信息物理融合系統(tǒng)在倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理中的應(yīng)用研究

劉軍

（北京物資學(xué)院信息學(xué)院，北京市 101149）

信息物理融合系統(tǒng)在倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理中的應(yīng)用研究

劉軍

（北京物資學(xué)院信息學(xué)院，北京市 101149）

信息物理融合系統(tǒng)具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治五大功能，研究信息物理融合系統(tǒng)在倉(cāng)儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用具有十分廣闊的前景。目前，成熟的硬件技術(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)低成本、實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)、具備可預(yù)測(cè)和強(qiáng)魯棒性的嵌入式系統(tǒng)具有相當(dāng)大的難度，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)對(duì)于生成可預(yù)測(cè)和高可靠的計(jì)算系統(tǒng)并不支持，信息物理融合系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展還有許多基礎(chǔ)性的科學(xué)問題需要研究和解決。信息物理融合系統(tǒng)在倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理中的應(yīng)用研究包括：研究規(guī)劃符合物流信息化與自動(dòng)化特點(diǎn)的信息物理融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)符合物流信息化與自動(dòng)化特點(diǎn)的信息物理融合系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一硬件模型；根據(jù)具體應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)符合統(tǒng)一硬件模型規(guī)范的簡(jiǎn)化信息物理融合系統(tǒng)并在應(yīng)用中不斷改進(jìn)和完善。

信息物理融合系統(tǒng)；倉(cāng)儲(chǔ)；監(jiān)控；嵌入式系統(tǒng)；控制技術(shù)

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信與自動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步，信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-physical System，以下簡(jiǎn)稱CPS）的研究與發(fā)展受到了世界各國(guó)的高度重視。CPS從廣義上理解，就是一個(gè)在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計(jì)算、通信與控制能力的可控、可信、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)深度融合與實(shí)時(shí)交互，來增加并擴(kuò)展新的功能，以安全高效和實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測(cè)或控制一個(gè)物理實(shí)體。[1]

現(xiàn)代物流系統(tǒng)需要大力發(fā)展基于信息與自動(dòng)化設(shè)備的物流管理與控制系統(tǒng)，而在其中占相當(dāng)大比例的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)更是迫切需要實(shí)現(xiàn)高水平的管控一體化，即將原本各自獨(dú)立的管理信息系統(tǒng)與倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)整合為一個(gè)整體，進(jìn)一步提升物流系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率與安全性。CPS具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治五大功能，研究如何將CPS應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)具有廣闊的前景。

二、倉(cāng)儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)

倉(cāng)儲(chǔ)是物流的重要作業(yè)環(huán)節(jié)，現(xiàn)代化的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)通常配備有先進(jìn)的搬運(yùn)、傳送、存放、標(biāo)識(shí)、計(jì)量等物流作業(yè)設(shè)備，相應(yīng)配置有能滿足個(gè)性化作業(yè)流程的管理信息系統(tǒng)、自動(dòng)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(cāng)儲(chǔ)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)管控一體化管理成為業(yè)內(nèi)專家學(xué)者和企業(yè)技術(shù)人員共同努力的方向。[2]

1.倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)管理信息系統(tǒng)。倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)管理信息系統(tǒng)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)過程中發(fā)生的出入庫(kù)貨物的品種、數(shù)量、時(shí)間、頻率以及庫(kù)中結(jié)存等各種數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄，并利用這些信息對(duì)各作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效控制，通過對(duì)這些信息的分析處理，制定合理的操作策略，確保必要的庫(kù)存水平及倉(cāng)庫(kù)中貨物的移動(dòng)，保證進(jìn)貨、訂單揀選、發(fā)貨等作業(yè)環(huán)節(jié)銜接通暢。

2.倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)。物流自動(dòng)化系統(tǒng)可以看成物流機(jī)械設(shè)備、信息采集與信息識(shí)別設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備及計(jì)算機(jī)（智能）控制設(shè)備等的有機(jī)集成。倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)是物流自動(dòng)化系統(tǒng)最具代表性、應(yīng)用最為普遍的形式，具有物流自動(dòng)化系統(tǒng)的主要特征。從設(shè)備控制的視角看，倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)按大類劃分可以包括輸送設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)、搬運(yùn)設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)、分揀設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)、堆垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)等。

3.倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)。倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)行安全監(jiān)控通常包括倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)和倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備監(jiān)控兩大部分，其主要作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的狀況參數(shù)和倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，分散或集中數(shù)據(jù)處理，并及時(shí)對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警。

倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)就是要利用各種先進(jìn)的檢測(cè)手段對(duì)表征倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境狀況的參數(shù)（如溫度、濕度、光照度、空氣含氧量等）進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄、計(jì)算、報(bào)警等，以達(dá)到監(jiān)控倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)行環(huán)境安全性和為將來改善倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)環(huán)境提供歷史分析數(shù)據(jù)的目的。現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)配備的作業(yè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，就是運(yùn)用先進(jìn)的監(jiān)控設(shè)備和技術(shù)手段對(duì)關(guān)鍵作業(yè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和安全處理，確保倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的安全與高效率。

4.管控一體化與系統(tǒng)整合。倉(cāng)儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)是將倉(cāng)儲(chǔ)管理信息系統(tǒng)與倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)集成為一個(gè)整體，在信息充分共享的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)作業(yè)管理、設(shè)備自動(dòng)控制和安全監(jiān)控一體化管理。管控一體化系統(tǒng)的建設(shè)需要信息采集與處理、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制等多學(xué)科技術(shù)的交叉融合，需要及時(shí)引入新的技術(shù)，以適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的倉(cāng)儲(chǔ)管理復(fù)雜性的要求。倉(cāng)儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)至少應(yīng)包括前面闡述的三大子系統(tǒng)，即倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)管理信息系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)和倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)。

由于研究與應(yīng)用較早，加之計(jì)算機(jī)軟硬件和以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，倉(cāng)儲(chǔ)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(yùn)行管理等方面已經(jīng)不存在任何技術(shù)障礙，作為倉(cāng)儲(chǔ)管理的主體系統(tǒng)，其技術(shù)相對(duì)成熟。但目前我國(guó)物流自動(dòng)化規(guī)模和水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大差距，設(shè)備自動(dòng)控制和安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)落后，可供借鑒的應(yīng)用樣板工程缺乏，裝備自動(dòng)控制設(shè)備以中低檔可編程控制器（PLC）、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和智能儀器儀表為主，采用一體化、高可靠性、高性能控制設(shè)備（如集散控制系統(tǒng)）的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)很少。同時(shí)，在設(shè)備選型上缺乏行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，物流自動(dòng)化系統(tǒng)中各設(shè)備控制子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，使得整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)設(shè)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(shè)計(jì)建設(shè)新系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)管控一體化的難度都集中到了不同種類的信息化與自動(dòng)控制設(shè)備之間的通信聯(lián)網(wǎng)、信息標(biāo)準(zhǔn)化、時(shí)間同步等問題上。

三、CPS在倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理中應(yīng)用的技術(shù)分析

國(guó)際上稱CPS為網(wǎng)絡(luò)化物理系統(tǒng)或深度嵌入式系統(tǒng)，在監(jiān)測(cè)和控制復(fù)雜而動(dòng)作快速的物理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，CPS在嚴(yán)格的計(jì)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(yīng)用場(chǎng)合，CPS都是系統(tǒng)的關(guān)鍵。[3]

1.CPS的技術(shù)特征。CPS是信息領(lǐng)域中網(wǎng)絡(luò)化、信息化技術(shù)與物理系統(tǒng)中控制、自動(dòng)化技術(shù)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(shù)，都是CPS的關(guān)鍵技術(shù)。CPS要求計(jì)算技術(shù)與控制技術(shù)的融合，要求把處理離散事件、不關(guān)心時(shí)間和空間參數(shù)的計(jì)算技術(shù)與處理連續(xù)過程、注重時(shí)間和空間參數(shù)的控制技術(shù)融合起來。CPS系統(tǒng)中的計(jì)算技術(shù)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(luò)與其他信息系統(tǒng)進(jìn)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(shí)時(shí)處理能力。

CPS的核心是3C（這里的“3C”是計(jì)算（Computation）、通信（Communication）、控制（Control）三個(gè)單詞英文首字母的縮寫）融合，是計(jì)算、物理、控制等多學(xué)科交叉融合的系統(tǒng)，CPS不但強(qiáng)調(diào)物理感知功能，還突出強(qiáng)調(diào)控制功能。因此，從本質(zhì)上說，CPS是一個(gè)具有控制屬性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它包含傳統(tǒng)控制中很少使用的無線網(wǎng)絡(luò)，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(shù)潛力。CPS是深度嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，是一種通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將傳感器技術(shù)、控制技術(shù)與計(jì)算技術(shù)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(shí)物理世界之間交互方式的分布式網(wǎng)絡(luò)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(luò)，或者僅包含其中的幾個(gè)部分。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，CPS更強(qiáng)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(diǎn)的互連以及節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同工作。整個(gè)系統(tǒng)在開放的標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行優(yōu)化程度更高，網(wǎng)絡(luò)連接形式更為復(fù)雜。在硬件上設(shè)計(jì)集感知、計(jì)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(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間（10～20年）內(nèi)需要研究和解決的技術(shù)難題。無論發(fā)展速度快慢，在一個(gè)單獨(dú)實(shí)時(shí)運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)上，具備如此多的功能，甚至還可通過標(biāo)準(zhǔn)化的軟硬件接口擴(kuò)展其應(yīng)用，對(duì)于構(gòu)建新型管控一體化系統(tǒng)顯然具有相當(dāng)大的吸引力。

