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关于双工位Mini-Load堆垛机调度系统的研究及设计

2020-06-16 843 上传者：管理员

摘要：以某工厂自动化立体暂存库为实例,针对频繁入出库作业的多台双工位Mini-Load堆垛机调度问题,提出了一种简便、快捷、高效的综合调度方案。该方案的核心在于入库巷道分配、堆垛机双叉入库作业货位地址分配以及出库作业的选择性优先分配执行策略。现场设备的实际运行结果验证了该方案的可行性、便捷性和高效性。

关键词：
Mini-Load
双工位
堆垛机
系统科学
调度系统
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近年来，国内外物流行业的发展突飞猛进，物流系统的效率问题逐渐受到重视。自动化立体仓库作为现代物流系统重要组成部分之一，其效率的高低直接影响整个物流系统。而堆垛机又作为AS/RS系统中最为核心的部分，故其调度的最优问题一直备受关注。

单货叉堆垛机的应用目前已经比较成熟，国内外学者对其调度问题的研究已有诸多成果。例如文献[1,2,3,4,5]均针对单台单货叉堆垛机，采用遗传算法、模拟退火算法等优化算法来对堆垛机调度问题进行了优化，文献[6]针对多台单货叉堆垛机的调度方案提出了一种合理分配的调度策略等等。而针对双货叉双工位的堆垛机调度问题的研究却相对较少，因此本文就多台双工位堆垛机同时工作的调度进行了研究与设计，提出了一种以堆垛机入出库作业智能分配方法为核心的综合调度策略，并将其应用到了某工厂立体库房当中。实例应用的效果验证了该策略的可行性、便捷性和高效性。

1、双工位Mini-load堆垛机调度问题简介

针对批量入出库的多巷道立体库系统，客户最关注的往往是整批货物入出库所花费的时间，即整个系统的入出库效率是否可以满足生产需求。而这个时间的长短主要由两个部分决定，一是入出库巷道的分配，二是单台堆垛机作业调度分配。

入出库巷道的分配合理与否对于整套系统的入出库效率具有直接的影响，该部分决定了整个入出库过程所有堆垛机是否可以接近满负荷工作，从而尽可能地降低资源的浪费，进而达到系统所设计的最大入出库效率。

当然，最为核心的部分还是单台堆垛机的入出库作业分配机制，作业分配的合理与否决定着堆垛机的工作效率，而堆垛机的工作效率对于整个系统的效率又有最为直接的影响，所以该部分一直是各大学者的研究重点。对于一台双工位的Mini-Load堆垛机，单个作业周期内可以完成两条入作业以及两条出库作业，即两次存取的动作，可以用图1的四指令循环作业指示图[7]表示。

图1标准四指令循环作业指示图

其中，S1、S2为存货目标位置，R1、R2为取货目标位置，I/O为入库起点、出库终点位置，也称为入出库站台。

Hausman[8]针对堆垛机作业时间的问题，提出了标准的四指令循环作业期望时间：

式中，E(SC）为一条存取作业的单指令循环的期望时间，E(TB）为堆垛机从一个目标位置移动到另一个目标位置的期望时间，比如TS1→S2、TS2→R1、TR1→R2。

由式(1)可以看出，想要减少双工位Mini-Load堆垛机作业时间，关键在于缩短3E(TB）这个部分的时间，至于如何达到这个目标也就是本文的研究重点所在。

2、双工位Mini-load堆垛机调度系统设计

2.1入出库巷道分配方案设计

首先，对于入出库巷道的分配问题，本方案的基本原则是尽量使所有堆垛机满负荷工作，避免空闲的状况发生。因此，为了所有巷道堆垛机尽可能满负荷运行，针对同一批相同货物的入库料箱，本方案采取均匀分配到各个巷道的基本原则；同一批货物出库料箱的分配原则也是一样，尽量从各个巷道均匀选取出库。该方案的主要目的就是为了避免单个堆垛机作业过多，而其余堆垛机空闲的情况，以此减少资源的浪费，从而提高整套系统的入出库效率。该步骤虽然设计简单，但对于提高系统的整体效率却有至关重要的作用。

