劉 軍，趙東杰，楊 璽

（北京物資學(xué)院信息學(xué)院，北京市101149）

一、引言

自動(dòng)化倉儲系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)操控的全自動(dòng)化系統(tǒng)，運(yùn)用了當(dāng)今眾多先進(jìn)技術(shù)，得到了廣泛應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性，新的技術(shù)和結(jié)構(gòu)仍然在不斷引入[1-3]，通過不斷結(jié)合先進(jìn)技術(shù)滿足倉儲系統(tǒng)中對貨物的管理、貨位的管理以及對系統(tǒng)的監(jiān)控[4]。目前，系統(tǒng)的調(diào)度與優(yōu)化是自動(dòng)化倉儲系統(tǒng)研究的一個(gè)重要方向。

針對自動(dòng)化倉儲系統(tǒng)中固定貨架的貨位分配問題，叢奎榮[5]提出了庫存分配和貨位分配策略，并利用蟻群算法對固定貨架系統(tǒng)堆垛機(jī)揀選作業(yè)路徑進(jìn)行優(yōu)化，從而提高了系統(tǒng)的規(guī)劃效率。李梅娟[6]針對貨物存取頻繁和存儲貨位動(dòng)態(tài)變化問題，提出了基于最優(yōu)和小生境技術(shù)的改進(jìn)遺傳算法，解決了分配模型各目標(biāo)相互沖突不存在唯一的最優(yōu)解這一技術(shù)難點(diǎn)；針對輸送系統(tǒng)設(shè)備資源沖突和自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）的任務(wù)分配問題，提出了適合求解自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車優(yōu)化調(diào)度問題的局部搜索混合遺傳算法。江唯[7]從貨物存儲流程出發(fā)，研究了貨物分類和貨架分區(qū)兩部分貨物存儲問題，并著重研究了貨位分配和穿梭車調(diào)度優(yōu)化方案，解決了貨物從存取任務(wù)下達(dá)到任務(wù)完成中的一系列主要問題。袁培培[8]以各個(gè)堆垛機(jī)在各個(gè)巷道所走距離的比值為優(yōu)化目標(biāo)，以品項(xiàng)約束域?yàn)榧s束條件構(gòu)建了巷道作業(yè)平衡優(yōu)化模型，分別設(shè)計(jì)了雙親混合遺傳算法和二進(jìn)制粒子群算法，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，最終發(fā)現(xiàn)雙親混合遺傳算法更加適合巷道作業(yè)平衡優(yōu)化模型。而肖維紅[9]從智能倉儲系統(tǒng)的安全監(jiān)控技術(shù)出發(fā)，構(gòu)架了現(xiàn)代物流智能倉儲安全監(jiān)控體系，嘗試通過監(jiān)控技術(shù)和現(xiàn)代安全監(jiān)控兩者的結(jié)合來確保系統(tǒng)的安全存儲，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控性能。為了提高自動(dòng)化立體倉庫出入庫作業(yè)的效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化立體倉庫管理和控制系統(tǒng)（WMCS）高度可靠、易擴(kuò)展、可復(fù)用的目標(biāo)，張欣等[10]提出了基于面向服務(wù)體系（SOA）架構(gòu)的控制系統(tǒng)框架模型，有效地解決了庫位分配、作業(yè)任務(wù)調(diào)度、倉儲設(shè)備故障診斷等影響出入庫作業(yè)效率問題。陳旻等[11]以最小化各訂單的總拖期為目標(biāo)，建立了倉儲系統(tǒng)備貨作業(yè)的兩階段混合流水調(diào)度模型，針對各個(gè)階段設(shè)計(jì)了不同調(diào)度規(guī)則和緊急搜索算法，對巷道堆垛機(jī)上各作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行順序進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步減少訂單的總拖期，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了算法的可行性和有效性。長期以來，倉儲作業(yè)系統(tǒng)按照倉儲環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備控制和作業(yè)調(diào)度三大部分獨(dú)立設(shè)計(jì)，造成實(shí)際投入使用的倉儲系統(tǒng)普遍存在信息使用不充分、設(shè)備聯(lián)動(dòng)性差、設(shè)備調(diào)度不合理等問題，存在環(huán)境、設(shè)備和作業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)[12]。

倉儲環(huán)境發(fā)生不良變化和倉儲作業(yè)設(shè)備健康狀況變差，都將影響倉儲作業(yè)的正常執(zhí)行和運(yùn)行安全。為了解決目前自動(dòng)化倉儲系統(tǒng)運(yùn)行中存在的環(huán)境適應(yīng)性差、作業(yè)調(diào)度未能考慮作業(yè)設(shè)備健康狀況變化等問題，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性和運(yùn)行的穩(wěn)定性，應(yīng)基于倉儲系統(tǒng)的特性，運(yùn)用大系統(tǒng)控制理論[13-14]，重構(gòu)倉儲自動(dòng)作業(yè)運(yùn)行控制架構(gòu)，使其具有分層控制、信息反饋和協(xié)調(diào)控制運(yùn)行機(jī)制。新型控制架構(gòu)使用倉儲系統(tǒng)全局動(dòng)態(tài)信息處理，將計(jì)算獲得的倉儲最大存儲容量和最大作業(yè)負(fù)荷作為倉儲作業(yè)調(diào)度的約束條件，實(shí)施倉儲系統(tǒng)全要素協(xié)調(diào)控制。

