基于無線網(wǎng)絡(luò)的制造業(yè)物料配送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：針對制造業(yè)傳統(tǒng)物料配送系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，基于業(yè)務(wù)流程再造的理念，運(yùn)用無線局域網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了全新的物料配送系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)ε渌土鞒踢M(jìn)行優(yōu)化，提高了配送效率，有效地解決了配送不及時(shí)所造成的生產(chǎn)速度瓶頸問題。

關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng)； 物料配送； 信息系統(tǒng)

中圖分類號：TN99文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)12-0223-03

流水線裝配已經(jīng)成為了現(xiàn)代制造業(yè)的主要生產(chǎn)方式，汽車工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)等均是這種生產(chǎn)方式的典型代表。流水線極大地提高了生產(chǎn)效率，但由于生產(chǎn)線旁的空間非常有限，只能存放少量物料，需要頻繁精確的配送來補(bǔ)償消耗的大量零件，保障生產(chǎn)的順利進(jìn)行。這就對線旁物料的供應(yīng)提出了非常高的要求。傳統(tǒng)的線旁物料配送系統(tǒng)普遍存在成本高、效率低的問題，制約了流水線生產(chǎn)效率的提高。

無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一問題提供了新的思路，運(yùn)用這一技術(shù)對傳統(tǒng)的配送流程進(jìn)行再造可以極大地提高配送效率，并能降低配送成本，進(jìn)而消除流水線物料配送的瓶頸，提升流水線的生產(chǎn)績效。

1設(shè)計(jì)思想

首先分析傳統(tǒng)配送系統(tǒng)存在的問題。現(xiàn)實(shí)中的企業(yè)可能有多個(gè)車間和倉庫。為了使問題簡化，本文假設(shè)工廠只有一個(gè)裝配車間和一個(gè)倉庫，這對問題的本質(zhì)并無影響。比較典型的傳統(tǒng)物料配送流程如圖1所示：①流水線旁的每個(gè)工位均備有不同的零件，當(dāng)線旁某個(gè)工位的庫存少于最低保障量時(shí)，裝配工按下與電線相連的按鈕發(fā)出配送請求，電子板上對應(yīng)的燈就會亮。②運(yùn)輸工駕駛車輛到車間倉庫取零件（空載）。③將零件送到生產(chǎn)線旁。④將空箱送回車間倉庫。⑤從車間倉庫返回電子板等待新的任務(wù)（空載）。

分析上述流程可以發(fā)現(xiàn)目前的配送系統(tǒng)有如下缺點(diǎn)：a）空載時(shí)間長，配送效率低。運(yùn)輸工必須在電子板前接受任務(wù)，因此②、③兩步車輛均處于空載狀態(tài)，浪費(fèi)了大量燃料和時(shí)間。b）物料配送不及時(shí)，抑制生產(chǎn)效率的提高。線旁只能保存極少量的零件，只有經(jīng)常性地及時(shí)補(bǔ)貨才能保證高速生產(chǎn)的順利進(jìn)行，但傳統(tǒng)流程的車輛空載時(shí)間長，任務(wù)的分配也沒有進(jìn)行優(yōu)化，導(dǎo)致系統(tǒng)補(bǔ)貨緩慢，制約了流水線的生產(chǎn)速度。c）物料拉動(dòng)響應(yīng)時(shí)間長，易造成缺貨。物料拉動(dòng)包括連續(xù)拉動(dòng)和遠(yuǎn)程拉動(dòng)兩種。連續(xù)拉動(dòng)是指當(dāng)車間庫存減少到一定程度后需要從工廠的倉庫補(bǔ)充零件到車間而產(chǎn)生的零件拉動(dòng)。由于連續(xù)拉動(dòng)次數(shù)較多，電腦操作工需要頻繁地將拉動(dòng)信息傳送給工廠倉庫，工作量大、處理速度緩慢。遠(yuǎn)程拉動(dòng)是指當(dāng)車間倉庫降低到一定程度后某些零件需要直接從供應(yīng)商配送到車間倉庫而產(chǎn)生的零件拉動(dòng)。車間庫存不能立刻得到，所以不能及時(shí)將需求信息發(fā)給供應(yīng)商。

