何 琴，楊 業(yè)，鄭天辰，王 毅

（湖北文理學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053）

如今科技發(fā)展日新月異，工業(yè)信息化、自動(dòng)化水平在不斷提高。隨著“工業(yè)5.0”以及“人工智能”時(shí)代的到來(lái)，制造業(yè)正在面臨向智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)生產(chǎn)方式已經(jīng)很難滿足當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，科技的進(jìn)步也需要融入到傳統(tǒng)的制造行業(yè)中去，促進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展。

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅猛發(fā)展，倉(cāng)儲(chǔ)管理已成為整個(gè)物流鏈中至關(guān)重要的一部分。倉(cāng)庫(kù)的物品空間利用率與企業(yè)開(kāi)銷成本之間是否實(shí)現(xiàn)平衡，是企業(yè)能否可持續(xù)化改進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的重要標(biāo)準(zhǔn)。不僅如此，倉(cāng)儲(chǔ)管理還是信息流通的重要環(huán)節(jié)，有利于發(fā)貨方、第三方、收貨方之間核對(duì)物流信息。通過(guò)引導(dǎo)良性競(jìng)爭(zhēng)，從差異中進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化作業(yè)流程管控、提升效率、降低成本的目標(biāo)[1]。

隨著RFID 頻射識(shí)別、GPS、紅外感應(yīng)等傳感設(shè)備、定位系統(tǒng)等技術(shù)不斷地更新升級(jí)，大量倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施通過(guò)將其接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)帶動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)互聯(lián)，極大程度上促進(jìn)了智能倉(cāng)儲(chǔ)的發(fā)展。文章基于上述研究背景提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能倉(cāng)儲(chǔ)管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)將大大提高物品入庫(kù)、出庫(kù)及庫(kù)內(nèi)周轉(zhuǎn)的效率與準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

本倉(cāng)儲(chǔ)管理平臺(tái)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供的物品感知和識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)即時(shí)獲取倉(cāng)庫(kù)中各類物品的數(shù)量及空間位置信息。在感知層，利用的典型技術(shù)包括傳感器網(wǎng)絡(luò)、全球定位系統(tǒng)、RFID 技術(shù)等；網(wǎng)絡(luò)層為智能倉(cāng)儲(chǔ)管理提供全天候全覆蓋的網(wǎng)絡(luò)通信功能，做到線上與線下的絕對(duì)一致；而應(yīng)用層則實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)各個(gè)軟硬件子系統(tǒng)功能的互聯(lián)匯集，主要基于機(jī)器對(duì)機(jī)器通信（Machine to Machine，M2M）技術(shù)及管理策略?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，使用分層設(shè)計(jì)的思路，使得數(shù)據(jù)信息可以在各層次間實(shí)現(xiàn)交換[2]。從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層作為系統(tǒng)切入點(diǎn)并通過(guò)調(diào)用接口實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，得到的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)功能框架采用經(jīng)典的MVC 設(shè)計(jì)模式，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為交互層、業(yè)務(wù)邏輯層及數(shù)據(jù)訪問(wèn)層，并同時(shí)使用Spring、MyBatis 等框架協(xié)助開(kāi)發(fā)，使開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)潔高效，邏輯清晰。

另外，通過(guò)電子數(shù)據(jù)交換（Electronic Data Interchange，EDI），實(shí)現(xiàn)企業(yè)之間業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交換。幫助企業(yè)整合供應(yīng)鏈、降低庫(kù)存、實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)。使企業(yè)間的業(yè)務(wù)單據(jù)自動(dòng)安全交換，無(wú)需人工參與，降低誤差，實(shí)現(xiàn)高速安全的供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)交換，增加貿(mào)易雙方的工作效率，建立貿(mào)易信任；倉(cāng)儲(chǔ)管理方面，通過(guò)優(yōu)化相關(guān)算法，提高倉(cāng)儲(chǔ)的精度和效率。在硬件方面，采用四向穿梭車、交叉帶分揀系統(tǒng)、AGV（機(jī)器人引導(dǎo)車）、智能穿梭車控制系統(tǒng)，提高貨物輸送、存儲(chǔ)、分揀的效率。

1.2 系統(tǒng)功能組成

該系統(tǒng)功能主要分為貨物操作、貨物盤(pán)點(diǎn)和信息查詢。其中系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的模塊如下。

1）貨物入庫(kù)模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)貨物的入庫(kù)信息采集及貨物數(shù)量的清點(diǎn)。只需通過(guò)RFID 讀寫(xiě)器讀取標(biāo)簽，來(lái)獲得貨物的相應(yīng)信息，并將其信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上傳至中心服務(wù)器，同時(shí)更新貨物庫(kù)存信息和清點(diǎn)增加的庫(kù)存數(shù)量。

