张海波
深圳市今天国际智能机器人有限公司
摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，针对两端式自动化立体仓库出／入库任务序列的分配方式和堆垛机的调度路径展开了研究。以堆垛机执行出／入库任务的时间为存储效率的评价标准，考虑货物出／入库台的分配问题，建立了单一命令与复合命令两种作业方式并存的堆垛机调度模型。运用涡流搜索算法优化堆垛机的调度路径，获得了堆垛机调度模型的最优解，实现了存储效率的最优化。仿真验证表明，该方法可以有效分配货物的出／入库台，优化堆垛机调度路径，提高仓库的存储效率。
关键词：自动化立体仓库；两端式；出／入库台分配；堆垛机调度；涡流搜索算法
引言
立体仓库采用高层货架，占地面积小，存储容量大，在制造、仓储、配送领域得到广泛应用。影响立体仓库存储效率的因素很多，科学的仓储管理、先进的调度策略至关重要。因此提高对立体仓库的管理能力、不断优化调度策略是具有挑战性的重要任务。存取货物的时间是立体仓库需要考虑的重要因素，其中堆垛机调度问题是影响立体仓库存储效率的关键，只有对堆垛机工作路径进行有效调度，才能更好满足现代物流系统的需求。国内外学者对立体仓库的优化调度问题进行了大量研究：针对单台堆垛机调度问题，采用分支定界算法进行求解，求解所用的时间与求解问题的规模呈指数关系，当出／入库数量较多时，求解效率低下，鲁棒性差；针对旁通式立体仓库，建立了同时考虑堆垛机出口选择和拣选路径的组合优化模型，用结合了自适应邻域法的遗传算法进行求解，但对调度任务中普遍存在的单独出／入库作业和复合命令作业未提出规划，对两种作业形式穿插进行所引起的出／入库台起始点变更问题未能进行很好的研究；通过分析立体仓库拣选作业的工作特点，创建了含装箱约束条件的多目标优化模型，运用遗传算法进行优化分析，提高了立体仓库的运行效率，但在算法的优化过程中染色体的长度固定，未考虑在均衡多台堆垛机运行时间的过程中，任务被重新分配给其他堆垛机所引起的染色体长度增减的情况。
1问题描述
两端式仓库布局作为一种常见的自动化立体仓库模式，在实际生产生活中得到了广泛的应用，其出／入库台分别位于货架的两端，外部输送系统需连接出／入库台，故平行于货架区设置。图１为两端式仓库布局结构图，在自动化仓库每个巷道上设置１台堆垛机，巷道两端各设置１个库台，２个库台均可用于货物的入库和出库。入库货物由外部起始点运输至左右两端的出／入库台所用的时间相同；出库货物从左端出／入库台或右端出／入库台出库，再运输至指定输送点的时间也相同。堆垛机在存取货作业中存在两种作业方式：单一命令（ＳＣ）作业方式和复合命令（ＤＣ）作业方式。堆垛机进入仓库仅进行１次存货或取货的操作为ＳＣ作业方式，堆垛机进入仓库进行１次存货和１次取货的操作为ＤＣ作业方式。该布局的自动化立体仓库的系统如图２所示，为单控制器双队列排队形式，出／入库任务指令被发送至堆垛机控制系统后，先经系统调度优化算法处理成合理的任务序列，然后再控制堆垛机进行操作。由此可见，因ＤＣ作业方式将出库作业和入库作业合为堆垛机一次复合作业，所以减少了堆垛机从出／入库台到货位之间的往返次数，大大提高了作业效率。然而在一批出／入库作业任务中，出库任务与入库任务的数量一般不相等，所以堆垛机不可避免要进行ＳＣ作业。对于一个出／入库作业订单，只需要确定每个出／入库货位的库位坐标（即待入库货物的入库货位坐标和待出库货物的出库货位坐标）即可，而对每个货物的出／入库台不作规定，将其作为堆垛机路径调度优化的一部分。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由分析可知，执行第一个出／入库作业时，若该任务为入库作业，则该入库货物的入库库台为堆垛机执行完上一个出／入库作业订单后所停留的库台，若该任务为出库作业，则堆垛机执行该出库作业的起始位置为堆垛机执行完上一个出／入库作业订单后所停留的库台；堆垛机执行到最后一次任务时，若该任务为入库作业，则堆垛机返回至最近的库台，若该任务为出库作业，则该出库货物的出库库台为离堆垛机最近的库台。
