丁九齡，張婉蒙，陳 剛

（1.山東未來網(wǎng)絡(luò)研究院，山東 濟(jì)南 250001；2.江蘇未來網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引 言

習(xí)近平總書記在主持學(xué)習(xí)時強(qiáng)調(diào)，近年來，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)加速創(chuàng)新，日益融入經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展各領(lǐng)域全過程，數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度之快、輻射范圍之廣、影響程度之深前所未有，正在成為重組全球要素資源、重塑全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、改變?nèi)蚋偁幐窬值年P(guān)鍵力量。

隨著社會經(jīng)濟(jì)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，大型多元化復(fù)合型倉儲越來越多。傳統(tǒng)倉儲環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集方面存在設(shè)備多、布線復(fù)雜、靈活性差、管理維護(hù)成本高等問題。另一方面，伴隨著工業(yè)4.0 時代的到來，企業(yè)上下游協(xié)作越來越緊密，為有效破除信息傳遞的壁壘，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈之間的協(xié)同發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析體系應(yīng)運(yùn)而生。標(biāo)識解析技術(shù)的快速發(fā)展對原有的倉儲管理系統(tǒng)也提出了更高的要求[1]。

我國傳統(tǒng)倉儲行業(yè)的信息化水平比較低，無法實現(xiàn)倉儲組織效率和管理方法的提升。要實現(xiàn)倉儲業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展，就要實現(xiàn)從倉儲企業(yè)到整個倉儲體系的信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化升級。因此，發(fā)展智能倉儲成為必然。以某大型飼料加工企業(yè)倉儲系統(tǒng)為例，倉儲管理物品日益增多，倉庫產(chǎn)品數(shù)量急劇增加，管理難度日趨加大，倉庫中的溫濕度、氣體濃度等環(huán)境因素可能存在較多安全隱患，各類環(huán)境參數(shù)的變化成為影響貨物保存質(zhì)量的重要因素。傳統(tǒng)人工管理的方式不僅效率低下，更無法及時察覺并處理倉庫存在的安全隱患，造成不必要的損失。同時，飼料生產(chǎn)作為肉類加工產(chǎn)業(yè)鏈的上游，是肉類產(chǎn)品全生命周期溯源管理的重要一環(huán)，節(jié)點眾多，不同企業(yè)的信息化水平不一致，且各家企業(yè)往往采用自身的私有編碼體系，上游企業(yè)注冊的標(biāo)識對下游企業(yè)異構(gòu)不兼容，下游企業(yè)的產(chǎn)品標(biāo)識上游企業(yè)也無法解讀，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)鏈上下游信息無法互通共享，因此無法實現(xiàn)肉制品全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期的溯源跟蹤。本文將對傳統(tǒng)倉儲系統(tǒng)面臨的問題進(jìn)行探討，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)、標(biāo)識解析中間件技術(shù)等提供自動化、現(xiàn)代化的智能倉儲監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案[2]。

1 數(shù)據(jù)采集

工業(yè)數(shù)據(jù)采集即利用泛在感知技術(shù)對多源設(shè)備、異構(gòu)系統(tǒng)、運(yùn)營環(huán)境、人等要素信息進(jìn)行實時高效的采集和云端匯聚。工業(yè)數(shù)據(jù)采集對應(yīng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺體系架構(gòu)中的邊緣層，通過各類通信手段接入不同設(shè)備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，采集大范圍、深層次的工業(yè)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與邊緣處理，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。隨著中國制造業(yè)兩化融合的進(jìn)程不斷加快，管理與現(xiàn)場脫節(jié)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)全靠人工輸入、現(xiàn)場情況嚴(yán)重滯后甚至失真的時代已一去不復(fù)返，工業(yè)數(shù)據(jù)采集已成必然。采集底層設(shè)備數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)有管理系統(tǒng)銜接，達(dá)到對現(xiàn)場設(shè)備的實時監(jiān)控，已為越來越多的企業(yè)所選擇。倉儲數(shù)據(jù)采集模塊依照工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的原則，采用原始設(shè)備上報、工業(yè)網(wǎng)關(guān)匯總、流式數(shù)據(jù)加工、各應(yīng)用系統(tǒng)分析的流程來設(shè)計[3]。

企業(yè)倉庫中往往會包含多種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如RFID 讀寫器、溫濕度傳感器、手持掃碼槍、PLC 設(shè)備等。不同設(shè)備之間，同一種設(shè)備不同廠商之間采用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議往往不同。為此，我們提供了支持350 余種工業(yè)協(xié)議接入，支持組態(tài)展示和定制化開發(fā)功能的工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)采集的中介?，F(xiàn)場采集設(shè)備接入工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)后，通過以太網(wǎng)、4G/5G、WiFi 等方式，采用MQTT 協(xié)議將倉庫現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控管理平臺，滿足設(shè)備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨骩4]。

