仓储综合监控系统研究

王程安，刘 军，申 悦

（北京物资学院 信息学院，北京 101149）

1 引言

仓储管控一体化系统是以信息充分共享为前提，将仓储管理中的信息系统与控制系统集成为一个整体，最终实现作业设备自动控制和仓储安全监控自动化[1]。而随着物流行业的发展，仓储对自动化水平的要求越来越高，仓储运作中的一些辅助设备与系统，如给排水系统、门禁系统、火灾报警系统等孤立的系统也都需要进行综合的管理。综合监控系统（ISCS）在地铁、电力等行业的应用，为我们提供了实现仓储综合监控系统的思路与方法。在综合研究仓储作业特点与功能的基础上，本文提出并设计了仓储综合监控系统（Warehousing Integrated Supervisory Control System）的结构与功能。

2 综合监控系统研究与应用现状

由于在大型监控系统中，多个自动化系统是相互独立的，为了解决此类问题，综合监控系统（ISCS）在我国慢慢发展起来。ISCS是将彼此孤立的各类监控或特定功能系统通过网络或者软件等方式集成在一起，组成一个具有信息共享功能的平台，实现不同工作情况下各系统间地协同工作，提高整个监控系统的自动化程度与对突发事件的处理效率[2]。

目前，综合监控系统主要应用在城市轨道交通、电力变电站监控、煤矿以及其它行业。其中最为广泛且成熟的应用便是在城市轨道交通中。丰术[3]在其研究中针对综合监控系统（ISCS）设计中存在的很难确定系统集成方案和应用针对性强这两个问题，以环境与设备监控系统（BAS系统）为研究对象，设计出以BAS和PSCADA系统为核心同时互联其它子系统的模式，以及通过总结分析部分基本功能，使系统更加符合地铁系统的特点，用以解决ISCS在设计中存在的问题；董存祥[4]为了实现ISCS系统在分析、设计、仿真和优化等问题，提出了构建ISCS的多Agent模型，并设计了多Agent模型的组成结构、通信机制以及子Agent功能和协作关系；Junwei Du[5]等从分布式组件方面出发，研究了分布式组件的层次结构，节点接入方式；罗斌[6]从应用角度研究ISCS在上海轨道交通10号线中的应用，分别从上海轨道交通10号线综合监控系统架构、硬件与软件构成、网络构成以及各子系统功能方面阐述了其应用方式。

在电力行业中，ISCS的研究主要集中在实时监控变电站、电网、电缆隧道运行情况等方面。Guanghui Hua[7]等研究了ISCS在微电网中的应用，介绍了系统的主要通信架构、硬件架构及层次、软件层次结构和功能，并对微电网ISCS进行建模研究；孟伟军等[8]提出了光伏电站综合监控系统（PV-ISCS）的概念，并详细介绍了PV-ISCS的架构、硬件设计、软件设计，并且已经开始实施；张微[9]在分析阿勒泰电力通信网存在问题的基础上，阐述了通信综合监控系统建设的必要性，并研究了通信综合监控系统的功能与实施前景；徐宏[10]则从风电场出发，分析了研究风电场综合监控系统的必要性并介绍了该系统的构成与功能；杨秀娟[11]则研究了电网综合监控系统在电力系统中的应用，提出系统的架构、组网方式、功能等，并实例证明了该系统的可行性。

由于在成煤的同时在物理化学的作用下会产生瓦斯，因此在煤矿行业中，综合监控系统的应用也是很广泛的。杜晓雷[12]针对目前煤矿监控系统存在的问题，提出了用千兆以太网+CAN总线方式的结构建立煤矿综合监控系统的方法，并设计了其整体结构、软件、硬件结构，提高了矿区作业现代化水平；王建国和冯艳芳[13]在分析了建设地面煤矿综合监控系统必要性后，根据地面煤矿的特点，设计了一套基于PLC的地面煤矿综合监控系统，并实现了多种监测系统的有机融合；梁建辉[14]等以物联网为基础，设计了通信方式为有线与无线兼有的智慧矿山综合监控系统，解决煤矿作业设备故障自我诊断等问题。矿区安全是国家关心的重大问题，综合监控系统应用在煤矿行业可以有效提高矿区作业安全。

