基于遺傳算法的智能倉儲交互式系統設計

張敏軍，華慶一，賈 偉,2，陳 銳，姬 翔

（1.西北大學 信息科學與技術學院，西安 710127；2.寧夏大學 新華學院，銀川 750021）

0 引言

智能倉儲是現代制造業體系中的重要環節，需要同時面向產品的柔性制造與銷售競爭，既參與對產品研發和生產的優化調度，又負責統籌供應鏈網絡，以市場的實際需求實時反饋產品制造過程[1,2]。對于汽車整車制造，傳統倉儲業務以人為核心，通過人力配合實現對沖壓、焊裝、涂裝和總裝等工藝過程所需零部件與物料的配送調度。但由于整車工藝繁雜，各工位生產物料和零部件的入庫、上下架、分揀等倉儲信息難以直接與整車過程交互，各部門間信息孤島問題嚴重，致使配送存在較大的不確定性，難以保障各工位所需零部件的高效管理。同時，整車制造成本和質量是典型的NP-hard問題，優化物流成本，以倉儲網絡實時反饋用戶需求與體驗，是降低整車制造成本和提升服務質量的有效途徑。

交互式智能倉儲系統既能實現各部門對生產物料和零部件的動態管理，又能優化銷售物流網絡，并以低整車成本和高服務質量為期望，構建面向整車制造與銷售的高效倉儲模式。在Struts 2-Spring-Hibernate（SSH）框架中，應用較少的代碼量可實現智能倉儲功能的協同開發，并實現對生產物料的集中管理和分級優化[3～5]。因此，本文將SSH框架應用于整車制造與銷售過程，利用S7-300 PLC設計覆蓋廠區倉儲作業的硬件系統，并通過遺傳算法在線優化零部件倉位和配送軌跡。

1 交互式智能倉儲總體方案

圖1 基于SSH的交互式智能倉儲方案

交互式整車制造與銷售智能倉儲系統結構主要包括客戶端、服務器和數據采集網絡等部分，如圖1所示。客戶端為沖壓、焊裝、涂裝和總裝等工位提供可在線交互的Web應用界面，支持生產物料與零部件采購、入庫、上下架和分揀等倉儲業務信息的在線查詢和管理，堆垛機、移載機和輸送機等自動化倉儲設備運行狀態的在線監控，倉儲效率在線提升，基于用戶需求與體驗信息反饋的整車制造與銷售過程在線優化等。Web和數據庫服務器基于SSH框架開發[6]，Web服務器為客戶端用戶提供在線交互功能，數據庫存儲倉儲業務信息、倉儲設備運行狀態數據、用戶需求與體驗信息等。客戶端與Web服務器間數據交互采用Struts 2，通過Ajax調用Struts 2控制器將客戶請求映射到Action。Spring 提供大量靈活的管理業務組件Bean，通過客戶請求映射的Action調用對應的業務Bean，再利用Hibernate封裝的數據庫功能和訪問接口DAO，將該業務Bean涉及的數據以JSON格式返回給客戶端。數據采集網絡分別面向整車制造和銷售供應，其中智能倉儲為整車制造提供可在線監測和實時控制的倉儲業務服務，通過程控交換機（工業以太網）將各工藝所需生產物料與零部件信息在線反饋給客戶端，遠程調用倉庫PLC和自動化倉儲設備，一方面經采購、入庫、移載、堆垛等實現物料上架管理，另一方面經分揀、移載、輸送至緩沖區等實現物料下架和對整車制造供應。此外，倉儲物流為用戶提供低成本、高質量服務，在汽車銷售供應鏈中利用Internet實時反饋用戶需求和體驗信息，進而指導整車制造品質和服務質量提升。

2 智能倉儲系統配置

汽車沖壓、焊裝、涂裝和總裝等工藝過程所需零部件與物料種類繁多，各車間物料緩沖區的零件配送主要依賴廠區倉庫和第三方配送。由于廠區倉庫容量有限，為合理利用空間、提高倉儲效率，廠區倉庫采用RFID記錄零件出入庫信息、PLC程序控制零件的出入庫移載和堆垛、無線數傳電臺引導AGV小車配送零件到對應的車間物料緩沖區。硬件系統配置如圖2所示，包括工程師站（ES）和S7-300 PLC主、從站系統，ES與S7-300主站利用MPI協議通訊，S7-300主站與從站系統、設備間通過Profibus-DP現場總線在線交互數據。

圖2 智能倉儲硬件系統結構

S7-300主站硬件組態PS 307-5A電源、315-2DP CPU、IM 360通訊接口、SM321/SM322數字量輸入/輸出、SM331模擬量輸入等。CPU 315-2DP主要實現對倉儲流程和AGV小車配送軌跡的優化控制，提供MPI和Profibus-DP接口，由MPI通訊與ES進行數據交互，監控零件倉儲流程和配送信息。主站SM321/SM322模塊主要負責操作按鈕、配電柜開關等數字信號輸入，狀態指示信號燈、聲光報警、配電柜接觸器線圈等數字信號輸出，SM331模塊主要負責配電柜（相、線）電壓等模擬信號輸入。主站通過IM 360接口與帶IM153.1接口的分布式I/O從站ET 200M建立Profibus-DP通訊，從站ET 200M硬件組態SM321/SM322數字量輸入/輸出，主要負責堆垛（水平、垂直和貨叉伸縮）位置、輸送位置等數字信號輸入，聲光報警、堆垛和輸送電機接觸器線圈等數字信號輸出。堆垛和輸送機監控選用MM430變頻器，通過CBP2通訊卡掛接到主站建立的Profibus-DP總線，由ET 200M從站反饋堆垛和輸送過程中零件位置信號，主站通過Profibus-DP總線在線設定MM430變頻器過程控制指令，并實時監測變頻器輸出和電機運行狀態。

