基于物联网的仓储管控一体化系统实现路径

（北京物资学院信息学院，北京市101149）

一、引言

仓储作为现代物流的重要环节，不仅要实现储存货物的功能，还要承担与企业供应链上下游良好衔接的任务。因此，保障仓储安全，提高仓储作业效率和服务品质，是不断提升仓储管理水平和技术水平的根本动力。我国的仓库总量很大，但是目前管理水平和技术水平参差不齐，绝大部分仓库的资源利用率低，信息化、自动化程度不高，安全性差，先进的仓储管理模式应用很少。

仓储作业管理系统按照功能可以划分为仓储环境监控与管理、设备控制与管理和作业调度与管理三大部分。传统的仓库设计与运作管理普遍将这三个部分看作相对独立的三个子系统，因此实际投入使用的仓储系统的三个子系统之间普遍存在信息共享程度低、系统联动性差、设备调度不合理和设备维护不及时等问题，导致仓库运行效率低下，存在环境、设备和作业人员方面的安全隐患。

经过多年的工程设计与运行管理实践，人们逐渐认识到发展智能仓储是提高仓储作业能力和服务质量、降低仓储风险的有效方法，研究和探索将三个子系统进行整合具有重要的现实意义。特别值得一提的是，在仓储作业调度与仓储设备控制一体化工程应用实践中，已经取得了良好的经济效益。但是，局部的或仅仅实施某项技术的智能仓储系统（如基于无线射频识别技术的智能仓储系统）不能全面解决仓储效率、环境风险、作业风险和设备维护等问题。发展和建设智能仓储系统应该从整体出发，将仓储环境监控与管理、设备控制与管理、作业调度与管理有机地整合在一起，形成以实时信息采集与处理为核心的智能自动执行系统[1]，即基于物联网技术构建仓储管控一体化系统，可以保障仓储系统高效、安全运行。

二、仓储环境监控与管理

仓储环境监控与管理在仓储管理工作甚至在整个物流系统运作过程中都占有极其重要的地位。防潮、防霉、防腐、防爆等工作是仓储环境监控与管理的重要内容，仓储环境变化直接影响着储存货物的品质和使用寿命，影响着仓储作业的安全[2]。因此，保证仓储环境安全是仓储管理的首要工作。

（一）仓储环境监控的特殊性

仓库内温度、湿度、光照度、粉尘和有毒有害气体浓度等都是影响存储货物质量和寿命的重要参数。针对储存货物的不同特性，积极创造适宜的存储环境来保证货物的质量和品质，能够起到减少损耗、节约成本的作用。随着蔬菜、水果、药品、食品等温度敏感型产品以及危险品等特种物流的发展，有效地控制仓储环境参数，不仅可以保证存放货物的质量，延长产品的存储寿命，还可以为高效的仓储作业提供安全保障[3]。由于不同种类货物对各种环境参数的敏感性不同，所以仓库监控的环境参数必须针对储存货物进行个性化选择。对于大多数仓库，一般需要同时监测3～6个环境参数才能满足个性化储存货物的要求，例如水果库需要同时监测温度、湿度、光照度、空气中氧含量和乙烯含量等参数，有些仓库需要同时监测的参数则更多。

（二）人工手动检测方式

仓储环境监控能够及时获取反映仓库环境质量现状及发展趋势准确全面的数据，从而为科学实施仓库环境控制和货物管理等工作提供基础信息。传统仓储环境监控主要依靠人工定时检测，手工记录环境参数，通过分析检测结果，采用人工调节控制方法，对不符合环境要求的库房进行通风、除湿和降温等。人工方法记录方式落后、费时费力、工作效率低，很难保证及时准确。

（三）自动化仪表环境监控方式

采用数字显示仪表、智能仪器仪表等自动化检测设备实现的仓储环境监控，可以实时在线自动采集仓库环境参数，并进行信息的显示、存储、计算与报警控制，是当前仓库环境监控应用的主要方式。这种环境监控方式能够克服人工方法费时费力、工作效率低和时效性差等问题，但存在灵活性差、数据共享不充分、功能单一、不宜扩展和多参数监测复杂等问题。

