立體倉庫存取動態(tài)管理系統(tǒng)設(shè)計

朱建紅，顧菊平，姚 娟

（南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南通 226007）

0 引言

隨著市場貨物需求向著小批量、多品種和時效性方向發(fā)展，貨物流動頻率、品種和數(shù)量迅速增加[1]，立體倉庫在配送中心運作中的儲存作業(yè)，信息管理內(nèi)容不斷擴(kuò)展，主要是提高下位機(jī)的存取效率和上位機(jī)有效維護(hù)倉庫的動態(tài)信息。高效的倉庫分類信息管理，將提高企業(yè)內(nèi)部運作效率，降低運作成本，提高企業(yè)對市場需求的反應(yīng)速度，增強企業(yè)的競爭力[2]。本論文在文獻(xiàn)[3]中就機(jī)械手不同庫位之間快速移動路徑的最短化（直線）問題研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了下位機(jī)控制系統(tǒng)。同時基于貨位優(yōu)化的策略，采用SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)對庫位信息的動態(tài)快速查詢系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與實現(xiàn)，實現(xiàn)了立體倉庫現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了生產(chǎn)線的自動化水平。

圖1 立體倉庫庫位分配示意圖

1 貨位動態(tài)尋優(yōu)策略及功能需求分析

小型倉庫的庫位分配示意圖如圖1所示，根據(jù)待存貨種類分為C1、C2、C3存儲區(qū)，庫位按存放貨質(zhì)量大小分為重、較重、較輕三個層次，重型存于下幾層，較重放于中間，較輕的放于上幾層。存取信息動態(tài)管理系統(tǒng)設(shè)計的核心主要是結(jié)合上位機(jī)對下位機(jī)系統(tǒng)機(jī)械手位置的動態(tài)監(jiān)控信息及倉庫數(shù)據(jù)信息，采用相關(guān)尋優(yōu)策略對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相關(guān)操作，實現(xiàn)動態(tài)管理功能。

1.1 貨位動態(tài)尋優(yōu)策略

分類存取系統(tǒng)在對存儲區(qū)域進(jìn)行分類基礎(chǔ)上，主要實現(xiàn)取到所需貨物品種的功能，也就是在相應(yīng)類別動態(tài)查詢結(jié)果中隨機(jī)取貨，或?qū)ο鄳?yīng)的存放區(qū)的空庫位進(jìn)行隨機(jī)放貨。

在分類存取基礎(chǔ)上加以條件約束，即移庫、入庫或出庫都要在該區(qū)域中選擇最近庫位來調(diào)庫，這就實現(xiàn)了分類就近存取的功能，這種存取方式下，所有的物品調(diào)庫都遵循最近原則，因而可以節(jié)省大量時間，獲取更高效率。關(guān)鍵技術(shù)就是最優(yōu)庫位點位選擇、查詢和點點之間路徑優(yōu)化，生產(chǎn)實際中更需要功能兼顧效益的存取模式，系統(tǒng)設(shè)計采用分類存取與就近原則相結(jié)合的存取模式，即在分類查詢基礎(chǔ)上按就近距離來進(jìn)行存取操作。由于系統(tǒng)涉及較大數(shù)目的貨物信息與庫位信息的復(fù)雜管理，且涉及到相關(guān)數(shù)量運算，所以引進(jìn)SQL Server數(shù)據(jù)庫對倉庫信息進(jìn)行動態(tài)管理。

1.2 系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)設(shè)計主要涉及庫位信息的查詢與動態(tài)更新、下位機(jī)機(jī)械手位置的實時跟蹤及每次存取動作總行程的計算與尋優(yōu)，所包含的主要功能如下：

1）倉庫總體信息的動態(tài)查詢與管理：為了實施可視化的管理，系統(tǒng)為倉庫所有庫位信息建立數(shù)據(jù)庫，并記錄庫中貨物的相關(guān)信息，如ID、排、層、條碼、貨號、區(qū)位號、庫存標(biāo)志、類別和重量等；

2）關(guān)系數(shù)據(jù)表建立：在分類存取和就近存取原則基礎(chǔ)上，結(jié)合上位機(jī)監(jiān)控的動態(tài)信息及可操作存取庫位，建立相關(guān)表數(shù)據(jù)庫；

3）貨位動態(tài)尋優(yōu)設(shè)計：根據(jù)存取路徑最小化對目的取貨位置與目的放貨進(jìn)行位置動態(tài)尋優(yōu)，實現(xiàn)堆垛機(jī)的路徑最優(yōu)；

