（管理科学与工程专业论文）基于预测模型的立体仓库调度策略研究.pdf

中文摘要 摘要 近年来随着我国经济的快速发展和对外联系的同益紧密，物流因它通过货物 在时间、地理位置上的转移创造效益，而倍受产学界的高度重视。仓储是物流系 统的重要组成部分，自动化立体仓库较传统仓库有着无可比拟的优势，其发展非 常迅速。但是由于自动化立体仓库是一个复杂的综合自动化系统，它的出入库调 度问题直接影响着仓储系统的运行效率，因此开展自动化立体仓库出入库调度方 面的研究具有重要的工程应用价值。 本文以实际开发的自动化立体仓库项目为依托，针对自动化立体仓库调度中 的一些问题开展了相应的研究工作，提出了一种合理的立体仓库调度策略。主要 的工作包括以下几个方面： ( 1 ) 概述了自动化立体仓库调度问题的国内外研究现状，指出了现有研究中存 在的问题，并在此基础上提出了本文研究的内容和目标。 ( 2 ) 在深入分析仓库作业效率影响因素的基础上，指出了出入库频率预测的必 要性。根据实际货物出入库数据特征，提出了时间序列应用于货物出入库频率预 测的合理性，建立了一种基于时间序列方法的出入库频率预测模型，并讨论了模 型建立的步骤和原则。将预测模型应用在实际项目中对出入库频率进行了预测。 ( 3 ) 在对货物出入库频率预测的基础上，采用动态的研究方法，将出入库频率 作为货位优化数学模型中的动态变化参数，建立了自动化立体仓库出入库调度优 化模型。在优化模型中，针对货位优化问题的特殊性，应用改进的遗传算法实现 了货物价值、出入库频率、作业时间三方面的多目标组合优化。 ( 4 ) 使用v i s u a ls t u d i o n e t 、m a t l a b 为编程工具，开发了自动化立体仓库出 入库调度管理系统。利用所开发的系统和模型，对货位优化、复合作业进行了系 统仿真研究。结果表明，优化后的调度模型能明显提高系统的综合利用率。 关键词：自动化立体仓库；时间序列；调度；遗传算法 英文摘要 r e s e a r c ho ns c h e d u l i n gs t r a t e g yo fa u t o m a t e d s t o r a g e b a s e do nf o r e c a s t i n gm o d e l a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fd o m e s t i ce c o n o m ya n dh i i g hr e q u i r e m e n t s t o c o m m u n i c a t ew i t hf o r e i g ne n t e r p r i s e si nr e c e n ty e a r s ，m o d e r nl o g i s t i c sh a v er e c e i v e d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nd u et oc r e a t i n gs i g n i f i c a n te c o n o m i ce f f e c t sb yt r a n s f e r r i n g g o o d si nt e r m so ft i m ea n dl o c a t i o n w a r e h o u s ei sa ni m p o r t a n te l e m e n to fm o d e m l o g i s t i c s a u t o m a t e ds t o r a g eo u t p e r f o r m sm o r ee v i d e n t l yt h a n t r a d i t i o n a ls t o r a g ei n v a r i o u sa s p e c t s h o w e v e r ，s i n c ei ti sa l s oac o m p l e xi n t e g r a t e da u t o m a t e ds y s t e m ，a n d s c h e d u l i n ga f f e c t st h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ew h o l es y s t e m sd i r e c t l y , r e s e a r c h e so n t h es c h e d u l i n gp r o b l e m so fc o r r e s p o n d i n gi n - o u tw a r e h o u s eh a v es i g n i f i c a n tv a l u e si n t h ef i e l do fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h et h e s i sd o