自动化仓储系统智能调度管理软件设计

牛国营，祁光威，侯学斌，景美玲，云飞扬，湛红晖

（1. 中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062；2. 北京中车长客二七轨道装备有限公司 北京 102433；3. 华中科技大学无锡研究院，江苏 无锡 214100）

1 引言

自动化仓储系统（Automated Storage and Retrieval System，ASRS）是在不直接进行人工干预的情况下，能自动存储和取出物料的系统。其由高层货架，巷道堆垛起重机（提升机）、穿梭车、入出库输送机系统、自动化控制系统、仓储库管理系统及其周边设备组成，可对集装单元货物实现自动化保管和信息化管理。作为企业物料仓库、成品件仓库，自动化仓储系统广泛应用于机械、家电、汽车、食品、烟草等行业，以及物流领域的大型流通中心、配送中心。近年来，随着中国制造业的迅猛发展，自动化仓储系统也发挥着越来越重要的作用，它具有如节省占地面积、提高物流作业管理效率、提高仓库管理员的管理水平、缩减劳动工作量、降低误差概率、降低运输及储存过程中的损耗、充分利用流动资金等多方面的优点，已经成为企业智能制造系统建设的重要组成部分。

当前，自动化仓储系统正朝着高可靠性、安全性、保密性、友好的人机界面、网络化和远程控制方向发展。自动化仓储系统能否有效的运行在很大程度上取决于它的调度控制。为了提升自动化仓储系统信息化、网络化、智能化水平，本文对自动化仓储的智能调度管理系统进行了研究与设计。本文研究的自动化仓储系统是一种提升穿梭类密集全自动智能立体仓库，其主要由仓储货架系统、仓储物流作业设备、调度管理系统等软硬件组成。其中，调度管理系统主要包含仓库管理系统（WMS）、仓库设备控制系统（WCS）。一般智能调度管理系统大体上分为三个层次，最上层是WMS，负责仓储业务逻辑的处理；最下层是具体的物流设备，如提升机、输送线、穿梭车等；WCS位于WMS与物流设备之间的中间层，负责协调、调度底层的各种物流设备，使底层物流设备按照程序预先设定的流程执行仓储系统的业务流程，如图1所示。

图1 调度管理系统层级结构

2 调度管理软件架构

2.1 架构设计

自动化仓储系统智能调度管理软件体系架构，如图2所示，主要由仓库管理系统（WMS）、仓库控制系统（WCS）、视频监控系统（VMS）、物联网系统（IoT）和远程可视化系统等组成。

图2 软件系统体系架构图

软件系统主要由3部分组成。

第一部分由仓库管理系统（WMS）、仓库控制系统（WCS）、视频监控系统（VMS）、物联网系统（IoT）构成一个内部局域网络（LAN1），该网络与公共互联网络、企业内部网络在物理上分开，定位为样库内部管理和各类仓储设备的智能控制。WMS对整个立体仓库的运行进行统筹管理，下发任务给WCS执行，通过入库、出库、调拨、管理等功能，有效控制并跟踪物流管理全过程，实现仓储全面管理。WCS是仓库控制系统，是介于WMS系统和底层控制器之间的管理控制系统，负责协调、调度底层提升机、穿梭车、输送线等设备的运行和监控，使底层物流设备可以执行立体仓库的各项业务，实现立体仓库的自动化控制。视频监控系统VMS主要完成对立体仓库重点部位进行全天候视频监控、运行视频采集等任务；未来可通过图像处理、模式识别和计算机视觉技术，在监控系统中增加智能视频分析模块，过滤掉视频画面无用的或干扰信息、自动识别不同物体，判断监控画面中的异常情况，并以最快和最佳的方式发出警报或触发其他动作，从而有效进行事前预警，并对事中处理，事后及时取证的全自动、全天候、实时监控。物联网系统IoT主要实现货物、托盘识别、立体仓库运行过程温湿度、货架变形、照明、消防等环境要素的感知和反馈。

第二部分由仓库管理系统（WMS）和移动互联网服务系统（Server）、远程可视化系统组成一个局域网络（LAN2），LAN1与LAN2通过移动互联网服务系统（ServerAPP）中的双网卡进行信息交换，LAN2再通过移动互联网服务器的双网卡与公共网络进行信息交互。LAN2中远程可视化系统通过移动互联网服务系统（Server）与LAN1中仓库管理系统（WMS）进行内外数据的交换。远程可视化系统以可视化为手段，通过web、数字双胞胎、手持设备终端APP、公众号等多种方式实现立体仓库运行的远程可视化展示，用于远程监控、方案介绍及推介、典型案例展示等。在系统足够成熟和坚固之后，可以上传到网络，成为云WMS系统。

