摘 要：根據(jù)庫(kù)房安全管理與事故預(yù)警的要求，提出將信息物理融合系統(tǒng)引入倉(cāng)庫(kù)管理。根據(jù)庫(kù)房狀態(tài)及其內(nèi)部環(huán)境參量，結(jié)合庫(kù)房倉(cāng)儲(chǔ)自身功能特點(diǎn)及運(yùn)作規(guī)則，定制關(guān)于庫(kù)房倉(cāng)儲(chǔ)管理的信息物理融合系統(tǒng)，構(gòu)建具有感知環(huán)境、預(yù)警機(jī)制和自動(dòng)監(jiān)測(cè)等功能的倉(cāng)庫(kù)管理信息物理融合系統(tǒng)，通過(guò)分析，認(rèn)為物料實(shí)體與環(huán)境信息的有機(jī)交互可以為管理者提供可靠監(jiān)控方式，從而提高庫(kù)房作業(yè)效率和監(jiān)管水準(zhǔn)，系統(tǒng)地初步應(yīng)用驗(yàn)證該了模型的可行性。

關(guān)鍵詞：信息物理融合系統(tǒng)；倉(cāng)庫(kù)管理；嵌入式系統(tǒng)；監(jiān)控；控制技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.52

隨著信息電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬信息與物理實(shí)體之間的聯(lián)系在不斷加深，原有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)管理信息與自動(dòng)化設(shè)備之間的交互融合。但是，信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）可以為這個(gè)問(wèn)題的解決提供新的思路與解決途徑。CPS是一種集成了計(jì)算技術(shù)、通信設(shè)備、感知器件、控制技術(shù)及物理實(shí)體的新型智能工程系統(tǒng)，其具有計(jì)算處理、自動(dòng)通信、精確監(jiān)控協(xié)同運(yùn)作和自我控制等功能。它通過(guò)對(duì)物理環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析與仿真，安全、高效與靈活地對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行檢測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息與設(shè)備之間的統(tǒng)一管理與交互融合。為此，作者結(jié)合庫(kù)房管理功能特點(diǎn)及運(yùn)營(yíng)模式，提出將CPS應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)管理運(yùn)營(yíng)中，并建立倉(cāng)庫(kù)管理信息物理融合系統(tǒng)。根據(jù)CPS體系結(jié)構(gòu)，闡述并分析系統(tǒng)各個(gè)功能，通過(guò)分析認(rèn)為，該系統(tǒng)的應(yīng)用可以使庫(kù)房作業(yè)效率和監(jiān)管水準(zhǔn)得到顯著提升。

1 CPS研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，信息物理融合系統(tǒng)已經(jīng)在世界各國(guó)相關(guān)科研人員和學(xué)者中引起了重視與關(guān)注，逐漸成為近年來(lái)的學(xué)術(shù)探討熱點(diǎn)。張侃博士等人提出信息物理融合系統(tǒng)（CPS）通過(guò)連接物理世界和計(jì)算系統(tǒng)，由計(jì)算核心監(jiān)控，是一種物理進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程緊密結(jié)合的系統(tǒng)。黎作鵬博士等人提出信息物理融合系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算、通信與控制技術(shù)的有機(jī)與深度融合，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源與物理資源的緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)的下一代智能系統(tǒng)。李仁發(fā)教授等人提出信息物理融合系統(tǒng)集成了計(jì)算系統(tǒng)與物理系統(tǒng)，并通過(guò)嵌入式計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了兩者之間的協(xié)作和融合，將對(duì)人們的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生重要影響。譚朋柳教授等人提出信息物理融合系統(tǒng)是當(dāng)今最前沿的交叉研究領(lǐng)域之一，它被普遍認(rèn)為是計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)史上的下一次革命，將會(huì)改變?nèi)伺c現(xiàn)實(shí)物理世界之間的交互方式，具有廣泛的應(yīng)用前景。趙俊華博士等人認(rèn)為信息物理融合系統(tǒng)的提出與發(fā)展為促進(jìn)電力一次系統(tǒng)與電力信息系統(tǒng)的深度融合，并最終實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化的目標(biāo)提供了新的思路和實(shí)現(xiàn)途徑。余維教授等人提出利用仿真模型分析CPS中的物理世界連續(xù)狀態(tài)和信息世界離散事件之間的聯(lián)系和交互，為CPS的行為預(yù)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估和實(shí)時(shí)控制提供了有效解決方法。何明教授等人利用微電網(wǎng)CPS實(shí)例論證了基于不同視圖的CPS體系結(jié)構(gòu)分析方法的優(yōu)點(diǎn)。孫彥景教授等人針對(duì)煤礦安全生產(chǎn)與事故救援的需求，利用模型仿真思想成功將CPS系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦井下。劉軍博士提出將CPS應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)具有廣闊的前景。