業(yè)務(wù)流程再造是指為了使衡量績效的關(guān)鍵指標(biāo)取得顯著改善，從根本上重新思考，徹底改造業(yè)務(wù)流程。在引入了無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后，對傳統(tǒng)流程進(jìn)行業(yè)務(wù)流程再造可以解決上述問題。無線局域網(wǎng)的最大優(yōu)點(diǎn)是無須使用有線電纜進(jìn)行布線，并可進(jìn)行移動(dòng)通信，特別適合應(yīng)用在設(shè)備眾多的制造車間。再造后的配送流程如圖2所示：①當(dāng)需要零配件時(shí)，裝配工按下生產(chǎn)線旁的無線按鈕，需求信號就會傳送到無線物料配送系統(tǒng)中。②系統(tǒng)將優(yōu)化過的零件配送任務(wù)分配給車載無線終端。③運(yùn)輸工選擇合適的任務(wù)，并在車間倉庫獲得物料。③將物料送到生產(chǎn)線旁。④將空箱送回車間倉庫，選擇新的任務(wù)。

與舊的流程相比，新的流程解決了上述問題：首先，新流程消除了舊流程中②、③兩步的空載時(shí)間，提高了配送效率；其次，卓越的任務(wù)分配和勞動(dòng)符合平滑功能縮短了配送時(shí)間，消除了制約流水線生產(chǎn)速度提高的瓶頸；最后，無線物料系統(tǒng)可以統(tǒng)一管理車間庫存，當(dāng)連續(xù)拉動(dòng)和遠(yuǎn)程拉動(dòng)發(fā)生時(shí)直接將信息傳送到工廠倉庫和供應(yīng)商，減少了人力成本，提高了物料拉動(dòng)的響應(yīng)能力。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于上述流程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。它由無線局域網(wǎng)、信息處理網(wǎng)和接口服務(wù)器集群組成。無線局域網(wǎng)接收無線按鈕發(fā)送的物料請求，并發(fā)送給信息處理網(wǎng)進(jìn)行任務(wù)分配，并將處理結(jié)果發(fā)送給車載終端以便其執(zhí)行配送任務(wù)。各部分的功能如下所述：

a）無線局域網(wǎng)。該網(wǎng)由無線按鈕、車載式終端、手持終端、無線訪問點(diǎn)以及無線局域網(wǎng)交換機(jī)組成。無線按鈕采用802．11b協(xié)議向無線訪問點(diǎn)發(fā)出物料需求信號，其他無線設(shè)備也均采用此協(xié)議與無線訪問點(diǎn)通信。車載式終端裝有瀏覽器和Windows系統(tǒng)，用來接收任務(wù)指令和反饋任務(wù)執(zhí)行情況。手持終端裝有終端仿真軟件與應(yīng)用服務(wù)器連接，用來盤點(diǎn)庫存。這兩種終端均可通過Telenet的方式登錄并訪問應(yīng)用服務(wù)器。無線訪問點(diǎn)分布在車間各處來搜集各孤立的無線設(shè)備所發(fā)出的信息，并采用TCP/IP協(xié)議將這些信號傳送給無線局域網(wǎng)交換機(jī)。整個(gè)車間的無線訪問點(diǎn)要做到至少雙點(diǎn)覆蓋，以便單點(diǎn)發(fā)生故障的情況下仍能保證生產(chǎn)環(huán)境的信號覆蓋。無線局域網(wǎng)交換機(jī)負(fù)責(zé)將無線設(shè)備的信息傳送給應(yīng)用服務(wù)器集群，采用具有冗余備份功能的交換機(jī)，以保證在單點(diǎn)交換機(jī)發(fā)生故障時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能保證暢通，具體數(shù)量可視網(wǎng)絡(luò)布線情況決定。

