基于物联网的仓储管控一体化系统设计策略

仓储是物流的重要作业环节, 现代化的仓储系统通常配备有先进的搬运、传送、存放、标识、计量等物流作业设备, 相应配置有能满足个性化作业流程的管理信息系统、自动控制系统和安全监控系统。为了保障协调、高效、安全的仓储作业, 实现管控一体化管理, 将原本各自独立的管理信息系统与仓储设备自动控制系统整合为一个整体, 进一步提升物流系统的整体运行效率和安全性, 是业内专家学者和企业技术人员共同努力的方向。

射频识别 (Radio Frequency Identification, RFID) 与无线传感器网络 (Wireless Sensor Networks, WSN) 技术在物流领域得到了一定应用。RFID与WSN是物联网的两项核心技术, RFID在物品标识和设备管理等物流领域具有广阔的应用前景, WSN应用于环境监测和设备状态监控, 具有独特的技术优势。将WSN与RFID等技术结合, 集多种技术优势为一体, 设计仓储管控一体化系统具有广阔的应用前景。

仓储管控一体化系统是将仓储管理信息系统与仓储监控系统集成为一个整体, 在信息充分共享的基础上, 实现作业管理、设备自动控制和安全监控的一体化管理。它通常包括三大子系统, 即仓储作业管理信息系统、仓储设备自动控制系统和仓储运行安全监控系统。

仓储作业管理信息系统对仓储作业过程中发生的入出库货物的品种、数量、时间、频率以及库中结存等各种数据进行详细记录, 并能利用这些信息对各作业环节进行有效控制, 通过对这些信息的分析处理, 制定合理的操作策略, 从而确保必要的库存水平及仓库中货物的移动, 保证进货、订单拣选、发货等作业环节衔接通畅。

仓储设备自动控制系统可以看成是仓储机械设备、信息采集与信息识别设备、执行设备以及计算机 (智能) 控制设备等的有机集成。从设备控制的视角看, 仓储设备自动控制系统按大类可以划分为输送设备自动控制系统、搬运设备自动控制系统、分拣设备自动控制系统、堆垛机自动控制系统等。

仓储运行安全监控系统通常包括仓储环境监测和仓储作业设备监控两大部分。仓储环境监测就是要利用各种先进的检测手段对表征仓储环境状况的参数, 诸如温度、湿度、光照度等进行实时测量、记录、计算、报警等, 以达到监控仓储运行环境和为将来改善仓储作业环境提供历史分析数据的目的。仓储作业设备监控就是运用先进的监控设备和技术手段对仓库关键作业设备实施实时监测和安全处理, 其目的是确保仓储作业安全和高效率。

物联网是指通过信息传感设备, 按照约定的协议, 把任何物品与互联网连接起来, 进行信息交换和通讯, 以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络, 是互联网应用的延伸和扩展[1]。全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的核心能力[2]。分析表明, 物联网架构设计、信息感知与识别、结点软硬件设计以及信息处理与传输等都是物联网应用时首先面临的问题[3]。

在公开发表物联网应用系统的同时, 很多研究人员也发表了若干个物联网的体系结构, 针对不同的应用与服务, 物联网体系结构设计是多样化的。就目前的研究和应用水平而言, 设计通用的、适合不同应用领域和服务需求的统一物联网体系结构是不可能的。物联网区别于互联网的特征之一是应用领域的专用性[4]。根据应用行业的特点, 设计具有独特风格和技术特征的物联网体系结构, 在现有的技术环境下是唯一的选择。

感知主要是指通过各种类型的传感器对物质属性、环境状态、行为态势等静态/动态的信息进行大规模、分布式的信息获取与状态辨识[3]。传感器种类繁多, 可以是物理传感器, 也可以是化学传感器, 还可以是生物传感器, 涉及众多高新技术。识别技术涵盖物体识别、位置识别和地理识别。物体识别以RFID为代表, 位置识别以GPS (Global Positioning System, 全球定位系统) 为代表, 地理识别以GIS (Geographic Information System, 地理信息系统) 为代表[2]。在实际应用中, 信息感知与识别技术应该根据应用需求来组合使用。

物联网的结点在不同的应用场合下有着不同的产品形态和差异化的性能指标[2], 对于特定的应用, 硬件的构成包括感知元件、嵌入式系统 (信息处理单元) 、通信组件等都需要做出恰当的选择和组合, 在设计新的结点时, 功能的设置以及性能指标的要求也是与应用场景和工作流程密切相关的[5]。为了满足信息分层处理的需要, 硬件的技术性能也要与物联网系统结构相适应。在软件技术方面, 面向行业应用的操作系统、中间件、应用软件有机集成, 行业应用的专属性更为明显, 针对特定应用设计开发专用软件是必须的。

