姜天 趙靜

摘 要：CPS具有強(qiáng)大的功能，比如計(jì)算功能、自制功能、通信功能、控制功能、遠(yuǎn)程協(xié)作功能等，對(duì)CPS進(jìn)行深入研究具有廣闊的前景。就目前發(fā)展來看，即使是成熟的硬件技術(shù)在設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的過程中也存在較大的困難;現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)還很難滿足可預(yù)測(cè)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要求與高可靠的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要求;在CPS應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展過程中，仍然需要解決很多基礎(chǔ)性問題。該文在分析了CPS技術(shù)特征和技術(shù)潛力的基礎(chǔ)上給出一種CPS基本功能單元的反饋工作機(jī)制的描述，并依據(jù)倉儲(chǔ)管理的特點(diǎn)給出一種通用的倉儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)架構(gòu)，詳細(xì)分析了其工作機(jī)理，并展望了目前的研究工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：信息物理融合系統(tǒng);倉儲(chǔ);管控一體化;信息管理;自動(dòng)控制;安全監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）02-00-03

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）的研究得到了全球各界的廣泛關(guān)注。何謂CPS，從廣義的角度來看，它是一種網(wǎng)絡(luò)化的物理設(shè)備系統(tǒng)，是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，對(duì)控制、通信與計(jì)算進(jìn)行了深度融合，從而形成的一種可控、可信、可擴(kuò)展的系統(tǒng)[1]，它可以通過物理進(jìn)程與計(jì)算進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)深度融合，并對(duì)新的功能進(jìn)行增加與拓展[2]，對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行更加安全高效與實(shí)時(shí)的

控制。

在現(xiàn)代物流系統(tǒng)中，若想實(shí)現(xiàn)物流管理與控制系統(tǒng)的自動(dòng)化，就需要大力發(fā)展基于信息的控制系統(tǒng)。在物流系統(tǒng)中，倉儲(chǔ)系統(tǒng)占據(jù)了極大的比重，因此更需要管控一體化。CPS具有5大功能，分別是計(jì)算功能、遠(yuǎn)程協(xié)作功能、自治功能、精確控制功能與通信功能，對(duì)應(yīng)用CPS的倉儲(chǔ)管控系統(tǒng)進(jìn)行一體化研究具有非常廣闊的發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)定義

在物流的所有環(huán)節(jié)中，倉儲(chǔ)這一作業(yè)環(huán)節(jié)至關(guān)重要，很多現(xiàn)代化的倉儲(chǔ)系統(tǒng)都配備了比較先進(jìn)的物流作業(yè)設(shè)備，比如搬運(yùn)設(shè)備、傳送設(shè)備、存放設(shè)備等，同時(shí)也配置了相應(yīng)的管理信息系統(tǒng)。就當(dāng)前的發(fā)展來看，倉儲(chǔ)作業(yè)務(wù)必滿足協(xié)調(diào)、高效與安全的要求，而這也恰恰是企業(yè)技術(shù)人員與業(yè)內(nèi)專家學(xué)者正在努力的方向[3]。

1.1 倉儲(chǔ)作業(yè)管理信息系統(tǒng)

倉儲(chǔ)作業(yè)管理信息系統(tǒng)能夠?qū)}儲(chǔ)作業(yè)的過程進(jìn)行詳細(xì)記錄，比如貨物品種、貨物數(shù)量、庫存等，只有充分利用這些信息才能對(duì)作業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行最佳控制，只有基于信息分析與處理制定的有針對(duì)性的操作策略才能確保各個(gè)環(huán)節(jié)連接暢通。

1.2 倉儲(chǔ)設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)

本文將物流自動(dòng)化系統(tǒng)看成是若干個(gè)設(shè)備（比如機(jī)械設(shè)備、信息采集與執(zhí)行設(shè)備、智能控制設(shè)備等）的有機(jī)集成。從設(shè)備控制的角度把倉儲(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)按照一定的規(guī)則分類，分為搬運(yùn)控制系統(tǒng)、輸送控制系統(tǒng)和分揀控制系統(tǒng)等。

1.3 倉儲(chǔ)運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)

通常情況下，倉儲(chǔ)運(yùn)行安全監(jiān)控分為兩大部分，即倉儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)部分和倉儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備。在倉儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中，需要綜合利用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)手段對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行有針對(duì)性的監(jiān)測(cè)，比如溫度、光照、含氧量等，以有效保障倉儲(chǔ)運(yùn)行環(huán)境的安全[4]。在倉儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備監(jiān)控過程中，需要利用技術(shù)手段與先進(jìn)的監(jiān)控設(shè)備對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保作業(yè)過程的高效與安全。

1.4 倉儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)