2 倉(cāng)庫(kù)管理CPS體系結(jié)構(gòu)

由于CPS的研究?jī)H處于初始階段，經(jīng)過(guò)調(diào)查分析，世界各國(guó)專(zhuān)家學(xué)者還沒(méi)有針對(duì)殘酷管理信息物理融合系統(tǒng)這一技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行全面的的研究。通過(guò)分析信息物理融合系統(tǒng)在其它行業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用方案，作者發(fā)現(xiàn)對(duì)信息物理融合系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)符合倉(cāng)庫(kù)管理特定要求的信息物理融合系統(tǒng)具備了可行性，并對(duì)該系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)各組成部分進(jìn)行分析。

2.1 物理世界

物理世界的功能是為傳感器設(shè)備提供各類(lèi)可讀取的數(shù)據(jù)信息參量。由此看出物理層是信息物理融合系統(tǒng)的源頭。它主要由倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部中的所有物理實(shí)體及其環(huán)境參量構(gòu)成。

2.2 傳感網(wǎng)絡(luò)

傳感網(wǎng)絡(luò)的功能是感知物理世界中的數(shù)據(jù)信息參量，例如倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部環(huán)境中的溫度、濕度等環(huán)境參量。庫(kù)房存儲(chǔ)物料的質(zhì)量、體積等個(gè)體特征數(shù)據(jù)等。并將采集到的物理信息原始數(shù)據(jù)由設(shè)備進(jìn)行預(yù)處理之后，傳遞到數(shù)據(jù)中心和監(jiān)控中心。它主要由多個(gè)傳感器設(shè)備及已嵌入設(shè)備的數(shù)據(jù)處理器件構(gòu)成。

2.3 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心的功能是將傳感網(wǎng)絡(luò)所傳遞的預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)用戶(hù)的管理權(quán)限，并對(duì)不同使用權(quán)限的用戶(hù)提供相應(yīng)等級(jí)的數(shù)據(jù)查詢(xún)與分析服務(wù)功能。它主要由多個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)成。

2.4 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心的功能是對(duì)由數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)并傳遞的數(shù)據(jù)信息參量進(jìn)行處理與分析作業(yè)，并依據(jù)處理結(jié)果制定相應(yīng)的庫(kù)房管理運(yùn)營(yíng)策略，進(jìn)而為控制調(diào)整執(zhí)行器設(shè)備提供指令依據(jù)。其次，其負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)用戶(hù)的合法身份及其使用權(quán)限進(jìn)行核查，并按照系統(tǒng)認(rèn)證使用者所下達(dá)的合法調(diào)控指令對(duì)執(zhí)行器設(shè)備進(jìn)行控制。如出現(xiàn)不合法行為及危險(xiǎn)狀況，立即向系統(tǒng)其他使用者發(fā)送預(yù)警信息，使系統(tǒng)與庫(kù)房安全性得到極大地提升與保障。它主要由多個(gè)監(jiān)控服務(wù)器構(gòu)成。

2.5 執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)

執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的功能是由嵌入執(zhí)行器設(shè)備的接收器件，對(duì)監(jiān)控中心所傳遞的調(diào)整控制策略進(jìn)行接收與存儲(chǔ)，并依據(jù)計(jì)劃向符合執(zhí)行條件的某個(gè)或某些執(zhí)行器設(shè)備下達(dá)指令，控制執(zhí)行設(shè)備對(duì)物理世界中的某些物理屬性進(jìn)行改造，以達(dá)到信息進(jìn)程與物理世界交互融合的目的，它主要由路由器、交換機(jī)和通信服務(wù)器等通信設(shè)備構(gòu)成。

2.6 使用終端

使用終端的功能是為使用者與系統(tǒng)之間的信息交互提供平臺(tái)。通過(guò)使用終端，合法系統(tǒng)使用者在經(jīng)過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心驗(yàn)證之后，可對(duì)其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行瀏覽與查詢(xún)?；蛲ㄟ^(guò)終端向系統(tǒng)監(jiān)控中心發(fā)送調(diào)整控制指令，其次也可以通過(guò)該終端使用者可實(shí)時(shí)獲知系統(tǒng)監(jiān)控中心所發(fā)來(lái)的預(yù)警信息，了解庫(kù)房與系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，使庫(kù)房運(yùn)營(yíng)安全性與高效性得到提升。它主要由包括手機(jī)、筆記本、桌面計(jì)算機(jī)及特定終端設(shè)備等構(gòu)成。

