相连的不同传感技术，而数据采集通常通过短程通信完成，短程通信可以是开源标准解决方案，也可以是专有解决方案。

例如，我们可以想象一个仓库，它有冷藏和冷冻的部分，客户希望确保他们收到的货物保存在规定的温度范围内。温度传感器可嵌入纸箱或托盘中，并可在整个储存和运送至客户现场的过程中按时间段显示货物的温度。仓库经理们都不希望自己负责的仓库在温控上出现差错。

RFID技术的一个基本作用是，它允许识别物体、人或动物并存储有关它们的信息，然后通过无线通信将其传输到其他电子设备上（芬肯泽勒，2003年；加德等人，2010年）。RFID系统由两个主要组件组成：标签和阅读器。标签直接应用于一个对象，并通过电子产品代码(EPC)唯一地识别它，而阅读器是从标签中收集数据并将其传输到互联网世界的部分。被动标签价格低廉，体积小，而且使用寿命长。它们的主要缺点是，标签阅读器的传输区域非常有限，从低频/高频波的几厘米到超高频波的几米。虽然提供电池电源的有源标签可以覆盖更远的距离、有更复杂的操作（例如，它们可能安装了传感器来监测环境），但处理能力仍然很差，仅限于基本的传感器计算。

在过去的十年里，已经出现了一种基于无线传感器网络(WSN)的物联网发展的基本技术。WSN是一种强大的技术，无线传感器网络是一种功能强大的技术，用于收集和处理从环境监测、工业制造到智能农业等众多领域的数据。市场上有许多用于快速开发和原型设计的解决方案，如Arduino、Waspmote、Beagleboard等。传统的无线传感器网络由大量部署在一个区域的静态和资源受限的传感器节点组成，以感知某种现象，如温度和湿度。传感器通常由小电池供电，使用寿命有限，计算和存储能力不足。感知数据通过多跳通信无线传输到一个或一小组接收节点，这些节点是更强大的设备，收集到的信息也更为详细。最近，带有移动元素(MEs)的WSN越来越受欢迎。在这种情况下，MEs在网络中移动，并在传感器接触时从传感器中收集数据。因此，网络密度降低，形成稀疏的WSN（即，传感器节点无法直接通信），能量消耗在网络中的分布更加均匀，网络寿命也得到增加。

物联网基础设施将RFID技术与WSN、通信对象范式和多智能体系统(MASs)联系起来。RFID技术在物联网基础设施中的通信手段和供应链数据成本起着重要作用（利姆等人，2013）。杨和叶（2014）提出了利用RFID结合物联网和云计算的方法。它旨在实现产品自动识别，获取所需的产品和仓库

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