（计算机科学与技术专业论文）现代物流仓储管理系统的研究与设计.pdf

浙江大学硕士学位敞 y 8 7 7 1 7 1 摘要 随着经济一体化和全球化进程的加快，企业的作业方式不断地发生变化。随 着电子技术、计算机信息存储与处理技术、通讯网络技术在物流中的应用，物流 在企业竞争中扮演着越来越重要的角色。 物资的储存是整个物流过程中的一个关键环节。仓库是储存物资的场所，是 物流活动的中转站，是调节物流的中心。随着物流活动的自益剧烈，货物存储数 量不断增加，出入库频率急速增长，如何高效地管理仓库、利用仓库，如何规范 化仓库的作业，都是企业立于不败之地的重要因素。这就迫切需要用现代化技术 来“武装”仓库，提高仓库管理与运作的效率，提高可视性。能够实时全面地掌 握仓储信息，以及仓库作业的有效管理。 起重机无线导引系统项目是专门针对各钢厂大型中间库，成品库的管理要求 而设计开发的，具有起重机作业优化调度和智能导航，立体化仓库可视化显示和 管理等现代化功能。 本文结合起重机无线导引系统的开发，讨论了智能立体化仓库设计与可视 化、基于p 2 p 消息中间件和x m l 的作业系统设计和移动计算技术在物流中的应 用三方面内容。 智能立体化仓库设计与可视化，以仓库、跨、区域、行、列、层的思路结构 分析整个仓库的三维结构信息，设计智能立体化仓库的数据库模型，并讨论仓库 可视化显示的相关内容。 作业系统是整个现代物流仓储管理系统中非常重要的环节，是仓储管理高效 性的强有力手段。在研究消息中间件和x m l 技术的基础上，提供了消息协议设 计、消息解析与监听处理机制的解决方案。 移动计算技术是现代物流系统不可或缺的，r f i d 作为新一代自动识别技术， 能够大大提高仓储管理的便利性、高效性和准确性。在分析r f i d 的基础上，提 出了一个可配置的r f i d 模块的设计。 关键字：物流立体化可视化m o m 作业系统移动计算r f i d 第1 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hs p e e d - u po fu n i v e r s a le c o n o m ya n dg l o b a l i z a t i o np r o c e s s ，t h e e n t e r p r i s e w o r k i n gf a s h i o nh a sb e e nc h a n g e d e l e c t r o n i ca n dc o m p u t e rt e c h n o l o g ym a k e l o g i s t i cc h a n g eal o t , m a k e si tp l a yam o l la n dm o l ei m p o r t a n tr o l ei ne n t e r p r i s e c o m p e t i t i o n m a t e r i a ls t o r a g ei sak e yp a r to f t h ew h o l e p r o c e s so f l o g i s t i c w a r e h o u s ei st h ep l a c e w h e r et os t o r em a t e r i a l ；i ti st h el r a n s f e rs t a t i o no f t h el o g i s t i ca c t i v i t ya n dt h ec e n t e r o fl o g i s t i ca d j u s t m e n t a l o n g 淅t hl o g i s t i ca c t i v i t yi n c r e a s i n g l ya c u t e t h en u m b e ro fm a t e r i a lt os t o r e c o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n ga n dt h ef r e q u e n c yo fi m p o r ta n de x p o r tr a p i d l yi n c r e a s i n g ， h o wt oe f f i c i e n t l ym a n a g ew a r e h o u s e ，u s ew a r e h o u s ea n ds t a n d a r d i z ew a r e h o u s e o p e r a t i o ni sa ni m p o r t a n tf a c t o ro f m a k i n gt h ee n t e r p r i s es u c c e e d i ti su r g e n tr e q u i r e dt ou s ef l e wt e c h n o l o g yt oa r mw a r e h o u s e ，i n c r e a s et h ee f f i c i e n c y o fw a r e h o u s em a n a g e m e n t , i n c r e a s ev i s i b i l i t y , m a k ei tp o s s i b l et om