二、倉儲系統(tǒng)的特性

倉儲系統(tǒng)是復(fù)雜的人造系統(tǒng)，構(gòu)成系統(tǒng)的要素包括基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備、人、貨物和信息等，其中有些要素是靜止的，有些要素是移動(dòng)的，而要素之間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，并且存在大量的信息交換。倉儲系統(tǒng)作為既有貨物儲存功能又有貨物周轉(zhuǎn)功能的一個(gè)相對獨(dú)立系統(tǒng)，自身有許多特性，對于倉儲作業(yè)運(yùn)行和管理，如下五個(gè)特性最為關(guān)鍵。

（一）空間的封閉性

為了給貨物提供安全的儲存環(huán)境，便于貨物管理，減少自然和人為對貨物的損害，倉儲系統(tǒng)一般建設(shè)成為一個(gè)有明確邊界的封閉或半封閉性的物理空間，將貨物存放在其中。為了移動(dòng)和監(jiān)控貨物，在這個(gè)物理空間還安裝有許多設(shè)施設(shè)備，例如空調(diào)系統(tǒng)、搬運(yùn)設(shè)備、儲存設(shè)備、控制設(shè)備等。倉儲系統(tǒng)內(nèi)部物理空間與外部大氣物理環(huán)境有明顯的分隔界面。因此說，倉儲系統(tǒng)是一個(gè)相對獨(dú)立，與外部環(huán)境有物質(zhì)、能量和信息交換，有明確邊界的封閉或半封閉的系統(tǒng)，其功能主要是用于貨物的儲存和周轉(zhuǎn)。倉儲系統(tǒng)的封閉特性隱含著重要的意義，即只需通過合理安排貨物的輸入和輸出數(shù)量，優(yōu)化輸入輸出間隔，合理協(xié)調(diào)內(nèi)部要素及其作用關(guān)系，就可以優(yōu)化內(nèi)部的作業(yè)。

（二）要素的復(fù)雜性

構(gòu)成倉儲系統(tǒng)的要素包括基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備、人、貨物和信息等，其中有些要素是靜止的，如倉儲系統(tǒng)的基礎(chǔ)建筑、內(nèi)部水電暖系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、固定貨架等；有些要素是移動(dòng)的，如倉儲作業(yè)配備的叉車、人工運(yùn)送車、托盤、自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車等；有些要素相對固定，如自動(dòng)倉儲作業(yè)系統(tǒng)配備的輸送帶、堆垛機(jī)和移動(dòng)貨架等。這些要素之間相互配合，共同協(xié)作完成倉儲作業(yè)任務(wù)。在作業(yè)過程中，不同的作業(yè)流程決定了它們之間不同的關(guān)聯(lián)方式。顯然，要素之間的信息交換是要素間關(guān)聯(lián)的主要方式。為了實(shí)現(xiàn)倉儲信息化和自動(dòng)化，計(jì)算機(jī)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、傳感器、可視化設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)及其附屬設(shè)備成為倉儲系統(tǒng)的核心構(gòu)成要素，傳統(tǒng)意義上的運(yùn)輸設(shè)備、貨架、托盤等不斷升級為信息化、智能化設(shè)備，使倉儲系統(tǒng)構(gòu)成要素種類增多，關(guān)聯(lián)方式和相互作用方式靈活多變。

（三）結(jié)構(gòu)的多樣性

倉儲系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)安全存儲和高效周轉(zhuǎn)貨物的功能，其結(jié)構(gòu)往往根據(jù)個(gè)性化需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)意義上的小型倉儲系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)簡單、功能單一的系統(tǒng)，中大型倉儲系統(tǒng)通常有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。隨著信息化、自動(dòng)化倉儲系統(tǒng)的興起和發(fā)展，信息化設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備逐步取代人工進(jìn)行自動(dòng)作業(yè)，與之配套的作業(yè)管理軟件、設(shè)備控制軟件等物理不可見的組成要素不斷增加，可移動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的要素也越來越多。倉儲系統(tǒng)作業(yè)流程不再是固定不變的，而是向著柔性化和動(dòng)態(tài)化方向發(fā)展，要素間關(guān)系動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)和隱形關(guān)聯(lián)特征日益明顯。單純從可見的物理要素很難分析出倉儲系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵谶\(yùn)行結(jié)構(gòu)中，存在大量軟性不可見要素和隱形的關(guān)聯(lián)關(guān)系，軟性要素和隱形連接容易修改，使得倉儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多樣性，而且容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)柔性變化。

（四）交換的非連續(xù)性

倉儲系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)貨物的儲存和周轉(zhuǎn)功能，就必須與外部世界進(jìn)行貨物和信息的交換。倉儲系統(tǒng)對于貨物具有暫存作用，貨物在輸入、暫存和輸出整個(gè)過程中，在時(shí)間上是斷開的，倉儲系統(tǒng)輸入與輸出貨物的過程是非連續(xù)進(jìn)行的。再者，由于貨物輸入或輸出的單位時(shí)間流量不均等，以及多種貨物輸入或輸出時(shí)混雜在一起同時(shí)進(jìn)行，所以用結(jié)構(gòu)化的數(shù)學(xué)模型來描述倉儲系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系是不可能的。依此推理，可以清楚地認(rèn)識到，與貨物和作業(yè)過程相關(guān)的信息也具有非連續(xù)性特征。