倉儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)是將倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)與倉儲(chǔ)管理信息系統(tǒng)合二為一的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的基礎(chǔ)是信息共享，實(shí)現(xiàn)所有環(huán)節(jié)的一體化管理。該系統(tǒng)需要多種技術(shù)進(jìn)行交叉融合，如自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，同時(shí)還要將最新的技術(shù)引入倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)中。通常情況下，倉儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)必須包括至少3種以上的子系統(tǒng)，比如安全監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)等[5]。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

國際上通常把CPS稱為深度嵌入式系統(tǒng)，或者網(wǎng)絡(luò)化物理系統(tǒng)。其在對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制時(shí)，可以通過CPS對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，從而形成一定的約束，使系統(tǒng)工作更加可靠[6]。

2.1 CPS的技術(shù)特征

CPS本質(zhì)上就是多種技術(shù)的融合，比如執(zhí)行技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)等，其關(guān)鍵技術(shù)是趨于低成本、小型化、環(huán)保型的技術(shù)。在CPS中需要將計(jì)算機(jī)技術(shù)與控制技術(shù)按照一定的規(guī)則進(jìn)行深度融合，所用到的計(jì)算技術(shù)通常為嵌入式系統(tǒng)技術(shù)（這是一種開放的系統(tǒng)）。嵌入式系統(tǒng)需具有高效率與高可靠性等特點(diǎn)，也需要具有實(shí)時(shí)處理的能力[7]。

在CPS的技術(shù)中，最核心的是融合，換言之，它是一種物理計(jì)算與控制的多學(xué)科交叉融合系統(tǒng)。CPS不僅強(qiáng)調(diào)物理感知功能，也重視控制功能。因此CPS是一種擁有控制屬性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，開環(huán)與閉環(huán)控制并用[8]。

2.2 CPS的技術(shù)潛力

CPS作為一種實(shí)時(shí)、深度嵌入式的系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方式將計(jì)算、控制與傳感融為一體，使得物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)合二為一，進(jìn)而有效改變分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)。

對(duì)CPS的構(gòu)成進(jìn)行深入研究后發(fā)現(xiàn)，CPS不僅可以包括全部網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行器、控制器與傳感器，也可以只包含某幾個(gè)部分。與一些比較傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，它更強(qiáng)調(diào)高可靠性與協(xié)同工作。在整個(gè)系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)連接變得更加復(fù)雜，信息處理的工作量也變得更大，系統(tǒng)的優(yōu)化程度也將更高。設(shè)計(jì)一種集多種功能于一體的CPS（硬件），在當(dāng)前發(fā)展階段依然需要克服部分技術(shù)難題。但不論發(fā)展速度如何，構(gòu)建新型管控一體化系統(tǒng)對(duì)整個(gè)行業(yè)而言具有重要價(jià)值。

2.3 CPS的基本功能單元

CPS的基本組件包括傳感器組件、執(zhí)行器組件、決策控制單元組件[9]：

（1）傳感器能夠?qū)ν饨缧盘?hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與感知;

（2）執(zhí)行器可以對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制;

（3）決策控制單元可以嚴(yán)格按照用戶的語義規(guī)則做出相應(yīng)的控制邏輯。

CPS的基本功能邏輯單元主要包括基本組件部分與反饋循環(huán)控制機(jī)制[10]，如圖1所示，具體流程如下：

（1）物理世界和計(jì)算世界的接口通常由傳感器與執(zhí)行器承擔(dān)，用戶所發(fā)出的相關(guān)要求由決策控制單元進(jìn)行部署與監(jiān)測(cè);

（2）傳感器將自身所采集的信息直接反饋給決策控制單元，通過計(jì)算之后得到控制指令;

（3）執(zhí)行器嚴(yán)格按照控制指令對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行相應(yīng)的指令操作。

2.4 倉儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)架構(gòu)

CPS是一種多機(jī)構(gòu)元素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，由于行業(yè)的不同，往往需要特定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如果從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度來看，我們通常把它分為三個(gè)層次，第一層為物理層，第二層為網(wǎng)絡(luò)層，第三層為應(yīng)用層[11]。這種結(jié)構(gòu)通常只能將相應(yīng)的層次關(guān)系反映出來，但在真正實(shí)踐中，所包含的組成元素通?？赡軙?huì)出現(xiàn)很大差別，不論是信息的傳遞關(guān)系，還是層間的相互聯(lián)系，都有可能出現(xiàn)復(fù)雜的情況[12]。倉儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。

2.4.1 物理層

在倉儲(chǔ)CPS中，其物理層往往是與物理世界交互的主要部分，地理上分布的各類CPS單元都可以歸為物理層，外部世界通過物理層感知信息，同時(shí)也通過物理層改變環(huán)境。

可以將CPS單元看作一個(gè)單獨(dú)的CPS節(jié)點(diǎn)（比如可將一臺(tái)可移動(dòng)手機(jī)，一臺(tái)手持終端PDA看作單獨(dú)的CPS節(jié)點(diǎn)，也可將智能傳感器集合等看作單獨(dú)的CPS節(jié)點(diǎn)）。

