基于遗传算法的智能仓储交互式系统设计

张敏军，华庆一，贾 伟,2，陈 锐，姬 翔

（1.西北大学 信息科学与技术学院，西安 710127；2.宁夏大学 新华学院，银川 750021）

0 引言

智能仓储是现代制造业体系中的重要环节，需要同时面向产品的柔性制造与销售竞争，既参与对产品研发和生产的优化调度，又负责统筹供应链网络，以市场的实际需求实时反馈产品制造过程[1,2]。对于汽车整车制造，传统仓储业务以人为核心，通过人力配合实现对冲压、焊装、涂装和总装等工艺过程所需零部件与物料的配送调度。但由于整车工艺繁杂，各工位生产物料和零部件的入库、上下架、分拣等仓储信息难以直接与整车过程交互，各部门间信息孤岛问题严重，致使配送存在较大的不确定性，难以保障各工位所需零部件的高效管理。同时，整车制造成本和质量是典型的NP-hard问题，优化物流成本，以仓储网络实时反馈用户需求与体验，是降低整车制造成本和提升服务质量的有效途径。

交互式智能仓储系统既能实现各部门对生产物料和零部件的动态管理，又能优化销售物流网络，并以低整车成本和高服务质量为期望，构建面向整车制造与销售的高效仓储模式。在Struts 2-Spring-Hibernate（SSH）框架中，应用较少的代码量可实现智能仓储功能的协同开发，并实现对生产物料的集中管理和分级优化[3～5]。因此，本文将SSH框架应用于整车制造与销售过程，利用S7-300 PLC设计覆盖厂区仓储作业的硬件系统，并通过遗传算法在线优化零部件仓位和配送轨迹。

1 交互式智能仓储总体方案

图1 基于SSH的交互式智能仓储方案

交互式整车制造与销售智能仓储系统结构主要包括客户端、服务器和数据采集网络等部分，如图1所示。客户端为冲压、焊装、涂装和总装等工位提供可在线交互的Web应用界面，支持生产物料与零部件采购、入库、上下架和分拣等仓储业务信息的在线查询和管理，堆垛机、移载机和输送机等自动化仓储设备运行状态的在线监控，仓储效率在线提升，基于用户需求与体验信息反馈的整车制造与销售过程在线优化等。Web和数据库服务器基于SSH框架开发[6]，Web服务器为客户端用户提供在线交互功能，数据库存储仓储业务信息、仓储设备运行状态数据、用户需求与体验信息等。客户端与Web服务器间数据交互采用Struts 2，通过Ajax调用Struts 2控制器将客户请求映射到Action。Spring 提供大量灵活的管理业务组件Bean，通过客户请求映射的Action调用对应的业务Bean，再利用Hibernate封装的数据库功能和访问接口DAO，将该业务Bean涉及的数据以JSON格式返回给客户端。数据采集网络分别面向整车制造和销售供应，其中智能仓储为整车制造提供可在线监测和实时控制的仓储业务服务，通过程控交换机（工业以太网）将各工艺所需生产物料与零部件信息在线反馈给客户端，远程调用仓库PLC和自动化仓储设备，一方面经采购、入库、移载、堆垛等实现物料上架管理，另一方面经分拣、移载、输送至缓冲区等实现物料下架和对整车制造供应。此外，仓储物流为用户提供低成本、高质量服务，在汽车销售供应链中利用Internet实时反馈用户需求和体验信息，进而指导整车制造品质和服务质量提升。

2 智能仓储系统配置

汽车冲压、焊装、涂装和总装等工艺过程所需零部件与物料种类繁多，各车间物料缓冲区的零件配送主要依赖厂区仓库和第三方配送。由于厂区仓库容量有限，为合理利用空间、提高仓储效率，厂区仓库采用RFID记录零件出入库信息、PLC程序控制零件的出入库移载和堆垛、无线数传电台引导AGV小车配送零件到对应的车间物料缓冲区。硬件系统配置如图2所示，包括工程师站（ES）和S7-300 PLC主、从站系统，ES与S7-300主站利用MPI协议通讯，S7-300主站与从站系统、设备间通过Profibus-DP现场总线在线交互数据。

图2 智能仓储硬件系统结构

S7-300主站硬件组态PS 307-5A电源、315-2DP CPU、IM 360通讯接口、SM321/SM322数字量输入/输出、SM331模拟量输入等。CPU 315-2DP主要实现对仓储流程和AGV小车配送轨迹的优化控制，提供MPI和Profibus-DP接口，由MPI通讯与ES进行数据交互，监控零件仓储流程和配送信息。主站SM321/SM322模块主要负责操作按钮、配电柜开关等数字信号输入，状态指示信号灯、声光报警、配电柜接触器线圈等数字信号输出，SM331模块主要负责配电柜（相、线）电压等模拟信号输入。主站通过IM 360接口与带IM153.1接口的分布式I/O从站ET 200M建立Profibus-DP通讯，从站ET 200M硬件组态SM321/SM322数字量输入/输出，主要负责堆垛（水平、垂直和货叉伸缩）位置、输送位置等数字信号输入，声光报警、堆垛和输送电机接触器线圈等数字信号输出。堆垛和输送机监控选用MM430变频器，通过CBP2通讯卡挂接到主站建立的Profibus-DP总线，由ET 200M从站反馈堆垛和输送过程中零件位置信号，主站通过Profibus-DP总线在线设定MM430变频器过程控制指令，并实时监测变频器输出和电机运行状态。