a s t e rt h ew h o l e w a r e h o u s ei nr e a lt i m e ，a n de f f i c i e n t l ym a n a g ew a r e h o u s eo p e r a t i o n w i r e l e s sc r a n el e a d i n g s y s t e mi s d e v e l o p e dt o m e e tt h er e q u i r e m e n tf o rs t e e l c o m p a n yw a r e h o u s em a n a g e m e n t ；i th a sm a n ym o d e mf u n c t i o n s ，l i k eo p t i m i z e d o p e r a t i o nc o n t r o l ，i n t e l l i g e n tn a v i g a t i o n ，t h r e e - dw a r e h o u s ev i s u a l i z a t i o n ，a n ds oo n b a s e do nt h e e x p e r i e n c e ，t h i sp a p e r w i l ld i s c u s st h r e e t o p i c s ：i n t e l l i g e n t t h r e e d i m e n s i o n a lw a r e h o u s ed e s i g na n dv i s u a l i z a t i o n ，p 2 pm o ma n dx m l b a s e d t a s ks y s t e m d e s i g n , a p p l i c a t i o no f m o b i l ec o m p u t i n gt a e h n o l o g y f i r s t ，i ta n a l y z e st h e3 di n f o r m a t i o no ft h ew h o l ew a r e h o u s e ，c r e a t e st h ed a t a b a s e m o d e la d d r e s s i n gt h ee n t i r e r e q u i r e m e n t , a n dt h e nd i s c u s s e st h ew a r e h o u s e v i s u a l i z a t i o n s e c o n d ，t a s ks y s t e mi st h ev e r yi m p o r t a n tp a r to ft h ew h o l el o g i s t i cw a r e h o u s e m a n a g e m e n ts y s t e m ；i tc a nl n 剧k et h ew a r e h o u s em a n a g e m e n tm o l le f f i c i e n t a f t e r a n a l y s i so fm o ma n dx m l ，as o l u t i o ni sp r o v i d e dc l e a r l ya b o u tm e s s a g ed e s i g n , m e s s a g ei n t e r p r e t a t i o na n dm e s s a g e o b s e r v a t i o n m o b i l ec o m p u t i n gi sa l li n d i s p e n s a b l ep a r to fl o g i s t i cs y s t e m a san e wa u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o nm e t h o d ，r f i dc a ng r e a t l yi n c r e a s et h ee a s i n e s sa n de f f i c i e n c yo f w a r e h o u s em a n a g e m e n t a f t e ra n a l y s i so ft h er f i dt e c h n o l o g y , a d e s i g n o f c o n f i g u r a b l er f l dc o m p o n e n ti sp r o v i d e d k e yw o r d s ：l o g i s t i ct h r e e - dv i s u a l i z a t i o nt a s ks y s t e mm o b i l ec o m p u t i n gr f i d 第2 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 第1 章引言 随着经济一体化和全球化进程的加快，世界大市场概念在今天已经成为现 实，企业的作业方式也因此产生了巨大的变化。越来越多的生产经营活动和资源 配置在全球范围内进行，全球性贸易与运输链在逐步形成。