劉軍

（北京物資學院信息學院，北京市 101149）

信息物理融合系統(tǒng)在倉儲監(jiān)控管理中的應用研究

劉軍

（北京物資學院信息學院，北京市 101149）

信息物理融合系統(tǒng)具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)作和自治五大功能，研究信息物理融合系統(tǒng)在倉儲管控一體化系統(tǒng)中的應用具有十分廣闊的前景。目前，成熟的硬件技術對于設計低成本、實時聯(lián)網(wǎng)、具備可預測和強魯棒性的嵌入式系統(tǒng)具有相當大的難度，現(xiàn)有的計算機軟件技術對于生成可預測和高可靠的計算系統(tǒng)并不支持，信息物理融合系統(tǒng)的應用與發(fā)展還有許多基礎性的科學問題需要研究和解決。信息物理融合系統(tǒng)在倉儲監(jiān)控管理中的應用研究包括：研究規(guī)劃符合物流信息化與自動化特點的信息物理融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；設計符合物流信息化與自動化特點的信息物理融合系統(tǒng)節(jié)點統(tǒng)一硬件模型；根據(jù)具體應用的需求，設計符合統(tǒng)一硬件模型規(guī)范的簡化信息物理融合系統(tǒng)并在應用中不斷改進和完善。

信息物理融合系統(tǒng)；倉儲；監(jiān)控；嵌入式系統(tǒng)；控制技術

一、引言

隨著計算機、網(wǎng)絡通信與自動控制技術的進步，信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-physical System，以下簡稱CPS）的研究與發(fā)展受到了世界各國的高度重視。CPS從廣義上理解，就是一個在環(huán)境感知的基礎上，深度融合了計算、通信與控制能力的可控、可信、可擴展的網(wǎng)絡化物理設備系統(tǒng)，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合與實時交互，來增加并擴展新的功能，以安全高效和實時的方式監(jiān)測或控制一個物理實體。[1]

現(xiàn)代物流系統(tǒng)需要大力發(fā)展基于信息與自動化設備的物流管理與控制系統(tǒng)，而在其中占相當大比例的倉儲系統(tǒng)更是迫切需要實現(xiàn)高水平的管控一體化，即將原本各自獨立的管理信息系統(tǒng)與倉儲設備自動控制系統(tǒng)整合為一個整體，進一步提升物流系統(tǒng)整體的運行效率與安全性。CPS具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)作和自治五大功能，研究如何將CPS應用于倉儲管控一體化系統(tǒng)具有廣闊的前景。

二、倉儲管控一體化系統(tǒng)

倉儲是物流的重要作業(yè)環(huán)節(jié)，現(xiàn)代化的倉儲系統(tǒng)通常配備有先進的搬運、傳送、存放、標識、計量等物流作業(yè)設備，相應配置有能滿足個性化作業(yè)流程的管理信息系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)與安全監(jiān)控系統(tǒng)。為保障協(xié)調(diào)、高效、安全的倉儲作業(yè)，實現(xiàn)管控一體化管理成為業(yè)內(nèi)專家學者和企業(yè)技術人員共同努力的方向。[2]

1.倉儲作業(yè)管理信息系統(tǒng)。倉儲作業(yè)管理信息系統(tǒng)對倉儲作業(yè)過程中發(fā)生的出入庫貨物的品種、數(shù)量、時間、頻率以及庫中結(jié)存等各種數(shù)據(jù)進行詳細記錄，并利用這些信息對各作業(yè)環(huán)節(jié)進行有效控制，通過對這些信息的分析處理，制定合理的操作策略，確保必要的庫存水平及倉庫中貨物的移動，保證進貨、訂單揀選、發(fā)貨等作業(yè)環(huán)節(jié)銜接通暢。

2.倉儲設備自動控制系統(tǒng)。物流自動化系統(tǒng)可以看成物流機械設備、信息采集與信息識別設備、執(zhí)行設備及計算機（智能）控制設備等的有機集成。倉儲自動化系統(tǒng)是物流自動化系統(tǒng)最具代表性、應用最為普遍的形式，具有物流自動化系統(tǒng)的主要特征。從設備控制的視角看，倉儲自動化系統(tǒng)按大類劃分可以包括輸送設備自動控制系統(tǒng)、搬運設備自動控制系統(tǒng)、分揀設備自動控制系統(tǒng)、堆垛機自動控制系統(tǒng)等。