2.2单台双工位Mini-Load堆垛机调度设计

针对本研究所涉及的堆垛机，本文首先做如下说明：

1）该类堆垛机为Mini-Load料箱库专用的高速堆垛机；

2）该类堆垛机具有两个工位，两个货叉，可最多同时存取两个料箱；

3）两个货叉在水平方向上的运动相互独立，可同时运动也可单独运动；

4）两个货叉均可访问所有货位；

5）两个货叉在同一水平面，一前一后；

6）堆垛机垂直方向与水平方向的运动相互独立，可同时运行。

由式(1)我们知道，减少双工位Mini-Load堆垛机作业时间的关键在于缩短3E(TB）这个部分，而这个部分又是由TS1→S2、TS2→R1、TR1→R2这三段时间构成。因此本文的研究重点就放在了如何最优化这三个部分的时间问题上，即可用式(2)表达。

很容易看出，三个阶段所花费的时间同时最小的时候，3E(TB）这部分即可以得到最优值。所以现在可以把这个大问题拆解为三个小问题，即最优化每个阶段所耗费的时间。

2.2.1第一部分，最优化TS1→S2

该部分表示为入库时双工位Mini-Load堆垛机连续访问两个入库目的货位，从第一目的货位运行到第二个目的货位然后放货完成所花费的时间。可以发现，两个目的货位的距离对于该阶段所花费的时间有着最为直接的影响，货位的分配起着至关重要的作用。下面本文将按照不同的货位搭配进行分析讨论。

1）两个入库目的货位为巷道同侧相邻货位，如图2中AB或者ab两个货位，定义为TypeI类货位组合；

2）两个入库目的货位为巷道两侧斜对相邻货位，如图2中Ab或者aB两个货位，定义为TypeII类货位组合；

3）两个入库目的货位为除去1）、2）两种情况的非相邻货位，即需要堆垛机水平运动或者垂直运动之后才能放完两箱货物的货位组合，如图2中AC、Ac或者Aa，定义为TypeIII类货位组合。

图2堆垛机-货架示意图

从图2可以看出，入库地址为TypeI类货位与TypeII类货位时，该部分所花费的时间最少，即TS1→S2最小，因为堆垛机无需再次水平前后运动即可将两箱货同时存入货架；而当入库地址为TypeIII货位时，堆垛机放完第一箱货接着存放第二箱货物时不得不向前后水平运动或者上下垂直运动，很明显，该过程包含开车与停车两个过程，需要花费大量额外的时间。因此，在入库货位地址分配的时候，TypeI类货位与TypeII类货位的优先级高于TypeIII类；其次，TypeII类货位会造成两头库端的位置存在单个空货位，即TypeIII类货位，故TypeI类货位优先级高于TypeII类货位。所以，对于入库货位地址的分配，本研究所采用的优先级策略为：TypeI>TypeII>TypeIII。

2.2.2第二部分，最优化TS2→R1

该部分表示入库完成后开始执行出库作业，从第二个入库目的货位运行至第一个出库目的货位所花费的时间。该部分的基本原则是就近，但同时可能会受到第三部分约束。

2.2.3第三部分，最优化TR1→R2

该部分表示出库时双工位Mini-Load堆垛机连续访问两个出库目的货位，从第一目的货位运行到第二个目的货位然后取货完成所花费的时间。显而易见，这两个目的货位的距离对于该阶段所花费的时间也有着最为直接的影响，货位的分配也起着至关重要的作用。所有下面也将按照不同的货位搭配进行分析讨论。

1）两个出库目的货位为巷道同侧相邻货位，即TypeI类货位；

2）两个出库目的货位为巷道两侧斜对相邻货位，即TypeII类货位组合；

3）两个出库目的货位为除去1）、2）两种情况的非相邻货位，即TypeIII类货位组合。

同第一部分类似，TypeI为相邻的两条出库作业，TypeII为斜对角的两条出库作业，这两类都可同时完成两条作业，而TypeIII只能单箱依次完成取货，TypeIII所花费的时间高于TypeI和TypeII。因此，TypeI、TypeII优于TypeIII，而TypeI较TypeII而言可较少的产生TypeIII类的单个货位，所以，TypeI优先于TypeII。故在进行出库作业时可以得到同样的优先级排列策略：TypeI>TypeII>TypeIII。