企业从世界市场获取 原材料，在世界各地的工厂组织生产，然后将产品销往国际市场，运送到世界各 地的用户手中。 整个过程中，物流扮演着极其重要的角色。那么，什么是物流昵? 1 1 物流与现代物流 物流一词最早出现于美国，最具权威的美国物流管理协会( c j m ) 对此作了 如下定义：物流 1 是以满足客户要求为目的，以高效和经济的手段来组织原料、 半成品、成品等相关信息，从产出地到消费地的流动和储存面进行的计划、执行 和控制的全过程。 其实，人类社会从有经济活动开始就开始有了物流，只是当时人们还没有如 此的认识和文字定义。1 8 世纪末，随着汽车的发明和使用，运输业不断发展， 从而推动并促进了物流业的发展，从自货自运走向了专业运输，产生了除生产和 销售的第三方专业运输者。6 0 年代初。国外最早将物流称为“p h y s i c a l d i s t r i b u t i o n ”、简称“p d ”及货物的配送，后又称为物流、综合物流。 “p d ”演变为“l o g i s t i c ”，是由于第二次世界大战中，美国在军队后勤保障 供应系统中，成功地运用了“物流”技术，在军队的后勤供应中开创了物流的先 河，美军后勤保障的英文名称为“l o g i s t i c ”。战后世界各地将“l o g i s t i c ”替 代“p d ”，中国将其译为“物流”。美军在后勤保障中成功地运用物流后，很快地 又将此成果转化于工业上，西方工业发达国家将“l o g i s t i c ”用于工业，并用英 文的“l o g i s t i c ”( 后勤保障) 作为工业生产和销售的“物流”管理，“l o g i s t i c ” 就成了物流的代名词，并延续和流传于世界各国。物流被人们真正认识是二战以 后，大约已有5 0 年的历史。 随着工业化的进程及社会化的分工协作，生产厂家和商家是物流的第一方， 第6 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 消费者是物流的第二方，运输、仓贮起家的物流服务企业成为物流的第三方，成 为专业性的物流企业，为生产、销售企业和消费者提供服务，又称为第三方物流 ( 3 p a r t yl o g i s t i c ) 。物流是系统工程，生产企业、销售企业和消费者、物流服务企 业三方缺一不可，只有分工协作、共同努力，物流才能得以发展。现代工业为提 高企业经济效益，工业企业在生产中进行技术创新、加强管理，将产品的生产成 本压得很低。但是，现代工业中从工业生产上进行技术创新、提高效益、降低成 本的难度很大，余地也很小。然而，在流通过程中降低物流成本成为人们关注的 课题，在物流成本中降低1 0 个百分点，使得产品销售价格降低，大大地提高产 品的竞争力。所以，从生产中压缩成本远不如从物流中降低成本。因此，发达国 家工业界竞相研究物流，成立专门的物流研究机构，开发物流技术，推动了物流 的发展。 2 0 世纪8 0 年代是物流发展的高峰时期，特别是8 0 年代中期，电子技术及 计算机的使用，信息通讯网络技术在物流中的应用，物流信息化程度不断提高， 物流信息化程度【2 】表现为物流信息的商品化、物流信息收集的数据库化和代码 化、物流信息处理的电子化和计算机化、物流信息传递的标准化和实时化、物流 信息存储的数字化等。 现代物流是近几年发展起来，其速度非常迅猛，引起了人们的高度重视，并 将可能引发一场社会变革。 现代物流【l 】是以现代化物流信息技术为基础，整合运输、包装、装卸、搬 运、发货、仓储、加工、配送及信息处理等各种功能而形成的综合性物流活动。 现代物流不仅单纯的考虑从生产者到消费者的货物配送问题，而且还考虑从 供应商到生产者对原材料的采购，以及生产者本身在产品制造过程中的运输、保 管和信息等各个方面，全面地、综合性迪提高经济效益和效率的问题。因此，现 代物流是以满足消费者的需求为目标，把制造、运输、销售等市场情况统一起来 考虑的一种战略措施。这与传统物流把它仅看作是“后勤保障系统”和“销售活 动中起桥梁作用”的概念相比，在深度和广度上又有了进一步的含义。 在当今的电子商务时代，全球物流产业有了新的发展趋势。现代物流服务的 核心目标是在物流的全过程中以最小的综合成本来满足顾客的需求。 现代物流具有以下几个新特点： 第7 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 电子商务与物流的紧密结合： 现代物流是物流、信息流、资金流和人才流的统一； 电子商务物流是信息化、自动化、网络化、智能化、柔性化的结合； 物流设施、商品包装的标准化，物流的社会化、共同化。 电子商务的不断发展使物流行业重新崛起，目前美国的物流业所提供的服务 内容已远远超过了仓储、分拨和运送等服务。物流公司提供的仓储、分拨设施、 维修服务、电子跟踪和其他具有附加值的服务日益增加。物流服务商正在变为客 户服务中心、加工和维修中心、信息处理中心和金融中心，根据顾客需要而增加 新的服务是一个不断发展的观念。 相对于发达国家的物流产业而言，中国的物流产业尚处于起步发展阶段，其 发展的主要特点：一是企业物流仍然是全社会物流活动的重点，专业化物流服务 需求己初露端倪，这说明我国物流活动的发展水平还比较低，加强企业内部物流 管理仍然是全社会物流活动的重点；二是专业化物流企业开始涌现，多样化物流 服务有一定程度的发展。走出以企业自我服务为主的物流活动模式，发展第三方 物流，己是中国物流业发展当务之急。 