朱建紅，顧菊平，姚 娟

（南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南通 226007）

0 引言

隨著市場(chǎng)貨物需求向著小批量、多品種和時(shí)效性方向發(fā)展，貨物流動(dòng)頻率、品種和數(shù)量迅速增加[1]，立體倉(cāng)庫(kù)在配送中心運(yùn)作中的儲(chǔ)存作業(yè)，信息管理內(nèi)容不斷擴(kuò)展，主要是提高下位機(jī)的存取效率和上位機(jī)有效維護(hù)倉(cāng)庫(kù)的動(dòng)態(tài)信息。高效的倉(cāng)庫(kù)分類(lèi)信息管理，將提高企業(yè)內(nèi)部運(yùn)作效率，降低運(yùn)作成本，提高企業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求的反應(yīng)速度，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[2]。本論文在文獻(xiàn)[3]中就機(jī)械手不同庫(kù)位之間快速移動(dòng)路徑的最短化（直線）問(wèn)題研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了下位機(jī)控制系統(tǒng)。同時(shí)基于貨位優(yōu)化的策略，采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)庫(kù)位信息的動(dòng)態(tài)快速查詢(xún)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了立體倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平。

圖1 立體倉(cāng)庫(kù)庫(kù)位分配示意圖

1 貨位動(dòng)態(tài)尋優(yōu)策略及功能需求分析

小型倉(cāng)庫(kù)的庫(kù)位分配示意圖如圖1所示，根據(jù)待存貨種類(lèi)分為C1、C2、C3存儲(chǔ)區(qū)，庫(kù)位按存放貨質(zhì)量大小分為重、較重、較輕三個(gè)層次，重型存于下幾層，較重放于中間，較輕的放于上幾層。存取信息動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心主要是結(jié)合上位機(jī)對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)機(jī)械手位置的動(dòng)態(tài)監(jiān)控信息及倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)信息，采用相關(guān)尋優(yōu)策略對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理功能。

1.1 貨位動(dòng)態(tài)尋優(yōu)策略

分類(lèi)存取系統(tǒng)在對(duì)存儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行分類(lèi)基礎(chǔ)上，主要實(shí)現(xiàn)取到所需貨物品種的功能，也就是在相應(yīng)類(lèi)別動(dòng)態(tài)查詢(xún)結(jié)果中隨機(jī)取貨，或?qū)ο鄳?yīng)的存放區(qū)的空庫(kù)位進(jìn)行隨機(jī)放貨。

在分類(lèi)存取基礎(chǔ)上加以條件約束，即移庫(kù)、入庫(kù)或出庫(kù)都要在該區(qū)域中選擇最近庫(kù)位來(lái)調(diào)庫(kù)，這就實(shí)現(xiàn)了分類(lèi)就近存取的功能，這種存取方式下，所有的物品調(diào)庫(kù)都遵循最近原則，因而可以節(jié)省大量時(shí)間，獲取更高效率。關(guān)鍵技術(shù)就是最優(yōu)庫(kù)位點(diǎn)位選擇、查詢(xún)和點(diǎn)點(diǎn)之間路徑優(yōu)化，生產(chǎn)實(shí)際中更需要功能兼顧效益的存取模式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分類(lèi)存取與就近原則相結(jié)合的存取模式，即在分類(lèi)查詢(xún)基礎(chǔ)上按就近距離來(lái)進(jìn)行存取操作。由于系統(tǒng)涉及較大數(shù)目的貨物信息與庫(kù)位信息的復(fù)雜管理，且涉及到相關(guān)數(shù)量運(yùn)算，所以引進(jìn)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)倉(cāng)庫(kù)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。

1.2 系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要涉及庫(kù)位信息的查詢(xún)與動(dòng)態(tài)更新、下位機(jī)機(jī)械手位置的實(shí)時(shí)跟蹤及每次存取動(dòng)作總行程的計(jì)算與尋優(yōu)，所包含的主要功能如下：

