屏老煉立體倉庫的動態(tài)庫位分配優(yōu)化

張建奇 羅亞林 岳 勇 趙建軍

(西安航天自動化股份有限公司1，陜西 西安 710065;西安科技大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2，陜西 西安 710054;西安市市政管理委員會3，陜西 西安 710018)

0 引言

隨著人們對物流系統(tǒng)的運行效率和能耗要求的不斷提高，傳統(tǒng)的立體倉庫(automated storage and retrieval system，AS/RS)作業(yè)調(diào)度策略已不能滿足實際生產(chǎn)的需求[1]，且目前所采用的方法，如模擬退火算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法[2]、Petri網(wǎng)等也都有各自的不足之處。

屏老煉立體倉庫是由立體貨架、有軌巷道堆垛機、出入庫屏托盤輸送機系統(tǒng)、老煉加工系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)、計算機管理系統(tǒng)以及電線電纜橋架配電柜、托盤、調(diào)節(jié)平臺、鋼結(jié)構(gòu)平臺等輔助設(shè)備組成的復(fù)雜的自動化系統(tǒng)[3]。屏老煉的作業(yè)周期主要由出入庫操作時間、取貨放貨的操作時間和堆垛機行駛時間三部分組成，其中堆垛機的行駛時間是屏老煉作業(yè)周期的重要決定因素之一，它與行駛距離存在一一對應(yīng)的單調(diào)關(guān)系，也與能耗息息相關(guān)，所以堆垛機的行駛距離是屏老煉立體倉庫的重要指標之一。屏老煉立體倉庫系統(tǒng)對屏老煉時間和出入庫效率有嚴格要求。因此，在一次作業(yè)周期中，最大程度減小行駛距離成為動態(tài)庫位分配優(yōu)化的重點。

本文主要討論在保證屏老煉立體倉庫正常運行且?guī)煳徊粩嘧兓那闆r下，基于專家系統(tǒng)的庫位分配和優(yōu)化問題[4]。

1 屏老煉系統(tǒng)知識庫

專家系統(tǒng)以知識庫與推理機相互分離而別具特色。其中，知識庫包含所有用“如果：〈前提〉，所以：〈結(jié)果〉”形式表達的知識規(guī)則;推理機的任務(wù)是運用控制策略找到可以應(yīng)用的規(guī)則。屏老煉專家系統(tǒng)的知識庫應(yīng)從庫位分配和出入庫作業(yè)調(diào)度兩方面考慮。

1.1 庫位分配和作業(yè)調(diào)度

合理的庫位分配和出入庫作業(yè)調(diào)度策略是提高屏老煉立體倉庫效率的重要措施之一。因此，屏老煉庫位分配和出入庫作業(yè)調(diào)度應(yīng)遵循以下原則。

①就近入庫。

②減小堆垛機的行駛距離，加快響應(yīng)時間，節(jié)省能耗。

③出入庫交替操作優(yōu)先進行。執(zhí)行入庫操作結(jié)束后，即開始出庫操作。

④入庫缺貨時，執(zhí)行連續(xù)出庫操作，否則堆垛機停止。

⑤出庫線路故障時，執(zhí)行連續(xù)入庫操作，否則堆垛機停止。

⑥作業(yè)調(diào)度時，按優(yōu)先級服務(wù)，首先響應(yīng)優(yōu)先級最高的作業(yè)任務(wù)。

⑦出現(xiàn)故障的庫位，不執(zhí)行入出庫操作。

⑧一次入庫操作后，空閑的庫位認為其老煉加工完成。

1.2 屏老煉系統(tǒng)的知識表示

為了能使計算機運用專家的領(lǐng)域知識，需要采用一定的方式表示知識。目前，常用的知識表示方式有產(chǎn)生式規(guī)則、語義網(wǎng)絡(luò)、框架、狀態(tài)空間、邏輯模式、腳本、過程和面向?qū)ο蟮取１疚牟捎昧水斍皬V泛使用的基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)，并根據(jù)庫位分配和出入庫作業(yè)調(diào)度原則，制定了相應(yīng)的規(guī)則。屏老煉系統(tǒng)的主要規(guī)則介紹如下。