（四）基于物联网技术的监控方式

随着信息技术的发展，仓储环境监控逐步引入传感器网络，特别是近几年，人们开始大量研究和试点开发应用基于无线传感器网络的仓储环境监控系统[4]。基于传感器网络技术的监控系统，以其高效、快捷、价格低廉的特点在实际仓储环境管理中越来越多地被采用，能够解决仪表化环境监控方式存在的诸多问题，在食品仓库、果蔬仓库、粮食仓库、烟草仓库、纺织品仓库以及危险品等特种物品仓库中有着广阔的应用前景[5]。

三、仓储设备控制与管理

目前，我国仓库中配备的作业设备标准化程度低、互换性差、可靠性不高，不同用途的仓库往往配置不同的作业设备，即使是相同用途的仓库，由于开发商和供应商不同，仓库配置的作业设备差异性也很大。相当多的作业设备是生产厂家根据功能要求开发的，即使是相同功能的设备产品，个性化的设计与制造决定了这些设备的控制手段、方法和技术也会存在很大不同。个性化的控制系统，直接导致了仓储设备信息互通性差、设备之间联动困难、运行调度方式单一等问题的出现。

（一）仓储作业设备的升级改造

传统仓储作业通常是由人工来完成的。在以人工作业为主的仓库中，大量使用叉车、输送带、运送车、手推车、托盘、移动货架等非自动化设备，接受作业指令和执行作业任务都有作业人员参与。由于人工作业效率不高、出错可能性大、经济效益较差等原因，人们在仓储作业中逐步引入信息化、智能化的作业设备，如自动导引运输车（Au-tomated Guided Vehicle，AGV）、自动存储系统（Automated Storage and Retrieval System，AS/RS）、自动化传输设备、自动分拣系统、智能货架、智能托盘、有轨运输系统，甚至包括机器人等自动化或半自动化设备[6]。对于这些自动化的设施/设备，通常需要配备专门的控制系统支持。

（二）仓储控制系统的作用

仓储控制系统（Warehouse Control System，WCS）的作用是管理和控制仓储设施设备，主要包括设备管理系统（Equipment Management System，EMS）和设备控制系统（Equipment Control System，ECS）两大部分。仓储控制系统同时控制一定数量的设备，而设备控制系统只控制单独的设备，从层次上看，设备控制系统是仓储控制系统的子系统。仓储控制系统包含以下功能：提供设备界面，提供设备接口、采集设备数据、对采集的实时数据进行处理，执行作业指令（来自上层或作业人员）以及对设备进行监控[7]，是设备与设备、人与设备交互的接口。仓储控制系统装备中自动化设备的水平体现了仓库的自动化水平，作为自动接收作业指令并自动完成作业任务的控制核心，仓储控制系统通过多个设备控制系统直接连接多个执行器和机械设备，设备控制系统通过驱动执行器或机械设备做功完成货物的移动。所以说，仓储控制系统与执行器和机械设备的作业能力和健康状况表征了仓储作业能力。

（三）仓储控制系统的特殊性

近二十年来，我国仓储建设规模和建设数量快速发展，由于自动化和信息化系统建设一直缺乏统一标准和技术规范，造成目前仓库有大有小，用途各异，仓库中配备的作业设备种类繁多，个性化特征明显。实际作业现场仓储控制系统所使用的控制设备品种繁杂，包括智能控制器、工业控制计算机、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、集散控制系统（Distributed Control System，DCS）、变频器等。在其他行业的工业现场用到的各种控制设备在仓储控制系统中几乎都能见到。目前仓储系统中，代表工业自动化先进水平、价格高的集散控制系统应用极少，在大型复杂的仓储系统中，价格适中同时能够满足一般需求的中小型可编程逻辑控制器使用较多；在大多数中小型仓储系统中，智能仪表、智能控制器、工业控制计算机和小型可编程逻辑控制器使用最多。与电力、石油、化工以及城市有轨交通控制系统相比，在设备水平、设备使用规范性、设备使用规模等方面，仓储系统所使用的控制设备至少落后15～20年。

