倉儲綜合監控系統研究

王程安，劉 軍，申 悅

（北京物資學院 信息學院，北京 101149）

1 引言

倉儲管控一體化系統是以信息充分共享為前提，將倉儲管理中的信息系統與控制系統集成為一個整體，最終實現作業設備自動控制和倉儲安全監控自動化[1]。而隨著物流行業的發展，倉儲對自動化水平的要求越來越高，倉儲運作中的一些輔助設備與系統，如給排水系統、門禁系統、火災報警系統等孤立的系統也都需要進行綜合的管理。綜合監控系統（ISCS）在地鐵、電力等行業的應用，為我們提供了實現倉儲綜合監控系統的思路與方法。在綜合研究倉儲作業特點與功能的基礎上，本文提出并設計了倉儲綜合監控系統（Warehousing Integrated Supervisory Control System）的結構與功能。

2 綜合監控系統研究與應用現狀

由于在大型監控系統中，多個自動化系統是相互獨立的，為了解決此類問題，綜合監控系統（ISCS）在我國慢慢發展起來。ISCS是將彼此孤立的各類監控或特定功能系統通過網絡或者軟件等方式集成在一起，組成一個具有信息共享功能的平臺，實現不同工作情況下各系統間地協同工作，提高整個監控系統的自動化程度與對突發事件的處理效率[2]。

目前，綜合監控系統主要應用在城市軌道交通、電力變電站監控、煤礦以及其它行業。其中最為廣泛且成熟的應用便是在城市軌道交通中。豐術[3]在其研究中針對綜合監控系統（ISCS）設計中存在的很難確定系統集成方案和應用針對性強這兩個問題，以環境與設備監控系統（BAS系統）為研究對象，設計出以BAS和PSCADA系統為核心同時互聯其它子系統的模式，以及通過總結分析部分基本功能，使系統更加符合地鐵系統的特點，用以解決ISCS在設計中存在的問題；董存祥[4]為了實現ISCS系統在分析、設計、仿真和優化等問題，提出了構建ISCS的多Agent模型，并設計了多Agent模型的組成結構、通信機制以及子Agent功能和協作關系；Junwei Du[5]等從分布式組件方面出發，研究了分布式組件的層次結構，節點接入方式；羅斌[6]從應用角度研究ISCS在上海軌道交通10號線中的應用，分別從上海軌道交通10號線綜合監控系統架構、硬件與軟件構成、網絡構成以及各子系統功能方面闡述了其應用方式。

在電力行業中，ISCS的研究主要集中在實時監控變電站、電網、電纜隧道運行情況等方面。Guanghui Hua[7]等研究了ISCS在微電網中的應用，介紹了系統的主要通信架構、硬件架構及層次、軟件層次結構和功能，并對微電網ISCS進行建模研究；孟偉軍等[8]提出了光伏電站綜合監控系統（PV-ISCS）的概念，并詳細介紹了PV-ISCS的架構、硬件設計、軟件設計，并且已經開始實施；張微[9]在分析阿勒泰電力通信網存在問題的基礎上，闡述了通信綜合監控系統建設的必要性，并研究了通信綜合監控系統的功能與實施前景；徐宏[10]則從風電場出發，分析了研究風電場綜合監控系統的必要性并介紹了該系統的構成與功能；楊秀娟[11]則研究了電網綜合監控系統在電力系統中的應用，提出系統的架構、組網方式、功能等，并實例證明了該系統的可行性。

由于在成煤的同時在物理化學的作用下會產生瓦斯，因此在煤礦行業中，綜合監控系統的應用也是很廣泛的。杜曉雷[12]針對目前煤礦監控系統存在的問題，提出了用千兆以太網+CAN總線方式的結構建立煤礦綜合監控系統的方法，并設計了其整體結構、軟件、硬件結構，提高了礦區作業現代化水平；王建國和馮艷芳[13]在分析了建設地面煤礦綜合監控系統必要性后，根據地面煤礦的特點，設計了一套基于PLC的地面煤礦綜合監控系統，并實現了多種監測系統的有機融合；梁建輝[14]等以物聯網為基礎，設計了通信方式為有線與無線兼有的智慧礦山綜合監控系統，解決煤礦作業設備故障自我診斷等問題。礦區安全是國家關心的重大問題，綜合監控系統應用在煤礦行業可以有效提高礦區作業安全。