對于這類非連續(xù)過程的描述，建立一段時(shí)間內(nèi)的非結(jié)構(gòu)化統(tǒng)計(jì)模型是可行的。將建立的模型用于分析倉儲系統(tǒng)作業(yè)歷史規(guī)律是有價(jià)值的；但是，用這一模型來表征倉儲系統(tǒng)的輸入輸出規(guī)律，從而預(yù)測倉儲系統(tǒng)未來作業(yè)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，仍然是不正確的。這是因?yàn)榇蟛糠謧}儲系統(tǒng)在一年時(shí)間里，不同月份輸入與輸出的貨物種類和數(shù)量不均等，并且倉儲系統(tǒng)貨物入庫、儲存和出庫受市場因素、人為因素等隨機(jī)因素影響很大。

（五）環(huán)境的時(shí)變性

倉儲系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境不僅會受到外部自然環(huán)境變化的影響，也會受到內(nèi)部儲存貨物發(fā)生化學(xué)變化從而產(chǎn)生各種氣體或液體的影響，還會受到內(nèi)部作業(yè)的影響。倉儲系統(tǒng)的內(nèi)部環(huán)境是隨時(shí)變化的，表征內(nèi)部環(huán)境的參數(shù)具有時(shí)變特性。當(dāng)倉儲系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境發(fā)生變化，表征環(huán)境的參數(shù)偏離倉儲系統(tǒng)運(yùn)行要求較大時(shí)，環(huán)境對貨物的儲存品質(zhì)和倉儲作業(yè)設(shè)備就會產(chǎn)生不利影響。因此，保證倉儲系統(tǒng)環(huán)境良好狀態(tài)是倉儲管理的一項(xiàng)重要工作。減少環(huán)境變化對自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)的影響，可以提高自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，所以，實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)控倉儲環(huán)境，在自動(dòng)化作業(yè)的倉儲系統(tǒng)中尤為重要。

三、倉儲系統(tǒng)分類及其進(jìn)化

倉儲系統(tǒng)由早期的純?nèi)斯ぷ鳂I(yè)系統(tǒng)逐步向信息化、自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)方向進(jìn)化。按照支撐倉儲作業(yè)使用的主要技術(shù)手段來劃分，可以將倉儲系統(tǒng)劃分為四種類型，即人工作業(yè)倉儲系統(tǒng)、信息化作業(yè)倉儲系統(tǒng)、自動(dòng)化作業(yè)倉儲系統(tǒng)和智能化作業(yè)倉儲系統(tǒng)。目前四種類型倉儲系統(tǒng)都在使用。實(shí)際劃分的方法是找到倉儲系統(tǒng)中主要的作業(yè)手段和作業(yè)方式，有時(shí)存在確定主要作業(yè)手段的困惑。這是因?yàn)橛行┤斯ぷ鳂I(yè)倉儲系統(tǒng)中也有少量信息化設(shè)備，多數(shù)信息化作業(yè)倉儲系統(tǒng)都會配備少量自動(dòng)化作業(yè)設(shè)備，而在大多數(shù)自動(dòng)化作業(yè)倉儲系統(tǒng)中會有少量智能作業(yè)系統(tǒng)和優(yōu)化算法等智能體。

（一）人工作業(yè)倉儲系統(tǒng)

在以人工作業(yè)為主的倉儲系統(tǒng)中，大量使用叉車、輸送帶、運(yùn)送車、手推車、托盤、貨架等非自動(dòng)化設(shè)備，發(fā)送作業(yè)指令、接受作業(yè)指令和執(zhí)行作業(yè)任務(wù)都由作業(yè)人員完成。這種最原始的倉儲系統(tǒng)作業(yè)效率不高，出錯(cuò)可能性大，經(jīng)濟(jì)效益較低。人工作業(yè)倉儲系統(tǒng)技術(shù)含量和建設(shè)成本低，對作業(yè)人員的技術(shù)水平要求也低，目前仍然在大量使用。為了減少作業(yè)錯(cuò)誤，有些人工作業(yè)倉儲系統(tǒng)也增加了信息化管理手段，主要用于入庫記錄、出庫記錄、庫存量記錄和作業(yè)任務(wù)清單生成等。例如小型、微型企業(yè)的生產(chǎn)材料、半成品、成品、備品備件倉儲管理，還主要使用人工作業(yè)倉儲系統(tǒng)。

（二）信息化作業(yè)倉儲系統(tǒng)

