Ứng dụng xe tự hành vận chuyển hàng tự động trong kho thương mại điện tử

Tóm tắt:

Kho thương mại điện tử thường xuyên phải xử lý chia chọn xuất nhập cho số lượng đơn hàng lớn dưới áp lực thời gian gấp gáp để đảm bảo phục vụ yêu cầu khách hàng. Do đó, việc nâng cao tỷ lệ tự động hóa trong các quy trình vận hành kho là điều vô cùng quan trọng. Nghiên cứu này trình bày giải pháp tự động hóa cho một công đoạn của quy trình chia chọn trong kho thương mại điện tử đang được thực hiện bằng lao động thủ công tại các kho thương mại điện tử của Việt Nam. Bên cạnh đó, giải pháp hướng đến việc sử dụng robot vận chuyển hàng hóa trong kho, tự động dò đường và tránh va, phát hiện vật cản. Phương pháp thực nghiệm được sử dụng để nghiên cứu đề tài thông qua việc nghiên cứu lý thuyết về ứng dụng công nghệ AGV hiện nay và xác định vấn đề trong kho hàng cũng như áp dụng trong nhà kho vừa và nhỏ, nhằm thiết kế mô hình robot thực nghiệm phù hợp giải quyết được vấn đề của doanh nghiệp thực tế.

Từ khóa: xe tự hành, tự động hóa, ứng dụng công nghệ, kho thương mại điện tử.

1. Đặt vấn đề

Tính đến thời điểm hiện nay, Việt Nam đã trải qua bốn cuộc cách mạng công nghiệp. Trong thời đại phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, theo Tạp chí Thương mại quốc tế (Global Trade Magazine), xu hướng logistics ngày nay tập trung vào 5 yếu tố chính bao gồm: Số hóa dữ liệu và khả năng hiển thị, Reshoring và Nearshoring, Giá dầu diesel tăng, Vận chuyển bền vững và Tự động hóa. Trong đó, tự động hóa đóng vai trò thiết yếu trong hoạt động của các nhà kho nói chung, đặc biệt là hoạt động xử lý, phân loại, vận chuyển hàng hóa trong các nhà kho thương mại điện tử. Theo Báo cáo “Thương mại điện tử năm 2021”: Thích ứng và nhanh chóng vượt trở ngại từ Covid-19“ của Lazada Việt Nam, thị trường bán lẻ thương mại điện tử tại Việt Nam được dự báo tăng 300%, từ 13 tỷ USD năm 2021 lên 39 tỷ USD vào năm 2025. Trong đó, Logistics chính là yếu tố quan trọng mang đến sự tăng trưởng mạnh mẽ này. Quy trình giao nhận hàng hóa được tối ưu cả về chất lượng dịch vụ và thời gian chính là động lực tăng trưởng của thương mại điện tử. Thực tế cho thấy, nhà kho thương mại điện tử thường xuyên phải xử lý chia chọn xuất nhập cho số lượng đơn hàng lớn dưới áp lực thời gian gấp gáp để đảm bảo phục vụ yêu cầu khách hàng, do đó việc nâng cao tỷ lệ tự động hóa trong các quy trình vận hành kho là điều vô cùng quan trọng. Hiện nay, một số kho tại Việt Nam đã áp dụng các công nghệ tự động trong việc chia chọn hàng hóa, tuy nhiên vẫn còn một số hoạt động sử dụng nhân công như việc vận chuyển hàng từ các băng chuyền đến các cửa xuất kho hoặc khu vực lưu trữ tạm thời. Vì vậy, yêu cầu về việc sử dụng tự động hóa ứng dụng trong các nhà kho thương mại điện tử được coi là yếu tố quan trọng hàng đầu, góp phần nâng cao năng suất cũng như tiết kiệm thời gian xử lý các đơn hàng.

Bài báo kết cấu gồm 4 phần: Nội dung phần 1 tập trung vào mục tiêu đặt vấn đề cho đề tài nhờ vào việc phát hiện những khó khăn thực tế mà các kho thương mại điện tử đang cần giải quyết. Nội dung phần 2 là cơ sở lý thuyết của đề tài thông qua việc nghiên cứu lý thuyết về kho hàng, công nghệ robot được ứng dụng hiện nay. Phần 3 với nội dung tập trung trình bày mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm robot để giải quyết vấn đề đặt ra. Nội dung phần 4 với kết luận nhằm tóm tắt những tác dụng và hiệu quả mà giải pháp mang lại cho nhà kho được áp dụng.

