基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能倉儲管理平臺設計

何 琴，楊 業(yè)，鄭天辰，王 毅

（湖北文理學院計算機工程學院，湖北 襄陽 441053）

如今科技發(fā)展日新月異，工業(yè)信息化、自動化水平在不斷提高。隨著“工業(yè)5.0”以及“人工智能”時代的到來，制造業(yè)正在面臨向智能制造轉(zhuǎn)型升級的機遇與挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)生產(chǎn)方式已經(jīng)很難滿足當前社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，科技的進步也需要融入到傳統(tǒng)的制造行業(yè)中去，促進傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展。

近年來，隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅猛發(fā)展，倉儲管理已成為整個物流鏈中至關重要的一部分。倉庫的物品空間利用率與企業(yè)開銷成本之間是否實現(xiàn)平衡，是企業(yè)能否可持續(xù)化改進先進技術的重要標準。不僅如此，倉儲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、收貨方之間核對物流信息。通過引導良性競爭，從差異中進行整合，實現(xiàn)精細化作業(yè)流程管控、提升效率、降低成本的目標[1]。

隨著RFID 頻射識別、GPS、紅外感應等傳感設備、定位系統(tǒng)等技術不斷地更新升級，大量倉儲設施通過將其接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)信息互聯(lián)帶動倉儲互聯(lián)，極大程度上促進了智能倉儲的發(fā)展。文章基于上述研究背景提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能倉儲管理平臺的設計方案，該系統(tǒng)將大大提高物品入庫、出庫及庫內(nèi)周轉(zhuǎn)的效率與準確性。

1 系統(tǒng)設計

1.1 總體設計

本倉儲管理平臺以物聯(lián)網(wǎng)技術提供的物品感知和識別技術為基礎，實現(xiàn)即時獲取倉庫中各類物品的數(shù)量及空間位置信息。在感知層，利用的典型技術包括傳感器網(wǎng)絡、全球定位系統(tǒng)、RFID 技術等；網(wǎng)絡層為智能倉儲管理提供全天候全覆蓋的網(wǎng)絡通信功能，做到線上與線下的絕對一致；而應用層則實現(xiàn)該系統(tǒng)各個軟硬件子系統(tǒng)功能的互聯(lián)匯集，主要基于機器對機器通信（Machine to Machine，M2M）技術及管理策略。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能倉儲管理系統(tǒng)對系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設計，使用分層設計的思路，使得數(shù)據(jù)信息可以在各層次間實現(xiàn)交換[2]。從感知層、網(wǎng)絡層、應用層作為系統(tǒng)切入點并通過調(diào)用接口實現(xiàn)業(yè)務邏輯，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 設計模式，將整個系統(tǒng)劃分為交互層、業(yè)務邏輯層及數(shù)據(jù)訪問層，并同時使用Spring、MyBatis 等框架協(xié)助開發(fā)，使開發(fā)更加簡潔高效，邏輯清晰。

另外，通過電子數(shù)據(jù)交換（Electronic Data Interchange，EDI），實現(xiàn)企業(yè)之間業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交換。幫助企業(yè)整合供應鏈、降低庫存、實現(xiàn)精益生產(chǎn)。使企業(yè)間的業(yè)務單據(jù)自動安全交換，無需人工參與，降低誤差，實現(xiàn)高速安全的供應鏈數(shù)據(jù)交換，增加貿(mào)易雙方的工作效率，建立貿(mào)易信任；倉儲管理方面，通過優(yōu)化相關算法，提高倉儲的精度和效率。在硬件方面，采用四向穿梭車、交叉帶分揀系統(tǒng)、AGV（機器人引導車）、智能穿梭車控制系統(tǒng)，提高貨物輸送、存儲、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、貨物盤點和信息查詢。其中系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)對應的模塊如下。

1）貨物入庫模塊。該模塊主要負責貨物的入庫信息采集及貨物數(shù)量的清點。只需通過RFID 讀寫器讀取標簽，來獲得貨物的相應信息，并將其信息通過互聯(lián)網(wǎng)上傳至中心服務器，同時更新貨物庫存信息和清點增加的庫存數(shù)量。

2）貨物出庫模塊。該模塊主要負責貨物的出庫信息的采集及貨物數(shù)量的清點。只需通過RFID 讀寫器讀取標簽，來獲得貨物的相應信息，并將其信息通過互聯(lián)網(wǎng)上傳至中心服務器，同時更新貨物庫存信息和清點減少的庫存數(shù)量。

3）入庫數(shù)量信息查詢模塊。該模塊主要通過中心服務器來進行查詢，中心服務器存儲著貨物信息，如ID、名稱、數(shù)量、入庫時間等信息，由于存儲互聯(lián)，能實時查詢，實時更新，通過關鍵詞即貨物ID 對入庫貨物數(shù)量進行查詢。

