自動化立體倉庫管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

□ 賈鐵剛

(晉江職業(yè)中專學校，福建 晉江 362251)

1 引言

自動化立體倉庫系統(tǒng)有著眾多的功能，以不同功能作為依據(jù)進行劃分，可形成三個層次，依次為管理層、監(jiān)控層、執(zhí)行層。系統(tǒng)總體設(shè)計中，一般要求倉庫管理層能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)管理、庫存管理、貨位管理、作業(yè)流程管理以及通訊管理等方面的功能。因此，管理層是自動化立體倉庫系統(tǒng)的核心，必須具備相應(yīng)的能力，包括智能方面，另外還要有較強的數(shù)據(jù)處理能力等。

對監(jiān)控層進行分析能夠得知，其負責的工作是對管理層下達的命令進行接收，將任務(wù)細化后向執(zhí)行層逐步下達。監(jiān)控層在處理和下發(fā)指令時，可以根據(jù)設(shè)備的實際使用情況，進行任務(wù)的下達，一定程度上進行作業(yè)組織的優(yōu)化。除此之外，監(jiān)控層還對自動化立體倉庫的運行現(xiàn)狀進行實時監(jiān)測，但是這對監(jiān)控層的實時處理能力要求較高，要求其在設(shè)備故障和沖突時可以及時發(fā)現(xiàn)并將信息反饋給管理層。執(zhí)行層作為自動化立體倉庫的設(shè)備運行結(jié)構(gòu)層，主要由各類機械設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備以及控制設(shè)備組成。對于執(zhí)行層的要求，最主要的是有足夠高的可靠性，這對設(shè)備質(zhì)量提出了較高要求，要減少設(shè)備運行過程中的故障率。

2 自動化立體倉庫管理系統(tǒng)功能規(guī)劃

2.1 管理系統(tǒng)功能分析

無論是出庫貨品操作，還是入庫相關(guān)操作，都是自動化立體倉庫管理層的功能，需及時更新與調(diào)整庫存信息，方便操作人員隨時查看。同時，操作人員通過上述步驟能夠?qū)崿F(xiàn)對手動控制操作平臺的操作。以貨品入庫作業(yè)為例，對管理層進行分析不難看出，工作流程包括發(fā)送入庫單，接收入庫單，將貨品和托盤匹配，管理系統(tǒng)自動生成相應(yīng)的入庫作業(yè)流程(包括入庫表單、命令表單等)，發(fā)出的作業(yè)指令發(fā)出由監(jiān)控層接收，在執(zhí)行層完成作業(yè)指令后向管理層反饋，管理層及時更新與調(diào)整貨品的表單，并輸入到自動化立體倉庫管理信息系統(tǒng)當中，貨品入庫操作隨即完成[1]。

簡而言之，管理系統(tǒng)的功能就是根據(jù)出入庫任務(wù)向監(jiān)控層發(fā)布任務(wù)命令，根據(jù)作業(yè)執(zhí)行情況生成作業(yè)完成報告，最后更新庫存信息。自動化立體倉庫系統(tǒng)中管理層的功能可以概括為以下幾個方面：

①出/入庫作業(yè)：一方面是指貨品的出庫和入庫作業(yè)，另一方面是指托盤的出庫和入庫作業(yè)。

②庫存和貨位查詢功能：庫存和貨位查詢是工作人員及時了解倉儲信息的有效手段，管理層的查詢工作主要包括庫存查詢、貨位查詢、托盤查詢等。

③其他查詢：其他查詢主要是指正在進行或者尚未完成的工作數(shù)據(jù)查詢，包括出/入庫作業(yè)流水查詢、出/入庫作業(yè)查詢以及設(shè)備故障查詢等。

④報表統(tǒng)計：庫存信息最終將以存儲明細表的形式提供給倉庫管理人員。管理系統(tǒng)中，庫存明細表按照物料種類進行統(tǒng)計，并列出各貨品和物料的存儲貨位，主要包括出/入庫統(tǒng)計表、庫存明細表以及貨位明細表。

