基于物联网技术的智能仓储管理平台设计

何 琴，杨 业，郑天辰，王 毅

（湖北文理学院计算机工程学院，湖北 襄阳 441053）

如今科技发展日新月异，工业信息化、自动化水平在不断提高。随着“工业5.0”以及“人工智能”时代的到来，制造业正在面临向智能制造转型升级的机遇与挑战。传统生产方式已经很难满足当前社会经济发展的需要，科技的进步也需要融入到传统的制造行业中去，促进传统制造业的发展。

近年来，随着现代制造业的迅猛发展，仓储管理已成为整个物流链中至关重要的一部分。仓库的物品空间利用率与企业开销成本之间是否实现平衡，是企业能否可持续化改进先进技术的重要标准。不仅如此，仓储管理还是信息流通的重要环节，有利于发货方、第三方、收货方之间核对物流信息。通过引导良性竞争，从差异中进行整合，实现精细化作业流程管控、提升效率、降低成本的目标[1]。

随着RFID 频射识别、GPS、红外感应等传感设备、定位系统等技术不断地更新升级，大量仓储设施通过将其接入互联网，实现信息互联带动仓储互联，极大程度上促进了智能仓储的发展。文章基于上述研究背景提出了基于物联网的智能仓储管理平台的设计方案，该系统将大大提高物品入库、出库及库内周转的效率与准确性。

1 系统设计

1.1 总体设计

本仓储管理平台以物联网技术提供的物品感知和识别技术为基础，实现即时获取仓库中各类物品的数量及空间位置信息。在感知层，利用的典型技术包括传感器网络、全球定位系统、RFID 技术等；网络层为智能仓储管理提供全天候全覆盖的网络通信功能，做到线上与线下的绝对一致；而应用层则实现该系统各个软硬件子系统功能的互联汇集，主要基于机器对机器通信（Machine to Machine，M2M）技术及管理策略。基于物联网的智能仓储管理系统对系统实现结构化设计，使用分层设计的思路，使得数据信息可以在各层次间实现交换[2]。从感知层、网络层、应用层作为系统切入点并通过调用接口实现业务逻辑，得到的系统软件结构图如图1 所示。

图1 系统软件结构图

本系统功能框架采用经典的MVC 设计模式，将整个系统划分为交互层、业务逻辑层及数据访问层，并同时使用Spring、MyBatis 等框架协助开发，使开发更加简洁高效，逻辑清晰。

另外，通过电子数据交换（Electronic Data Interchange，EDI），实现企业之间业务系统数据的交换。帮助企业整合供应链、降低库存、实现精益生产。使企业间的业务单据自动安全交换，无需人工参与，降低误差，实现高速安全的供应链数据交换，增加贸易双方的工作效率，建立贸易信任；仓储管理方面，通过优化相关算法，提高仓储的精度和效率。在硬件方面，采用四向穿梭车、交叉带分拣系统、AGV（机器人引导车）、智能穿梭车控制系统，提高货物输送、存储、分拣的效率。

1.2 系统功能组成

该系统功能主要分为货物操作、货物盘点和信息查询。其中系统功能结构对应的模块如下。

1）货物入库模块。该模块主要负责货物的入库信息采集及货物数量的清点。只需通过RFID 读写器读取标签，来获得货物的相应信息，并将其信息通过互联网上传至中心服务器，同时更新货物库存信息和清点增加的库存数量。

2）货物出库模块。该模块主要负责货物的出库信息的采集及货物数量的清点。只需通过RFID 读写器读取标签，来获得货物的相应信息，并将其信息通过互联网上传至中心服务器，同时更新货物库存信息和清点减少的库存数量。

3）入库数量信息查询模块。该模块主要通过中心服务器来进行查询，中心服务器存储着货物信息，如ID、名称、数量、入库时间等信息，由于存储互联，能实时查询，实时更新，通过关键词即货物ID 对入库货物数量进行查询。

4）出库数量信息查询模块。该模块主要通过中心服务器来进行查询，中心服务器存储着货物信息，如ID、名称、数量、入库时间等信息，由于存储互联，能实时查询，实时更新，通过关键词即货物ID 对出库货物数量进行查询。

