0 引 言

随着科学技术的不断发展,尤其是自动控制技术、网络技术、计算机技术的发展,信息物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)的研究得到了全球各界的广泛关注。何谓CPS,从广义的角度来看,它是一种网络化的物理设备系统,是在环境感知的基础上,对控制、通信与计算进行了深度融合,从而形成的一种可控、可信、可扩展的系统[1],它可以通过物理进程与计算进程来实现深度融合,并对新的功能进行增加与拓展[2],对物理实体进行更加安全高效与实时的控制。

在现代物流系统中,若想实现物流管理与控制系统的自动化,就需要大力发展基于信息的控制系统。在物流系统中,仓储系统占据了极大的比重,因此更需要管控一体化。CPS具有5大功能,分别是计算功能、远程协作功能、自治功能、精确控制功能与通信功能,对应用CPS的仓储管控系统进行一体化研究具有非常广阔的发展前景。

1 系统定义

在物流的所有环节中,仓储这一作业环节至关重要,很多现代化的仓储系统都配备了比较先进的物流作业设备,比如搬运设备、传送设备、存放设备等,同时也配置了相应的管理信息系统。就当前的发展来看,仓储作业务必满足协调、高效与安全的要求,而这也恰恰是企业技术人员与业内专家学者正在努力的方向[3]。

1.1 仓储作业管理信息系统

仓储作业管理信息系统能够对仓储作业的过程进行详细记录,比如货物品种、货物数量、库存等,只有充分利用这些信息才能对作业的各个环节进行最佳控制,只有基于信息分析与处理制定的有针对性的操作策略才能确保各个环节连接畅通。

1.2 仓储设备自动控制系统

本文将物流自动化系统看成是若干个设备(比如机械设备、信息采集与执行设备、智能控制设备等)的有机集成。从设备控制的角度把仓储自动化系统按照一定的规则分类,分为搬运控制系统、输送控制系统和分拣控制系统等。

1.3 仓储运行安全监控系统

通常情况下,仓储运行安全监控分为两大部分,即仓储环境监测部分和仓储作业设备。在仓储环境监测过程中,需要综合利用先进的监测手段对相关参数进行有针对性的监测,比如温度、光照、含氧量等,以有效保障仓储运行环境的安全[4]。在仓储作业设备监控过程中,需要利用技术手段与先进的监控设备对关键设备进行实时监控,以确保作业过程的高效与安全。

1.4 仓储管控一体化系统

仓储管控一体化系统是将仓储控制系统与仓储管理信息系统合二为一的系统,该系统的基础是信息共享,实现所有环节的一体化管理。该系统需要多种技术进行交叉融合,如自动控制技术、数据通信技术、网络技术等,同时还要将最新的技术引入仓储管理系统中。通常情况下,仓储管控一体化系统必须包括至少3种以上的子系统,比如安全监控系统、自动控制系统、信息管理系统等[5]。

2 系统架构

国际上通常把CPS称为深度嵌入式系统,或者网络化物理系统。其在对物理系统进行监测与控制时,可以通过CPS对各项指标进行严格的计算,从而形成一定的约束,使系统工作更加可靠[6]。

2.1CPS的技术特征

CPS本质上就是多种技术的融合,比如执行技术、控制技术、网络技术、信息技术等,其关键技术是趋于低成本、小型化、环保型的技术。在CPS中需要将计算机技术与控制技术按照一定的规则进行深度融合,所用到的计算技术通常为嵌入式系统技术(这是一种开放的系统)。嵌入式系统需具有高效率与高可靠性等特点,也需要具有实时处理的能力[7]。

在CPS的技术中,最核心的是融合,换言之,它是一种物理计算与控制的多学科交叉融合系统。CPS不仅强调物理感知功能,也重视控制功能。因此CPS是一种拥有控制属性的网络系统,开环与闭环控制并用[8]。

2.2CPS的技术潜力

CPS作为一种实时、深度嵌入式的系统,采用网络技术方式将计算、控制与传感融为一体,使得物理系统与信息系统合二为一,进而有效改变分布式网络系统架构。

对CPS的构成进行深入研究后发现,CPS不仅可以包括全部网络、执行器、控制器与传感器,也可以只包含某几个部分。与一些比较传统的控制系统相比,它更强调高可靠性与协同工作。在整个系统中,网络连接变得更加复杂,信息处理的工作量也变得更大,系统的优化程度也将更高。设计一种集多种功能于一体的CPS(硬件),在当前发展阶段依然需要克服部分技术难题。但不论发展速度如何,构建新型管控一体化系统对整个行业而言具有重要价值。

2.3CPS的基本功能单元

CPS的基本组件包括传感器组件、执行器组件、决策控制单元组件[9]:

(1)传感器能够对外界信号进行监测与感知;

