基于WSID技术的原料中转库数字化管理系统设计研究

□ 李智杰,王振楠,张建勋

(河南中烟工业有限责任公司,河南 郑州 450000)

1 引言

原料中转库是烟草生产企业在生产作业中的重要场所，在引进信息化管理系统后，管理系统不仅需要完成传统意义的仓库管理，而且需要针对原料中转库中烟箱、环境的温湿度、水分等环境特征进行实时监测，单一的依靠智能射频技术或无线传感技术建立的管理系统架构已经不能满足原料中转库需要，因此需要两种技术实现融合协作，即WSID技术(射频识别技术与无线传感技术结合)融合了两者的技术优势，主动对环境进行监测并记录相关数据。本文从WSID技术的融合协作方式入手，重点研究数据融合的难点和融合策略。

2 融合协同方式研究

以监控管理系统实现原料中转库烟箱作业管理和环境传感器的监控，这就涉及到采用何种方式能够将烟箱的电子标签管理系统与无线传感器组网进行协作融合，本文总结目前射频技术与WSN技术的协作方式[1]，提出中转库数字仓储管理系统可以应用的三类方式：一是集成电子标签与专用传感器；二是集成电子标签与WSN控制器的读写节点；三是混合使用电子标签和传感器节点。

2.1 标准集成混合结构网络

在集成混合结构网络中，可以将电子标签和传感器视作不同的物理设备，且各自独立工作，通过基站各自组网，以路由器连接到服务器的网络接口。这种集成混合结构的融合协作，其优势在于：不需要专用的集成设备，而是直接通过路由器及服务器接口实现，不受网络规模及供电限制，所以传统的网络协议结构也可以被重新部署；其主要缺点在于：为了防止在电子标签及读写器与传感器节点之间可能产生的通信干扰，需要各自部署基站，因此，此类网络的硬件设备需求也是最多的，构成集成混合结构主要依托四种设备：服务器、基站、电子标签、传感器，具体结构如下图1所示。

图1 集成混合结构图

2.2 集成混合结构的优化

在图1中可以看出，虽然集成混合结构不依靠专用设备，即可实现射频技术与WSN技术的融合协作，但是这种融合技术需要部署大量基站，无论是实施部署还是网络负荷上，都会带来大量压力。因此，需要改进部分基站、传感器，使部分基站具备电子读写器功能和数据处理，能够执行路由协议、传输协议、通信协议80.211及WiFi技术，通过优化基站就能够实现电子标签和集成传感器的信息传输，并实现传输主机本地化或云端，如下图2所示。

图2 优化基站的混合结构网络示意图

优化后的集成混合结构网络中，在射频设备系统和WSN系统的支撑下，集成系统可以直接实现功能服务模块，承担管理调配射频设备系统和WSN系统的作用，如图3所示。射频设备系统通过任务管理模块与本地数据库相连接，根据本地数据库的数据反馈，功能模块发出信息处理指令管理射频设备，同样，无线传感器也通过任务管理模块可以执行来自管理模块的执行。

图3 优化集成混合系统架构图

通过集成混合结构网络的优化，实现射频设备系统与WSN系统的融合协作，综合电子标签、烟箱传感器、环境传感器、条形码和移动设备的集成管理符合原料中转库管理监控系统的需要。

3 数据融合策略

为实现高效的数据融合，WSID网络必须采用适当的数据融合策略，在路由、拓扑控制等方面为数据融合提供必要的条件。包括基于树的数据融合、基于分簇的数据融合和基于移动代理的数据融合，如图4所示。

图4 基于移动代理的数据融合图

4 系统架构设计

完成WSID技术网络融合协作方式与数据融合技术的理论研究后，针对原料中转库数字仓库管理系统的需求，选择融合协作模式与数据融合技术，并明确使用功能、业务流程、数据库模型提供设计方案。确保通过数字仓库管理系统实现对射频设备、传感设备的高效利用，并为库内管理及作业提供支撑，实现原料中转库的精细化动态管理。

4.1 原料数字化仓储系统需求分析

根据笔者的实际调研，在原料中转库的射频设备仅为烟箱的RFID标签，采用手持PDA设备，采集标签信息，传感器设备以环境监控设备为主，采用zigbee节点或LORA组网，叉车终端，拟集成在原料数字化仓储系统下，与人工协作，执行出入库、预警、盘点、养护等原料库作业，其工作边界如下图5所示。