5）货物信息查询模块。该模块主要通过中心服务器来进行查询，中心服务器存储着货物信息，如ID、名称、数量和入库时间等信息，由于存储互联，能实时查询，实时更新，通过关键词货物ID 对货物信息进行查询。

6）库存数量信息查询模块。该模块主要通过中心服务器来进行查询，中心服务器存储着货物信息，如ID、名称、数量和入库时间等信息，由于存储互联，能实时查询，实时更新，通过关键词货物ID 对库存数量进行查询。

7）货物货位信息查询模块。该模块主要通过中心服务器来查询货位信息，动态分配货位，最大程度地利用存储空间，避免仓储分配货物不均的问题。

8）货物统计模块。该模块主要通过手持个人数字助理（Personal Digital Assistant，PDA）扫码操作，通过读取标识牌上的标签，进行货物统计，最后将数据返回到中心服务器。

9）统计报表模块。该模块主要通过货物的出库和入库信息来进行统计报表，由中心服务器所同步的相关货物信息，可实现货物的系统统计，生成相对应的报表。

2 系统实现

2.1 智能识别

智能识别系统采用无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术和无线传感器网络来实现货物的智能识别[3-4]，当阅读器发送一定频率的射频信号，会产生一定范围的磁场，而当电子标签进入磁场范围内时，闭合电路中的部分导体做切割磁感线运动时产生感应电流，从而获得能量，向阅读器发出自身编码等信息，随后阅读器读取信息并编码，本地业务服务器通过互联网将信息传至中心服务器进行处理，从而完成货物识别及货物数量的统计。本地业务服务器通过储存货物信息，以便仓储管理人员在业务系统中可以实时查询。

2.2 AGV 路径规划

AGV 小车路径方案规划要领：根据物流运输的空间分布特征和方案实施经验，AGV 路径方案规划方法，首先根据构建的工作站相对位置矩阵、距离矩阵以及阻塞系数来描述车间环境信息，通过系统的自动优化，有效缩短运输距离，针对物流运输动态变化，把整个运输路径划分成不同的子路径，本研究的智能仓储管理系统进行动态地优化变化附近运输节点，从而减少外部因素导致的堵塞或过多的等待，通过实施的案例和系统仿真得出我们的规划方法具有有效性。

在基于本研究的智能仓储系统中，合理的路径规划对于提高机器人引导车的行进效率起到了关键作用，也是本仓储管理系统建设的关键性技术。Dijkstra算法是解决相关单源最短路径中最成熟的算法，其基本思想是从开端结点开始逐步遍历存在的所有结点，在遍历每一个结点的过程中记录距离该节点最近的前驱节点，保存在回溯向量的文件中，通过查询回溯向量文件，可以得到一条从开端节点到目标结点的最短路径。在具体设计中，将每一个物品存放的片区编号看作一个个独立的结点，而AGV 需要通过Dijkstra 算法，从起始片区经过每一步的演绎推算得到到达目标片区的最短路径[5]。

Dijkstra 算法具体图解步骤如图2 所示。

图2 Dijkstra 算法流程图

本研究将基于Dijkstra 算法，重点实现两类路径规划问题：一类是全局最优规划，即对周围环境、光线亮度、障碍物等的分布，全部已知；一类是局部最优规划，即对周围环境、光线亮度、障碍物等的分布未知[6]。

2.2.1 全局最优规划

在全局最优规划中，前提条件是AGV 的上位机熟悉所处区域的环境，这就需要人工提前将仓库细节图导入至机器人引导车中。和局部最优规划相比，若周围环境动态变化，且初始化时仓库细节图未及时更新，就有可能造成当一个AGV 出现故障时，引起连串甚至整个片区的瘫痪。所以，进行全局规划时，上位机对AGV工作场景的了解程度十分重要。

