一種升降機與穿梭車結合的倉儲系統(tǒng)優(yōu)化調度方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種升降機與穿梭車結合的倉儲系統(tǒng)優(yōu)化調度方法，以調度行程時間最小化為目標，采用遺傳算法對調度的出入庫模型進行優(yōu)化，使存取行程時間大大縮短，可以明顯節(jié)約時間成本，節(jié)約能源，并且，同樣的訂單兩套穿梭子母車的行程時間也比一套穿梭子母車的時間有縮短，使穿梭子母車全自動立體倉庫的高效率、高密度，以及高利用率等優(yōu)點得到充分發(fā)揮，實現(xiàn)自動化立體倉庫實時、在線的優(yōu)化調度，具有較大的實際應用意義。
【專利說明】
一種升降機與穿梭車結合的倉儲系統(tǒng)優(yōu)化調度方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于密集倉儲進出庫調度技術領域，具體涉及一種升降機與穿梭子母車 (1:2型)混合優(yōu)化調度方法。
【背景技術】
[0002] 隨著科學技術和工業(yè)生產的快速發(fā)展，另基于"密集存儲"概念的興起，現(xiàn)代企業(yè) 對于生產、倉儲和配送要求的不斷提高，促使倉儲方式從最初通過人力手工作業(yè)的簡單堆 積到通過叉車等簡單設備的倉庫式存儲改進為目前采用高位叉車、無人導引小車AGV、穿梭 車等自動化設備的立體倉庫存儲。軌道式穿梭車(RGV)更是以其速度快、成本低和穩(wěn)定性好 的特點在現(xiàn)代制造業(yè)、物流等行業(yè)內扮演著越來越重要的角色。
[0003] 傳統(tǒng)立體倉庫中多采用堆垛機實現(xiàn)貨物的進出庫調度，堆垛機的優(yōu)點是實現(xiàn)了倉 庫作業(yè)的機械化與自動化，大大提高工作效率，同時，利用計算機進行控制和管理，作業(yè)過 程和信息處理迅速、準確、及時，可加速物資周轉，降低儲存費用。然而，堆垛機需占用相應 巷道進行作業(yè)，立體倉庫有效存儲面積無法充分利用，并且，單臺堆垛機的豎直與水平作業(yè) 無法同時進行，貨物進出庫效率較低。
[0004] 目前國內外有少數(shù)立體倉庫使用穿梭車與堆垛機結合進行作業(yè)，充分利用了倉庫 的有效面積和儲存空間，使貨物儲存集中化、立體化，減少占地面積，降低土地購置費用。然 而，國內外學者對穿梭車的研究大多基于靜態(tài)調度，很少涉及動態(tài)混合調度，同時，企業(yè)定 制化服務不斷深入，小批量、多批次、高時效特點的訂單不斷增多，傳統(tǒng)堆垛機式立體倉庫 與目前未完善的穿梭車式貨架已不能滿足如今市場需求。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種升降機與穿梭車結合的倉儲系統(tǒng)優(yōu)化調度方法。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案：
[0007] 1)根據全自動立體倉庫中一臺升降機配兩套穿梭子母車的調度情況建立用于計 算調度行程時間的數(shù)學模型；
[0008] 2)以調度行程時間最小化為目標，利用步驟1)所建立的數(shù)學模型對調度任務中各 個待調度貨物的調度順序進行優(yōu)化，確定該調度任務在利用一臺升降機配兩套穿梭子母車 完成調度情況下的最優(yōu)調度順序。
[0009] 所述調度任務包括單純存貨作業(yè)、單純取貨作業(yè)以及存取貨復合作業(yè)。