1）倉(cāng)庫(kù)總體信息的動(dòng)態(tài)查詢(xún)與管理：為了實(shí)施可視化的管理，系統(tǒng)為倉(cāng)庫(kù)所有庫(kù)位信息建立數(shù)據(jù)庫(kù)，并記錄庫(kù)中貨物的相關(guān)信息，如ID、排、層、條碼、貨號(hào)、區(qū)位號(hào)、庫(kù)存標(biāo)志、類(lèi)別和重量等；

2）關(guān)系數(shù)據(jù)表建立：在分類(lèi)存取和就近存取原則基礎(chǔ)上，結(jié)合上位機(jī)監(jiān)控的動(dòng)態(tài)信息及可操作存取庫(kù)位，建立相關(guān)表數(shù)據(jù)庫(kù)；

3）貨位動(dòng)態(tài)尋優(yōu)設(shè)計(jì)：根據(jù)存取路徑最小化對(duì)目的取貨位置與目的放貨進(jìn)行位置動(dòng)態(tài)尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的路徑最優(yōu)；

4）數(shù)據(jù)庫(kù)的更新：存入和取出貨物后數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息實(shí)時(shí)更新，以便下次存取貨查詢(xún)。

2 分類(lèi)就近存取模型分析與貨位尋優(yōu)算法設(shè)計(jì)

立體倉(cāng)庫(kù)動(dòng)態(tài)信息緊密結(jié)合下位機(jī)的存取操作。對(duì)貨位優(yōu)化來(lái)說(shuō)，就近存貨就是在現(xiàn)有貨存狀況已知的條件下，結(jié)合機(jī)械手的當(dāng)前位置，查詢(xún)機(jī)械手經(jīng)過(guò)庫(kù)入口點(diǎn)至庫(kù)位總行程的最短路徑，確定入貨庫(kù)位地址。就近取貨就是結(jié)合機(jī)械手的當(dāng)前位置，查詢(xún)機(jī)械手經(jīng)過(guò)庫(kù)出口點(diǎn)至庫(kù)位總行程的最短路徑，確定出貨庫(kù)位地址。

2.1 模型分析

2.2 算法設(shè)計(jì)

在貨位尋優(yōu)時(shí)，可采用窮舉法。比如，在放貨時(shí)，機(jī)械手任意位置，找出所有的空庫(kù)位，計(jì)算出它們到機(jī)械手的距離與入貨點(diǎn)距離，對(duì)照區(qū)域號(hào)與質(zhì)量進(jìn)行查詢(xún)，找出總距離最短的點(diǎn)。該方法算法簡(jiǎn)單，不過(guò)當(dāng)數(shù)據(jù)很多時(shí)計(jì)算量比較大。不適合大型倉(cāng)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理。

其次，采用分塊法位置查詢(xún)，先比較所有空庫(kù)輻射區(qū)域的x方向上坐標(biāo)到xi最遠(yuǎn)的距離為m，確定區(qū)間，y方向到y(tǒng)i最遠(yuǎn)的距離為n，確定區(qū)間，對(duì)照區(qū)域類(lèi)別查看在這區(qū)間內(nèi)是否有空庫(kù)，若有則m和n都減1，在繼續(xù)檢查，直至該區(qū)間內(nèi)不再有空庫(kù)，找出該邊界線上所有的空庫(kù)，再計(jì)算它們到機(jī)械手的距離及入貨點(diǎn)距離，選擇距離最短的點(diǎn)。取貨算法類(lèi)似，該方法計(jì)算量要比上一種方法計(jì)算量要小，不過(guò)它的程序設(shè)計(jì)要復(fù)雜。