綜合監控系統有資源共享、可擴展性強、管理直觀等優點，可以應用在各行各業中。李洪偉[15]等研究了現役航空發動機綜合監控系統，構建了該系統的功能模型和信息模型，并研究了其壽命管理、狀態監測和故障診斷實現的技術手段；徐開來[16]根據船舶水上作業的特殊性和動態特性，設計了基于AIS的船舶動態綜合監控系統，研究了該系統的功能、整體結構和設計原則；王建兵[17]從提升國土資源運維管理效率和管理水平出發，提出并設計了國土資源綜合監控系統的框架、主要功能和系統的特點，并分析了其發展前景。

綜上所述，綜合監控系統已經因其不可比擬的優勢成功應用在多種行業中，根據其在其它行業的應用，可以斷定將ISCS應用在倉儲中是可行的，隨著中國物流業的快速發展，現代化倉儲作業也必然會向著現代化倉儲綜合監控系統方向發展。

3 倉儲綜合監控系統（W-ISCS）的架構

圖1 倉儲綜合監控系統架構及層次圖

倉儲綜合監控系統（W-ISCS）采用分布式、分層式、開放式的結構，應用分級控制模式，自上而下分為綜合監控中心、網絡層和設備層，如圖1所示。通過不同的接口和通訊協議實現倉儲作業各子系統地互聯，并將數據經由網絡層傳送至綜合監控中心，實現倉儲作業環境與設備的集中管理，為倉儲環境及設備監控的自動控制提供了可能性，為多種設備的集中管理搭建了平臺，為倉儲管理中各類數據的分析奠定基礎。

3.1 綜合監控中心

綜合監控中心是W-ISCS的控制和操作中心，由歷史與實時數據服務器、NTP（網絡時間協議）服務器、打印機、廣播系統工作站、操作員工作站、工程師/維修工作站以及中央大屏幕等構成，實現對全線倉儲作業設備、倉儲環境狀況等的監視與控制。在突發事件下，綜合監控中心提供解決方案，并發送控制信息，啟動設備進行排險，實現故障快速解除，不影響倉儲作業的目的。綜合監控中心采用重要設備雙重冗余的架構，用以提高系統的可靠性，任何單一設備崩潰都不會影響其他設備的正常運行[1]。

（1）歷史數據服務器。綜合監控中心配置了具有冗余的兩個歷史數據服務器，兩個服務器可單獨工作亦可同時工作，并且共用一個磁盤陣列。歷史數據服務器對整個系統的歷史數據、報警記錄、操作記錄、維修記錄、報表等歷史相關的數據和文件進行操作和存儲。

（2）實時數據服務器。綜合監控中心配置了冗余的兩個實時數據服務器，主要任務是完成實時數據與文件的處理。該實時數據服務器有雙機熱備的功能，任何一臺服務器故障，另一臺服務器都可以完成全部的服務，并將服務器故障信息發送給維修工作站。

（3）NTP服務器。NTP（Network Time Protocol）服務器用來為整個W-ISCS提供統一、標準的時間。該服務器用來解決集成或互聯的子系統以及各個服務器和工作站的時間同步問題，保證整個系統的實時性。

（4）打印機。綜合監控中心的打印機實質上是一個網絡打印機組，根據其功能可以分為事件報警打印機、報表打印機、訂單打印機以及日常事務打印機等。

（5）中央大屏幕。中央大屏幕可以分區顯示多種信息，例如倉儲作業視頻監控信息、倉儲環境及設備實時監控信息、故障報警信息以及火災報警信息等。中央大屏幕可以實時、直觀的顯示W-ISCS的運行狀態，可以使不同工作站的工作人員共享信息。

3.2 網絡層

網絡層是連接綜合監控中心和系統接入層的橋梁，是整個W-ISCS系統正常通信的前提。網絡采用冗余以太網設計，且采用雙網平衡、動態尋徑的策略，某一個節點上某一個網卡或網線的故障不會影響此節點的正常網絡功能，某一臺交換機的損壞也不會影響整個系統的功能，這樣便保證了網絡的可靠性。其中，視頻監控系統集成在W-ISCS中，通過專有的信號傳輸線分別與廣播系統工作站、操作員工作站、工程師/維修工作站以及中央大屏幕相連，保證視頻信號的清晰與實時。