1 2 本文研究内容 物资的储存是整个物流过程中的一个关键环节。仓库是储存物资的场所，是 物流活动的中转站，是调节物流的中心。如何高效地管理仓库、利用仓库，如何 规范化仓库作业，都是企业立于不败之地的重要因素。 本人参与设计和开发了起重机无线导引系统，该系统是用于大型钢厂，集装 箱码头等重型物资生产企业及物流中心的重型物资( 如钢卷等) 的入库、移位、 出库等的作业指导和监控，是实现自动化物流管理与立体仓库的重要基础。 本文将结合上述系统的设计与开发经验，讨论如何利用计算机技术开发现代 物流仓储系统的几个重要方面： 智能立体化仓库设计与可视化； 基于p 2 p 消息中间件和x m l 技术的作业系统设计； 移动计算( m o b i l ec o m p u t i n g ) 技术的应用探讨； 第8 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 1 3 本文组织结构 本文共有六章，第一章是引言，简单讲述了物流和现代物流的一些背景知识。 第二章是系统概述，描述了所开发系统的架构，以及对系统功能模块进行了 简单的说明。 第三章是立体化仓库设计和可视化，从立体化、智能化的角度，分析仓库模 型，抽象出一般性的数据库模型。然后，讨论了进行可视化显示、操作和监控方 面的问题。 第四章在分析了消息中间件和x m l 之后，以开发系统为例，分析了作业系统 的设计，包括消息协议的设计以及消息解析、监昕等模块的设计。 第五章讨论了移动计算技术在仓库管理系统中的应用，主要讨论了r f i d 技 术。r f i d 作为一种新兴的自动识别技术，具有显著的优势，应该得到足够的重 视。最后，本文提出了一个可配置性r f i d 读写模块的设计。 第六章是对所开发系统的简单演示。 第七章是总结和展望。 第9 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 2 1 系统简介 第2 章系统概述 钢铁企业中生产的产品( 如钢卷，冷扎板等) 及一些主要原材料具有重量大、 体积大的特点，对于这些物资的存储管理需要大型起重机天桥及专用起重机才能 进行作业。在进行物资入库、出库、移位等作业时，要求起重机操作员精确把握 当前起重机的位置及物资的起始、目标位置，以及随着计算机技术的不断发展， 软硬件的不断更新换代，迫切需要利用现代化的定位装置实时获得位置信息；另 外，在实际入库、出库、移库操作中，由于物件数量众多使得起重机的工作负荷 常常较大。因此，需要对仓库中的各起重机进行有效的作业调度，使得各起重机 协同、高效地完成作业。这就需要借助于计算机控制与管理的手段进行起重机作 业导引。 起重机无线导引系统就是基于这样的需求开发的，该系统主要用于大型钢厂 等重型物资生产企业及物流中心的重型物资( 如钢卷等) 的入库、移位及出库的 作业指导与监控，是实现自动化物流管理与立体仓库的重要基础。本系统是专门 针对各钢厂大型原材料库、中间产品库、成品库的管理要求而设计的，具有起重 机优化调度与智能导航、二维( 三维) 定位、数据自动采集、计算机无线通讯、 数据库管理及先进的物流管理等功能，能满足钢厂全方位仓储自动化管理的需 要。 起重机无线导引系统由无线通信网、场地管理计算机、起重机导引与操作计 算机、位置测量装鬣及相应的控制与管理软件组成。场地管理是由高级场地管理 计算机来实施的，由一台高可用的工业控制计算机来承担。起重机导引与操作计 算机是一台高可靠的主机与触摸屏可分离的工业控制计算机。 系统的主要特点包括： 1 采用成熟先进的软硬件技术和产品，确保系统的先进性、稳定性和可靠性。 2 先进的软件容错技术，确保系统在恶劣的工业现场及不可靠网络环境下的正 常运行。 ( 1 ) 地面控制中心与各起重机控制软件之间采用先进可靠的消息机制进行通 第1 0 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 信，确保在网络发生故障时，各软件能独立运行； ( 2 ) 起重机控制软件综合采用了软件滤波、就地日志等技术，保证数据采集 的正确性和软件运行的鲁棒性。 3 高配置性系统设计，可根据仓库实际情况进行微调。硬件设备均采用开放式 体系架构，可以根据用户的不同需求，安装使用相应的硬件板卡和部件。 4 在满足起重机无线导引的基础上，强化自动化物流管理和立体仓库功能。系 统不仅满足了起重机作业的调度、导引与监控，更提供了强大的物资管理接 口，为企业实施企业资源规划( e r p ) 系统提供了强有力的支持。 2 2 系统架构概述 起熏机无线导引系统组成如图1 1 和1 2 所示，其中图1 1 所示系统基于激 光测量，图1 2 所示系统基于光栅板和接近开关。系统主要包括地面控制计算机、 起重车控制机、测距装置以及无线通信网络。其中的无线通信网络采用 8 0 2 1 l b g 无线通信协议，通信频率为2 4 g h z ，这个频率是可以自由使用的，无 须无管委审批，通信速率达到5 4 m b p s ，并可根据通信质量自适应调整带宽，保 证通信的可靠性。地面控制计算机一方面通过有线企业内部网( 以太网) 接入企 业的生产物流管理中心，协助进行企业物流管理；另一方面通过无线网络和各 起重机进行通信，实现起重机作业指导与监控。 2 3 系统功能模块 整个系统由两个子系统组成：地面起重机作业调控系统和起重机作业执行系 统。