基于微服务的电子标签拣选系统设计与实现

程茂上 ，项 前，余玉风，黄 曦，吕志军

（1.东华大学 机械工程学院，上海 201620；2.上海精星物流设备工程有限公司，上海 201611）

0 引言

作为一种物流仓储系统，电子标签拣选系统是一组安装在货架上的电子显示装置取代拣货单，指示应拣取的物品及数量，引导拣货人员准确、高效地完成拣货工作[1]。根据拣货方式不同，主要分为摘取式（DPS）与播种式（DAS）。摘取式拣选法是针对每一份订单拣选，系统依据订单号点亮所需物料的货位电子标签，引导拣货员拣选物料；播种式拣选法是针对批量订单拣选，每个货位代表一份订单，先汇总多份订单需要各种物料的数量，系统再根据物料号将需要该物料的货位电子标签点亮，引导拣货员分发物料[2]。

目前，电子标签拣选系统多采用单体架构。文献[3,4]中采用单体架构与C/S模式构建单体式仓储拣选系统，验证了电子标签拣选系统对传统拣选效率、准确率的极大提升；文献[5,6]中采用MVC三层架构与B/S模式，融入SignalR实时Web通信服务，实现了拣选作业远程实时监控功能。实际应用中，单体架构下的仓储拣选系统，作业效率受限于服务器的性能，无法更好地满足高并发处理的要求。此外，当服务器宕机时，整个系统将面临瘫痪的风险。微服务架构作为一种架构模式，以业务为导向构建不同的服务，且每个服务运行于独立进程中，通过轻量级的访问机制实现互联互通，具有并发处理能力强、容错性强等特点[7,8]。上述研究表明，蓬勃发展的互联网技术促进了传统仓储系统的升级，本文基于微服务架构，以ASP.NET Core MVC、实体框架[9]数据库访问技术等搭建电子标签拣选系统，采用SignalR[10]服务实现Web实时监控功能，结合消息中间件[11]技术实现分布式架构下业务一致性。

1 基于微服务架构的电子标签拣选系统设计

1.1 系统架构设计

电子标签拣选系统架构如图1所示。该系统主要由三类服务构成：应用微服务、作业微服务与标签操作微服务。

应用微服务是拣选系统的入口，通过人机交互，实现权限管理、订单管理、作业管理以及监控管理等。通过订单拆分功能，将订单拆分成多项作业，当需要下发作业来点亮电子标签时，仅需向作业服务发出请求，作业服务会自动调用标签操作服务完成标签的点亮工作；当需要人工干预标签的状态时，仅需要在APP的监控界面，模拟现场操作，即可远程控制标签状态。

作业微服务，用于接收APP的作业请求，将获取到的符合规范的作业信息转化为电子标签控制信息，并下发到标签操作服务。每当作业进度有更新时，作业服务通过SignalR向APP推送作业状态改变信息。

标签操作微服务，用于接收作业微服务的请求，调用标签SDK改变电子标签的状态，并将状态信息保存至数据库中；负责接收拣货员拍击完成器产生的事件，并通知作业微服务改变作业状态。当货位标签状态有更新时，标签操作服务通过SignalR向APP推送标签状态改变信息。

图1 系统架构图

为了协同各微服务，实现分布式架构下高可用的电子标签拣选系统，需要在微服务管理、设备实时监控与拣选业务集成方面进一步研究。

1.2 系统关键技术

该电子标签拣选系统中涉及的技术如表1所示。

1）微服务注册与发现

随着微服务数量增加，每个微服务需要对所有目标服务的网络位置进行配置，而当某个微服务的部署地址发生变化时，该微服务的调用方的配置也要进行改变，导致开发与管理难度进一步加大，需要微服务发现机制进行协作。在比较Consul、Zookeeper、Etcd等服务发现组件后，结合拣选系统现有架构，选用Consul组件，利用HTTP或DNS方式完成微服务注册与发现，结合key-value储存服务实现了动态配置网络位置，为拣选系统提供更全面可靠的健康检查，最终实现微服务的高可用性[12,13]。

2）仓储设备虚拟化监控技术

本文基于Web技术实现对仓储设备的监测与控制。首先通过设备虚拟化，将电子标签拣选设备封装成类库，将标签操作行为封装成类库的方法，再根据不同的业务逻辑封装成微服务，最后结合MVC技术将微服务封装成Web API，为设备的远程监控提供支持。其三层封装结构如图2所示。

SignalR框架能够实现服务端向前端实时推送数据功能。在服务端创建SignalR中心以及广播方法，在客户端采用JavaScript技术连接到中心。当服务端需要推送消息到前端时，仅需要调用中心的广播方法，即连接的客户端皆可以收到消息。客户端在接收到消息后，更新前端界面，实现远程实时监测。考虑到Web通信成本，在不影响监测实时性的基础上，设计每隔500毫秒，通过SignalR向前端推送监控信息，降低通信频次；采用AJAX技术实现监控局部更新，降低网络传输流量，提高网页更新速度，从而以降低网络拥堵与系统能耗。以拣选设备实时监测为基础，通过调用Web API来控制设备动作，从而实现远程虚拟化监控功能。

