牛國營，祁光威，侯學(xué)斌，景美玲，云飛揚(yáng)，湛紅暉

（1. 中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2. 北京中車長客二七軌道裝備有限公司 北京 102433；3. 華中科技大學(xué)無錫研究院，江蘇 無錫 214100）

1 引言

自動化倉儲系統(tǒng)（Automated Storage and Retrieval System，ASRS）是在不直接進(jìn)行人工干預(yù)的情況下，能自動存儲和取出物料的系統(tǒng)。其由高層貨架，巷道堆垛起重機(jī)（提升機(jī)）、穿梭車、入出庫輸送機(jī)系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)、倉儲庫管理系統(tǒng)及其周邊設(shè)備組成，可對集裝單元貨物實(shí)現(xiàn)自動化保管和信息化管理。作為企業(yè)物料倉庫、成品件倉庫，自動化倉儲系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、家電、汽車、食品、煙草等行業(yè)，以及物流領(lǐng)域的大型流通中心、配送中心。近年來，隨著中國制造業(yè)的迅猛發(fā)展，自動化倉儲系統(tǒng)也發(fā)揮著越來越重要的作用，它具有如節(jié)省占地面積、提高物流作業(yè)管理效率、提高倉庫管理員的管理水平、縮減勞動工作量、降低誤差概率、降低運(yùn)輸及儲存過程中的損耗、充分利用流動資金等多方面的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為企業(yè)智能制造系統(tǒng)建設(shè)的重要組成部分。

當(dāng)前，自動化倉儲系統(tǒng)正朝著高可靠性、安全性、保密性、友好的人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程控制方向發(fā)展。自動化倉儲系統(tǒng)能否有效的運(yùn)行在很大程度上取決于它的調(diào)度控制。為了提升自動化倉儲系統(tǒng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，本文對自動化倉儲的智能調(diào)度管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。本文研究的自動化倉儲系統(tǒng)是一種提升穿梭類密集全自動智能立體倉庫，其主要由倉儲貨架系統(tǒng)、倉儲物流作業(yè)設(shè)備、調(diào)度管理系統(tǒng)等軟硬件組成。其中，調(diào)度管理系統(tǒng)主要包含倉庫管理系統(tǒng)（WMS）、倉庫設(shè)備控制系統(tǒng)（WCS）。一般智能調(diào)度管理系統(tǒng)大體上分為三個(gè)層次，最上層是WMS，負(fù)責(zé)倉儲業(yè)務(wù)邏輯的處理；最下層是具體的物流設(shè)備，如提升機(jī)、輸送線、穿梭車等；WCS位于WMS與物流設(shè)備之間的中間層，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、調(diào)度底層的各種物流設(shè)備，使底層物流設(shè)備按照程序預(yù)先設(shè)定的流程執(zhí)行倉儲系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程，如圖1所示。

圖1 調(diào)度管理系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)

2 調(diào)度管理軟件架構(gòu)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

自動化倉儲系統(tǒng)智能調(diào)度管理軟件體系架構(gòu)，如圖2所示，主要由倉庫管理系統(tǒng)（WMS）、倉庫控制系統(tǒng)（WCS）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（VMS）、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（IoT）和遠(yuǎn)程可視化系統(tǒng)等組成。

圖2 軟件系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

軟件系統(tǒng)主要由3部分組成。

第一部分由倉庫管理系統(tǒng)（WMS）、倉庫控制系統(tǒng)（WCS）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（VMS）、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（IoT）構(gòu)成一個(gè)內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)（LAN1），該網(wǎng)絡(luò)與公共互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)在物理上分開，定位為樣庫內(nèi)部管理和各類倉儲設(shè)備的智能控制。WMS對整個(gè)立體倉庫的運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)籌管理，下發(fā)任務(wù)給WCS執(zhí)行，通過入庫、出庫、調(diào)撥、管理等功能，有效控制并跟蹤物流管理全過程，實(shí)現(xiàn)倉儲全面管理。WCS是倉庫控制系統(tǒng)，是介于WMS系統(tǒng)和底層控制器之間的管理控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、調(diào)度底層提升機(jī)、穿梭車、輸送線等設(shè)備的運(yùn)行和監(jiān)控，使底層物流設(shè)備可以執(zhí)行立體倉庫的各項(xiàng)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)立體倉庫的自動化控制。視頻監(jiān)控系統(tǒng)VMS主要完成對立體倉庫重點(diǎn)部位進(jìn)行全天候視頻監(jiān)控、運(yùn)行視頻采集等任務(wù)；未來可通過圖像處理、模式識別和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，在監(jiān)控系統(tǒng)中增加智能視頻分析模塊，過濾掉視頻畫面無用的或干擾信息、自動識別不同物體，判斷監(jiān)控畫面中的異常情況，并以最快和最佳的方式發(fā)出警報(bào)或觸發(fā)其他動作，從而有效進(jìn)行事前預(yù)警，并對事中處理，事后及時(shí)取證的全自動、全天候、實(shí)時(shí)監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)IoT主要實(shí)現(xiàn)貨物、托盤識別、立體倉庫運(yùn)行過程溫濕度、貨架變形、照明、消防等環(huán)境要素的感知和反饋。

