基于信息融合的物流倉儲管控一體化系統(tǒng)

姜天 趙靜

摘 要：CPS具有強大的功能，比如計算功能、自制功能、通信功能、控制功能、遠程協(xié)作功能等，對CPS進行深入研究具有廣闊的前景。就目前發(fā)展來看，即使是成熟的硬件技術(shù)在設(shè)計嵌入式系統(tǒng)的過程中也存在較大的困難;現(xiàn)有的計算機技術(shù)還很難滿足可預(yù)測的計算機系統(tǒng)要求與高可靠的計算機系統(tǒng)要求;在CPS應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展過程中，仍然需要解決很多基礎(chǔ)性問題。該文在分析了CPS技術(shù)特征和技術(shù)潛力的基礎(chǔ)上給出一種CPS基本功能單元的反饋工作機制的描述，并依據(jù)倉儲管理的特點給出一種通用的倉儲管控一體化系統(tǒng)架構(gòu)，詳細(xì)分析了其工作機理，并展望了目前的研究工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：信息物理融合系統(tǒng);倉儲;管控一體化;信息管理;自動控制;安全監(jiān)控

中圖分類號：TP39文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）02-00-03

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）的研究得到了全球各界的廣泛關(guān)注。何謂CPS，從廣義的角度來看，它是一種網(wǎng)絡(luò)化的物理設(shè)備系統(tǒng)，是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，對控制、通信與計算進行了深度融合，從而形成的一種可控、可信、可擴展的系統(tǒng)[1]，它可以通過物理進程與計算進程來實現(xiàn)深度融合，并對新的功能進行增加與拓展[2]，對物理實體進行更加安全高效與實時的

控制。

在現(xiàn)代物流系統(tǒng)中，若想實現(xiàn)物流管理與控制系統(tǒng)的自動化，就需要大力發(fā)展基于信息的控制系統(tǒng)。在物流系統(tǒng)中，倉儲系統(tǒng)占據(jù)了極大的比重，因此更需要管控一體化。CPS具有5大功能，分別是計算功能、遠程協(xié)作功能、自治功能、精確控制功能與通信功能，對應(yīng)用CPS的倉儲管控系統(tǒng)進行一體化研究具有非常廣闊的發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)定義

在物流的所有環(huán)節(jié)中，倉儲這一作業(yè)環(huán)節(jié)至關(guān)重要，很多現(xiàn)代化的倉儲系統(tǒng)都配備了比較先進的物流作業(yè)設(shè)備，比如搬運設(shè)備、傳送設(shè)備、存放設(shè)備等，同時也配置了相應(yīng)的管理信息系統(tǒng)。就當(dāng)前的發(fā)展來看，倉儲作業(yè)務(wù)必滿足協(xié)調(diào)、高效與安全的要求，而這也恰恰是企業(yè)技術(shù)人員與業(yè)內(nèi)專家學(xué)者正在努力的方向[3]。

1.1 倉儲作業(yè)管理信息系統(tǒng)

倉儲作業(yè)管理信息系統(tǒng)能夠?qū)}儲作業(yè)的過程進行詳細(xì)記錄，比如貨物品種、貨物數(shù)量、庫存等，只有充分利用這些信息才能對作業(yè)的各個環(huán)節(jié)進行最佳控制，只有基于信息分析與處理制定的有針對性的操作策略才能確保各個環(huán)節(jié)連接暢通。

1.2 倉儲設(shè)備自動控制系統(tǒng)

本文將物流自動化系統(tǒng)看成是若干個設(shè)備（比如機械設(shè)備、信息采集與執(zhí)行設(shè)備、智能控制設(shè)備等）的有機集成。從設(shè)備控制的角度把倉儲自動化系統(tǒng)按照一定的規(guī)則分類，分為搬運控制系統(tǒng)、輸送控制系統(tǒng)和分揀控制系統(tǒng)等。

1.3 倉儲運行安全監(jiān)控系統(tǒng)

通常情況下，倉儲運行安全監(jiān)控分為兩大部分，即倉儲環(huán)境監(jiān)測部分和倉儲作業(yè)設(shè)備。在倉儲環(huán)境監(jiān)測過程中，需要綜合利用先進的監(jiān)測手段對相關(guān)參數(shù)進行有針對性的監(jiān)測，比如溫度、光照、含氧量等，以有效保障倉儲運行環(huán)境的安全[4]。在倉儲作業(yè)設(shè)備監(jiān)控過程中，需要利用技術(shù)手段與先進的監(jiān)控設(shè)備對關(guān)鍵設(shè)備進行實時監(jiān)控，以確保作業(yè)過程的高效與安全。

1.4 倉儲管控一體化系統(tǒng)