2.7 通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)的功能是為系統(tǒng)各組成部分之間的信息通信交互提供保障。其用于連接系統(tǒng)其他各部分之間的通信信道，為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)化數(shù)據(jù)通信服務(wù)，使數(shù)據(jù)信息在傳遞過(guò)程中的保真性與安全性得到最大的保障與提升。它是主要由路由器、交換機(jī)和通信服務(wù)器等通信設(shè)備等構(gòu)成的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3 倉(cāng)庫(kù)管理CPS系統(tǒng)

3.1 倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)信息管理系統(tǒng)

倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)信息管理系統(tǒng)的功能是在倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)營(yíng)作業(yè)過(guò)程中，對(duì)物料個(gè)體的所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集處理并將其存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，例如出入庫(kù)貨物的品種、數(shù)量、時(shí)間、頻率以及庫(kù)中結(jié)存等各種原始數(shù)據(jù)信息。并通過(guò)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)將其傳輸?shù)较到y(tǒng)監(jiān)控中心，其通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析處理，及時(shí)掌握倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)規(guī)律，并有針對(duì)性地制定相應(yīng)合理的倉(cāng)庫(kù)管理調(diào)控策略。系統(tǒng)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)接收存儲(chǔ)監(jiān)控中心所下達(dá)的計(jì)劃，依據(jù)這些指令對(duì)倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)中的各作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行合理的控制。其次系統(tǒng)監(jiān)控中心通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)信息實(shí)時(shí)反饋到各個(gè)系統(tǒng)終端，使系統(tǒng)使用者通過(guò)終端及時(shí)了解到倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)與貨物移動(dòng)狀態(tài)，保證進(jìn)貨入庫(kù)、在庫(kù)管理、出庫(kù)發(fā)貨等各個(gè)運(yùn)營(yíng)流程的順利銜接。

3.2 倉(cāng)庫(kù)設(shè)備自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

倉(cāng)庫(kù)設(shè)備自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是將倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)營(yíng)中的機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備、信息收集與信息處理設(shè)備、執(zhí)行器設(shè)備以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)智能監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行深度集成與融合。其主要負(fù)責(zé)將倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)營(yíng)中各個(gè)作業(yè)設(shè)備通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接與整合，為系統(tǒng)監(jiān)控中心命令的傳遞與實(shí)施提供最優(yōu)化方案，使系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備之間的獨(dú)立性得到極大的降低，使系統(tǒng)的監(jiān)控具備了自動(dòng)化與集成化。從設(shè)備監(jiān)控的方面來(lái)看，倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)主要是由輸送設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、搬運(yùn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、分揀設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、堆垛設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成的。

3.3 倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)

倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)通常主要是由倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)和倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)設(shè)備監(jiān)控兩大部分構(gòu)成的，其主要是對(duì)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的狀態(tài)參數(shù)和倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)設(shè)備的作業(yè)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄，并對(duì)數(shù)據(jù)集成或單一處理，并及時(shí)對(duì)針對(duì)數(shù)據(jù)變化規(guī)律中的異常情況，向系統(tǒng)使用者進(jìn)行預(yù)警處理。倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要作用就是要利用各種先進(jìn)的檢測(cè)儀器對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部與外部環(huán)境狀況的參量（比如溫度、濕度、光照度、空氣含氧量等）進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄、計(jì)算、仿真與預(yù)警等，以達(dá)到監(jiān)控倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)環(huán)境安全性與為發(fā)展改善倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)環(huán)境建設(shè)提供可靠歷史數(shù)據(jù)分析的目的。在現(xiàn)代倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)配置的運(yùn)營(yíng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，其作用就是利用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)控控制設(shè)備和科學(xué)技術(shù)手段對(duì)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)整與安全運(yùn)行，確保庫(kù)房作業(yè)效率和監(jiān)管水準(zhǔn)得到保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

信息物理融合技術(shù)是實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源與物理資源的緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)的下一代物聯(lián)網(wǎng)信息通信方式。它可以為倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的改革創(chuàng)新提供新的發(fā)展路線(xiàn)和建設(shè)方案。因此，研究將信息物理融合技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)現(xiàn)有技術(shù)中，將實(shí)現(xiàn)并提升庫(kù)房作業(yè)效率和監(jiān)管水準(zhǔn)，對(duì)于我國(guó)倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)管理技術(shù)體系的完善有一定的積極意義。通過(guò)研究信息物理融合系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，作者提出倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)管理信息物理融合系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，并將其融合與應(yīng)用于企業(yè)倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)中，從而提高運(yùn)營(yíng)效率和監(jiān)管水準(zhǔn)。目前，倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)管理的信息物理融合系統(tǒng)已經(jīng)得到局部應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：王樂(lè)達(dá)（1922-），男，北京人，學(xué)士學(xué)位，研究方向：RFID、信息物理融合。

作者單位：華中科技大學(xué)文華學(xué)院，武漢 430074

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金資助（2013CFC113），華中科技大學(xué)文華學(xué)院基金資助（2012Y33）。