基于物聯網技術的智能倉儲管理平臺設計

何 琴，楊 業，鄭天辰，王 毅

（湖北文理學院計算機工程學院，湖北 襄陽 441053）

如今科技發展日新月異，工業信息化、自動化水平在不斷提高。隨著“工業5.0”以及“人工智能”時代的到來，制造業正在面臨向智能制造轉型升級的機遇與挑戰。傳統生產方式已經很難滿足當前社會經濟發展的需要，科技的進步也需要融入到傳統的制造行業中去，促進傳統制造業的發展。

近年來，隨著現代制造業的迅猛發展，倉儲管理已成為整個物流鏈中至關重要的一部分。倉庫的物品空間利用率與企業開銷成本之間是否實現平衡，是企業能否可持續化改進先進技術的重要標準。不僅如此，倉儲管理還是信息流通的重要環節，有利于發貨方、第三方、收貨方之間核對物流信息。通過引導良性競爭，從差異中進行整合，實現精細化作業流程管控、提升效率、降低成本的目標[1]。

隨著RFID 頻射識別、GPS、紅外感應等傳感設備、定位系統等技術不斷地更新升級，大量倉儲設施通過將其接入互聯網，實現信息互聯帶動倉儲互聯，極大程度上促進了智能倉儲的發展。文章基于上述研究背景提出了基于物聯網的智能倉儲管理平臺的設計方案，該系統將大大提高物品入庫、出庫及庫內周轉的效率與準確性。

1 系統設計

1.1 總體設計

本倉儲管理平臺以物聯網技術提供的物品感知和識別技術為基礎，實現即時獲取倉庫中各類物品的數量及空間位置信息。在感知層，利用的典型技術包括傳感器網絡、全球定位系統、RFID 技術等；網絡層為智能倉儲管理提供全天候全覆蓋的網絡通信功能，做到線上與線下的絕對一致；而應用層則實現該系統各個軟硬件子系統功能的互聯匯集，主要基于機器對機器通信（Machine to Machine，M2M）技術及管理策略。基于物聯網的智能倉儲管理系統對系統實現結構化設計，使用分層設計的思路，使得數據信息可以在各層次間實現交換[2]。從感知層、網絡層、應用層作為系統切入點并通過調用接口實現業務邏輯，得到的系統軟件結構圖如圖1 所示。

圖1 系統軟件結構圖

本系統功能框架采用經典的MVC 設計模式，將整個系統劃分為交互層、業務邏輯層及數據訪問層，并同時使用Spring、MyBatis 等框架協助開發，使開發更加簡潔高效，邏輯清晰。

另外，通過電子數據交換（Electronic Data Interchange，EDI），實現企業之間業務系統數據的交換。幫助企業整合供應鏈、降低庫存、實現精益生產。使企業間的業務單據自動安全交換，無需人工參與，降低誤差，實現高速安全的供應鏈數據交換，增加貿易雙方的工作效率，建立貿易信任；倉儲管理方面，通過優化相關算法，提高倉儲的精度和效率。在硬件方面，采用四向穿梭車、交叉帶分揀系統、AGV（機器人引導車）、智能穿梭車控制系統，提高貨物輸送、存儲、分揀的效率。

1.2 系統功能組成

該系統功能主要分為貨物操作、貨物盤點和信息查詢。其中系統功能結構對應的模塊如下。

1）貨物入庫模塊。該模塊主要負責貨物的入庫信息采集及貨物數量的清點。只需通過RFID 讀寫器讀取標簽，來獲得貨物的相應信息，并將其信息通過互聯網上傳至中心服務器，同時更新貨物庫存信息和清點增加的庫存數量。

2）貨物出庫模塊。該模塊主要負責貨物的出庫信息的采集及貨物數量的清點。只需通過RFID 讀寫器讀取標簽，來獲得貨物的相應信息，并將其信息通過互聯網上傳至中心服務器，同時更新貨物庫存信息和清點減少的庫存數量。

3）入庫數量信息查詢模塊。該模塊主要通過中心服務器來進行查詢，中心服務器存儲著貨物信息，如ID、名稱、數量、入庫時間等信息，由于存儲互聯，能實時查詢，實時更新，通過關鍵詞即貨物ID 對入庫貨物數量進行查詢。

4）出庫數量信息查詢模塊。該模塊主要通過中心服務器來進行查詢，中心服務器存儲著貨物信息，如ID、名稱、數量、入庫時間等信息，由于存儲互聯，能實時查詢，實時更新，通過關鍵詞即貨物ID 對出庫貨物數量進行查詢。