倉儲管控一體化系統(tǒng)是將倉儲控制系統(tǒng)與倉儲管理信息系統(tǒng)合二為一的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的基礎(chǔ)是信息共享，實現(xiàn)所有環(huán)節(jié)的一體化管理。該系統(tǒng)需要多種技術(shù)進行交叉融合，如自動控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，同時還要將最新的技術(shù)引入倉儲管理系統(tǒng)中。通常情況下，倉儲管控一體化系統(tǒng)必須包括至少3種以上的子系統(tǒng)，比如安全監(jiān)控系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)等[5]。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

國際上通常把CPS稱為深度嵌入式系統(tǒng)，或者網(wǎng)絡(luò)化物理系統(tǒng)。其在對物理系統(tǒng)進行監(jiān)測與控制時，可以通過CPS對各項指標(biāo)進行嚴(yán)格的計算，從而形成一定的約束，使系統(tǒng)工作更加可靠[6]。

2.1 CPS的技術(shù)特征

CPS本質(zhì)上就是多種技術(shù)的融合，比如執(zhí)行技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)等，其關(guān)鍵技術(shù)是趨于低成本、小型化、環(huán)保型的技術(shù)。在CPS中需要將計算機技術(shù)與控制技術(shù)按照一定的規(guī)則進行深度融合，所用到的計算技術(shù)通常為嵌入式系統(tǒng)技術(shù)（這是一種開放的系統(tǒng)）。嵌入式系統(tǒng)需具有高效率與高可靠性等特點，也需要具有實時處理的能力[7]。

在CPS的技術(shù)中，最核心的是融合，換言之，它是一種物理計算與控制的多學(xué)科交叉融合系統(tǒng)。CPS不僅強調(diào)物理感知功能，也重視控制功能。因此CPS是一種擁有控制屬性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，開環(huán)與閉環(huán)控制并用[8]。

2.2 CPS的技術(shù)潛力

CPS作為一種實時、深度嵌入式的系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方式將計算、控制與傳感融為一體，使得物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)合二為一，進而有效改變分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)。

對CPS的構(gòu)成進行深入研究后發(fā)現(xiàn)，CPS不僅可以包括全部網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行器、控制器與傳感器，也可以只包含某幾個部分。與一些比較傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，它更強調(diào)高可靠性與協(xié)同工作。在整個系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)連接變得更加復(fù)雜，信息處理的工作量也變得更大，系統(tǒng)的優(yōu)化程度也將更高。設(shè)計一種集多種功能于一體的CPS（硬件），在當(dāng)前發(fā)展階段依然需要克服部分技術(shù)難題。但不論發(fā)展速度如何，構(gòu)建新型管控一體化系統(tǒng)對整個行業(yè)而言具有重要價值。

2.3 CPS的基本功能單元

CPS的基本組件包括傳感器組件、執(zhí)行器組件、決策控制單元組件[9]：

（1）傳感器能夠?qū)ν饨缧盘栠M行監(jiān)測與感知;

（2）執(zhí)行器可以對受控對象進行控制;

（3）決策控制單元可以嚴(yán)格按照用戶的語義規(guī)則做出相應(yīng)的控制邏輯。

CPS的基本功能邏輯單元主要包括基本組件部分與反饋循環(huán)控制機制[10]，如圖1所示，具體流程如下：

（1）物理世界和計算世界的接口通常由傳感器與執(zhí)行器承擔(dān)，用戶所發(fā)出的相關(guān)要求由決策控制單元進行部署與監(jiān)測;

（2）傳感器將自身所采集的信息直接反饋給決策控制單元，通過計算之后得到控制指令;

（3）執(zhí)行器嚴(yán)格按照控制指令對物理對象進行相應(yīng)的指令操作。

2.4 倉儲管控一體化系統(tǒng)架構(gòu)

CPS是一種多機構(gòu)元素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，由于行業(yè)的不同，往往需要特定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如果從技術(shù)實現(xiàn)的角度來看，我們通常把它分為三個層次，第一層為物理層，第二層為網(wǎng)絡(luò)層，第三層為應(yīng)用層[11]。這種結(jié)構(gòu)通常只能將相應(yīng)的層次關(guān)系反映出來，但在真正實踐中，所包含的組成元素通?？赡軙霈F(xiàn)很大差別，不論是信息的傳遞關(guān)系，還是層間的相互聯(lián)系，都有可能出現(xiàn)復(fù)雜的情況[12]。倉儲管控一體化系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。

2.4.1 物理層

在倉儲CPS中，其物理層往往是與物理世界交互的主要部分，地理上分布的各類CPS單元都可以歸為物理層，外部世界通過物理層感知信息，同時也通過物理層改變環(huán)境。

可以將CPS單元看作一個單獨的CPS節(jié)點（比如可將一臺可移動手機，一臺手持終端PDA看作單獨的CPS節(jié)點，也可將智能傳感器集合等看作單獨的CPS節(jié)點）。