2. Cơ sở lý thuyết

2.1. Cơ sở lý thuyết về kho thương mại điện tử

Nhà kho có thể phân loại dựa trên đặc điểm của chuỗi cung ứng, địa lí, chủng loại mặt hàng, vai trò chức năng, chủ sở hữu nhà kho hoặc theo diện tích. Tuy nhiên, Donald et al. (2002) đã chỉ ra nhà kho phân loại theo chủ sở hữu có thể chia thành 3 loại: nhà kho công cộng, nhà kho tư nhân và nhà kho hợp đồng. Theo như Douglas và cộng sự (1998), nhà kho công cộng được phân loại dựa trên các đặc điểm lưu trữ chuyên dụng, như: kho hàng hóa thông thường, kho lạnh, kho hàng hóa đặc biệt, kho ngoại quan, kho hàng gia dụng và nội thất, kho lưu trữ hàng nặng.

Dựa theo nghiên cứu của Gu và cộng sự (2007), chức năng của nhà kho bao gồm các hoạt động các chức năng cơ bản như nhận hàng, lưu trữ, nhặt hàng và giao hàng. Nổi bật đối với các kho hàng thương mại điện tử, việc ứng dụng công nghệ trong hoạt động xử lý số lượng đơn hàng tăng cao trong mùa cao điểm nhằm đáp ứng nhu cầu mua sắm trực tuyến ngày càng tăng cao của khách hàng là mối quan tâm hàng đầu của các doanh nghiệp kho vận. Hiệp hội Thương mại điện tử Việt Nam - VECOM (2015) đã đánh giá, thương mại điện tử đã bước sang một giai đoạn mới với điểm nhấn là phát triển nhanh và ổn định kể từ năm 2016. Theo báo cáo e-Conomy SEA 2019 do Google và Temasek công bố, quy mô thị trường thương mại điện tử Việt Nam hiện đạt 5 tỷ USD, tốc độ tăng trưởng lên tới 81%. Đáng chú ý, tốc độ tăng trưởng của thương mại điện tử Việt Nam nhanh thứ 2 Đông Nam Á, chỉ sau Indonesia.

Bắt kịp sự tăng trưởng mạnh mẽ về ngành thương mại điện tử, số lượng các nhà kho thương mại điện tử ở Việt Nam ngày càng được phát triển. Kho thương mại điện tử (hay còn gọi là E-commerce warehouse) là nơi lưu trữ hàng hóa được bán trên các trang thương mại điện tử. Kho được thiết kế để quản lý đơn hàng, thu thập, đóng gói và chuyển hàng cho khách hàng. Ngoài ra, nhà kho thương mại điện tử rất quan trọng đối với các nhà bán lẻ trực tuyến, giúp họ đáp ứng nhu cầu của khách hàng một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Hiện nay, trong các kho hàng thương mại điện tử đã áp dụng các hệ thống tự động như: Hàng hóa giao tiếp với người (hàng hóa được chuyển trực tiếp đến người vận trình kho thông qua việc sử dụng băng chuyền, mô-đun thang máy), Hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động, Robot di động tự động, Xe tự hành, Hệ thống phân loại tự động.

2.2. Cơ sở lý thuyết về xe tự hành (AGV)

Xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) là một khái niệm chung chỉ tất cả các hệ thống có khả năng vận chuyển mà không cần người lái. Trong công nghiệp, AGV được hiểu là các sản phẩm cơ khí, có khả năng tự động di chuyển và làm việc theo chương trình được cài đặt từ trước trong nhiều loại lĩnh vực khác nhau. Trong nhà kho, AGV thường được sử dụng để sắp xếp hàng hóa, điều phối hàng hóa và vận chuyển nguyên vật liệu đến những địa điểm đã được đánh dấu sẵn mà không cần đến sự can thiệp của con người.

