自動化倉儲系統(tǒng)智能調(diào)度管理軟件設計

牛國營，祁光威，侯學斌，景美玲，云飛揚，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）是在不直接進行人工干預的情況下，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（提升機）、穿梭車、入出庫輸送機系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)、倉儲庫管理系統(tǒng)及其周邊設備組成，可對集裝單元貨物實現(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)廣泛應用于機械、家電、汽車、食品、煙草等行業(yè)，以及物流領域的大型流通中心、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，已經(jīng)成為企業(yè)智能制造系統(tǒng)建設的重要組成部分。

當前，自動化倉儲系統(tǒng)正朝著高可靠性、安全性、保密性、友好的人機界面、網(wǎng)絡化和遠程控制方向發(fā)展。自動化倉儲系統(tǒng)能否有效的運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)進行了研究與設計。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)大體上分為三個層次，最上層是WMS，負責倉儲業(yè)務邏輯的處理；最下層是具體的物流設備，如提升機、輸送線、穿梭車等；WCS位于WMS與物流設備之間的中間層，負責協(xié)調(diào)、調(diào)度底層的各種物流設備，使底層物流設備按照程序預先設定的流程執(zhí)行倉儲系統(tǒng)的業(yè)務流程，如圖1所示。

圖1 調(diào)度管理系統(tǒng)層級結構

2 調(diào)度管理軟件架構

2.1 架構設計

自動化倉儲系統(tǒng)智能調(diào)度管理軟件體系架構，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）和遠程可視化系統(tǒng)等組成。

圖2 軟件系統(tǒng)體系架構圖

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）構成一個內(nèi)部局域網(wǎng)絡（LAN1），該網(wǎng)絡與公共互聯(lián)網(wǎng)絡、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡在物理上分開，定位為樣庫內(nèi)部管理和各類倉儲設備的智能控制。WMS對整個立體倉庫的運行進行統(tǒng)籌管理，下發(fā)任務給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)，負責協(xié)調(diào)、調(diào)度底層提升機、穿梭車、輸送線等設備的運行和監(jiān)控，使底層物流設備可以執(zhí)行立體倉庫的各項業(yè)務，實現(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部位進行全天候視頻監(jiān)控、運行視頻采集等任務；未來可通過圖像處理、模式識別和計算機視覺技術，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)出警報或觸發(fā)其他動作，從而有效進行事前預警，并對事中處理，事后及時取證的全自動、全天候、實時監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)IoT主要實現(xiàn)貨物、托盤識別、立體倉庫運行過程溫濕度、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)服務系統(tǒng)（Server）、遠程可視化系統(tǒng)組成一個局域網(wǎng)絡（LAN2），LAN1與LAN2通過移動互聯(lián)網(wǎng)服務系統(tǒng)（ServerAPP）中的雙網(wǎng)卡進行信息交換，LAN2再通過移動互聯(lián)網(wǎng)服務器的雙網(wǎng)卡與公共網(wǎng)絡進行信息交互。LAN2中遠程可視化系統(tǒng)通過移動互聯(lián)網(wǎng)服務系統(tǒng)（Server）與LAN1中倉庫管理系統(tǒng)（WMS）進行內(nèi)外數(shù)據(jù)的交換。遠程可視化系統(tǒng)以可視化為手段，通過web、數(shù)字雙胞胎、手持設備終端APP、公眾號等多種方式實現(xiàn)立體倉庫運行的遠程可視化展示，用于遠程監(jiān)控、方案介紹及推介、典型案例展示等。在系統(tǒng)足夠成熟和堅固之后，可以上傳到網(wǎng)絡，成為云WMS系統(tǒng)。

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

2.2 通信網(wǎng)絡設計

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

圖3 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡拓撲圖

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，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）為三個從站，通過交換機實現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡貫通和通信。倉庫控制系統(tǒng)（WCS）又可細分為工控機與穿梭車通信接口、工控機與提升機通信接口、工控機與輸送線通信接口3個子網(wǎng)絡通信，其中工控機與輸送線之間通過以太網(wǎng)按照TCP/IP協(xié)議通信，工控機與穿梭車、提升機之間通過WIFI進行通信。