⑤庫存維護：庫存維護主要是指對倉庫貨位和數(shù)據(jù)進行維護，主要包括盤庫、倒庫以及重置貨位狀態(tài)等。

2.2 管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

自動化立體倉庫管理系統(tǒng)主要有兩種常用的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，一種是客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，即常說的C/S結(jié)構(gòu)，另一種是瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，即B/S結(jié)構(gòu)，兩者具有各自特點。其中C/S結(jié)構(gòu)中客戶機具有一定的運算處理能力，可以做到快速服務(wù)響應(yīng)，另外數(shù)據(jù)更新速度較快，具有較強的數(shù)據(jù)實時性，這一點比較符合自動化立體倉庫對庫存信息及時更新的要求。B/S結(jié)構(gòu)以經(jīng)濟性著稱，其本身構(gòu)造也較為簡單，由于客戶端只是瀏覽器，因此操作人員不需要對系統(tǒng)做任何維護，只需要一臺能上網(wǎng)的電腦即可，大大節(jié)省了人力成本。結(jié)合管理系統(tǒng)的實際應(yīng)用要求，最終選擇客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(C/S)。

要想通過人機交互界面將數(shù)據(jù)庫操作逐步實現(xiàn)，就需要將倉庫管理系統(tǒng)安裝在客戶端當中。大容量存儲器與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在對應(yīng)的服務(wù)器當中均有配備。對于自動化立體倉庫管理系統(tǒng)來講，管理的對象主要是數(shù)據(jù)庫，這是實現(xiàn)其功能的重要基礎(chǔ)。

2.3 管理系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)管理系統(tǒng)的功能分析，通過劃分得到了眾多的模塊，分別為系統(tǒng)管理模塊、出入庫管理模塊、庫存/庫位管理模塊、查詢模塊和統(tǒng)計模塊等。

2.3.1 系統(tǒng)管理模塊

①系統(tǒng)維護。

系統(tǒng)操作人員可以通過系統(tǒng)維護模塊對系統(tǒng)進行維護。例如，可以通過初始化功能將系統(tǒng)回歸為最初狀態(tài)，但是只有系統(tǒng)管理員有權(quán)限使用該功能。出于安全性和完整性考慮，需要定時或不定時對庫存數(shù)據(jù)進行備份處理，以便系統(tǒng)出現(xiàn)異常時可以將數(shù)據(jù)恢復到之前的某一個時間點，無論是數(shù)據(jù)備份，還是數(shù)據(jù)恢復，在管理系統(tǒng)中都向用戶提供。角色管理本質(zhì)上是對用戶權(quán)限的設(shè)定，針對某一類用戶角色進行相應(yīng)的權(quán)限設(shè)定，可以實現(xiàn)不同用戶對倉庫不同程度的控制。

②基礎(chǔ)信息管理。

基礎(chǔ)信息就是對出入庫貨品的管理，主要包括對貨品進行編碼以及貨品的屬性管理?？梢酝ㄟ^對物料種類的添加、刪除等操作實現(xiàn)倉儲對象和倉儲類型的轉(zhuǎn)變。

2.3.2 出入庫管理模塊

該模塊的主要任務(wù)是下達出入庫作業(yè)指令，對出入庫的貨品和托盤進行管理。

①入庫管理：入庫操作之前，需要操作人員先填寫入庫單以明確入庫信息，然后根據(jù)入庫單向數(shù)據(jù)庫發(fā)送添加命令，確認后，與監(jiān)控終端進行通信，在監(jiān)控系統(tǒng)控制下完成入庫操作。除此之外，管理系統(tǒng)額外提供了手動入庫功能，用戶可以跳過入庫單填寫階段，直接進行入庫操作，這樣更有利于工作的便利開展。其入庫操作和整盤入庫類似。

②出庫管理：與入庫操作類似，出庫操作也遵循同樣的作業(yè)流程，不同之處在于，當進行貨品出庫作業(yè)時，儲貨站臺的貨品放置完成后，進入到任務(wù)確認環(huán)節(jié)。貨品出貨同樣也有手動出庫功能。系統(tǒng)面對不同用戶的出庫指令時，分揀口的設(shè)定要為每個客戶進行制定，當同時出貨時，最多只能完成三個。當進行揀選出貨時，需要在貨物揀選完畢后進行確認，對剩余貨品進行重新入庫。

③托盤管理：作為貨品的裝載工具，托盤管理和貨品出庫入庫管理基本一致，主要是托盤的入庫管理和托盤的出庫管理。

2.3.3 庫存管理模塊

操作人員可以通過控制面板中的裝填管理界面進行貨位狀態(tài)、存儲情況等信息進行查詢，從而實現(xiàn)自動化立體倉庫的可視化顯示。在貨位顯示界面，可以通過單機鼠標右鍵進行貨位的倒庫、盤庫和重置貨位的操作。同樣可以通過庫存維護功能對庫存和實際數(shù)量不相符的情況進行調(diào)整和庫存信息的修改。