5）貨物信息查詢模塊。該模塊主要通過中心服務器來進行查詢，中心服務器存儲著貨物信息，如ID、名稱、數量和入庫時間等信息，由于存儲互聯，能實時查詢，實時更新，通過關鍵詞貨物ID 對貨物信息進行查詢。

6）庫存數量信息查詢模塊。該模塊主要通過中心服務器來進行查詢，中心服務器存儲著貨物信息，如ID、名稱、數量和入庫時間等信息，由于存儲互聯，能實時查詢，實時更新，通過關鍵詞貨物ID 對庫存數量進行查詢。

7）貨物貨位信息查詢模塊。該模塊主要通過中心服務器來查詢貨位信息，動態分配貨位，最大程度地利用存儲空間，避免倉儲分配貨物不均的問題。

8）貨物統計模塊。該模塊主要通過手持個人數字助理（Personal Digital Assistant，PDA）掃碼操作，通過讀取標識牌上的標簽，進行貨物統計，最后將數據返回到中心服務器。

9）統計報表模塊。該模塊主要通過貨物的出庫和入庫信息來進行統計報表，由中心服務器所同步的相關貨物信息，可實現貨物的系統統計，生成相對應的報表。

2 系統實現

2.1 智能識別

智能識別系統采用無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術和無線傳感器網絡來實現貨物的智能識別[3-4]，當閱讀器發送一定頻率的射頻信號，會產生一定范圍的磁場，而當電子標簽進入磁場范圍內時，閉合電路中的部分導體做切割磁感線運動時產生感應電流，從而獲得能量，向閱讀器發出自身編碼等信息，隨后閱讀器讀取信息并編碼，本地業務服務器通過互聯網將信息傳至中心服務器進行處理，從而完成貨物識別及貨物數量的統計。本地業務服務器通過儲存貨物信息，以便倉儲管理人員在業務系統中可以實時查詢。

2.2 AGV 路徑規劃

AGV 小車路徑方案規劃要領：根據物流運輸的空間分布特征和方案實施經驗，AGV 路徑方案規劃方法，首先根據構建的工作站相對位置矩陣、距離矩陣以及阻塞系數來描述車間環境信息，通過系統的自動優化，有效縮短運輸距離，針對物流運輸動態變化，把整個運輸路徑劃分成不同的子路徑，本研究的智能倉儲管理系統進行動態地優化變化附近運輸節點，從而減少外部因素導致的堵塞或過多的等待，通過實施的案例和系統仿真得出我們的規劃方法具有有效性。

在基于本研究的智能倉儲系統中，合理的路徑規劃對于提高機器人引導車的行進效率起到了關鍵作用，也是本倉儲管理系統建設的關鍵性技術。Dijkstra算法是解決相關單源最短路徑中最成熟的算法，其基本思想是從開端結點開始逐步遍歷存在的所有結點，在遍歷每一個結點的過程中記錄距離該節點最近的前驅節點，保存在回溯向量的文件中，通過查詢回溯向量文件，可以得到一條從開端節點到目標結點的最短路徑。在具體設計中，將每一個物品存放的片區編號看作一個個獨立的結點，而AGV 需要通過Dijkstra 算法，從起始片區經過每一步的演繹推算得到到達目標片區的最短路徑[5]。

Dijkstra 算法具體圖解步驟如圖2 所示。

圖2 Dijkstra 算法流程圖

本研究將基于Dijkstra 算法，重點實現兩類路徑規劃問題：一類是全局最優規劃，即對周圍環境、光線亮度、障礙物等的分布，全部已知；一類是局部最優規劃，即對周圍環境、光線亮度、障礙物等的分布未知[6]。

2.2.1 全局最優規劃

在全局最優規劃中，前提條件是AGV 的上位機熟悉所處區域的環境，這就需要人工提前將倉庫細節圖導入至機器人引導車中。和局部最優規劃相比，若周圍環境動態變化，且初始化時倉庫細節圖未及時更新，就有可能造成當一個AGV 出現故障時，引起連串甚至整個片區的癱瘓。所以，進行全局規劃時，上位機對AGV工作場景的了解程度十分重要。

