自动化立体仓库管理系统的设计与实现

□ 贾铁刚

(晋江职业中专学校，福建 晋江 362251)

1 引言

自动化立体仓库系统有着众多的功能，以不同功能作为依据进行划分，可形成三个层次，依次为管理层、监控层、执行层。系统总体设计中，一般要求仓库管理层能够实现系统管理、库存管理、货位管理、作业流程管理以及通讯管理等方面的功能。因此，管理层是自动化立体仓库系统的核心，必须具备相应的能力，包括智能方面，另外还要有较强的数据处理能力等。

对监控层进行分析能够得知，其负责的工作是对管理层下达的命令进行接收，将任务细化后向执行层逐步下达。监控层在处理和下发指令时，可以根据设备的实际使用情况，进行任务的下达，一定程度上进行作业组织的优化。除此之外，监控层还对自动化立体仓库的运行现状进行实时监测，但是这对监控层的实时处理能力要求较高，要求其在设备故障和冲突时可以及时发现并将信息反馈给管理层。执行层作为自动化立体仓库的设备运行结构层，主要由各类机械设备和监控设备以及控制设备组成。对于执行层的要求，最主要的是有足够高的可靠性，这对设备质量提出了较高要求，要减少设备运行过程中的故障率。

2 自动化立体仓库管理系统功能规划

2.1 管理系统功能分析

无论是出库货品操作，还是入库相关操作，都是自动化立体仓库管理层的功能，需及时更新与调整库存信息，方便操作人员随时查看。同时，操作人员通过上述步骤能够实现对手动控制操作平台的操作。以货品入库作业为例，对管理层进行分析不难看出，工作流程包括发送入库单，接收入库单，将货品和托盘匹配，管理系统自动生成相应的入库作业流程(包括入库表单、命令表单等)，发出的作业指令发出由监控层接收，在执行层完成作业指令后向管理层反馈，管理层及时更新与调整货品的表单，并输入到自动化立体仓库管理信息系统当中，货品入库操作随即完成[1]。

简而言之，管理系统的功能就是根据出入库任务向监控层发布任务命令，根据作业执行情况生成作业完成报告，最后更新库存信息。自动化立体仓库系统中管理层的功能可以概括为以下几个方面：

①出/入库作业：一方面是指货品的出库和入库作业，另一方面是指托盘的出库和入库作业。

②库存和货位查询功能：库存和货位查询是工作人员及时了解仓储信息的有效手段，管理层的查询工作主要包括库存查询、货位查询、托盘查询等。

③其他查询：其他查询主要是指正在进行或者尚未完成的工作数据查询，包括出/入库作业流水查询、出/入库作业查询以及设备故障查询等。

④报表统计：库存信息最终将以存储明细表的形式提供给仓库管理人员。管理系统中，库存明细表按照物料种类进行统计，并列出各货品和物料的存储货位，主要包括出/入库统计表、库存明细表以及货位明细表。

⑤库存维护：库存维护主要是指对仓库货位和数据进行维护，主要包括盘库、倒库以及重置货位状态等。

2.2 管理系统体系结构

自动化立体仓库管理系统主要有两种常用的系统体系结构，一种是客户机/服务器结构，即常说的C/S结构，另一种是浏览器/服务器结构，即B/S结构，两者具有各自特点。其中C/S结构中客户机具有一定的运算处理能力，可以做到快速服务响应，另外数据更新速度较快，具有较强的数据实时性，这一点比较符合自动化立体仓库对库存信息及时更新的要求。B/S结构以经济性著称，其本身构造也较为简单，由于客户端只是浏览器，因此操作人员不需要对系统做任何维护，只需要一台能上网的电脑即可，大大节省了人力成本。结合管理系统的实际应用要求，最终选择客户机/服务器结构(C/S)。

要想通过人机交互界面将数据库操作逐步实现，就需要将仓库管理系统安装在客户端当中。大容量存储器与数据库管理系统在对应的服务器当中均有配备。对于自动化立体仓库管理系统来讲，管理的对象主要是数据库，这是实现其功能的重要基础。