R1：if堆垛機在原點處于空閑態(tài)and有入庫請求then轉(zhuǎn)到去送貨態(tài);

R2：if堆垛機在原點處于空閑態(tài)and有出庫請求then轉(zhuǎn)到去取貨態(tài);

R3：if堆垛機處于去送貨態(tài)and接收到到達目標信號then轉(zhuǎn)到等待入庫機械操作態(tài);

R4：if堆垛機處于等待入庫機械操作態(tài)and有出庫請求then轉(zhuǎn)到再定位態(tài);

R5：if堆垛機處于等待入庫機械操作態(tài)and有入出庫請求then轉(zhuǎn)到送貨回態(tài);

R6：if堆垛機處于等待入庫機械操作態(tài)and無入出庫請求then轉(zhuǎn)到停止態(tài);

R7：if堆垛機處于再定位態(tài)and接收到到達目標信then轉(zhuǎn)到等待出庫機械操作態(tài);

R8：if堆垛機處于等待出庫機械操作態(tài)and有取出貨物信號then轉(zhuǎn)到取貨回態(tài);

R9：if堆垛機處于取貨回態(tài)and有出庫端空信號then轉(zhuǎn)到在原點處于空閑態(tài);

R10：if堆垛機處于送貨回態(tài)and有到達原點信號then轉(zhuǎn)到在原點處于空閑態(tài);

R11：if堆垛機處于停止態(tài)and有入庫請求then轉(zhuǎn)到送貨回態(tài);

R12：if堆垛機處于停止態(tài)and有出庫請求then轉(zhuǎn)到再定位態(tài);

R13：if堆垛機處于去取貨態(tài)and有到達目標信號then轉(zhuǎn)到等待出庫機械操作態(tài);

R14：if有緊急出庫任務(wù)then優(yōu)先執(zhí)行出庫任務(wù)。

根據(jù)以上規(guī)則，得到屏老煉立體倉庫知識表示的狀態(tài)圖。立體倉庫知識表示狀態(tài)如圖1所示。

圖1 立體倉庫知識表示狀態(tài)圖Fig.1 State diagram of AS/RS

圖1中：IDLE為空閑狀態(tài);SF為去送貨狀態(tài);SB為送貨回狀態(tài);RF為去取貨狀態(tài);RB為取貨回狀態(tài);RP為再定位狀態(tài);WAIT1為等待狀態(tài)1;WAIT2為等待狀態(tài)2;STOP為停止狀態(tài)。

2 屏老煉系統(tǒng)的推理機

推理機是專家系統(tǒng)中實現(xiàn)基于知識推理的部件，是基于知識的推理在計算機中的實現(xiàn)，它是知識系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。推理方法主要有正向推理、反向推理和正反向混合推理三種方法。本文采用較為常用的正向推理策略，完成以下操作。

①尋找出前提可以同數(shù)據(jù)庫中的事實或斷言相匹配的規(guī)則，并運用沖突的消除策略，從這些都可滿足的規(guī)則中挑選出一個加以執(zhí)行，從而改變原來數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。

②這樣反復(fù)地進行尋找，直到數(shù)據(jù)庫的事實與目標一致即找到解答。

③如果沒有規(guī)則可以與之匹配，則停止。

3 庫位優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型

某公司生產(chǎn)流水線上的屏老煉立體倉庫是雙排單巷道結(jié)構(gòu)，每排12層32列，巷道全長36 m。由于立體倉庫內(nèi)只存在單一物品且質(zhì)量相當，不存在不同貨物分類存放的問題，也不存在較輕的物品放在貨架高處的問題[5]，所以可以將屏老煉立體倉庫的雙排貨架統(tǒng)一看待，組成24層32列的貨架結(jié)構(gòu)[6]。同時，將第i列第j層的庫位記為(i，j)，其中 i=1、2、…、32，j=1、2、…、24。

3.1 約束條件

約束條件是指上述庫位優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型所存在的一些制約性客觀條件。本文主要考慮以下幾個方面的約束條件。