4）出庫數(shù)量信息查詢模塊。該模塊主要通過中心服務器來進行查詢，中心服務器存儲著貨物信息，如ID、名稱、數(shù)量、入庫時間等信息，由于存儲互聯(lián)，能實時查詢，實時更新，通過關鍵詞即貨物ID 對出庫貨物數(shù)量進行查詢。

5）貨物信息查詢模塊。該模塊主要通過中心服務器來進行查詢，中心服務器存儲著貨物信息，如ID、名稱、數(shù)量和入庫時間等信息，由于存儲互聯(lián)，能實時查詢，實時更新，通過關鍵詞貨物ID 對貨物信息進行查詢。

6）庫存數(shù)量信息查詢模塊。該模塊主要通過中心服務器來進行查詢，中心服務器存儲著貨物信息，如ID、名稱、數(shù)量和入庫時間等信息，由于存儲互聯(lián)，能實時查詢，實時更新，通過關鍵詞貨物ID 對庫存數(shù)量進行查詢。

7）貨物貨位信息查詢模塊。該模塊主要通過中心服務器來查詢貨位信息，動態(tài)分配貨位，最大程度地利用存儲空間，避免倉儲分配貨物不均的問題。

8）貨物統(tǒng)計模塊。該模塊主要通過手持個人數(shù)字助理（Personal Digital Assistant，PDA）掃碼操作，通過讀取標識牌上的標簽，進行貨物統(tǒng)計，最后將數(shù)據(jù)返回到中心服務器。

9）統(tǒng)計報表模塊。該模塊主要通過貨物的出庫和入庫信息來進行統(tǒng)計報表，由中心服務器所同步的相關貨物信息，可實現(xiàn)貨物的系統(tǒng)統(tǒng)計，生成相對應的報表。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 智能識別

智能識別系統(tǒng)采用無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術和無線傳感器網(wǎng)絡來實現(xiàn)貨物的智能識別[3-4]，當閱讀器發(fā)送一定頻率的射頻信號，會產(chǎn)生一定范圍的磁場，而當電子標簽進入磁場范圍內(nèi)時，閉合電路中的部分導體做切割磁感線運動時產(chǎn)生感應電流，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)務服務器通過互聯(lián)網(wǎng)將信息傳至中心服務器進行處理，從而完成貨物識別及貨物數(shù)量的統(tǒng)計。本地業(yè)務服務器通過儲存貨物信息，以便倉儲管理人員在業(yè)務系統(tǒng)中可以實時查詢。

2.2 AGV 路徑規(guī)劃

AGV 小車路徑方案規(guī)劃要領：根據(jù)物流運輸?shù)目臻g分布特征和方案實施經(jīng)驗，AGV 路徑方案規(guī)劃方法，首先根據(jù)構(gòu)建的工作站相對位置矩陣、距離矩陣以及阻塞系數(shù)來描述車間環(huán)境信息，通過系統(tǒng)的自動優(yōu)化，有效縮短運輸距離，針對物流運輸動態(tài)變化，把整個運輸路徑劃分成不同的子路徑，本研究的智能倉儲管理系統(tǒng)進行動態(tài)地優(yōu)化變化附近運輸節(jié)點，從而減少外部因素導致的堵塞或過多的等待，通過實施的案例和系統(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儲系統(tǒng)中，合理的路徑規(guī)劃對于提高機器人引導車的行進效率起到了關鍵作用，也是本倉儲管理系統(tǒng)建設的關鍵性技術。Dijkstra算法是解決相關單源最短路徑中最成熟的算法，其基本思想是從開端結(jié)點開始逐步遍歷存在的所有結(jié)點，在遍歷每一個結(jié)點的過程中記錄距離該節(jié)點最近的前驅(qū)節(jié)點，保存在回溯向量的文件中，通過查詢回溯向量文件，可以得到一條從開端節(jié)點到目標結(jié)點的最短路徑。在具體設計中，將每一個物品存放的片區(qū)編號看作一個個獨立的結(jié)點，而AGV 需要通過Dijkstra 算法，從起始片區(qū)經(jīng)過每一步的演繹推算得到到達目標片區(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，重點實現(xiàn)兩類路徑規(guī)劃問題：一類是全局最優(yōu)規(guī)劃，即對周圍環(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 的上位機熟悉所處區(qū)域的環(huán)境，這就需要人工提前將倉庫細節(jié)圖導入至機器人引導車中。和局部最優(yōu)規(guī)劃相比，若周圍環(huán)境動態(tài)變化，且初始化時倉庫細節(jié)圖未及時更新，就有可能造成當一個AGV 出現(xiàn)故障時，引起連串甚至整個片區(qū)的癱瘓。所以，進行全局規(guī)劃時，上位機對AGV工作場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 并不需要對自己的工作場景十分了解，所以較全局最優(yōu)規(guī)劃更加合理。但是當AGV 直線行駛在局部的路徑中，需要對轉(zhuǎn)彎角度、拐角方位等進行自主判斷。局部最優(yōu)規(guī)劃算法可以對局部的路徑選擇進行實時修改、更正，但無法保證現(xiàn)階段得到的路徑是否是全局最優(yōu)規(guī)劃。當特殊情況下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 倉庫管理