[0010] 在所述單純存貨作業(yè)情況下，計算單次存貨的調度行程時間的數(shù)學模型表示為：
[0011]
[0012]其中，x、y以及z為貨物對應貨位在0ΧΥΖ坐標系下坐標，所述0ΧΥΖ坐標系中，原點0 對應全自動立體倉庫的I/O位置，X軸對應母車移動方向，Y軸對應子車移動方向，Z軸對應升 降機移動方向為子車取貨或卸貨時間；^為空載情況下母車取子車或卸子車的時間；t m' 為滿載情況下母車取子車或卸子車的時間；ts為空載情況下升降機取母車或卸母車的時 間；ts '為滿載情況下升降機取母車或卸母車的時間；Vs為升降機速度;Vm為母車空載速度， Vm'為母車滿載速度;Vz為子車空載速度，Vz '為子車滿載速度;i表示最近一次存貨點，j表示 最近一次的上次存貨點。
[0013] 在所述單純取貨作業(yè)情況下，計算單次取貨的調度行程時間的數(shù)學模型表示為：
[0014]
[0015] 其中，x、y以及z為貨物對應貨位在0ΧΥΖ坐標系下坐標，所述0ΧΥΖ坐標系中，原點0 對應全自動立體倉庫的I/O位置，X軸對應母車移動方向，Y軸對應子車移動方向，Z軸對應升 降機移動方向為子車取貨或卸貨時間；^為空載情況下母車取子車或卸子車的時間；t m' 為滿載情況下母車取子車或卸子車的時間；ts為空載情況下升降機取母車或卸母車的時 間；t s '為滿載情況下升降機取母車或卸母車的時間；vA升降機速度;Vm為母車空載速度， Vm '為母車滿載速度;Vz為子車空載速度，Vz '為子車滿載速度;i表示最近一次取貨點，j表示 最近一次的上次取貨點。
[0016] 在存取貨復合作業(yè)情況下，計算單次存取對的調度行程時間的數(shù)學模型表示為：
[0017] 若i、j、k點都不在同一層時：
[0023]其中，x、y以及z為貨物對應貨位在0ΧΥΖ坐標系下坐標，所述0ΧΥΖ坐標系中，原點0 對應全自動立體倉庫的I/O位置，X軸對應母車移動方向，Y軸對應子車移動方向，Z軸對應升 降機移動方向為子車取貨或卸貨時間；^為空載情況下母車取子車或卸子車的時間；t m' 為滿載情況下母車取子車或卸子車的時間；ts為空載情況下升降機取母車或卸母車的時 間；t s '為滿載情況下升降機取母車或卸母車的時間；vA升降機速度;Vm為母車空載速度， Vm '為母車滿載速度;Vz為子車空載速度，Vz '為子車滿載速度;存取對表示先存后取的連續(xù) 兩次貨物調度；i表示一個穿梭子母車所在位置，j表示另一個穿梭子母車所在位置，k表示 新的取貨點。
[0024]所述優(yōu)化的方法為遺傳算法。
[0025] 所述遺傳算法中交叉概率P。為0.7~0.9,變異概率Pm*0.1~0.2。
[0026] 本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：
[0027] 本發(fā)明對一臺升降機配兩套穿梭子母車的調度情況建立數(shù)學模型，然后建立相應 出入庫模型，采用遺傳算法對出入庫模型優(yōu)化后，從而確定貨物的最優(yōu)調度順序，使調度行 程時間大大縮短，可以明顯節(jié)約時間成本，節(jié)約能源，使穿梭子母車全自動立體倉庫的高效 率、高密度，以及高利用率等優(yōu)點得到充分發(fā)揮，實現(xiàn)自動化立體倉庫實時、在線的優(yōu)化調 度，具有較大的實際應用意義。
【附圖說明】
[0028] 圖1為穿梭子母車全自動立體倉庫示意圖；
[0029] 圖2為穿梭子母車全自動立體倉庫模型圖；
[0030] 圖3為1:2情況下單純存貨作業(yè)運作示意圖；
[0031 ]圖4為1:2情況下單純取貨作業(yè)運作示意圖；
