基于物聯網的電力物資智慧倉儲系統的研究與實現

葉芊芊

浙江商業職業技術學院 應用工程學院，浙江杭州 310053

0 引言

電力物資倉儲管理是指在生產期間，對需要使用、儲備及采購的電力物資予以計劃性管理的行為，是電網建設、運行的重要保障，對于電力企業的運行與發展具有重要的作用[1]。電力物資倉儲具有儲存量大、物質儲備不確定性、存儲調動比較繁忙等特點。目前，國內大多數的電力企業倉儲物流基礎設施簡陋，倉儲管理智能化水平不高，經濟的快速發展帶來物流倉儲規模的逐年擴大，貨物進出變動復雜，傳統的倉儲管理模式已經無法滿足現代電力企業的發展需求。隨著“工業4.0”、“智能制造”時代的來臨，將AGV機器人、激光導航、二維碼等先進物聯網技術應用于倉儲管理系統，研究電力物資智慧倉儲管理系統的構建，大幅提升倉儲管理效率，降低管理成本，已經是大勢所趨。

本文介紹了一種基于工業物聯網的電力物資智慧倉儲方案。根據電力物資周轉庫業務需求，依靠AGV、揀貨機器人等自動化設備，構建一體化信息平臺，實現“自動出庫入庫”、“物資無人搬運”、“工具自動分揀”、“精準倉儲定位”、“信息全程溯源”等功能，減輕人工作業量、降低作業風險、提高作業效率，建立起真正的信息化、自動化、智能化、標準化、柔性化的智能倉庫，全面提升電力物資供應服務水平和管理水平。

1 系統總體方案

1.1 系統功能模塊設計

本系統分為3大部分：自動化設備模塊、信息化控制模塊以及可視化展示模塊。AGV、各類搬運、揀選機器人實現物資的入庫、出庫，室內物資的搬運、分揀等功能；WMS實現出入庫管理、庫內管理、報表管理、權限管理等庫內作業信息化管控；WCS實時下發智能設備控制指令，實現智能設備高效有序運轉；電子顯示屏展示倉庫日常作業情況，庫存實時動態展示，作業視頻監控，企業宣傳內容展示等；業務看板展示各區域作業狀態展示，各區域庫存庫容動態展示，業務辦理進度等內容；APP終端供工作人員與供應商使用，可進行日常作業，填報作業數據，查看物資狀態等。系統功能模塊需求圖如圖1所示。

1.2 系統網絡拓撲架構

系統采用了C/S架構的Web端平臺和B/S架構的Android移動終端平臺相結合的模式[2]。整個系統基于IP網絡構建，系統內設備包括：AGV、PDA、搬運分揀機器人、PLC等，分配不同的IP地址，組成局域網，通過TCP/IP協議進行通訊。其中，RFID、二維碼、機器視覺屬傳感層自動識別體系，WCS對倉庫內AGV、機器人、PDA等智能設備進行調度與控制。客戶端包括基于PC的IE客戶端以及基于手機的移動客戶端，服務器包括數據服務器、WMS服務器、視頻服務器以及監控服務器，實現運行倉庫管理軟件、設備狀態監控程序等各種服務和程序。智慧倉儲系統網絡拓撲結構如圖2所示。

2 智慧倉儲硬件關鍵技術

2.1 RFID（無線射頻識別）技術

RFID是物聯網非常重要的一種識別技術，以識別距離遠、速度快、抗污染能力和耐久性強、容量大等條碼無法比擬的優勢，可以在電力智能倉庫管理中出庫、入庫、移庫、盤點、庫存控制等業務流程上實現更高效、更精確的管理。具體可用于人員識別（工作人員）、裝備與設備（包括整體設備與設備分段、倉儲貨區、貨位等）以及物料識別（各物流規格的貨物與物料）。

RFID組件模塊包括電子標簽、天線、RFID讀寫器、中間件與人機交互界面。其中，RFID標簽貼在物資托盤或者集裝箱上，標簽包含貨物編碼、批號等相關信息，作為物資在倉庫內流轉的唯一標識，實現電力倉庫內所有物資精準管控。RFID讀寫器分為移動式讀寫器與固定式讀寫器，移動讀寫器安裝在AGV叉車前端，用于讀取RFID標簽信息；固定式讀寫器安裝在倉庫的出入口位置，根據現場環境的實際情況實時進行射頻規劃，可以在出入口安裝上下左右多個天線，確保RFID電子標簽不被漏讀。標簽信息由RFID讀寫器讀取后，將其傳輸到管理平臺，管理平臺利用云計算、大數據技術接收讀取的數據，顯示庫存的實時數據、物資更新情況，企業工作人員可在PC終端與手機終端對庫存情況進行實時監控[3]。

2.2 AGV機器人

AGV即“自動引導運輸車”，是指能夠沿規定路線行駛，具備搬運功能、安全保護及各種移載功能的自動導航機器人。作為該電力物資智慧倉儲系統的核心設備，AGV是集計算機、自動控制、信息通訊、機械設計與電子技術各種技術為一體的高新技術裝備[4]。