物联网的智能性体现在对感知信息的识别和利用, 信息处理贯穿系统运行的全过程。物联网通过多个感知结点或其它信息设备协同信息采集和信息处理, 实现对物理世界及其变化的全面、透彻感知, 以及反馈、决策[2]。信息的利用和再利用是为了提升人们对真实世界的认识水平, 进而为科学决策服务。所以, 物联网的信息综合与处理是面向服务的, 不同的应用服务有其相应的信息处理方式和方法。为了适应不同应用的需要, 在信息感知过程、信息传输过程以及信息综合与应用过程中都可能需要进行信息的加工、存储和使用, 物联网信息的处理在不同的功能层里一直进行着。

依据上述物联网应用的原则设计仓储管控一体化系统, 要以系统工程的整体性思维考虑系统的架构、各组成要素的功能设置、各要素之间的联系与协作, 还必须考虑信息处理在不同层次要素间的合理分配。

物联网应用系统是由众多异构元素构成的复杂系统, 对于不同行业的特定应用通常需要构建特定的系统结构。但是从技术实现的角度分析, 一般可以将其分为感知控制层、网络传输层、应用服务层[5]。这样的结构仅反映了实现技术的层次关系, 实践中要包含的组成元素可能千差万别, 层间的联系与信息传递关系也可能相当复杂[6]。图1给出了一种普遍适用的仓储管控一体化系统的构成原理图。

仓储系统运行过程需要完成一系列作业, 包括搬运、传送、堆垛、拣选、包装等, 这些作业过程始终离不开信息的采集、预处理、传输、存储、显示, 甚至信息深加工, 传统的仓储作业管理信息系统能够完成这些基本的信息处理任务。在进行这些作业操作时, 经常会用到条码设备、RFID设备、辅助拣选设备 (如拣选车、数字指示牌) 等。

在仓储管控一体化系统中, 设备自动控制系统、运行安全监控系统要纳入管理信息系统, 所以, 各类信息的采集、融合和处理较传统的管理信息系统复杂, 各种类型的信息设备集成自然就成为了一体化系统实现的技术关键。

为了实现图1所示的系统结构, 应该仔细分析系统要实现的功能。设备自动控制系统与运行安全监控系统的信息处理有严格的时间要求, 大多数情况下是实时的;管理信息系统中的信息处理对时间要求没有那么严格, 可以有一定的时间延迟。所以在仓储管控一体化系统中存在要求实时性高的信息采集与处理设备, 同时为了保证整个系统的实时性能, 对信息传输的效率和整个网络的实时性也提出了更高的要求。

在系统中使用具有自治性能的信息设备是解决减小网络信息传输延迟与数据信息传输量大矛盾的有效方法。所以, 研制开发具有感知和传送多参数能力的多功能结点设备, 并令其承担尽量多的信息处理任务, 可以减少整个网络的信息传输量, 提高信息传输效率。

多功能结点可以是有源的, 也可以是无源的, 但一定是多种技术组合应用。如何组合, 功能如何设计, 性能有何要求, 是由实际需求决定的。不同领域的特定应用有其自身特定的需求, 所以多功能结点的分类设计, 尤其是分大类的设计是必然的。例如, 一种多功能结点是RFID与WSN有机结合形成的信息设备, 它具有感知多参数能力, 并自身具备一定的计算、存储、越限报警等信息处理能力, 具有网络信息传送能力。此类结点可以完成仓储作业中的管理信息采集, 也可以完成环境监测和设备监控的大部分功能, 值得花大力气精心设计并不断改进完善。

信息分层分散处理, 集中管理使用, 可以提高一体化管控系统信息处理的整体效率。由于减少了信息在各层之间的传输量, 使得网络信息传输的延迟大为减小。

在设计应用系统结构和研制开发具有感知和传送多参数能力的多功能结点设备时, 应该综合考虑结点与上层应用软件的信息处理分工、信息使用等问题。多功能结点的计算能力、存储容量是有限的, 可以考虑把物理定位、标识信息、动态信息采集、数据预处理和超限报警判断等初级信息处理交给多功能结点完成, 而将与仓储作业和安全监控相关的信息处理、信息融合以及监控处理等功能安排在上位应用计算机监控和信息处理中心完成。

实现仓储管控一体化管理可以进一步提升物流系统的整体运行效率和安全性。设计基于物联网的仓储管控一体化系统要遵循物联网应用的一般规律, 从系统整体性能最优考虑, 在系统结构设计、多功能结点设计以及信息的分散、分层处理等方面全面考虑。在不同的应用中, 多功能结点的技术组合、功能设置、性能要求是有很大差异的, 因此分析应用需求, 分类设计是一种较好的技术策略。