图5 原料中转库数字仓储管理系统需求边界示意图

考虑到库内环境监测系统通过无线传感器(如：温湿度、水浸等)把环境中的数据信息，通过zigbee节点传输给服务器，服务器传输给集控中心，需要大量部署移动终端，以便于各业务数据，采用集成混合结构设计射频设备与监测设备较为合理，同时，为了保证数据一致性，在监测设备具备zigbee节点或LORA组网模块的基础上，采用基于移动代理的数据融合策略较为适宜，得到以实时、动态地调整的原料数字化仓储系统设备融合系统及数据采集策略，基于上述结论，开始对系统的功能模块、业务流程及数据库进行设计。

4.2 功能模块划分

在图5已标注原料中转库数字仓储管理系统需求边界，通过对WSID网络的实施，实现原料仓储管理过程自上而下的全局资源和信息共享，在挖掘实时原料质量变动、标识和位置等信息的同时，而且还能够对货物所处环境的温度、湿度、水分等信息进行监控[5]。因此，从功能模块上划分一般至少包含四大子系统，即作业管理子系统、人员设备管理子系统、环境监测子系统和信息支持子系统；如果从技术实现的角度分析，具体情况如图6所示。

图6 原料中转库数字仓储管理系统功能模块系统分类示意图

4.3 业务流程设计

以作业管理子系统的各功能模块为基础，串联人员设备管理子系统、环境监测子系统和信息支持子系统，阐述数字仓储管理系统业务流程。

4.3.1 业务模块

入库作业基本流程，根据排产计划制作调拨单，并将调拨单下发给负责相应人员；在数字化仓储系统中打印RFID标签；核对调拨单与实际到货情况，启动操作数字化仓储系统扫描库位，送货入位，进行称重、更换破损箱体、打包等验收工作，并粘贴RFID标签，同时完成扫码作业，数字化仓储系统自动更新物理库位库存，完成入库作业。

出库作业基本流程，根据生产计划和配方制作送料清单，并将送料清单下发给相应管理人员，根据库存牌号情况和库位分配策略,系统制作出库计划，推荐出库库位，人工校验系统推荐结果后，下发出库任务到终端，终端叉车根据指令到指定库位拣货放至拣货区，扫描烟箱RFID标签，搬运装车，随后更新库位标识卡，数字化仓储系统自动更新物理库位库存，完成出库作业。在上述出入库流程中，货物识别和信息获取全部由电子读写器实现。数据传送至控制层的服务器判断其是否符合出入库条件，货物信息满足仓储入库规则后服务器向应用层的管理软件下发出入库指令，仅需要人工核对和启动工作即可完成作业流程。

4.3.2 逻辑分析模块

包含存储策略，需要在数字仓储管理系统的数据库中设置货物的安全库存；当查询到库内的某种原料的库存量低于预先设定的最小安全库存值时，系统会及时触发库存控制事件，提醒管理者做出相关决策。其中最小安全库存量由经济学中的订货决策模型所确定，本文设计的系统采用固定订货批量模型中的经济订货数量(Economic Order Quantity,EOQ)模型来确定最小安全库存，其具体描述如下：

Q=M*D

(1)

M=S/n

(2)

其中，Q为仓库的最小库存量，M为平均日出库量，D为该时间段中货物订单的供应到货时间，s为该货物最近n天总的出库量，n由仓管员在仓储管理系统初始化中设置。该模型可以使物流供应的订货成本与储存成本之和达到最小。

4.4 数据库设计

数据库的设计在整个管理监控系统中占有十分重要的作用，是衡量一个管理监控系统的关键所在。数据库的智能是有效地组织和存储数据，获取和管理数据，接受和完成用户提出的访问数据的各种请求。并描述出实体关系E-R图。逻辑结构设计，即把两个阶段的成果转化成为某种数据系统所指出的数据模型。

基于WSID的数字仓储管理系统功能模块，可以得到E-R数据库模型。

图7 数字仓储管理系统E-R数据库模型图

该E-R数据库模型基本反映了数字仓储管理系统中的各种关系，主要包括：管理者与员工是一对多的关系，一个管理者可以添加多个员工信息进入系统；员工与工厂、仓储环境及货物之间是一对多的关系，一个员工对应多个车间、多个仓储环境及多种原料；而仓库与车间、仓储环境及原料之间是多对多的关系，一个仓库可以对应多个车间、多个仓储环境及多种原料，同样一个车间、一个仓储环境及一种原料可以对应多个仓库。

5 结语

在深入理解原料中转库仓储管理需要，烟箱及环境监测的感知需要后，采用射频技术(电子标签)与WSN技术结合的WSID技术，构建监测管理信息系统，并提出了系统融合协作方式及数据融合技术，在此基础上提出原料中转库数字仓储管理系统的设计方案，通过WSID技术将提高扩展数字仓储管理系统的能力，以减少不必要的成本，满足原料中转库在仓库管理和环境监测方面的需求。