程茂上 ，項(xiàng) 前，余玉風(fēng)，黃 曦，呂志軍

（1.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.上海精星物流設(shè)備工程有限公司，上海 201611）

0 引言

作為一種物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)是一組安裝在貨架上的電子顯示裝置取代揀貨單，指示應(yīng)揀取的物品及數(shù)量，引導(dǎo)揀貨人員準(zhǔn)確、高效地完成揀貨工作[1]。根據(jù)揀貨方式不同，主要分為摘取式（DPS）與播種式（DAS）。摘取式揀選法是針對(duì)每一份訂單揀選，系統(tǒng)依據(jù)訂單號(hào)點(diǎn)亮所需物料的貨位電子標(biāo)簽，引導(dǎo)揀貨員揀選物料；播種式揀選法是針對(duì)批量訂單揀選，每個(gè)貨位代表一份訂單，先匯總多份訂單需要各種物料的數(shù)量，系統(tǒng)再根據(jù)物料號(hào)將需要該物料的貨位電子標(biāo)簽點(diǎn)亮，引導(dǎo)揀貨員分發(fā)物料[2]。

目前，電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)多采用單體架構(gòu)。文獻(xiàn)[3,4]中采用單體架構(gòu)與C/S模式構(gòu)建單體式倉(cāng)儲(chǔ)揀選系統(tǒng)，驗(yàn)證了電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)揀選效率、準(zhǔn)確率的極大提升；文獻(xiàn)[5,6]中采用MVC三層架構(gòu)與B/S模式，融入SignalR實(shí)時(shí)Web通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了揀選作業(yè)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。實(shí)際應(yīng)用中，單體架構(gòu)下的倉(cāng)儲(chǔ)揀選系統(tǒng)，作業(yè)效率受限于服務(wù)器的性能，無(wú)法更好地滿(mǎn)足高并發(fā)處理的要求。此外，當(dāng)服務(wù)器宕機(jī)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將面臨癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)。微服務(wù)架構(gòu)作為一種架構(gòu)模式，以業(yè)務(wù)為導(dǎo)向構(gòu)建不同的服務(wù)，且每個(gè)服務(wù)運(yùn)行于獨(dú)立進(jìn)程中，通過(guò)輕量級(jí)的訪問(wèn)機(jī)制實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，具有并發(fā)處理能力強(qiáng)、容錯(cuò)性強(qiáng)等特點(diǎn)[7,8]。上述研究表明，蓬勃發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)促進(jìn)了傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的升級(jí)，本文基于微服務(wù)架構(gòu)，以ASP.NET Core MVC、實(shí)體框架[9]數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)等搭建電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)，采用SignalR[10]服務(wù)實(shí)現(xiàn)Web實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，結(jié)合消息中間件[11]技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式架構(gòu)下業(yè)務(wù)一致性。

1 基于微服務(wù)架構(gòu)的電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由三類(lèi)服務(wù)構(gòu)成：應(yīng)用微服務(wù)、作業(yè)微服務(wù)與標(biāo)簽操作微服務(wù)。

應(yīng)用微服務(wù)是揀選系統(tǒng)的入口，通過(guò)人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)權(quán)限管理、訂單管理、作業(yè)管理以及監(jiān)控管理等。通過(guò)訂單拆分功能，將訂單拆分成多項(xiàng)作業(yè)，當(dāng)需要下發(fā)作業(yè)來(lái)點(diǎn)亮電子標(biāo)簽時(shí)，僅需向作業(yè)服務(wù)發(fā)出請(qǐng)求，作業(yè)服務(wù)會(huì)自動(dòng)調(diào)用標(biāo)簽操作服務(wù)完成標(biāo)簽的點(diǎn)亮工作；當(dāng)需要人工干預(yù)標(biāo)簽的狀態(tài)時(shí)，僅需要在APP的監(jiān)控界面，模擬現(xiàn)場(chǎng)操作，即可遠(yuǎn)程控制標(biāo)簽狀態(tài)。

作業(yè)微服務(wù)，用于接收APP的作業(yè)請(qǐng)求，將獲取到的符合規(guī)范的作業(yè)信息轉(zhuǎn)化為電子標(biāo)簽控制信息，并下發(fā)到標(biāo)簽操作服務(wù)。每當(dāng)作業(yè)進(jìn)度有更新時(shí)，作業(yè)服務(wù)通過(guò)SignalR向APP推送作業(yè)狀態(tài)改變信息。

標(biāo)簽操作微服務(wù)，用于接收作業(yè)微服務(wù)的請(qǐng)求，調(diào)用標(biāo)簽SDK改變電子標(biāo)簽的狀態(tài)，并將狀態(tài)信息保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中；負(fù)責(zé)接收揀貨員拍擊完成器產(chǎn)生的事件，并通知作業(yè)微服務(wù)改變作業(yè)狀態(tài)。當(dāng)貨位標(biāo)簽狀態(tài)有更新時(shí)，標(biāo)簽操作服務(wù)通過(guò)SignalR向APP推送標(biāo)簽狀態(tài)改變信息。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