图2 标签操作微服务结构图

表1 电子标签拣选系统主要技术简介

3）微服务架构下仓储业务集成

微服务部署在不同的计算机上，通信本质是进程间通信（IPC）。基于HTTP的REST通信模式无需中间代理，简单易调试，当需要访问目标服务时，通过微服务发现机制，获取服务实例的URL，即可通过HTTP协议建立通信，采用GET与POST方式访问到目标服务，实现微服务间数据传递。针对分布式系统网络通信延时、通信故障导致信息缺失问题，根据ACID理论，为了保证事务一致性，采用RabbitMQ[14]作消息中间件，消息生产者使用API向代理发布事件，代理可以向消费者提供订阅服务，并且在事件发生时通知消费者[15]。如DPS作业过程中，在拣选系统下发任务后，需要请求标签操作服务以改变标签状态，请求数据库服务记录标签状态、更新任务进度信息等，其中请求方作为消息生产者，生产消息并发送给交换器，通过选定的路由规则将消息送至指定的队列中，目标微服务作为消费者，从队列中获取消息并消费，从而实现微服务之间异步协作。在此基础上，当微服务出现宕机或重启时，电子标签会根据标签数据库中的信息进行初始化，实现现场恢复。

1.3 数据结构设计

根据仓储布局与业务逻辑抽象出实体模型，构建系统E-R图，如图3所示。在布局管理方面，根据仓储现场布置对仓库、单元、货架、货位、设备与标签进行虚拟化，并将参数存入数据库中，便于监测与维护。在库存管理方面，托盘与物料之间存在中间表，负责记录托盘中存放物料与数量，而库存表记录货位与托盘的关系，根据货位即可查出存放的物料信息。在作业管理方面，将客户与订单信息分表管理，减少冗余信息；根据不同的作业类型，将订单拆分成DPS/DAS作业表，为现场作业提供数据支持。

图3 系统E-R图

实际应用中，考虑某些仓库存在物料堆积区，设计标签数据库中货架与货位的外键可为空来满足多样化需求，即某区不存在货架与货位时，仍可以用标签来指示该区域；鉴于不同仓库对托盘需求的不确定性，采用自增长ID为主键的虚拟托盘来满足不同需求，即每个货位默认绑定虚拟托盘，当存在真实托盘时，只需在虚拟托盘的实例中加入托盘编号。

在数据库建模基础上，通过实体框架技术，将对象与属性映射成数据库表与列，从而实现利用对象处理数据库中的关系数据。

2 电子标签拣选系统实现与应用效果

图4 系统运行流程图

系统采用Visual Studio2017与SQL Server2014开发工具，基于ASP.NET Core实现跨平台部署，配合JavaScript、SignalR、AJAX等技术实现拣选作业过程的远程实时监控，结合消息中间件技术保证事务一致性。系统运行流程如图4所示。在订单拆分时，根据DPS/DAS不同作业方式，产生不同类型的作业。在摘取式作业中，根据标签显示数量进行拣选，当所需物料库存不足时，拣货人员需先完成补货操作再拣选，最后确认；在播种式作业中，物料经统筹规划后，按标签显示的数量进行分发并确认，直到拣货员完成所有任务。

表2 电子标签拣选系统应用效果

图5 PTL应用现场

图6 DPS执行界面

图7 货位监控界面

PTL现场应用测试环境如图5所示，每个货架有3层6列共18个货位。通过调试与修正，在现场测试中达到预期的效果。以DPS作业为例，对订单编号为Or04进行拣选，作业执行界面如图6所示，货位监控界面如图7所示。与传统拣选方式对比分析，拣选系统应用效果如表2所示。

3 结论

本文设计了一种基于微服务架构的电子标签拣选系统，利用微服务架构下的高并发处理特性，进一步提升仓储拣选效率。基于Web通信技术，融入SignalR实现了远程实时监控。对典型仓储模型与业务逻辑进行抽象提取，建立了电子标签拣选实体模型，实现了库存管理、作业管理等。基于消息中间件技术，保证了事务一致性，提高了拣选作业的可靠性与准确性。通过应用展示了该拣选系统具有良好的效果，满足高并发环境下的作业需求。

此外，运用全新的微服务架构也带来巨大的挑战。在后续研究中，利用负载均衡等技术进一步完善系统架构；可加入智能拣选服务，实现订单无人化拆分；可采用从PTL拣选到“货到人”的拣选方式，进一步提高仓储作业效率。