3.倉儲運行安全監(jiān)控系統(tǒng)。倉儲運行安全監(jiān)控通常包括倉儲環(huán)境監(jiān)測和倉儲作業(yè)設備監(jiān)控兩大部分，其主要作用是實時監(jiān)測倉儲環(huán)境的狀況參數(shù)和倉儲作業(yè)設備的運行狀態(tài)參數(shù)，分散或集中數(shù)據(jù)處理，并及時對異常情況進行報警。

倉儲環(huán)境監(jiān)測就是要利用各種先進的檢測手段對表征倉儲環(huán)境狀況的參數(shù)（如溫度、濕度、光照度、空氣含氧量等）進行實時測量、記錄、計算、報警等，以達到監(jiān)控倉儲運行環(huán)境安全性和為將來改善倉儲作業(yè)環(huán)境提供歷史分析數(shù)據(jù)的目的?，F(xiàn)代倉儲系統(tǒng)配備的作業(yè)設備監(jiān)控系統(tǒng)，就是運用先進的監(jiān)控設備和技術手段對關鍵作業(yè)設備進行實時監(jiān)測和安全處理，確保倉儲作業(yè)的安全與高效率。

4.管控一體化與系統(tǒng)整合。倉儲管控一體化系統(tǒng)是將倉儲管理信息系統(tǒng)與倉儲控制系統(tǒng)集成為一個整體，在信息充分共享的基礎上，實現(xiàn)作業(yè)管理、設備自動控制和安全監(jiān)控一體化管理。管控一體化系統(tǒng)的建設需要信息采集與處理、計算機、網(wǎng)絡、自動控制等多學科技術的交叉融合，需要及時引入新的技術，以適應不斷增長的倉儲管理復雜性的要求。倉儲管控一體化系統(tǒng)至少應包括前面闡述的三大子系統(tǒng)，即倉儲作業(yè)管理信息系統(tǒng)、倉儲設備自動控制系統(tǒng)和倉儲運行安全監(jiān)控系統(tǒng)。

由于研究與應用較早，加之計算機軟硬件和以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術的廣泛應用，倉儲作業(yè)管理信息系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)、硬件選擇與使用、軟件開發(fā)、運行管理等方面已經(jīng)不存在任何技術障礙，作為倉儲管理的主體系統(tǒng)，其技術相對成熟。但目前我國物流自動化規(guī)模和水平與發(fā)達國家相比還存在較大差距，設備自動控制和安全監(jiān)控系統(tǒng)應用技術落后，可供借鑒的應用樣板工程缺乏，裝備自動控制設備以中低檔可編程控制器（PLC）、工業(yè)控制計算機和智能儀器儀表為主，采用一體化、高可靠性、高性能控制設備（如集散控制系統(tǒng)）的倉儲系統(tǒng)很少。同時，在設備選型上缺乏行業(yè)規(guī)范和標準，物流自動化系統(tǒng)中各設備控制子系統(tǒng)相對獨立，使得整個倉儲控制系統(tǒng)設備雜，集成度低，信息共享不充分。因此，無論是改造舊系統(tǒng)，還是設計建設新系統(tǒng)，實現(xiàn)倉儲管控一體化的難度都集中到了不同種類的信息化與自動控制設備之間的通信聯(lián)網(wǎng)、信息標準化、時間同步等問題上。

三、CPS在倉儲監(jiān)控管理中應用的技術分析

國際上稱CPS為網(wǎng)絡化物理系統(tǒng)或深度嵌入式系統(tǒng)，在監(jiān)測和控制復雜而動作快速的物理系統(tǒng)運行時，CPS在嚴格的計算能力、內(nèi)存、功耗、速度、重量和成本約束下，必須可靠地工作，在大多數(shù)應用場合，CPS都是系統(tǒng)的關鍵。[3]

