基于遺傳算法的智能倉儲交互式系統(tǒng)設(shè)計

張敏軍，華慶一，賈 偉,2，陳 銳，姬 翔

（1.西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710127；2.寧夏大學(xué) 新華學(xué)院，銀川 750021）

0 引言

智能倉儲是現(xiàn)代制造業(yè)體系中的重要環(huán)節(jié)，需要同時面向產(chǎn)品的柔性制造與銷售競爭，既參與對產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的優(yōu)化調(diào)度，又負(fù)責(zé)統(tǒng)籌供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)，以市場的實際需求實時反饋產(chǎn)品制造過程[1,2]。對于汽車整車制造，傳統(tǒng)倉儲業(yè)務(wù)以人為核心，通過人力配合實現(xiàn)對沖壓、焊裝、涂裝和總裝等工藝過程所需零部件與物料的配送調(diào)度。但由于整車工藝繁雜，各工位生產(chǎn)物料和零部件的入庫、上下架、分揀等倉儲信息難以直接與整車過程交互，各部門間信息孤島問題嚴(yán)重，致使配送存在較大的不確定性，難以保障各工位所需零部件的高效管理。同時，整車制造成本和質(zhì)量是典型的NP-hard問題，優(yōu)化物流成本，以倉儲網(wǎng)絡(luò)實時反饋用戶需求與體驗，是降低整車制造成本和提升服務(wù)質(zhì)量的有效途徑。

交互式智能倉儲系統(tǒng)既能實現(xiàn)各部門對生產(chǎn)物料和零部件的動態(tài)管理，又能優(yōu)化銷售物流網(wǎng)絡(luò)，并以低整車成本和高服務(wù)質(zhì)量為期望，構(gòu)建面向整車制造與銷售的高效倉儲模式。在Struts 2-Spring-Hibernate（SSH）框架中，應(yīng)用較少的代碼量可實現(xiàn)智能倉儲功能的協(xié)同開發(fā)，并實現(xiàn)對生產(chǎn)物料的集中管理和分級優(yōu)化[3～5]。因此，本文將SSH框架應(yīng)用于整車制造與銷售過程，利用S7-300 PLC設(shè)計覆蓋廠區(qū)倉儲作業(yè)的硬件系統(tǒng)，并通過遺傳算法在線優(yōu)化零部件倉位和配送軌跡。

1 交互式智能倉儲總體方案

圖1 基于SSH的交互式智能倉儲方案

交互式整車制造與銷售智能倉儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括客戶端、服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)等部分，如圖1所示?？蛻舳藶闆_壓、焊裝、涂裝和總裝等工位提供可在線交互的Web應(yīng)用界面，支持生產(chǎn)物料與零部件采購、入庫、上下架和分揀等倉儲業(yè)務(wù)信息的在線查詢和管理，堆垛機、移載機和輸送機等自動化倉儲設(shè)備運行狀態(tài)的在線監(jiān)控，倉儲效率在線提升，基于用戶需求與體驗信息反饋的整車制造與銷售過程在線優(yōu)化等。Web和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器基于SSH框架開發(fā)[6]，Web服務(wù)器為客戶端用戶提供在線交互功能，數(shù)據(jù)庫存儲倉儲業(yè)務(wù)信息、倉儲設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、用戶需求與體驗信息等?？蛻舳伺cWeb服務(wù)器間數(shù)據(jù)交互采用Struts 2，通過Ajax調(diào)用Struts 2控制器將客戶請求映射到Action。Spring 提供大量靈活的管理業(yè)務(wù)組件Bean，通過客戶請求映射的Action調(diào)用對應(yīng)的業(yè)務(wù)Bean，再利用Hibernate封裝的數(shù)據(jù)庫功能和訪問接口DAO，將該業(yè)務(wù)Bean涉及的數(shù)據(jù)以JSON格式返回給客戶端。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)分別面向整車制造和銷售供應(yīng)，其中智能倉儲為整車制造提供可在線監(jiān)測和實時控制的倉儲業(yè)務(wù)服務(wù)，通過程控交換機（工業(yè)以太網(wǎng)）將各工藝所需生產(chǎn)物料與零部件信息在線反饋給客戶端，遠(yuǎn)程調(diào)用倉庫PLC和自動化倉儲設(shè)備，一方面經(jīng)采購、入庫、移載、堆垛等實現(xiàn)物料上架管理，另一方面經(jīng)分揀、移載、輸送至緩沖區(qū)等實現(xiàn)物料下架和對整車制造供應(yīng)。此外，倉儲物流為用戶提供低成本、高質(zhì)量服務(wù)，在汽車銷售供應(yīng)鏈中利用Internet實時反饋用戶需求和體驗信息，進而指導(dǎo)整車制造品質(zhì)和服務(wù)質(zhì)量提升。