b）信息處理網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器集群、應(yīng)用服務(wù)器集群以及千兆局域網(wǎng)交換機(jī)組成。采用服務(wù)器集群是為了保證系統(tǒng)的高可靠性。服務(wù)器集群有統(tǒng)一的“心跳”。當(dāng)一個(gè)服務(wù)器發(fā)生故障因而無法發(fā)送“心跳”，就會開始故障切換過程，保證不發(fā)生單點(diǎn)故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)全面癱瘓。此外，對集群軟件可以對系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)和處理部分進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱備，確保系統(tǒng)容錯(cuò)性能。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器集群主要為其他兩個(gè)集群提供后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)，由于數(shù)據(jù)處理量很大，建議安裝Oracle 9i以上版本數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用服務(wù)器集群安裝無線網(wǎng)絡(luò)的主控程序、后臺數(shù)據(jù)庫設(shè)置系統(tǒng)以及物料配送狀態(tài)查詢系統(tǒng)，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和整個(gè)配送流程進(jìn)行管理。出于對系統(tǒng)穩(wěn)定性和查詢便捷性的考慮，建議應(yīng)用服務(wù)器集群采用UNIX服務(wù)器，安裝IBM Websphere Application Server，采用J2EE架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計(jì)。

c）接口服務(wù)器集群。該集群主要處理本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的通信，包括從其他系統(tǒng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)，向工廠倉庫倉儲系統(tǒng)發(fā)送物料拉動(dòng)信息，并負(fù)責(zé)與供應(yīng)商之間的通信。廠內(nèi)系統(tǒng)的通信可以視具體情況而定，與供應(yīng)商之間的通信則有多種方案，可采用比較先進(jìn)的IBM的MQ（message queue）軟件，也可采用傳統(tǒng)的EDI，甚至可以用傳真來實(shí)現(xiàn)。為了保證與供應(yīng)商的聯(lián)系暢通，最好配備兩種通信方式，以便一種通信方式發(fā)生故障時(shí)有應(yīng)急措施。

2．2系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)由三大模塊組成，如圖4所示。左下虛線框?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)模塊，右下虛線框?yàn)閿?shù)據(jù)管理模塊，上方虛線框?yàn)楹笈_數(shù)據(jù)模塊。

1）無線網(wǎng)絡(luò)模塊消息收發(fā)層負(fù)責(zé)收集無線訪問點(diǎn)從各無線設(shè)備得到的信息，將信息封裝后傳送到消息處理層，并將消息處理后的反饋信息發(fā)送給各無線設(shè)備。消息處理層可調(diào)用配送規(guī)則層的服務(wù)，并根據(jù)所設(shè)定的條件和物料拉動(dòng)請求向車載終端分配任務(wù)，再將處理結(jié)果通過配送規(guī)則層寫入后臺數(shù)據(jù)庫，形成日志。配送規(guī)則層負(fù)責(zé)管理任務(wù)分配模式、路線選擇等配送規(guī)則，對物料拉動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化。為了方便規(guī)則的編輯和增刪，提高配送的靈活性，配送的規(guī)則均存儲在后臺數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)存在多個(gè)車間和多個(gè)倉庫時(shí)，只要對配送模式和配送路徑進(jìn)行修改就可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的配送任務(wù)，這大大增加了程序的靈活性。由于配送的頻率比較頻繁，無線網(wǎng)絡(luò)模塊所要處理的信息量非常巨大，對信息處理的速度要求比較高，可使用C++這種高效的語言進(jìn)行編寫。采用上述分層結(jié)構(gòu)可使每層的任務(wù)相對獨(dú)立和單一，能夠降低開發(fā)的難度，并利于分工。