[0032] 圖5為1:2情況下存取貨復合作業(yè)運作示意圖；
[0033] 圖6為存取貨數(shù)量相等的30個貨位坐標圖；其中，叉和菱形分別代表存貨貨位和取 貨貨位；
[0034] 圖中：1為母車軌道，2為子車軌道，3為升降機軌道。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0036]本發(fā)明提供一種1:2型升降機與穿梭子母車混合優(yōu)化調度方法，具體按照以下步 驟實施：
[0037]步驟1對一臺升降機配兩套穿梭子母車（1:2)的情況建立合理的數(shù)學模型；
[0038] 1.1對穿梭子母車全自動立體倉庫進行分析研究，制定貨物存取規(guī)則
[0039] 參見圖1，穿梭子母車全自動立體倉庫包含：穿梭子母車（由子車和母車組成）、穿 梭式貨架、母車行走軌道(巷道）、子車行走軌道(貨架列）、托盤垂直提升系統(tǒng)(升降機）、托 盤輸送系統(tǒng)、CMS設備控制系統(tǒng)、WMS倉庫管理系統(tǒng)。將圖1所示的穿梭子母車全自動立體倉 庫實物轉化為0ΧΥΖ坐標系下的模型，如圖2所示，包括升降機軌道3、母車軌道1和子車軌道 2。其中，升降機將貨物、子母車進行Z軸方向的運送，母車將貨物、子車進行X軸方向的運送， 子車將貨物進行Y軸方向的運送。單個貨位坐標為[x，y，z]，這個坐標指貨位中心的坐標。以 I/O點（出入庫站)為上述坐標系原點0。
[0040] 本發(fā)明還設定如下貨物存取規(guī)則：
[0041] (1)兩套子母車(A、B車)時，當一套子母車(設A車)存貨，升降機調度另一套子母車 (設B車)時，A車存貨結束后子車回到母車的位置，母車停留在貨物所在的貨物列端口處，此 時子車回程時間不計。一次運送僅能攜帶一個貨物。
[0042] (2)升降機和穿梭子母車的初始位置在出入庫站。
[0043] (3) -臺升降機調度兩套子母車時，相鄰的兩次操作不在同一層。
[0044] 出入庫訂單下達，倉庫管理系統(tǒng)(WMS)對訂單進行分析，按照單純存貨作業(yè)、單純 取貨作業(yè)、存取貨復合作業(yè)三種情況，設備控制系統(tǒng)(CMS)調控升降機將子母車提升到相應 的層，母車在巷道運動，停留在貨物所在的貨物列處，母車釋放子車，子車完成存貨或者取 貨作業(yè)后返回。
[0045] 1.2建立一臺升降機配兩套穿梭子母車（1:2)存取貨物數(shù)學模型
[0046] 每個升降機配兩套子母車的情況主要研究升降機對兩套子母車的調度選擇。定 義:升降機速度為vs;母車空載速度為滿載速度為；子車空載速度為v z，滿載速度vz' ； 子車裝、卸貨物時間為tz，母車裝、卸空載子車時間為U，母車裝、卸滿載子車時間為U'，升 降機裝、卸空載母車時間為t s，升降機裝、卸滿載母車時間為ts '，裝和卸時間一樣。
[0047] (1)單純存貨作業(yè)模型
[0048] 單純存貨作業(yè)運作如圖3所示。每一次存貨時都要對A、B車進行篩選，選擇進行下 次存貨時間最短的子母車。則單次存貨時間1^為：
[0049]
)
[0050] 其中，i表示最近一次存貨點，由A車存;j表示最近一次的上次存貨點，由B車存。
[0051] 則單純存貨作業(yè)總存貨時間（調度行程時間)T。為：
[0052] Τ〇= ΣΤο? (2)
[0053] (2)單純取貨作業(yè)模型
[0054]單純取貨作業(yè)運作如圖4所示。單次取貨時間Tql為：
[0055]
(.5)
[0056] i表示最近一次取貨點，由B車取;j表示最近一次的上次取貨點，由A車??；