第三部分是由仓库管理系统（WMS）和外部应用系统组成一个局域网络（LAN3）。外部应用系统根据立体仓库的应用场景各异。对制造业一般为ERP、MES，与WMS进行BOM、物料主数据、物料流转任务等信息交互；对租赁市场一般为租赁管理系统等集成，与WMS进行货位库存、货物存放要求、租赁时间等信息交互。WMS可通过Web Serivce/TCP IP等方式与外部应用系统进行集成，根据客户具体需求开发对应API，实现信息集成、交互。

2.2 通信网络设计

软件系统需要服务器、工控机、PLC、无线通信模块、摄像头、网络录像机、交换机、路由等多种硬件载体支持，系统通信网络及连接方式如图3所示，主要分为3部分：

图3 系统通信网络拓扑图

第一部分是LAN1局域网内仓库管理系统（WMS）、仓库控制系统（WCS）、视频监控系统（VMS）、物联网系统（IoT）之间的通信。采用主从式架构，以仓库管理系统（WMS）为主站，仓库控制系统（WCS）、视频监控系统（VMS）、物联网系统（IoT）为三个从站，通过交换机实现内部网络贯通和通信。仓库控制系统（WCS）又可细分为工控机与穿梭车通信接口、工控机与提升机通信接口、工控机与输送线通信接口3个子网络通信，其中工控机与输送线之间通过以太网按照TCP/IP协议通信，工控机与穿梭车、提升机之间通过WIFI进行通信。

考虑到提升机、穿梭车需要进行较长行程的运动，以及高密度货架对无线信号的屏蔽影响，WCS与提升机、穿梭车之间通过 WIFI进行通信。具体为：在提升机控制箱内设置路由器，提升机PLC通过网线直接连接到路由器，WCS工控机通过无线网卡或者无线模块与路由器相连，穿梭车PLC通过无线网桥与路由器进行通信。

第二部分是LAN2局域网内仓库管理系统（WMS）、移动互联网服务系统（Server）、远程可视化系统组成一个局域网络（LAN2）之间的通信，主要目的是为后续立体仓库的远程运维、商业应用、远程可视化展示、客户现场推演等服务。LAN1与LAN2通过移动互联网服务系统（Server APP）中的双网卡，与LAN1中仓库管理系统（WMS）进行内外数据的交换进行信息交换。通过信息交互将加密后的WMS数据库和WCS控制程序上传到互联网云中心，用于远程可视化展示及远程监控。

第三部分是WMS与外部信息化系统组成一个局域网络（LAN3），主要包括ERP系统、MES、OA等。为满足客户的个性化需求，使系统适应多种行业，完善WMS/WCS 功能，需要提供各种个性化功能集成，拟通过Web Service 进行信息交互。

3 业务流程分析

3.1 入库流程

1）指令接收：WMS通过外部接口或者现场输入，接收入库需求（货物类型、数量、规格型号、堆码方式、批次、厂家、生产日期等），作为入库业务输入，并将入库需求传递给物联网系统，根据需要打印货物标签。

2）堆垛放置：仓管员按照入库需求，在理料区安排托盘并按照不同货物要求规范堆码、存放。

3）货物扫码识别：货物通过条形码或二维码识别，托盘采用RFID识别。将货物标签张贴在货物表面，通过扫码枪、RFID读写器完成货物标签与载具RFID信息绑定，存储到WMS数据库，将货物类型、规格型号、厂家等信息写入RFID电子标签。

4）入库指令生成：WMS将入库业务指令下发给调度系统（WCS-DS），调度系统从设备监控系统中读取各个设备的实施状态，反馈是否具备入库条件；调度系统（WCS-DS）结合已存在的出入库作业，根据调度算法生成入库任务列表、执行机构编号等，并发送给设备监控系统。根据需要将入库视频控制指令发送给视频监控系统（VMS）。

5）信息核对：仓管员使用叉车将货物+载具放置到输送线，输送线启动后通过设置的RFID读写器自动读取载具RFID电子标签，经过外形检测、称重后，反馈给调度系统（WCS-DS），调度系统（WCS-DS）对货物标记及调度优先级进行信息核对，确认无误后下发给设备监控系统，允许入库信息作为自动入库输入触发，如果错误则发出警报退回输送线入口。