系统间通过消息进行通讯和交互。 2 3 1 地面起重机作业调控系统 2 。3 。1 。1 系统简介 地面起重机作业调控系统是整个系统的控制中心，是作业的调度中心。 第1 1 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 图2 1 基于激光测距的起重车无线引导系统架构图 图2 2 基于光栅板测距的起重车无线引导系统架构图 他接收生产物流控制中心的物资入库命令和销售部门的出库命令；或根据仓库 第1 2 页拭7 2 页 浙江大学硕士学位论文 现场的物资存放情况及待存放物资属性，确定待存放物资的存放位置，或根据出 库物资的属性，选择仓库中的待出库物资；根据最优化调度算法，并可结合人工 干预的方式，调度适合的起重车完成相应的入库出库作业( 发送物资入库出库 命令) 。 地面起重机作业调控系统还可以动态地监控整个仓库地实际情况： a 仓库货物的存储信息 哪个位子已经存放货物，哪个位子已经调度即将存放货物，哪个位子是 空闲的等状态。 b 起重机的活动监控 起重机是否处在活动状态? 是否正在作业? 当前处在仓库中的什么位 置? 本系统提供强大的仓库物资存储与动态跟踪的图形化服务，以及提供接1 2 1 与 现有的生产物资管理的进行无缝连接，同时提供简单的物资管理功能。本系统 还具备一定的数据查询与统计功能。可以方便地进行多种出入库查询、库存查询 和物料信息查询。 2 。3 1 。2 功能模块 整个地面起重机作业调控系统，可以划分为以下功能模块，如图2 3 所示： 图2 3 地面起重机作业调控系统功能模块 l 翌竺塑堡銮二匝垂二二二二二二二 。1 。_ - 。_ _ _ _ 。h 。_ - _ _ - 。_ _ _ - _ _ _ 。，。_ _ _ _ _ _ _ _ 第1 3 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 连接管理模块 本系统是基于p 2 p 的消息中间件开发的，连接管理模块 主要用于管理自己的端口监听服务，以及与其他起重机 作业系统的连接。以便于消息解析与处理模块发送和接 受消息。 消息解析与处理模块该模块从连接管理模块接受消息，并加以解析、处理， 完成相应的操作( 如数据库操作、将事件通知界面等) 。 当然这个模块也提供了生成相应的消息，发送给目标作 业起重机系统。 数据访问模块数据库是现代物流系统不可或缺的，本系统也是如此。 数据访问模块，为系统提供了方便易用的数据库访问操 作，可以从数据库获取、存储或更新各种信息，同时为 数据查询和统计模块提供必要的支持。 数据缓存模块由于系统存在大型数据的访问，但是大部分数据的变化 并不是很频繁，使用数据缓存技术，可以有效地降低数 据库的负荷，同时提高程序执行的效率。 数据查询与统计模块提供一定的数据查询和统计能力，可以进行出入库查询、 物料信息查询、库存查询等。 作业调度模块这个整个系统比较重要的一个模块，通过有效地作业调 度和人工干预使起重机能够高效、准确地完成出库、入 库、移库等作业，提高仓库作业管理效率。 库图显示和设计模块这个模块主要用于整个仓库，或者局部仓库的实时跟踪 与监控，作业调度控制者可以全揽所有起重机的工作状 态、作业情况，以及仓库物资的存放情况等，当然也可 以在实施作业调度时人工地选取准确的位子进行出入库 或者移库操作。 该模块还提供库图设计的功能，以便能够方便地设计库 图满足实际仓库情况的需要。 第1 4 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 2 3 2 起重机作业执行系统 2 3 2 1 系统简介 起重机作业执行系统是安装在起重机上的，主要目的是能够让起重机操作着 能够接受地面控制台发来的起重机作业指令( 物资入库、出库、移库等) ，并可 以实时地显示起重机活动区域的情况( 如货物的存储情况、其他同区域内的起重 机活动情况) ，以及对当前起重机的移动地实时跟踪显示，当起重机到达预定位 置时进行声、像提醒，若起重机处于警戒位置，则提供相应的声、像报警等。 当起重机完成相应地作业指令，它会以消息的方式通知地面控制台，本系统 还具备了脱机作业的能力，提供缓存技术，即使网络出现断连，也能够准确无误 地工作。当网络重新连上以后，及时地将已完成的作业告诉地面控制台，以便数 据和状态的更新。 2 3 2 2 功能模块 整个起重机作业执行系统可以划分为如下功能模块，如图2 4 所示： 三墨 图2 4 起重机作业执行系统功能模块 功能模块名称功能描述 连接管理模块这个模块类似于地面起重机作业调控系统的连接管理模块， 不过相对简单，它只要管理自己的监听端口，以及与地面起 第1 5 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 重机作业调控系统进行连接通讯。以便于消息解析与处理模 块完成消息的接受和发送。 消息解析与处理这个模块从连接管理模块接受消息，并加以解析、处理，完 模块 成相应的操作( 如数据库操作、事件通知界面等) 。当然这 个模块也提供了生成相应的消息发送给目标作业起重机系 统。 数据访问模块 这个模块只在系统启动之初，用于装载库图信息，在之后的 实际运行中，由数据缓存模块代替，不再进行任何的数据库 操作，所有的操作将以消息的方式通知地面起重机作业调控 系统来完成数据库的更新。这样实现的方法可以更好地降低 两个子系统问的耦合度。 