四、仓储作业调度与管理

仓储作业流程改造与仓储作业调度一直是仓储管理的重要工作，通过不断优化作业流程、提升作业调度的科学性，可以提高仓储作业能力，降低作业成本。传统的以人工经验为基础的流程改造和作业调度已经不适应现代仓储发展的要求，人们逐步研究和发展了基于信息的智能调度系统，开发了具有各种功能和适应不同环境要求的调度算法[8]，今后还将涌现出各种更为科学先进的算法与模型[9]。然而，这些调度算法和模型大多是基于静态信息和开发者主观经验设计开发的，目前实际运行的仓储系统很少有基于作业现场动态信息和作业设备实际作业能力开发的作业调度系统，具有相当的局限性。

（一）仓储作业的特殊性

仓储作业本身具有特殊性，与其他工业生产过程相比，有着自己的一些特征：仓储作业过程是非连续的，货物从入库到出库，仓储作业过程不是连续进行的，而是断续进行的；仓储作业量是不均衡的，由于仓库进货和发货时间上的不均衡和批量大小不同，造成仓储作业每天发生的作业量在不同的时间段是有很大差别的，每天的作业量也可能有很大的不同；仓储作业对象是复杂的，一般生产企业的仓库与电商仓库、与配送中心仓库相比，货物存放的种类、数量、出入库频率有很大不同；仓储作业安全性要求有很大不同，有些货物滞留在仓库中的时间长，对仓库环境的要求较高，有些货物出入库频率较高，对仓库作业设备的可靠性要求较高，而有些货物对仓库环境和仓库作业设备都有较高的要求。

（二）仓储作业的实物流和信息流

仓储作业过程包括实物流和信息流两个方面[10]。实物流是指库存货物实体空间移动过程。主要包括搬运、验收、入库、保管、保养、出库、发运等环节，实物流是仓储作业最基本的运动过程。仓储各部分、各作业阶段与环节的工作，都要保证和促进库存货物的合理流动。在保证库存货物数量准确的前提下，加速运转，尽一切可能消除库存货物无意义的停滞，缩短作业时间，提高作业效率，降低仓库生产成本，是仓储作业管理的目标。信息流是指仓库库存货物信息的流动。这些信息包括与实物有关的单据、凭证、台账、报表、技术资料等，它们在仓库各个作业阶段、环节的填制、核对和保存形成信息流。信息流是实物流的前提，控制着物流的数量、方向、速度和目标。

（三）仓储管理系统的作用

仓储管理系统（Warehouse Management System，WMS）基于信息流管理作业调度，是用于订单管理和一般的企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）系统界面管理，用于管理仓库中的货物、空间资源、人力资源、设备资源等在仓库中的活动，是对货物的入库、检验、上架、出库及转仓、转储、盘点及其他库内作业的管理系统。仓储管理系统在仓库中没有直接连接和控制设备的能力，而是通过给仓储控制系统下发作业指令，间接控制仓储作业设备动作完成作业任务。大多数情况下，仓储管理系统仅仅管理订单级的执行，相当多的设备开发商和用户认为，仓储管理系统仅仅是一个基于数据库的软件系统。而实际上，在一些中小型仓储系统中，仓储管理系统作为仓储管理的核心也在不断进化，增加了许多新的功能，例如，对外连接客户订单，对内连接一些诸如操作显示、操作引导等简单的作业设备，可以自动生成作业指令，其主系统还可以做大量的统计分析工作等。

五、仓储管控一体化系统

基于上面的分析发现，仓储系统是一个复杂的大系统，其中涉及人、物、设备、环境和信息，这些系统要素相互影响，关系错综复杂，仅仅依据其中几个要素和不全面的信息进行仓储系统的运作与管理是不科学的。要想获得仓储系统最大的经济效益，同时避免产生风险，必须从整体上考虑系统的管理和运作。