6）自动入库：设备监控系统接收调度系统（WCSDS）下发的入库信息后，转换成输送线、提升机和穿梭车的控制指令，驱动各个设备执行。

7）信息反馈：在完成入库作业后，设备监控系统依次返回输送线、提升机、穿梭车任务完成情况，调度系统（WCS-DS）同时把任务完成信息返回给WMS，进行入库管理和库存更新。

3.2 出库流程

1）指令接收：WMS接收出库需求（货物种类、数量、规格型号、批次、厂家等），作为出库业务输入。

2）出库设置：WMS自动进行库存查询，并按照先进先出、先进后出、就近出库、指定货位出库等原则生成出库作业，将出库业务指令、货位坐标等信息发送给调度系统（WCS-DS）。

3）出库指令下发：调度系统从设备监控系统中读取各个设备的实施状态，向WMS反馈是否具备出库条件；调度系统（WCS-DS）结合已存在的出入库作业，根据调度算法生成出库任务列表、出库优化路径等信息，并发送给设备监控系统。根据需要将出库视频控制指令发送给视频监控系统（VMS）。

4）自动出库：设备监控系统接收调度系统（WCSDS）下发的出库信息后，转换成输送线、提升机和穿梭车的控制指令，驱动各个设备执行。

5）信息反馈：完成出库作业后，设备监控系统向调度系统（WCS-DS）返回任务完成信息，并等待接收下一个任务命令。调度系统（WCS-DS）同时把任务完成信息返回给 WMS，进行出库管理和库存更新。

3.3 移库流程

1）指令接收：WMS接收移库需求（货物种类、数量、规格型号、批次、厂家等），作为移库业务输入。

2）移库设置：WMS自动进行库存查询，并按照就近移库、指定出库等原则生成移库作业，将出库业务指令、起始货位坐标、目标货位坐标等信息发送给调度系统（WCS-DS）。

3）移库指令下发：调度系统从设备监控系统中读取各个设备的实施状态，向WMS反馈是否具备移库条件；调度系统（WCS-DS）结合已存在的出入库作业，根据调度算法生成移库任务列表、移库优化路径等信息，并发送给设备监控系统。根据需要将移库视频控制指令发送给视频监控系统（VMS）。

4）信息核对、自动移库：设备监控系统接收调度系统（WCS-DS）下发的移库信息后，转换成提升机和穿梭车的控制指令，驱动各个设备执行。

5）信息反馈：完成移库作业后，设备监控系统向调度系统（WCS-DS）返回任务完成信息，并等待接收下一个任务命令。调度系统（WCS-DS）同时把任务完成信息返回给WMS，进行库存更新。

4 系统软件设计

4.1 仓库管理软件（WMS）

仓库管理系统是仓库的中枢系统，负责立体仓库系统出入库业务管理、信息集成、互联互通，由仓库管理计算机组成，对内通过网络形式与仓库控制系统WCS、视频感知系统、物联网系统互联，对外与互联网、ERP等外部系统通过网络连接，进行信息交互。

本软件主要功能包括基础数据管理、理料信息绑定、出入库业务管理、系统的日常维护管理、信息集成管理等。

4.2 仓库控制软件（WCS）

WCS对每种设备的控制大致归纳为两个层次：设备控制层、设备通信层。这种划分相当于把设备的通用控制逻辑抽象到设备控制层中，而设备通信层则只负责不同设备的连接。物流流程的执行逻辑从上层经过中间层的协议打包转化成直接的特殊设备控制指令发到具体的物流设备中，物流设备的状态则从反方向传到上层。通过对每种设备的抽象分层后。各层的功能相对独立。整仓库设备控制系统包含的主要功能模块为设备集成控制模块。

设备集成控制模块用于智能搬运设备集成控制。一方面，它接收系统出入库指令，并将其发送给PLC，从而驱动升降机、穿梭车、自动输送线等相关物流设备产生相应动作。另一方面，它将设备运行的状态及数据实时反馈给系统，包含任务管理、作业调度、设备通信、设备监控、运行日志、异常处理等功能。

5 结束语

对自动化仓储系统的智能调度管理软件进行了研究与设计，通过对入库/出库/移库业务流程的规划、库存的管理、WMS、WCS等软件系统的设计，制定了软件系统架构和通信网络，实现了自动化仓储系统信息化、网络化、智能化管控。通过本系统可全面掌控仓库当下库存、单据状态、任务执行各方面的情况，能有效监控仓储物流作业设备状态，保证了系统信息流和物质流的一致性和准确性。本文为企业仓储系统规划和设计提供了理论支持。