综合监控系统有资源共享、可扩展性强、管理直观等优点，可以应用在各行各业中。李洪伟[15]等研究了现役航空发动机综合监控系统，构建了该系统的功能模型和信息模型，并研究了其寿命管理、状态监测和故障诊断实现的技术手段；徐开来[16]根据船舶水上作业的特殊性和动态特性，设计了基于AIS的船舶动态综合监控系统，研究了该系统的功能、整体结构和设计原则；王建兵[17]从提升国土资源运维管理效率和管理水平出发，提出并设计了国土资源综合监控系统的框架、主要功能和系统的特点，并分析了其发展前景。

综上所述，综合监控系统已经因其不可比拟的优势成功应用在多种行业中，根据其在其它行业的应用，可以断定将ISCS应用在仓储中是可行的，随着中国物流业的快速发展，现代化仓储作业也必然会向着现代化仓储综合监控系统方向发展。

3 仓储综合监控系统（W-ISCS）的架构

图1 仓储综合监控系统架构及层次图

仓储综合监控系统（W-ISCS）采用分布式、分层式、开放式的结构，应用分级控制模式，自上而下分为综合监控中心、网络层和设备层，如图1所示。通过不同的接口和通讯协议实现仓储作业各子系统地互联，并将数据经由网络层传送至综合监控中心，实现仓储作业环境与设备的集中管理，为仓储环境及设备监控的自动控制提供了可能性，为多种设备的集中管理搭建了平台，为仓储管理中各类数据的分析奠定基础。

3.1 综合监控中心

综合监控中心是W-ISCS的控制和操作中心，由历史与实时数据服务器、NTP（网络时间协议）服务器、打印机、广播系统工作站、操作员工作站、工程师/维修工作站以及中央大屏幕等构成，实现对全线仓储作业设备、仓储环境状况等的监视与控制。在突发事件下，综合监控中心提供解决方案，并发送控制信息，启动设备进行排险，实现故障快速解除，不影响仓储作业的目的。综合监控中心采用重要设备双重冗余的架构，用以提高系统的可靠性，任何单一设备崩溃都不会影响其他设备的正常运行[1]。

（1）历史数据服务器。综合监控中心配置了具有冗余的两个历史数据服务器，两个服务器可单独工作亦可同时工作，并且共用一个磁盘阵列。历史数据服务器对整个系统的历史数据、报警记录、操作记录、维修记录、报表等历史相关的数据和文件进行操作和存储。

（2）实时数据服务器。综合监控中心配置了冗余的两个实时数据服务器，主要任务是完成实时数据与文件的处理。该实时数据服务器有双机热备的功能，任何一台服务器故障，另一台服务器都可以完成全部的服务，并将服务器故障信息发送给维修工作站。

（3）NTP服务器。NTP（Network Time Protocol）服务器用来为整个W-ISCS提供统一、标准的时间。该服务器用来解决集成或互联的子系统以及各个服务器和工作站的时间同步问题，保证整个系统的实时性。

（4）打印机。综合监控中心的打印机实质上是一个网络打印机组，根据其功能可以分为事件报警打印机、报表打印机、订单打印机以及日常事务打印机等。

（5）中央大屏幕。中央大屏幕可以分区显示多种信息，例如仓储作业视频监控信息、仓储环境及设备实时监控信息、故障报警信息以及火灾报警信息等。中央大屏幕可以实时、直观的显示W-ISCS的运行状态，可以使不同工作站的工作人员共享信息。

