智能倉儲管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

王昌 陳志武 王樹良 周明 郭靜茜

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司 浙江省湖州市 313000）

隨著5G技術(shù)的迅猛發(fā)展，倉儲管理水平已經(jīng)向著信息化、自動化的方向展開研究，技術(shù)人員正在設(shè)計(jì)科學(xué)的智能倉儲管理系統(tǒng)。希望減輕人工日常管理工作的壓力。比如，揀貨作業(yè)作為倉儲物流中心最重要且占用成本最高的作業(yè)，其效率及正確性都大大影響了服務(wù)品質(zhì)，如何采用物聯(lián)網(wǎng)和射頻識別技術(shù)，設(shè)計(jì)分布式智能倉儲系統(tǒng)，研究智能倉儲關(guān)鍵技術(shù)，提高倉儲管理效率，成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。

1 用戶管理需求分析與設(shè)計(jì)

1.1 倉儲需求及工作流程分析

在新時(shí)期進(jìn)行智能倉儲管理工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)先從用戶需求的角度進(jìn)行分析，找到智能化技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展方向，有針對性的提升技術(shù)水平。首先，要了解日常倉儲管理工作的基本任務(wù)，一般是確定入庫物品的質(zhì)量、數(shù)量，入庫時(shí)間，負(fù)責(zé)人信息，這些都需要進(jìn)行準(zhǔn)確、及時(shí)的記錄。其次，要根據(jù)物品的不同種類進(jìn)行分揀工作，根據(jù)基本的分類要求做好分類存儲工作。最后，當(dāng)物品需要出庫時(shí)，應(yīng)根據(jù)物品的入庫時(shí)間長短，選擇哪些物品應(yīng)該先出庫。出庫時(shí)，應(yīng)更新相關(guān)的庫存信息。

1.2 智能化倉儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

使用智能化技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)工作平臺，方便及時(shí)接收客戶的訂單信息，并將實(shí)物物品的基礎(chǔ)資料信息記錄在網(wǎng)絡(luò)平臺上，要構(gòu)建虛擬的、立體的倉庫模型，根據(jù)物品的實(shí)際存儲位置，來繪制模型圖，在網(wǎng)絡(luò)上可以便捷的查詢庫存信息，確定物品的存儲位置。同時(shí)，在進(jìn)行智能化倉儲時(shí)，要在實(shí)際倉庫中安裝智能化監(jiān)控設(shè)備，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)平臺上進(jìn)行實(shí)時(shí)的倉庫安全管理工作。主要關(guān)注人為因素、環(huán)境溫濕度因素是否會引發(fā)安全隱患。比如，物品丟失、倉庫起火、滲水等等。此外，實(shí)際工作目標(biāo)是為了研究如何降低倉庫的管理成本，提升管理水平，降低倉儲人員的日常工作壓力。

2 研究內(nèi)容

2.1 智能倉儲管理系統(tǒng)分析

針對物流倉庫系統(tǒng)，設(shè)計(jì)適合多AGV調(diào)度的倉庫模型，采用區(qū)域劃分實(shí)現(xiàn)倉庫模型中資源的合理配置。規(guī)劃貨架布置、出入庫工作站、充電站。倉庫管理系統(tǒng)具有盤點(diǎn)功能，以及倉庫數(shù)據(jù)管理。

倉庫管理系統(tǒng)入庫時(shí)，WMS生成入庫單給iWMS，或者直接人工掃描物料碼，iWMS根據(jù)計(jì)算，調(diào)度AGV搬運(yùn)空貨架或者有同一類物品的貨架到出入庫區(qū)，人工擺放貨物到貨架上，人工輸入產(chǎn)品數(shù)量，AGV搬運(yùn)該貨架回原位，WMS倉庫管理系統(tǒng)自動更新庫存數(shù)據(jù)。

倉庫管理系統(tǒng)出庫時(shí)分為普通出庫、應(yīng)急出庫、智能熱度擺貨架三種情況。

普通出庫：人工掃描出庫清單，iWMS根據(jù)計(jì)算，調(diào)度AGV搬運(yùn)相應(yīng)的貨架到出貨區(qū)，人工取物并輸入數(shù)量，然后點(diǎn)擊取認(rèn)，WMS倉庫管理系統(tǒng)自動更新庫存數(shù)據(jù)，AGV自動搬運(yùn)貨架回原位。

應(yīng)急出庫：在一體機(jī)操作界面上，先指定選擇需要出庫的貨物和數(shù)量，然后iWMS根據(jù)計(jì)算調(diào)度AGV搬運(yùn)相應(yīng)的貨物過來，揀選完成電機(jī)取任后，AGV自動搬運(yùn)貨架回原位并更新數(shù)據(jù)。

