自動化立體倉儲系統的設計和多目標優化*

□ 崔金華 □ 汪 偉 □ 代迪迪 □ 王汝佳 □ 石 旭 □ 顏 韓

江蘇理工學院 汽車與交通工程學院 江蘇常州 213001

1 研究背景

在我國電商產業繁榮以及中國制造2025的大背景下,國家和企業都致力于實現數字化技術與先進制造業相結合,從而促進新一輪工業變革。貨物的儲存和取放處于制造業的中間環節,解決貨物存儲問題是制造業升級的核心問題之一。而自動化立體倉儲系統的特點是有超大的存儲量、高效率的貨物存取以及精準的貨物信息管理,這也使其成為現代化制造業中最重要的系統之一。多數自動化立體倉儲系統存儲量較大、貨物類別復雜,面對這種大型立體自動化倉儲系統,如果事先沒有對其貨位進行有效的設計規劃,在倉儲作業過程中必然會發生穿梭車和貨物提升裝置運行混亂的局面,導致自動化立體倉儲系統運行效率低下,進而影響整個企業的物料供應體系。為了避免上述問題的發生,在設計自動化立體倉儲系統時,必須對立體倉儲貨位分配情況進行合理的優化。

目前,很多學者對自動化立體倉儲系統設計和貨位優化方面做了深刻的研究。曹浪財等[1]設計了自動化立體倉儲可視化系統,并對復雜貨物進行了貨位優化管理。李民權等[2]提出智能立體倉儲系統的設計方案。馬婷等[3]提出基于最小時間算法的出入庫優化方法,實現了均衡叉車工作量和進出貨總時間的優化目標。Xu Wei等[4]綜合考慮單一作業方式未實現倉庫出入庫作業所需的質心、頻率和時間等要求,建立了多目標優化問題的數學模型。文獻[5-8]構建了以貨架穩定性和倉儲運行效率為優化目標的數學模型,并設計混合優化算法對目標函數進行求解。楊永永等[9]將射頻識別技術與改進克隆算法相結合,從而對立體倉儲貨位分配進行了動態優化。李鵬飛等[10]考慮倉儲貨架安全性和倉儲運行效率因素來構建數學模型,通過病毒協同遺傳算法對目標函數進行求解。文獻[11-13]提出基于貨品相關性和貨架中貨品總出庫頻次的貨位優化方法,并通過兩階段智能算法求解。

筆者在其它學者研究的基礎上,設計了一款自動化立體倉儲系統,根據出入庫效率、貨架穩定性、同類物品先入先出等因素,建立優化數學模型,并通過多目標遺傳算法求解目標函數。

2 自動化立體倉儲系統設計

2.1 自動化立體倉儲系統運行原理

該倉儲長為6 m,寬為3 m,倉儲分為5層,可利用高度為4 m。倉儲兩側為貨架,貨架中間為穿梭車運行通道,倉儲起始端是以交流電機作為動力源的貨物提升裝置,倉儲終端以交流電機作為動力源的穿梭車提升裝置。由上述可知,倉儲每層7列,共有140個倉位,待系統驗證成熟,可根據企業場地需求進行擴大設計。自動化立體倉儲系統主要由自動化立體倉庫、穿梭車、提升裝置、輥筒運輸機構組成,自動化立體倉儲系統實物場景如圖1所示。

圖1 自動化立體倉儲系統實物場景

筆者設計的自動化立體倉儲系統采用兩種控制模式,即手動控制模式和自動控制模式。其中,手動控制模式主要用于設備運行前的調試。根據電路設計要求,手動控制模式使用常開控制,為了保證系統的穩定性,手動控制模式和自動控制模式形成電路互鎖,即二者不可同時運行。具體工作流程如下:將功能開關置于自動位置,系統上電后進行自檢;當按下啟動按鈕后,可編程序控制器控制系統得到信號,從而控制伺服電機驅動穿梭車運動;在正常情況下,按下自動按鈕,系統將進行相應的動作,此時觸摸屏上會顯示穿梭車位于倉儲的第n層第m列,以及運動狀態;當倉儲設備系統發生故障時,驅動程序停止執行、蜂鳴器閃爍報警,待報警解除后,控制程序將再次執行。

