姜 天

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

1 引言

倉儲(chǔ)是物流的重要作業(yè)環(huán)節(jié)，其主要功能是貨物存儲(chǔ)，根本目的在于保持倉儲(chǔ)物品的使用價(jià)值。傳統(tǒng)的倉儲(chǔ)作業(yè)管理系統(tǒng)將關(guān)注點(diǎn)集中在對(duì)倉儲(chǔ)作業(yè)執(zhí)行的優(yōu)化和有效管理上，有時(shí)會(huì)延伸到制定運(yùn)輸配送計(jì)劃等方面，而現(xiàn)代倉儲(chǔ)作業(yè)管理更加關(guān)注于利用先進(jìn)技術(shù)保證貨物、設(shè)施設(shè)備和人身安全[1,2]。因此，建設(shè)具有安全監(jiān)控功能的倉儲(chǔ)作業(yè)管理系統(tǒng)，將倉儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控和倉儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備監(jiān)控納入其中，構(gòu)建三位一體的管理平臺(tái)，對(duì)于保障貨物品質(zhì)，確保倉儲(chǔ)作業(yè)協(xié)調(diào)、高效、安全，提升倉儲(chǔ)管理水平具有重要意義[3]。

2 倉儲(chǔ)管理

倉儲(chǔ)管理是指對(duì)倉儲(chǔ)設(shè)施布局和設(shè)計(jì)以及倉儲(chǔ)作業(yè)所進(jìn)行的計(jì)劃、組織、協(xié)調(diào)和控制。倉儲(chǔ)管理的主要對(duì)象包括倉儲(chǔ)物品、倉儲(chǔ)設(shè)施設(shè)備等。倉儲(chǔ)管理的基本任務(wù)是對(duì)物品進(jìn)行存儲(chǔ)、流通調(diào)控、數(shù)量和質(zhì)量管理、配送和配載等[4]。

2.1 倉儲(chǔ)設(shè)備

倉儲(chǔ)設(shè)備是指倉儲(chǔ)業(yè)務(wù)所需的所有技術(shù)裝置與機(jī)具，即倉庫進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)或輔助生產(chǎn)作業(yè)以及保證倉庫及作業(yè)安全所必需的各種機(jī)械設(shè)備和信息化與自動(dòng)化設(shè)備的總稱。倉儲(chǔ)設(shè)備是完成貨物進(jìn)庫、出庫和儲(chǔ)存的設(shè)備。根據(jù)設(shè)備的主要用途和特征，可以分為裝卸搬運(yùn)設(shè)備、保管設(shè)備、計(jì)量檢驗(yàn)設(shè)備、自動(dòng)分揀設(shè)備、通風(fēng)照明保暖設(shè)備、消防安全設(shè)備、信息化與自動(dòng)化設(shè)備及其他[5]。

2.2 倉儲(chǔ)作業(yè)管理

倉儲(chǔ)作業(yè)管理系統(tǒng)是物流管理信息系統(tǒng)的主要作業(yè)系統(tǒng)之一，用于管理倉庫中的貨物、空間資源、人力資源、設(shè)備資源等，對(duì)貨物的入庫準(zhǔn)備、驗(yàn)收、入庫、堆碼、保管、盤點(diǎn)、出庫準(zhǔn)備、備貨、出庫、轉(zhuǎn)儲(chǔ)及其他庫內(nèi)作業(yè)進(jìn)行管理。

典型的倉儲(chǔ)作業(yè)管理系統(tǒng)對(duì)倉儲(chǔ)作業(yè)過程中發(fā)生的入出庫貨物的品種、數(shù)量、時(shí)間、頻率以及庫中結(jié)存等各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄，并據(jù)此對(duì)各作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效控制，通過對(duì)這些信息的分析處理，制定、執(zhí)行合理的操作策略，從而確保必要的庫存水平及貨物的移動(dòng)，保證各作業(yè)環(huán)節(jié)銜接通暢[6]。