[0057] 則單純取貨作業(yè)總取貨時間（調度行程時間）Tq為：
[0058] Tq= ΣΤη? (4)
[0059] (3)存取貨復合作業(yè)模型
[0060]存取貨復合作業(yè)運作如圖5所示。將貨物的存取進行配對，稱為存取對，即一存一 取為一個單元。采取存取對的方法，令i表示Β車所在位置，j表示Α車所在位置，k表示新的取 貨點。則一個存取對的調度行程時間T dl如下：
[0061 ]若i、j、k點都不在同一層時：
[0062]
[0063] 若i、k點在同一層時：
[0064]
[0067] 公式(5)中min{}選擇的是將A車或B車送往k處取貨的行程時間最小值。則存取貨 復合作業(yè)的總調度行程時間為：
[0068] Td=2Tdi (8)
[0069] 綜上，對于一臺升降機配兩套穿梭子母車存取總模型如下：
[0070]
[0071] 步驟2對存取模型進行優(yōu)化仿真，確定出入庫作業(yè)最佳調度順序與最短調度行程 時間。
[0072] 給所有要存取貨的貨位編號，以貨位的遍歷次序作為遺傳算法的編碼。
[0073] 在MATLAB中產生由一百個(種群數(shù)η = 100)隨機遍歷次序構成的初始群體。貨物的 位置是編譯前指定的，也可以使用隨機生成的坐標參數(shù)。
[0074] 采用基本遺傳算法中的選擇、交叉、變異操作對貨位的遍歷次序進行優(yōu)化，選取迭 代次數(shù)c = 50，交叉概率Pc = 0.9，變異概率Pm=0.2，適配值淘汰加速指數(shù)m= 2。本發(fā)明中使 用的適配值函數(shù)如下：
[0075] fitness (i ,l) = (l-((len(i, 1 )-minlen)/ (maxlen-minlen+0.0001)))'m
[0076] 其中，len(i , 1)表示任意個體i對應的調度行程時間，maxlen和minlen分別為群體 中調度行程時間最長和最短路徑所用時間。
[0077]利用f i tness>rand選擇個體，將時間較小(適應度較大)個體選擇并保留下來。
[0078] 針對存取貨復合作業(yè)，本發(fā)明基于遺傳算法運用MATLAB進行仿真分析，針對一個 升降機配兩套穿梭子母車的情況，從兩個方面進行研究，分別是:存貨數(shù)量等于取貨數(shù)量， 以及存貨數(shù)量大于取貨數(shù)量。存貨數(shù)量小于取貨數(shù)量的情況不予考慮。在這里詳細介紹兩 套穿梭子母車情況下存取貨數(shù)量相等時30個任務量的研究結果，其中參數(shù)值見表1。具體步 驟如下：
[0079] 當存貨數(shù)量恰好等于取貨數(shù)量時：
[0080] 30個貨物對應貨位坐標分別表示為N(x y z)及N'（x y z)，其中，15個為存貨(矩 陣A)，N代表存貨貨位編號(N=l~15)，15個為取貨(矩陣B)，N'代表取貨貨位編號(Ν'= 1' ~15'）。為尋求一條路徑使存取貨完成的時間最短，貨物對應的貨位坐標如下，參見圖6:
[0081] A=[l(13 10 3)；2(7 6 4)；3(15 11 2)；4(3 5 2)；5(14 9 3)；6(8 2 1)；7(12 12 2)；8(16 3 4)；9(20 9 2)；10(2 4 3)；11(3 8 2)；12(3 10 3)；13(13 9 1)；14(5 8 2);15(14 4 3)];
[0082] Β=[Γ(5 7 4);2，（16 4 1);3，（17 6 2);4，（4 11 2);5，（10 11 1);6，（9 2 3); 7'（8 4 2);8'（16 5 3);9'（19 5 1);10'（13 6 1);11'（17 9 3);12'（7 3 2);13'（2 2 4);14，（12 1 2);15，（18 7 2)];
