信息物理融合系統在倉儲監控管理中的應用研究

劉軍

（北京物資學院信息學院，北京市 101149）

信息物理融合系統在倉儲監控管理中的應用研究

劉軍

（北京物資學院信息學院，北京市 101149）

信息物理融合系統具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自治五大功能，研究信息物理融合系統在倉儲管控一體化系統中的應用具有十分廣闊的前景。目前，成熟的硬件技術對于設計低成本、實時聯網、具備可預測和強魯棒性的嵌入式系統具有相當大的難度，現有的計算機軟件技術對于生成可預測和高可靠的計算系統并不支持，信息物理融合系統的應用與發展還有許多基礎性的科學問題需要研究和解決。信息物理融合系統在倉儲監控管理中的應用研究包括：研究規劃符合物流信息化與自動化特點的信息物理融合系統結構；設計符合物流信息化與自動化特點的信息物理融合系統節點統一硬件模型；根據具體應用的需求，設計符合統一硬件模型規范的簡化信息物理融合系統并在應用中不斷改進和完善。

信息物理融合系統；倉儲；監控；嵌入式系統；控制技術

一、引言

隨著計算機、網絡通信與自動控制技術的進步，信息物理融合系統（Cyber-physical System，以下簡稱CPS）的研究與發展受到了世界各國的高度重視。CPS從廣義上理解，就是一個在環境感知的基礎上，深度融合了計算、通信與控制能力的可控、可信、可擴展的網絡化物理設備系統，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環實現深度融合與實時交互，來增加并擴展新的功能，以安全高效和實時的方式監測或控制一個物理實體。[1]

現代物流系統需要大力發展基于信息與自動化設備的物流管理與控制系統，而在其中占相當大比例的倉儲系統更是迫切需要實現高水平的管控一體化，即將原本各自獨立的管理信息系統與倉儲設備自動控制系統整合為一個整體，進一步提升物流系統整體的運行效率與安全性。CPS具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自治五大功能，研究如何將CPS應用于倉儲管控一體化系統具有廣闊的前景。

二、倉儲管控一體化系統

倉儲是物流的重要作業環節，現代化的倉儲系統通常配備有先進的搬運、傳送、存放、標識、計量等物流作業設備，相應配置有能滿足個性化作業流程的管理信息系統、自動控制系統與安全監控系統。為保障協調、高效、安全的倉儲作業，實現管控一體化管理成為業內專家學者和企業技術人員共同努力的方向。[2]

1.倉儲作業管理信息系統。倉儲作業管理信息系統對倉儲作業過程中發生的出入庫貨物的品種、數量、時間、頻率以及庫中結存等各種數據進行詳細記錄，并利用這些信息對各作業環節進行有效控制，通過對這些信息的分析處理，制定合理的操作策略，確保必要的庫存水平及倉庫中貨物的移動，保證進貨、訂單揀選、發貨等作業環節銜接通暢。

2.倉儲設備自動控制系統。物流自動化系統可以看成物流機械設備、信息采集與信息識別設備、執行設備及計算機（智能）控制設備等的有機集成。倉儲自動化系統是物流自動化系統最具代表性、應用最為普遍的形式，具有物流自動化系統的主要特征。從設備控制的視角看，倉儲自動化系統按大類劃分可以包括輸送設備自動控制系統、搬運設備自動控制系統、分揀設備自動控制系統、堆垛機自動控制系統等。

3.倉儲運行安全監控系統。倉儲運行安全監控通常包括倉儲環境監測和倉儲作業設備監控兩大部分，其主要作用是實時監測倉儲環境的狀況參數和倉儲作業設備的運行狀態參數，分散或集中數據處理，并及時對異常情況進行報警。

倉儲環境監測就是要利用各種先進的檢測手段對表征倉儲環境狀況的參數（如溫度、濕度、光照度、空氣含氧量等）進行實時測量、記錄、計算、報警等，以達到監控倉儲運行環境安全性和為將來改善倉儲作業環境提供歷史分析數據的目的。現代倉儲系統配備的作業設備監控系統，就是運用先進的監控設備和技術手段對關鍵作業設備進行實時監測和安全處理，確保倉儲作業的安全與高效率。