仓储环境的变化对仓库中存储货物的品质和寿命有很大的影响，同时也影响仓库中作业设备和作业人员的安全；仓库中作业设备的健康状况决定了仓储作业能力，同时也影响仓库中作业设备和作业人员的安全。在不同的仓储环境状况和不同的作业设备健康状况下，采用恰当的作业调度策略，才能在保证安全的前提下，实现最优作业管理。

（一）仓储管控一体化的核心思想

仓储管控一体化就是在充分的信息共享基础上，将仓储环境监控与管理、设备控制与管理、作业调度与管理整合在一起，形成以实时信息采集与处理为核心的智能自动执行系统，保障仓储作业的协调、安全、高效进行，进而提升仓储系统的整体运作效率和安全性[11]。仓储管控一体化要应用仓库实时状态信息，包括人、物、设备和环境的全局信息，是基于现实情境的动态管理。

（二）实现仓储管控一体化的技术要求

仓储管控一体化系统从技术层面看，就是在信息共享的基础上实现多个子系统集成，把仓储系统看作一个完整的系统来进行控制和管理，既要保证各子系统能够正常独立运行、高度自治，又要求各子系统之间相互配合，在资源允许和保证作业人员、货物安全的前提下协同作业，以达到仓储作业负荷最大，整体最为经济的目的。

为了解决动态信息共享、系统联动的问题，仓储管控一体化系统应该设计成一个标准的工业自动化系统。在系统集成时，需要遵循广泛使用的工业标准。也就是说，仓储作业设备是配置有标准通信接口的智能化设备；网络与通信体系结构、设备选型、通信协议等方面都必须采用国际和国内通用的工业标准与规范，如在作业设备设计、制造和升级改造时，配备技术成熟的工业以太网接口、现场控制总线接口和USB接口；在条件允许的情况下，尽量采用有线供电和有线通信方式；在使用无线通信进行联网与数据传送时，优先选择使用广泛、稳定性与可靠性高的Wi-Fi和4G通信技术，慎重使用丢包严重的无线个域网（ZigBee）技术。

（三）仓储管控一体化的应用现状

仓储管理系统是最先应用到仓储作业与管理的信息化系统，与人工纯手工作业管理相比，在作业效率和作业质量方面有了实质性的进步。在近三十多年的发展过程中，仓储管理系统一直在探索与设备控制系统的结合，产生了许多从订单管理到在库拣选直至优化配送的全过程管理的应用工程，例如基于无限射频识别技术的智能仓储管理系统就是这样一种管控一体化的系统。这些运用单项或几项高新技术实现的智能仓储管控系统，取得了良好的经济效益和社会效益，使得仓储管理的技术水平前进了一大步，是目前正在大量使用和推广的技术方案。

然而，局部而不是完整系统化的技术解决方案，使得仓储系统的自动化、信息化和智能化技术水平和安全性与其他行业的工程应用系统（如与城市轨道交通综合监控平台等有相似作业要求的工程应用系统）相比存在巨大差距[12-13]，与快速发展的物流需求相比还有很大的提升空间。

目前的仓储环境监控系统，普遍存在监测的参数种类不够、监测点物理空间布局不合理等问题。仓储环境监控系统一方面不能够反映真实的仓储环境状况，另一方面也很难纳入作业调度管理，仍然只能作为仓储管理的一项独立工作。

仓储控制系统作为仓储设备控制与管理的中心，在应用中行使设备控制与管理的功能。但是，在实际仓储工程系统中很难找到对设备健康状况的在线监控功能，而缺少了此项功能，就等于仓储控制系统默认控制的设备是健康的，是能够全负荷参与作业的。

事实上，当仓储环境发生不良变化或向不满足作业环境要求方面变化时，仓储作业调度必须及时做出调整，或发出调整环境工况指令，或降低作业负荷；当参与仓储作业的设备健康状况发生不良变化或有发生故障的倾向时，仓储作业调度必须及时进行降低作业负荷的调整。