e ss o m er e s e a r c hw o r ko ns e v e r a lp r o b l e m sr e l a t e dt os c h e d u l i n go f a u t o m a t e ds t o r a g e ( s a s ) a n dp r e s e n t sa ne f f i c i e n ts t r a t e g yo ns a sb a s e do nt h er e a l s a sp r o j e c t t h em a i nj o bo ft h i st h e s i si sb r i e f l yd e s c r i b e da sf o l l o w s ( 1 ) t h es t a t e - o f - t h e r e s e a r c ha n dp o t e n t i a lp r o b l e m so fs a sa r es u m m a r i z e d r e s p e c t i v e l yi nd e t a i l o nt h eb a s i so ft h a t ，t h es c o p ea n do b j e c t i v eo ft h i st h e s i sa r e p r e s e n t e d ( 2 ) t h en e c e s s i t yo ff r e q u e n c yf o r e c a s t i n go fi n o u tw a r e h o u s ei sp r o p o s e db a s e d o nt h ea n a l y s i so ff a c t o r sa f f e c t i n ge f f i c i e n c y t h e n ，t h er a t i o n a l i t yo fa p p l i c a t i o no f t i m es e r i e sa p p r o a c ht of r e q u e n c yf o r e c a s t i n gi n i n o u tw a r e h o u s ei s e x p o u n d e d a f t e r w a r d s ，af r e q u e n c yf o r e c a s t i n gm o d e lo fi n - o u tw a r e h o u s ei se s t a b l i s h e da n d c o r r e s p o n d i n gp r o c e d u r ea n dp r i n c i p l eo fp r o p o s e dm o d e l i n ga r ed i s c u s s e d f i n a l l y , t h e p r o p o s e dm o d e li sv a l i d a t e db ya p p l i c a t i o nt op r a c t i c a lp r o j e c t s ( 3 ) b a s e do nt h ef r e q u e n c yf o r e c a s t i n go b t a i n e db yp r o p o s e df o r e c a s t i n gm o d e l ，a n o p t i m i z a t i o ns c h e d u l i n gm o d e lo fa u t o m a t e ds t o r a g e i s p r e s e n t e db yi n t r o d u c i n g f r e q u e n c yo fi n o u tw a r e h o u s ea sak e yd y n a m i cp a r a m e t e rt oa s s i g n m e n to fg o o d s a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o c a t i o no p t i m i z a t i o no fs t o r a g e ，t h ei m p r o v e dg e n e t i c a l g o r i t h mi su s e dt oi m p l e m e n tt h er e a s o n a b l eo p t i m i z a t i o no fm u l t i o b j e c t sa m o n g 英文摘要 v a l u eo fg o o d s ，f r e q u e n c yo fi n - o u tw a r e h o u s ea n dt i m eo fo p e r a t i o n s ( 4 ) t h em a n a