3.3 設備層

設備層是W-ISCS底層子系統的接入層，多個子系統通過集成或互聯的方式接入網絡層，實現與上層服務器的通信與管理。其中，集成系統是子系統與W-ISCS共用操作界面，不需要自備操作界面；而互聯系統則需要自備全套的操作界面以及設備，可以獨立于W-ISCS運行。所有子系統，包括集成子系統和互聯子系統，都可以根據倉儲環境和各子系統的特點通過有線或無線的方式連入網絡中，對于火災報警子系統這類應急子系統，還須連入手動應急后備控制盤（IBP）中，保證倉儲綜合監控系統的可靠與安全。

（1）前端處理器（FEP）。又稱互聯網關、通信控制器。FEP主要任務是與其相連的子系統進行數據巡檢和協議轉換，定期查詢子系統的數據格式，根據需要提交到綜合監控中心的實時服務器中，并根據需求向需要數據的客戶端如各類工作站等提供實時數據。由于子系統較多，雖然采用分布式結構，但為了保證FEP的低負荷率，一般采用兩組冗余FEP共同完成接口通信任務。

（2）手動應急后備控制盤（IBP）。是一種具有人機接口的可編程序控制器，設置在倉庫的控制室中。當在W-ISCS發生一級通信故障或一級人機界面故障時，IBP作為后備設備支持倉庫綜合監控系統的關鍵監視和控制功能，它是一種在緊急情況下使用的手動按鍵控制盤。IBP作為W-ISCS的手動應急后備設備具有極其重要的意義。

3.4 W-ISCS的功能與性能

倉儲綜合監控系統通過上述層次結構實現了整個倉儲作業的信息共享后，整體上具備以下基本功能：

聯動功能。系統的聯動控制功能包括正常模式、火災模式、故障模式。聯動功能又可以分為事件觸發、人工觸發等方式。

系統的設備具有自診斷功能。

系統具有時鐘同步功能。

系統具有事件回放、輔助決策支持等功能。

冗余設備可以實現無干擾自動切換功能。

系統的操作員工作站具有全面監視的功能，通過友好的監視畫面，監視所包含監控對象的狀態、參數及運行過程。

系統的操作員工作站有報警功能，根據要求可以提供畫面和聲光報警。

系統具有訂單管理、報表管理和打印功能。常用報表有報警報表、出入庫統計報表等。

系統具有網絡管理功能。可以實現入網管理、網絡監控、故障報警等功能。

系統具有備份和恢復的功能。

W-ISCS整體上看具有以上基本功能，而這些功能要依靠設備層各子系統獨自或協調工作來實現。子系統是W-ISCS中不可或缺的重要部分，也是W-ISCS開放特性的重要體現。

4 子系統功能

子系統是W-ISCS實現監控功能的基礎與根本，在WISCS中，子系統的選取可以根據倉庫實際需要自定義，在后期也可以進行擴展。在W-ISCS中，子系統是通過集成或互聯的方式實現信息共享的，子系統功能如下：

4.1 集成系統

（1）火災報警系統（FAS）。FAS具有行業管理嚴格的特點，須按照當地消防部門要求進行建設，將FAS集成到WISCS中不存在技術難題，但是也必須按照當地要求，因地制宜選擇集成或互聯的方式設計。

（2）倉儲設備監控系統。該系統就是使用具有監測、計算、組網等功能的節點對倉儲關鍵作業設備進行實時監控，當設備出現故障時可以及時報警并通知工作人員，用來保證倉儲作業的安全與效率。

（3）倉儲環境監控系統。該系統就是運用具有監測環境參數的先進設備對倉儲環境中含氧量、溫濕度、光照度、氣體濃度等進行實時監測并記錄，當監測參數超過閾值時，該設備進行報警并發送控制信息至其它子系統，如排水系統、空調系統等，用來保證倉儲環境參數在設定的范圍內。