1.CPS的技術特征。CPS是信息領域中網(wǎng)絡化、信息化技術與物理系統(tǒng)中控制、自動化技術的融合。小型化、低成本、環(huán)保節(jié)能的新型材料傳感器、顯示器、控制芯片等技術，都是CPS的關鍵技術。CPS要求計算技術與控制技術的融合，要求把處理離散事件、不關心時間和空間參數(shù)的計算技術與處理連續(xù)過程、注重時間和空間參數(shù)的控制技術融合起來。CPS系統(tǒng)中的計算技術主要是嵌入式系統(tǒng)，這種系統(tǒng)不再是傳統(tǒng)的封閉系統(tǒng)，而是要通過網(wǎng)絡與其他信息系統(tǒng)進行互聯(lián)和互操作，是一種開放的系統(tǒng)，具有高可靠性、高效率和實時處理能力。

CPS的核心是3C（這里的“3C”是計算（Computation）、通信（Communication）、控制（Control）三個單詞英文首字母的縮寫）融合，是計算、物理、控制等多學科交叉融合的系統(tǒng)，CPS不但強調(diào)物理感知功能，還突出強調(diào)控制功能。因此，從本質(zhì)上說，CPS是一個具有控制屬性的網(wǎng)絡系統(tǒng)，它包含傳統(tǒng)控制中很少使用的無線網(wǎng)絡，在使用中信息傳播、共享、融合更為明確，開環(huán)與閉環(huán)控制并用。[4]

2.CPS的技術潛力。CPS是深度嵌入式實時系統(tǒng)，是一種通過網(wǎng)絡技術將傳感器技術、控制技術與計算技術充分融合，將信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)連接成一體，從而改變?nèi)伺c現(xiàn)實物理世界之間交互方式的分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)。

研究CPS的構(gòu)成發(fā)現(xiàn)，CPS可以包括傳感器、執(zhí)行器、控制器和網(wǎng)絡，或者僅包含其中的幾個部分。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，CPS更強調(diào)完整的系統(tǒng)架構(gòu)和高可靠的分布式嵌入式節(jié)點的互連以及節(jié)點之間的協(xié)同工作。整個系統(tǒng)在開放的標準化上層管理軟件及中間件的整合下協(xié)同工作，信息處理工作量更大，系統(tǒng)運行優(yōu)化程度更高，網(wǎng)絡連接形式更為復雜。在硬件上設計集感知、計算、控制、聯(lián)網(wǎng)等功能于一體的CPS，架構(gòu)連接這些節(jié)點的網(wǎng)絡系統(tǒng)是未來相當長一段時間（10～20年）內(nèi)需要研究和解決的技術難題。無論發(fā)展速度快慢，在一個單獨實時運行的節(jié)點上，具備如此多的功能，甚至還可通過標準化的軟硬件接口擴展其應用，對于構(gòu)建新型管控一體化系統(tǒng)顯然具有相當大的吸引力。

3.CPS研究與應用的技術策略。目前，CPS的研究如火如荼，美國、歐盟、日本、韓國等工業(yè)發(fā)達國家甚至將CPS的研究與普及應用提升到了國家科學技術發(fā)展的戰(zhàn)略高度，有詳細的研究計劃，并投入了大量的人力和物力。然而，目前成熟的硬件技術在設計低成本、實時聯(lián)網(wǎng)、具備可預測和強魯棒性的嵌入式系統(tǒng)方面存在相當大的難度，現(xiàn)有的計算機軟件技術對于生成可預測和高可靠的計算系統(tǒng)并不支持，[5]CPS的應用與發(fā)展還需要研究和解決許多基礎性科學問題。

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，以下簡稱WSN）與射頻識別技術（Radio Frequency I－dentification，以下簡稱RFID）在智能物流領域得到了一定應用，是CPS的核心技術。從目前的技術及應用來看，WSN在環(huán)境監(jiān)測和設備狀態(tài)監(jiān)控方面具有獨特的技術優(yōu)勢，RFID在物品標識和設備管理等物流領域具有廣闊的應用前景。[6]將WSN與RFID及通用無線分組業(yè)務（GPRS）等技術相結(jié)合，集多種技術優(yōu)勢為一體，產(chǎn)生符合生產(chǎn)需要的新特性、新功能，將成為物流新技術應用的趨勢。[7]