g e m e n ts y s t e mw i t hr e s p e c tt os c h e d u l i n gf l o wo fi n - o u tw a r e h o u s ei s i m p l e m e n t e db yu s i n gv i s u a ls t u d i o n e ta n dm a t l a b t h ee x p l o i t e ds y s t e ma n d p r o p o s e dm o d e la r eu s e dt os t u d yt h es t o r a g el o c a t i o no p t i m i z a t i o na n dc o m p o u n d o p e r a t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e d u l i n gs t r a t e g yi m p r o v e so b v i o u s l y t h ei n t e g r a t e de f f i c i e n c yo fs t o r a g e r e t r i e v a ls y s t e m k e yw o r d s ：a u t o m a t e ds t o r a g e ：t i m es e r i e s ；s c h e d u l i n g ；g e n e t i ca l g o r i t h m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：基王亟型搓型趁童签金痊遢廑筮堕婴窒：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。- 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：季穿 姗年斗月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密一( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名： 承鲁 导师签名： 气 日期：m 年华月d 同 基丁预测模型的立体仓库调度策略研究 1 1 课题研究的背景和意义 第1 章绪论 1 1 1 课题的背景 物流( l o 西s t i c s ) 是指物资实体的物理流动过程，是“供”、“需 间有机衔接的 桥梁【1 1 。其核心是“实物流动”。而物流系统是指在一定的时间和空间里，由所需 位移的物资构成的具有特定功能的有机整体。近年来随着我国经济的快速发展和 对外联系的日益紧密，物流研究受到了产学界的高度重视。同时，伴随着计算机 技术的发展，中国机电企业的物流信息化和自动化程度不断提高，自动化立体仓 库在物流系统中的作用越来越重要，成为物流系统的一个核心和枢纽以及实现物 流合理化的关键所在，在国民经济中有着举足轻重的地位【2 1 。 美国于1 9 5 9 年开发了世界上第一个自动化立体仓库，并在1 9 6 3 年率先使用 计算机进行自动化立体仓库的控制管理。后来德国和日本也相继开发了自动化立 体仓库l 引。进入2 0 世纪8 0 年代，自动化立体仓库在世界各国发展迅速，使用范围 涉及几乎所有行业。现在，自动化物流技术和成套设备的开发研制已经发展成了 一个庞大的产业，含1 0 2 0 个巷道的立体仓库系统的使用已非常普遍，美国 h a l l m a r k 公司甚至成功安装了多达1 2 0 个巷道的系统1 4 1 。 自动化立体仓库至今大致经历了五个阶段，并逐步向下一阶段过渡。第一代 是人工仓储阶段；第二代的机械式立体仓库系统中，操作人员可以通过一些电器 按钮和开关来控制一些机械设备进行出入库作业，实现了搬运的机械化；到了7 0 年代末期，随着可编程控制器、自动存取a s r s ( a u t o m a t e ds t o r a g e r e t r i e v a l s y s t e m ) 、自动导向小车、条码阅读器等设备在立体仓库中的应用，第三代自动化 仓库系统实现了控制自动化；到了本世纪8 0 年代末，计算机技术的飞速发展及其 在自动化仓库系统中的成功应用，导致了第四代集成化立体仓库系统的诞生，形 成了由管理级、监控级、控制级组成的三级分布式控制结构，上位管理机协调控 制整个仓库系统的出入库作业和库存管理，并且与上位工厂计算机信息管理网络 相联结，实现管理微机化；进入9 0 年代，出现了第五代智能型立体仓库系统，该 第1 章绪论 类系统不仅实现了对出入库任务和仓库信息的全自动处理，而且还可根据生产计 划报表分析、制定出所需材料与劳动力，并依据物资的现有库存量提出外购建议， 当某些物资库存量不能满足生产需要时，系统还可根据现有在库物资适当修改生 产计划，并上报工厂相关部门，诸如此类，人工智能已逐步融入立体仓库系统中。 