3 倉儲(chǔ)安全監(jiān)控

倉儲(chǔ)安全管理是其它一切倉儲(chǔ)管理活動(dòng)的基礎(chǔ)和前提。對(duì)倉儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)的有效監(jiān)控，不僅可以保證存放貨物的質(zhì)量，延長貨物的使用壽命，還能保證倉儲(chǔ)作業(yè)環(huán)境不會(huì)對(duì)作業(yè)人員和設(shè)備造成危害。倉儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控就是運(yùn)用先進(jìn)的監(jiān)控設(shè)備和技術(shù)手段對(duì)倉庫關(guān)鍵作業(yè)設(shè)備實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測和安全處理，確保倉儲(chǔ)作業(yè)高效和安全。

3.1 倉儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控

隨著生鮮、藥品等溫濕度敏感性產(chǎn)品以及油品、糧食、危險(xiǎn)品等特種物流的發(fā)展，倉儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控的需求日益提高。防潮、防腐、防霉、防爆、防毒等工作是倉儲(chǔ)日常安全管理的重要內(nèi)容，它直接影響著貨物的質(zhì)量和壽命。為最大限度地降低環(huán)境變化對(duì)貨物造成的不良影響，需要對(duì)倉儲(chǔ)作業(yè)環(huán)境變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過各種調(diào)節(jié)手段保證最佳的環(huán)境狀況。針對(duì)儲(chǔ)存貨物的不同特性積極創(chuàng)造適宜的存儲(chǔ)環(huán)境來保證貨物的質(zhì)量，能夠起到減少損耗、節(jié)約成本的作用。表征倉儲(chǔ)環(huán)境狀況的參數(shù)較多，包括溫度、濕度、光照度、空氣含氧量、振動(dòng)、庫存貨物的位置等。倉儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測就是要利用各種先進(jìn)的檢測手段對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量、記錄、計(jì)算、報(bào)警等，以達(dá)到監(jiān)控倉儲(chǔ)運(yùn)行環(huán)境安全狀況和為將來改善倉儲(chǔ)作業(yè)環(huán)境提供歷史分析數(shù)據(jù)的目的。良好的倉儲(chǔ)環(huán)境，同時(shí)能夠保證作業(yè)人員和設(shè)備的安全[3]。

3.2 倉儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控

倉儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備尤其是傳送和揀選設(shè)備，其工作狀況的正常與否直接影響著整個(gè)倉儲(chǔ)作業(yè)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。部分消耗高電能的倉儲(chǔ)設(shè)備連續(xù)承受高電壓、強(qiáng)電流，若設(shè)備漏電或過度摩擦，極易引起火災(zāi)或爆炸事故；一些起重設(shè)備長期持重，若發(fā)動(dòng)機(jī)力度不夠或者提拉鏈條斷裂，極易造成貨物損壞甚至人員傷亡；傳送帶摩擦系數(shù)降低將直接導(dǎo)致貨物傳送效率的降低；旋轉(zhuǎn)設(shè)備若發(fā)生齒輪斷裂、齒面磨損、塑性變形等失效形式，可能影響設(shè)備正常運(yùn)行[7]。

倉儲(chǔ)設(shè)備正在向大型化、連續(xù)化、高速化和自動(dòng)化發(fā)展，可靠性和穩(wěn)定性要求越來越高，對(duì)倉儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控就顯得尤為重要。表征設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)有設(shè)備軸承溫度、電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速、油壓、油溫、振動(dòng)、噪聲聲級(jí)等[8]。倉儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控就是對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、記錄、報(bào)警和處理，以便及時(shí)排除設(shè)備隱患，計(jì)算設(shè)備運(yùn)行效能以及提高設(shè)備利用率。分析關(guān)鍵倉儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，不僅有助于建立預(yù)防維護(hù)周期機(jī)制、維護(hù)工單管理、實(shí)施設(shè)備調(diào)度，而且能夠促使設(shè)備管理、維護(hù)工作規(guī)范化[9]。

4 智能倉儲(chǔ)作業(yè)管理系統(tǒng)