2防碰撞原则
同轨双车运行模式下堆垛机调度的关键是避免两堆垛机碰撞，当一批订单指令发送给两台堆垛机时，根据订单指令的到达顺序判断两台堆垛机是否存在干涉，并对其进行路径调度。通过分析，存在下列两种干涉情况：（１）Ｌｅｆｔ堆垛机接收出／入库指令时，Ｒｉｇｈｔ堆垛机处于"空闲"状态但位于Ｌｅｆｔ堆垛机的行走路径上，此时Ｒｉｇｈｔ堆垛机需选择合适的避让点进行避让。（２）Ｌｅｆｔ堆垛机接收出／入库指令时，Ｒｉｇｈｔ堆垛机正在执行出／入库任务，Ｌｅｆｔ堆垛机影响Ｒｉｇｈｔ堆垛机出／入库，此时Ｌｅｆｔ堆垛机需要先等待或反向避让Ｒｉｇｈｔ堆垛机，再执行出／入库任务。上述两种干涉情况是以Ｌｅｆｔ堆垛机接收出／入库指令为例，换作Ｒｉｇｈｔ堆垛机原理相同。为提高同轨双车运行模式下立体仓库的存储效率，避免两堆垛机碰撞，需根据订单指令的实际情况按货架列坐标划分两台堆垛机的工作区域，采用防碰撞原则和符合该原则的任务分配结果调整机制将出／入库任务合理地分配给两台堆垛机，使两堆垛机在执行出／入库任务过程中不存在干涉，且完成各自任务的运行时间均衡。一批订单指令输入后，包括出库任务和入库任务，其对应货位的横坐标构成集合Ｕ。为避免两堆垛机发生碰撞，将这批任务分成两组，各组任务对应货位的横坐标分别构成集合Ｌ＝｛ｘ１，ｘ２，…，ｘｌ｝和Ｒ＝｛ｘ１，ｘ２，…，ｘｒ｝，需保证集合Ｌ中各元素均小于集合Ｒ中各元素，集合Ｌ中元素对应的出／入库任务交由左端堆垛机执行，集合Ｒ中元素对应的出／入库任务交由右端堆垛机执行。以此划分两台堆垛机的工作区域，使左端堆垛机执行的出／入库任务对应货位的横坐标均小于右端堆垛机执行出／入库任务对应货位的横坐标。防碰撞原则的数学表达式如下： 描述的防碰撞原则可将货位按列坐标划分为不重叠的两个工作区域，同一巷道上的两台堆垛机在各自的工作区域内执行出／入库任务，可有效避免干涉或碰撞，从而安全、高效地工作。
结语
（１）在分析两端式仓库布局结构形式和作业特点的情况下，提出了适用于两端式仓库布局下堆垛机的ＳＣ和ＤＣ作业方式。（２）在两端式仓库布局下，以堆垛机执行出／入库任务序列所需的总时间为评价标准，对堆垛机调度路径进行建模。建立了适用于两端式仓库布局下的堆垛机调度路径模型，将入库任务和出库任务组合起来考虑，形成ＤＣ任务和ＳＣ任务，减少了堆垛机的往返次数，并将出／入库货物的出／入库台选择也纳入调度路径的优化模型之中，使得调度优化更加有效。（３）针对ＧＡ算法、ＣＰＳＯ算法等智能算法需要迭代次数较大才能找到近似最优解，且容易陷入局部最孝收敛效率低等缺点，利用涡流搜索算法对所建立的堆垛机调度路径模型进行优化求解，在算法迭代的过程中嵌入小生境技术，得到最优出／入库任务序列以及货物对应的出／入库台序列。通过实例仿真，并将仿真结果与ＧＡ算法和ＣＰＳＯ算法的仿真结果进行比较，验证了所建立的堆垛机调度路径模型的正确性，以及涡流搜索算法在优化堆垛机调度路径方面的适用性和优越性。
参考文献
［1］杨玮，党培，傅卫平，等．基于多色集合的改进ＤＰＳＯ求解进出库调度［Ｊ］．计算机仿真，２０１５，３２（２）：３９５－３９９．
［2］宋伟刚，战欣，郑娜，等．自动化立体仓库出入库决策系统的开发与仿真［Ｊ］．工业工程与管理，２００７（３）：２５－３１．
论文作者:张海波
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：堆垛论文; 作业论文; 货位论文; 算法论文; 两端论文; 路径论文; 货物论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;