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展和普及應(yīng)用，倉儲系統(tǒng)在20世紀(jì)80年代初期就開始逐步使用信息化手段來支撐倉儲作業(yè)。倉儲管理系統(tǒng)（Warehouse Management System，WMS）基于信息流管理作業(yè)調(diào)度，用于管理倉庫中的貨物、空間資源、人力資源、設(shè)備資源等在倉庫中的活動(dòng)，是對貨物的入庫、檢驗(yàn)、上架、出庫及轉(zhuǎn)倉、轉(zhuǎn)儲、盤點(diǎn)及其他庫內(nèi)作業(yè)的管理系統(tǒng)。倉儲管理系統(tǒng)作為倉儲管理的核心，是倉儲一切活動(dòng)的管理中心，離開倉儲管理系統(tǒng)倉儲作業(yè)就無法進(jìn)行。目前，中小企業(yè)的倉儲系統(tǒng)仍然大量使用這種信息化的作業(yè)倉儲系統(tǒng)，其中作業(yè)過程有大量人工參與，自動(dòng)化設(shè)備使用很少。

（三）自動(dòng)化作業(yè)倉儲系統(tǒng)

對于貨物存放種類多、數(shù)量大、出入庫頻率高的倉儲系統(tǒng)，目前一般都使用自動(dòng)化作業(yè)倉儲系統(tǒng)。在自動(dòng)化倉儲系統(tǒng)中，大量使用信息化、智能化作業(yè)設(shè)備，包括自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車、自動(dòng)存儲系統(tǒng)（Automated Storage and Retrieval System，AS/RS）、自動(dòng)化傳輸設(shè)備、自動(dòng)分揀系統(tǒng)、智能貨架、智能托盤、有軌運(yùn)輸系統(tǒng)，甚至包括機(jī)器人等自動(dòng)化或半自動(dòng)化設(shè)備[12]。自動(dòng)化設(shè)備以及配套的自動(dòng)控制系統(tǒng)是倉儲作業(yè)的核心，一旦發(fā)生故障將會造成整個(gè)倉儲作業(yè)中斷。在倉儲管理系統(tǒng)管理下，倉儲控制系統(tǒng)（Warehouse Control System，WCS）管理和控制倉儲作業(yè)設(shè)備，自動(dòng)完成作業(yè)任務(wù)。在整個(gè)作業(yè)過程中，作業(yè)人員很少參與操作或根本沒有作業(yè)人員參與操作。從20世紀(jì)90年代初期開始逐步發(fā)展起來的自動(dòng)化倉儲系統(tǒng)，目前在大中型企業(yè)和專業(yè)物流公司大量使用，是代表當(dāng)前發(fā)展水平的主流倉儲系統(tǒng)，其裝備技術(shù)仍然在不斷進(jìn)化和發(fā)展。

（四）智能化作業(yè)倉儲系統(tǒng)

自動(dòng)化倉儲系統(tǒng)的發(fā)展，減輕了作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。為了追求倉儲作業(yè)更高的安全性和經(jīng)濟(jì)性，從2000年開始，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)被大量引入倉儲系統(tǒng)運(yùn)作與管理，倉儲作業(yè)管理實(shí)現(xiàn)了更高層次的信息化和自動(dòng)化。實(shí)時(shí)信息采集與處理、大數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化算法、智能控制和智能決策逐步在倉儲作業(yè)中使用。將這類具備自動(dòng)化作業(yè)能力，同時(shí)具備智能控制、自動(dòng)作業(yè)優(yōu)化和智能決策的倉儲系統(tǒng)單獨(dú)劃分為智能化作業(yè)倉儲系統(tǒng)。目前智能化作業(yè)倉儲系統(tǒng)還沒有公認(rèn)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，可以認(rèn)為它是由倉儲設(shè)備系統(tǒng)、信息識別系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)等兩個(gè)及以上子系統(tǒng)組成的智能自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)，具有對信息進(jìn)行智能感知、處理和決策，對倉儲設(shè)備進(jìn)行智能控制和調(diào)度，自動(dòng)完成倉儲作業(yè)執(zhí)行與流程優(yōu)化的功能[15]。智能化作業(yè)倉儲系統(tǒng)是當(dāng)前和未來相當(dāng)長時(shí)間研究和發(fā)展的主要倉儲類型，需要研究的內(nèi)容相當(dāng)豐富。

四、倉儲自適應(yīng)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)

積極推進(jìn)和發(fā)展的自動(dòng)化作業(yè)倉儲系統(tǒng)，又稱為自動(dòng)化倉儲系統(tǒng)，代表著先進(jìn)的生產(chǎn)力，這類倉儲系統(tǒng)追求能夠安全、高效、自動(dòng)完成作業(yè)任務(wù)。結(jié)構(gòu)決定功能[16]，如果期望系統(tǒng)在高智能自動(dòng)完成作業(yè)任務(wù)時(shí)，具有適應(yīng)環(huán)境變化和設(shè)備健康狀況變化的能力，就必須變革現(xiàn)在的控制結(jié)構(gòu)。用大系統(tǒng)控制理論的思想和方法指導(dǎo)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將信息、算法和協(xié)調(diào)作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成部分，各組成要素高度可靠和高度自治，要素之間相互協(xié)作，才能使整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)穩(wěn)定且具有強(qiáng)魯棒性。