2.3 管理系统功能模块

根据管理系统的功能分析，通过划分得到了众多的模块，分别为系统管理模块、出入库管理模块、库存/库位管理模块、查询模块和统计模块等。

2.3.1 系统管理模块

①系统维护。

系统操作人员可以通过系统维护模块对系统进行维护。例如，可以通过初始化功能将系统回归为最初状态，但是只有系统管理员有权限使用该功能。出于安全性和完整性考虑，需要定时或不定时对库存数据进行备份处理，以便系统出现异常时可以将数据恢复到之前的某一个时间点，无论是数据备份，还是数据恢复，在管理系统中都向用户提供。角色管理本质上是对用户权限的设定，针对某一类用户角色进行相应的权限设定，可以实现不同用户对仓库不同程度的控制。

②基础信息管理。

基础信息就是对出入库货品的管理，主要包括对货品进行编码以及货品的属性管理。可以通过对物料种类的添加、删除等操作实现仓储对象和仓储类型的转变。

2.3.2 出入库管理模块

该模块的主要任务是下达出入库作业指令，对出入库的货品和托盘进行管理。

①入库管理：入库操作之前，需要操作人员先填写入库单以明确入库信息，然后根据入库单向数据库发送添加命令，确认后，与监控终端进行通信，在监控系统控制下完成入库操作。除此之外，管理系统额外提供了手动入库功能，用户可以跳过入库单填写阶段，直接进行入库操作，这样更有利于工作的便利开展。其入库操作和整盘入库类似。

②出库管理：与入库操作类似，出库操作也遵循同样的作业流程，不同之处在于，当进行货品出库作业时，储货站台的货品放置完成后，进入到任务确认环节。货品出货同样也有手动出库功能。系统面对不同用户的出库指令时，分拣口的设定要为每个客户进行制定，当同时出货时，最多只能完成三个。当进行拣选出货时，需要在货物拣选完毕后进行确认，对剩余货品进行重新入库。

③托盘管理：作为货品的装载工具，托盘管理和货品出库入库管理基本一致，主要是托盘的入库管理和托盘的出库管理。

2.3.3 库存管理模块

操作人员可以通过控制面板中的装填管理界面进行货位状态、存储情况等信息进行查询，从而实现自动化立体仓库的可视化显示。在货位显示界面，可以通过单机鼠标右键进行货位的倒库、盘库和重置货位的操作。同样可以通过库存维护功能对库存和实际数量不相符的情况进行调整和库存信息的修改。

2.3.4 查询模块

查询模块主要是为了方便工作人员对当前货品出库入库情况以及相应的货位等信息进行查询。在操作界面中显示查询结构，形式通常为统计列表，也可导出Excel文件。

①库存查询：可以实现对库存数据的条件查询。

②出入库记录查询：按照货品编号、出入库时间等查询某种货品的出入库记录信息，查询内容包括货品名称、类型、出入库时间、操作员等。

③系统日志查询：当面对系统的重要操作时，系统日志会进行相应的记录，如系统初始化，数据库还原等操作。

④设备故障：设备故障查询可以对设备运行故障进行查询。

⑤库存货品统计查询：库存货品统计查询可以对库存中的货品进行统计查询。

⑥出入库管理任务查询：出入库管理任务查询可以对系统的出入库任务进行查询。

2.3.5 货品查询

货品查询可以对系统的基础货品进行查询。

2.3.6 统计模块

在对货品进行统计的过程中，主要是以货品的出库、入库等方面的时间与数量作为依据，并对入库、出库、库存等数量进行统计。

3 数据库系统规划

3.1 数据库的设计

站在本质的层面而言，自动化立体仓库需要的无非是管理其中的数据信息，但是却往往面临着信息量巨大的问题，想要实现信息的存储与处理，必须要逐步建立并完善数据库。通过对数据库的设计进行分析能够得知，应用的方法相对较多，其中尤为突出的便是新奥尔良方法。设计的流程主要可分为以下四个阶段。