第二部分由倉庫管理系統(tǒng)（WMS）和移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)（Server）、遠(yuǎn)程可視化系統(tǒng)組成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)（LAN2），LAN1與LAN2通過移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)（ServerAPP）中的雙網(wǎng)卡進(jìn)行信息交換，LAN2再通過移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的雙網(wǎng)卡與公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互。LAN2中遠(yuǎn)程可視化系統(tǒng)通過移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)（Server）與LAN1中倉庫管理系統(tǒng)（WMS）進(jìn)行內(nèi)外數(shù)據(jù)的交換。遠(yuǎn)程可視化系統(tǒng)以可視化為手段，通過web、數(shù)字雙胞胎、手持設(shè)備終端APP、公眾號等多種方式實(shí)現(xiàn)立體倉庫運(yùn)行的遠(yuǎn)程可視化展示，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、方案介紹及推介、典型案例展示等。在系統(tǒng)足夠成熟和堅(jiān)固之后，可以上傳到網(wǎng)絡(luò)，成為云WMS系統(tǒng)。

第三部分是由倉庫管理系統(tǒng)（WMS）和外部應(yīng)用系統(tǒng)組成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)（LAN3）。外部應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)立體倉庫的應(yīng)用場景各異。對制造業(yè)一般為ERP、MES，與WMS進(jìn)行BOM、物料主數(shù)據(jù)、物料流轉(zhuǎn)任務(wù)等信息交互；對租賃市場一般為租賃管理系統(tǒng)等集成，與WMS進(jìn)行貨位庫存、貨物存放要求、租賃時(shí)間等信息交互。WMS可通過Web Serivce/TCP IP等方式與外部應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行集成，根據(jù)客戶具體需求開發(fā)對應(yīng)API，實(shí)現(xiàn)信息集成、交互。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)需要服務(wù)器、工控機(jī)、PLC、無線通信模塊、攝像頭、網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)、交換機(jī)、路由等多種硬件載體支持，系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)及連接方式如圖3所示，主要分為3部分：

圖3 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

第一部分是LAN1局域網(wǎng)內(nèi)倉庫管理系統(tǒng)（WMS）、倉庫控制系統(tǒng)（WCS）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（VMS）、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（IoT）之間的通信。采用主從式架構(gòu)，以倉庫管理系統(tǒng)（WMS）為主站，倉庫控制系統(tǒng)（WCS）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（VMS）、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（IoT）為三個(gè)從站，通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)貫通和通信。倉庫控制系統(tǒng)（WCS）又可細(xì)分為工控機(jī)與穿梭車通信接口、工控機(jī)與提升機(jī)通信接口、工控機(jī)與輸送線通信接口3個(gè)子網(wǎng)絡(luò)通信，其中工控機(jī)與輸送線之間通過以太網(wǎng)按照TCP/IP協(xié)議通信，工控機(jī)與穿梭車、提升機(jī)之間通過WIFI進(jìn)行通信。

考慮到提升機(jī)、穿梭車需要進(jìn)行較長行程的運(yùn)動，以及高密度貨架對無線信號的屏蔽影響，WCS與提升機(jī)、穿梭車之間通過 WIFI進(jìn)行通信。具體為：在提升機(jī)控制箱內(nèi)設(shè)置路由器，提升機(jī)PLC通過網(wǎng)線直接連接到路由器，WCS工控機(jī)通過無線網(wǎng)卡或者無線模塊與路由器相連，穿梭車PLC通過無線網(wǎng)橋與路由器進(jìn)行通信。

第二部分是LAN2局域網(wǎng)內(nèi)倉庫管理系統(tǒng)（WMS）、移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)（Server）、遠(yuǎn)程可視化系統(tǒng)組成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)（LAN2）之間的通信，主要目的是為后續(xù)立體倉庫的遠(yuǎn)程運(yùn)維、商業(yè)應(yīng)用、遠(yuǎn)程可視化展示、客戶現(xiàn)場推演等服務(wù)。LAN1與LAN2通過移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)（Server APP）中的雙網(wǎng)卡，與LAN1中倉庫管理系統(tǒng)（WMS）進(jìn)行內(nèi)外數(shù)據(jù)的交換進(jìn)行信息交換。通過信息交互將加密后的WMS數(shù)據(jù)庫和WCS控制程序上傳到互聯(lián)網(wǎng)云中心，用于遠(yuǎn)程可視化展示及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