综上，为了使一个完整作业循环时间3E(TB）达到最小，本文提供的综合策略归纳总结为：入库作业首先就近分配TypeI类相邻货位，其次是TypeII类货位，最后如果TypeI类与TypeII类货位均不存在，此时分配TypeIII类货位；出库作业同样优先分配就近的TypeI类的出库作业，然后稍远的TypeI类出库作业，接着再是TypeII类出库作业，最后是TypeIII类的出库作业。

3、实例应用

为了进一步验证本研究成果的合理性以及高效性，我们在某工厂自动化立体仓库中进行了实例应用及验证。该自动化立体库包含四个巷道，四台双工位MiniLoad堆垛机，所有产品经输送主干线从车间直接送完立体库，到达立库之后再分配到四个巷道，然后堆垛机将其存入货架。图3为立库库内俯视示意图，图4为堆垛机载货台实物照，载货台货叉叉取了两个料箱。

图3立体库俯视示意图

接下来本文针对该部分的验证测试方案做一个简单说明。测试过程包括两次完整的存货-取货流程，其中有三箱货物需要入库，三箱货物需要出库；第一次存两箱、取两箱，第二次存一箱、取一箱。入库作业货位地址分别为1-1-5-1(1巷道1层5列左侧）、1-1-21-2(1巷道1层41列右侧）、1-1-22-2；出库作业货位地址1-1-30-2、1-1-39-1、1-1-40-1。对比方案的作业调度顺序如表1，作业序号从小到大表示执行的先后顺序。

图4双工位Mini-Load堆垛机载货台

表1作业调度测试方案

两种调度策略所耗费的总时间分别列于表1中，基本的就近策略所花费的时间为50.13s，而本文提出的调度策略所花费的时间为39.74s，想比较与基本的就近策略快了10.39s，节约时间20.73%。得出的这样的结果，其实很容易理解，也可以通过简单分析获得。关于基本的就近原则调度策略，堆垛机的实际运行轨迹为0→5→21→30→39→0→22→40→0（列），而本文提出的调度策略中，堆垛机的实际运行轨迹为0→21、22→39、40→0→5→30→0（列）。可以发现，前一种调度策略需要经过10次存/取动作，8次起停，水平运行158列宽值，该货架列宽为540mm，总计85.32m；而本文提出的调度策略只需要8次存取动作，6次起停，水平运行138列宽值，即74.52m。显而易见，本文提出的调度策略是可行的，而且是高效的。

4、结语

多台堆垛机作业的合理分配可以最大限度的使所有设备满负荷运转，提高资源利用率。单台双工位的Mini-Load堆垛机在单指令循环周期内可以访问4个货位进行存取作业，合理地进行入出库货位的分配可有效的缩短作业时间，提升整套系统的入出库效率。本文针对上述两个要点提出了一套完整的调度分配策略，并将此应用到了实际系统当中，运行结果验证了该研究成果的可行性及高效性。

参考文献：

[1]王雯,傅卫平,马明云.自动化立体仓库出入库调度优化[J].工业工程与管理,2008,13(5):15-20.

[2]姜山,季业飞.GASA混合优化算法在自动化立体仓库堆垛机作业调度问题中的应用[J].制造业自动化,2010,32(A5):63-64.

[3]程勇.自动化立体仓库堆垛机调度系统的建模及优化研究[D].厦门大学,2009.

[5]黄杨波,刘万军,刘卉.双伸位堆垛机系统调度的优化设计[J].计算机工程,2010,36(1):260-261.

[7]夏田,江鹏.自动化立体仓库双货叉堆垛机存取效率研究[J].物流技术,2015,34(13):292-293.

郭丽,吴双,杨腾飞,朱龙,王占河.双工位Mini-Load堆垛机调度系统设计与应用[J].制造业自动化,2020,42(06):27-29+60.

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期刊名称：系统科学与数学

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主管单位：中国科学院

主办单位：中国科学院数学与系统科学研究院

出版地方：北京

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国际刊号：1000-0577

国内刊号：11-2019/O1

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创刊时间：1981年

发行周期：月刊

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