考慮到系統(tǒng)在信息維護(hù)方面需求的重要地位，且兩種方案都離不開(kāi)庫(kù)位的查詢(xún)，為了庫(kù)位的直接跟蹤與管理，必須建立一系列關(guān)系數(shù)據(jù)表。因此設(shè)計(jì)中采用庫(kù)的分層管理法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層動(dòng)態(tài)查詢(xún)與計(jì)算，在一定程度上減少了計(jì)算復(fù)雜程度，本系統(tǒng)擬采用在庫(kù)中穿插采用窮舉法進(jìn)行存取庫(kù)位的查詢(xún)與管理。同時(shí)為方便計(jì)算與管理，在計(jì)算庫(kù)位間距時(shí)只計(jì)算平方和非開(kāi)方。當(dāng)對(duì)所需庫(kù)位區(qū)域進(jìn)行查詢(xún)比較時(shí)，以首條記錄作為基準(zhǔn)，逐一與其他記錄相比，保留距離最小對(duì)應(yīng)的庫(kù)位作為所要查找的位置。這種方法易于實(shí)現(xiàn)，容易理解。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)為關(guān)系數(shù)據(jù)表的建立，所用字段如下：ID、層、排條碼（XXXXXXX）、貨號(hào)(XXXX)、分區(qū)號(hào)(C1、C2、C3)、質(zhì)量權(quán)重（）庫(kù)存標(biāo)志 (1、0)、貨物類(lèi)別（B1、B2、B3）和機(jī)械手至入貨口距離，入貨時(shí)入貨口至候選庫(kù)位距離，出貨時(shí)機(jī)械

1）系統(tǒng)總表A字段：排、層、條碼、質(zhì)量權(quán)重、存貨標(biāo)志、貨號(hào)、類(lèi)別和區(qū)位號(hào)；

2）可存貨位表A1：排、層、條碼、質(zhì)量權(quán)重、存貨標(biāo)志（0）、類(lèi)別B*和區(qū)位號(hào)C*；

4）可取貨位表A2：排、層、條碼、質(zhì)量權(quán)重、存貨標(biāo)志（1）、類(lèi)別B*和區(qū)位號(hào)C*；

整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的貨位動(dòng)態(tài)尋優(yōu)示意圖如圖2所示，尋優(yōu)步驟如下：

1）出貨時(shí)按貨號(hào)及類(lèi)別關(guān)鍵字查詢(xún)，得數(shù)據(jù)庫(kù)A2；

2）入貨時(shí)按分區(qū)、質(zhì)量權(quán)重查詢(xún)，得數(shù)據(jù)庫(kù)A1；

3）調(diào)取下位機(jī)機(jī)械手當(dāng)前位置，等待上位機(jī)存取命令，判斷存取貨命令，動(dòng)態(tài)搜尋最優(yōu)貨位并發(fā)送命令給下位機(jī)，更新數(shù)據(jù)庫(kù)；具體如下：

3.1 出貨

結(jié)合當(dāng)前機(jī)械手位置，按照需出貨貨號(hào)及存貨標(biāo)志（1）兩條件邏輯“與”關(guān)系對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢(xún)，得數(shù)據(jù)庫(kù)A2；添加字段“排層至機(jī)械手”，“距離”，生成數(shù)據(jù)庫(kù)A21，對(duì)庫(kù)中字段距離由小到大進(jìn)行篩選，第一條記錄對(duì)應(yīng)的層、排即是所要求取的貨位。原數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)貨位的存貨標(biāo)志（1）更新為“0”。貨號(hào)更新為“空”。更新機(jī)械手當(dāng)前的位置。

3.2 入貨

結(jié)合當(dāng)前機(jī)械手位置，按照需入貨分區(qū)號(hào)及質(zhì)量權(quán)重及存貨標(biāo)志（0）條件邏輯“與”關(guān)系對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢(xún)，得數(shù)據(jù)庫(kù)A1；添加字段“排層至入貨點(diǎn)”“距離”，生成數(shù)據(jù)庫(kù)A11，對(duì)庫(kù)中字段距離由小到大進(jìn)行篩選，選中第一條記錄對(duì)應(yīng)的層、排即是所要求取的貨位。原數(shù)據(jù)庫(kù)貨位的存貨標(biāo)志（0）更新為“1”，貨號(hào)由空更新為相應(yīng)的貨號(hào)，條碼更新，機(jī)械手更新當(dāng)前位置。