AGV có thể chia thành 2 loại dựa theo đường dẫn và theo chức năng. Dựa vào cách phân loại chức năng, AGV được chia thành 4 loại: xe tự hành dạng chở, xe tự hành dạng kéo, xe tự hành dạng nâng và xe tự hành dạng đẩy. Thứ nhất, xe tự hành dạng kéo xuất hiện sớm nhất và  hiện tại vẫn đang được ứng dụng rộng rãi, hỗ trợ tốt trong việc: kéo hàng, chuyển tải, tải pallet. AGV dạng kéo được sử dụng trong các ứng dụng như: kết thúc công đoạn bằng tay, vận chuyển vật liệu trong quá trình làm việc và một số ứng dụng tùy chọn khác. Loại AGV này có thể kéo được nhiều loại kệ hàng khác nhau và chở được từ 8000 đến 60000 pounds. Thứ hai, AGV dạng kéo là loại sử dụng công nghệ điều hướng thông minh có đặc điểm để chuyên chở vật liệu và các hệ thống lắp ráp. Thứ ba, AGV dạng nâng hàng là một loại xe tải pallet. Xe có hướng dẫn tự động được hình thành để vận chuyển hàng hóa có pallet trong các cơ sở sản xuất. Chúng có thể xử lý tải trọng 1 tấn nâng từ sàn lên đến chiều cao 2m. Robot AGV dạng nâng giúp đáp ứng yêu cầu vận chuyển hàng hóa lên cao. Thứ tư, AGV dạng chở là loại xe được trang bị các tầng khay chứa có thể là các nâng, hạ chuyền động bằng băng tải, đai hoặc xích. Xe được trang bị cảm biến sẽ được chờ sẵn tại vị trí băng tải để tự động chở hàng chạy đến các điểm đã được lập trình. Đây cũng là loại xe tự hành được sử dụng để chế tạo nghiên cứu thực nghiệm trong đề tài.

Đối với sự phân loại điều hướng đường dẫn cố định được chia thành ba loại. Đối với loại đường dẫn cấu tạo bởi dây dẫn, dây dẫn sẽ được chôn dưới nền nhà. Khi di chuyển, xe có thể di chuyển theo vạch nhờ cảm ứng từ. Đối với đường ray dẫn điện, AGV chạy trên đường ray được xác định trước trên sàn. Đối với loại đường dẫn băng, AGV di chuyển dọc theo đường băng được kẻ sẵn trên sàn nhờ các cảm biến nhận dạng đường.

3. Thiết kế xe tự hành trong kho thương mại điện tử

Trong kho thương mại điện tử thông thường sẽ có 5 hoạt động chính diễn ra theo các thứ tự: bước 1 nhận hàng (dỡ hàng, đếm hàng, dán ký hiệu, kiểm tra chất lượng đầu vào, đăng ký lưu kho hàng), bước 2 sắp xếp hàng (phân loại hàng, xếp lên cao bản), bước 3 dự trữ và nhặt hàng, bước cuối cùng đóng gói và giao hàng. Trong đó, chi phí nhặt hàng chiếm tỷ lệ phần trăm cao nhất là 45% trong tổng số chi phí, 25% chi phí cho hoạt động lưu trữ và 15% chi phí cho 2 hoạt động nhận và giao hàng. Do đó, việc thay thế lực lượng lao động thủ công trong hoạt động nhặt hàng (vận chuyển hàng hóa đến giai đoạn giao hàng) đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu chi phí. Theo yêu cầu đưa ra, AGV sẽ làm nhiệm vụ chở hàng hóa đến hai vị trí đã được quy định trong kho hàng. Trường hợp thứ nhất, từ vị trí cuối băng chuyền, AGV sẽ chở hàng hóa đến cửa dock có xe tải đang chờ sẵn đến các trung tâm phân phối. Trường hợp thứ hai, AGV sẽ chở hàng từ vị trí cuối băng chuyền đến khu vực lưu trữ tạm thời đối với các đơn hàng chưa yêu cầu phân phối ngay lập tức.