倉儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行過程包括搬運(yùn)、傳送、堆垛、揀選、包裝等一系列作業(yè)，這些作業(yè)過程始終離不開信息的采集、預(yù)處理、傳輸、存儲(chǔ)、顯示，甚至信息深加工。傳統(tǒng)的倉儲(chǔ)作業(yè)管理系統(tǒng)雖然能夠完成這些基本的信息處理任務(wù)，但是如果將倉儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控、倉儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)控納入倉儲(chǔ)作業(yè)管理，無疑會(huì)提升其信息化和智能化水平。

4.1 倉儲(chǔ)狀況對(duì)倉儲(chǔ)作業(yè)能力的影響

倉儲(chǔ)作業(yè)能力是由倉儲(chǔ)設(shè)施設(shè)備配置與運(yùn)行狀況、人力資源以及管理能力等要素決定的。當(dāng)倉儲(chǔ)設(shè)備發(fā)生異常，不能按照設(shè)計(jì)能力運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，倉儲(chǔ)作業(yè)能力下降；當(dāng)倉儲(chǔ)環(huán)境異常，不能滿足貨物儲(chǔ)存要求或?qū)ψ鳂I(yè)人員造成不良影響時(shí)，倉儲(chǔ)作業(yè)能力也會(huì)下降。因此，倉儲(chǔ)狀況，即倉儲(chǔ)設(shè)備運(yùn)行狀況和倉儲(chǔ)作業(yè)環(huán)境狀況，會(huì)對(duì)倉儲(chǔ)作業(yè)能力產(chǎn)生影響。良好倉儲(chǔ)狀況能夠保證倉儲(chǔ)作業(yè)協(xié)調(diào)、高效、安全，不良的倉儲(chǔ)狀況會(huì)降低倉儲(chǔ)作業(yè)能力，甚至威脅作業(yè)人員、倉儲(chǔ)設(shè)備和貨物的安全。

4.2 智能倉儲(chǔ)作業(yè)管理系統(tǒng)架構(gòu)

為了確保倉儲(chǔ)作業(yè)高效和安全運(yùn)行，要求倉儲(chǔ)作業(yè)管理系統(tǒng)在制定作業(yè)計(jì)劃與實(shí)施作業(yè)運(yùn)行監(jiān)控過程中，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的倉儲(chǔ)設(shè)備運(yùn)行狀況和倉儲(chǔ)環(huán)境狀況對(duì)作業(yè)的影響，做出動(dòng)態(tài)調(diào)整。

智能倉儲(chǔ)作業(yè)管理系統(tǒng)是一種在倉儲(chǔ)環(huán)境下建立信息物理融合系統(tǒng)（CPS），如圖1所示。該系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)倉儲(chǔ)安全監(jiān)控，并整合到傳統(tǒng)的倉儲(chǔ)作業(yè)管理系統(tǒng)中，從而構(gòu)建三位一體的管理運(yùn)作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)更高智能的運(yùn)作監(jiān)控管理。系統(tǒng)通過更多信息的融合與處理，綜合考察倉儲(chǔ)設(shè)備狀況和環(huán)境影響，制定倉儲(chǔ)作業(yè)計(jì)劃，優(yōu)化作業(yè)流程，在保證貨物安全的前提下，最大限度地利用作業(yè)能力。

圖1 智能倉儲(chǔ)作業(yè)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

4.3 倉儲(chǔ)安全監(jiān)控實(shí)現(xiàn)技術(shù)

信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System,CPS）是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計(jì)算、通信和控制能力的可控、可信、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互來增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測或者控制一個(gè)物理實(shí)體，最終實(shí)現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式[10]。CPS在安全監(jiān)控領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，例如醫(yī)療設(shè)備和系統(tǒng)[11]、生活協(xié)助、交通控制、自動(dòng)化系統(tǒng)、過程控制、能量保護(hù)、環(huán)境監(jiān)控、航空電子、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)管（水、電、通信）等[12]。因此，將CPS應(yīng)用于倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)在技術(shù)上是完全可行的。

圖2給出了基于CPS的倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，圖中關(guān)鍵的構(gòu)成要素是CPS節(jié)點(diǎn)。該類節(jié)點(diǎn)具有信息采集、傳輸、控制和計(jì)算功能，能與物理實(shí)體高度集成，使物理實(shí)體成為智能體。CPS節(jié)點(diǎn)具有高度自治性，同時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間或節(jié)點(diǎn)與其他智能體之間能夠通過有線/無線方式連接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息資源的共享[13]。