（一）基于全局動(dòng)態(tài)信息的設(shè)計(jì)思想

一直以來，倉儲作業(yè)管理系統(tǒng)按照功能劃分為倉儲環(huán)境監(jiān)控與管理、設(shè)備控制與管理、作業(yè)調(diào)度與管理三大部分。過去傳統(tǒng)的倉儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)作管理普遍將這三個(gè)部分獨(dú)立對待，看作是相對獨(dú)立的三個(gè)子系統(tǒng)，因此，實(shí)際投入使用的倉儲系統(tǒng)，三個(gè)子系統(tǒng)之間普遍存在信息共享程度低、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)性差、設(shè)備調(diào)度不合理和設(shè)備維護(hù)不及時(shí)等問題[12]。

倉儲自適應(yīng)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)期望倉儲作業(yè)不僅能夠自動(dòng)完成作業(yè)任務(wù)，而且具有適應(yīng)環(huán)境變化和設(shè)備健康狀況變化的能力；不僅具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，更重要的是具備低風(fēng)險(xiǎn)平穩(wěn)運(yùn)行能力。所以需要建立全新設(shè)計(jì)思路，研究和開發(fā)符合更高運(yùn)行要求的設(shè)計(jì)方法。

基于大系統(tǒng)控制理論[13-14]的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法，要求在系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)時(shí)將倉儲系統(tǒng)看作一個(gè)整體，以信息處理為中心，分層管理，遞階控制，應(yīng)用倉儲系統(tǒng)中人、物、設(shè)備和環(huán)境的實(shí)時(shí)全局信息，實(shí)施要素間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)和隱形關(guān)聯(lián)。通過模型和優(yōu)化算法建立系統(tǒng)要素間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，根據(jù)環(huán)境和設(shè)備健康狀況，自動(dòng)協(xié)調(diào)執(zhí)行作業(yè)任務(wù)。

（二）基于全要素協(xié)調(diào)的系統(tǒng)架構(gòu)

圖1給出了倉儲自適應(yīng)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的一種架構(gòu)。從中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)以信息處理為中心的分層管控系統(tǒng)。

信息處理中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心，接收定期作業(yè)計(jì)劃（如定期盤點(diǎn)任務(wù)、定期設(shè)備維修任務(wù)等）、靜態(tài)作業(yè)任務(wù)（由人工制定的有計(jì)劃的作業(yè)任務(wù)）、動(dòng)態(tài)訂單任務(wù)，并存儲倉儲系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)參數(shù)（存儲量、作業(yè)能力、環(huán)境參數(shù)等）。同時(shí)還接收來自環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、作業(yè)人員的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息。

通過分析和處理接收到的倉儲系統(tǒng)全局實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，信息處理中心計(jì)算倉儲系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷容量，包括倉儲系統(tǒng)實(shí)時(shí)存儲量（貨物最大存儲負(fù)荷）和實(shí)時(shí)作業(yè)能力（設(shè)備最大作業(yè)負(fù)荷），將計(jì)算結(jié)果傳送給任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)。同時(shí)根據(jù)接收到的定期作業(yè)計(jì)劃、靜態(tài)作業(yè)任務(wù)、動(dòng)態(tài)訂單任務(wù)，生成任務(wù)隊(duì)列傳送給任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)。

任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)將信息中心傳送來的帶有延時(shí)保持的負(fù)荷容量作為倉儲系統(tǒng)作業(yè)的約束條件，分解任務(wù)隊(duì)列中的各項(xiàng)任務(wù)，并按照先進(jìn)先出的順序，將一個(gè)一個(gè)的作業(yè)任務(wù)分配給空閑的設(shè)備與系統(tǒng)，由設(shè)備控制系統(tǒng)控制相應(yīng)執(zhí)行設(shè)備自動(dòng)完成作業(yè)任務(wù)。其中，負(fù)荷容量延時(shí)保持的作用是保證任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)在設(shè)定的執(zhí)行周期內(nèi)，存儲負(fù)荷和作業(yè)負(fù)荷的給定值保持不變，以防止系統(tǒng)發(fā)生震蕩。

圖1 倉儲自適應(yīng)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)

（三）基于實(shí)時(shí)信息反饋的運(yùn)行機(jī)制

倉儲環(huán)境的變化對倉庫中存儲貨物的品質(zhì)和壽命有很大的影響，同時(shí)也影響倉庫中作業(yè)設(shè)備和作業(yè)人員的安全；倉庫中作業(yè)設(shè)備的健康狀況決定了倉儲作業(yè)能力，同時(shí)也影響倉庫中作業(yè)設(shè)備和作業(yè)人員的安全。在不同的倉儲環(huán)境狀況和不同的作業(yè)設(shè)備健康狀況下，應(yīng)該設(shè)置不同的倉儲容量和作業(yè)負(fù)荷，從而最大程度地抵消環(huán)境變差和設(shè)備健康狀況下降對作業(yè)造成的影響。

從環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可以獲得環(huán)境狀況和設(shè)備狀況的反饋信息，這些信息應(yīng)用于倉儲容量和作業(yè)負(fù)荷計(jì)算，可以計(jì)算出倉儲低風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)的負(fù)荷容量（最大儲存負(fù)荷和最大作業(yè)負(fù)荷）。將計(jì)算出的負(fù)荷容量作為任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行限制，就可實(shí)現(xiàn)倉儲系統(tǒng)的環(huán)境和設(shè)備安全信息反饋。