（四）仓储管控一体化系统的体系架构

仓储管控一体化体系架构可以依据系统化思想，按照仓储系统的用途和仓储作业设备配置的个性化特点进行设计。

一种具有普遍适用性的仓储管控一体化系统体系架构可以设计成三层结构：上层是协调与调度层，主要包括作业调度与管理；中层是控制与管理层，主要包括仓储环境监控与管理及设备控制与管理；下层是执行与设备层，主要包括传感器、执行器和作业设备。

协调与调度层接受作业任务或订单，在线计算仓储最大作业负荷，通过在线实时大数据分析引入人工智能和优化算法，自动协调仓储资源并生成作业指令下发给控制与管理层。

控制与管理层接受协调与调度层的作业指令，控制仓储系统执行器或作业设备做功完成货物移动，同时将执行与设备层的作业信息、作业设备健康状况信息、仓储环境信息等上传至协调与调度层。

执行与设备层接受控制与管理层的驱动和控制，通过做功完成作业任务，同时将采集的作业信息、作业设备健康状况信息、仓储环境信息等上传至控制与管理层。

仓储管控一体化系统中的每层可以横向扩展功能和用途，三层之间信息互通互联，整个系统构造成一个闭环的动态自适应系统。

六、实施多条件约束的作业调度策略

通过上面分析可以得出结论：仓储管控一体化系统是信息自动采集、全局资源共享，有效实现仓储环境、设备、作业自动协调控制与管理的一体化系统，其实现的关键是实时动态信息的采集、传输和处理，其核心功能是将仓储系统中的情景信息进行分析推理，自动协调仓储资源并生成作业调度策略。

（一）在线计算仓储最大储存负荷

仓库作为货物储存和周转的重要物流节点，都应该配备仓库环境监控系统。对于大多数仓库来说，从开始使用就应该重视仓库环境的监控。但是，受投资和市场技术产品的限制，目前大部分仓库仅仅对温度和湿度进行定时采集，有些重要和特殊仓库配备实时在线监测系统，可以在线监测除温度、湿度以外的其他少数几个环境参数。

由于不同货物对安全存储需要的环境条件不同，所以仓库仅仅对温度、湿度进行监控显然是不够的，应该按照储存货物的实际条件要求，科学选择实际需要监控的多个环境参数，实施多参数实时监控。大多数情况下，还需要进行仔细研究数据采集点的空间部署，对于立体库等空间大、垂直高度大的仓库，还需要进行立体空间数据采集点的空间部署。而对于存储化学品或有挥发性货物的仓库，有时需要进行多参数信息融合，获得能更明确地反映环境状态的信息，以保证监控的有效性和仓库的安全性[14-16]。基于现有传感器技术和嵌入式系统技术发展水平，应用有线/无线传感器网络技术，研制开发具有感知和传送多参数能力的传感器网络节点设备，构建基于物联网的具有多维空间、多参数监测能力的仓储环境监控系统，可以满足监控不同物理特性和储存各式各样货物的需求。通过多参数监测、信息共享和多传感器信息融合技术，可以提升仓储环境监控的科学性和有效性，同时为实施环境约束的作业调度策略提供实时仓储环境安全参数[5]。

目前，研制与开发具有标准工业接口、模块化、可组态、在线监控多参数、信息联网传输并能够在线进行多传感器信息融合的技术已经成熟。选用集成一体化传感器、电化学传感器以及多传感器阵列，可以做到精确监测，及时管控。针对仓储系统环境慢、缓、变的特点，利用信息融合推算出仓库现实和预期的安全状况，采用情景分析手段，可以计算获得仓库目前和未来的合理储存容量，即仓储最大储存负荷。

（二）在线计算仓储最大作业负荷

仓储作业是一种以离散作业为主、包括连续作业的混杂作业过程，移动货物和暂时存放货物是其双重任务。因此仓库中的作业设备有大量固定设施设备，例如货架、机械臂、传送带等，同时也有大量可以移动的设备，例如搬运车、有轨运输车、自动导引运输车、移动货架、堆垛机等。