2.4.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層可以有效實現(xiàn)異構(gòu)CPS單元的互聯(lián)互通，它能夠有效支持各單元之間的互操作。在CPS中，實現(xiàn)資源共享的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)層。若要實現(xiàn)無縫連接，則通常會屏蔽異構(gòu)性，為資源共享提供基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，之后采用透明方式提供即插即用服務(wù)[13]。網(wǎng)絡(luò)層主要由中間件服務(wù)器組成，中間件是一種介于應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)間的軟件層，其主要作用是建立互操作機制，將底層的復(fù)雜性和異構(gòu)性有效屏蔽，為應(yīng)用軟件提供最佳運行環(huán)境，幫助用戶開發(fā)應(yīng)用軟件[14]。中間件充當(dāng)著轉(zhuǎn)換服務(wù)器的角色，很多不兼容的設(shè)備可通過中間件服務(wù)器將異質(zhì)信息轉(zhuǎn)化為同質(zhì)信息，無障礙地進行數(shù)據(jù)交換。

2.4.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是面向用戶的一體化平臺，它能夠按照一定的方式把網(wǎng)絡(luò)層與物理層封裝成不同的應(yīng)用模塊。用戶在使用過程中無需擔(dān)心底層細(xì)節(jié)方面的問題，可以通過管控一體化平臺來詳細(xì)了解作業(yè)信息、環(huán)境信息與設(shè)備相關(guān)信息，依據(jù)相關(guān)信息便可實現(xiàn)對資源的查詢與配置，從而有效實現(xiàn)設(shè)備的控制與調(diào)度，完成實時監(jiān)測任務(wù)。

用戶僅需進行一些簡單的操作便可以與系統(tǒng)交互，實現(xiàn)相關(guān)管理。系統(tǒng)將相關(guān)信息詳細(xì)呈現(xiàn)在用戶面前，進行簡單操作便可查看相關(guān)信息，如溫度、濕度、光照等。以信息融合為基本核心的物流倉儲管控一體化系統(tǒng)對多學(xué)科技術(shù)進行了深度交叉融合，尤其是計算機技術(shù)、信息采集與傳輸技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。在這些技術(shù)的深度交叉融合之下，使物流倉儲的管控一體化系統(tǒng)功能性更強、兼容性更好、擴展性更佳，并適應(yīng)倉儲管理不斷增長的復(fù)雜性特點。從一個方面來看，它可以有效依據(jù)CPS節(jié)點采集信息，對倉儲作業(yè)進行全面有效的管理，多角度多方位，采用更加科學(xué)的方法，使倉儲系統(tǒng)的管理實現(xiàn)全局最優(yōu);從另一個方面來看，系統(tǒng)通過協(xié)同作用能夠?qū)崿F(xiàn)各倉儲元素的協(xié)同工作，使得系統(tǒng)的服務(wù)水平更上一層樓，從而實現(xiàn)全面、科學(xué)、有效、專業(yè)、規(guī)范的管理。

3 結(jié) 語

CPS的應(yīng)用有超過20世紀(jì)信息技術(shù)革命的潛力[4]，把它應(yīng)用在倉儲管控一體化系統(tǒng)中優(yōu)勢明顯。但就目前比較成熟的計算機技術(shù)而言，對于設(shè)計低成本、實時監(jiān)測，并具有良好安全性和可靠性實用系統(tǒng)的難度較大，因此，實現(xiàn)CPS的廣泛應(yīng)用與長足發(fā)展還需要研究并解決諸多基礎(chǔ)性問題。本文在分析CPS技術(shù)特征和技術(shù)潛力的基礎(chǔ)上給出了CPS的基本功能單元，并依據(jù)倉儲管理的特點給出了一種通用的倉儲管控一體化系統(tǒng)架構(gòu)。

在本文的研究中，已經(jīng)有效完成了系統(tǒng)構(gòu)成框架的設(shè)計與參數(shù)的詳細(xì)分析，特別適用于倉儲監(jiān)控的CPS單元研究與開發(fā)及上位監(jiān)控界面開發(fā)等。本研究還在實驗室狀態(tài)下有效完成了聯(lián)網(wǎng)測試工作。在下一步的工作中將會針對一些具體工程，確定需要監(jiān)測的環(huán)境信息與需要監(jiān)控的設(shè)備，以CPS節(jié)點管理部署為基本切入點，對以CPS節(jié)點信息動態(tài)調(diào)整為核心的倉儲流程技術(shù)方案進行更加深入的研究，嚴(yán)格按照管控一體化思想，真正集成工程應(yīng)用系統(tǒng)，為推動CPS在物流領(lǐng)域的應(yīng)用添磚加瓦。

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