圖2 基于CPS的倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

用于倉儲(chǔ)安全監(jiān)控的CPS節(jié)點(diǎn)是由傳感器模塊、處理器模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、擴(kuò)展接口模塊、執(zhí)行器模塊、能量供給模塊等組成。

（1）傳感器模塊包括板載溫/濕度傳感器、光照度傳感器以及連接外部其它傳感器信號(hào)和設(shè)備狀態(tài)信號(hào)的AD、DI通道，主要完成倉儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的采集工作；

（2）處理器模塊是CPS節(jié)點(diǎn)的核心，包括微處理器、存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)鐘等，完成計(jì)算、存儲(chǔ)和節(jié)點(diǎn)任務(wù)調(diào)度管理等任務(wù)；

（3）網(wǎng)絡(luò)通信模塊包括Wi-Fi通信模塊、工業(yè)以太網(wǎng)接口和現(xiàn)場總線接口，負(fù)責(zé)與其它CPS節(jié)點(diǎn)或智能設(shè)備通信聯(lián)網(wǎng)。這三種通信方式可選其中一種或多種共存；

（4）擴(kuò)展接口模塊用于連接本節(jié)點(diǎn)可選的LCD顯示屏、鍵盤和USB接口模塊等；

（5）執(zhí)行模塊輸出兩路開關(guān)量信號(hào)，可以用作輸出報(bào)警信號(hào)或控制指令通道；

（6）能量供給模塊為CPS節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，由鋰電池和充電單元組成。

4.4 信息分層分散處理設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)圖1所示系統(tǒng)的關(guān)鍵不僅在于設(shè)計(jì)制作高度可靠、性能優(yōu)良的CPS節(jié)點(diǎn)，還在于設(shè)計(jì)科學(xué)合理的信息處理與傳輸機(jī)制。信息分層分散處理，可以減少冗余信息傳輸，從而延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

充分利用每個(gè)CPS節(jié)點(diǎn)信息處理能力，將本地信息處理后再傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，可以減少信息的傳輸量，使得網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)难舆t大為減小。可以考慮把物理定位、標(biāo)識(shí)信息、動(dòng)態(tài)信息采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和超限報(bào)警判斷等初級(jí)信息處理交給CPS節(jié)點(diǎn)完成，而將與倉儲(chǔ)作業(yè)和安全監(jiān)控聯(lián)動(dòng)的信息處理、信息融合以及監(jiān)控處理等功能安排在上位應(yīng)用計(jì)算機(jī)完成[3]。這種信息分層分散處理機(jī)制能夠滿足倉儲(chǔ)運(yùn)行環(huán)境對(duì)安全性的要求，提高系統(tǒng)對(duì)CPS節(jié)點(diǎn)采集信息的處理能力，保障節(jié)點(diǎn)與中間件、上層管理軟件協(xié)同工作，極大地提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率。

5 總結(jié)

基于安全監(jiān)控的智能倉儲(chǔ)作業(yè)管理系統(tǒng)，能夠利用更多的實(shí)時(shí)倉儲(chǔ)信息，實(shí)施優(yōu)化的倉儲(chǔ)運(yùn)作管理，在保障貨物質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高對(duì)倉儲(chǔ)事故的快速反應(yīng)能力，為倉儲(chǔ)環(huán)境的精準(zhǔn)調(diào)控、倉儲(chǔ)設(shè)備的有效調(diào)度和安全維護(hù)以及倉儲(chǔ)作業(yè)的高效運(yùn)作提供可靠保障。本文給出了基于安全監(jiān)控的智能倉儲(chǔ)作業(yè)管理系統(tǒng)架構(gòu)，討論了技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)了符合統(tǒng)一硬件模型規(guī)范的CPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。將CPS應(yīng)用于倉儲(chǔ)監(jiān)控領(lǐng)域具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和可行性，CPS為物流系統(tǒng)智能化的實(shí)現(xiàn)提供了一種新的解決途徑[14]。