此外，随着电子数据交换e d i 技术的日臻完善，目前，自动化仓库系统逐步向第 六代“3 i ”( i n t e l l i g e n t ，i n t e g r a t e d ，i n f o r m a t i o n ) 仓库系统过渡，这种全自动、智能 化、集中化、信息化的立体仓库系统能为企业带来巨大的经济效益和社会效益。 至今，世界上许多国家都已经建立了自动化立体仓库，数量最多的是日本，其次 是美国【5 】o 我国对自动化立体仓库的研究起步较晚，1 9 7 4 年在郑州纺织机械厂建 成第一座自动化立体仓库。8 0 年代以后，自动化立体仓库在我国发展迅速，1 9 8 0 年，由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成的自动化立体仓库在北京汽车 制造厂投产，相继建成和正在施工中的自动化立体仓库达到2 1 座，目前，我国自 动化立体仓库数量已超过2 0 0 座。但自动化立体仓库在我国仍属初级发展阶段， 在信息处理、自动化程度等各个方面与西方发达国家相比存在较大的差距。现在， 我国自动化仓库正处于不断发展和完善过程中，自动化仓库技术己实现了与其他 信息决策系统的集成，正向智能化的方向发展1 6 ，7 | 。 1 1 2 课题的意义 自动化立体仓库是一个复杂的综合自动化系统，是一个由彼此相互作用的诸 多因素和各环节所构成的综合系纠8 1 。使用自动化立体仓库，可以促进企业的科学 管理，减少浪费，保证均衡生产。仓储信息管理的及时准确，可以为领导随时提 供库存情况，使其根据生产及市场情况及时对企业运营做出调整，从而可以提高 生产的应变能力和决策能力。立体仓库的出现，使传统的仓储观念发生了根本性 的变化，并使“静态仓库 变成了“动态仓库”。 自动化仓库是物流系统的重要组成部分。随着自动化立体仓库的广泛应用， 立体仓库作为主要的供应基地，应提供快速保障的供应能力1 9 ，1 0 1 。人们对立体仓库 出入库调度的合理性、实时性以及自动化立体仓库的智能要求也越来越高。丌展 自动化立体仓库出入库调度的研究就是根据立体仓库的现有资源、任务特性，合 基于预测模型的立体仓库调度策略研究 理安排出入库任务的执行顺序，并为每一货物分派货位，以提高立体仓库的效率 及利用率。因此，研究有效的调度方法对于发展自动化立体仓库的仓储技术具有 非常重要的现实意义。 1 。2 国内外研究现状 目前，国内外学者就立体仓库调度问题进行了广泛的研究并取得了一定的进 展。美国学者l i n n 1 1 】于1 9 9 0 年提出将专家系统的思想应用到立体仓库的控制领域。 b y u n g 等【1 2 】提出了一种基于调度和控制系统的混合智能a g e n t 结构并将其应用于 a s 瓜s 的货位拣选问题，研究结果也证明了这种方法可以优化立体仓库的货物库 存。t e p a s ”】引入了一种知识信息系统来辅助决策立体仓库中的调度问题并得到了 应用。 在国内，上世纪7 0 年代开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。近年来对立 体仓库的研究逐步增多，师向丽等提出了一种简化的调度模型和相应的调度算法， 将出入库调度作业分解为与任务号相关联的小车或堆跺机的任务，根据调度任务 执行算法从而完成出入库调度作业【1 4 】。田国会、刘常有等针对自动化仓库的实际 运行过程，提出了影响仓库运行效益的若干优化调度问题，并分别采用p e t r i 网、 时态逻辑、模拟退火、遗传算法、神经网络等方法进行仿真研究【1 5 l 。剡昌锋等应 用遗传算法对自动化立体仓库的调度问题进行了研究，研究结果表明该方法能够 得到可行调度策略并使系统达到较好的性能指标【1 6 l 。总体来说，我国对仓库出入 库调度问题的研究仍然较为薄弱，主要原因有：已经建成的立体仓库自动化水平 还相对较低，机械故障率居高不下，出入库调度问题还未进入迫切需要解决问题 的日程；仓库出入库调度问题的特殊性，即出入库调度优化研究涉及多种原则并 非提高效率这单一原则。 目前，在自动化立体仓库调度问题研究中，绝大多数学者根据货物出入库记 录把出入库频率假设为定值，然后进行库位优化以及整体系统的调度优化。因此， 已有的调度模型存在如下问题： ( 1 ) 货物的出入库数量及频率易受市场需求影响，一般来说，货物的出入库情 况是变化的。因此，使用固定的出入库频率很难反映实际的出入库情况，容易造 第1 章绪论 成调度系统效率低下和资源浪费。 ( 2 ) 在应用遗传算法进行立体仓库智能调度的研究中，多数学者采用传统的二 进制编码进行优化设计。然而，二进制编码不能直接反映出所求问题本身的结构 特征，不便于开发针对特定问题专门知识的遗传运算算子。 1 3 本课题的研究内容 本文在郑州某自动化立体仓库现有布局、设备和管理需求的基础上，结合现 实经济和技术背景，主要针对上述提出的a s r s 出入库调度问题迸行研究。通过 对出入库调度问题的建模分析及相应调度规则的优化，得到更加合理的调度策略， 有利于更有效的调度货物，减少货物的库存时间和周转时间，提高仓库的利用率。 