零件出入库信息记录采用支持Profibus-DP总线通讯的RFID读写器CK-F080P01，相关信息寄存到主站S7-300的DB块中，再通过MPI与ES在线交互。

零件移载配送AGV小车以S7-200 PLC为核心配置，主要包括无线通信、避障、导航和驱动等模块。由于AGV小车负责各工位缓冲区零部件配送，主站S7-300与小车S7-200间利用无线数传电台通讯，其中主站CPU 315-2DP、从站CPU 226分别利用PM 160扩展RS-485转RS-232接口，挂接无线模块MDS 2710实现远程在线交互。小车配置避障和导航功能，利用超声波传感器检测路径障碍，通过磁导航（地标传感器和钉型地标）识别零部件配送站点和路径信息。小车配送驱动采用1kW直流无刷电机S110BL01-430和AQMD6030BLS驱动器，由钉型地标的位置反馈和主站优化的轨迹路径远程控制小车配送速度。

3 智能仓储功能设计与实现

交互式整车制造与销售智能仓储系统主要实现对厂区仓库的高效管理、整车制造成本和质量的协同优化，具体功能实现取决于基于ES+S7-300 PLC平台的智能仓储实时监控与在线优化、基于SSH框架的仓储数据应用与在线交互等。

3.1 智能仓储实时监控与在线优化

厂区仓库监控优化以ES+S7-300 PLC为核心，其中ES利用遗传算法优化零部件货位和AGV配送路径，由S7-300实际监控零件入库、上下架、分拣和输送等业务。智能仓储实时监控与在线优化流程如图3所示，根据仓储业务需求，主站S7-300通过主程序（OB1）循环调用堆垛、输送和AGV配送程序，利用主、从站在线交互将仓储业务数据实时上传至ES，在线处理监控数据，从站零件上架和配送请求分别触发遗传算法对仓位和AGV配送路径的在线优化，进而提高零部件仓储效率。

图3 智能仓储实时监控与在线优化流程图

主站功能包括主程序（OB1）、中断程序（OB20、OB40、OB82和OB87等）、启动程序（OB100）等。OB1中调用入库输送、上架、零部件分拣、下架、移载输送、AGV配送等功能块FB和功能FC，相应的监控数据寄存到共享DB块，再与ES进行在线交互。ES与主站S7-300监控界面WinCC采用OPC交互，将遗传算法寻优（MATLAB）作为OPC Client，WinCC作为OPC Server。

对于仓位优化，如图4所示，利用OPC读取RFID监测的零部件信息，即将零部件规格、属性、使用频次、连续生产可支持周期、交付周期、交付风险等信息进行实数编码量化，以集约高效仓储为基准，在量化输入的多维空间内局部寻优，对父代输入进行交叉、变异处理（交叉概率0.5，变异概率0.2），判定子代种群的适应度。当子代适应度收敛于最小，遗传算法输出最优的仓位编码，再通过OPC写入主站S7-300，由主从交互控制堆垛水平、垂直和货叉伸缩移动。

图4 智能仓储零部件仓位优化算法流程

与零件仓位优化类似，AGV小车配送优化也利用OPC读取主站S7-300通过无线数传监控的S7-200等数据，即将零部件规格、属性、工位缓冲区坐标、路径钉型地标坐标、配送时间、零部件参与生产积极性指标、零部件自动配送风险等信息进行实数编码量化，以高效直接配送为基准，通过OPC将遗传算法的输出写入主站S7-300，在线控制AGV小车配送过程转向、加减速和停车等动作。

3.2 仓储数据应用与在线交互

图5 智能仓储业务时序

仓储数据应用采用SSH框架，在eclipse+JDK+SQL Server开发的数据应用平台上集中处理厂区仓库监控数据、销售物流信息、用户需求与体验信息等，为各工位生产与决策提供业务数据支持，业务时序如图5所示。冲压、焊装、涂装和总装等工位客户端通过Web页面发送访问请求，Struts 2将用户需求映射到对应的业务逻辑（如查询厂区仓库零部件库存信息服务、AGV配送服务等），由Spring提供的业务组件将业务逻辑与对象关联，再通过Hibernate封装的数据库功能、业务对象与SQL Server访问接口DAO对数据库进行操作，对应的数据以JSON格式返回给客户端。

客户端在线交互由调度中心集中管理，如图6所示，分别为整车制造、厂区仓库监控、物流、消费者提供不同权限的访问服务，可供ES远程监控仓储设备实际运行状态，实现对厂区仓库的高效管理，也能覆盖整车制造和销售等环节的仓储服务，为协同优化整车制造成本和质量提供数据支持。

图6 智能仓储交互主界面

4 结语

针对整车制造所需零部件繁杂、仓储效率低、交互能力差等问题，面向整车制造、仓储作业和销售等环节设计了可在线交互的智能仓储系统。仓储作业采用ES+S7-300 PLC主从站系统，配置S7-300 PLC主从站硬件平台，利用OPC和遗传算法对零件仓位和AGV配送路径优化，实现对厂区仓库的高效管理。仓储数据应用与在线交互采用SSH框架，通过较少的代码可实现智能仓储功能开发，并兼顾处理用户需求与体验信息，有助于实现整车制造成本和质量的协同优化。所设计的交互式仓储系统具有开发简单、通用性强、易于维护和管理等优点，可适用于其他行业仓储业务的高效管理。