[0083]隨機生成一百個關于Α中元素的排列順序(遍歷次序數(shù)組a)，隨機生成一百個關于 B中元素的排列順序(遍歷次序數(shù)組b)，然后確定數(shù)組a中元素(代表一個遍歷次序)與數(shù)組b 中元素(代表一個遍歷次序)的一一對應映射關系，由一百個映射關系從而形成一百個關于 30個貨物量的存取貨復合作業(yè)的遍歷次序。對數(shù)組a和數(shù)組b中元素分別利用遺傳算法進行 優(yōu)化，改變數(shù)組中元素的取值（即遍歷次序），并按照存取貨復合作業(yè)的遍歷次序計算適配 值(既是數(shù)組a中相應元素的適配值，也是數(shù)組b中相應元素的適配值，所謂相應即構成一個 映射關系的兩個元素）。
[0084]根據程序隨機所得一組存取貨復合作業(yè)順序為：（10-12'- ）-（13- 9，）-（8-15，）-（5-14，）-（4-10，）-（2-13，）-（7-3，）-（9-6，）-（15-Γ) - (1 - 8'）-（ 12-2'）-（ 14-4'）4(3^11 '）-（6-7'）。tx程時間為:RTime = 642 · 35(s) 〇 [0085] 經過優(yōu)化后所得一組存取貨復合作業(yè)順序為：（15-6'）-（12-9'）-（3-7'）- (13-10,）-（4-5，）-（5-11，）-（1-8，）-(6-2，）-（7-1，）-（11-15,）-（10-14，） 4(2-12'）- (9-3 '）-（ 14-4'）- (8-13'）。行程時間為:RTime = 589 · 25(s)。優(yōu)化效率： n =(優(yōu)化前行程時間-優(yōu)化后行程時間）/優(yōu)化前行程時間=(642.35-589.25)/642.35 = 8.3%〇
[0086]其他情況方法同上，將最終得到的結果歸納如下表2。其中，當存貨數(shù)量>取貨數(shù) 量時，可引入相應數(shù)量的(〇,〇,〇)點作為取貨貨位坐標，使得存貨數(shù)量=取貨數(shù)量。同時，由 于兩套穿梭子母車時，對于單純存貨或者單純取貨的訂單，其行程時間和存貨或者取貨的 順序也有一定關系，使用本發(fā)明方法也可以達到調度排序得到優(yōu)化的目的。
[0087] 表1.模型編程參數(shù)
[0089] 表2.仿真分析結果
[0090]
[0092]由表2得知通過本發(fā)明的模型、算法優(yōu)化后貨物的調度排序得到優(yōu)化，穿梭車和升 降機的行程時間和明顯縮短，可以大大節(jié)約時間成本，提高了效率，進一步證明了該模型、 算法的可行性；另可以發(fā)現(xiàn)兩套穿梭子母車比一套穿梭子母車行程時間有縮短，可見增加 一套穿梭子母車后，雖然設備成本有所增加，但是從長遠看，增加一臺穿梭子母車也可以降 低很大一部分成本，經濟效益可觀。
【主權項】