4）數(shù)據(jù)庫的更新：存入和取出貨物后數(shù)據(jù)庫中的信息實時更新，以便下次存取貨查詢。

2 分類就近存取模型分析與貨位尋優(yōu)算法設(shè)計

立體倉庫動態(tài)信息緊密結(jié)合下位機(jī)的存取操作。對貨位優(yōu)化來說，就近存貨就是在現(xiàn)有貨存狀況已知的條件下，結(jié)合機(jī)械手的當(dāng)前位置，查詢機(jī)械手經(jīng)過庫入口點至庫位總行程的最短路徑，確定入貨庫位地址。就近取貨就是結(jié)合機(jī)械手的當(dāng)前位置，查詢機(jī)械手經(jīng)過庫出口點至庫位總行程的最短路徑，確定出貨庫位地址。

2.1 模型分析

2.2 算法設(shè)計

在貨位尋優(yōu)時，可采用窮舉法。比如，在放貨時，機(jī)械手任意位置，找出所有的空庫位，計算出它們到機(jī)械手的距離與入貨點距離，對照區(qū)域號與質(zhì)量進(jìn)行查詢，找出總距離最短的點。該方法算法簡單，不過當(dāng)數(shù)據(jù)很多時計算量比較大。不適合大型倉庫的數(shù)據(jù)管理。

其次，采用分塊法位置查詢，先比較所有空庫輻射區(qū)域的x方向上坐標(biāo)到xi最遠(yuǎn)的距離為m，確定區(qū)間，y方向到y(tǒng)i最遠(yuǎn)的距離為n，確定區(qū)間，對照區(qū)域類別查看在這區(qū)間內(nèi)是否有空庫，若有則m和n都減1，在繼續(xù)檢查，直至該區(qū)間內(nèi)不再有空庫，找出該邊界線上所有的空庫，再計算它們到機(jī)械手的距離及入貨點距離，選擇距離最短的點。取貨算法類似，該方法計算量要比上一種方法計算量要小，不過它的程序設(shè)計要復(fù)雜。

考慮到系統(tǒng)在信息維護(hù)方面需求的重要地位，且兩種方案都離不開庫位的查詢，為了庫位的直接跟蹤與管理，必須建立一系列關(guān)系數(shù)據(jù)表。因此設(shè)計中采用庫的分層管理法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分層動態(tài)查詢與計算，在一定程度上減少了計算復(fù)雜程度，本系統(tǒng)擬采用在庫中穿插采用窮舉法進(jìn)行存取庫位的查詢與管理。同時為方便計算與管理，在計算庫位間距時只計算平方和非開方。當(dāng)對所需庫位區(qū)域進(jìn)行查詢比較時，以首條記錄作為基準(zhǔn)，逐一與其他記錄相比，保留距離最小對應(yīng)的庫位作為所要查找的位置。這種方法易于實現(xiàn)，容易理解。

3 數(shù)據(jù)庫動態(tài)管理系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計的核心技術(shù)為關(guān)系數(shù)據(jù)表的建立，所用字段如下：ID、層、排條碼（XXXXXXX）、貨號(XXXX)、分區(qū)號(C1、C2、C3)、質(zhì)量權(quán)重（）庫存標(biāo)志 (1、0)、貨物類別（B1、B2、B3）和機(jī)械手至入貨口距離，入貨時入貨口至候選庫位距離，出貨時機(jī)械

1）系統(tǒng)總表A字段：排、層、條碼、質(zhì)量權(quán)重、存貨標(biāo)志、貨號、類別和區(qū)位號；

2）可存貨位表A1：排、層、條碼、質(zhì)量權(quán)重、存貨標(biāo)志（0）、類別B*和區(qū)位號C*；

4）可取貨位表A2：排、層、條碼、質(zhì)量權(quán)重、存貨標(biāo)志（1）、類別B*和區(qū)位號C*；

整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的貨位動態(tài)尋優(yōu)示意圖如圖2所示，尋優(yōu)步驟如下：

1）出貨時按貨號及類別關(guān)鍵字查詢，得數(shù)據(jù)庫A2；

2）入貨時按分區(qū)、質(zhì)量權(quán)重查詢，得數(shù)據(jù)庫A1；

3）調(diào)取下位機(jī)機(jī)械手當(dāng)前位置，等待上位機(jī)存取命令，判斷存取貨命令，動態(tài)搜尋最優(yōu)貨位并發(fā)送命令給下位機(jī)，更新數(shù)據(jù)庫；具體如下：

3.1 出貨

結(jié)合當(dāng)前機(jī)械手位置，按照需出貨貨號及存貨標(biāo)志（1）兩條件邏輯“與”關(guān)系對當(dāng)前數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢，得數(shù)據(jù)庫A2；添加字段“排層至機(jī)械手”，“距離”，生成數(shù)據(jù)庫A21，對庫中字段距離由小到大進(jìn)行篩選，第一條記錄對應(yīng)的層、排即是所要求取的貨位。原數(shù)據(jù)庫相應(yīng)貨位的存貨標(biāo)志（1）更新為“0”。貨號更新為“空”。更新機(jī)械手當(dāng)前的位置。