倉庫管理系統(tǒng)（Warehouse Management System，WMS）作為整個物流中心的中樞系統(tǒng)，其承擔著舉足輕重的作用，為倉庫和配送中心提供系統(tǒng)支持，使得更加高效、精準地完成作業(yè)，WMS 智能倉儲系統(tǒng)與企業(yè)的企業(yè)資源（Enterprise Resource Planning，ERP）系統(tǒng)充分集成，進行信息交互，及時接收訂單指令并將訂單執(zhí)行結(jié)果反饋到ERP 系統(tǒng)；通過動態(tài)調(diào)度RF 手持終端、電子標簽協(xié)同完成揀貨作業(yè)，實現(xiàn)貨物的準確分流。

在出庫時，經(jīng)常會出現(xiàn)頻繁去同一個位置揀貨，從而會導致庫存分配不均的情況。通過WMS 智能倉儲系統(tǒng)的庫存鎖定策略，每個出庫任務都會自動進行庫存鎖定，當這個庫位庫存鎖定完了，就會自動鎖定下一個庫位，從而解決了庫存分配不均的問題，確保了出庫的工作效率。

2.4 智能控制

倉庫控制系統(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)。主要實現(xiàn)對各種設備系統(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)，從而實現(xiàn)驅(qū)動作業(yè)的完成。同時，它將PLC 系統(tǒng)的狀態(tài)及數(shù)據(jù)實時反映給用戶操縱界面，并提供對PLC 系統(tǒng)手動調(diào)試接口。

庫位中存放的是物料盒，每個物料盒都有唯一編碼，貨物入庫流程如下。

第1 步：掃描入庫單號（入庫單由MES 系統(tǒng)生成）到倉儲系統(tǒng)中。

第2 步：倉儲系統(tǒng)通過單號在MES 系統(tǒng)中查詢對應需入庫的物料盒號。

第3 步：確認執(zhí)行入庫。

第4 步：倉儲系統(tǒng)掃碼入庫，入庫完畢后，反饋入庫結(jié)果到MES 系統(tǒng)。

貨物出庫流程如下。

第1 步：掃描出庫單號（單號由MES 系統(tǒng)生成）到倉儲系統(tǒng)中。

第2 步：倉儲系統(tǒng)通過單號在MES 系統(tǒng)中查詢對應的需要出庫的料盒號。

第3 步：確認執(zhí)行出庫。

第4 步：倉儲系統(tǒng)執(zhí)行出庫操作，反饋操作結(jié)果到MES 系統(tǒng)。

2.5 系統(tǒng)業(yè)務流程

本系統(tǒng)實現(xiàn)了貨物的入庫、出庫操作，貨物查詢，貨物盤點等業(yè)務功能，從而使得基于物聯(lián)網(wǎng)的智能倉儲管理平臺能智能化完成貨物的一系列操作。其中，系統(tǒng)業(yè)務流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務流程圖

3 結(jié)束語

近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展，必將為各行各業(yè)帶來實質(zhì)性的重大變革。同時國家和社會的關注度也隨之提高，為企業(yè)提供政策、資金、人才培養(yǎng)等支持。傳統(tǒng)倉儲管理技術已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化企業(yè)的需求，安全、便捷、精確、快速已經(jīng)成為新一代倉儲管理企業(yè)的新追求，物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展為本研究提供了可靠的技術條件。

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EDI 將標準的經(jīng)濟信息通過通信網(wǎng)絡傳輸，在貿(mào)易伙伴的電子計算機系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換和自動處理。保證了信息實時可視化，降低數(shù)據(jù)誤差，建立貿(mào)易信任，同時大大簡化了訂貨或存貨的過程，使雙方能及時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Dijkstra 算法，從起始片區(qū)經(jīng)過每一步的演繹推算得到到達目標片區(qū)的最短路徑。系統(tǒng)進行動態(tài)地優(yōu)化變化附近運輸節(jié)點，從而減少外部因素導致的堵塞或過多的等待。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能倉儲管理平臺致力于通過智慧軟件+智能硬件，構(gòu)建完整的倉庫管理體系，實現(xiàn)了倉儲智能化管理，降低倉儲管理的出錯率，減少倉庫工作人員的工作量，提升了倉庫管理效率，實現(xiàn)入庫到出庫整個流程的自動化管理。采取倉儲互聯(lián)的方式，實時更新同步相關信息，為企業(yè)經(jīng)營者提供了更加及時和準確的數(shù)據(jù)，逐步達成企業(yè)戰(zhàn)略目標和管理目標。