五、倉儲自適應(yīng)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)條件

（一）工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)

倉儲自適應(yīng)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)是以信息處理為中心，分層控制、信息反饋和協(xié)調(diào)控制的大系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中系統(tǒng)各要素間存在大量信息交換，保證信息傳輸及時(shí)與準(zhǔn)確是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)與通信系統(tǒng)必須“健壯”。所以，倉儲自適應(yīng)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，配備可靠的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信協(xié)議，工程實(shí)施必須遵循廣泛使用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（二）智能化作業(yè)設(shè)備

倉儲作業(yè)設(shè)備應(yīng)該是具有聯(lián)網(wǎng)功能的信息化設(shè)備，應(yīng)該配備技術(shù)成熟的工業(yè)以太網(wǎng)接口、現(xiàn)場控制總線接口等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，在條件允許的情況下，盡量采用有線供電和有線通信方式。所有設(shè)備應(yīng)該是安全可靠、高度自治的自動(dòng)化設(shè)備，具有自動(dòng)接收指令和自動(dòng)執(zhí)行的能力，同時(shí)，還應(yīng)該具有適度的智能性。

（三）環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

倉儲環(huán)境變化直接影響著儲存貨物的品質(zhì)和使用壽命，同時(shí)，還影響著倉儲作業(yè)設(shè)備的運(yùn)行安全。對于大多數(shù)倉儲系統(tǒng)，一般需要同時(shí)監(jiān)測3～6個(gè)環(huán)境參數(shù)。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用具有標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接口、模塊化、可組態(tài)、多參數(shù)節(jié)點(diǎn)建設(shè)分布式倉儲環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可以滿足倉儲自適應(yīng)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)對于環(huán)境信息采集的需求。

（四）設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

在貨物入庫、在庫盤點(diǎn)、揀選和出庫等主要作業(yè)過程中，搬運(yùn)和移動(dòng)貨物的設(shè)備是重要的作業(yè)工具，這些設(shè)備的健康狀況直接影響倉儲作業(yè)能力和作業(yè)質(zhì)量。配備在線設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，采集設(shè)備運(yùn)行信息，通過實(shí)時(shí)分析設(shè)備供電、輸入輸出、振動(dòng)、運(yùn)行姿態(tài)等信息，可以計(jì)算出設(shè)備運(yùn)行健康狀況。對于設(shè)備健康狀況的評估，在其他工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有較為成熟的技術(shù)，可以借鑒使用。[17-18]

六、任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題

任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)軟件系統(tǒng)，是作業(yè)執(zhí)行管理的主體，由許多優(yōu)化算法和模型組成，是傳統(tǒng)倉儲控制系統(tǒng)的進(jìn)化，其智能高低決定了倉儲作業(yè)的整體效率、安全性、運(yùn)行的穩(wěn)定性和系統(tǒng)抵御不確定風(fēng)險(xiǎn)的能力。任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮諸多設(shè)備因素和技術(shù)因素，要以信息處理中心提供的負(fù)荷容量作為倉儲作業(yè)能力的上限，根據(jù)當(dāng)前作業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況在線分析計(jì)算，協(xié)調(diào)設(shè)備資源，合理安排作業(yè)任務(wù)調(diào)度。任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)將作業(yè)指令下發(fā)給設(shè)備控制系統(tǒng)，由設(shè)備控制系統(tǒng)操控執(zhí)行設(shè)備實(shí)現(xiàn)作業(yè)自動(dòng)執(zhí)行。

（一）任務(wù)協(xié)調(diào)的約束條件

倉儲系統(tǒng)的存儲容量不僅受到設(shè)計(jì)參數(shù)的限制，同時(shí)也受環(huán)境狀況變化的影響。當(dāng)倉儲環(huán)境質(zhì)量變差，表征環(huán)境狀態(tài)的參數(shù)偏離正常范圍較大時(shí)，要及時(shí)給出調(diào)節(jié)環(huán)境狀態(tài)的指令，并且要迅速降低存儲容量（可以通過增大貨物出庫量，減少貨物入庫量等作業(yè)來實(shí)現(xiàn)）。

倉儲系統(tǒng)的作業(yè)能力是所有倉儲作業(yè)設(shè)備作業(yè)能力的總和。一些主要作業(yè)設(shè)備（如堆垛機(jī)）對倉儲作業(yè)能力影響較大，甚至決定倉儲作業(yè)能否正常進(jìn)行。當(dāng)參與倉儲作業(yè)的設(shè)備健康狀況發(fā)生不良變化或有發(fā)生故障的傾向，特別是當(dāng)主要作業(yè)設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)，倉儲作業(yè)調(diào)度必須及時(shí)調(diào)整，降低作業(yè)負(fù)荷，所以，從信息處理中心傳來的負(fù)荷容量是由當(dāng)前倉儲系統(tǒng)全局信息推算出來的，是考慮了安全邊界的倉儲存儲容量和作業(yè)負(fù)荷容量，是作業(yè)容量的最大值，應(yīng)該作為任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)制定任務(wù)調(diào)度算法的約束條件。具體如圖2所示。

