屏老煉立體倉庫的動態庫位分配優化

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;西安科技大學計算機科學與技術學院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的運行效率和能耗要求的不斷提高，傳統的立體倉庫(automated storage and retrieval system，AS/RS)作業調度策略已不能滿足實際生產的需求[1]，且目前所采用的方法，如模擬退火算法、神經網絡、遺傳算法[2]、Petri網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、老煉加工系統、通信系統、自動控制系統、計算機監控系統、計算機管理系統以及電線電纜橋架配電柜、托盤、調節平臺、鋼結構平臺等輔助設備組成的復雜的自動化系統[3]。屏老煉的作業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周期的重要決定因素之一，它與行駛距離存在一一對應的單調關系，也與能耗息息相關，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對屏老煉時間和出入庫效率有嚴格要求。因此，在一次作業周期中，最大程度減小行駛距離成為動態庫位分配優化的重點。

本文主要討論在保證屏老煉立體倉庫正常運行且庫位不斷變化的情況下，基于專家系統的庫位分配和優化問題[4]。

1 屏老煉系統知識庫

專家系統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：〈結果〉”形式表達的知識規則;推理機的任務是運用控制策略找到可以應用的規則。屏老煉專家系統的知識庫應從庫位分配和出入庫作業調度兩方面考慮。

1.1 庫位分配和作業調度

合理的庫位分配和出入庫作業調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調度應遵循以下原則。

①就近入庫。

②減小堆垛機的行駛距離，加快響應時間，節省能耗。

③出入庫交替操作優先進行。執行入庫操作結束后，即開始出庫操作。

④入庫缺貨時，執行連續出庫操作，否則堆垛機停止。

⑤出庫線路故障時，執行連續入庫操作，否則堆垛機停止。

⑥作業調度時，按優先級服務，首先響應優先級最高的作業任務。

⑦出現故障的庫位，不執行入出庫操作。

⑧一次入庫操作后，空閑的庫位認為其老煉加工完成。

1.2 屏老煉系統的知識表示

為了能使計算機運用專家的領域知識，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生式規則、語義網絡、框架、狀態空間、邏輯模式、腳本、過程和面向對象等。本文采用了當前廣泛使用的基于規則的產生式系統，并根據庫位分配和出入庫作業調度原則，制定了相應的規則。屏老煉系統的主要規則介紹如下。

R1：if堆垛機在原點處于空閑態and有入庫請求then轉到去送貨態;

R2：if堆垛機在原點處于空閑態and有出庫請求then轉到去取貨態;

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

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

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

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

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

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

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

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

R11：if堆垛機處于停止態and有入庫請求then轉到送貨回態;

R12：if堆垛機處于停止態and有出庫請求then轉到再定位態;

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

R14：if有緊急出庫任務then優先執行出庫任務。

根據以上規則，得到屏老煉立體倉庫知識表示的狀態圖。立體倉庫知識表示狀態如圖1所示。

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

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

2 屏老煉系統的推理機

推理機是專家系統中實現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，它是知識系統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據庫中的事實或斷言相匹配的規則，并運用沖突的消除策略，從這些都可滿足的規則中挑選出一個加以執行，從而改變原來數據庫的內容。

②這樣反復地進行尋找，直到數據庫的事實與目標一致即找到解答。

③如果沒有規則可以與之匹配，則停止。

3 庫位優化問題數學模型

某公司生產流水線上的屏老煉立體倉庫是雙排單巷道結構，每排12層32列，巷道全長36 m。由于立體倉庫內只存在單一物品且質量相當，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一看待，組成24層32列的貨架結構[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化問題的數學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)的單調函數關系為：

③在多個作業周期內，優先采取先入后出的策略，即入庫機械操作結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 貨位分配優化策略

老煉堆棧庫位分配與作業調度優化的優化目標是必須保證平均25 s執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。出入庫所花費的時間與出入庫的路徑選擇相關，對出入庫的路徑選擇進行優化，即可實現對堆垛機正常運行工作周期T的優化[10]。屏老煉立體倉庫庫位冗余度γ為：

采用中心動態分組的策略，可實現對出入庫的路徑選擇進行優化[11]。中心動態分組策略如圖2所示。

圖2 中心動態分組策略Fig.2 Central dynamic grouping strategy

中心動態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，空位占據的列數決定分組個數;

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各組之間出現交叉。

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

4 結束語

本文提出的基于專家系統的屏老煉立體倉庫動態分配策略，較好地解決了屏老練立體倉庫運行效率不高的問題;設計了專家系統的總體方案，構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分組優化策略，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。基于專家系統的屏老煉立體倉庫動態分配策略在實際的屏老練立體倉庫系統中取得了良好的應用效果。

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