数据缓存模块这个缓存模块，主要是为了能够使起重机作业系统能够尽可 能的与数据库分离，以适应特殊的网络环境。此模块将缓存 系统启动之初从数据库中装载的库图数据信息。利用缓存技 术，可以有效地降低数据库的负荷，并提高程序执行的效率。 定位测距模块这个模块主要用于起重机仓库位置定位和测距。目前此模块 支持两种测距设备：激光定位和光栅板定位，具体详见在立 体化仓库设计与可视化一章。 库图显示模块此模块是用于库图的显示，俯视图主要显示起重机所活动区 域仓库的存储情况和其他起重机的活动情况，侧视图可以实 时看到起重机当前下方行的存储情况。 作业执行模块 作业执行模块，主要用于执行出入库或者移库指令。并能够 结合库图显示模块，进行实时她显示。 第1 6 页共7 2 页 浙扛大学硕士学位论文 第3 章智能立体化仓库设计与可视化 仓库是存储物资的场所，是物流活动的中转站，是整个物流过程中不可或缺 的部分，也是调节物流的中心。 随着物流活动的日益剧烈，货物存储数量不断增加，出入库频率急速增长， 迫切需要用现代化信息技术来“武装”仓库，提高仓库管理与运作的效率，提高 仓库可视化监控，能够实时地、全面地掌握仓储信息，以达到仓库作业的有效管 理。 智能化的仓库管理系统，能够有效地提高仓储管理，提高仓库空间的利用率， 加快仓储作业的执行效率，合理地分配劳动力，提高生产效率。从而达到人力资 源、设备利用、仓库存储的有效优化，提高企业的核心竞争力。 大型的货运码头，铁路仓库，钢铁公司的成品以及半成品仓库，都急需智能 化立体仓库的支撑，以适应不断变化的需求，来面对新的机遇，新的挑战。 那么，到底什么样才是智能立体化仓库呢? 3 1 智能立体化仓库 顾名思义，智能立体化仓库非常强调两点：智能化和立体化。 3 1 1 立体化 立体化是从空间角度出发的，是指高度地仓库空间利用率。结合使用起重机、 叉车等大型、重型起重设备，抛弃以往扁平式的仓库存储模式，合理地、科学地、 有效地利用仓库的存储空间。当然，这个必须与高效地出入库作业等协调，不可 一味地追求仓库存储率，而造成出入库的麻烦和不便。 3 1 1 1 区域布局 那么，如何合理地、科学地、有效地立体化布局整个仓库呢? 一般地，需要综合考虑以下几个方面： 第一，存储货物的属性( 大小、形状等) ： 第1 7 页共7 2 页 浙旺大学硕士学位论文 第二，仓库所使用地装卸设备的位置设置( 起重机、起重机、叉车等) ； 第三，货位的布置方式，可以是垂直或者平行的布置方式，也可以是倾斜式 的。 不同的布局方式，都有其优势和弊端，适应于不同的仓库存储需求。 3 1 1 2 货位统一编号 在完成区域布局之后，我们还对贷位进行统一的编号，以达到“标志明显易 找，编排循规有序”。 统一的货位编号，有助于效率的提高，可以准确快速地货物定位查找，方便 地查询特定货位的状态( 有无货) ，便于入库位置调度。 3 1 2 智能化 智能化是从管理的角度出发的，是指监控和管理的智能化。主要应该包括以 下方面： 第一，仓库存储信息的实时显示； 第二，仓库作业情况的实时监控，了解各作业装卸设备( 如起重机、叉车等) 的工作状态，比如说不工作、空闲、作业执行、暂停等； 第三，高效智能地作业调度以及手工作业分配。智能作业调度是指能够支持 批量出入库作业( 这是比较常见的出入库方式) ，智能地选取合适的 存储位置，合理地分配给合适的作业者进行作业。可以是最空闲的， 也可以是最方便作业的，还可以是调度多台起重机同时作业来完成。 手工作业分配，是智能作业调度的有效补充，调度者能够手动为出入 库操作选取合适的存储位置以及合适的起重机来完成作业。 第四，条形码技术，r f i d 等移动计算技术的使用，实现仓库系统的无纸化、 无线化管理，提高仓库管理的高效性和准确性。这部分讨论将在移动 计算一章中展开。 第1 8 页麸7 2 页 浙江大学硕士学位论文 3 2 立体化仓库设计思路 首先，必须明确一点，立体化仓库的设计不具有千篇一律的模式，必须根据 仓库的具体情况、存放物资的具体属性，以及仓库的具体用途等，进行合理地设 计。 本文将结合起重机无线导引系统所针对地大型钢厂仓库环境的设计，谈谈如 何进行立体化仓库设计。 3 2 1 仓库 仓库，其实是广义概念。一般地，我们会认为一堆红砖绿瓦砌成的，用于物 资存放的空间，就是仓库。 不过，从不同的角度出发，按照不同的特征和标志，把具有某些共性的仓库 归在一起，这就形成了仓库的不同分类。 按仓库在社会再生产中所处的领域不同划分【3 】，可以分为生产企业仓库和 流通仓库。生产企业仓库是指处在生产领域的物资仓库，是生产企业的组成部分， 不是一个独立的经济实体。流通仓库是指处在流通领域的物资仓库，根据其在流 通领域中的不同作用，又可以分为成品仓库、物资储运仓库和储备库。 按照储存物资种类的多少划分【3 】，可以分为同时储存一大类以上不同自然 属性的物资的综合性仓库和在一定时期内，只储存某一类物资的专业性仓库。 按照储存物资的不同保管条件划分【3 】，又可以分为： 审储存一些在保管上没有特殊要求的物资的普通仓库。 审设有采暖设备，能使库房保持一定温度的保温仓库。 争能使库房保持一定温度和湿度的恒温恒湿仓库。 审库房内能保持一定低温的冷藏仓库。 争用以存放易燃、易爆、有毒、有腐蚀性等一些对人体或建筑物有一 定危害的物资的特种仓库。 当然啦，还可以根据仓库的环境，分为室内仓库以及室外仓库。室内仓库如 大型钢厂的成品与半成品仓库，室外仓库如大型集装箱码头仓库。 