本文主要的研究内容是： ( 1 ) 货物出入库频率预测问题的深入研究。通过对郑州某立体仓库货物出入库 情况的深入分析以及出入库调度问题特点的深入认识，拟应用时间序列方法建立 高效的出入库频率预测模型，并给出模型选择方法、建模过程，为合理调度作业 奠定基础。 ( 2 ) 货位优化问题的研究。从出入库频率、货物价值两个方面考虑来建立优化 数学模型，利用改进的遗传算法对该模型进行优化，并进行模拟验证。 ( 3 ) 复合作业优化调度问题分析和研究。针对复合作业的特点，进行作业流程 的优化设计，并对优化结果进行模拟验证。 ( 4 ) 调度策略的系统设计和实现。基于特定的系统开发环境和体系结构，使用 v i s u a ls t u d i o n e t 、m a t l a b 等编程工具，对货位优化、复合作业进行系统仿真。 基丁预测模互! 的立体仓库调度策略研究 第2 章自动化立体仓库及相关概念 2 1 自动化立体仓库的组成 自动化立体仓库又称为自动存储检索系统( a u t o m a t e ds t o r a g e r e t r i e v a l s y s t e m ，即a s r s ) i r l ，是一种新型的仓储技术，它是以高层货架为主体，以成套 搬运设备为基础，以计算机控制技术为手段的高效率物流、大容量存储的机电一 体化高科技集成系统。它集机械、电子、计算机、通信、网络、传感器和自动控 制等多种技术于一体，以搬运机械化、控制自动化、管理微机化、信息网络化为 特征，成为现代化物流设计中产品生产与存储的枢坌t t l s , i 9 1 。 自动化立体仓库系统主要由高层货架、巷道堆垛机、入出库系统、地面搬运 车辆等硬件设备，以及计算机管理与控制系统组成。货架按照排、列、层组合而 成立体仓库存储系统；传送搬运系统主要由有轨或无轨堆垛机、出入库输送机、 装卸机械等组成，承担货物存取、出入库的功能；计算机管理与控制系统根据立 体仓库的不同情况，采用不同控制方式。高级的自动化立体仓库的控制系统是由 管理计算机、中央控制计算机以及堆垛机等直接控制的可编程控制器组成，主要 承担出入库管理、查询、打印、仓库经济技术指标计算管理功能以及协调计算机、 堆垛机、出入库输送机等的联系【2 0 , 2 1 】。 2 2 自动化仓库系统的关键技术 自动仓库的技术，是集机械、电气、控制、建筑及计算机信息等为一体的综 合技术。自动仓库设计应首先根据有关数据，确定托盘数量，根据现场的条件选 择仓库的形式，然后进行平面布置设计。还应根据要求得到出入库能力、周边设 备情况计算作业周期，并留有一定余量【2 2 1 。 为了实现物流整体的合理性，首先应进行系统的设计，而且应优先考虑效率 问题。为实现系统的经济性及高效率，应选用能够适应自动化仓库能力及规模的 周边设备，并具有自动拣选和再入库等能力，还应考虑将来的扩展及运转成本等。 总之，应着眼于整体的经济性。自动化仓库自订后设备的选择，从出入库作业这样 简单的设施，到与生产线连接的高精度搬送装置，种类繁多，应尽可能选择结构 第2 章白动化立体仓库及相关概念 简单维修方便的形式【2 3 , 2 4 l 。 信息处理系统是仓库管理省力化、物品与信息一体化的重要环节，信息的输 入方法应根据商品的流通范围，在全国还是部分地区流通来确定，并选择合理的 管理方法。信息输入方法，从利用看板更换卡片形式，到利用计算机进行帐票管 理，方法很多，应根据用户的需求选择系统的形式，并将此计入流通经费的成本。 信息系统的设计应统一思想，还要进行经济核算，使省力、合理化的设想更具体。 因此，经营管理的信息系统是极其重要的，它是自动化仓库设计的核心【矧。 2 3 自动化立体仓库的优点 自动化立体仓库发展迅速，主要是因为它具有其它仓储形式难以具备的优点， 主要包括以下四个方耐2 6 , 2 7 ： 2 3 1 空间利用率大幅度提高，节约建筑用地 由于立体仓库采用高层货架技术，可以极大地减少建筑用地。在西方一些发 达国家提高空间利用率的观点已有更广泛、深刻的含义，节约土地已与节约能源、 环境保护等更多方面联系起来，有些甚至把空间利用率作为考核仓库系统合理性 和先进性的重要指标。仓库空间利用率与其规划紧密相连，一般来说自动化仓库 的空间利用率为普通仓库的货物仓库的2 5 倍。 2 3 2 高质量的货物保管 采用立体货架，不同的货物在不同的货架空间内，彼此之间不相互挤压，存 取时互不干扰。而且由于采用机械化作业，所以货物在运输过程中的完好性比较 好，不容易发生破坏。 2 3 3 机械化程度高 巷道式堆垛机作为自动化仓库的主要运输设备，取代人工存放货物和人工取 货，将货物妥善地存入自动化仓库，并自动地将生产所需零部件和原材料快速及 时地送达生产线。堆垛机既快捷又省力，人员不必进入仓库内工作，使作业环境 大为改善；采用计算机管理系统对货物运送进行控制和管理，使仓库管理科学化、 并使准确性和可靠性得到极大地提高，同时，还使出入库管理、盘库和报表等工 基丁预测模巧! 的立体仓库调度策略研究 作变得简单快捷，工人劳动强度大大降低。