為了協(xié)同各微服務(wù)，實(shí)現(xiàn)分布式架構(gòu)下高可用的電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)，需要在微服務(wù)管理、設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控與揀選業(yè)務(wù)集成方面進(jìn)一步研究。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

該電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)中涉及的技術(shù)如表1所示。

1）微服務(wù)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)

隨著微服務(wù)數(shù)量增加，每個(gè)微服務(wù)需要對(duì)所有目標(biāo)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)位置進(jìn)行配置，而當(dāng)某個(gè)微服務(wù)的部署地址發(fā)生變化時(shí)，該微服務(wù)的調(diào)用方的配置也要進(jìn)行改變，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)與管理難度進(jìn)一步加大，需要微服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行協(xié)作。在比較Consul、Zookeeper、Etcd等服務(wù)發(fā)現(xiàn)組件后，結(jié)合揀選系統(tǒng)現(xiàn)有架構(gòu)，選用Consul組件，利用HTTP或DNS方式完成微服務(wù)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)，結(jié)合key-value儲(chǔ)存服務(wù)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)配置網(wǎng)絡(luò)位置，為揀選系統(tǒng)提供更全面可靠的健康檢查，最終實(shí)現(xiàn)微服務(wù)的高可用性[12,13]。

2）倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備虛擬化監(jiān)控技術(shù)

本文基于Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制。首先通過(guò)設(shè)備虛擬化，將電子標(biāo)簽揀選設(shè)備封裝成類(lèi)庫(kù)，將標(biāo)簽操作行為封裝成類(lèi)庫(kù)的方法，再根據(jù)不同的業(yè)務(wù)邏輯封裝成微服務(wù)，最后結(jié)合MVC技術(shù)將微服務(wù)封裝成Web API，為設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供支持。其三層封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

SignalR框架能夠?qū)崿F(xiàn)服務(wù)端向前端實(shí)時(shí)推送數(shù)據(jù)功能。在服務(wù)端創(chuàng)建SignalR中心以及廣播方法，在客戶(hù)端采用JavaScript技術(shù)連接到中心。當(dāng)服務(wù)端需要推送消息到前端時(shí)，僅需要調(diào)用中心的廣播方法，即連接的客戶(hù)端皆可以收到消息。客戶(hù)端在接收到消息后，更新前端界面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?？紤]到Web通信成本，在不影響監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)每隔500毫秒，通過(guò)SignalR向前端推送監(jiān)控信息，降低通信頻次；采用AJAX技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控局部更新，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸流量，提高網(wǎng)頁(yè)更新速度，從而以降低網(wǎng)絡(luò)擁堵與系統(tǒng)能耗。以?huà)x設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)用Web API來(lái)控制設(shè)備動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬化監(jiān)控功能。

圖2 標(biāo)簽操作微服務(wù)結(jié)構(gòu)圖

表1 電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)主要技術(shù)簡(jiǎn)介

3）微服務(wù)架構(gòu)下倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)務(wù)集成

微服務(wù)部署在不同的計(jì)算機(jī)上，通信本質(zhì)是進(jìn)程間通信（IPC）?；贖TTP的REST通信模式無(wú)需中間代理，簡(jiǎn)單易調(diào)試，當(dāng)需要訪問(wèn)目標(biāo)服務(wù)時(shí)，通過(guò)微服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，獲取服務(wù)實(shí)例的URL，即可通過(guò)HTTP協(xié)議建立通信，采用GET與POST方式訪問(wèn)到目標(biāo)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)微服務(wù)間數(shù)據(jù)傳遞。針對(duì)分布式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)、通信故障導(dǎo)致信息缺失問(wèn)題，根據(jù)ACID理論，為了保證事務(wù)一致性，采用RabbitMQ[14]作消息中間件，消息生產(chǎn)者使用API向代理發(fā)布事件，代理可以向消費(fèi)者提供訂閱服務(wù)，并且在事件發(fā)生時(shí)通知消費(fèi)者[15]。如DPS作業(yè)過(guò)程中，在揀選系統(tǒng)下發(fā)任務(wù)后，需要請(qǐng)求標(biāo)簽操作服務(wù)以改變標(biāo)簽狀態(tài)，請(qǐng)求數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)記錄標(biāo)簽狀態(tài)、更新任務(wù)進(jìn)度信息等，其中請(qǐng)求方作為消息生產(chǎn)者，生產(chǎn)消息并發(fā)送給交換器，通過(guò)選定的路由規(guī)則將消息送至指定的隊(duì)列中，目標(biāo)微服務(wù)作為消費(fèi)者，從隊(duì)列中獲取消息并消費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)微服務(wù)之間異步協(xié)作。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)微服務(wù)出現(xiàn)宕機(jī)或重啟時(shí)，電子標(biāo)簽會(huì)根據(jù)標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)布局與業(yè)務(wù)邏輯抽象出實(shí)體模型，構(gòu)建系統(tǒng)E-R圖，如圖3所示。在布局管理方面，根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)布置對(duì)倉(cāng)庫(kù)、單元、貨架、貨位、設(shè)備與標(biāo)簽進(jìn)行虛擬化，并將參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于監(jiān)測(cè)與維護(hù)。在庫(kù)存管理方面，托盤(pán)與物料之間存在中間表，負(fù)責(zé)記錄托盤(pán)中存放物料與數(shù)量，而庫(kù)存表記錄貨位與托盤(pán)的關(guān)系，根據(jù)貨位即可查出存放的物料信息。在作業(yè)管理方面，將客戶(hù)與訂單信息分表管理，減少冗余信息；根據(jù)不同的作業(yè)類(lèi)型，將訂單拆分成DPS/DAS作業(yè)表，為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