一般地，仓库是具有一个一定空间大小的三维实体，可以将其抽象成长方体。 第1 9 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 所以其可以用长、宽、高三属性来规定。不过还是需要添加其他的辅助性、识别 性信息属性。比如说仓库的类型、仓库的名称等，以便于有效地、唯一地标识一 个仓库。 另外，具有不规则形状的仓库的确存在，对于这样的仓库还是需要具体问题 具体分析，本章还是从一般情形进行分析。 3 2 2 跨 我们知道像大型的钢厂成品与半成品仓库，集装箱码头都会使用双梁桥式起 重机 4 】进行货物的装卸，起重机的双梁就自然地限定了一块区域，这块区域就 是所谓的“跨”。 简单地，要描绘一个跨在仓库中的位置信息，如图3 1 所示，至少需要以下 属性： 踌l 黠2 图3 1 仓库中跨的位置信息 1 x 和y 表示跨位相对于仓库的位置便宜，假设仓库的左上角坐标为( o ， o ) ： 2 1 e n g t h 和w i d t h 分别表示跨的长度和宽度； 3 跨名，是对跨有意义的、唯一的标识； 4 如果更精确一点，则还要添加一个高度属性，表示起重机双梁的高度。 这个属性可以提高仓库位置信息的准确度，并为准确地实现三维虚拟 第2 0 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 显示提供支持。 如前面所述，我们需要定位装置来实时地定位起重机的位置，以便于监 控和管理。为了能够适应不同仓库环境，系统需要具有可配置性，以满足不 同工况的需要。一般有激光测距和光栅板测距两种定位装鼍。 3 2 。2 1 激光定位 激光测距传感器是一种利用激光传输时间来测量距离的装置。激光测距传感 器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经过目标物反射后激光向各 方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电 二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检 测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即 可测定目标距离。 图3 2 激光定位装置连接示意图 在基于激光定位的起重视无线导引系统中，每台起重机上安装了高精度的测 距传感器，以确定本起重机在仓库平面中的横向纵向( 即x ，y ) 坐标。其中的x 方向( 长距离方向) 采用a 型激光测距传感器，y 方向( 短距离方向) 采用b 型高精度激光测距传感器。a 型激光测距传感器在没有反光板时测量距离达到 1 5 0 米，在安装反光板后可达到8 0 0 米以上，最高可达1 0 0 0 米，其测量输出信 第2 1 页菇7 2 页 浙江大学硕士学位论文 号经无源的r s 2 3 2 4 2 2 信号转换器转换成4 2 2 信号后传输到控制计算机。b 型激 光测距传感器在没有反光板时测量距离达到1 0 0 米，在安装反光板后可达到3 0 0 米，a 型激光测距传感器的测量输出信号则直接传输到控制计算机。两个传感器 由一个双路输出的开关电源供电。 起重机上激光定位设备的连接如图3 2 所示。 3 2 2 2 光栅板定位 在基于光栅板定位的起重机无线导引系统中，每台起重机上安装了高精度的 光栅板定位装置，以确定本起重机在仓库平面中的横向纵向( 即x y ) 坐标。 在物资仓库的两个方向( x 方向和y 方向) 的侧面，安装了高精度的光栅板。 起重机天桥在沿x 方向移动时，与之相连的接近开关沿x 方向，距离光栅板约 l o 厘米平行于光栅板移动。由于光栅板是一条凹凸有序的钢性材料，每一个凹 口都等距离长，每一个凸都等距离长，在接近开关的移动过程中，由于光栅板的 凹凸变化，接近开关的电流输出随之变化，经整形输出后，由计算机采集到信号 的变化，转换为计算机可识别的开关电压信号，实现对光栅板的凹凸变化计数。 当光栅板的凹凸口距离已知时，就可以计算得到起重机在x 方向离参考点的实 际距离。同理可得到起重机在y 方向离参考点的实际距离。接近开关由一个双 路输出的开关电源供电，电压范围为d c9 - 1 5 v 。 接近开关( p r o x i m i t ys w i t c h ，简称p r o s w i t c h ) 分电感式、电容式、磁性 等不同种类。电感式接近开关( i n d u c t e ep r o x i m i t ys w i t c h ，i p s ) 由高频振荡、 检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器在传感器检测面产生一个交变电磁 场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生的涡流吸收了振荡器的能量， 使振荡减弱以至停振。振荡器的振荡及停振这两种状态，转换为电信号通过整形 放大器转换成二进制的开关信号，经功率放大后输出。 电容式接近传感器由高频振荡器和放大器等组成，由传感器的检测面与大 地之间构成一个电容器，参与振荡回路工作，起始牌停振状态。当物体接近传感 器检测面时，回路的电容量发生变化，使高频振荡器振荡。振荡与停振这二种状 态转换为电信号经放大器转换成二进制的信号。 本项目采用电感式接近开关进行位置测量。 