2 智能倉儲系統(tǒng)配置

汽車沖壓、焊裝、涂裝和總裝等工藝過程所需零部件與物料種類繁多，各車間物料緩沖區(qū)的零件配送主要依賴廠區(qū)倉庫和第三方配送。由于廠區(qū)倉庫容量有限，為合理利用空間、提高倉儲效率，廠區(qū)倉庫采用RFID記錄零件出入庫信息、PLC程序控制零件的出入庫移載和堆垛、無線數(shù)傳電臺引導(dǎo)AGV小車配送零件到對應(yīng)的車間物料緩沖區(qū)。硬件系統(tǒng)配置如圖2所示，包括工程師站（ES）和S7-300 PLC主、從站系統(tǒng)，ES與S7-300主站利用MPI協(xié)議通訊，S7-300主站與從站系統(tǒng)、設(shè)備間通過Profibus-DP現(xiàn)場總線在線交互數(shù)據(jù)。

圖2 智能倉儲硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

S7-300主站硬件組態(tài)PS 307-5A電源、315-2DP CPU、IM 360通訊接口、SM321/SM322數(shù)字量輸入/輸出、SM331模擬量輸入等。CPU 315-2DP主要實現(xiàn)對倉儲流程和AGV小車配送軌跡的優(yōu)化控制，提供MPI和Profibus-DP接口，由MPI通訊與ES進行數(shù)據(jù)交互，監(jiān)控零件倉儲流程和配送信息。主站SM321/SM322模塊主要負(fù)責(zé)操作按鈕、配電柜開關(guān)等數(shù)字信號輸入，狀態(tài)指示信號燈、聲光報警、配電柜接觸器線圈等數(shù)字信號輸出，SM331模塊主要負(fù)責(zé)配電柜（相、線）電壓等模擬信號輸入。主站通過IM 360接口與帶IM153.1接口的分布式I/O從站ET 200M建立Profibus-DP通訊，從站ET 200M硬件組態(tài)SM321/SM322數(shù)字量輸入/輸出，主要負(fù)責(zé)堆垛（水平、垂直和貨叉伸縮）位置、輸送位置等數(shù)字信號輸入，聲光報警、堆垛和輸送電機接觸器線圈等數(shù)字信號輸出。堆垛和輸送機監(jiān)控選用MM430變頻器，通過CBP2通訊卡掛接到主站建立的Profibus-DP總線，由ET 200M從站反饋堆垛和輸送過程中零件位置信號，主站通過Profibus-DP總線在線設(shè)定MM430變頻器過程控制指令，并實時監(jiān)測變頻器輸出和電機運行狀態(tài)。

零件出入庫信息記錄采用支持Profibus-DP總線通訊的RFID讀寫器CK-F080P01，相關(guān)信息寄存到主站S7-300的DB塊中，再通過MPI與ES在線交互。

零件移載配送AGV小車以S7-200 PLC為核心配置，主要包括無線通信、避障、導(dǎo)航和驅(qū)動等模塊。由于AGV小車負(fù)責(zé)各工位緩沖區(qū)零部件配送，主站S7-300與小車S7-200間利用無線數(shù)傳電臺通訊，其中主站CPU 315-2DP、從站CPU 226分別利用PM 160擴展RS-485轉(zhuǎn)RS-232接口，掛接無線模塊MDS 2710實現(xiàn)遠(yuǎn)程在線交互。小車配置避障和導(dǎo)航功能，利用超聲波傳感器檢測路徑障礙，通過磁導(dǎo)航（地標(biāo)傳感器和釘型地標(biāo)）識別零部件配送站點和路徑信息。小車配送驅(qū)動采用1kW直流無刷電機S110BL01-430和AQMD6030BLS驅(qū)動器，由釘型地標(biāo)的位置反饋和主站優(yōu)化的軌跡路徑遠(yuǎn)程控制小車配送速度。

3 智能倉儲功能設(shè)計與實現(xiàn)

交互式整車制造與銷售智能倉儲系統(tǒng)主要實現(xiàn)對廠區(qū)倉庫的高效管理、整車制造成本和質(zhì)量的協(xié)同優(yōu)化，具體功能實現(xiàn)取決于基于ES+S7-300 PLC平臺的智能倉儲實時監(jiān)控與在線優(yōu)化、基于SSH框架的倉儲數(shù)據(jù)應(yīng)用與在線交互等。

3.1 智能倉儲實時監(jiān)控與在線優(yōu)化

廠區(qū)倉庫監(jiān)控優(yōu)化以ES+S7-300 PLC為核心，其中ES利用遺傳算法優(yōu)化零部件貨位和AGV配送路徑，由S7-300實際監(jiān)控零件入庫、上下架、分揀和輸送等業(yè)務(wù)。智能倉儲實時監(jiān)控與在線優(yōu)化流程如圖3所示，根據(jù)倉儲業(yè)務(wù)需求，主站S7-300通過主程序（OB1）循環(huán)調(diào)用堆垛、輸送和AGV配送程序，利用主、從站在線交互將倉儲業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實時上傳至ES，在線處理監(jiān)控數(shù)據(jù)，從站零件上架和配送請求分別觸發(fā)遺傳算法對倉位和AGV配送路徑的在線優(yōu)化，進而提高零部件倉儲效率。