（二）任務(wù)隊(duì)列的生成原則

這里需要先給出任務(wù)粒的概念。所謂任務(wù)粒，是指在指定的時(shí)間內(nèi)，至少可以由一個(gè)倉儲作業(yè)要素（如單個(gè)自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車）獨(dú)立完成的作業(yè)任務(wù)。

信息處理中心將接收到的定期作業(yè)計(jì)劃、靜態(tài)作業(yè)任務(wù)、動(dòng)態(tài)訂單任務(wù)進(jìn)行合并或分解，生成一個(gè)一個(gè)的任務(wù)粒，任務(wù)粒按時(shí)間排序形成任務(wù)流，傳送給任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)。任務(wù)隊(duì)列就是任務(wù)粒按時(shí)間排序形成的任務(wù)流。任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)按照先進(jìn)先出的原則，將任務(wù)隊(duì)列中的任務(wù)粒分配給設(shè)備控制系統(tǒng)，由設(shè)備控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)作業(yè)設(shè)備自動(dòng)完成作業(yè)任務(wù)。

顯然，采用傳統(tǒng)的訂單拆分、訂單合并、任務(wù)分解、任務(wù)合并等技術(shù)方法下發(fā)作業(yè)指令，最大化了任務(wù)粒，是基于作業(yè)執(zhí)行設(shè)備完備的開環(huán)控制方法，不能充分發(fā)揮任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)按實(shí)時(shí)設(shè)備作業(yè)能力分配作業(yè)任務(wù)的功能，不具備閉環(huán)控制性能，可能造成任務(wù)指令與作業(yè)執(zhí)行能力不匹配。

要實(shí)現(xiàn)作業(yè)要素的作業(yè)能力與任務(wù)粒的完美匹配，任務(wù)粒的大小選擇至關(guān)重要。任務(wù)粒設(shè)置太小，不能最大程度地發(fā)揮作業(yè)要素的作業(yè)能力，造成作業(yè)效率下降；任務(wù)粒設(shè)置太大，會產(chǎn)生作業(yè)要素的作業(yè)能力不足，在指定作業(yè)時(shí)間不能完成作業(yè)任務(wù)等問題。

徐計(jì)等[19]給出了大數(shù)據(jù)?；椒?，同樣可以應(yīng)用于任務(wù)粒生成。在應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析與處理方法生成任務(wù)粒時(shí)，作業(yè)要素的作業(yè)實(shí)時(shí)能力要事先計(jì)算出來，作為任務(wù)粒生成的空間約束條件。生成任務(wù)粒的方法可以按照基于粒計(jì)算的各種信息處理技術(shù)來完成[19-20]，可以在任務(wù)粒生成時(shí)綜合考慮傳統(tǒng)的作業(yè)流程優(yōu)化等問題。

綜上所述，信息處理中心在計(jì)算生成任務(wù)隊(duì)列時(shí)，不能簡單地按照傳統(tǒng)的訂單拆分、訂單合并、任務(wù)分解、任務(wù)合并等技術(shù)方法生成任務(wù)指令，而是要使用倉儲系統(tǒng)作業(yè)設(shè)備的健康狀況信息事先計(jì)算作業(yè)設(shè)備作業(yè)能力，使用粒計(jì)算的信息處理模型與算法，將任務(wù)合并或分解，形成粒度大小合適的任務(wù)粒，最大程度匹配作業(yè)設(shè)備的實(shí)時(shí)作業(yè)能力，再由任務(wù)粒按時(shí)間排序形成任務(wù)流，即任務(wù)隊(duì)列，傳送給任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)安排執(zhí)行。

（三）任務(wù)隊(duì)列執(zhí)行的微流程化

圖2 任務(wù)協(xié)調(diào)約束

如圖3所示，任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)隊(duì)列時(shí)，首先要按照指定周期（與延時(shí)保持時(shí)間一致）實(shí)時(shí)存儲容量約束，計(jì)算周期內(nèi)的貨物出庫量和貨物入庫量，剪取任務(wù)隊(duì)列的任務(wù)粒數(shù)量，將任務(wù)粒指定給設(shè)備控制系統(tǒng)去完成，形成指定周期的微流程。如圖2所示，為了方便任務(wù)隊(duì)列任務(wù)粒剪取，在設(shè)計(jì)時(shí)把任務(wù)隊(duì)列設(shè)計(jì)成兩列，即入庫任務(wù)隊(duì)列和出庫任務(wù)隊(duì)列，入庫任務(wù)隊(duì)列僅包括貨物入庫任務(wù)粒，同樣，出庫任務(wù)隊(duì)列中僅包含出庫任務(wù)粒。

圖3 作業(yè)執(zhí)行微流程

顯然，倉儲作業(yè)過程是多個(gè)微流程的執(zhí)行過程，微流程的執(zhí)行順序一般可以按照任務(wù)隊(duì)列中任務(wù)粒的先進(jìn)先出順序來安排。