圖3 系統(tǒng)E-R圖

實(shí)際應(yīng)用中，考慮某些倉(cāng)庫(kù)存在物料堆積區(qū)，設(shè)計(jì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)中貨架與貨位的外鍵可為空來(lái)滿(mǎn)足多樣化需求，即某區(qū)不存在貨架與貨位時(shí)，仍可以用標(biāo)簽來(lái)指示該區(qū)域；鑒于不同倉(cāng)庫(kù)對(duì)托盤(pán)需求的不確定性，采用自增長(zhǎng)ID為主鍵的虛擬托盤(pán)來(lái)滿(mǎn)足不同需求，即每個(gè)貨位默認(rèn)綁定虛擬托盤(pán)，當(dāng)存在真實(shí)托盤(pán)時(shí)，只需在虛擬托盤(pán)的實(shí)例中加入托盤(pán)編號(hào)。

在數(shù)據(jù)庫(kù)建模基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)體框架技術(shù)，將對(duì)象與屬性映射成數(shù)據(jù)庫(kù)表與列，從而實(shí)現(xiàn)利用對(duì)象處理數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)系數(shù)據(jù)。

2 電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用效果

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

系統(tǒng)采用Visual Studio2017與SQL Server2014開(kāi)發(fā)工具，基于ASP.NET Core實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)部署，配合JavaScript、SignalR、AJAX等技術(shù)實(shí)現(xiàn)揀選作業(yè)過(guò)程的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)合消息中間件技術(shù)保證事務(wù)一致性。系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖4所示。在訂單拆分時(shí)，根據(jù)DPS/DAS不同作業(yè)方式，產(chǎn)生不同類(lèi)型的作業(yè)。在摘取式作業(yè)中，根據(jù)標(biāo)簽顯示數(shù)量進(jìn)行揀選，當(dāng)所需物料庫(kù)存不足時(shí)，揀貨人員需先完成補(bǔ)貨操作再揀選，最后確認(rèn)；在播種式作業(yè)中，物料經(jīng)統(tǒng)籌規(guī)劃后，按標(biāo)簽顯示的數(shù)量進(jìn)行分發(fā)并確認(rèn)，直到揀貨員完成所有任務(wù)。

表2 電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)應(yīng)用效果

圖5 PTL應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

圖6 DPS執(zhí)行界面

圖7 貨位監(jiān)控界面

PTL現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試環(huán)境如圖5所示，每個(gè)貨架有3層6列共18個(gè)貨位。通過(guò)調(diào)試與修正，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中達(dá)到預(yù)期的效果。以DPS作業(yè)為例，對(duì)訂單編號(hào)為Or04進(jìn)行揀選，作業(yè)執(zhí)行界面如圖6所示，貨位監(jiān)控界面如圖7所示。與傳統(tǒng)揀選方式對(duì)比分析，揀選系統(tǒng)應(yīng)用效果如表2所示。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于微服務(wù)架構(gòu)的電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)，利用微服務(wù)架構(gòu)下的高并發(fā)處理特性，進(jìn)一步提升倉(cāng)儲(chǔ)揀選效率?；赪eb通信技術(shù)，融入SignalR實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)典型倉(cāng)儲(chǔ)模型與業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行抽象提取，建立了電子標(biāo)簽揀選實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)了庫(kù)存管理、作業(yè)管理等?；谙⒅虚g件技術(shù)，保證了事務(wù)一致性，提高了揀選作業(yè)的可靠性與準(zhǔn)確性。通過(guò)應(yīng)用展示了該揀選系統(tǒng)具有良好的效果，滿(mǎn)足高并發(fā)環(huán)境下的作業(yè)需求。

此外，運(yùn)用全新的微服務(wù)架構(gòu)也帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。在后續(xù)研究中，利用負(fù)載均衡等技術(shù)進(jìn)一步完善系統(tǒng)架構(gòu)；可加入智能揀選服務(wù)，實(shí)現(xiàn)訂單無(wú)人化拆分；可采用從PTL揀選到“貨到人”的揀選方式，進(jìn)一步提高倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)效率。