2）貨物出庫(kù)模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)貨物的出庫(kù)信息的采集及貨物數(shù)量的清點(diǎn)。只需通過(guò)RFID 讀寫(xiě)器讀取標(biāo)簽，來(lái)獲得貨物的相應(yīng)信息，并將其信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上傳至中心服務(wù)器，同時(shí)更新貨物庫(kù)存信息和清點(diǎn)減少的庫(kù)存數(shù)量。

3）入庫(kù)數(shù)量信息查詢模塊。該模塊主要通過(guò)中心服務(wù)器來(lái)進(jìn)行查詢，中心服務(wù)器存儲(chǔ)著貨物信息，如ID、名稱、數(shù)量、入庫(kù)時(shí)間等信息，由于存儲(chǔ)互聯(lián)，能實(shí)時(shí)查詢，實(shí)時(shí)更新，通過(guò)關(guān)鍵詞即貨物ID 對(duì)入庫(kù)貨物數(shù)量進(jìn)行查詢。

4）出庫(kù)數(shù)量信息查詢模塊。該模塊主要通過(guò)中心服務(wù)器來(lái)進(jìn)行查詢，中心服務(wù)器存儲(chǔ)著貨物信息，如ID、名稱、數(shù)量、入庫(kù)時(shí)間等信息，由于存儲(chǔ)互聯(lián)，能實(shí)時(shí)查詢，實(shí)時(shí)更新，通過(guò)關(guān)鍵詞即貨物ID 對(duì)出庫(kù)貨物數(shù)量進(jìn)行查詢。

5）貨物信息查詢模塊。該模塊主要通過(guò)中心服務(wù)器來(lái)進(jìn)行查詢，中心服務(wù)器存儲(chǔ)著貨物信息，如ID、名稱、數(shù)量和入庫(kù)時(shí)間等信息，由于存儲(chǔ)互聯(lián)，能實(shí)時(shí)查詢，實(shí)時(shí)更新，通過(guò)關(guān)鍵詞貨物ID 對(duì)貨物信息進(jìn)行查詢。

6）庫(kù)存數(shù)量信息查詢模塊。該模塊主要通過(guò)中心服務(wù)器來(lái)進(jìn)行查詢，中心服務(wù)器存儲(chǔ)著貨物信息，如ID、名稱、數(shù)量和入庫(kù)時(shí)間等信息，由于存儲(chǔ)互聯(lián)，能實(shí)時(shí)查詢，實(shí)時(shí)更新，通過(guò)關(guān)鍵詞貨物ID 對(duì)庫(kù)存數(shù)量進(jìn)行查詢。

7）貨物貨位信息查詢模塊。該模塊主要通過(guò)中心服務(wù)器來(lái)查詢貨位信息，動(dòng)態(tài)分配貨位，最大程度地利用存儲(chǔ)空間，避免倉(cāng)儲(chǔ)分配貨物不均的問(wèn)題。

8）貨物統(tǒng)計(jì)模塊。該模塊主要通過(guò)手持個(gè)人數(shù)字助理（Personal Digital Assistant，PDA）掃碼操作，通過(guò)讀取標(biāo)識(shí)牌上的標(biāo)簽，進(jìn)行貨物統(tǒng)計(jì)，最后將數(shù)據(jù)返回到中心服務(wù)器。

9）統(tǒng)計(jì)報(bào)表模塊。該模塊主要通過(guò)貨物的出庫(kù)和入庫(kù)信息來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)表，由中心服務(wù)器所同步的相關(guān)貨物信息，可實(shí)現(xiàn)貨物的系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)，生成相對(duì)應(yīng)的報(bào)表。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 智能識(shí)別

智能識(shí)別系統(tǒng)采用無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)貨物的智能識(shí)別[3-4]，當(dāng)閱讀器發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生一定范圍的磁場(chǎng)，而當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)，閉合電路中的部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲得能量，向閱讀器發(fā)出自身編碼等信息，隨后閱讀器讀取信息并編碼，本地業(yè)務(wù)服務(wù)器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將信息傳至中心服務(wù)器進(jìn)行處理，從而完成貨物識(shí)別及貨物數(shù)量的統(tǒng)計(jì)。本地業(yè)務(wù)服務(wù)器通過(guò)儲(chǔ)存貨物信息，以便倉(cāng)儲(chǔ)管理人員在業(yè)務(wù)系統(tǒng)中可以實(shí)時(shí)查詢。