經(jīng)網(wǎng)關(guān)采集的數(shù)據(jù)，首先經(jīng)過實時流處理，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去重、降噪、聚合、過濾等，之后再將處理的數(shù)據(jù)分發(fā)到下游可視化監(jiān)控、告警、標(biāo)識注冊等模塊分別進(jìn)行業(yè)務(wù)處理。實時流數(shù)據(jù)處理模塊由高吞吐量的分布式消息隊列Kafka 和高性能的流式處理引擎Flink 組成，具備秒級以下的低延遲和每秒數(shù)萬次請求的高并發(fā)特性，既可以支撐大量的采集設(shè)備接入，又滿足監(jiān)控告警系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)的實時性要求。數(shù)據(jù)采集流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集流程

2 可視化監(jiān)控

數(shù)據(jù)經(jīng)過實時流處理后，需要對格式化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲。針對中小型倉儲系統(tǒng)，因為倉儲環(huán)境數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量不是太大，推薦流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL，其實時數(shù)據(jù)存儲處理能力足以滿足系統(tǒng)的實際需求。而對于大型企業(yè)，數(shù)據(jù)的寫并發(fā)量可達(dá)每秒上萬條，而大量庫存數(shù)據(jù)導(dǎo)致查詢效率降低，傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫處理性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，為此我們選用基于InfluxDB 集群的時序數(shù)據(jù)庫。時序數(shù)據(jù)以時間作為主要的查詢維度，通常會將連續(xù)的多個時序數(shù)據(jù)繪制成線，制作基于時間的多維度報表，用于揭示數(shù)據(jù)背后的趨勢、規(guī)律、異常，進(jìn)行實時在線預(yù)測和預(yù)警。時序數(shù)據(jù)普遍存在于IT 基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)中。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，時序數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量呈井噴式爆發(fā)，針對這一數(shù)據(jù)細(xì)分的優(yōu)化存儲顯得越來越重要。InfluxDB 是一個開源、高性能的時序型數(shù)據(jù)庫，在時序型數(shù)據(jù)庫DBEngines Ranking 上排名第一。其特點是支持每秒千萬級數(shù)據(jù)持續(xù)高并發(fā)寫入，無更新操作，查詢時按不同維度對指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析，存在明顯的冷熱數(shù)據(jù)。倉儲采集數(shù)據(jù)基于時間線且高并發(fā)連續(xù)涌入，不存在對數(shù)據(jù)的刪除和修改，而查詢要求對熱點信息做到實時查詢，往往不關(guān)注歷史數(shù)據(jù)，因此InfluxDB 是不二之選。InfluxDB 還支持以年、季度、月份為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)清理，以及時釋放服務(wù)器資源。數(shù)據(jù)報表服務(wù)如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)報表服務(wù)

基于InfluxDB 存儲的數(shù)據(jù)做支撐，監(jiān)控模塊提供了低代碼的數(shù)據(jù)報表服務(wù)。用戶只需簡單操作即可快速制作出豐富多樣的可視化數(shù)據(jù)視圖，自由對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和探索，及時調(diào)整經(jīng)營決策。圖形繪制包含柱狀圖、扇形圖、折線圖等，支持控件拖拽，用戶也可在原始報表基礎(chǔ)上進(jìn)行抽樣統(tǒng)計分析、構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型，并將結(jié)果生成PDF、excel 文件后導(dǎo)出[5-6]。

3 告警管理

傳統(tǒng)告警系統(tǒng)大多只能基于某個數(shù)值進(jìn)行告警，不能分辨并剔除數(shù)據(jù)采集及傳輸過程中產(chǎn)生的噪音，面對日益復(fù)雜的倉儲監(jiān)控環(huán)境，無法做到告警信息實時推送。對此，告警模塊提供了一套完整的規(guī)則引擎和基于分箱算法的噪音過濾器，可以讓設(shè)備運(yùn)維人員自己設(shè)置告警規(guī)則，在接收到告警時可以第一時間判斷設(shè)備故障的優(yōu)先級并及時處理。例如，可設(shè)置某倉庫在最近24 小時內(nèi)，若各采集器的平均溫度超過30 ℃，平均濕度超過80%RH，且累計時間超過12 小時，則觸發(fā)一次低等級告警并通過短信通知管理人員[7]。

為提升數(shù)據(jù)處理速度，告警系統(tǒng)引入Redis 緩存，在系統(tǒng)啟動時將用戶自定義告警規(guī)則和在線設(shè)備信息加載到緩存中。每當(dāng)采集數(shù)據(jù)通過Flink 進(jìn)入告警模塊時，會與緩存中的告警規(guī)則和在線設(shè)備匹配，只有匹配成功的數(shù)據(jù)才進(jìn)行后續(xù)處理。緩存的引入可以大幅降低數(shù)據(jù)庫交互頻次，在高并發(fā)場景下仍可保證告警觸發(fā)的實時性[8]。