4.管控一體化與系統整合。倉儲管控一體化系統是將倉儲管理信息系統與倉儲控制系統集成為一個整體，在信息充分共享的基礎上，實現作業管理、設備自動控制和安全監控一體化管理。管控一體化系統的建設需要信息采集與處理、計算機、網絡、自動控制等多學科技術的交叉融合，需要及時引入新的技術，以適應不斷增長的倉儲管理復雜性的要求。倉儲管控一體化系統至少應包括前面闡述的三大子系統，即倉儲作業管理信息系統、倉儲設備自動控制系統和倉儲運行安全監控系統。

由于研究與應用較早，加之計算機軟硬件和以太網、互聯網技術的廣泛應用，倉儲作業管理信息系統在體系結構、硬件選擇與使用、軟件開發、運行管理等方面已經不存在任何技術障礙，作為倉儲管理的主體系統，其技術相對成熟。但目前我國物流自動化規模和水平與發達國家相比還存在較大差距，設備自動控制和安全監控系統應用技術落后，可供借鑒的應用樣板工程缺乏，裝備自動控制設備以中低檔可編程控制器（PLC）、工業控制計算機和智能儀器儀表為主，采用一體化、高可靠性、高性能控制設備（如集散控制系統）的倉儲系統很少。同時，在設備選型上缺乏行業規范和標準，物流自動化系統中各設備控制子系統相對獨立，使得整個倉儲控制系統設備雜，集成度低，信息共享不充分。因此，無論是改造舊系統，還是設計建設新系統，實現倉儲管控一體化的難度都集中到了不同種類的信息化與自動控制設備之間的通信聯網、信息標準化、時間同步等問題上。

三、CPS在倉儲監控管理中應用的技術分析

國際上稱CPS為網絡化物理系統或深度嵌入式系統，在監測和控制復雜而動作快速的物理系統運行時，CPS在嚴格的計算能力、內存、功耗、速度、重量和成本約束下，必須可靠地工作，在大多數應用場合，CPS都是系統的關鍵。[3]

1.CPS的技術特征。CPS是信息領域中網絡化、信息化技術與物理系統中控制、自動化技術的融合。小型化、低成本、環保節能的新型材料傳感器、顯示器、控制芯片等技術，都是CPS的關鍵技術。CPS要求計算技術與控制技術的融合，要求把處理離散事件、不關心時間和空間參數的計算技術與處理連續過程、注重時間和空間參數的控制技術融合起來。CPS系統中的計算技術主要是嵌入式系統，這種系統不再是傳統的封閉系統，而是要通過網絡與其他信息系統進行互聯和互操作，是一種開放的系統，具有高可靠性、高效率和實時處理能力。

CPS的核心是3C（這里的“3C”是計算（Computation）、通信（Communication）、控制（Control）三個單詞英文首字母的縮寫）融合，是計算、物理、控制等多學科交叉融合的系統，CPS不但強調物理感知功能，還突出強調控制功能。因此，從本質上說，CPS是一個具有控制屬性的網絡系統，它包含傳統控制中很少使用的無線網絡，在使用中信息傳播、共享、融合更為明確，開環與閉環控制并用。[4]

2.CPS的技術潛力。CPS是深度嵌入式實時系統，是一種通過網絡技術將傳感器技術、控制技術與計算技術充分融合，將信息系統與物理系統連接成一體，從而改變人與現實物理世界之間交互方式的分布式網絡系統。

研究CPS的構成發現，CPS可以包括傳感器、執行器、控制器和網絡，或者僅包含其中的幾個部分。與傳統的控制系統相比，CPS更強調完整的系統架構和高可靠的分布式嵌入式節點的互連以及節點之間的協同工作。整個系統在開放的標準化上層管理軟件及中間件的整合下協同工作，信息處理工作量更大，系統運行優化程度更高，網絡連接形式更為復雜。在硬件上設計集感知、計算、控制、聯網等功能于一體的CPS，架構連接這些節點的網絡系統是未來相當長一段時間（10～20年）內需要研究和解決的技術難題。無論發展速度快慢，在一個單獨實時運行的節點上，具備如此多的功能，甚至還可通過標準化的軟硬件接口擴展其應用，對于構建新型管控一體化系統顯然具有相當大的吸引力。

