新型智能化倉儲管控系統

文/武赫 李蕊 程詩堯 李淞

國家電力公司開展建設“三集五大”體系，其核心是建設計量設備的自動化檢定系統及智能化倉儲系統，對電能計量檢定管理模式進行改革,構建國家電網公司電能計量中心智能化倉儲系統、自動化計量裝置檢測系統、標準化計量管理系統、網絡化配送管理系統，打造計量檢定存儲配送一體化管理體系等。目前，全國多個省市的各級計量中心都在建設智能化倉儲系統。此外，工業化發展到第四階段，從工業1.0機械化、工業2.0電氣化、工業3.0自動化，到現在的工業4.0是基于物聯網、大數據等新一代技術的智能化。工業4.0是由德國最先提出，目的是建設智能工廠，使其具有更高生產效率，更好適應性，更節約資源，以提高整體工業的智能化水平。中國以制造智能化為主要發展方向，提出《中國制造2025》計劃，為提高整個國家工業智能化水平。管控系統是智能化倉儲系統的數據處理中心和監控調度核心，通過采用新興技術提升倉儲管理智能化水平，實現計量業務的精益化管理。

一、系統總體設計

計量中心的智能化倉儲管控系統由多個硬件設備及控制系統和多個應用軟件系統組成。管控系統分為三層，最上層是信息管理層 (任務、數據、接口管理)、中間層是監控調度層（集中監控、作業調度、設備通信）、最下層是設備控制層（多種任務執行設備控制）。中央控制室和現場分別布置硬件設備。在中央控制室，部署服務器、計算機、網絡交換機等設備。服務器作為管控系統數據存儲中心與服務中心，軟件系統通過Web Service實現數據的交互，硬件連接通過交換機采用TCP/IP網絡協議實現?，F場部署一體機、條碼掃描設備、RFID設備、視覺識別系統、現場交換機、堆垛機控制系統、輸送線控制系統等。信息管理層與監控調度層通過交換機連接網絡進行信息交互，監控調度層接收任務并反饋任務執行狀態給信息管理層，監控調度層與設備控制層通過PROFINET工業以太網進行數據通訊，監控調度層將任務分解成設備指令下達給設備控制層，倉儲系統中的所有自動化設備組成現場ROFINET總線，控制設備的各個執行機構快速有效的運行。

圖1 系統網絡拓撲結構

圖2 系統架構

系統網絡拓撲結構，如圖1。

軟件系統包括倉儲管理系統(Warehouse Management System,WMS)和監控調度系統(Warehouse Control System,WCS)，WMS實現整個智能化倉儲系統的系統配置、信息管理、任務管理、接口管理功能，從生產調度平臺獲取計量器具信息、新表入庫計劃、自動檢定計劃、配送計劃等信息，為生產調度平臺提供實時庫存、庫位信息、計劃執行狀態等信息，支持多種倉庫業務的倉庫管理，全面支持條形碼技術、視覺識別技術實現計量器具管理，對貨位信息進行全面管理，對任務信息實行動態管理與調度，對任務狀態實時處理，提供各類信息綜合查詢，各類綜合報表統計、打印，提供詳細操作記錄日志。WCS處于信息管理與設備控制中間層，具有集成倉儲系統控制設備接口，執行管理下達任務，并分解下達給各執行設備，管理運輸路徑、路段，平衡路徑任務數量，優化作業，實時檢測、顯示設備運行狀態、物料運輸狀態及位置，實時記錄設備各種故障信息（包括通訊故障、執行設備故障等），實時顯示報警信息，提供詳細的系統操作記錄、設備運行日志。管控系統架構，如圖2。系統實現倉儲信息管理、業務管理及設備控制功能，并實現與上級生產調度平臺接口管理。