3.CPS研究與應(yīng)用的技術(shù)策略。目前，CPS的研究如火如荼，美國(guó)、歐盟、日本、韓國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家甚至將CPS的研究與普及應(yīng)用提升到了國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度，有詳細(xì)的研究計(jì)劃，并投入了大量的人力和物力。然而，目前成熟的硬件技術(shù)在設(shè)計(jì)低成本、實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)、具備可預(yù)測(cè)和強(qiáng)魯棒性的嵌入式系統(tǒng)方面存在相當(dāng)大的難度，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)對(duì)于生成可預(yù)測(cè)和高可靠的計(jì)算系統(tǒng)并不支持，[5]CPS的應(yīng)用與發(fā)展還需要研究和解決許多基礎(chǔ)性科學(xué)問題。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，以下簡(jiǎn)稱WSN）與射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency I－dentification，以下簡(jiǎn)稱RFID）在智能物流領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用，是CPS的核心技術(shù)。從目前的技術(shù)及應(yīng)用來看，WSN在環(huán)境監(jiān)測(cè)和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，RFID在物品標(biāo)識(shí)和設(shè)備管理等物流領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。[6]將WSN與RFID及通用無線分組業(yè)務(wù)（GPRS）等技術(shù)相結(jié)合，集多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(shù)應(yīng)用的趨勢(shì)。[7]

CPS研究中存在的挑戰(zhàn)包括：基礎(chǔ)理論與系統(tǒng)模型、安全性、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)化、通信協(xié)議、系統(tǒng)調(diào)度與協(xié)同運(yùn)行等問題，要完全解決這些問題需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理的技術(shù)需求和特點(diǎn)，目前CPS研究與應(yīng)用要遵循如下策略：（1）研究規(guī)劃符合物流信息化與自動(dòng)化特點(diǎn)的CPS體系結(jié)構(gòu)；（2）研究設(shè)計(jì)符合物流信息化與自動(dòng)化特點(diǎn)的CPS節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一硬件模型；（3）重點(diǎn)研究解決CPS節(jié)點(diǎn)與其他信息和自動(dòng)化設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)通信問題；（4）根據(jù)具體應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)符合統(tǒng)一硬件模型規(guī)范的簡(jiǎn)化CPS，并在應(yīng)用中不斷改進(jìn)完善；（5）積累經(jīng)驗(yàn)，逐步提高CPS在物流領(lǐng)域的應(yīng)用水平。

四、總結(jié)

CPS的應(yīng)用潛力巨大，[8]將之應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。然而，目前成熟的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)在設(shè)計(jì)低成本、實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)、具備可預(yù)測(cè)性和強(qiáng)魯棒性的實(shí)用系統(tǒng)方面存在相當(dāng)大的難度。因此，現(xiàn)階段應(yīng)重點(diǎn)研究規(guī)劃符合物流信息化與自動(dòng)化特點(diǎn)的CPS體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)CPS節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一硬件模型，研制符合統(tǒng)一硬件模型規(guī)范的簡(jiǎn)化CPS并在倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理試點(diǎn)加以應(yīng)用，推動(dòng)CPS在物流領(lǐng)域的應(yīng)用。

[1]何積豐.Cyber-physical System[J].中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2010，6（1）：25-29.

[2]劉軍．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．中國(guó)流通經(jīng)濟(jì)，2010（7）：17-19.

[3]沈蘇彬，等.物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，29（6）：1-11.

[4]彭瑜.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及其工業(yè)應(yīng)用的方向[J].自動(dòng)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(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2010：324-330.

[7]王璐超，劉軍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在物流中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)與前景分析[J].物流技術(shù)，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(xué)校人才強(qiáng)教計(jì)劃項(xiàng)目“科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目”（項(xiàng)目編號(hào)：PHR201007145）和“學(xué)術(shù)創(chuàng)新人才項(xiàng)目”（項(xiàng)目編號(hào)：PHR201006129）資助。

劉軍（1963-），男，山西省大同市人，北京物資學(xué)院信息學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制理論與應(yīng)用、信息處理技術(shù)等。

陳靜