3.2 网络层

网络层是连接综合监控中心和系统接入层的桥梁，是整个W-ISCS系统正常通信的前提。网络采用冗余以太网设计，且采用双网平衡、动态寻径的策略，某一个节点上某一个网卡或网线的故障不会影响此节点的正常网络功能，某一台交换机的损坏也不会影响整个系统的功能，这样便保证了网络的可靠性。其中，视频监控系统集成在W-ISCS中，通过专有的信号传输线分别与广播系统工作站、操作员工作站、工程师/维修工作站以及中央大屏幕相连，保证视频信号的清晰与实时。

3.3 设备层

设备层是W-ISCS底层子系统的接入层，多个子系统通过集成或互联的方式接入网络层，实现与上层服务器的通信与管理。其中，集成系统是子系统与W-ISCS共用操作界面，不需要自备操作界面；而互联系统则需要自备全套的操作界面以及设备，可以独立于W-ISCS运行。所有子系统，包括集成子系统和互联子系统，都可以根据仓储环境和各子系统的特点通过有线或无线的方式连入网络中，对于火灾报警子系统这类应急子系统，还须连入手动应急后备控制盘（IBP）中，保证仓储综合监控系统的可靠与安全。

（1）前端处理器（FEP）。又称互联网关、通信控制器。FEP主要任务是与其相连的子系统进行数据巡检和协议转换，定期查询子系统的数据格式，根据需要提交到综合监控中心的实时服务器中，并根据需求向需要数据的客户端如各类工作站等提供实时数据。由于子系统较多，虽然采用分布式结构，但为了保证FEP的低负荷率，一般采用两组冗余FEP共同完成接口通信任务。

（2）手动应急后备控制盘（IBP）。是一种具有人机接口的可编程序控制器，设置在仓库的控制室中。当在W-ISCS发生一级通信故障或一级人机界面故障时，IBP作为后备设备支持仓库综合监控系统的关键监视和控制功能，它是一种在紧急情况下使用的手动按键控制盘。IBP作为W-ISCS的手动应急后备设备具有极其重要的意义。

3.4 W-ISCS的功能与性能

仓储综合监控系统通过上述层次结构实现了整个仓储作业的信息共享后，整体上具备以下基本功能：

联动功能。系统的联动控制功能包括正常模式、火灾模式、故障模式。联动功能又可以分为事件触发、人工触发等方式。

系统的设备具有自诊断功能。

系统具有时钟同步功能。

系统具有事件回放、辅助决策支持等功能。

冗余设备可以实现无干扰自动切换功能。

系统的操作员工作站具有全面监视的功能，通过友好的监视画面，监视所包含监控对象的状态、参数及运行过程。

系统的操作员工作站有报警功能，根据要求可以提供画面和声光报警。

系统具有订单管理、报表管理和打印功能。常用报表有报警报表、出入库统计报表等。

系统具有网络管理功能。可以实现入网管理、网络监控、故障报警等功能。

系统具有备份和恢复的功能。

W-ISCS整体上看具有以上基本功能，而这些功能要依靠设备层各子系统独自或协调工作来实现。子系统是W-ISCS中不可或缺的重要部分，也是W-ISCS开放特性的重要体现。

4 子系统功能

子系统是W-ISCS实现监控功能的基础与根本，在WISCS中，子系统的选取可以根据仓库实际需要自定义，在后期也可以进行扩展。在W-ISCS中，子系统是通过集成或互联的方式实现信息共享的，子系统功能如下：

4.1 集成系统

（1）火灾报警系统（FAS）。FAS具有行业管理严格的特点，须按照当地消防部门要求进行建设，将FAS集成到WISCS中不存在技术难题，但是也必须按照当地要求，因地制宜选择集成或互联的方式设计。

（2）仓储设备监控系统。该系统就是使用具有监测、计算、组网等功能的节点对仓储关键作业设备进行实时监控，当设备出现故障时可以及时报警并通知工作人员，用来保证仓储作业的安全与效率。