二、系統關鍵技術的升級設計

計量中心智能化倉儲管控系統是一個包括硬件系統和軟件系統的復雜統一的系統，將新技術和方法運用到系統的構建中，實現系統高效運行，并具有可擴展性。

1.基于工業大數據技術的數據處理

工業大數據是設備數據、產品數據和需求數據的集合，不僅僅是來源廣、種類多、呈指數增長的海量數據，也包括信息知識，在傳統工業研發、設計、生產過程中產生大量數據,這些數據間關聯性低獨立性強，采集、集成、分析困難在工業制造行業引進物聯網技術，建成制造物聯網(Internet of Manufacturing Things，Io MT)，通過對傳感器實時數據的集成和分析處理，可以實現信息管理層、生產車間層和設備層連接，實現最優控制和決策，對整個生產過程進行全面管控。傳統的數據量小、數據復雜度低，其分析過程適合統計回歸和數學建模，可以進行數據選取、剔除或減弱干擾；而工業大數據的數據量呈指數增長，數據間關系復雜，數據的準備已不能通過簡單的數據選取來實現，ETL(意為抽取、轉換、加載) 就產生了。ETL技術是用工業大數據構建成數據倉庫的核心技術之一，是將大量關聯性低、結構不同的數據經過提取、轉換后再加載到統一標準庫的過程。

智能化倉儲系統運行的基礎就是對各種數據進行采集、分析、處理，系統中的數據既包括上層生產調度平臺下達的新表入庫計劃、檢定出庫計劃、檢定回庫計劃、配送出庫計劃、計量器具信息，還包括各種自動化設備運行狀態、條碼識別、視覺識別信息，因此將數據分為兩類：與上層生產調度平臺交互的數據，與底層設備交互的數據。這些數據類型不同，結構不同、對時間響應度高、數據間關系復雜。這些數據構成工業大數據的一個子集，工業大數據技術貫穿了數據準備、數據存儲、數據分析、數據顯示整個數據處理過程，在智能化倉儲管控系統中基于工業大數據技術進行數據處理。數據準備：采用全量ETL過程，主要分為數據抽取、轉換、清洗、裝載。對與上層營銷系統交互數據采用Web Service，數據庫中間表的方式進行數據抽取，清理冗余數據。對與底層設備交互數據采用OPC UA，Socket 通信方式進行數據抽取。OPC UA(OLE for Process Control Unified Architecture，過程控制統一對象模型)是一個開放的跨平臺架構，由全世界30多家知名制造企業聯合開發，目前已成為工業4.0 中的通信標準，成為工業通信的數據交互規范。其開放性與完整性被廣泛認可。GB/T 33863.1-2017《OPC統一架構》正式發布，并于 2018 年2月1日正式實施。OPC UA協議不受限于操作系統，具有很強的獨立性，并且還擁有很高的安全保護機制，可以確保信息通信安全可靠。OPC UA還能支持各類設備復雜的數據結構通信，通過將設備的各種數據以及結構節點封裝為對象來對設備信息模型進行描述，以此來實現復雜數據結構的通信。同時，底層設備的實時數據可以通過OPC UA服務器傳輸給OPC UA客戶端，設備的遠程監控可以通過OPC UA服務器提供歷史數據查詢來實現。通過底層設備統一建模，在OPC UA服務器中封裝這些數據信息，然后通過OPC UA的訂閱/發布方式傳輸到調度應用服務層中創建的OPC UA客戶端，如圖3。

圖3 基于OPC UA架構的通信流程

圖4 數據處理

OPC 基金會公布了OPC UA Part14-關于OPC UA 的發布/訂閱模式（簡稱為Pub/Sub），這是一個里程碑事件。發布/訂閱模式是指在數據傳輸中，每個消息都有內容，這個內容就是一個主題（Topic），網絡中的客戶可以發布某一消息，一旦發布了某一個主題的消息，所有訂閱者都會及時收到該主題的消息。工業控制網絡中網絡協議、總線和設備數量眾多，網絡結構復雜，并且分級管理，互相通訊非常困難。每個設備之間采用一種協議，點對點結構。這樣組成的系統稱為緊耦合架構，多應用程序不適用緊耦合的架構。智能工業控制系統要實現松耦合的架構?，F場的傳感器數據不再是某個特定應用程序獨占，不再是點對點通信，要在不同應用程序共享現場的數據。使用Pub/Sub 機制網絡，非常適合實現網絡的扁平化，是一種解耦（decouple）系統?？梢詫崿F點對多點的傳輸，發送者不需要知道有多少接收者，他們是否就緒，就可以發布信息。接受者只接受訂閱的消息，進行相應處理，縮短信息交換的時間，提高處理效率。智能化倉儲系統中需要WCS下達指令的設備稱為關鍵設備，如堆垛機，條碼掃描器，視覺識別系統，處于運輸終點位置或起點位置的輸送機，這些都是關鍵設備。而輸送線系統中處于中間運輸過程的輸送機不屬于關鍵設備。假設一個智能化倉儲系統有N臺設備，與每臺設備通信時間為S，其中需要與調度系統交互的關鍵設備為M臺（M＜=N），傳統查詢模式總的通信時間為S＊N，發布/訂閱模式總的通信時間為S＊M，那么發布/訂閱模式總的通信時間比查詢模式總的通信時間縮短(1-M/N)%。清洗后的數據以相應的表結構裝載到Oracle數據庫表中。