3.1. Các bộ phận chính (Hình 1, 2, 3, 4)

a) Khối cảm biến dò đường RPLidar A1

Trong nghiên cứu này, RPLidar A1 được sử dụng để thu thập dữ liệu về khoảng cách và hình dạng của các vật thể trong kho. Dữ liệu này được sử dụng để tạo bản đồ 3D của môi trường, cập nhập vị trí của robot và giúp robot phát hiện và tránh các vật cản khi di chuyển.

b) Khối vi điều khiển Jetson Nano

Vi điều khiển Jetson Nano là một trong những thành phần quan trọng nhất của xe, có khả năng thực thi một chương trình (tức là một chuỗi các hướng dẫn) và thường được gọi là "bộ não" hoặc "trung tâm điều khiển" trong một xe vì nó thường chịu trách nhiệm cho tất cả các tính toán, ra quyết định, và thông tin liên lạc trong và ngoài robot.

c) Khối hiển thị: Màn hình LCD 7inch HDMI (H) (with case), 1024x600, IPS, Waveshare

Trên màn hình này, người dùng có thể xem trực tiếp hình ảnh mà camera thu được, bản đồ môi trường được tạo bởi cảm biến LiDAR và các thông số về tình trạng của robot như tốc độ, hướng đi và vị trí hiện tại.

Ngoài ra, màn hình này cũng có thể được sử dụng để nhập lệnh điều khiển robot như thay đổi hướng di chuyển hoặc dừng lại tại một điểm cụ thể trong kho.

d) Khối động cơ

Động cơ giảm tốc bánh răng DC với bộ mã hóa cho bánh xe Mecanum thông minh.           

Thường được sử dụng cho robot bánh Mecanum. Nó được thiết kế để cung cấp khả năng điều khiển và chuyển động chính xác cho rô-bốt, với bộ mã hóa tích hợp để đo vòng quay của trục động cơ. Hệ thống hộp số giảm tốc cung cấp công suất mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp, lý tưởng cho việc chở vật nặng và điều hướng địa hình khó khăn. Phản hồi của bộ mã hóa cho phép định vị và kiểm soát chính xác chuyển động của robot.

3.2. Sơ đồ thuật toán điều khiển xe tự hành

Xe tự hành hoạt động dựa trên sơ đồ thuật toán được miêu tả như sau. Từ điểm sạc sau khi đã được sạc đầy, người công nhân sẽ chọn điểm mà robot cần đến. Tiếp theo, robot sẽ tính toán con đường đi ngắn nhất và di chuyển đến vị trí yêu cầu. Trong quá trình hoạt động để chở hàng hóa theo yêu cầu đặt ra, nếu trên đường gặp vật cản AGV sẽ tìm một con đường khác hoặc di chuyển chậm lại. Trường hợp còn lại nếu không xuất hiện vật cản, AGV sẽ chở hàng đến vị trí được yêu cầu. Trong giai đoạn tiếp theo, nhân viên sẽ lấy hàng được chở bởi robot và đặt đơn hàng mới lên xe tự hành. Sau đó, nhân viên sẽ chọn điểm đến cho robot theo đơn hàng mới. Đặc biệt, ở giai đoạn này người công nhân cần chú ý đến số lượng hàng hóa cần đặt lên để robot chở đến địa điểm được yêu cầu. Nếu cân nặng hàng nhiều hơn 80kg, robot sẽ thông báo yêu cầu dỡ hàng và nhân viên cần điều chỉnh số cân nặng sao cho chỉ được ít hơn hoặc bằng 80kg. Đối với trường hợp khối lượng hàng hóa được đặt đúng yêu cầu đề ra là ít hơn hoặc bằng 80kg, robot sẽ thông báo khối lượng đã đạt yêu cầu và bắt đầu di chuyển. (Hình 5)

Hình 5: Sơ đồ thuật toán điều khiển xe tự hành

4. Kết luận

Hiện nay, thương mại điện tử đang phát triển nhanh và mạnh mẽ, chính vì vậy giải pháp logistics trong kho thương mại điện tử là xu thế tất yếu và có tầm quan trọng trong ngành Logistics ở Việt Nam.