在货物入库、在库盘点、拣选和出库等主要作业过程中，搬运和移动货物设备是重要的作业工具，这些设备的健康状态直接影响仓储作业的能力和作业质量，货架等存放货物的设施设备的健康状态直接影响货物的储存能力和储存质量。因此如何实现仓储作业设备健康状态的在线实时监测，在线计算仓储作业的最大负荷，对于科学制定仓储作业调度尤为重要。

在电力、石油、化工和城市轨道交通等工程实践中，设备健康状态监测的手段和方法已经基本成熟，特别是在航空航天和军工领域有许多可以直接借鉴的经验和手段[17-19]。基于物联网技术实施固定或移动设备的健康状态监测和设备故障诊断可以取得令人满意的效果。加装在线监测设备，辅以离线故障诊断技术，可以对仓储作业设备的健康状态进行实时监测和故障预测，同时，通过物联网提供的仓储环境参数和作业设备运行数据，在线计算仓储存储能力和设备作业能力，进而为制定仓储作业调度策略提供仓储作业最大负荷参数。

（三）在线自动生成作业调度策略

仓储作业调度是仓储系统的核心业务，为了提高仓储响应能力、成本效益和灵活性，满足不断增长的客户需求，人们一直十分重视仓储作业调度优化方法的研究和实践。然而，到目前为止，仓储作业调度绝大部分还是传统的基于人工经验或者基于固定的数学模型自动计算生成。这种传统的仓储作业调度方法是从订单或任务需求出发，单向生成作业任务清单，指令下发给作业人员和设备去执行，是开环的作业方式。这种仅仅根据仓储系统设计参数或历史经验生成的作业调度指令，没有考虑动态实时仓储存储能力和设备作业能力，容易造成仓储作业能力与作业调度之间不匹配，也可能引发仓储作业环境恶化的风险。

仓库业务的运作不仅受物流战略规划过程的影响，还受物流运营过程中可能发生的风险的影响[8]。胡祥培等人[9]分析了目前传统基于经验的、数学模型的或者是两者结合的调度优化方法存在的缺陷，并指出基于物联网技术实施情景建模的调度优化决策方法具有潜在的应用前景。情景建模方法基于物联网技术获取人、物料、设备、生产过程、环境等众多调度对象的状态信息，通过基于情景信息的推理对当前的系统进行综合判断，将系统的实际作业能力和规避系统风险的相关因素作为约束条件，进一步计算获得智能的优化调度策略。

仓储管控一体化系统是将仓库中的作业人员、作业设备、货物、环境等作为系统要素进行全面管控，是一个人、机、物、环境联动的整体。因此需要通过信息全面共享综合仓库动态情景，在线自动生成作业调度指令，其实质是实施仓储最大储存负荷、仓储最大作业负荷等多条件约束的作业调度策略。

七、结语

仓储管控一体化系统要应用系统化的思想进行建设，将仓储管理与运作中涉及的任务、人、货物、设备和环境作为构成系统的要素，基于全局动态与静态信息构建智能自动执行系统。一种具有普遍适用性的仓储管控一体化系统体系架构可以设计成包含协调与调度层、控制与管理层和执行与设备层的三层架构，整个系统是一个闭环的动态自适应系统。

要实现这样的系统，需要开展大量的技术研究和工程实践。目前，工业信息化和自动化技术的发展水平已经足以支持全自动化仓储系统的工程应用，应该尽快制定符合仓储自动化与信息化特点和要求的行业标准和技术规范。特别需要研究和开发仓储管控一体化实现的关键技术和设备，包括研究和制造具有有线和无线工业通信标准接口的仓储作业设备；研究仓储作业设备健康状态监测方法与技术，针对移动仓储作业设备研制开发无线监控装置与在线健康分析算法；研究和制造具有有线和无线工业通信标准接口的仓储环境监控设备，使其具备硬件、软件可组态、单机多参数监测功能；研究开发仓储最大储存与最大作业负荷算法和模型；研究和开发基于仓储全局动态信息的作业调度算法等。