第三部分是WMS與外部信息化系統(tǒng)組成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)（LAN3），主要包括ERP系統(tǒng)、MES、OA等。為滿足客戶的個(gè)性化需求，使系統(tǒng)適應(yīng)多種行業(yè)，完善WMS/WCS 功能，需要提供各種個(gè)性化功能集成，擬通過Web Service 進(jìn)行信息交互。

3 業(yè)務(wù)流程分析

3.1 入庫流程

1）指令接收：WMS通過外部接口或者現(xiàn)場輸入，接收入庫需求（貨物類型、數(shù)量、規(guī)格型號、堆碼方式、批次、廠家、生產(chǎn)日期等），作為入庫業(yè)務(wù)輸入，并將入庫需求傳遞給物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，根據(jù)需要打印貨物標(biāo)簽。

2）堆垛放置：倉管員按照入庫需求，在理料區(qū)安排托盤并按照不同貨物要求規(guī)范堆碼、存放。

3）貨物掃碼識別：貨物通過條形碼或二維碼識別，托盤采用RFID識別。將貨物標(biāo)簽張貼在貨物表面，通過掃碼槍、RFID讀寫器完成貨物標(biāo)簽與載具RFID信息綁定，存儲到WMS數(shù)據(jù)庫，將貨物類型、規(guī)格型號、廠家等信息寫入RFID電子標(biāo)簽。

4）入庫指令生成：WMS將入庫業(yè)務(wù)指令下發(fā)給調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS），調(diào)度系統(tǒng)從設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中讀取各個(gè)設(shè)備的實(shí)施狀態(tài)，反饋是否具備入庫條件；調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）結(jié)合已存在的出入庫作業(yè)，根據(jù)調(diào)度算法生成入庫任務(wù)列表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)編號等，并發(fā)送給設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)需要將入庫視頻控制指令發(fā)送給視頻監(jiān)控系統(tǒng)（VMS）。

5）信息核對：倉管員使用叉車將貨物+載具放置到輸送線，輸送線啟動后通過設(shè)置的RFID讀寫器自動讀取載具RFID電子標(biāo)簽，經(jīng)過外形檢測、稱重后，反饋給調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS），調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）對貨物標(biāo)記及調(diào)度優(yōu)先級進(jìn)行信息核對，確認(rèn)無誤后下發(fā)給設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，允許入庫信息作為自動入庫輸入觸發(fā)，如果錯誤則發(fā)出警報(bào)退回輸送線入口。

6）自動入庫：設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)接收調(diào)度系統(tǒng)（WCSDS）下發(fā)的入庫信息后，轉(zhuǎn)換成輸送線、提升機(jī)和穿梭車的控制指令，驅(qū)動各個(gè)設(shè)備執(zhí)行。

7）信息反饋：在完成入庫作業(yè)后，設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)依次返回輸送線、提升機(jī)、穿梭車任務(wù)完成情況，調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）同時(shí)把任務(wù)完成信息返回給WMS，進(jìn)行入庫管理和庫存更新。

3.2 出庫流程

1）指令接收：WMS接收出庫需求（貨物種類、數(shù)量、規(guī)格型號、批次、廠家等），作為出庫業(yè)務(wù)輸入。

2）出庫設(shè)置：WMS自動進(jìn)行庫存查詢，并按照先進(jìn)先出、先進(jìn)后出、就近出庫、指定貨位出庫等原則生成出庫作業(yè)，將出庫業(yè)務(wù)指令、貨位坐標(biāo)等信息發(fā)送給調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）。

3）出庫指令下發(fā)：調(diào)度系統(tǒng)從設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中讀取各個(gè)設(shè)備的實(shí)施狀態(tài)，向WMS反饋是否具備出庫條件；調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）結(jié)合已存在的出入庫作業(yè)，根據(jù)調(diào)度算法生成出庫任務(wù)列表、出庫優(yōu)化路徑等信息，并發(fā)送給設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)需要將出庫視頻控制指令發(fā)送給視頻監(jiān)控系統(tǒng)（VMS）。

4）自動出庫：設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)接收調(diào)度系統(tǒng)（WCSDS）下發(fā)的出庫信息后，轉(zhuǎn)換成輸送線、提升機(jī)和穿梭車的控制指令，驅(qū)動各個(gè)設(shè)備執(zhí)行。