圖3 智能倉儲實時監(jiān)控與在線優(yōu)化流程圖

主站功能包括主程序（OB1）、中斷程序（OB20、OB40、OB82和OB87等）、啟動程序（OB100）等。OB1中調(diào)用入庫輸送、上架、零部件分揀、下架、移載輸送、AGV配送等功能塊FB和功能FC，相應(yīng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)寄存到共享DB塊，再與ES進行在線交互。ES與主站S7-300監(jiān)控界面WinCC采用OPC交互，將遺傳算法尋優(yōu)（MATLAB）作為OPC Client，WinCC作為OPC Server。

對于倉位優(yōu)化，如圖4所示，利用OPC讀取RFID監(jiān)測的零部件信息，即將零部件規(guī)格、屬性、使用頻次、連續(xù)生產(chǎn)可支持周期、交付周期、交付風(fēng)險等信息進行實數(shù)編碼量化，以集約高效倉儲為基準(zhǔn)，在量化輸入的多維空間內(nèi)局部尋優(yōu)，對父代輸入進行交叉、變異處理（交叉概率0.5，變異概率0.2），判定子代種群的適應(yīng)度。當(dāng)子代適應(yīng)度收斂于最小，遺傳算法輸出最優(yōu)的倉位編碼，再通過OPC寫入主站S7-300，由主從交互控制堆垛水平、垂直和貨叉伸縮移動。

圖4 智能倉儲零部件倉位優(yōu)化算法流程

與零件倉位優(yōu)化類似，AGV小車配送優(yōu)化也利用OPC讀取主站S7-300通過無線數(shù)傳監(jiān)控的S7-200等數(shù)據(jù)，即將零部件規(guī)格、屬性、工位緩沖區(qū)坐標(biāo)、路徑釘型地標(biāo)坐標(biāo)、配送時間、零部件參與生產(chǎn)積極性指標(biāo)、零部件自動配送風(fēng)險等信息進行實數(shù)編碼量化，以高效直接配送為基準(zhǔn)，通過OPC將遺傳算法的輸出寫入主站S7-300，在線控制AGV小車配送過程轉(zhuǎn)向、加減速和停車等動作。

3.2 倉儲數(shù)據(jù)應(yīng)用與在線交互

圖5 智能倉儲業(yè)務(wù)時序

倉儲數(shù)據(jù)應(yīng)用采用SSH框架，在eclipse+JDK+SQL Server開發(fā)的數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺上集中處理廠區(qū)倉庫監(jiān)控數(shù)據(jù)、銷售物流信息、用戶需求與體驗信息等，為各工位生產(chǎn)與決策提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)支持，業(yè)務(wù)時序如圖5所示。沖壓、焊裝、涂裝和總裝等工位客戶端通過Web頁面發(fā)送訪問請求，Struts 2將用戶需求映射到對應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯（如查詢廠區(qū)倉庫零部件庫存信息服務(wù)、AGV配送服務(wù)等），由Spring提供的業(yè)務(wù)組件將業(yè)務(wù)邏輯與對象關(guān)聯(lián)，再通過Hibernate封裝的數(shù)據(jù)庫功能、業(yè)務(wù)對象與SQL Server訪問接口DAO對數(shù)據(jù)庫進行操作，對應(yīng)的數(shù)據(jù)以JSON格式返回給客戶端。

客戶端在線交互由調(diào)度中心集中管理，如圖6所示，分別為整車制造、廠區(qū)倉庫監(jiān)控、物流、消費者提供不同權(quán)限的訪問服務(wù)，可供ES遠(yuǎn)程監(jiān)控倉儲設(shè)備實際運行狀態(tài)，實現(xiàn)對廠區(qū)倉庫的高效管理，也能覆蓋整車制造和銷售等環(huán)節(jié)的倉儲服務(wù)，為協(xié)同優(yōu)化整車制造成本和質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支持。

圖6 智能倉儲交互主界面

4 結(jié)語

針對整車制造所需零部件繁雜、倉儲效率低、交互能力差等問題，面向整車制造、倉儲作業(yè)和銷售等環(huán)節(jié)設(shè)計了可在線交互的智能倉儲系統(tǒng)。倉儲作業(yè)采用ES+S7-300 PLC主從站系統(tǒng)，配置S7-300 PLC主從站硬件平臺，利用OPC和遺傳算法對零件倉位和AGV配送路徑優(yōu)化，實現(xiàn)對廠區(qū)倉庫的高效管理。倉儲數(shù)據(jù)應(yīng)用與在線交互采用SSH框架，通過較少的代碼可實現(xiàn)智能倉儲功能開發(fā)，并兼顧處理用戶需求與體驗信息，有助于實現(xiàn)整車制造成本和質(zhì)量的協(xié)同優(yōu)化。所設(shè)計的交互式倉儲系統(tǒng)具有開發(fā)簡單、通用性強、易于維護和管理等優(yōu)點，可適用于其他行業(yè)倉儲業(yè)務(wù)的高效管理。