如果任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)隊(duì)列時(shí)，依據(jù)訂單執(zhí)行特殊要求或作業(yè)優(yōu)化策略實(shí)施在線智能調(diào)度[21-22]，并且在執(zhí)行任務(wù)粒時(shí)綜合考慮各種資源約束，組合多個(gè)任務(wù)粒使之成為任務(wù)單元，在指定周期同步執(zhí)行任務(wù)單元中的任務(wù)粒，形成多個(gè)微流程的同步或優(yōu)化執(zhí)行順序[23]，就可以實(shí)現(xiàn)適應(yīng)環(huán)境變化和設(shè)備健康狀況變化的最優(yōu)作業(yè)調(diào)度。

七、結(jié)語

為促進(jìn)我國物流從傳統(tǒng)向現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，國家相繼出臺了一系列支持物流行業(yè)發(fā)展的政策?！蛾P(guān)于促進(jìn)倉儲業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導(dǎo)意見》明確提出，到2017年倉儲業(yè)立體倉庫占比達(dá)到40%以上；《物流業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃》提出，到2020年基本建立現(xiàn)代物流服務(wù)體系，提升物流業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、智能化、集約化水平，從而提高經(jīng)濟(jì)整體運(yùn)行效率和效益。

在需求與政策的雙重驅(qū)動(dòng)下，我國物流自動(dòng)化系統(tǒng)呈爆發(fā)式增長。2010年以來，我國自動(dòng)化物流倉儲系統(tǒng)市場以年均28%以上的速度快速增長，2016年市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)到758億元左右，其中占比最高的是自動(dòng)化倉庫和自動(dòng)輸送機(jī)，分別達(dá)到149億元和206億元的規(guī)模，核心設(shè)備自動(dòng)分揀系統(tǒng)和自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車分別為90億元和46億元。中國物流業(yè)正努力從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)模式向現(xiàn)代化、智能化升級。

針對這一趨勢，本文運(yùn)用系統(tǒng)分析方法，總結(jié)了對倉儲作業(yè)影響較大的五個(gè)倉儲系統(tǒng)特性，按照支撐倉儲作業(yè)使用的主要技術(shù)手段將倉儲系統(tǒng)劃分為四種類型，運(yùn)用大系統(tǒng)控制理論，重構(gòu)了倉儲自動(dòng)作業(yè)運(yùn)行控制架構(gòu)，以適應(yīng)現(xiàn)代化與智能化倉儲需求。本文提出的新型倉儲自適應(yīng)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)是一種智能倉儲作業(yè)系統(tǒng)，具有分層控制、信息反饋和協(xié)調(diào)控制運(yùn)行機(jī)制。系統(tǒng)的核心是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息處理，通過引入倉儲系統(tǒng)負(fù)荷容量作為限制條件，在作業(yè)任務(wù)分配時(shí)，協(xié)調(diào)作業(yè)要素能力，以保證系統(tǒng)在自動(dòng)完成作業(yè)任務(wù)的同時(shí)，具有適應(yīng)環(huán)境變化和設(shè)備健康狀況變化的能力。文章給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)條件，對重構(gòu)系統(tǒng)的核心部分即任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題進(jìn)行了探討，給出了一般設(shè)計(jì)原則和方法。

本文主要觀點(diǎn)包括如下幾個(gè)方面：

第一，對倉儲作業(yè)影響較大的五個(gè)倉儲系統(tǒng)特性，包括倉儲空間的封閉性、倉儲構(gòu)成要素的復(fù)雜性、倉儲結(jié)構(gòu)的多樣性、貨物交換的非連續(xù)性和倉儲環(huán)境的時(shí)變性。

第二，按照支撐倉儲作業(yè)使用的主要技術(shù)手段來劃分，目前使用的倉儲系統(tǒng)可以劃分為四種類型，即人工作業(yè)倉儲系統(tǒng)、信息化作業(yè)倉儲系統(tǒng)、自動(dòng)化作業(yè)倉儲系統(tǒng)和智能化作業(yè)倉儲系統(tǒng)。

第三，基于倉儲系統(tǒng)的特性，運(yùn)用大系統(tǒng)控制理論，重構(gòu)了倉儲自動(dòng)作業(yè)運(yùn)行控制架構(gòu)。倉儲自適應(yīng)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)是一種智能倉儲作業(yè)系統(tǒng)，具有分層控制、信息反饋和協(xié)調(diào)控制運(yùn)行機(jī)制。

第四，倉儲自適應(yīng)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，是運(yùn)用倉儲系統(tǒng)全局動(dòng)態(tài)信息，將負(fù)荷容量作為倉儲作業(yè)能力的上限，根據(jù)當(dāng)前作業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況在線分析計(jì)算，協(xié)調(diào)設(shè)備資源，合理安排作業(yè)任務(wù)調(diào)度。

第五，倉儲作業(yè)任務(wù)協(xié)調(diào)的運(yùn)行機(jī)制，是將倉儲作業(yè)任務(wù)合并或分解，形成粒度大小合適的任務(wù)粒，再由任務(wù)粒按時(shí)間排序形成任務(wù)流即任務(wù)隊(duì)列，傳送給任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)安排執(zhí)行。任務(wù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)隊(duì)列時(shí)，剪取任務(wù)隊(duì)列中一定數(shù)量的任務(wù)粒，將任務(wù)粒指定給設(shè)備控制系統(tǒng)去完成，形成指定周期的微流程。倉儲作業(yè)過程即是多個(gè)微流程的執(zhí)行過程。