智能熱度擺貨架：運(yùn)行一段時(shí)間后，iWMS系統(tǒng)會自動將常用貨架搬運(yùn)到最近的區(qū)域，有利于提高出庫效率。

2.2 智能倉儲管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用AGV的RCS系統(tǒng)與倉庫iWMS系統(tǒng)對接，對接協(xié)議采用海康標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議。主要是方便對物品的存儲位置進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，在倉庫庫存量比較大的情況下，對同類物品存儲和撿貨、出庫等工作提供了一定的便利條件，能提高倉儲管理工作的效率。而且，搭載智能管理系統(tǒng)的機(jī)器人裝置可以通過導(dǎo)航系統(tǒng)，完成直線運(yùn)動、轉(zhuǎn)彎運(yùn)動等操作，配合機(jī)械臂可以平穩(wěn)的堆放、抓取貨物。前置激光避障，可以避免機(jī)器人行進(jìn)路線中有人為放置的障礙物，而發(fā)生碰撞的情況。支持液晶顯示屏、聲光告警提示人機(jī)交互友好；通過雙色指示燈設(shè)備狀態(tài)指示。設(shè)備需要聯(lián)網(wǎng)管理，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，還要關(guān)注通信服務(wù)的問題，比如，應(yīng)用5G技術(shù)。

設(shè)計(jì)RCS+iWMS系統(tǒng)總體架構(gòu)機(jī)器人調(diào)度控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)組成，下層機(jī)器人控制系統(tǒng)（RCS）和貨架管理系統(tǒng)（iWMS），如圖1所示。

圖1：智能倉儲管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

機(jī)器人控制系統(tǒng)（RCS）由管理中心服務(wù)（RCS-WEB），機(jī)器人控制服務(wù)以及告警管理服務(wù)組成。管理中心負(fù)責(zé)設(shè)備服務(wù)資源信息配置和管理。機(jī)器人控制服務(wù)負(fù)責(zé)移動機(jī)器人的控制和管理，其中一個(gè)機(jī)器人控制服務(wù)負(fù)責(zé)一個(gè)物理空間倉庫的設(shè)備管理和維護(hù)。

貨架管理系統(tǒng)（iWMS）負(fù)責(zé)接收甲方的WMS系統(tǒng)下發(fā)的出入庫清單和指令，然后自我匹配分析，下發(fā)給機(jī)器人控制系統(tǒng)執(zhí)行，并且監(jiān)控和維護(hù)子任務(wù)，確保業(yè)務(wù)信息能夠完整的執(zhí)行。

2.3 系統(tǒng)的具體運(yùn)行方法

在運(yùn)行倉儲管理系統(tǒng)時(shí)，需要做好系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)工作，關(guān)注網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)入問題、通訊連接問題。并完成對人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)工作，界面要盡量簡潔。還要設(shè)置登錄系統(tǒng)平臺的賬號，根據(jù)不同崗位的工作職能特點(diǎn)，設(shè)置不同的智能倉儲管理系統(tǒng)的登錄權(quán)限，主要是對信息的錄入、刪改權(quán)限要進(jìn)行合理的設(shè)置，避免出現(xiàn)實(shí)際物品數(shù)量、型號與系統(tǒng)記錄不符的情況。

移動機(jī)器人通過采集各個(gè)掃描點(diǎn)相對激光的距離，快速形成3D輪廓，配合感知庫算法，從而實(shí)現(xiàn)對障礙物的檢測。此外，移動機(jī)器人可根據(jù)背負(fù)貨架(包括貨架腿)的不同尺寸、行駛的區(qū)域，自動計(jì)算避障區(qū)域大小。

作為工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)，AGV需要頻段獨(dú)享，獨(dú)立使用2.4G或者5.8G。同時(shí)為保證IP地址管理上的唯一性，建議使用MAC地址綁定的方式管理AGV，例如獨(dú)立給AGV使用的網(wǎng)絡(luò)都通過MAC地址綁定，防止非法用戶使用AGV的無線網(wǎng)絡(luò)。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 機(jī)器人與智能輸送裝備深度融合

移動機(jī)器人通過采集各個(gè)掃描點(diǎn)相對激光的距離，快速形成3D輪廓，配合感知庫算法，從而實(shí)現(xiàn)對障礙物的檢測。此外，移動機(jī)器人可根據(jù)背負(fù)貨架(包括貨架腿)的不同尺寸、行駛的區(qū)域，自動計(jì)算避障區(qū)域大小。

（1）避障區(qū)域（最外邊界的安全距離），主要有兩種設(shè)置。

（2）空車情況，根據(jù)車的外輪廓以及側(cè)向安全距離調(diào)整。

背貨架時(shí)，根據(jù)貨架和車的相對位置、貨架的不同尺寸和類型，進(jìn)行安全距離避障。

相應(yīng)，運(yùn)行區(qū)域的地圖屬性配置完成后，由RCS調(diào)度移動機(jī)器人完成安全距離調(diào)整，實(shí)現(xiàn)避障功能。

輪廓激光避障策略簡要說明如下：

激光最遠(yuǎn)檢測距離可達(dá)4m。

stop_dist:停車距離，指移動機(jī)器人最終停止位置距離障礙物的距離，一般空載情況下，設(shè)置在150mm-400mm左右。

max_dece:避障最大減速度，實(shí)際避障時(shí)的減速度由移動機(jī)器人自行調(diào)整。

具體避障減速策略如圖2所示。

圖2：監(jiān)控客戶端示意圖

移動機(jī)器人遇障后，首先會實(shí)時(shí)自行計(jì)算安全速度，當(dāng)實(shí)際速度＜安全速度時(shí)，機(jī)器人勻速行駛，當(dāng)實(shí)際速度>安全速度后，機(jī)器人進(jìn)入減速區(qū)。

