本文以某制藥車間立體庫為研究對象，開發了一套適用于制藥 BDC（建設藥品分配中心）的 WCS（藥品庫控制系統），并集成了 MES（制造執行系統）。該系統實現了庫內藥品存儲分配、庫外空藥品載具轉運調度及堆垛入庫邏輯的分析處理；同時、它還能夠統計貨位狀態及藥品在庫信息、記錄藥品進出庫操作日志，并實施監控整個 BDC 輸送設備與巷道堆垛機。此外，系統能夠實現生產訂單計劃線上自動獲取，并根據藥品出庫序列執行藥品出庫任務，從而提升 BDC 的整體運轉效率，智能處理突發問題，助力車間生產達到靈活可控的均衡生產狀態。

 

1.前  言

 

自黨的二十大以來，國家強調：“以科技創新和數字化變革催生新的發展動力”，各行各業為貫徹這一重要指導精神，都在通過全方位的數字化轉型，謀求新時代下的數字紅利，實現從傳統工業經濟向數字經濟的升級[1]。

 

在制藥制造領域，自動化立體倉庫已得到廣泛應用。利用立體倉庫設備，可以實現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前技術水平較高的倉儲形式[2]。其調度監控與管理系統使計算機能夠全面控制自動化倉儲系統設備的運行過程、實現對物流信息的實時監控、管理與跟蹤。物流信息管理包括作業計劃、作業調度、作業過程以及作業變更。 

然而，目前的技術尚缺乏智能化應用。在出現突發故障時，仍需要人工判定處理；并且無法根據實時變化的生產狀態自動優化倉儲進出策略。因此，本研究旨在開發一套集 WCS、MES 和IoT(物聯網平臺）于一體的智能化立體庫系統。

 

2.研究目的

 

本研究旨在開發一套制藥 BDC 的WCS，以實現庫內藥品存儲分配、庫外空藥品載具轉運調度及堆垛入庫邏輯分析處理、貨位狀態及藥品在庫信息統計、藥品進出庫操作日志以及整個BDC 輸送設備與巷道堆垛機的實時監控等業務。

 

系統將與 MES 系統集成，實現生產訂單計劃線上自動獲取，根據藥品出庫序列執行藥品出庫任務[3]。

系統上線后，通過最優算法邏輯與高可靠自動化設備，實現調度系統、電控系統及其他信息化系統高度集成[4]，提升 BDC 整體運轉效率，通過合理的計劃和有效的組織助力車間生產，達到隨叫隨到、靈活可控的均衡生產狀態。

 

3.研究設計

 

設計應當遵循明確的策劃流程：首先確立系統框架，接著明確系統語言，然后敲定核心邏輯與算法，繼而確認運行環境，最后確定輸出頁面的功能形式。詳細內容請參閱下文。

 

3.1軟件系統框架

 

立體庫調度系統功能架構如圖1 所示。

圖1 立體庫調度系統功能架構圖

 

3.2軟件系統實現語言

 

本次開發采用前后端分離的方式進行開發，前端采用 VUE2.0，后端采用 Java 開發，詳細描述如下：

前端：VUE2.0 + Element UI

后端：Springboot + mybatis

 

3.3關鍵核心邏輯及算法

 

系統的邏輯和算法相當于人體的心臟，是本系統運行的核心動力源。他們必須具備可維護性、可擴展性和安全性。這些要求被細分為立體庫庫位分配邏輯、出入庫邏輯和算法。具體細節制定詳見下文。

3.3.1 立體庫庫位分配邏輯

庫位分配邏輯構成了所有邏輯的基礎。務必重視基礎邏輯的構建，并清晰地定義功能以及后續的優化目標。具體細節詳見下文。

3.3.1.1 基礎邏輯

在進行庫位分配時，允許自定義每個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、保健品在內的所有藥品種類。當庫位分配發生調整時，庫內現有的藥品保持不動，而后續入庫的藥品將遵循更新后的庫位分配規則。