(2)执行器可以对受控对象进行控制;

(3)决策控制单元可以严格按照用户的语义规则做出相应的控制逻辑。

CPS的基本功能逻辑单元主要包括基本组件部分与反馈循环控制机制[10],如图1所示,具体流程如下:

(1)物理世界和计算世界的接口通常由传感器与执行器承担,用户所发出的相关要求由决策控制单元进行部署与监测；

(2)传感器将自身所采集的信息直接反馈给决策控制单元,通过计算之后得到控制指令;

(3)执行器严格按照控制指令对物理对象进行相应的指令操作。

图1CPS的反馈环   

2.4 仓储管控一体化系统架构

CPS是一种多机构元素构成的复杂系统,由于行业的不同,往往需要特定的系统结构。如果从技术实现的角度来看,我们通常把它分为三个层次,第一层为物理层,第二层为网络层,第三层为应用层[11]。这种结构通常只能将相应的层次关系反映出来,但在真正实践中,所包含的组成元素通常可能会出现很大差别,不论是信息的传递关系,还是层间的相互联系,都有可能出现复杂的情况[12]。仓储管控一体化系统的构成如图2所示。

图2 系统构成   

2.4.1 物理层

在仓储CPS中,其物理层往往是与物理世界交互的主要部分,地理上分布的各类CPS单元都可以归为物理层,外部世界通过物理层感知信息,同时也通过物理层改变环境。

可以将CPS单元看作一个单独的CPS节点(比如可将一台可移动手机,一台手持终端PDA看作单独的CPS节点,也可将智能传感器集合等看作单独的CPS节点)。

2.4.2 网络层

网络层可以有效实现异构CPS单元的互联互通,它能够有效支持各单元之间的互操作。在CPS中,实现资源共享的基础是网络层。若要实现无缝连接,则通常会屏蔽异构性,为资源共享提供基础网络,之后采用透明方式提供即插即用服务[13]。网络层主要由中间件服务器组成,中间件是一种介于应用程序与操作系统间的软件层,其主要作用是建立互操作机制,将底层的复杂性和异构性有效屏蔽,为应用软件提供最佳运行环境,帮助用户开发应用软件[14]。中间件充当着转换服务器的角色,很多不兼容的设备可通过中间件服务器将异质信息转化为同质信息,无障碍地进行数据交换。

2.4.3 应用层

应用层是面向用户的一体化平台,它能够按照一定的方式把网络层与物理层封装成不同的应用模块。用户在使用过程中无需担心底层细节方面的问题,可以通过管控一体化平台来详细了解作业信息、环境信息与设备相关信息,依据相关信息便可实现对资源的查询与配置,从而有效实现设备的控制与调度,完成实时监测任务。

用户仅需进行一些简单的操作便可以与系统交互,实现相关管理。系统将相关信息详细呈现在用户面前,进行简单操作便可查看相关信息,如温度、湿度、光照等。以信息融合为基本核心的物流仓储管控一体化系统对多学科技术进行了深度交叉融合,尤其是计算机技术、信息采集与传输技术、自动控制技术、网络通信技术。在这些技术的深度交叉融合之下,使物流仓储的管控一体化系统功能性更强、兼容性更好、扩展性更佳,并适应仓储管理不断增长的复杂性特点。从一个方面来看,它可以有效依据CPS节点采集信息,对仓储作业进行全面有效的管理,多角度多方位,采用更加科学的方法,使仓储系统的管理实现全局最优;从另一个方面来看,系统通过协同作用能够实现各仓储元素的协同工作,使得系统的服务水平更上一层楼,从而实现全面、科学、有效、专业、规范的管理。

3 结 语

CPS的应用有超过20世纪信息技术革命的潜力[4],把它应用在仓储管控一体化系统中优势明显。但就目前比较成熟的计算机技术而言,对于设计低成本、实时监测,并具有良好安全性和可靠性实用系统的难度较大,因此,实现CPS的广泛应用与长足发展还需要研究并解决诸多基础性问题。本文在分析CPS技术特征和技术潜力的基础上给出了CPS的基本功能单元,并依据仓储管理的特点给出了一种通用的仓储管控一体化系统架构。

在本文的研究中,已经有效完成了系统构成框架的设计与参数的详细分析,特别适用于仓储监控的CPS单元研究与开发及上位监控界面开发等。本研究还在实验室状态下有效完成了联网测试工作。在下一步的工作中将会针对一些具体工程,确定需要监测的环境信息与需要监控的设备,以CPS节点管理部署为基本切入点,对以CPS节点信息动态调整为核心的仓储流程技术方案进行更加深入的研究,严格按照管控一体化思想,真正集成工程应用系统,为推动CPS在物流领域的应用添砖加瓦。