自动化仓库系统所需要的操作人员和 系统维护人员很少，既节省了人力物力，又节约了资金。 2 3 4 采用计算机管理，提高仓库的利用率 计算机能准确地对仓库中的各种信息进行存储和管理，调控仓库中的堆垛机 和运货车合理、高效率的运行，使仓库的运行更加流畅。同时，通过计算机管理 还能对仓库的仓储能力和库存信息进行有效的评估，便于在以后的运行中进行合 理改进，合理减少库存，加快资金周转，提高仓库的管理水平。自动化立体仓库 是现代制造系统的重要组成部分，它可以和企业的e r p 等上位系统相连接，实现 企业信息管理的自动化，使物流系统与生产制造、销售、财务等系统有机的联系 起来，提高企业管理水平和经济效益。 2 4 自动化立体仓库作业流程 仓库的功能是保证货物的正常入库和出库，并应保证一定的可靠度，满足预 定的生产率。自动化仓库通过各种搬运设备完成货物的自动入库和出库，对存储 系统中的空托盘进行自动处理，并为企业管理提供必要的信息【2 引。 2 4 1 货物入库流程 货物入库流程分为两类，一类是货架前区的入库流程，另一类是各加工区通 道的入库流程。货架前区的入库流程是入库员根据货箱内货物情况确定进入哪条 巷道，即根据货物类别和出入库频率，人为地将货物分类，确定存放的各巷道， 入库员用起吊设备将货箱搬运至相应的巷道入库口升降台，并将货箱转载到入库 链式输送机上，链式输送机将货箱送至堆垛机的巷道口待命。在传送过程中，装 在链式输送机上的条码阅读器对货箱上的条码标签进行扫描，将货箱内货物的品 名、规格等条码信息读入，经入库员核实后，将货箱数量和货物类别由键盘键入 控制系统，上位管理机根据输入的信息自动分配货位，并发出指令给堆垛机，由 堆垛机将货箱存入指定货位，完成入库作业。加工区通道的入库流程则是先由入 库员通过终端向系统申请入库，确认以后，用起吊设备将货箱放到入库链式输送 机待命。同样，在货箱移动过程中，装于链式输送机上的条码阅读器扫描货物品 第2 章自动化立体仓库及相关概念 名、规格等条码信息，入库员键入货物数量、类别，管理机按入库原则自动分配 货位，由相应的堆垛机和摆渡通道协同作业，将货箱送至指定的货位，完成入库 作业【2 9 1 。 2 4 2 货物出库流程 货物的出库流程一般分为货架区出库和加工区通道出库两类，出库员在收到 生产、客户的货物需求信息后，根据要求将货物信息输入计算机的出库单，并自 动传送给监控系统程序。监控系统程序根据收到的出库单信息，进行库存查询， 并按先入先出( f i r s t i n f i r s t o u t ) 、各巷道均匀出库和巷道就近出库等原则选择出库 的货位地址及相应的堆垛机，形成批出库命令，再根据当前入出库作业的情况， 对出库命令及其他作业命令进行作业的优化调度，安排各巷道的作业次序，然后 把安排好的作业命令( 列、层、左右排等) 逐条发送给相关的堆垛机单片机系统。 堆垛机按监控系统程序的出库命令运行到指定的货位，将货物取出并送到巷道口 的出库台上。堆垛机控制器能根据不同的运行距离和高度选择合理的运行速度， 并具有一系列安全保护和故障处理能力。堆垛机完成一个出库作业后，堆垛机控 制器向上位机监控系统程序返回作业完成信息，等待进行下一个作业。此时，监 控系统程序收到堆垛机的作业完成信息后向数据库管理系统程序返回该货物出库 完成信息。数据库管理系统程序对从监控系统程序收到的完成信息进行货物出库 记录，并实现数据库数据的及时更新【3 0 , 3 1 】。 基丁预测模型的立体仓库调度策略研究 第3 章货物出入库频率的预测 3 1 预测的必要性 在立体仓库调度问题的研究中，货物出入库频率多作为货位分配、堆垛机路 径优化问题的一个重要参数【1 5 ，3 2 1 。目前多数立体仓库货物调度中所使用的出入库 频率是根据经验获得的，一旦确定了某一类型货物的出入库频率，通常在以后的 操作中假设该类型货物的出入库频率基本不变。但这种确定货物出入库频率的方 法存在着很大的弊端。一方面，某一类型货物的出入库频率是一个随机过程，不 同的季节其出入库频率也有可能不同。对于某类型货物只使用一种确定的出入库 频率作为立体仓库调度优化布置的依据，那么仓库调度必然得不到最优策略，造 成人力和物力的浪引3 3 】，影响立体仓库的作业效率。另一方面，如果缺少对货物 出入库频率的准确估计，则很有可能入库货物在当天或近期就将进行出库操作， 但在入库时却将此货物存储在离出库台很远的库区，这样会很大程度地影响堆垛 机的运行效率，降低了货物的出入库节奏。针对这一问题，本文提出了对自动化 立体仓库中货物的出入库频率进行预测分析的思想，力求得出一种简单却又行之 有效的预测方法，提高货物出入库频率的准确性。 郑州某立体仓库中，货物的出入库调度有配套出库、非计划销售、非计划车 间领料、计划车间入库、生产外协入库等多种情况，非计划的出入库操作非常频 繁，在传统的做法中是根据操作人员的经验，将货物分为常用、非常用和特殊等 几个等级，作为货物出入库频率的相应衡量指标，这样的等级划分十分简单、易 于操作。但是这种方法存在的问题是：由于这种划分的依据完全来源于操作人员 的经验，那么划分的准确度恨低。