5）信息反饋：完成出庫作業(yè)后，設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)向調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）返回任務(wù)完成信息，并等待接收下一個(gè)任務(wù)命令。調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）同時(shí)把任務(wù)完成信息返回給 WMS，進(jìn)行出庫管理和庫存更新。

3.3 移庫流程

1）指令接收：WMS接收移庫需求（貨物種類、數(shù)量、規(guī)格型號、批次、廠家等），作為移庫業(yè)務(wù)輸入。

2）移庫設(shè)置：WMS自動進(jìn)行庫存查詢，并按照就近移庫、指定出庫等原則生成移庫作業(yè)，將出庫業(yè)務(wù)指令、起始貨位坐標(biāo)、目標(biāo)貨位坐標(biāo)等信息發(fā)送給調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）。

3）移庫指令下發(fā)：調(diào)度系統(tǒng)從設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中讀取各個(gè)設(shè)備的實(shí)施狀態(tài)，向WMS反饋是否具備移庫條件；調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）結(jié)合已存在的出入庫作業(yè)，根據(jù)調(diào)度算法生成移庫任務(wù)列表、移庫優(yōu)化路徑等信息，并發(fā)送給設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)需要將移庫視頻控制指令發(fā)送給視頻監(jiān)控系統(tǒng)（VMS）。

4）信息核對、自動移庫：設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)接收調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）下發(fā)的移庫信息后，轉(zhuǎn)換成提升機(jī)和穿梭車的控制指令，驅(qū)動各個(gè)設(shè)備執(zhí)行。

5）信息反饋：完成移庫作業(yè)后，設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)向調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）返回任務(wù)完成信息，并等待接收下一個(gè)任務(wù)命令。調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）同時(shí)把任務(wù)完成信息返回給WMS，進(jìn)行庫存更新。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 倉庫管理軟件（WMS）

倉庫管理系統(tǒng)是倉庫的中樞系統(tǒng)，負(fù)責(zé)立體倉庫系統(tǒng)出入庫業(yè)務(wù)管理、信息集成、互聯(lián)互通，由倉庫管理計(jì)算機(jī)組成，對內(nèi)通過網(wǎng)絡(luò)形式與倉庫控制系統(tǒng)WCS、視頻感知系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)，對外與互聯(lián)網(wǎng)、ERP等外部系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行信息交互。

本軟件主要功能包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、理料信息綁定、出入庫業(yè)務(wù)管理、系統(tǒng)的日常維護(hù)管理、信息集成管理等。

4.2 倉庫控制軟件（WCS）

WCS對每種設(shè)備的控制大致歸納為兩個(gè)層次：設(shè)備控制層、設(shè)備通信層。這種劃分相當(dāng)于把設(shè)備的通用控制邏輯抽象到設(shè)備控制層中，而設(shè)備通信層則只負(fù)責(zé)不同設(shè)備的連接。物流流程的執(zhí)行邏輯從上層經(jīng)過中間層的協(xié)議打包轉(zhuǎn)化成直接的特殊設(shè)備控制指令發(fā)到具體的物流設(shè)備中，物流設(shè)備的狀態(tài)則從反方向傳到上層。通過對每種設(shè)備的抽象分層后。各層的功能相對獨(dú)立。整倉庫設(shè)備控制系統(tǒng)包含的主要功能模塊為設(shè)備集成控制模塊。

設(shè)備集成控制模塊用于智能搬運(yùn)設(shè)備集成控制。一方面，它接收系統(tǒng)出入庫指令，并將其發(fā)送給PLC，從而驅(qū)動升降機(jī)、穿梭車、自動輸送線等相關(guān)物流設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)動作。另一方面，它將設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給系統(tǒng)，包含任務(wù)管理、作業(yè)調(diào)度、設(shè)備通信、設(shè)備監(jiān)控、運(yùn)行日志、異常處理等功能。

5 結(jié)束語

對自動化倉儲系統(tǒng)的智能調(diào)度管理軟件進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，通過對入庫/出庫/移庫業(yè)務(wù)流程的規(guī)劃、庫存的管理、WMS、WCS等軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，制定了軟件系統(tǒng)架構(gòu)和通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了自動化倉儲系統(tǒng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管控。通過本系統(tǒng)可全面掌控倉庫當(dāng)下庫存、單據(jù)狀態(tài)、任務(wù)執(zhí)行各方面的情況，能有效監(jiān)控倉儲物流作業(yè)設(shè)備狀態(tài)，保證了系統(tǒng)信息流和物質(zhì)流的一致性和準(zhǔn)確性。本文為企業(yè)倉儲系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供了理論支持。