2.2.2 局部最優規劃

局部最優規劃中，AGV 并不需要對自己的工作場景十分了解，所以較全局最優規劃更加合理。但是當AGV 直線行駛在局部的路徑中，需要對轉彎角度、拐角方位等進行自主判斷。局部最優規劃算法可以對局部的路徑選擇進行實時修改、更正，但無法保證現階段得到的路徑是否是全局最優規劃。當特殊情況下2 種最優規劃算法可能出現局部最優或者死鎖現象。

2.3 倉庫管理

倉庫管理系統（Warehouse Management System，WMS）作為整個物流中心的中樞系統，其承擔著舉足輕重的作用，為倉庫和配送中心提供系統支持，使得更加高效、精準地完成作業，WMS 智能倉儲系統與企業的企業資源（Enterprise Resource Planning，ERP）系統充分集成，進行信息交互，及時接收訂單指令并將訂單執行結果反饋到ERP 系統；通過動態調度RF 手持終端、電子標簽協同完成揀貨作業，實現貨物的準確分流。

在出庫時，經常會出現頻繁去同一個位置揀貨，從而會導致庫存分配不均的情況。通過WMS 智能倉儲系統的庫存鎖定策略，每個出庫任務都會自動進行庫存鎖定，當這個庫位庫存鎖定完了，就會自動鎖定下一個庫位，從而解決了庫存分配不均的問題，確保了出庫的工作效率。

2.4 智能控制

倉庫控制系統（Warehouse Control System，WCS）是介于WMS 系統和可編程邏輯控制（Programmable Logic Controller，PLC）系統兩者之間的管理控制系統。主要實現對各種設備系統接口的集成、統一調度和監控。它與WMS 系統進行信息交互，接收WMS 系統發送的指令，并將其發送給PLC 系統，從而實現驅動作業的完成。同時，它將PLC 系統的狀態及數據實時反映給用戶操縱界面，并提供對PLC 系統手動調試接口。

庫位中存放的是物料盒，每個物料盒都有唯一編碼，貨物入庫流程如下。

第1 步：掃描入庫單號（入庫單由MES 系統生成）到倉儲系統中。

第2 步：倉儲系統通過單號在MES 系統中查詢對應需入庫的物料盒號。

第3 步：確認執行入庫。

第4 步：倉儲系統掃碼入庫，入庫完畢后，反饋入庫結果到MES 系統。

貨物出庫流程如下。

第1 步：掃描出庫單號（單號由MES 系統生成）到倉儲系統中。

第2 步：倉儲系統通過單號在MES 系統中查詢對應的需要出庫的料盒號。

第3 步：確認執行出庫。

第4 步：倉儲系統執行出庫操作，反饋操作結果到MES 系統。

2.5 系統業務流程

本系統實現了貨物的入庫、出庫操作，貨物查詢，貨物盤點等業務功能，從而使得基于物聯網的智能倉儲管理平臺能智能化完成貨物的一系列操作。其中，系統業務流程如圖3 所示。

圖3 系統業務流程圖

3 結束語

近年來隨著物聯網技術的迅猛發展，必將為各行各業帶來實質性的重大變革。同時國家和社會的關注度也隨之提高，為企業提供政策、資金、人才培養等支持。傳統倉儲管理技術已經無法滿足現代化企業的需求，安全、便捷、精確、快速已經成為新一代倉儲管理企業的新追求，物聯網技術的快速發展為本研究提供了可靠的技術條件。

本研究的創新性主要體現如下。

1）不同的企業之間通過EDI 將標準的經濟信息通過通信網絡傳輸，在貿易伙伴的電子計算機系統之間進行數據交換和自動處理。保證了信息實時可視化，降低數據誤差，建立貿易信任，同時大大簡化了訂貨或存貨的過程，使雙方能及時地充分利用各自的人力和物力資源。

2）在AVG 路徑選擇方面。AGV 通過Dijkstra 算法，從起始片區經過每一步的演繹推算得到到達目標片區的最短路徑。系統進行動態地優化變化附近運輸節點，從而減少外部因素導致的堵塞或過多的等待。

基于物聯網技術的智能倉儲管理平臺致力于通過智慧軟件+智能硬件，構建完整的倉庫管理體系，實現了倉儲智能化管理，降低倉儲管理的出錯率，減少倉庫工作人員的工作量，提升了倉庫管理效率，實現入庫到出庫整個流程的自動化管理。采取倉儲互聯的方式，實時更新同步相關信息，為企業經營者提供了更加及時和準確的數據，逐步達成企業戰略目標和管理目標。