2.2 穿梭車系統設計

隨著倉儲系統的發展,穿梭車憑借顯著優勢成為該領域必要的組成部分,設計開發的四向穿梭車屬于該領域技術水平較為先進的一代產品。四向穿梭車在倉儲系統中可以完成橫向運動和縱向運動,靈活高效的運動方式,使其可以跨軌道取送貨物,從而實現貨物存取效率最大化。但是,靈活的運動范圍意味著更復雜的調度工作,因此目前應用并不廣泛。隨著對物流系統的成本和穩定性要求越來越高,四向穿梭車系統將得到越來越廣泛的關注。穿梭車通過控制器局域網總線與高速無線網絡或4G移動數據網絡通信,接收可編程序控制器指令后,通過伺服編碼器+定位光電組合,實現精準定位。穿梭車到達指定貨位后,通過由伸縮式直線軸承控制的貨叉,夾抱式取出貨物,或者將貨物搬運至指定貨位,完成出入庫作業。穿梭車布局如圖2所示。

圖2 穿梭車布局

2.3 提升裝置系統設計

自動化立體倉儲系統提升裝置分為兩個部分,一個用來提升儲存貨物、另一個是針對穿梭車換層設計。四向穿梭車只能滿足水平面內的運動,無法滿足上下運動要求,需要借助提升裝置來滿足穿梭車換層要求。穿梭車提升裝置具有立即響應、快速達到、安全高效的特點。筆者開發的穿梭車提升裝置動力源為三相交流電機,三相交流電機本身不能進行高精度定位操作,因此需要采用光電編碼器來完成提升裝置的定位工作。為了防止穿梭車超過運行區域,在提升裝置的底部位置和頂部位置分別安裝限位開關,以保護穿梭車安全運行。為滿足穿梭車換層平穩迅速的要求,提升裝置的設計要具備兩個條件:① 頂端和低端的限位裝置以及穿梭車位置感應器可自主運行;② 要滿足提升裝置的升降平臺和穿梭車行走軌道在水平方向上的精度要求。

提升裝置運動過程為:系統上電啟動、在觸摸屏上查看原點設置是否完成,完成則進行流程操作,未完成則需要在程序中進行原點設置。

提升裝置運動控制分為自動控制模式和手動控制模式。設置自動控制模式時,系統檢查提升裝置是否處于起始層,如不在起始層,則提升裝置自行運動至起始層,此時鎖緊系統的擋塊打開,根據控制系統發出的信號,允許穿梭車進入或退出,控制系統接收到穿梭車進入或退出信號后,在發送新的信號時擋塊鎖緊。設置手動控制模式時,檢查擋塊的狀態,在觸摸屏上設置提升裝置運行目標。提升裝置控制流程如圖3所示。

3 倉儲貨位多目標優化

多數研究者以堆垛機進出貨時間以及行駛距離為優化目標,還有從貨物相關性、貨物周轉率、貨架穩定性中選擇兩個作為優化目標。筆者根據企業實際生產需求,以出入庫效率、貨架穩定性、安全性,以及同類物品先入先出的原則作為優化目標,建立數學模型,并設計多目標遺傳算法進行求解,通過分析對比,證明模型和算法的正確性。

3.1 建立數學模型

以設計的立體倉儲為原型,該立體倉儲主要由貨物提升裝置、穿梭車、穿梭車提升裝置、輥筒機構組成,立體倉儲的長、寬、高依次為6 m、3 m、4 m,穿梭車在立體倉儲中間行駛,立體倉庫的兩頭分別為貨物提升裝置和穿梭車提升裝置。立體倉儲共有4排、7列、5層,一共有140個貨位,物品的質量不超過30 kg,數學模型涉及的符號見表1。

為了提高立體倉儲貨物周轉率,需要把出入庫頻繁的貨物存放在出入庫平臺周圍的貨位上,減少穿梭車在立體庫中的運行時間,從而提高倉儲運行效率。為了實現倉庫效率最大化,構建了周轉率最大化貨位分配目標函數,具體表達式為:

×L×pk

(1)

式中:x為排自變量;y為列自變量;z為層自變量。

圖3 提升裝置控制流程

常見的貨物存在一定的有效期,為了防止貨物超期失效,針對同一類別的物品,采用先存放先取出的原則,從而提高貨物的有效性。構建同類貨物先入先出目標函數,具體表達式為:

表1 倉儲模型數學符號

(2)

式中:(ak,bk,ck)為對應貨物的中心坐標。

立體倉儲中的貨架承載能力是有限的,在存放貨物時必須根據貨架承載能力,并遵循下重上輕的原則,這樣可以降低立體倉儲貨架質心,提高其穩定性、安全性。與此同時,在貨物存儲時,為了避免重力集中而為破壞貨架,不能將重物集中在某一位置。綜合上述因素,建立以貨物穩定性為優化目標的數學函數,為:

(3)

根據立體倉儲模型,共有2排、12列、5層,因此貨位優化問題空間約束條件為:

nxyzk∈{0,1}

x∈{1,2}

y∈{1,12}

z∈{1,5}

(4)

根據立體倉儲運轉情況,利用層次分析法,獲得不同優化目標的權重。最終的立體倉庫貨位分配模型利用權重均衡了三個優化目標,實現了不同優化目標的均衡。建立的立體倉庫優化模型為:

minf(x,y,z)=μ1×f1(x,y,z)+μ2×f2(x,y,z)

+μ3×f3(x,y,z)

(5)

式中:μ1、μ2、μ3為目標權重。

3.2 仿真計算

根據企業立體倉儲實際運行狀況,貨叉速度為0.2 m/s,穿梭車運行速度為1.2 m/s,提升裝置速度為1.5 m/s。假設一共有三類物品需要放入倉庫中,并用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代表這三類物品,每種貨物的最大質量不能超過30 kg。Ⅰ類貨物的周轉率為0.5～0.6,Ⅱ類貨物的周轉率為0.3～0.4,Ⅲ類貨物的周轉率為0.1～0.2。根據企業要求,將三個目標權重分別設置為μ1=0.4,μ2=0.3,μ3=0.3。遺傳算法參數設置見表2。程序在執行運算時隨機生成三類貨位的數量,并進行無規則排列。

表2 遺傳算法參數設置

3.3 結果分析

根據以上數據,在MATLAB軟件中進行多目標求解運算,得到結果如圖4～圖7及表3所示。圖4是在MATLAB軟件中建立的倉儲三維圖,共4排、7列、5層。圖5由程序隨機生成三類七個貨物,可以看到,此時貨物的排列是雜亂無章沒有規則的。通過表3優化前后倉儲貨位擺放坐標對比可知,同類物品擺放一起且靠近出口能提高運行效率,質量大的貨物放在底層能提高貨架的穩定性。圖6是經過多目標遺傳算法優化之后物品在倉儲的擺放狀態,可以比較直觀地看出,此時同類物品擺放在一起,質量大的在底層,且圖中所有貨物都放置在倉儲的出口處。優化目標為最小值,在計算時將適應度和優化目標正比例對應,由圖7可知,適應度為一個較小值復合優化預期。

圖4 倉儲貨位三維模型

圖5 優化前貨物分配

圖7 求解過程

表3 優化前后貨物坐標對比

4 結束語

針對企業貨物存儲問題,筆者設計了一套自動化立體倉儲系統方案,主要包括穿梭車、提升裝置及輥筒裝置的電路設計、可編程控制器控制程序設計。經過運行測試,該倉儲可以較好地解決貨物存儲問題。以倉儲貨架穩定性、最大運轉效率、貨物先進先出三個因素建立數學模型,通過多目標遺傳算法進行求解。優化結果顯示,同類貨物放置一起且靠近出口,即滿足先進先出的要求,也可以提高系統的運行效率,質量大的貨物堆放在底層,從而提高了貨架穩定性。