2）數(shù)據(jù)管理模塊該模塊主要負(fù)責(zé)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理和對物料配送的監(jiān)控。為了提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、重用性以及安全性，該模塊采用J2EE架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于該模塊的用戶由業(yè)務(wù)管理員、數(shù)據(jù)維護(hù)員以及經(jīng)理等不同人員組成，每種用戶的權(quán)限都是不同的。為了對用戶權(quán)限進(jìn)行管理，業(yè)務(wù)規(guī)則層主要用有狀態(tài)會話Bean進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。有狀態(tài)會話Bean可以讓每個(gè)用戶在最初就得到一個(gè)初始的Bean，在用戶的生存期內(nèi)用戶會擁有自己特有的一個(gè)實(shí)例，Bean保持了用戶的信息，即“有狀態(tài)”，一旦用戶退出，Bean的生命期也告結(jié)束。Web表現(xiàn)層采用MVC（model－view－controller）模式，并使用struts架構(gòu)。Struts是J2EE架構(gòu)中一個(gè)免費(fèi)的Web層開源應(yīng)用架構(gòu)，集成了MVC模式的各項(xiàng)特性，比較適合本系統(tǒng)的開發(fā)。其中controller使用actionServlet從客戶端接收請求，并將請求分發(fā)給model。Model利用action類派生出action處理器封裝具體的處理邏輯，調(diào)用業(yè)務(wù)規(guī)則層，并把響應(yīng)提交到合適的view。View則利用了JSP技術(shù)，并且可使用struts的自定義標(biāo)記庫與model形成良好的互動(dòng)來將處理結(jié)果顯示在客戶端。

3）后臺數(shù)據(jù)模塊前兩個(gè)模塊的數(shù)據(jù)庫訪問操作均通過該模塊實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)用到了J2EE技術(shù)，因此數(shù)據(jù)訪問層應(yīng)提供JDBC接口。Java程序部分需要處理大量的對基本表的操作，為了提高開發(fā)效率可采用代碼生成器為每張基本表生成相應(yīng)的類，并將數(shù)據(jù)操作封裝在類中。為了提高程序性能，對于讀操作采用JDBC for reading模式實(shí)現(xiàn)，一次性的只讀訪問沒必要?jiǎng)?chuàng)建Entity Bean的負(fù)載。此外，開發(fā)中還用到了C++技術(shù)，考慮到ODBC的效率比較低，所以采用ADO接口。為了提高處理速度，可將配送規(guī)則的核心部分由數(shù)據(jù)庫讀入內(nèi)存，避免反復(fù)讀取數(shù)據(jù)庫所導(dǎo)致的低效。

3系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)無線配送系統(tǒng)的流程和功能要求，采用圖5的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)各主要模塊的功能如下：

a）物料拉動(dòng)子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)工廠所有的物料拉動(dòng)管理。物料請求管理模塊捕捉無線按鈕的零件請求消息，并將請求轉(zhuǎn)換成運(yùn)輸車輛的任務(wù)。車載終端任務(wù)管理模塊負(fù)責(zé)管理每個(gè)車輛的任務(wù)狀態(tài)，發(fā)布配送任務(wù)并接收車載終端的反饋信息。任務(wù)分配有指派式和搶答式兩種。當(dāng)為指派式時(shí)，運(yùn)輸工無權(quán)選擇任務(wù)，必須執(zhí)行；而當(dāng)為搶答式時(shí)，運(yùn)輸工可以選擇自己認(rèn)為最合適的任務(wù)，當(dāng)多人選擇同一任務(wù)時(shí)，由仲裁規(guī)則決定任務(wù)的歸屬。手持終端消息管理模塊可接收零件的盤點(diǎn)信息，并對庫存進(jìn)行調(diào)整。配送調(diào)度控制模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則對配送任務(wù)進(jìn)行負(fù)荷平滑和路徑優(yōu)化后進(jìn)行分配，可以盡量使搬運(yùn)距離最小化，并能防止運(yùn)輸工工作量不平衡。物料拉動(dòng)管理模塊負(fù)責(zé)在車間倉庫庫存不足時(shí)將連續(xù)拉動(dòng)和遠(yuǎn)程拉動(dòng)的信息傳送給工廠倉庫或供應(yīng)商。