原則上，堆垛機執行任務時遵循中藥和西藥的一出一入庫循環模式。具體來說，當堆垛機處于空閑狀態時，會根據上一個任務的類型來決定下一個任務。例如，如果上一個任務是中藥出庫，那么接下來將分配西藥入庫指令。在執行入庫指令時，系統會檢查對應入口處的藥品是否到位，若藥品未到位，則跳過該指令；在執行出庫指令時，系統會檢查對應出口處是否有藥品阻塞，若存在阻塞，則同樣跳過該指令。當某個立體庫的所有生產計劃操作都無法執行時，堆垛機將被視為閑置，并執行手動計劃（第二計劃）中的出入庫任務；否則，堆垛機將保持閑置狀態，直至生產計劃中有可執行的指令。

3.3.1.2 功能描述

根據生產計劃和訂單信息等因素，生成合理的調度指令。例如，根據訂單的緊急程度和生產線的產能等因素，確定藥品的優先級和運輸順序。同時，考慮運輸設備的運行狀態和倉庫的存儲能力等因素，確保調度指令的可行性和高效性。

3.3.1.3 優化目標

基于生產計劃和出入庫任務序列，構建叉車調度目標函數，求解出中藥和西藥的出入庫最佳執行順序，并輸出任務調度序列。目標是提高叉車利用率，減少叉車空閑和等待時間，已實現叉車運行效率的最大化和總體運行時間的最短化。

3.3.2 出入庫邏輯

出入庫邏輯作為核心執行邏輯，其效率、嚴謹性和擴展性至關重要。該邏輯細分為入庫邏輯和出庫邏輯兩部分，詳細內容參閱下文。

3.3.2.1 入庫邏輯

當西藥或中藥到達立體庫的入庫轉臺時，調度系統會請求藥品信息。MES 系統隨后會確認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，入庫調度算法將計算出藥品應該停放的巷道和庫位，并將巷道號發送給 PLC（可編程邏輯控制器），并記錄相關信息，并鎖定庫位以待藥品入庫時放置。對于直通藥品，系統會直接向PLC 發送直通指令。如果該藥品信息與入庫計劃不符，則系統會在該處停臺并發出報警。當藥品到達入口后，執行入庫指令，將它存放到相應的庫位。

3.3.2.2 出庫邏輯

嚴格按照 MES 系統下發的出庫計劃執行。當庫存不滿足設定閾值時，系統會請求出庫序列。若無出庫序列，系統將發出警告，并持續更新出庫序列。

系統策略如下：

● 根據庫存情況請求 MES 系統生成出庫序列；

● 按照出庫序列進行出庫操作，將出庫序列信息下發到 PLC，由 PLC 按順序進行出庫操作；

● 根據設定的報工點進行報工；

● 針對出庫計劃，自動執行的出庫操作將按照創建訂單的時間順序與MES 系統自動生產的計劃進行排序。當庫存為零時，系統會發出告警；

● 系統具備自動插隊功能。

3.3.3 算法

在算法系統中，算法扮演著人類大腦的角色，是推動系統功能實現、提升性能與智能化水平的核心引擎。其作用不僅體現在基礎功能實現上，更直接影響系統的效率、可靠性和競爭力。下文將詳細介紹。

（1）參數說明

Ik：第 k個巷道的藥品集合。K：巷道集合；

Jk：第 k 個巷道的庫位集合；

Ikcolours：第 k 個巷道的中藥集合；

Ikwhite：第 k 個巷道的西藥集合；

Ikothers：第 k 個巷道的第三類藥品集合；

Hoti：藥品 i 的熱度值；

Costki：第 k 個巷道的庫位 j 到入口與出口的成本；

Jkcolours：第 k 個巷道中藥庫位集合；

Jkwhite：第 k 個巷道西藥庫位集合；

Jkcommon：第 k 個巷道公共庫位集合；

Jkcoccupied：第 k 個巷道庫位被長期占用的庫位集合；

Qk：第 k 和巷道的叉車執行任務隊列；

Qink：第 k 個巷道的入庫藥品序列；

Qkout：第 k 個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個巷道的庫位 j 中。

（3）優化目標

滿足業務約束的同時，最小化叉車作業時間，同時增加藥品熱度懲罰項。

（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 ：一個藥品只能存儲于一個庫位。

約束 3 ：不在出庫隊列里的已經占用的庫位不能再分配藥品。

約束 4 ：針對隊列順序中要出庫的藥品對應的庫位，按隊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

每個叉車調度順序 Qk。

（6）算法輸出

每個叉車調度順序 Qk。

Qk為每個叉車要執行的任務隊列。

任務信息包括：任務類型（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：設定入庫藥品熱度值，庫位距離信息及庫存信息。