1. 一種升降機與穿梭車結合的倉儲系統(tǒng)優(yōu)化調度方法，其特征在于:包括以下步驟： 1) 根據全自動立體倉庫中一臺升降機配兩套穿梭子母車的調度情況建立用于計算調 度行程時間的數(shù)學模型； 2) 以調度行程時間最小化為目標，利用步驟1)所建立的數(shù)學模型對調度任務中各個待 調度貨物的調度順序進行優(yōu)化，確定該調度任務在利用一臺升降機配兩套穿梭子母車完成 調度情況下的最優(yōu)調度順序。2. 根據權利要求1所述一種升降機與穿梭車結合的倉儲系統(tǒng)優(yōu)化調度方法，其特征在 于:所述調度任務包括單純存貨作業(yè)、單純取貨作業(yè)以及存取貨復合作業(yè)。3. 根據權利要求2所述一種升降機與穿梭車結合的倉儲系統(tǒng)優(yōu)化調度方法，其特征在 于:在所述單純存貨作業(yè)情況下，計算單次存貨的調度行程時間的數(shù)學模型表示為：其中，x、y以及z為貨物對應貨位在OXYZ坐標系下坐標，所述OXYZ坐標系中，原點0對應 全自動立體倉庫的I/O位置，X軸對應母車移動方向，Y軸對應子車移動方向，Z軸對應升降機 移動方向；tz為子車取貨或卸貨時間；U為空載情況下母車取子車或卸子車的時間；U'為滿 載情況下母車取子車或卸子車的時間；t s為空載情況下升降機取母車或卸母車的時間；ts' 為滿載情況下升降機取母車或卸母車的時間;Vs為升降機速度;Vm為母車空載速度，Vm'為母 車滿載速度;Vz為子車空載速度，Vz '為子車滿載速度；i表示最近一次存貨點，j表示最近一 次的上次存貨點。4. 根據權利要求2所述一種升降機與穿梭車結合的倉儲系統(tǒng)優(yōu)化調度方法，其特征在 干：在所沭單純取貨作#情況下，計筧單次取貨的調度行稈時間的數(shù)學樽型表示為：其中，X、y以及Z為貨物對應貨位在OXYZ坐標系下坐標，所述OXYZ坐標系中，原點0對應 全自動立體倉庫的I/O位置，X軸對應母車移動方向，Y軸對應子車移動方向，Z軸對應升降機 移動方向；tz為子車取貨或卸貨時間；U為空載情況下母車取子車或卸子車的時間；U'為滿 載情況下母車取子車或卸子車的時間；t s為空載情況下升降機取母車或卸母車的時間；ts' 為滿載情況下升降機取母車或卸母車的時間;Vs為升降機速度;Vm為母車空載速度，Vm'為母 車滿載速度;Vz為子車空載速度，Vz '為子車滿載速度；i表示最近一次取貨點，j表示最近一 次的上次取貨點。5. 根據權利要求2所述一種升降機與穿梭車結合的倉儲系統(tǒng)優(yōu)化調度方法，其特征在 于:在存取貨復合作業(yè)情況下，計算單次存取對的調度行程時間的數(shù)學模型表示為： 若i、j、k點都不在同一層時：其中，x、y以及z為貨物對應貨位在OXYZ坐標系下坐標，所述OXYZ坐標系中，原點0對應 全自動立體倉庫的I/O位置，X軸對應母車移動方向，Υ軸對應子車移動方向，Ζ軸對應升降機 移動方向；tz為子車取貨或卸貨時間；U為空載情況下母車取子車或卸子車的時間；U'為滿 載情況下母車取子車或卸子車的時間；t s為空載情況下升降機取母車或卸母車的時間；ts' 為滿載情況下升降機取母車或卸母車的時間;Vs為升降機速度;Vm為母車空載速度，Vm'為母 車滿載速度;V Z為子車空載速度，VZ '為子車滿載速度;存取對表示先存后取的連續(xù)兩次貨物 調度；i表示一個穿梭子母車所在位置，j表示另一個穿梭子母車所在位置，k表示新的取貨 點。6. 根據權利要求1所述一種升降機與穿梭車結合的倉儲系統(tǒng)優(yōu)化調度方法，其特征在 于:所述優(yōu)化的方法為遺傳算法。7. 根據權利要求6所述一種升降機與穿梭車結合的倉儲系統(tǒng)優(yōu)化調度方法，其特征在 于:所述遺傳算法中交叉概率P。為〇. 7~0.9，變異概率Pm為0.1~0.2。
【文檔編號】B65G1/137GK105858043SQ201610364804
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】楊瑋, 岳婷, 杜雨瀟, 羅洋洋, 劉江, 楊甜, 王婷, 王曉雅
【申請人】陜西科技大學