第2 2 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 起重机上光栅板定位设备的连接如图3 3 所示。 图3 _ 3 光栅板定位装置连接示意图 在x 方向( 天车运行方向) 光栅板测距的硬件部署如图3 4 所示，其中的1 # 接近开关、2 # 接近开关分别用于定位1 # 位置参考点和2 # 位置参考点，计数 接近开关在确定系统的参考位置后进行天车移动时的计数，并计算天车的实际位 置。 y 方向( 起重机运行方向) 的硬件部署与x 方向类似。 图3 4 基于参考点的光栅扳测距 由于光栅板测距只能测量运动时的相对位移，因此，当起重机上的软件运行时 第2 3 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 首先要确定软件开始运行时，当前x 、y 的起始位置，这是通过在x 、y 方向分 别设置若干个位置参考点来实现的。在上图中，在x 方向设置了2 个参考点， 天车是否位于这两个参考点是通过相应的接近开关来判断的，如天车位于参考点 1 ，则1 # 接近开关会检测到“1 ”信号，如天车位于参考点2 ，则2 # 接近开关 会检测到“1 ”信号。每一个参考点在仓库x 方向的绝对位置被事先设置在起重 机上机器中的配置文件中。 当软件开始运行时，系统首先判断x 、y 方向是否在某个参考点位置。当起重机 到达相应的参考点位置时，就读取参考点的位置信息，作为系统测距时的参考位 置，以后天车和起重机运行时，通过各自的计数接近开关计算相对位移，从而得 到在x 、y 方向的绝对位置。如果软件启动运行时天车或起重机未到达参考点位 置，则相应x 、y 方向显示的位置为9 9 9 9 9 米，表示当前的位置信息非法，且起 重机控制软件不能进行作业导引。这时，司机应驾车到参考点位置，软件自动读 取参考点的位置信息，显示在画面上，这样，软件就可以正常工作了。 天车、起重机的运动方向通过一个来自相应电机的开关量信号接入起重机控制计 算机，当天车或起重机在x 、y 方向运动时，系统根据电机运动的方向信号决定 计算距离的方式，从而实现系统的可靠测距。 3 2 3 区域 区域是指跨内的一块空间，具有一定的功用和属性。比如说质检区，或者钢 卷存储区、集装箱存储区，又或者装卸区。 类似于跨的标识，区域可以由如下图所示的属性来表示 第2 4 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 图3 5 跨内区域的属性信息 般地，x ，y ，l e n g t h 和w i d t h 四个位置标识属性，区域名称再加上区域类 型属性就足够了。为什么要添加区域类型属性昵? 因为不同的区域具有不同的功 用，用不同的属性来标识，以便于可视化显示。比如说根据不同的属性，用不同 的颜色描绘等等。 3 2 4 行、列、层 行是区域中的行，以行的方式划分区域是最直接、最有效的方式。为了更加 有效的利用空间，应该把具有相同规格的货物堆放在一起，不然难以堆放。这就 意味着行、列、层是以一种紧密的方式结合在一起的。 首先，同行应该具有相同的列宽。 其次，我们应该对货物的形状进行一定地抽象，一般对于使用起重机进行装 卸的货物，多数为圆柱状( 如钢卷) 或者长方形( 如集装箱) ，这样，层与层之 间就存在两种堆放方式。 第一，对于圆柱状的货物，错位堆放比较适用，如图3 6 。错位堆放使货位 统一编号，和位置带来了一定的不便。但是由于列宽的一致，还是可 以方便的计算的。 第2 5 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 图3 6 圆柱状货物的堆放方式 第二，对于长方形的货物，正位堆放比较适用。货位编号也是非常一致的， 很容易在软件上实现显示，如图3 7 。 3 2 5 可存放位置 行 l2345 6 l23456 1 23456 图3 7 方形货物的堆放方式 对于一个特定的仓库，我们可以使用跨、区域、行、层、列即( 跨，区，行、 层、列五属性) 来严格地确定一个可存放货物的位置。如( 跨1 ，区a ，1 2 ，1 ， 1 0 ) 表示位于跨1 中区域a ，第1 2 行、1 层，l o 列的货物位置。 这样的位置表示可以方便的实现与具体坐标位置的转化，从而方便地进行可 视化显示。 假设位置标识如下( a ，b ，c ，d ，e ) ，跨a 相对于仓库的坐标偏移位( a x ， a y ) ，区域b 相对于跨a 的坐标偏移是( b x ，b y ) ，行c 相对于区域b 的坐标 偏移位( c x ，c y ) ，行c 的宽度( x 方向) 为c w i d t h , 行c 的列宽为c u n i t s i z e ， 并且行c 为正位堆放，那么我们可以计算得到( a ，b ，c ，d ，e ) 位置中心， 实际相对与坐标原点的偏移为( 假设列编号从1 开始) ( a x + b x + c x + c w i d t h 2 ，a y + b y + c y + c u n i t s i z c + ( e - 1 ) + c u n i t s i z e 2 ) 如果行c 为错位堆放，那么y 方向上的偏移计算会稍微复杂一点，其与坐 第2 6 页共7 2 页 浙江大学硕士学位论文 标原点的偏移为( 假设列编号和层编号都从1 开始) ( a x + b x + c x + c w i