步驟 2

構建目標函數：目標是最小化叉車作業時間。

步驟 3

構建業務約束：基于業務約束構建約束條件。

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，使得目標函數值最小。

 

3.4系統運行環境

 

本系統采用單體架構部署方式，性能瓶頸主要受服務器內存和具體接口計算復雜度的影響。適用于處理每秒查詢量（QPS）在 100 ～ 500 之間的相對簡易的應用場景。

 

3.5基礎頁面功能設計

 

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（顯示各品類數量）、按批次（顯示所有批次數量）、按訂單類型（包括預定單、正常單、加急單）進行篩選。

● 通過平面圖展示目前各個立體庫的庫存狀態及各類型藥品的數量；

● 通過不同顏色顯示立體庫中各藥品在立體庫中的停放時長；

● 以日、周、月為時間段統計立體庫的出入庫藥品數量和節拍對比；

● 統計庫中中藥和西藥，以及出庫變化趨勢；

● 統計各個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計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、堆垛機的實時狀態、各庫位的狀態，實時的報警信息以及庫位的統計信息；

● 通過掃碼標識顯示各庫位的分配狀態，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；

● 顯示庫位占用統計；

● 點擊【入庫規則】顯示入庫規則配置界面（見圖3）；

圖3 入庫規則配置界面圖

● 點擊【出庫規則】顯示出庫規則設置界面。

根據藥品出庫原則，可選擇庫位占用時間最長的藥品進行出庫，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計劃或變更出入庫邏輯做好論證基礎。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.結論與價值

 

本系統在實現研究目的后成功上線，通過運用最優算法邏輯與高可靠的自動化設備，實現了調度系統、電控系統及其他信息化系統的高度集成。這顯著提升了 BDC 的整體運轉效率，并通過合理的計劃和有效的組織，支持了車間生產，實現了隨需應變、靈活可控的均衡生產狀態。

 

4.1結論

 

本研究旨在開發適用于制藥車間的智能立體庫系統。經過 9 次升級優化，系統運行已達到穩定狀態。該系統已成功應用于某制藥項目的前中期階段，提前識別并解決了立體庫對線體產能的潛在影響。通過實驗，我們確定了最合理的庫位數量，并調整優化了進出庫策略。此外，在后期的實際生產中，該系統也展現了其智能化處理的能力。

 

4.2價值

 

此立體庫系統的價值不僅體現在技術實現層面，更深刻影響著企業運營、社會效率和人類生活方式的變革。以下是其核心價值的結構化分析，結合數據與案例說明：

● 經濟價值：通過系統優化，最終減少了 30 個庫位，節約了約 20 萬元的配套設備及材料成本；同時減少了 59 個藥品載具，直接節省了 8 萬元的經濟成本。這些成果在后續的實際生產中得到了進一步驗證。

● 風險價值：在設計和輸送方案中提前識別出 7 個潛在瓶頸點，并提出了最合理的解決方案。同時，驗證了最佳緩存位數量，有效降低了方案風險，確保了風險可控。

● 能效價值：通過實時監測生產過程并實施智能決策，系統能夠迅速且準確地解決突發問題，從而減少損失[5]。

● 成本價值：整個過程周期短，所需人力少，具有廣泛的應用推廣價值。

 

參考文獻

 

[1] 趙爽，趙久龍 . 藥廠立體庫倉儲方案仿真研究 [J]. 流 程 工 業，2024(4): 42-45.

 

[2] 趙久龍，趙爽. 制藥生產車間柔性高效立體庫研究 [J]. 制藥工藝與材料，2023(3): 68-72.

 

[3] 張東拴. 立體倉庫在智能鑄造工廠中的應用 [J]. 中國鑄造裝備與技術，2024, 59(4): 44-46.

 

[4] 王 玉， 趙 皎 云 .SEW 電機智能工廠的物流系統規劃與建設 [J].物流技術與應用，2023, 28(10):100-104.

 

[5] 吳煒斌 . 現代物流倉儲智能高架立體庫結構設計要點 [J]. 福建建設科技，2024(1): 88-90.

 

本文作者趙爽1、趙久龍2、張瀚文1，1.長春雷允上藥業有限公司、2.機械工業第九設計研究院股份有限公司，僅供交流學習。