CPS研究中存在的挑戰(zhàn)包括：基礎理論與系統(tǒng)模型、安全性、可靠性、標準化、通信協(xié)議、系統(tǒng)調(diào)度與協(xié)同運行等問題，要完全解決這些問題需要相當長的時間。針對倉儲監(jiān)控管理的技術需求和特點，目前CPS研究與應用要遵循如下策略：（1）研究規(guī)劃符合物流信息化與自動化特點的CPS體系結(jié)構(gòu)；（2）研究設計符合物流信息化與自動化特點的CPS節(jié)點統(tǒng)一硬件模型；（3）重點研究解決CPS節(jié)點與其他信息和自動化設備的聯(lián)網(wǎng)通信問題；（4）根據(jù)具體應用的需求，設計符合統(tǒng)一硬件模型規(guī)范的簡化CPS，并在應用中不斷改進完善；（5）積累經(jīng)驗，逐步提高CPS在物流領域的應用水平。

四、總結(jié)

CPS的應用潛力巨大，[8]將之應用于倉儲管控一體化系統(tǒng)具有顯著的技術優(yōu)勢。然而，目前成熟的計算機軟硬件技術在設計低成本、實時聯(lián)網(wǎng)、具備可預測性和強魯棒性的實用系統(tǒng)方面存在相當大的難度。因此，現(xiàn)階段應重點研究規(guī)劃符合物流信息化與自動化特點的CPS體系結(jié)構(gòu)，設計CPS節(jié)點統(tǒng)一硬件模型，研制符合統(tǒng)一硬件模型規(guī)范的簡化CPS并在倉儲監(jiān)控管理試點加以應用，推動CPS在物流領域的應用。

[1]何積豐.Cyber-physical System[J].中國計算機學會通訊，2010，6（1）：25-29.

[2]劉軍．基于無線傳感器網(wǎng)絡的倉儲監(jiān)控管理系統(tǒng)關鍵技術研究[J]．中國流通經(jīng)濟，2010（7）：17-19.

[3]沈蘇彬，等.物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關技術研究[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2009，29（6）：1-11.

[4]彭瑜.物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展及其工業(yè)應用的方向[J].自動化儀表，2011，32（1）：1-12.

[5]、[8]LEE E.A..Cyber Physical Systems:design Challenges[C].11th IEEE Symposium on Object Oriented Real-Time Distributed Computing（ISORC），2008：363-369.

[6]劉云浩.物聯(lián)網(wǎng)導論[M].北京：科學出版社，2010：324-330.

[7]王璐超，劉軍.無線傳感器網(wǎng)絡在物流中應用的關鍵技術與前景分析[J].物流技術，2010（3）：141-143.

Research and Application of Warehouse Monitoring and Management System Based on CPS

LIUJun

(Beijing WuziUniversity，Beijing101149，China)

The author points out that it has broad prospects to do research on applying CPS to the warehouse storage management and control integrated system.Now,it has considerable difficulty to design low-cost,real-time networking, predictable and strong robustness embedded systems for mature hardware technology.The existing computer software technology does not support to generating predictable and high reliability computing system.The application and development of CPS still need to study and solve many foundational scientific problems.The technology strategy of studying the application of CPS in warehousing monitoring management should be:study and design the CPS system structure with the characters of logistics informational and automation;design the CPS node unified hardware model which conforms to the logistics informational and automation features;according to the specific application requirement,design simplified CPS which conforms to the unified hardware model standard,and improve continuously in the application.

cyber-physical system；warehouse storage；monitoring；embedded system；control technology

F252.24

A

1007－8266（2011）07－0104－03

＊本文受北京市屬高等學校人才強教計劃項目“科研創(chuàng)新團隊項目”（項目編號：PHR201007145）和“學術創(chuàng)新人才項目”（項目編號：PHR201006129）資助。

劉軍（1963-），男，山西省大同市人，北京物資學院信息學院教授，主要研究方向為計算機控制理論與應用、信息處理技術等。

陳靜