①屏老煉立體倉庫庫位冗余度γ。按照要求，老煉加工時間為5 h，每25 s必須出庫一件老煉屏，可得

由式(1)可以看出該立體倉庫的冗余度很小。

②堆垛機的行駛速度和時間要求[7]。堆垛機行駛最大加速度為0.498 m/s2，最大行駛速度為2.85 m/s，最長行駛距離為36.5 m。因此，可得出堆垛機行駛的時間tm(i，j)和位移f(s)的單調(diào)函數(shù)關(guān)系為：

③在多個作業(yè)周期內(nèi)，優(yōu)先采取先入后出的策略，即入庫機械操作結(jié)束就開始下一次出庫定位操作[8]。

④ 對于存貨操作的庫位選擇，遵循就近原則[9]。對于 p(i1，j1)和 p(i2，j2)兩個庫位，如存在 j1＜ j2，則選擇p(i1，j1)作為入庫目標。

⑤ 在入庫時，要保證庫位為空，即滿足p(i，j)=EMPTY。

⑥ 在出庫時，要保證屏老煉完成，即滿足p(i，j)=OK。

3.2 貨位分配優(yōu)化策略

老煉堆棧庫位分配與作業(yè)調(diào)度優(yōu)化的優(yōu)化目標是必須保證平均25 s執(zhí)行一次屏出庫和一次屏入庫操作。存貨操作或取貨操作時，從起始位置i到達目標位置j的時間用ts(i，j)表示，存貨操作結(jié)束后從當前位置i到取貨操作位置j開始的再定位時間用tp(i，j)表示。取貨操作結(jié)束或存貨操作時，從目標位置i回到起始位置j的時間用tr(i，j)表示，機械操作的存放動作時間總和T動作存=14.4 s，取出動作時間總和 T動作取=14.4 s。那么，一次先入后出的時間tw可表示為：

式中：a為所存放貨物的目標位置;b為所取貨物的目標位置。

一次單入庫存貨操作的時間ti可表示為：

一次單出庫取貨操作的時間to可表示為：

堆垛機正常運行工作周期T滿足：

其中，T必須滿足優(yōu)化目標，即小于25 s。

由于機械操作入出庫時間都是固定值，堆垛機正常運行工作周期T僅與出入庫所花費的時間直接相關(guān)。出入庫所花費的時間與出入庫的路徑選擇相關(guān)，對出入庫的路徑選擇進行優(yōu)化，即可實現(xiàn)對堆垛機正常運行工作周期T的優(yōu)化[10]。屏老煉立體倉庫庫位冗余度γ為：

采用中心動態(tài)分組的策略，可實現(xiàn)對出入庫的路徑選擇進行優(yōu)化[11]。中心動態(tài)分組策略如圖2所示。

圖2 中心動態(tài)分組策略Fig.2 Central dynamic grouping strategy

中心動態(tài)分組是指以當前空庫位為中心，并且以上一個空庫位和下一個空庫位為邊界進行分組。其所采用的策略如下。

①以空位為中心進行分組，空位占據(jù)的列數(shù)決定分組個數(shù);

②初始邊界和空位2確定第1組;

③ 空位n－1和n+1確定第n－1組;

④空位n－1和末邊界確定第n組;

⑤第一組和最后一組的邊界之一分別是最左0和最右33;

⑥各組之間出現(xiàn)交叉。

當車體處于起始位時，進行預(yù)檢測，并確定操作類型：基本操作、單入庫操作、單出庫操作。預(yù)檢測遵循原則略。

4 結(jié)束語

本文提出的基于專家系統(tǒng)的屏老煉立體倉庫動態(tài)分配策略，較好地解決了屏老練立體倉庫運行效率不高的問題;設(shè)計了專家系統(tǒng)的總體方案，構(gòu)建了知識庫和推理機。同時，針對隨機存儲策略的不足，本文提出了中心動態(tài)分組優(yōu)化策略，在滿足各種約束條件的同時，也有效地提高了堆垛機正常運行的性能。基于專家系統(tǒng)的屏老煉立體倉庫動態(tài)分配策略在實際的屏老練立體倉庫系統(tǒng)中取得了良好的應(yīng)用效果。

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