零件出入庫信息記錄采用支持Profibus-DP總線通訊的RFID讀寫器CK-F080P01，相關信息寄存到主站S7-300的DB塊中，再通過MPI與ES在線交互。

零件移載配送AGV小車以S7-200 PLC為核心配置，主要包括無線通信、避障、導航和驅動等模塊。由于AGV小車負責各工位緩沖區零部件配送，主站S7-300與小車S7-200間利用無線數傳電臺通訊，其中主站CPU 315-2DP、從站CPU 226分別利用PM 160擴展RS-485轉RS-232接口，掛接無線模塊MDS 2710實現遠程在線交互。小車配置避障和導航功能，利用超聲波傳感器檢測路徑障礙，通過磁導航（地標傳感器和釘型地標）識別零部件配送站點和路徑信息。小車配送驅動采用1kW直流無刷電機S110BL01-430和AQMD6030BLS驅動器，由釘型地標的位置反饋和主站優化的軌跡路徑遠程控制小車配送速度。

3 智能倉儲功能設計與實現

交互式整車制造與銷售智能倉儲系統主要實現對廠區倉庫的高效管理、整車制造成本和質量的協同優化，具體功能實現取決于基于ES+S7-300 PLC平臺的智能倉儲實時監控與在線優化、基于SSH框架的倉儲數據應用與在線交互等。

3.1 智能倉儲實時監控與在線優化

廠區倉庫監控優化以ES+S7-300 PLC為核心，其中ES利用遺傳算法優化零部件貨位和AGV配送路徑，由S7-300實際監控零件入庫、上下架、分揀和輸送等業務。智能倉儲實時監控與在線優化流程如圖3所示，根據倉儲業務需求，主站S7-300通過主程序（OB1）循環調用堆垛、輸送和AGV配送程序，利用主、從站在線交互將倉儲業務數據實時上傳至ES，在線處理監控數據，從站零件上架和配送請求分別觸發遺傳算法對倉位和AGV配送路徑的在線優化，進而提高零部件倉儲效率。

圖3 智能倉儲實時監控與在線優化流程圖

主站功能包括主程序（OB1）、中斷程序（OB20、OB40、OB82和OB87等）、啟動程序（OB100）等。OB1中調用入庫輸送、上架、零部件分揀、下架、移載輸送、AGV配送等功能塊FB和功能FC，相應的監控數據寄存到共享DB塊，再與ES進行在線交互。ES與主站S7-300監控界面WinCC采用OPC交互，將遺傳算法尋優（MATLAB）作為OPC Client，WinCC作為OPC Server。

對于倉位優化，如圖4所示，利用OPC讀取RFID監測的零部件信息，即將零部件規格、屬性、使用頻次、連續生產可支持周期、交付周期、交付風險等信息進行實數編碼量化，以集約高效倉儲為基準，在量化輸入的多維空間內局部尋優，對父代輸入進行交叉、變異處理（交叉概率0.5，變異概率0.2），判定子代種群的適應度。當子代適應度收斂于最小，遺傳算法輸出最優的倉位編碼，再通過OPC寫入主站S7-300，由主從交互控制堆垛水平、垂直和貨叉伸縮移動。

圖4 智能倉儲零部件倉位優化算法流程

與零件倉位優化類似，AGV小車配送優化也利用OPC讀取主站S7-300通過無線數傳監控的S7-200等數據，即將零部件規格、屬性、工位緩沖區坐標、路徑釘型地標坐標、配送時間、零部件參與生產積極性指標、零部件自動配送風險等信息進行實數編碼量化，以高效直接配送為基準，通過OPC將遺傳算法的輸出寫入主站S7-300，在線控制AGV小車配送過程轉向、加減速和停車等動作。

3.2 倉儲數據應用與在線交互

圖5 智能倉儲業務時序

倉儲數據應用采用SSH框架，在eclipse+JDK+SQL Server開發的數據應用平臺上集中處理廠區倉庫監控數據、銷售物流信息、用戶需求與體驗信息等，為各工位生產與決策提供業務數據支持，業務時序如圖5所示。沖壓、焊裝、涂裝和總裝等工位客戶端通過Web頁面發送訪問請求，Struts 2將用戶需求映射到對應的業務邏輯（如查詢廠區倉庫零部件庫存信息服務、AGV配送服務等），由Spring提供的業務組件將業務邏輯與對象關聯，再通過Hibernate封裝的數據庫功能、業務對象與SQL Server訪問接口DAO對數據庫進行操作，對應的數據以JSON格式返回給客戶端。

客戶端在線交互由調度中心集中管理，如圖6所示，分別為整車制造、廠區倉庫監控、物流、消費者提供不同權限的訪問服務，可供ES遠程監控倉儲設備實際運行狀態，實現對廠區倉庫的高效管理，也能覆蓋整車制造和銷售等環節的倉儲服務，為協同優化整車制造成本和質量提供數據支持。

圖6 智能倉儲交互主界面

4 結語

針對整車制造所需零部件繁雜、倉儲效率低、交互能力差等問題，面向整車制造、倉儲作業和銷售等環節設計了可在線交互的智能倉儲系統。倉儲作業采用ES+S7-300 PLC主從站系統，配置S7-300 PLC主從站硬件平臺，利用OPC和遺傳算法對零件倉位和AGV配送路徑優化，實現對廠區倉庫的高效管理。倉儲數據應用與在線交互采用SSH框架，通過較少的代碼可實現智能倉儲功能開發，并兼顧處理用戶需求與體驗信息，有助于實現整車制造成本和質量的協同優化。所設計的交互式倉儲系統具有開發簡單、通用性強、易于維護和管理等優點，可適用于其他行業倉儲業務的高效管理。