2.2 AGV 路徑規(guī)劃

AGV 小車路徑方案規(guī)劃要領(lǐng)：根據(jù)物流運(yùn)輸?shù)目臻g分布特征和方案實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，AGV 路徑方案規(guī)劃方法，首先根據(jù)構(gòu)建的工作站相對(duì)位置矩陣、距離矩陣以及阻塞系數(shù)來(lái)描述車間環(huán)境信息，通過(guò)系統(tǒng)的自動(dòng)優(yōu)化，有效縮短運(yùn)輸距離，針對(duì)物流運(yùn)輸動(dòng)態(tài)變化，把整個(gè)運(yùn)輸路徑劃分成不同的子路徑，本研究的智能倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)地優(yōu)化變化附近運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)，從而減少外部因素導(dǎo)致的堵塞或過(guò)多的等待，通過(guò)實(shí)施的案例和系統(tǒng)仿真得出我們的規(guī)劃方法具有有效性。

在基于本研究的智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中，合理的路徑規(guī)劃對(duì)于提高機(jī)器人引導(dǎo)車的行進(jìn)效率起到了關(guān)鍵作用，也是本倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵性技術(shù)。Dijkstra算法是解決相關(guān)單源最短路徑中最成熟的算法，其基本思想是從開(kāi)端結(jié)點(diǎn)開(kāi)始逐步遍歷存在的所有結(jié)點(diǎn)，在遍歷每一個(gè)結(jié)點(diǎn)的過(guò)程中記錄距離該節(jié)點(diǎn)最近的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，保存在回溯向量的文件中，通過(guò)查詢回溯向量文件，可以得到一條從開(kāi)端節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)結(jié)點(diǎn)的最短路徑。在具體設(shè)計(jì)中，將每一個(gè)物品存放的片區(qū)編號(hào)看作一個(gè)個(gè)獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)，而AGV 需要通過(guò)Dijkstra 算法，從起始片區(qū)經(jīng)過(guò)每一步的演繹推算得到到達(dá)目標(biāo)片區(qū)的最短路徑[5]。

Dijkstra 算法具體圖解步驟如圖2 所示。

圖2 Dijkstra 算法流程圖

本研究將基于Dijkstra 算法，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩類路徑規(guī)劃問(wèn)題：一類是全局最優(yōu)規(guī)劃，即對(duì)周圍環(huán)境、光線亮度、障礙物等的分布，全部已知；一類是局部最優(yōu)規(guī)劃，即對(duì)周圍環(huán)境、光線亮度、障礙物等的分布未知[6]。

2.2.1 全局最優(yōu)規(guī)劃

在全局最優(yōu)規(guī)劃中，前提條件是AGV 的上位機(jī)熟悉所處區(qū)域的環(huán)境，這就需要人工提前將倉(cāng)庫(kù)細(xì)節(jié)圖導(dǎo)入至機(jī)器人引導(dǎo)車中。和局部最優(yōu)規(guī)劃相比，若周圍環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，且初始化時(shí)倉(cāng)庫(kù)細(xì)節(jié)圖未及時(shí)更新，就有可能造成當(dāng)一個(gè)AGV 出現(xiàn)故障時(shí)，引起連串甚至整個(gè)片區(qū)的癱瘓。所以，進(jìn)行全局規(guī)劃時(shí)，上位機(jī)對(duì)AGV工作場(chǎng)景的了解程度十分重要。

2.2.2 局部最優(yōu)規(guī)劃

局部最優(yōu)規(guī)劃中，AGV 并不需要對(duì)自己的工作場(chǎng)景十分了解，所以較全局最優(yōu)規(guī)劃更加合理。但是當(dāng)AGV 直線行駛在局部的路徑中，需要對(duì)轉(zhuǎn)彎角度、拐角方位等進(jìn)行自主判斷。局部最優(yōu)規(guī)劃算法可以對(duì)局部的路徑選擇進(jìn)行實(shí)時(shí)修改、更正，但無(wú)法保證現(xiàn)階段得到的路徑是否是全局最優(yōu)規(guī)劃。當(dāng)特殊情況下2 種最優(yōu)規(guī)劃算法可能出現(xiàn)局部最優(yōu)或者死鎖現(xiàn)象。

2.3 倉(cāng)庫(kù)管理

倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（Warehouse Management System，WMS）作為整個(gè)物流中心的中樞系統(tǒng)，其承擔(dān)著舉足輕重的作用，為倉(cāng)庫(kù)和配送中心提供系統(tǒng)支持，使得更加高效、精準(zhǔn)地完成作業(yè)，WMS 智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)與企業(yè)的企業(yè)資源（Enterprise Resource Planning，ERP）系統(tǒng)充分集成，進(jìn)行信息交互，及時(shí)接收訂單指令并將訂單執(zhí)行結(jié)果反饋到ERP 系統(tǒng)；通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)度RF 手持終端、電子標(biāo)簽協(xié)同完成揀貨作業(yè)，實(shí)現(xiàn)貨物的準(zhǔn)確分流。