2.4.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層可以有效實(shí)現(xiàn)異構(gòu)CPS單元的互聯(lián)互通，它能夠有效支持各單元之間的互操作。在CPS中，實(shí)現(xiàn)資源共享的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)層。若要實(shí)現(xiàn)無縫連接，則通常會(huì)屏蔽異構(gòu)性，為資源共享提供基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，之后采用透明方式提供即插即用服務(wù)[13]。網(wǎng)絡(luò)層主要由中間件服務(wù)器組成，中間件是一種介于應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)間的軟件層，其主要作用是建立互操作機(jī)制，將底層的復(fù)雜性和異構(gòu)性有效屏蔽，為應(yīng)用軟件提供最佳運(yùn)行環(huán)境，幫助用戶開發(fā)應(yīng)用軟件[14]。中間件充當(dāng)著轉(zhuǎn)換服務(wù)器的角色，很多不兼容的設(shè)備可通過中間件服務(wù)器將異質(zhì)信息轉(zhuǎn)化為同質(zhì)信息，無障礙地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.4.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是面向用戶的一體化平臺(tái)，它能夠按照一定的方式把網(wǎng)絡(luò)層與物理層封裝成不同的應(yīng)用模塊。用戶在使用過程中無需擔(dān)心底層細(xì)節(jié)方面的問題，可以通過管控一體化平臺(tái)來詳細(xì)了解作業(yè)信息、環(huán)境信息與設(shè)備相關(guān)信息，依據(jù)相關(guān)信息便可實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的查詢與配置，從而有效實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制與調(diào)度，完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)任務(wù)。

用戶僅需進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的操作便可以與系統(tǒng)交互，實(shí)現(xiàn)相關(guān)管理。系統(tǒng)將相關(guān)信息詳細(xì)呈現(xiàn)在用戶面前，進(jìn)行簡(jiǎn)單操作便可查看相關(guān)信息，如溫度、濕度、光照等。以信息融合為基本核心的物流倉儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)對(duì)多學(xué)科技術(shù)進(jìn)行了深度交叉融合，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息采集與傳輸技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。在這些技術(shù)的深度交叉融合之下，使物流倉儲(chǔ)的管控一體化系統(tǒng)功能性更強(qiáng)、兼容性更好、擴(kuò)展性更佳，并適應(yīng)倉儲(chǔ)管理不斷增長(zhǎng)的復(fù)雜性特點(diǎn)。從一個(gè)方面來看，它可以有效依據(jù)CPS節(jié)點(diǎn)采集信息，對(duì)倉儲(chǔ)作業(yè)進(jìn)行全面有效的管理，多角度多方位，采用更加科學(xué)的方法，使倉儲(chǔ)系統(tǒng)的管理實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu);從另一個(gè)方面來看，系統(tǒng)通過協(xié)同作用能夠?qū)崿F(xiàn)各倉儲(chǔ)元素的協(xié)同工作，使得系統(tǒng)的服務(wù)水平更上一層樓，從而實(shí)現(xiàn)全面、科學(xué)、有效、專業(yè)、規(guī)范的管理。

3 結(jié) 語

CPS的應(yīng)用有超過20世紀(jì)信息技術(shù)革命的潛力[4]，把它應(yīng)用在倉儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)明顯。但就目前比較成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)而言，對(duì)于設(shè)計(jì)低成本、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并具有良好安全性和可靠性實(shí)用系統(tǒng)的難度較大，因此，實(shí)現(xiàn)CPS的廣泛應(yīng)用與長(zhǎng)足發(fā)展還需要研究并解決諸多基礎(chǔ)性問題。本文在分析CPS技術(shù)特征和技術(shù)潛力的基礎(chǔ)上給出了CPS的基本功能單元，并依據(jù)倉儲(chǔ)管理的特點(diǎn)給出了一種通用的倉儲(chǔ)管控一體化系統(tǒng)架構(gòu)。

在本文的研究中，已經(jīng)有效完成了系統(tǒng)構(gòu)成框架的設(shè)計(jì)與參數(shù)的詳細(xì)分析，特別適用于倉儲(chǔ)監(jiān)控的CPS單元研究與開發(fā)及上位監(jiān)控界面開發(fā)等。本研究還在實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下有效完成了聯(lián)網(wǎng)測(cè)試工作。在下一步的工作中將會(huì)針對(duì)一些具體工程，確定需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境信息與需要監(jiān)控的設(shè)備，以CPS節(jié)點(diǎn)管理部署為基本切入點(diǎn)，對(duì)以CPS節(jié)點(diǎn)信息動(dòng)態(tài)調(diào)整為核心的倉儲(chǔ)流程技術(shù)方案進(jìn)行更加深入的研究，嚴(yán)格按照管控一體化思想，真正集成工程應(yīng)用系統(tǒng)，為推動(dòng)CPS在物流領(lǐng)域的應(yīng)用添磚加瓦。

參 考 文 獻(xiàn)

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