2.3.4 查詢模塊

查詢模塊主要是為了方便工作人員對當前貨品出庫入庫情況以及相應(yīng)的貨位等信息進行查詢。在操作界面中顯示查詢結(jié)構(gòu)，形式通常為統(tǒng)計列表，也可導出Excel文件。

①庫存查詢：可以實現(xiàn)對庫存數(shù)據(jù)的條件查詢。

②出入庫記錄查詢：按照貨品編號、出入庫時間等查詢某種貨品的出入庫記錄信息，查詢內(nèi)容包括貨品名稱、類型、出入庫時間、操作員等。

③系統(tǒng)日志查詢：當面對系統(tǒng)的重要操作時，系統(tǒng)日志會進行相應(yīng)的記錄，如系統(tǒng)初始化，數(shù)據(jù)庫還原等操作。

④設(shè)備故障：設(shè)備故障查詢可以對設(shè)備運行故障進行查詢。

⑤庫存貨品統(tǒng)計查詢：庫存貨品統(tǒng)計查詢可以對庫存中的貨品進行統(tǒng)計查詢。

⑥出入庫管理任務(wù)查詢：出入庫管理任務(wù)查詢可以對系統(tǒng)的出入庫任務(wù)進行查詢。

2.3.5 貨品查詢

貨品查詢可以對系統(tǒng)的基礎(chǔ)貨品進行查詢。

2.3.6 統(tǒng)計模塊

在對貨品進行統(tǒng)計的過程中，主要是以貨品的出庫、入庫等方面的時間與數(shù)量作為依據(jù)，并對入庫、出庫、庫存等數(shù)量進行統(tǒng)計。

3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)規(guī)劃

3.1 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

站在本質(zhì)的層面而言，自動化立體倉庫需要的無非是管理其中的數(shù)據(jù)信息，但是卻往往面臨著信息量巨大的問題，想要實現(xiàn)信息的存儲與處理，必須要逐步建立并完善數(shù)據(jù)庫。通過對數(shù)據(jù)庫的設(shè)計進行分析能夠得知，應(yīng)用的方法相對較多，其中尤為突出的便是新奧爾良方法。設(shè)計的流程主要可分為以下四個階段。

3.1.1 需求分析

在設(shè)計數(shù)據(jù)庫的前期，需求分析至關(guān)重要，主要是對數(shù)據(jù)信息進行明確，包括具體的類型，另外還有功能操作的實現(xiàn)等。在處理數(shù)據(jù)信息的過程中，自動化立體倉庫系統(tǒng)涉及的流程包括出庫、入庫、庫存等數(shù)量的記錄，另外還有各項指令等。

3.1.2 概念設(shè)計

通過對概念設(shè)計進行分析能夠得知其主要包含兩個層面，首先是系統(tǒng)實體類型的進一步明確，其次為實體屬性與相互聯(lián)系的進一步明確。本文研究的系統(tǒng)中包含的實體類型有三類，依次為供應(yīng)商、用戶以及設(shè)備。多對多關(guān)系的形成，與上述實體之間的聯(lián)系息息相關(guān)。例如，在“入庫”“出庫”的聯(lián)系方面，前者對應(yīng)的是供應(yīng)商與貨品，后者對應(yīng)的是客戶與貨品，無論是出庫還是入庫，都與一些設(shè)備的運轉(zhuǎn)密切相關(guān)，包括輸送機、堆垛機、AGV等，多對多的聯(lián)系由此形成。

供應(yīng)商的屬性包括相關(guān)的信息，例如電話、地址等；貨品與客戶的屬性方面：前者包括貨品與編號，還有包裝類型等，后者包括單位名稱、聯(lián)系電話以及地址等。在入庫與出庫的過程中，這些實體之間存在著一定的聯(lián)系。

3.1.3 邏輯設(shè)計

在此次管理系統(tǒng)的設(shè)計過程中，主要是轉(zhuǎn)化概念結(jié)構(gòu)圖，關(guān)系模型由此形成。由此可見，需求分析是邏輯設(shè)計之前的必經(jīng)流程，可將表格中的內(nèi)容逐步明確(包括用戶與設(shè)備信息表，以及出入庫單表與供應(yīng)商表等)，擴展表格需要依據(jù)實際情況逐步進行，并將數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計的目標逐步實現(xiàn)。

3.1.4 物理設(shè)計

在數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計過程中，涉及的任務(wù)包括文件名稱與字段類型的進一步明確，另外還有數(shù)據(jù)庫文件索引的確定等。