數據存儲：這些數據存儲到Oracle數據庫中，操作過程以日志方式記錄到HBase中。

數據處理及顯示：采用關聯分析對數據進行分析處理，對與上層生產調度平臺交互的數據可以查詢、統計，對與底層設備交互的數據可以生成在線二維仿真界面，實時顯示設備狀態，報警信息，物料運輸位置及任務完成情況等。數據處理，如圖4。

2.基于泛在計算設備的智能化組箱

泛在計算又稱環境智能等，是指運用新的交互設備獲取數據和信息，用戶可以不受干擾主動地、動態地接受信息服務?；诜涸谟嬎憬换ピO備，如無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）的設備、視覺識別設備、各種網絡（無線或有線）設備等。無線制造是指對現場的數據采用RFID、視覺識別等技術實現采集，這些數據成為對生產過程分析和決策的依據。泛在計算主要作用：①數據采集的范圍擴大，每一位操作工，每一臺生產設備，每一種生產物料及每一種產品之間因為泛在計算設備，實現了信息交互；②同時泛在計算設備的使用，對生產過程時間響應度更快、對生產管理更具可視性、智能性，因為對研發、生產過程中產生的各種數據能夠進行更加精確采集、從而實現整合、集成、分析和共享；③提高現場物料、機器、設備和產品的相關數據的處理和控制，能夠更好實現生產各環節緊密銜接，更便于控制整個生產過程，減少人工干預。

計量中心智能化倉儲系統與自動化檢定線無縫對接，自動化檢定線與傳統手工檢定線最大區別在于由機器手代替人工掛表到檢定臺，檢定臺對檢定計量器具的放置方向有要求，必須按照統一的順序擺放，在智能化倉儲系統中新表入庫時不僅需要采集新表數據，還需要檢查新表在箱中的擺放方向，確保計量器具在入庫時信息和位置準確，為自動化檢定線提供正確計量器具，減少自動化檢定線異常處理時間，從而提高自動化檢定線的工作效率。設計基于泛在計算設備的智能化組箱系統，由固定條碼掃描器、RFID、視覺識別系統組成，如圖5。

圖5 智能組箱系統

無線通信識別是識別技術的一個里程碑，其特點在于識別的非接觸性、自動性、智能性。RFID技術是發展最快、最完善、應用最廣的一種類型，其信息存儲量大，可同時自動識別多個目標，人工識別的識別效率遠遠低于RFID識別，RFID識別結果客觀、正確率高，且不受環境條件變化的影響，可進行長時間不間斷的識別作業。RFID系統主要包括標簽讀寫器，天線等部分。RFID具有以下特點：①適應性強，能適合各種環境與條件；②組織系統性強，可以識別與管理復雜目標；③技術性強，裝備其標簽的物體能達到一定的智能化程序，還可以與上級信息管理系統實時數據通信。RFID電子標簽與傳統的紙質標簽相比，具有以下優點：①儲存數據量大；②使用時間長；③存儲數據可以修改；④存儲數據可以加密；⑤遠距離可以讀取；⑥不受環境干擾，防潮，防磁，不受非金屬屏蔽。電能表、互感器等電力計量器具在社會生產和國民生活中具有非常重要的作用，因此在每一個電力計量器具上裝載一個RFID電子標簽，記錄該計量器具的相關信息，作為該計量器具的唯一身份標識。現階段計量中心用于裝表的箱分為紙箱和塑料周轉箱兩種，考慮到成本，這兩種方式的箱條碼都采用條形碼方式，用固定條碼掃描器采集箱條碼信息，計量器具使用電子標簽，用RFID系統采集信息。傳統的條碼識別技術和RFID識別技術不能足以辨識計量器具位置狀態信息，在自動組箱系統中集成先進的機器視覺識別技術，通過圖像獲取、圖像識別、圖像處理，完成計量器具位置狀態信息采集、校驗，使組箱系統更具實用性和穩定性，提高了智能化水平。“機器視覺”，就是采用機器對空間影像進行處理和判別，通過攝像頭攝取圖像后將圖像傳送至處理單元，對圖像像素分布和亮度、顏色等信息進行數字化處理，進而判別物體尺寸、形狀、顏色等信息，并將判別的結果上報給上位機處理系統。視覺識別主要由機器視覺及系統軟件組成。首先，視覺系統軟件進行初始化，即存儲由攝像頭攝取的標準計量器具圖像，將需要的標準計量器具圖像都攝取存儲到系統圖像數據庫中。實際工作時，計量器具輸送到位觸發傳感器，傳感器向視覺識別系統軟件發出請求，視覺識別系統軟件控制攝像頭攝取計量器具圖像，圖像上傳給視覺系統軟件，視覺識別系統軟件將其與圖像數據庫的標準計量器具圖像比對，并將結果上傳給上位機系統進行相應處理。如果入庫檢定的計量器具類型增加，只要增加視覺識別系統的圖像數據庫中標準計量器具圖像即可，視覺識別系統具有可擴展性。