4 倉(cāng)庫(kù)信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)

4.1 動(dòng)態(tài)管理界面設(shè)計(jì)

圖3 監(jiān)控示意圖

如圖3所示的組態(tài)王主監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)，當(dāng)按下控件“庫(kù)存信息”時(shí)，系統(tǒng)顯示當(dāng)前貨存的情況，比如：有無(wú)貨物、貨物的顏色、重量、條碼、所在庫(kù)位、時(shí)間及日期；當(dāng)按下控件“就近存貨”或“就近放貨”時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)詢(xún)問(wèn)待存取貨信息，切換至“可存貨信息表”或“可放貨信息表”畫(huà)面，點(diǎn)擊“取貨”按鈕，通過(guò)尋優(yōu)“目的取排”、“目的取層”顯示，系統(tǒng)會(huì)把所要的貨物信息提取出；同理，當(dāng)按下 “放貨”時(shí)，跟取貨類(lèi)似，通過(guò)尋優(yōu)“目的放排”、“目的放層”顯示，系統(tǒng)會(huì)把所取貨物信息提取出。同時(shí)把所提取信息通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳至下位機(jī)PLC，系統(tǒng)根據(jù)程序設(shè)計(jì)自動(dòng)啟動(dòng)設(shè)備運(yùn)行，進(jìn)行取貨、放貨操作。下位機(jī)系統(tǒng)邏輯控制的算法流圖如圖4所示，同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)同步動(dòng)態(tài)更新顯示當(dāng)前貨架上貨物信息。

4.2 速度動(dòng)態(tài)傳輸設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)庫(kù)管理中，上位機(jī)根據(jù)存取策略獲取存取貨位置信息，然后根據(jù)不同取放貨位置信息給出相應(yīng)的變量控制信息，如：各傳輸方向電機(jī)拖動(dòng)的運(yùn)行速度、方向等，最后系統(tǒng)把各數(shù)據(jù)信息通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給下位機(jī)，系統(tǒng)才能按預(yù)定的目的軌跡運(yùn)行[3]。

4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)更新

當(dāng)機(jī)械手完成從取貨或放貨一次動(dòng)作結(jié)束時(shí)，倉(cāng)庫(kù)總體信息數(shù)據(jù)庫(kù)也要同步更新。在檢測(cè)到當(dāng)前下位機(jī)根據(jù)上位機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)信息執(zhí)行完成時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)更新一次，原來(lái)有貨的庫(kù)位在取貨以后標(biāo)志位要由1變?yōu)?，同時(shí)清除貨物的信息，即顏色、條形碼、重量等。而原來(lái)無(wú)貨的庫(kù)位在放貨以后標(biāo)志位要由0變?yōu)?，同時(shí)增加相應(yīng)的貨物的信息，畫(huà)面信息同步變化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

圖4 堆垛機(jī)邏輯控制算法示意圖

5 結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，采用分類(lèi)就近存取策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，把SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)引入工程設(shè)計(jì)，并對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)控進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)。在組態(tài)王監(jiān)控環(huán)境下，可以很方便的查看數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)信息并能實(shí)現(xiàn)立體倉(cāng)庫(kù)信息的實(shí)時(shí)更新。設(shè)計(jì)成果經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)調(diào)試，成功運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了調(diào)庫(kù)系統(tǒng)的跟蹤與管理。

文中設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男薷目蓱?yīng)用到實(shí)際規(guī)模較大的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)庫(kù)系統(tǒng)中。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高企業(yè)運(yùn)作的自動(dòng)化水平，滿(mǎn)足企業(yè)信息系統(tǒng)管理的要求。

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[2] 吳和平,陳建宏.基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控與動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)的礦業(yè)集團(tuán)信息化研究[J].工礦自動(dòng)化,2007.

[3] 朱建紅,顧菊平等.堆垛機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011(4).