機器人主要由驅動系統、執行機構系統、導航系統、供電系統、安全系統、人機交互系統及控制系統組成，其核心部件包含車載控制器、伺服驅動器、貨叉控制器、編碼器、導航激光等。運行時采用市場上最先進的第三代激光導航技術，同時，位置計算與防撞保護功能的引入提高了AGV小車的行駛穩定性與運效率。

2.3 二維碼、激光導航技術

本系統拋棄了傳統的電磁導航技術，采用了市場上先進的二代二維碼導航以及三代激光導航技術。其中，AGV叉車采用激光導航的自動導引系統，其他智能機器人設備采用二維碼導航的自動導引系統。

二維碼導引方式是指在地面上鋪設離散的二維碼標簽，智能設備的車載攝像頭掃描解析二維碼獲取實時坐標。該方式使用相對靈活，鋪設和改變路徑也比較方便。AGV叉車采用激光導航技術，包括兩部分：AGV激光掃描器和AGV反射板。叉車AGV 的上部裝有激光掃描器，以固定的轉速旋轉360°，經脈沖激光器發射激光到反射板，經反射板反射回來的激光的方向，激光掃描器就能探測到反射板并得到激光光線的角度等信息[5]。當接收到物料搬運指令后，控制器根據所存儲的運行地圖和AGV小車當前位置及行駛方向進行計算、規劃分析，選擇合適的行駛路線，自動控制AGV小車的行駛和轉向。

3 智慧倉儲管理軟件系統設計

3.1 倉儲管理系統總體構架

倉儲管理系統包括后臺應用與移動應用兩部分，系統總體架構如圖4所示。其中，后臺應用主要包括WMS、WCS、接口服務以及移動應用服務，部署于信息管理區；移動應用部署于信息外網，通過MIP平臺進行單點登錄，包括作業APP和預約APP兩部分。

WMS為倉儲管理模塊，是倉儲管理系統的主要功能模塊，負責對倉庫日常業務流轉、業務數據管理、業務策略管理以及各類指標報表的管理[6]；WCS為倉儲控制模塊，主要負責對倉儲自動化設備的管理，包括接收WMS指令控制設備，完成作業任務，設備狀態與位置等信息上傳至WMS；接口服務主要用于倉庫信息系統與EPR、物聯網云平臺等外部系統的信息交互；移動應用服務主要用于后臺與移動應用的數據交互。

作業APP由倉庫工作人員使用，主要用于完成倉庫的日常作業以及倉庫統計信息的查詢；預約APP由供應商和需求單位使用，主要用于物資入庫與出庫的在線預約。使用作業APP和預約APP的移動終端需安裝專用SIM與含身份認證證書的TF加密卡，通過電力專線APN經安全接入平臺身份認證后，與后應用進行數據交互。

3.2 系統數據流實現

依靠倉儲管理系統（WMS）和自動化設備管理系統（WCS）解決資源調度、倉儲管理、自動化作業設備管理、物資運輸管理、移動業務管理等問題，實現物聯網設備與技術、數據的整合。

倉儲管理控制系統與ERP系統、物資管理系統、倉儲自動控制系統、顯示看板系統、RFID操作系統等業務應用系統進行數據交互。倉儲管理控制系統具備多層架構，與組件技術將界面控制、業務邏輯和數據映射分離，實現系統內部的松耦合，以靈活、快速地響應業務變化對系統的需求。數據流架構被劃分為源頭層、數據拉取層、計算層、數據倉庫以及對外服務層，通過各層次系統組件間服務的承載關系實現系統功能[7]。數據流架構如圖5所示。

3.3 出入庫流程設計與實現

入庫與出庫的流程類似，以入庫流程為例，流程圖如圖6所示。

電力物資貨物入庫時，操作人員在WMS系統中創建入庫單，WMS系統為物資分配存儲庫位，同時下發指令給WCS系統。WCS系統調度自動化設備（AGV機器人）執行搬運任務，同時將入庫樓層和貨位分配信息推送至PDA，便于上架人員將貨物上架至對應貨位。當機器人將貨架搬運至入庫緩存區后，操作人員使用PDA掃描貨位編碼，根據PDA提示將指定貨物放至該貨位，并依次掃描需要上架物資或手工在PDA上錄入上架數量，并確認此貨位上架完成，PDA將數據回傳至WMS，WMS通知WCS，WCS調度空閑機器人將當前已上架完成的物資運送回原位置，機器人回傳信息至WCS，WCS上傳作業完成信息，WMS系統實時更新庫存數據。同時，當前機器人駛離緩存區后，WCS系統調度下一臺頂舉機器人行駛至緩存區，操作人員使用PDA掃描貨位編碼號，重復以上流程直至所有物資完成上架。出庫流程類似，不做贅述。

4 結語

本系統應用RFID、AGV、移動應用等物聯網新技術，結合自動化搬運設備、運輸設備和存儲設備等先進自動化設備，實現了內部作業高效、物資管理精準、應急響應迅速的智慧電力物資倉儲管理系統。該方案已在某實際電力物資倉儲系統中安裝實施。運行效果表明，該系統的應用提升了庫存周轉率，提高了倉庫的人員作業效率，降低了作業成本。該智慧倉儲系統解決方案具有極強的可行性與實用性，可以在同類系統中推廣應用。