2.2.2 局部最优规划

局部最优规划中，AGV 并不需要对自己的工作场景十分了解，所以较全局最优规划更加合理。但是当AGV 直线行驶在局部的路径中，需要对转弯角度、拐角方位等进行自主判断。局部最优规划算法可以对局部的路径选择进行实时修改、更正，但无法保证现阶段得到的路径是否是全局最优规划。当特殊情况下2 种最优规划算法可能出现局部最优或者死锁现象。

2.3 仓库管理

仓库管理系统（Warehouse Management System，WMS）作为整个物流中心的中枢系统，其承担着举足轻重的作用，为仓库和配送中心提供系统支持，使得更加高效、精准地完成作业，WMS 智能仓储系统与企业的企业资源（Enterprise Resource Planning，ERP）系统充分集成，进行信息交互，及时接收订单指令并将订单执行结果反馈到ERP 系统；通过动态调度RF 手持终端、电子标签协同完成拣货作业，实现货物的准确分流。

在出库时，经常会出现频繁去同一个位置拣货，从而会导致库存分配不均的情况。通过WMS 智能仓储系统的库存锁定策略，每个出库任务都会自动进行库存锁定，当这个库位库存锁定完了，就会自动锁定下一个库位，从而解决了库存分配不均的问题，确保了出库的工作效率。

2.4 智能控制

仓库控制系统（Warehouse Control System，WCS）是介于WMS 系统和可编程逻辑控制（Programmable Logic Controller，PLC）系统两者之间的管理控制系统。主要实现对各种设备系统接口的集成、统一调度和监控。它与WMS 系统进行信息交互，接收WMS 系统发送的指令，并将其发送给PLC 系统，从而实现驱动作业的完成。同时，它将PLC 系统的状态及数据实时反映给用户操纵界面，并提供对PLC 系统手动调试接口。

库位中存放的是物料盒，每个物料盒都有唯一编码，货物入库流程如下。

第1 步：扫描入库单号（入库单由MES 系统生成）到仓储系统中。

第2 步：仓储系统通过单号在MES 系统中查询对应需入库的物料盒号。

第3 步：确认执行入库。

第4 步：仓储系统扫码入库，入库完毕后，反馈入库结果到MES 系统。

货物出库流程如下。

第1 步：扫描出库单号（单号由MES 系统生成）到仓储系统中。

第2 步：仓储系统通过单号在MES 系统中查询对应的需要出库的料盒号。

第3 步：确认执行出库。

第4 步：仓储系统执行出库操作，反馈操作结果到MES 系统。

2.5 系统业务流程

本系统实现了货物的入库、出库操作，货物查询，货物盘点等业务功能，从而使得基于物联网的智能仓储管理平台能智能化完成货物的一系列操作。其中，系统业务流程如图3 所示。

图3 系统业务流程图

3 结束语

近年来随着物联网技术的迅猛发展，必将为各行各业带来实质性的重大变革。同时国家和社会的关注度也随之提高，为企业提供政策、资金、人才培养等支持。传统仓储管理技术已经无法满足现代化企业的需求，安全、便捷、精确、快速已经成为新一代仓储管理企业的新追求，物联网技术的快速发展为本研究提供了可靠的技术条件。

本研究的创新性主要体现如下。

1）不同的企业之间通过EDI 将标准的经济信息通过通信网络传输，在贸易伙伴的电子计算机系统之间进行数据交换和自动处理。保证了信息实时可视化，降低数据误差，建立贸易信任，同时大大简化了订货或存货的过程，使双方能及时地充分利用各自的人力和物力资源。

2）在AVG 路径选择方面。AGV 通过Dijkstra 算法，从起始片区经过每一步的演绎推算得到到达目标片区的最短路径。系统进行动态地优化变化附近运输节点，从而减少外部因素导致的堵塞或过多的等待。

基于物联网技术的智能仓储管理平台致力于通过智慧软件+智能硬件，构建完整的仓库管理体系，实现了仓储智能化管理，降低仓储管理的出错率，减少仓库工作人员的工作量，提升了仓库管理效率，实现入库到出库整个流程的自动化管理。采取仓储互联的方式，实时更新同步相关信息，为企业经营者提供了更加及时和准确的数据，逐步达成企业战略目标和管理目标。