在勻速區(qū)，移動機(jī)器人按額定速度勻速前進(jìn)；在減速區(qū)，由移動機(jī)器人自動計(jì)算安全避障的減速加速度，進(jìn)行減速運(yùn)行；在停車距離以內(nèi)，移動機(jī)器人將按照最大減速度進(jìn)行減速，直至停止。

3.2 智能輸送成套裝備的數(shù)字孿生

基于數(shù)字孿生信息物理融合理論與技術(shù)研究智能輸送裝備數(shù)字孿生的物理融合、模型融合、數(shù)據(jù)融合、服務(wù)融合等不同維度的融合問題；借助孿生數(shù)據(jù)的融合與分析，研究智能輸送裝備物理實(shí)體與虛擬模型之間的交互和協(xié)同方式；基于智能輸送裝備數(shù)字孿生研究數(shù)字孿生生產(chǎn)物流的任務(wù)組合優(yōu)化、運(yùn)輸路線規(guī)劃、運(yùn)輸過程控制等在物理、信息世界和上層物流服務(wù)系統(tǒng)之間的迭代運(yùn)行模式。

3.3 輸送裝備狀態(tài)自主感知與故障診斷

物流輸送場景具有高度的復(fù)雜性和時(shí)變性等特征，產(chǎn)生海量生產(chǎn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。采用5G、機(jī)器視覺、深度學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)針對復(fù)雜輸送場景下的設(shè)備對現(xiàn)場信息的自主感知、自主分析與決策機(jī)制和相關(guān)算法進(jìn)行研究，提出具有創(chuàng)新性的理論方法，并且根據(jù)Web平臺開發(fā)框架，實(shí)現(xiàn)輸送裝備能夠在復(fù)雜場景下實(shí)現(xiàn)對輸送對象的自動識別和性能自適應(yīng)。

3.4 智能輸送裝備與無線網(wǎng)絡(luò)

（1）AP安裝可以頂裝，可以壁裝，壁裝時(shí)建議AP安裝時(shí)傾角7～9度，AP高度建議在3～5米之間。

（2）AP數(shù)量需合理，數(shù)量太多易引起AP間的干擾，可以參考如下評估方式：AP發(fā)射功率為20dBm的情況下，若AGV需背負(fù)金屬貨架，AP覆蓋范圍按照半徑15m設(shè)計(jì)，安裝高度3-5m；若AGV無需背負(fù)貨架，如滾筒型AGV，則AP覆蓋范圍按照半徑20m設(shè)計(jì)。

（3）根據(jù)不同AP型號確定其覆蓋范圍和安裝方式，尤其注意全向型和定向型AP的區(qū)別。

（4）相鄰的AP信道配置需要錯(cuò)開，并且信道要固定：2.4G請使用1，6，11信道，5.8G請使用149，153，157，161，165信道。圖3為2.4G的信道圖，5.8G可以參照2.4G部署。

圖3：2.4G的信道圖

（5）AP布置要充分考慮墻壁等物理隔離，如有是防火墻，無線信號穿墻衰弱很厲害，將出現(xiàn)信號強(qiáng)度山崖式斷裂。這些特殊區(qū)域要適當(dāng)考慮補(bǔ)增AP，例如沿防火墻門的AGV行徑道路上增加部署一個(gè)AP，防止信號崖斷式情況發(fā)生。

（6）需確定相鄰AP信號重疊范圍大小，此為AP布局的關(guān)鍵所在，由STA的漫游切換策略、AP與STA的匹配閾值、STA移動的最大速度和AP/AC支持的切換時(shí)間共同決定，以實(shí)測為準(zhǔn)。按照一般經(jīng)驗(yàn)，建議在AP與AP信號強(qiáng)度覆蓋疊加區(qū)內(nèi)要保證各自AP都有-65dB的強(qiáng)度疊加區(qū)。如圖4。

圖4：AP信號疊加區(qū)圖

智能倉儲系統(tǒng)目前的應(yīng)用范圍比較廣，不僅是物流行業(yè)會使用這種系統(tǒng)來智能化的管理庫存產(chǎn)品，很多事企業(yè)單位在進(jìn)行內(nèi)部資產(chǎn)管理工作時(shí)，也會使用這項(xiàng)技術(shù)。在5G時(shí)代，通訊信號的連接速度和連接質(zhì)量，會影響網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)的傳輸情況。而在需要存儲的物品逐漸增多的情況下，管理系統(tǒng)也需要不斷完善。要分析各種信息技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，研究將各種技術(shù)合理融入到智能倉儲系統(tǒng)當(dāng)中的方法，以優(yōu)化倉儲管理服務(wù)。本文主要介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)建思路以及人工智能機(jī)器人的運(yùn)行原理和操作方法，在具體展開系統(tǒng)架構(gòu)工作時(shí)，應(yīng)著重關(guān)注用戶需求，并考慮如何擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍的方法。