（3）仓储环境监控系统。该系统就是运用具有监测环境参数的先进设备对仓储环境中含氧量、温湿度、光照度、气体浓度等进行实时监测并记录，当监测参数超过阈值时，该设备进行报警并发送控制信息至其它子系统，如排水系统、空调系统等，用来保证仓储环境参数在设定的范围内。

（4）仓储作业管理系统。该系统通过对仓储作业中发生的出入库货物的类型与数量以及库存等进行详细记录、分析，制定出合理的操作策略，保证仓库中正常的作业与库存水平。

（5）电力监控系统。该系统主要是对仓库内变压器、进线开关柜等进行监控，预防出现漏电事故。

（6）视频监控系统。该系统是保证仓储货物安全的重要子系统之一。值班员利用它监视仓储设备运行情况、工人补货卸货等工作情况，当仓库失窃时亦可以帮助工作人员找到嫌犯，提高仓储作业透明度。当仓库发生灾情时，视频监控系统可以作为指挥抢险的工具。

（7）广播系统。该系统可向工作人员通告设备运行状况、货物安全和人员调度等信息。当发生火灾等灾难时，可配合视频监控系统疏导仓库工作人员逃生。

4.2 互联系统

（1）门禁系统。系统主要是管理工作人员进出或者货物进出库工作，设立门禁系统可以阻挡闲杂人等进入仓库，提高仓库货物安全系数。

（2）电话系统。仓库中安装电话用于与仓库内部或仓库外部联系，例如与订单管理员直接电话联系解决订单问题，与供应商联系解决补货等问题。

（3）给排水系统。设计给排水系统为了解决仓库中货物以及作业设备对湿度的要求以及污水排放的问题，湿度过低或过高均会对货物存储造成不良影响，湿度过高会使仓储设备生锈。

（4）空调系统。可以保证仓储环境温度适中，保证货物的正常保存。

（5）时钟系统。为控制中心服务器、广播系统工作站、操作员工作站等各部门工作人员提供统一的标准时间信息，为其它系统提供统一的时间信号。

5 子系统接入方式

子系统是整个W-ISCS正常工作的基础，但由于子系统众多，且系统内接口众多，因此子系统与网络层的连接方式是急需解决的问题。一般情况下，子系统使用一种通用的结构连入W-ISCS中，即先连入FEP再连入W-ISCS，如图2所示。

但是此种连接方式具有接口协调工作量大、实施过程中施工周期长、可靠性低、实时性低等缺陷，考虑到网络的高效性与施工的便利性，在仓储综合监控系统中，子系统接入方式设计为一体化的W-ISCS结构，如图3（a）所示。

采用此方式连接子系统优势在于：首先，可降低部分出现故障对整个系统调试工作量的影响。其次，可以提高系统的实时性。主控制器直接与子系统的实施控制器连接，减少了通过FEP连接的环节。再次，可提高系统的鲁棒性。采用分布式结构，当某个主控制器出现故障时，不会影响其它主控制器下的子系统运行。最后，此结构在工程实施过程中结构简明、连接方便，降低了建设与维护成本。

图2 综合监控子系统通用结构模型

由于在仓储综合监控系统中，电力监控系统、仓储环境监控系统和仓储设备监控系统对实时性要求较高，因此上述三个子系统需要采用专业的主控制器直接连入骨干网络，而对系统实时性要求不是很高的子系统则采用通用的连接方式，即各子系统先连入FEP，经FEP协议转换再连入骨干网络的方式，如图3（b）所示。

这里以仓储设备监控系统为例阐述子系统接入方式。在仓库中，多个监控节点分布在多个被监控对象上，监控节点具有独立完成数据的采集、计算、存储并转发的功能，且该节点具有实时、可自定义、多参数监测、多通信方式的特点。当监控节点采集到数据并进行初步处理后，该节点通过有线或无线方式传送到主控制器，主控制器连入骨干网络传送到仓储监控中心实时服务器或任何需要该数据的设备。在此种连接方式中，仓储环境监控系统、仓储设备监控系统与电力监控系统不必与其它子系统争夺FEP的使用权，满足了这三个子系统对实时性的要求。