在出庫(kù)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)頻繁去同一個(gè)位置揀貨，從而會(huì)導(dǎo)致庫(kù)存分配不均的情況。通過(guò)WMS 智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的庫(kù)存鎖定策略，每個(gè)出庫(kù)任務(wù)都會(huì)自動(dòng)進(jìn)行庫(kù)存鎖定，當(dāng)這個(gè)庫(kù)位庫(kù)存鎖定完了，就會(huì)自動(dòng)鎖定下一個(gè)庫(kù)位，從而解決了庫(kù)存分配不均的問(wèn)題，確保了出庫(kù)的工作效率。

2.4 智能控制

倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)（Warehouse Control System，WCS）是介于WMS 系統(tǒng)和可編程邏輯控制（Programmable Logic Controller，PLC）系統(tǒng)兩者之間的管理控制系統(tǒng)。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備系統(tǒng)接口的集成、統(tǒng)一調(diào)度和監(jiān)控。它與WMS 系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，接收WMS 系統(tǒng)發(fā)送的指令，并將其發(fā)送給PLC 系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)作業(yè)的完成。同時(shí)，它將PLC 系統(tǒng)的狀態(tài)及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映給用戶操縱界面，并提供對(duì)PLC 系統(tǒng)手動(dòng)調(diào)試接口。

庫(kù)位中存放的是物料盒，每個(gè)物料盒都有唯一編碼，貨物入庫(kù)流程如下。

第1 步：掃描入庫(kù)單號(hào)（入庫(kù)單由MES 系統(tǒng)生成）到倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中。

第2 步：倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)通過(guò)單號(hào)在MES 系統(tǒng)中查詢對(duì)應(yīng)需入庫(kù)的物料盒號(hào)。

第3 步：確認(rèn)執(zhí)行入庫(kù)。

第4 步：倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)掃碼入庫(kù)，入庫(kù)完畢后，反饋入庫(kù)結(jié)果到MES 系統(tǒng)。

貨物出庫(kù)流程如下。

第1 步：掃描出庫(kù)單號(hào)（單號(hào)由MES 系統(tǒng)生成）到倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中。

第2 步：倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)通過(guò)單號(hào)在MES 系統(tǒng)中查詢對(duì)應(yīng)的需要出庫(kù)的料盒號(hào)。

第3 步：確認(rèn)執(zhí)行出庫(kù)。

第4 步：倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)執(zhí)行出庫(kù)操作，反饋操作結(jié)果到MES 系統(tǒng)。

2.5 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了貨物的入庫(kù)、出庫(kù)操作，貨物查詢，貨物盤(pán)點(diǎn)等業(yè)務(wù)功能，從而使得基于物聯(lián)網(wǎng)的智能倉(cāng)儲(chǔ)管理平臺(tái)能智能化完成貨物的一系列操作。其中，系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，必將為各行各業(yè)帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的重大變革。同時(shí)國(guó)家和社會(huì)的關(guān)注度也隨之提高，為企業(yè)提供政策、資金、人才培養(yǎng)等支持。傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)管理技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代化企業(yè)的需求，安全、便捷、精確、快速已經(jīng)成為新一代倉(cāng)儲(chǔ)管理企業(yè)的新追求，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展為本研究提供了可靠的技術(shù)條件。

本研究的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)如下。

1）不同的企業(yè)之間通過(guò)EDI 將標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)濟(jì)信息通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，在貿(mào)易伙伴的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和自動(dòng)處理。保證了信息實(shí)時(shí)可視化，降低數(shù)據(jù)誤差，建立貿(mào)易信任，同時(shí)大大簡(jiǎn)化了訂貨或存貨的過(guò)程，使雙方能及時(shí)地充分利用各自的人力和物力資源。

2）在AVG 路徑選擇方面。AGV 通過(guò)Dijkstra 算法，從起始片區(qū)經(jīng)過(guò)每一步的演繹推算得到到達(dá)目標(biāo)片區(qū)的最短路徑。系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)地優(yōu)化變化附近運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)，從而減少外部因素導(dǎo)致的堵塞或過(guò)多的等待。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能倉(cāng)儲(chǔ)管理平臺(tái)致力于通過(guò)智慧軟件+智能硬件，構(gòu)建完整的倉(cāng)庫(kù)管理體系，實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)儲(chǔ)智能化管理，降低倉(cāng)儲(chǔ)管理的出錯(cuò)率，減少倉(cāng)庫(kù)工作人員的工作量，提升了倉(cāng)庫(kù)管理效率，實(shí)現(xiàn)入庫(kù)到出庫(kù)整個(gè)流程的自動(dòng)化管理。采取倉(cāng)儲(chǔ)互聯(lián)的方式，實(shí)時(shí)更新同步相關(guān)信息，為企業(yè)經(jīng)營(yíng)者提供了更加及時(shí)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，逐步達(dá)成企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)和管理目標(biāo)。