3.2 數(shù)據(jù)表信息的設(shè)計

對于各表字段和數(shù)據(jù)類型以及數(shù)據(jù)長度等信息的確定均依賴于新奧爾良法。此外，表格的建立主要是借助于SQL Serve。在以下內(nèi)容中可以具體了解到表格的編制類型。

3.2.1 基本編碼信息

①貨位編碼信息：貨位種類(大、中、小)長度為2，數(shù)據(jù)類型為CHAR；貨位編碼(排-層-列)長度為7，數(shù)據(jù)類型為CHAR；貨位寬度為4，數(shù)據(jù)類型為INT；貨位高度為4，數(shù)據(jù)類型為INT；貨位長度為4，數(shù)據(jù)類型為INT；貨位用途(A、B、C、D)長度為1，數(shù)據(jù)類型為CHAR。

②貨品編號信息：貨品型號長度為20，數(shù)據(jù)類型為CHAR；貨品類別(A、B、C、D)長度為1，數(shù)據(jù)類型為CHAR；貨品編碼長度為20，數(shù)據(jù)類型為CHAR；貨品名稱長度為20，數(shù)據(jù)類型為CHAR。

③設(shè)備編碼信息：設(shè)備型號長度為20，數(shù)據(jù)類型為CHAR；設(shè)備描述長度為40，數(shù)據(jù)類型為CHAR；設(shè)備編碼長度為8，數(shù)據(jù)類型為CHAR；設(shè)備名稱長度為20，數(shù)據(jù)類型為CHAR。

3.2.2 統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息

①貨品入出庫情況統(tǒng)計信息：報表日期長度為4，數(shù)據(jù)類型為DATETIME；本期入庫數(shù)量長度為4，數(shù)據(jù)類型為INT；期初結(jié)存數(shù)量長度為4，數(shù)據(jù)類型為INT；期末結(jié)存數(shù)量長度為4，數(shù)據(jù)類型為INT；貨品類別(A、B、C、D)長度為1，數(shù)據(jù)類型為CHAR；本期出庫數(shù)量長度為4，數(shù)據(jù)類型為INT。

②貨位占用率分類統(tǒng)計信息：貨位用途(A、B、C、D)長度為1，數(shù)據(jù)類型為CHAR；占用數(shù)量長度為4，數(shù)據(jù)類型為INT；空閑數(shù)量長度為4，數(shù)據(jù)類型為INT；報表日期長度為4，數(shù)據(jù)類型為DATETIME；貨位種類(大、中、小)長度為2，數(shù)據(jù)類型為CHAR；占用率長度為2，數(shù)據(jù)類型為FLOAT。

3.2.3 明細數(shù)據(jù)表

①貨位狀態(tài)信息：貨位編碼長度為7，數(shù)據(jù)類型為CHAR；運行狀態(tài)(禁用、靜止、進貨、出貨)長度為4，數(shù)據(jù)類型為CHAR；貨位種狀態(tài)(空位、無貨、半滿、滿貨)長度為4，數(shù)據(jù)類型為CHAR；存儲貨品類別(A、B、C、D)長度為1，數(shù)據(jù)類型為CHAR。

②貨品入/出庫記錄信息：貨品編號長度為20，數(shù)據(jù)類型為CHAR；操作員編碼長度為8，數(shù)據(jù)類型為CHAR；入/出庫(入庫、出庫)長度為4，數(shù)據(jù)類型為CHAR；入/出庫貨品編碼長度為7，數(shù)據(jù)類型為CHAR。

③貨品庫存明細信息：貨位編碼長度為7，數(shù)據(jù)類型為CHAR；貨品編碼長度為20，數(shù)據(jù)類型為CHAR。

4 監(jiān)控系統(tǒng)功能規(guī)劃

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)功能分析

操作人員在進行決策的過程中，將在很大程度上需要監(jiān)控系統(tǒng)的幫助，其既能夠行使接受命令并發(fā)送命令的功能，同時對于反饋信息的接收以及上傳也需要借助監(jiān)控系統(tǒng)來完成。監(jiān)控系統(tǒng)主要針對運行位置和作業(yè)狀態(tài)以及故障狀態(tài)等相關(guān)方面進行監(jiān)控，可以在控制面板中了解其監(jiān)控結(jié)果，其表現(xiàn)形式主要為畫面形式。根據(jù)上述內(nèi)容，監(jiān)控層的主要功能可總結(jié)為以下幾個方面：