3.1.1 需求分析

在设计数据库的前期，需求分析至关重要，主要是对数据信息进行明确，包括具体的类型，另外还有功能操作的实现等。在处理数据信息的过程中，自动化立体仓库系统涉及的流程包括出库、入库、库存等数量的记录，另外还有各项指令等。

3.1.2 概念设计

通过对概念设计进行分析能够得知其主要包含两个层面，首先是系统实体类型的进一步明确，其次为实体属性与相互联系的进一步明确。本文研究的系统中包含的实体类型有三类，依次为供应商、用户以及设备。多对多关系的形成，与上述实体之间的联系息息相关。例如，在“入库”“出库”的联系方面，前者对应的是供应商与货品，后者对应的是客户与货品，无论是出库还是入库，都与一些设备的运转密切相关，包括输送机、堆垛机、AGV等，多对多的联系由此形成。

供应商的属性包括相关的信息，例如电话、地址等；货品与客户的属性方面：前者包括货品与编号，还有包装类型等，后者包括单位名称、联系电话以及地址等。在入库与出库的过程中，这些实体之间存在着一定的联系。

3.1.3 逻辑设计

在此次管理系统的设计过程中，主要是转化概念结构图，关系模型由此形成。由此可见，需求分析是逻辑设计之前的必经流程，可将表格中的内容逐步明确(包括用户与设备信息表，以及出入库单表与供应商表等)，扩展表格需要依据实际情况逐步进行，并将数据库逻辑设计的目标逐步实现。

3.1.4 物理设计

在数据库的物理设计过程中，涉及的任务包括文件名称与字段类型的进一步明确，另外还有数据库文件索引的确定等。

3.2 数据表信息的设计

对于各表字段和数据类型以及数据长度等信息的确定均依赖于新奥尔良法。此外，表格的建立主要是借助于SQL Serve。在以下内容中可以具体了解到表格的编制类型。

3.2.1 基本编码信息

①货位编码信息：货位种类(大、中、小)长度为2，数据类型为CHAR；货位编码(排-层-列)长度为7，数据类型为CHAR；货位宽度为4，数据类型为INT；货位高度为4，数据类型为INT；货位长度为4，数据类型为INT；货位用途(A、B、C、D)长度为1，数据类型为CHAR。

②货品编号信息：货品型号长度为20，数据类型为CHAR；货品类别(A、B、C、D)长度为1，数据类型为CHAR；货品编码长度为20，数据类型为CHAR；货品名称长度为20，数据类型为CHAR。

③设备编码信息：设备型号长度为20，数据类型为CHAR；设备描述长度为40，数据类型为CHAR；设备编码长度为8，数据类型为CHAR；设备名称长度为20，数据类型为CHAR。

3.2.2 统计数据信息

①货品入出库情况统计信息：报表日期长度为4，数据类型为DATETIME；本期入库数量长度为4，数据类型为INT；期初结存数量长度为4，数据类型为INT；期末结存数量长度为4，数据类型为INT；货品类别(A、B、C、D)长度为1，数据类型为CHAR；本期出库数量长度为4，数据类型为INT。

②货位占用率分类统计信息：货位用途(A、B、C、D)长度为1，数据类型为CHAR；占用数量长度为4，数据类型为INT；空闲数量长度为4，数据类型为INT；报表日期长度为4，数据类型为DATETIME；货位种类(大、中、小)长度为2，数据类型为CHAR；占用率长度为2，数据类型为FLOAT。

3.2.3 明细数据表

①货位状态信息：货位编码长度为7，数据类型为CHAR；运行状态(禁用、静止、进货、出货)长度为4，数据类型为CHAR；货位种状态(空位、无货、半满、满货)长度为4，数据类型为CHAR；存储货品类别(A、B、C、D)长度为1，数据类型为CHAR。

②货品入/出库记录信息：货品编号长度为20，数据类型为CHAR；操作员编码长度为8，数据类型为CHAR；入/出库(入库、出库)长度为4，数据类型为CHAR；入/出库货品编码长度为7，数据类型为CHAR。