3.CPS研究與應用的技術策略。目前，CPS的研究如火如荼，美國、歐盟、日本、韓國等工業發達國家甚至將CPS的研究與普及應用提升到了國家科學技術發展的戰略高度，有詳細的研究計劃，并投入了大量的人力和物力。然而，目前成熟的硬件技術在設計低成本、實時聯網、具備可預測和強魯棒性的嵌入式系統方面存在相當大的難度，現有的計算機軟件技術對于生成可預測和高可靠的計算系統并不支持，[5]CPS的應用與發展還需要研究和解決許多基礎性科學問題。

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，以下簡稱WSN）與射頻識別技術（Radio Frequency I－dentification，以下簡稱RFID）在智能物流領域得到了一定應用，是CPS的核心技術。從目前的技術及應用來看，WSN在環境監測和設備狀態監控方面具有獨特的技術優勢，RFID在物品標識和設備管理等物流領域具有廣闊的應用前景。[6]將WSN與RFID及通用無線分組業務（GPRS）等技術相結合，集多種技術優勢為一體，產生符合生產需要的新特性、新功能，將成為物流新技術應用的趨勢。[7]

CPS研究中存在的挑戰包括：基礎理論與系統模型、安全性、可靠性、標準化、通信協議、系統調度與協同運行等問題，要完全解決這些問題需要相當長的時間。針對倉儲監控管理的技術需求和特點，目前CPS研究與應用要遵循如下策略：（1）研究規劃符合物流信息化與自動化特點的CPS體系結構；（2）研究設計符合物流信息化與自動化特點的CPS節點統一硬件模型；（3）重點研究解決CPS節點與其他信息和自動化設備的聯網通信問題；（4）根據具體應用的需求，設計符合統一硬件模型規范的簡化CPS，并在應用中不斷改進完善；（5）積累經驗，逐步提高CPS在物流領域的應用水平。

四、總結

CPS的應用潛力巨大，[8]將之應用于倉儲管控一體化系統具有顯著的技術優勢。然而，目前成熟的計算機軟硬件技術在設計低成本、實時聯網、具備可預測性和強魯棒性的實用系統方面存在相當大的難度。因此，現階段應重點研究規劃符合物流信息化與自動化特點的CPS體系結構，設計CPS節點統一硬件模型，研制符合統一硬件模型規范的簡化CPS并在倉儲監控管理試點加以應用，推動CPS在物流領域的應用。

[1]何積豐.Cyber-physical System[J].中國計算機學會通訊，2010，6（1）：25-29.

[2]劉軍．基于無線傳感器網絡的倉儲監控管理系統關鍵技術研究[J]．中國流通經濟，2010（7）：17-19.

[3]沈蘇彬，等.物聯網的體系結構與相關技術研究[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2009，29（6）：1-11.

[4]彭瑜.物聯網技術的發展及其工業應用的方向[J].自動化儀表，2011，32（1）：1-12.

[5]、[8]LEE E.A..Cyber Physical Systems:design Challenges[C].11th IEEE Symposium on Object Oriented Real-Time Distributed Computing（ISORC），2008：363-369.

[6]劉云浩.物聯網導論[M].北京：科學出版社，2010：324-330.

[7]王璐超，劉軍.無線傳感器網絡在物流中應用的關鍵技術與前景分析[J].物流技術，2010（3）：141-143.

Research and Application of Warehouse Monitoring and Management System Based on CPS

LIUJun

(Beijing WuziUniversity，Beijing101149，China)

The author points out that it has broad prospects to do research on applying CPS to the warehouse storage management and control integrated system.Now,it has considerable difficulty to design low-cost,real-time networking, predictable and strong robustness embedded systems for mature hardware technology.The existing computer software technology does not support to generating predictable and high reliability computing system.The application and development of CPS still need to study and solve many foundational scientific problems.The technology strategy of studying the application of CPS in warehousing monitoring management should be:study and design the CPS system structure with the characters of logistics informational and automation;design the CPS node unified hardware model which conforms to the logistics informational and automation features;according to the specific application requirement,design simplified CPS which conforms to the unified hardware model standard,and improve continuously in the application.

cyber-physical system；warehouse storage；monitoring；embedded system；control technology

F252.24

A

1007－8266（2011）07－0104－03

＊本文受北京市屬高等學校人才強教計劃項目“科研創新團隊項目”（項目編號：PHR201007145）和“學術創新人才項目”（項目編號：PHR201006129）資助。

劉軍（1963-），男，山西省大同市人，北京物資學院信息學院教授，主要研究方向為計算機控制理論與應用、信息處理技術等。

陳靜