信息物理融合系统在仓储监控管理中的应用研究

信息物理融合系统在仓储监控管理中的应用研究

一、引言随着计算机、网络通信与自动控制技术的进步，信息物理融合系统（Cyber-physicalSystem，以下简称CPS）的研究与发展受到了世界各国的高度重视。CPS从广义上理解，就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信与控制能力的可控、可信、可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合与实时交互，来增加并扩展新的功能，以安全高效和实时的方式监测或控制一个物理实体。[1]现代物流系统需要大力发展基于信息与自动化设备的物流管理与控制系统，而在其中占相当大比例的仓储系统更是迫切需要实现高水平的管控一体化，即将原本各自独立的管理信息系统与仓储设备自动控制系统整合为一个整体，进一步提升物流系统整体的运行效率与安全性。CPS具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治五大功能，研究如何将CPS应用于仓储管控一体化系统具有广阔的前景。二、仓储管控一体化系统仓储是物流的重要作业环节，现代化的仓储系统通常配备有先进的搬运、传送、存放、标识、计量等物流作业设备，相应配置有能满足个性化作业流程的管理信息系统、自动控制系统与安全监控系统。为保障协调、高效、安全的仓储作业，实现管控一体化管理成为业内专家学者和企业技术人员共同努力的方向。[2]1.仓储作业管理信息系统。仓储作业管理信息系统对仓储作业过程中发生的出入库货物的品种、数量、时间、频率以及库中结存等各种数据进行详细记录，并利用这些信息对各作业环节进行有效控制，通过对这些信息的分析处理，制定合理的操作策略，确保必要的库存水平及仓库中货物的移动，保证进货、订单拣选、发货等作业环节衔接通畅。2.仓储设备自动控制系统。物流自动化系统可以看成物流机械设备、信息采集与信息识别设备、执行设备及计算机（智能）控制设备等的有机集成。仓储自动化系统是物流自动化系统最具代表性、应用最为普遍的形式，具有物流自动化系统的主要特征。从设备控制的视角看，仓储自动化系统按大类划分可以包括输送设备自动控制系统、搬运设备自动控制系统、分拣设备自动控制系统、堆垛机自动控制系统等。3.仓储运行安全监控系统。仓储运行安全监控通常包括仓储环境监测和仓储作业设备监控两大部分，其主要作用是实时监测仓储环境的状况参数和仓储作业设备的运行状态参数，分散或集中数据处理，并及时对异常情况进行报警。仓储环境监测就是要利用各种先进的检测手段对表征仓储环境状况的参数（如温度、湿度、光照度、空气含氧量等）进行实时测量、记录、计算、报警等，以达到监控仓储运行环境安全性和为将来改善仓储作业环境提供历史分析数据的目的。现代仓储系统配备的作业设备监控系统，就是运用先进的监控设备和技术手段对关键作业设备进行实时监测和安全处理，确保仓储作业的安全与高效率。4.管控一体化与系统整合。仓储管控一体化系统是将仓储管理信息系统与仓储控制系统集成为一个整体，在信息充分共享的基础上，实现作业管理、设备自动控制和安全监控一体化管理。管控一体化系统的建设需要信息采集与处理、计算机、网络、自动控制等多学科技术的交叉融合，需要及时引入新的技术，以适应不断增长的仓储管理复杂性的要求。仓储管控一体化系统至少应包括前面阐述的三大子系统，即仓储作业管理信息系统、仓储设备自动控制系统和仓储运行安全监控系统。由于研究与应用较早，加之计算机软硬件和以太网、互联网技术的广泛应用，仓储作业管理信息系统在体系结构、硬件选择与使用、软件开发、运行管理等方面已经不存在任何技术障碍，作为仓储管理的主体系统，其技术相对成熟。但目前我国物流自动化规模和水平与发达国家相比还存在较大差距，设备自动控制和安全监控系统应用技术落后，可供借鉴的应用样板工程缺乏，装备自动控制设备以中低档可编程控制器（PLC）、工业控制计算机和智能仪器仪表为主，采用一体化、高可靠性、高性能控制设备（如集散控制系统）的仓储系统很少。同时，在设备选型上缺乏行业规范和标准，物流自动化系统中各设备控制子系统相对独立，使得整个仓储控制系统设备杂，集成度低，信息共享不充分。