6 结语

本文首先分别从城市轨道交通、电力、煤矿和其它典型应用的行业介绍了仓储综合监控系统的研究及应用现状，并分析将综合监控系统应用在仓储中的可行性和必然性；接着提出了仓储综合监控系统的概念，并设计了该系统的架构、各层次组成结构和各子系统的功能；最后介绍了子系统接入方式，并以仓储设备监控系统为例解释了该种连接方式的优点。随着物流行业的快速发展以及对技术的要求不断提高，仓储综合监控系统一定会成为研究热点，并得到逐步应用。

[1]刘军.信息物理融合系统在仓储监控管理中的应用研究[J].中国流通经济,2011,(7):104-106.

[2]刘晓娟,林海香,司徒国强.城市轨道交通综合监控系统[M].成都:西南交通大学出版社,2011.

[3]丰术.综合监控系统设计中的关键问题[D].北京:北京交通大学,2013.

[4]董存祥.城轨综合监控系统的多Agent模型[J].铁道工程学报,2013,(12):93-98.

[5]Junwei Du,Yadong Fang.Integrated Supervisory Control System based on Distributed Component Management[J].Applied Mechanics and Materials,2013,340:744-748.

[6]罗斌.综合监控系统在上海轨交10号线上的应用[J].上海建设科技,2014,(3):8-10,14.

[7]Guanghui Hua,Fubao Wu,Decun Li,Qiu Tengfei,Weiguo He.JVC integrated supervisory control system of micro-grid[A].Electricity Distribution(CICED),2012 China International Conference[C].2012.

[8]孟伟君,张文华,朱占利,王君燕.光伏电站综合监控系统的设计[J].太阳能,2013,(17):29-34.

[9]张微.阿勒泰电力通信综合监控系统建设[J].硅谷,2014,(8):130-131.

[10]徐宏.当前我国风电场综合监控系统实施研究[J].电子技术与软件工程,2013,(1):53-55.

[11]杨秀娟.综合监控系统在电力系统中的应用[J].电力系统通信,2013,(2):60-63.

[12]杜晓雷.煤矿综合监控系统分析研究[D].邯郸:河北工程大学,2011.

[13]王建国,冯艳芳.基于PLC地面煤仓综合监控系统研究[J].煤炭科学技术,2014,(S1):156-158,161.

[14]梁建辉,陈彦涛,左旭堃.基于物联网的智慧矿山综合监控系统应用研究[J].能源技术与管理,2013,(1):143-144,165.

[15]李洪伟,谢镇波,叶斌.现役航空发动机综合监控系统的构建及实现[J].新技术新工艺,2014,(7):7-12.

[16]徐开来.基于AIS的船舶动态综合监控系统[J].天津航海,2014,(3):55-56.

[17]王建兵.国土资源综合监控系统建设[J].国土资源信息化,2013,(3):12-16.

[18]Vincenzo Giordano,Jing Bing Zhang,David Naso,Frank Lewis.Integrated Supervisory and Operational Control of a Warehouse with a Matrix-Based Approach[A].IEEE Transactions on Automation Science and Engineering[C].2008.

[19]刘军.基于无线传感器网络的仓储监控管理系统关键技术研究[J].中国流通经济,2010,(7):17-19.

[20]莫志刚.综合监控系统项目实施过程的关键点[J].城市轨道交通研究,2013,(12):9-13.

[21]吴贤国,陈跃庆,张立茂,姚春桥.地铁工程施工安全监控预警管理及评价标准研究[J].铁道工程学报,2013,(5):107-111.

[22]陈宇,张阔,罗廷坤.电力电缆隧道综合监控系统的设计[J].电力与电工,2013,(1):34-37.

[23]龚涛.和利时以SCADA和PLC/RTU深耕煤矿综合监控系统[J].自动化博览,2014,(9):38-40.