3.2 入貨

結(jié)合當(dāng)前機(jī)械手位置，按照需入貨分區(qū)號及質(zhì)量權(quán)重及存貨標(biāo)志（0）條件邏輯“與”關(guān)系對當(dāng)前數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢，得數(shù)據(jù)庫A1；添加字段“排層至入貨點”“距離”，生成數(shù)據(jù)庫A11，對庫中字段距離由小到大進(jìn)行篩選，選中第一條記錄對應(yīng)的層、排即是所要求取的貨位。原數(shù)據(jù)庫貨位的存貨標(biāo)志（0）更新為“1”，貨號由空更新為相應(yīng)的貨號，條碼更新，機(jī)械手更新當(dāng)前位置。

4 倉庫信息動態(tài)監(jiān)控設(shè)計

4.1 動態(tài)管理界面設(shè)計

圖3 監(jiān)控示意圖

如圖3所示的組態(tài)王主監(jiān)控畫面設(shè)計，當(dāng)按下控件“庫存信息”時，系統(tǒng)顯示當(dāng)前貨存的情況，比如：有無貨物、貨物的顏色、重量、條碼、所在庫位、時間及日期；當(dāng)按下控件“就近存貨”或“就近放貨”時，系統(tǒng)經(jīng)過詢問待存取貨信息，切換至“可存貨信息表”或“可放貨信息表”畫面，點擊“取貨”按鈕，通過尋優(yōu)“目的取排”、“目的取層”顯示，系統(tǒng)會把所要的貨物信息提取出；同理，當(dāng)按下 “放貨”時，跟取貨類似，通過尋優(yōu)“目的放排”、“目的放層”顯示，系統(tǒng)會把所取貨物信息提取出。同時把所提取信息通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳至下位機(jī)PLC，系統(tǒng)根據(jù)程序設(shè)計自動啟動設(shè)備運行，進(jìn)行取貨、放貨操作。下位機(jī)系統(tǒng)邏輯控制的算法流圖如圖4所示，同時數(shù)據(jù)庫同步動態(tài)更新顯示當(dāng)前貨架上貨物信息。

4.2 速度動態(tài)傳輸設(shè)計

在數(shù)據(jù)庫管理中，上位機(jī)根據(jù)存取策略獲取存取貨位置信息，然后根據(jù)不同取放貨位置信息給出相應(yīng)的變量控制信息，如：各傳輸方向電機(jī)拖動的運行速度、方向等，最后系統(tǒng)把各數(shù)據(jù)信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給下位機(jī)，系統(tǒng)才能按預(yù)定的目的軌跡運行[3]。

4.3 數(shù)據(jù)庫動態(tài)更新

當(dāng)機(jī)械手完成從取貨或放貨一次動作結(jié)束時，倉庫總體信息數(shù)據(jù)庫也要同步更新。在檢測到當(dāng)前下位機(jī)根據(jù)上位機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)信息執(zhí)行完成時，數(shù)據(jù)庫更新一次，原來有貨的庫位在取貨以后標(biāo)志位要由1變?yōu)?，同時清除貨物的信息，即顏色、條形碼、重量等。而原來無貨的庫位在放貨以后標(biāo)志位要由0變?yōu)?，同時增加相應(yīng)的貨物的信息，畫面信息同步變化，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控。

圖4 堆垛機(jī)邏輯控制算法示意圖

5 結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計結(jié)合實際應(yīng)用，采用分類就近存取策略進(jìn)行設(shè)計，把SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)引入工程設(shè)計，并對動態(tài)監(jiān)控進(jìn)行了程序設(shè)計。在組態(tài)王監(jiān)控環(huán)境下，可以很方便的查看數(shù)據(jù)庫的相關(guān)信息并能實現(xiàn)立體倉庫信息的實時更新。設(shè)計成果經(jīng)現(xiàn)場實驗平臺調(diào)試，成功運行，實現(xiàn)了調(diào)庫系統(tǒng)的跟蹤與管理。

文中設(shè)計方案經(jīng)過適當(dāng)?shù)男薷目蓱?yīng)用到實際規(guī)模較大的工業(yè)現(xiàn)場調(diào)庫系統(tǒng)中。實現(xiàn)現(xiàn)場遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高企業(yè)運作的自動化水平，滿足企業(yè)信息系統(tǒng)管理的要求。

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[2] 吳和平,陳建宏.基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控與動態(tài)管理系統(tǒng)的礦業(yè)集團(tuán)信息化研究[J].工礦自動化,2007.

[3] 朱建紅,顧菊平等.堆垛機(jī)實時控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2011(4).