噪音是指一系列采集數(shù)據(jù)中的隨機(jī)錯誤或偏差，包括錯誤值或偏離期望的孤立點值。采集設(shè)備誤差、數(shù)據(jù)傳輸錯誤、數(shù)據(jù)收集工具等均可產(chǎn)生噪音。為避免噪音導(dǎo)致誤告警，用戶也可自定義噪音處理規(guī)則。對于匹配告警規(guī)則后生成的原始告警數(shù)據(jù)，首先通過分箱算法對數(shù)據(jù)進(jìn)一步清洗，過濾噪音數(shù)據(jù)。過濾后的異常數(shù)據(jù)與上一日、上周同日、上月同日（三者可自由選擇）進(jìn)行對比，如果仍存在異常，則正式觸發(fā)告警[9]。

告警信息通過電話、短信、運(yùn)維APP 等通知運(yùn)維人員。為防止等級較嚴(yán)重的告警被淹沒在大量信息中，可以針對不同等級類型的告警設(shè)置不同的通知渠道，以便運(yùn)維人員能夠根據(jù)通知的類型第一時間判斷設(shè)備告警的嚴(yán)重程度。以Android 系統(tǒng)為例，支持從低到高5 個告警等級，效果如下：

（1）無聲音、無振動、無顯示；

（2）無聲音、無振動，鎖屏不顯示，通知欄中被折疊顯示，導(dǎo)航欄無logo；

（3）無聲音，無振動，鎖屏和通知欄中均顯示，通知不喚醒屏幕；

（4）有聲音，無振動，鎖屏和通知欄中均顯示，通知喚醒屏幕；

（5）有聲音，有振動，亮屏，通知懸浮展示，鎖屏通知以默認(rèn)形式展示且喚醒屏幕。

當(dāng)某條告警規(guī)則被觸發(fā)，系統(tǒng)管理員可以等現(xiàn)場異常排除之后，在監(jiān)控系統(tǒng)手動解除告警，也可以通過監(jiān)控系統(tǒng)，通過網(wǎng)關(guān)向設(shè)備下發(fā)控制指令，針對告警項做出調(diào)整，一段時間之后由系統(tǒng)自動解除告警。

4 標(biāo)識生成與注冊

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是數(shù)字浪潮下新一代信息通信技術(shù)和工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、新型應(yīng)用模式、全新工業(yè)生態(tài)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過人、機(jī)、物的全面互聯(lián)，構(gòu)建起覆蓋全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全新制造與服務(wù)體系，形成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的新興生態(tài)和應(yīng)用模式，是發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)的關(guān)鍵支撐，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展與優(yōu)化升級的內(nèi)驅(qū)動力，是互聯(lián)網(wǎng)從消費(fèi)領(lǐng)域向生產(chǎn)領(lǐng)域、從數(shù)字經(jīng)濟(jì)向?qū)嶓w經(jīng)濟(jì)拓展的核心載體[10]。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析體系是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系的重要組成部分，是支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的神經(jīng)樞紐。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析體系通過條形碼、二維碼、無線射頻識別標(biāo)簽等方式賦予物品唯一身份。標(biāo)識解析技術(shù)通過建立統(tǒng)一的標(biāo)識體系將工業(yè)中的設(shè)備、機(jī)器和物料等生產(chǎn)要素連接起來，通過解析體系連接割裂的數(shù)據(jù)和應(yīng)用，掌握數(shù)據(jù)來源、流動過程、用途等。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析體系能有效把設(shè)備、生產(chǎn)線、工廠、供應(yīng)商、產(chǎn)品和客戶緊密連接起來，幫助企業(yè)拉長產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)跨設(shè)備、跨廠區(qū)、跨系統(tǒng)、跨區(qū)域的互聯(lián)互通，從而提高效率，推動制造服務(wù)體系智能化。結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解決方案可以對設(shè)備全生命周期進(jìn)行高效管理，最終實現(xiàn)一碼智造，完成高效精準(zhǔn)的編碼解析、追根溯源、協(xié)同智造、標(biāo)識防偽、分權(quán)管控、云端協(xié)同，實現(xiàn)制造和服務(wù)之間的跨越發(fā)展，使行業(yè)各要素資源能夠高效共享，實現(xiàn)行業(yè)資源配置最優(yōu)化。