并且这种划分范围过于宽泛，在同一等级中有 着几百种的货物，虽然这几百种货物的出入库频率存在较大的差异，但在排库过 程中却将它们作为同一等级的货物来看待，这样必然造成货位安排的不合理。 根据生产的管理计划，虽然能够大概地了解货物出库时间，但是在实际的生 产中，非计划的货物出入库情况却十分常见，所以根据历史数据，进行货物的出 库情况的预测十分必要，这样才能在为货物安排库位时，根据“为取而存”的原 第3 章货物出入库频率的预测 则，将货物安排到适宜的位置，提高出库操作的效率。 时间序列分析是概率统计中应用性较强的一个分支，在信号处理、自动化、 信息管理、金融经济、数据挖掘等众多领域中有着广泛的应用。而且，时间序列 分析已经有完整的理论体系，许多理论结果对于实际应用具有重要的指导意义。 为此，本文利用时间序列模型对货物出入库频率进行预测方面的研究，根据立体 仓库原有货物的历史资料，利用几种有效的时间序列模型，对货物短期的出入库 频率进行预测，并针对不同类型货物出入库频率所表现出的各自特征，制定了货 物出入库频率预测的具体策略和步骤，通过对某货物出入库频率实际值与预测值 进行对比，验证预测的准确性。 3 2 时间序列模型 时间序列通常是指按时间顺序排列的一系列被观测数据( 信息) ，为了对时间 序列进行数学描述，研究时间序列变化的规律，需要建立数学模型，这种模型通 称为时序模型。目前比较成熟的时间序列模型【3 4 - 3 7 】主要有：自回归滑动平均( a r m a ) 模型( 包括a r 模型和m a 模型) 、自回归求积移动平均( a r i m a ) 模型等。其中， a r m a 模型适合处理平稳时间序列，而a r i m a 模型偏重于处理非平稳时间序列。 3 2 1 自回归模型a r ( p ) 自回归模型可以理解为：任何一个时刻t 上的数值y ，可表示为过去p 个时刻上 数值的线性组合加上t 时刻的白噪声，表示为： y f = c + 伊1 y f 一1 + 伊2 y 卜2 + + 伊p y 卜p + e f ( 3 1 ) ( 3 1 ) 式中，y ，为时问序列第t 时刻的观测值；y “，y ，y 即为时序y ，的 滞后序列；e ，为随机误差项，满足白噪声假定，即e ( e ，) = 0 ，d ( e ，) = 盯；( o o ，p = o ，( 3 7 ) 式变成滑动平均模型，因而白回归滑动平均模型是较一般 的模型，是自回归模型和滑动平均模型整合而成的模型。 ( 3 7 ) 式也可写成如下形式： c p ( b ) y ，= c + o ( b ) e ，( 3 8 ) 上述的a r m a 模型( 包括a r 模型和m a 模型) 都是对平稳时间序列而言的 数学描述，在平稳时间序列建模方面具有很大优势。与平稳时间相对应的另一种 序列是非平稳时间序列，然而对于这种非平稳时间序列，不能直接建立a r m a 模 型。只能对其进行平稳化处理，然后对新的平稳时序建立a r m a ( p ，口) 模型，这里 平稳化处理可以用差分处理，也可以用对数变换等。 非平稳时问序列建模方法可以分为两类：直接剔除法。它是通过某种处理 方法( 主要为差分方法) 将确定性部分从非平稳时间序列中直接删去，再建立 第3 章货物出入库频率的预测 a r m a 模型，这类建模方法中，常用的有a r i m a 模型法、季节性模型法和x 一1 1 法等。趋势项提取法。它是从非平稳时问序列中提取确定部分，用明确的函数 关系式表达，利用剩下的平稳时序建立a r m a 模型，将确定性的函数关系式与 a r m a 模型组合，得到非平稳时间序列。在这类建模方法中，常用方法有逐步回 归法，灰色模型提取趋势项的g m ( 1 ，1 ) 和g m ( 2 ，1 ) 法等。 上述两类方法，相对来说，直接剔除法相当于对时序进行曲线拟和，建模过 程简单，适合于预测模型的建模。a r i m a 法由于不需要对时间序列的发展模式作 先验假设，同时方法本身保证通过反复识别修改直到获得满意的模型，因此适合 于各种类型的时间序列数据，这种方法不仅考察预测变量的过去值与当前值，同 时对模型同过去值拟合产生的误差也作为重要因素进入模型，有利于提高模型的 精确度，是一种精确度相当高的短期预测方法。 3 2 4 自回归求积滑动平均模型a r i m a a r i m a 模型意为自回归求积滑动平均( a u t o r e g r e s s i o ni n t e g r a t e dm o v i n g a v e r a g e ) 。是博克斯( b o x ) 与詹金斯( j e n k i n s ) 于二十世纪七十年代初期提出的，简称 “b j ”模型，是一种精度较高的时序短期预测方法。a r i m a 法建模的基本思想是： 将预测对象随时间推移而形成的数据序列视为一个随机序列，即除去个别因偶然 原因引起的观测值外，时间序列是一组依赖于时间t 的随机变量，构成该时序的 单个序列值虽然具有不确定性，但整个序列的变化却有一定的规律性，可以用相 应的数学模型近似描述。 