③货品库存明细信息：货位编码长度为7，数据类型为CHAR；货品编码长度为20，数据类型为CHAR。

4 监控系统功能规划

4.1 监控系统功能分析

操作人员在进行决策的过程中，将在很大程度上需要监控系统的帮助，其既能够行使接受命令并发送命令的功能，同时对于反馈信息的接收以及上传也需要借助监控系统来完成。监控系统主要针对运行位置和作业状态以及故障状态等相关方面进行监控，可以在控制面板中了解其监控结果，其表现形式主要为画面形式。根据上述内容，监控层的主要功能可总结为以下几个方面：

①对计算机指令进行接受并做出相应的分解。

②对指令列队和设备作业组织进行优化。

③完成命令的下达以及执行过程的监控。

④对相关信息进行反馈并上传。

⑤对库存信息做到及时反馈与更新。

⑥对设备等相关信息进行展示，主要通过图形形式实现，为工作人员提供便利。

⑦通过对仓库的管理和控制来有效应对紧急情况。

4.2 监控系统功能模块设计

4.2.1 系统主界面

本项目监控系统的主界面涉及到调度设置、显示任务、系统管理、帮助等四个部分。

4.2.2 系统初始化

监控系统的初始化工作是系统在开始运行前必须要做的一项工作，其目的在于实现系统与上位管理系统和下层控制设备之间的通讯关系。此外，执行层对于设备所处位置以及货物状态等相关信息的掌握也在很大程度上依赖于该工作。运行能否顺利进行在一定程度上也取决于上述过程是否完成。经过各项准备工作后，监控系统对相关的管理任务进行接收并执行，一旦执行结束，管理系统将得到监控系统的反馈。

4.2.3 显示设备状态

通过颜色的划分来区别设备不同的运行状态。要想表示设备空闲状态，可以通过本色实现，而设备是否处于正常运行装填状态，可以通过绿色来判断，设备一旦出现故障，则出现红色。

4.2.4 显示设备动画

对堆垛机的运行情况的了解可以通过显示设备动画来实现。对于载物台的坐标变化可以通过显示动画进行了解。

4.2.5 显示设备命令

要想对设备状态进行检查，可以通过设备命令开关得以实现，此外，命令的下达也可以通过该方面完成。不仅如此，指令队列情况的掌握通过该方面也可以实现，主要是借助于任务指令的逐条显示进行。

手动控制的方式可以及时应对设备采取联机自动模式进行作业时发生的问题，通过手动控制，可以实现命令的增加和删除等操作。

5 管理层与监控层通讯技术

管理系统中，通讯协议采用较为成熟的TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/因特网互联协议)协议，其在计算机通信协议中占据重要的位置。TCP/IP协议所产生的时间为70年代，该协议的发展离不开广域网开发协议标准的支持。此外，Internet在当前世界范围内占据着重要的地位，而其当前所取得的成就在很大程度上离不开TCP/IP协议的支持。随着Internet大范围的推广，TCP/IP协议也成了实际上的标准。作为一种通讯协议，网络通讯设备的规范化主要是依赖于TCP/IP协议实现的。对于TCP来讲，其发挥的主要作用是针对小包而言的，包括收集和排放两个方面。不仅如此，数据还原也主要是通过TCP实现的。信息能够进行有效的传输，二者的作用缺一不可，也就是说，做好两者之间的合作，才能在最大程度上发挥作用。

监控层与管理层之间的信息交换活动主要包括信息的提取和修改以及更新等过程。监控系统所提取的信息是在管理系统生成并存储完成后实现的，而监控层需要对反馈信息和监控信息进行上传，确保管理计算机的相关操作能够顺利完成。在此过程中，管理层和监控层共同完成了对信息的操作。出入库操作将涉及到管理系统、监控层以及执行层三个方面的共同合作，管理系统的操作主要是对指令的发送，而执行层主要对具体作业进行操作并反馈相关信息。