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析體系，為了實現(xiàn)產(chǎn)品從來料、生產(chǎn)、出入庫、物流運(yùn)輸、終端銷售渠道等全產(chǎn)品生命周期的精細(xì)化管理和全方位防偽，需要通過條形碼、二維碼等對產(chǎn)品賦予唯一防篡可信的“身份證”編碼，即標(biāo)識編碼。標(biāo)識編碼應(yīng)保證不重復(fù)，每一個編碼僅對應(yīng)一個對象。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識編碼包括VAA 標(biāo)識、GS1 標(biāo)識、Handle 標(biāo)識、OID 標(biāo)識、Ecode 標(biāo)識、DID 六種類型，行業(yè)或企業(yè)可根據(jù)應(yīng)用需求選擇其中一種類型的編碼。以VAA 標(biāo)識為例，標(biāo)識編碼由標(biāo)識前綴和標(biāo)識后綴組成，標(biāo)識前綴與標(biāo)識后綴之間用UTF-8 字符“/”分隔。標(biāo)識前綴由國家代碼、行業(yè)代碼、企業(yè)代碼組成，對于企業(yè)來說是固定值。標(biāo)識后綴的編碼規(guī)則由行業(yè)自行制定，例如集裝箱行業(yè)標(biāo)識后綴由類別、名稱、日期代碼等多項構(gòu)成，如圖3 所示。標(biāo)識后綴定義所標(biāo)識對象的唯一代碼，根據(jù)企業(yè)實際需求往往采用多段組合的方式。

圖3 集裝箱行業(yè)標(biāo)識編碼結(jié)構(gòu)

標(biāo)識解析體系依賴于標(biāo)識碼的生成，而標(biāo)識碼技術(shù)的關(guān)鍵是標(biāo)識后綴的唯一性和可定制化。當(dāng)前，部分企業(yè)使用固定組合加UUID 或雪花算法生成固定格式的標(biāo)識后綴碼，這種標(biāo)識編碼可讀性差且不易擴(kuò)展。智能倉儲標(biāo)識模塊提供多維度自定義的標(biāo)識生成方法，標(biāo)識規(guī)則由一系列子規(guī)則組成，每個子規(guī)則生成標(biāo)識的一部分，子規(guī)則自由組合，生成最終的標(biāo)識。例如，對于某批次某日期入庫的產(chǎn)品，采用8 位標(biāo)識前綴/2 位分類編碼+2 位批次編號+3 位倉庫編號+5 位隨機(jī)混淆值+6 位日期編碼+5 位自增值的標(biāo)識規(guī)則。每定義一個新的標(biāo)識規(guī)則，會對企業(yè)現(xiàn)有標(biāo)識規(guī)則進(jìn)行正則表達(dá)式匹配，以確保當(dāng)前企業(yè)所有規(guī)則均不會生成重復(fù)的標(biāo)識編碼。自定義規(guī)則的標(biāo)識生成技術(shù)既實現(xiàn)了標(biāo)識格式、標(biāo)識容量的可控性，又保證了標(biāo)識編碼的唯一性，滿足了不同場景下對標(biāo)識編碼的多樣化需求。創(chuàng)建標(biāo)識碼生成規(guī)則如圖4 所示。

圖4 創(chuàng)建標(biāo)識碼生成規(guī)則

現(xiàn)代智能倉儲系統(tǒng)廣泛應(yīng)用RFID 技術(shù)以提升倉儲管理效率，在貨物入庫前，將RFID 標(biāo)簽貼在貨物包裝表面，將貨物標(biāo)識碼存儲于RFID 標(biāo)簽中。倉儲產(chǎn)品出入庫操作時，通過識別RFID 標(biāo)簽獲取標(biāo)識信息，將標(biāo)識碼上傳至監(jiān)控管理系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)識碼自動解析產(chǎn)品信息，將此次出入庫行為同步更新到行業(yè)二級節(jié)點，為后續(xù)物流運(yùn)輸、分銷銷售、流通環(huán)節(jié)、服務(wù)環(huán)節(jié)的全生命周期信息管理提供可追溯的唯一標(biāo)識。標(biāo)識解析應(yīng)用示意圖如圖5所示。

圖5 標(biāo)識解析應(yīng)用示意圖

5 結(jié) 語

智慧倉儲建設(shè)是工業(yè)企業(yè)管理提升的必經(jīng)之路，也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的內(nèi)在要求。本文介紹了一種集數(shù)據(jù)采集、分析、監(jiān)控、告警、標(biāo)識管理功能于一體的智能倉儲監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了倉儲設(shè)備和貨物監(jiān)控的遠(yuǎn)程化、智能化，實時處理突發(fā)情況的高效化和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識管理的自動化，其操作簡單、功能實用，可以大幅提升企業(yè)的管理效益，也為倉儲信息化建設(shè)提供了一種發(fā)展思路。