（4）倉儲作業管理系統。該系統通過對倉儲作業中發生的出入庫貨物的類型與數量以及庫存等進行詳細記錄、分析，制定出合理的操作策略，保證倉庫中正常的作業與庫存水平。

（5）電力監控系統。該系統主要是對倉庫內變壓器、進線開關柜等進行監控，預防出現漏電事故。

（6）視頻監控系統。該系統是保證倉儲貨物安全的重要子系統之一。值班員利用它監視倉儲設備運行情況、工人補貨卸貨等工作情況，當倉庫失竊時亦可以幫助工作人員找到嫌犯，提高倉儲作業透明度。當倉庫發生災情時，視頻監控系統可以作為指揮搶險的工具。

（7）廣播系統。該系統可向工作人員通告設備運行狀況、貨物安全和人員調度等信息。當發生火災等災難時，可配合視頻監控系統疏導倉庫工作人員逃生。

4.2 互聯系統

（1）門禁系統。系統主要是管理工作人員進出或者貨物進出庫工作，設立門禁系統可以阻擋閑雜人等進入倉庫，提高倉庫貨物安全系數。

（2）電話系統。倉庫中安裝電話用于與倉庫內部或倉庫外部聯系，例如與訂單管理員直接電話聯系解決訂單問題，與供應商聯系解決補貨等問題。

（3）給排水系統。設計給排水系統為了解決倉庫中貨物以及作業設備對濕度的要求以及污水排放的問題，濕度過低或過高均會對貨物存儲造成不良影響，濕度過高會使倉儲設備生銹。

（4）空調系統。可以保證倉儲環境溫度適中，保證貨物的正常保存。

（5）時鐘系統。為控制中心服務器、廣播系統工作站、操作員工作站等各部門工作人員提供統一的標準時間信息，為其它系統提供統一的時間信號。

5 子系統接入方式

子系統是整個W-ISCS正常工作的基礎，但由于子系統眾多，且系統內接口眾多，因此子系統與網絡層的連接方式是急需解決的問題。一般情況下，子系統使用一種通用的結構連入W-ISCS中，即先連入FEP再連入W-ISCS，如圖2所示。

但是此種連接方式具有接口協調工作量大、實施過程中施工周期長、可靠性低、實時性低等缺陷，考慮到網絡的高效性與施工的便利性，在倉儲綜合監控系統中，子系統接入方式設計為一體化的W-ISCS結構，如圖3（a）所示。

采用此方式連接子系統優勢在于：首先，可降低部分出現故障對整個系統調試工作量的影響。其次，可以提高系統的實時性。主控制器直接與子系統的實施控制器連接，減少了通過FEP連接的環節。再次，可提高系統的魯棒性。采用分布式結構，當某個主控制器出現故障時，不會影響其它主控制器下的子系統運行。最后，此結構在工程實施過程中結構簡明、連接方便，降低了建設與維護成本。

圖2 綜合監控子系統通用結構模型

由于在倉儲綜合監控系統中，電力監控系統、倉儲環境監控系統和倉儲設備監控系統對實時性要求較高，因此上述三個子系統需要采用專業的主控制器直接連入骨干網絡，而對系統實時性要求不是很高的子系統則采用通用的連接方式，即各子系統先連入FEP，經FEP協議轉換再連入骨干網絡的方式，如圖3（b）所示。

這里以倉儲設備監控系統為例闡述子系統接入方式。在倉庫中，多個監控節點分布在多個被監控對象上，監控節點具有獨立完成數據的采集、計算、存儲并轉發的功能，且該節點具有實時、可自定義、多參數監測、多通信方式的特點。當監控節點采集到數據并進行初步處理后，該節點通過有線或無線方式傳送到主控制器，主控制器連入骨干網絡傳送到倉儲監控中心實時服務器或任何需要該數據的設備。在此種連接方式中，倉儲環境監控系統、倉儲設備監控系統與電力監控系統不必與其它子系統爭奪FEP的使用權，滿足了這三個子系統對實時性的要求。

6 結語

本文首先分別從城市軌道交通、電力、煤礦和其它典型應用的行業介紹了倉儲綜合監控系統的研究及應用現狀，并分析將綜合監控系統應用在倉儲中的可行性和必然性；接著提出了倉儲綜合監控系統的概念，并設計了該系統的架構、各層次組成結構和各子系統的功能；最后介紹了子系統接入方式，并以倉儲設備監控系統為例解釋了該種連接方式的優點。隨著物流行業的快速發展以及對技術的要求不斷提高，倉儲綜合監控系統一定會成為研究熱點，并得到逐步應用。

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