Nghiên cứu thiết kế mô hình robot tự hành AGV ứng dụng vận chuyển trong kho thương mại điện tử đã bước đầu hoàn thiện và đáp ứng được yêu cầu đề ra. Kết quả nghiên cứu là tiền đề cho việc phát triển robot tự động hóa trong kho hàng vừa và nhỏ giúp tăng năng suất lao động, tăng tính an toàn, giải quyết bài toán thiếu nhân sự, khó khăn trong công tác tuyển dụng nhân sự.

Về hiệu quả mang lại đối với môi trường, việc sử dụng xe tự hành thay thế con người được coi là bước phát triển đánh dấu vai trò quan trọng của tự động hóa trong nhà kho với lợi ích góp phần giảm thiểu ô nhiễm cho môi trường nhờ vào việc sử dụng pin thay cho các loại xe chạy bằng xăng, dầu.

Xét về khía cạnh an toàn lao động, AGV hoạt động với tốc độ ổn định, do đó tăng tính an toàn trong quá trình làm việc. Đây chính là hiệu quả nổi bật AGV đem lại trong các nhà kho so với nguồn lao động thủ công.

Đối với khả năng xảy ra rủi ro ảnh hưởng đến lợi nhuận của doanh nghiệp. Theo một nghiên cứu của hãng GE, khoảng 23% số lần ngừng nhà máy ngoài dự tính là do lỗi phát sinh từ sai sót của con người. Bên cạnh đó, một nghiên cứu khác của Amazon Web Service năm 2017 đã đề cập chỉ riêng các công ty nằm trong chỉ số S&P500 của Mỹ thiệt hại khoảng 150 triệu dollar Mỹ do nguyên nhân trực tiếp là lỗi con người. Một số nhà vận hành thương mại điện tử ghi nhận năng suất cao hơn gấp 2-3 lần. Một nhân viên đóng gói hàng hóa truyền thống với năng suất 70 món hàng mỗi giờ có thể tăng lên 150 món hàng mỗi giờ một cách dễ dàng với sự trợ giúp của robot tự hành.

Với mô hình và mạch nhỏ gọn, robot phù hợp với việc học tập và nghiên cứu. Chi phí đầu tư cho mô hình thấp nhưng đem lại hiệu quả cao. Các trung tâm chia chọn, kho thương mại điện tử, trung tâm phân phối,... đều có thể sử dụng sản phẩm robot tự động tránh va.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Anaid Chacón (2022). 5 xu hướng chính định hình lại vận tải và logistics 2023. Tạp chí Thương mại quốc tế (Global Trade Magazine).
2. Lazada Express (2021). Báo cáo Toàn cảnh ngành Thương mại điện tử. Thương mại điện tử năm 2021: Thích ứng và nhanh chóng vượt trở ngại từ Covid-19.
3. Donald, J. B., David, J. C. & Cooper M.B. (2002). Supply chain Logistics management. ISBN 0-07-112306-7 Avenue of the Americas, New York, NY, 10020, 380-406.
4. Felix, W., Nils, B. & Michael S. (2018). Picker routing in the mixed-shelves warehouses of e-commerce retailers. European Journal of Operational Research, 274 (2).
5. Gu, J., Goetschalckx, M., & McGinnis, L. F. (2007). Research on warehouse operation: A comprehensive review. European Journal of operational research, 177(1), 1-21.

USING AUTOMATED VEHICLES FOR TRANSPORTING GOODS IN E-COMMERCE WAREHOUSES

Nguyen Hai Anh

Vietnam Maritime University

Abstract:

            E-commerce warehouses usually have to sort, category, pick and deliver a large number of goods under time pressure to fulfill customer’s needs. As a result, it is necessary to enhance the role of automation in warehouse processes. This study proposes an automation solution for a stage of the sorting process in the e-commerce warehouse. At e-commerce warehouses in Vietnam, this stage is being done manually. In addition, this solution aims to use robots to transport goods in warehouses, automatically detect and avoid collisions, and detect obstacles. An experimental method is utilized through researching theories about the application of Automation Vehicle Guide (AGV) and identifying problems in the e-commerce warehouse. This solution is also tested in small and medium e-commerce warehouses to design a robot meeting specific requirements of enterprises.

Keywords: Automation Vehicle Guide (AGV), automation, technology application, e-commerce warehouse.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 8 tháng 4 năm 2023]