因此，无论是改造旧系统，还是设计建设新系统，实现仓储管控一体化的难度都集中到了不同种类的信息化与自动控制设备之间的通信联网、信息标准化、时间同步等问题上。三、CPS在仓储监控管理中应用的技术分析国际上称CPS为网络化物理系统或深度嵌入式系统，在监测和控制复杂而动作快速的物理系统运行时，CPS在严格的计算能力、内存、功耗、速度、重量和成本约束下，必须可靠地工作，在大多数应用场合，CPS都是系统的关键。[3]1.CPS的技术特征。CPS是信息领域中网络化、信息化技术与物理系统中控制、自动化技术的融合。小型化、低成本、环保节能的新型材料传感器、显示器、控制芯片等技术，都是CPS的关键技术。CPS要求计算技术与控制技术的融合，要求把处理离散事件、不关心时间和空间参数的计算技术与处理连续过程、注重时间和空间参数的控制技术融合起来。CPS系统中的计算技术主要是嵌入式系统，这种系统不再是传统的封闭系统，而是要通过网络与其他信息系统进行互联和互操作，是一种开放的系统，具有高可靠性、商效率和实时处理能力。CPS的核心是3C（这里的“3C”是计算（Computation）、通信（Communication）、控制（Control）三个单词英文首字母的缩写）融合，是计算、物理、控制等多学科交叉融合的系统，CPS不但强调物理感知功能，还突出强调控制功能。因此，从本质上说，CPS是一个具有控制属性的网络系统，它包含传统控制中很少使用的无线网络，在使用中信息传播、共享、融合更为明确，开环与闭环控制并用。[4]2.CPS的技术潜力。CPS是深度嵌入式实时系统，是一种通过网络技术将传感器技术、控制技术与计算技术充分融合，将信息系统与物理系统连接成一体，从而改变人与现实物理世界之间交互方式的分布式网络系统。研究CPS的构成发现，CPS可以包括传感器、执行器、控制器和网络，或者仅包含其中的几个部分。与传统的控制系统相比，CPS更强调完整的系统架构和高可靠的分布式嵌入式节点的互连以及节点之间的协同工作。整个系统在开放的标准化上层管理软件及中间件的整合下协同工作，信息处理工作量更大，系统运行优化程度更高，网络连接形式更为复杂。在硬件上设计集感知、计算、控制、联网等功能于一体的CPS，架构连接这些节点的网络系统是未来相当长一段时间（10～20年）内需要研究和解决的技术难题。无论发展速度快慢，在一个单独实时运行的节点上，具备如此多的功能，甚至还可通过标准化的软硬件接口扩展其应用，对于构建新型管控一体化系统显然具有相当大的吸引力。3.CPS研究与应用的技术策略。目前，CPS的研究如火如荼，美国、欧盟、日本、韩国等工业发达国家甚至将CPS的研究与普及应用提升到了国家科学技术发展的战略高度，有详细的研究计划，并投入了大量的人力和物力。然而，目前成熟的硬件技术在设计低成本、实时联网、具备可预测和强鲁棒性的嵌入式系统方面存在相当大的难度，现有的计算机软件技术对于生成可预测和高可靠的计算系统并不支持，[5]CPS的应用与发展还需要研究和解决许多基础性科学问题。无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，以下简称WSN）与射频识别技术（RadioFrequencvIdentification，以下简称RFID）在智能物流领域得到了一定应用，是CPS的核心技术。从目前的技术及应用来看，WSN在环境监测和设备状态监控方面具有独特的技术优势，RFID在物品标识和设备管理等物流领域具有广阔的应用前景。[6]将WSN与RFID及通用无线分组业务（GPRS）等技术相结合，集多种技术优势为一体，产生符合生产需要的新特性、新功能，将成为物流新技术应用的趋势。[7]CPS研究中存在的挑战包括：基础理论与系统模型、安全性、可靠性、标准化、通信协议、系统调度与协同运行等问题，要完全解决这些问题需要相当长的时间。针对仓储监控管理的技术需求和特点，目前CPS研究与应用要遵循如下策略：（1）研究规划符合物流信息化与自动化特点的CPS体系结构；（2）研究设计符合物流信息化与自动化特点的CPS节点统一硬件模型；（3）重点研究解决CPS节点与其他信息和自动化设备的联网通信问题；（4）根据具体应用的需求，设计符合统一硬件模型规范的简化CPS，并在应用中不断改进完善；（5）积累经验，逐步提高CPS在物流领域的应用水平。四、总结CPS的应用潜力巨大，