考慮到提升機、穿梭車需要進行較長行程的運動，以及高密度貨架對無線信號的屏蔽影響，WCS與提升機、穿梭車之間通過 WIFI進行通信。具體為：在提升機控制箱內(nèi)設置路由器，提升機PLC通過網(wǎng)線直接連接到路由器，WCS工控機通過無線網(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)服務系統(tǒng)（Server）、遠程可視化系統(tǒng)組成一個局域網(wǎng)絡（LAN2）之間的通信，主要目的是為后續(xù)立體倉庫的遠程運維、商業(yè)應用、遠程可視化展示、客戶現(xiàn)場推演等服務。LAN1與LAN2通過移動互聯(lián)網(wǎng)服務系統(tǒng)（Server APP）中的雙網(wǎng)卡，與LAN1中倉庫管理系統(tǒng)（WMS）進行內(nèi)外數(shù)據(jù)的交換進行信息交換。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，用于遠程可視化展示及遠程監(jiān)控。

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

3 業(yè)務流程分析

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。將貨物標簽張貼在貨物表面，通過掃碼槍、RFID讀寫器完成貨物標簽與載具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電子標簽。

4）入庫指令生成：WMS將入庫業(yè)務指令下發(fā)給調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS），調(diào)度系統(tǒng)從設備監(jiān)控系統(tǒng)中讀取各個設備的實施狀態(tài)，反饋是否具備入庫條件；調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）結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列表、執(zhí)行機構編號等，并發(fā)送給設備監(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置的RFID讀寫器自動讀取載具RFID電子標簽，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）對貨物標記及調(diào)度優(yōu)先級進行信息核對，確認無誤后下發(fā)給設備監(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)出警報退回輸送線入口。

6）自動入庫：設備監(jiān)控系統(tǒng)接收調(diào)度系統(tǒng)（WCSDS）下發(fā)的入庫信息后，轉換成輸送線、提升機和穿梭車的控制指令，驅動各個設備執(zhí)行。

7）信息反饋：在完成入庫作業(yè)后，設備監(jiān)控系統(tǒng)依次返回輸送線、提升機、穿梭車任務完成情況，調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）同時把任務完成信息返回給WMS，進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)務輸入。

2）出庫設置：WMS自動進行庫存查詢，并按照先進先出、先進后出、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)務指令、貨位坐標等信息發(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)從設備監(jiān)控系統(tǒng)中讀取各個設備的實施狀態(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列表、出庫優(yōu)化路徑等信息，并發(fā)送給設備監(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，轉換成輸送線、提升機和穿梭車的控制指令，驅動各個設備執(zhí)行。

5）信息反饋：完成出庫作業(yè)后，設備監(jiān)控系統(tǒng)向調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）返回任務完成信息，并等待接收下一個任務命令。調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）同時把任務完成信息返回給 WMS，進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)務輸入。

2）移庫設置：WMS自動進行庫存查詢，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)務指令、起始貨位坐標、目標貨位坐標等信息發(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)從設備監(jiān)控系統(tǒng)中讀取各個設備的實施狀態(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列表、移庫優(yōu)化路徑等信息，并發(fā)送給設備監(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，轉換成提升機和穿梭車的控制指令，驅動各個設備執(zhí)行。

5）信息反饋：完成移庫作業(yè)后，設備監(jiān)控系統(tǒng)向調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）返回任務完成信息，并等待接收下一個任務命令。調(diào)度系統(tǒng)（WCS-DS）同時把任務完成信息返回給WMS，進行庫存更新。

4 系統(tǒng)軟件設計

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)，負責立體倉庫系統(tǒng)出入庫業(yè)務管理、信息集成、互聯(lián)互通，由倉庫管理計算機組成，對內(nèi)通過網(wǎng)絡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)絡連接，進行信息交互。

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

4.2 倉庫控制軟件（WCS）

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

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

5 結束語

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