b）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)后臺數(shù)據(jù)的管理。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊可對工廠、車間、工位、零件、運(yùn)輸車輛、無線按鈕、供應(yīng)商和用戶權(quán)限等信息進(jìn)行管理。拉動(dòng)信息模塊負(fù)責(zé)對物料配送路徑、配送模式、任務(wù)分配規(guī)則、仲裁規(guī)則等信息的添加、刪除和修改。庫存數(shù)據(jù)模塊根據(jù)工廠其他系統(tǒng)關(guān)于流水線運(yùn)作的數(shù)據(jù)對車間庫存數(shù)據(jù)和線旁庫存數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，其結(jié)果作為庫存盤點(diǎn)時(shí)的依據(jù)。運(yùn)作績效分析模塊對物料拉動(dòng)的效率和勞動(dòng)負(fù)荷進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對拉動(dòng)路徑、任務(wù)分配規(guī)則、仲裁規(guī)則以及人員和車輛配置的決策提供建議。

c）支持子系統(tǒng)。日志模塊將每次物料請求、任務(wù)執(zhí)行情況、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的變動(dòng)均記錄在案，并定期自動(dòng)備份，方便事后進(jìn)行比對和分析。報(bào)警模塊可根據(jù)設(shè)置的安全參數(shù)發(fā)出相應(yīng)的

警告和提示。例如，當(dāng)配送時(shí)間超出設(shè)定的最大范圍時(shí)，系統(tǒng)將提示配送異常。監(jiān)控模塊對人員、設(shè)備以及調(diào)度作業(yè)的狀態(tài)

進(jìn)行全面監(jiān)控，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)配送系統(tǒng)的異常。接口數(shù)據(jù)模塊負(fù)責(zé)與企業(yè)其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，例如為企業(yè)的財(cái)務(wù)系統(tǒng)提供有關(guān)信息，并且可從外部系統(tǒng)導(dǎo)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的無線物料配送系統(tǒng)將無線局域網(wǎng)技術(shù)與業(yè)務(wù)流程再造的理念相結(jié)合，從根本上解決了傳統(tǒng)配送流程中存在的問題。集群技術(shù)和無線訪問點(diǎn)雙點(diǎn)覆蓋以及冗余備份技術(shù)的使用保障了系統(tǒng)的可靠性；分層式的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低了系統(tǒng)的耦合度，提高了開發(fā)的靈活性；無線網(wǎng)絡(luò)模塊采用C++語言編寫提升了系統(tǒng)的處理速度；數(shù)據(jù)管理模塊采用J2EE架構(gòu)則使開發(fā)更具柔性和可擴(kuò)充性。

本系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于國內(nèi)某大型汽車制造企業(yè)的物料配送中，取得了良好的效果。制造業(yè)信息化已經(jīng)成為了大趨勢，但將無線局域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到制造業(yè)物料配送的實(shí)踐卻是鳳毛麟角。希望本文的介紹能為無線局域網(wǎng)項(xiàng)技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用起到拋磚引玉的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜明，李朝純.Struts+EJB在J2EE平臺上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究， 2005，22(3):223-225.

[2]王孜，沈建華.一種嵌入系統(tǒng)無線局域網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2002，19(9):143－145.

[3]METSKER S J.設(shè)計(jì)模式Java手冊[M].影印版.北京:中國電力出版社，2004:30-60.

[4]BERRY G A， CAMELL J， JURIC M B.實(shí)用J2EE設(shè)計(jì)模式編程指南[M].丘仲潘，等譯.北京:電子工業(yè)出版社， 2003:70-76，138－142.

[5]TANENBAUM A S. Computer networks[M].北京:清華大學(xué)出版社，1996.

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