三、具體應用

北京電力科學研究院計量中心智能化倉儲系統始建于2015年5月，與智能化倉儲系統配套的自動檢定系統檢定需求為：年檢定單相表150萬只，每個紙制周轉箱可存儲單相表15只，三相表22萬只，每個紙制周轉箱可存儲三相表5只，低壓電流互感器24萬只，每個紙制周轉箱可存儲低壓互感器6只，采集終端5萬只，每個紙制周轉箱可存儲采集終端5只?？紤]節假日、公休假、各種集體活動、設備故障維修等情況，全年工作日按照250天算，工作日按照7小時工作時間算，日檢定箱數為776箱。對應的新表入庫、檢定出庫、檢定入庫、配送出庫流程，則智能化倉儲系統周轉箱立體庫日出入庫流量為776＊4=3104箱。隨著計量中心工作量的增加，到2019年檢定需求為：年檢定單相表280萬只，三相表32萬只，低壓電流互感器34萬只，采集終端10萬只。智能化倉儲系統周轉箱庫日出入庫流量增加為1273＊4=5092箱。因為工作量增加，需要達到更高的運行效率，智能化倉儲系統于2019年3月對周轉箱立體庫進行了一次改造，原有系統一樓庫前輸送線系統為一層，出入庫分時進行，改造后庫前與堆垛機對接位置分上下層輸送線，底層輸送線只執行物料入庫運送，上面一層輸送線只執行物料出庫運送，互不干擾，伸縮皮帶輸送機對應的兩條輸送線，可以分別進行出入庫，互不干擾，也可以同時執行出庫或者同時執行入庫。執行出入庫的兩條輸送線通道上原有2臺RFID設備，改造后又增加2臺RFID設備，提高出入庫效率。管控系統也進行了升級，運用基于工業大數據技術的數據處理，應用OPC UA的訂閱/發布模式實現設備與調度系統交互，基于泛在計算設備的智能化組箱系統，采用固定條碼掃描器、RFID、視覺識別系統實現智能化組箱。改造后的智能化倉儲系統增加了輸送系統，智能化組箱系統，原有529臺設備，106臺關鍵設備，新增77臺設備，新增12臺關鍵設備，每臺設備通信時間為0.1ms，應用OPC UA的發布/訂閱模式實現設備與調度系統交互時間比原來采用查詢方式時間縮短了77.69%，其計算如表1。智能化組箱系統確保入庫檢定計量器具的信息及方向正確，減少了自動檢定線的錯誤處理時間，保證自動檢表線高效穩定運行。運用新技術提高系統運行效率和擴展性，目前整個智能倉儲系統運行穩定，滿足北京計量中心工作需要。

表1 通信時間對比

四、結束語

智能化倉儲管控系統應用基于工業大數據技術的數據處理，采用OPC UA訂閱/發布模式實現設備與調度系統交互，采用固定條碼掃描器、RFID、視覺識別系統實現智能化組箱，提高了管控系統的智能化水平。隨著新技術的不斷發展，應用先進技術和新方法實現管控系統升級，使其更加智能化，如將OPC UA訂閱/發布模式與時間敏感網絡（Time Sensitive Networking，TSN）結合，進一步縮短設備通信時間，提高設備運行效率；將3D建模技術應用到管控系統數據顯示中，用3D界面顯示設備狀態，監控整個智能化倉儲系統運行，使其更加直觀和易操作。