①對計算機指令進行接受并做出相應(yīng)的分解。

②對指令列隊和設(shè)備作業(yè)組織進行優(yōu)化。

③完成命令的下達以及執(zhí)行過程的監(jiān)控。

④對相關(guān)信息進行反饋并上傳。

⑤對庫存信息做到及時反饋與更新。

⑥對設(shè)備等相關(guān)信息進行展示，主要通過圖形形式實現(xiàn)，為工作人員提供便利。

⑦通過對倉庫的管理和控制來有效應(yīng)對緊急情況。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

4.2.1 系統(tǒng)主界面

本項目監(jiān)控系統(tǒng)的主界面涉及到調(diào)度設(shè)置、顯示任務(wù)、系統(tǒng)管理、幫助等四個部分。

4.2.2 系統(tǒng)初始化

監(jiān)控系統(tǒng)的初始化工作是系統(tǒng)在開始運行前必須要做的一項工作，其目的在于實現(xiàn)系統(tǒng)與上位管理系統(tǒng)和下層控制設(shè)備之間的通訊關(guān)系。此外，執(zhí)行層對于設(shè)備所處位置以及貨物狀態(tài)等相關(guān)信息的掌握也在很大程度上依賴于該工作。運行能否順利進行在一定程度上也取決于上述過程是否完成。經(jīng)過各項準備工作后，監(jiān)控系統(tǒng)對相關(guān)的管理任務(wù)進行接收并執(zhí)行，一旦執(zhí)行結(jié)束，管理系統(tǒng)將得到監(jiān)控系統(tǒng)的反饋。

4.2.3 顯示設(shè)備狀態(tài)

通過顏色的劃分來區(qū)別設(shè)備不同的運行狀態(tài)。要想表示設(shè)備空閑狀態(tài)，可以通過本色實現(xiàn)，而設(shè)備是否處于正常運行裝填狀態(tài)，可以通過綠色來判斷，設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，則出現(xiàn)紅色。

4.2.4 顯示設(shè)備動畫

對堆垛機的運行情況的了解可以通過顯示設(shè)備動畫來實現(xiàn)。對于載物臺的坐標變化可以通過顯示動畫進行了解。

4.2.5 顯示設(shè)備命令

要想對設(shè)備狀態(tài)進行檢查，可以通過設(shè)備命令開關(guān)得以實現(xiàn)，此外，命令的下達也可以通過該方面完成。不僅如此，指令隊列情況的掌握通過該方面也可以實現(xiàn)，主要是借助于任務(wù)指令的逐條顯示進行。

手動控制的方式可以及時應(yīng)對設(shè)備采取聯(lián)機自動模式進行作業(yè)時發(fā)生的問題，通過手動控制，可以實現(xiàn)命令的增加和刪除等操作。

5 管理層與監(jiān)控層通訊技術(shù)

管理系統(tǒng)中，通訊協(xié)議采用較為成熟的TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議)協(xié)議，其在計算機通信協(xié)議中占據(jù)重要的位置。TCP/IP協(xié)議所產(chǎn)生的時間為70年代，該協(xié)議的發(fā)展離不開廣域網(wǎng)開發(fā)協(xié)議標準的支持。此外，Internet在當前世界范圍內(nèi)占據(jù)著重要的地位，而其當前所取得的成就在很大程度上離不開TCP/IP協(xié)議的支持。隨著Internet大范圍的推廣，TCP/IP協(xié)議也成了實際上的標準。作為一種通訊協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備的規(guī)范化主要是依賴于TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)的。對于TCP來講，其發(fā)揮的主要作用是針對小包而言的，包括收集和排放兩個方面。不僅如此，數(shù)據(jù)還原也主要是通過TCP實現(xiàn)的。信息能夠進行有效的傳輸，二者的作用缺一不可，也就是說，做好兩者之間的合作，才能在最大程度上發(fā)揮作用。

監(jiān)控層與管理層之間的信息交換活動主要包括信息的提取和修改以及更新等過程。監(jiān)控系統(tǒng)所提取的信息是在管理系統(tǒng)生成并存儲完成后實現(xiàn)的，而監(jiān)控層需要對反饋信息和監(jiān)控信息進行上傳，確保管理計算機的相關(guān)操作能夠順利完成。在此過程中，管理層和監(jiān)控層共同完成了對信息的操作。出入庫操作將涉及到管理系統(tǒng)、監(jiān)控層以及執(zhí)行層三個方面的共同合作，管理系統(tǒng)的操作主要是對指令的發(fā)送，而執(zhí)行層主要對具體作業(yè)進行操作并反饋相關(guān)信息。