a r i m a 模型有两种形式：一种为a r i m a ( p ，d ，口) ，适合处理不含季节性而具有 趋势性的非平稳时序，其中p ，q 仍为自回归、滑动平均部分的阶次，d 为差分运算 阶次；另一种为a r i m a ( p ，d ，g ) ( 尸p ，q 广，适宜于季节性非平稳时序的建模预测，这 里的p ，d ，q 与a r i m a ( p ，d ，g ) 中的含义相同，而p ，q 分别为季节性自回归阶数和季 节性滑动平均阶数，d 为进行季节差分的阶数，s 为季节周期的长度。 含季节性单变量的a r i m a ( p ，d ，g ) ( p p ，q ) s 模型一般可表示为： 驴p ( b ) o 尸( b ) i v 4 v ，d y ，一“】= 日。( b ) o q ( b ) e ，t = 1 ，n ( 3 9 ) ( 3 9 ) 式中：v 为非季节性差分符号，v = 1 一b ；v ，是季节周期为s 的差分， 基丁预测模型的立体仓库调度策略研究 v ，= 1 一b 5 ，驴p ，o qe ，的含义与上述相同。，p ) = 1 一1 b 一中2 8 2 一一m j d b 尸， e q ( b ) = 1 一o b o ：b2 一一e q b q 。这里“为可选择模型常数，当没有常数可以 指定时，u 通常认为等于0 。 若令上式e = a = o = o ，则模型退化为无季节性的a r i m a ( p ，d ，q ) 模型： 伊，( b ) 【v 4 y ，一“】= o q ( b ) e ，t = 1 ，n ( 3 1 0 ) 由上可见，a r i m a 模型的建模实际上是在a r m a 模型的基础上多了d 阶差 分运算，相当于在a r m a 建模之前对非平稳时序t y ， 进行平稳化处理，a r i m a 建 模流程概括所图3 1 所示。 图3 1a r i m a 建模流程 f i g 3 1s k e t c hp r o c e s so f a r i m ap r o c e d u r e a r i m a 模型中可以含有独立变量z 。，x ：，j 。，( 3 9 ) 式可进一步表示为： 第3 章货物出入库频率的预测 或 驴p ( b ) 尸( 曰) v 。v ? ( ) ，r i 善_ _ c i x i t ) 一“】= 口- ( 占) o q ( b ) p r 中( b ) 【v 占( y ，一t 善= c i x i t ) 一“】= o ( b ) p r ( 3 1 1 ) 式中：( 曰) = ( b ) 中尸( b ) ，v ( b ) = v 4 v ? ，o ( 口) = 巳( b ) o q ( b ) ，c i , i = 1 , 2 ，m 为 独立变量的回归系数。 3 3 出入库频率预测的建模步骤 为了获得较好的预测结果，需要建立一个完整的出入库频率预测模型，模型 建立过程包括：模型的识别、模型参数估计、模型的检验和评价、预测等步骤【3 6 郊- 4 0 l 。 3 3 1 模型的识别 对于大型立体仓库，其货物品种繁多，不同货物出入库频率所组成的序列统 计特性有可能不同。一些货物出入库频率的时序表现出平稳特征，而另外一些货 物的出入库频率表现出非平稳特征。对于一个实际货物出入库频率的时间序列， 选择的预测模型可以不同，但是预测模型选择的正确与否直接关系到预测的准确 程度，所以必须制定合理的方案，然后根据实际货物出入库频率的特点来选择构 造预测模型，这就是模型识别的工作。模型识别的本质就是根据序列的特征选择 合理的模型，此过程需要借助于时序的自相关函数( a u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ，a c f ) 和偏自相关函数( p a r t i a lc o r r e l a t i o nf u n c t i o n ，p a c f ) 特征，确定具体所使用的模型。 ( 1 ) 自相关函数( a c f ) 构成时间序列y , - 1 , y m ，y 每个序列值之间的简单相关关系称为自相关。自 相关程度由自相关系数厂。度量，它表示时间序列中相隔p 期的观测值之间的相关 程度。 ( y ，一加帅一歹) 0 = 旦_ 一 ( 3 1 2 ) ( y ，一y ) 2 ( 3 1 2 ) 式中：n 为样本数据个数，p 为滞后期，y 为样本数据的均值。将时问序列 基丁预测模型的立体仓库调度策略研究 的自相关系数绘制成图，标出一定的置信区间，被称作自相关分析图。 ( 2 ) 偏自相关函数( p a c f ) 偏自相关是指对于时i 、日j 序列y ，在给定y t - 1y ，y 即+ ，的条件下，y ，与y 帅之 间的相关关系，其相关程度用偏自相关系数痧即度量，计算公式如下： 朋； 厂1p = 1 。一渺ul ，一，( 3 1 3 ) 一p ；2 3 。 v “叫 卜酗吐，。 其中：0 是滞后p 期的自相关系数，砟，2 啡_ 1 ，一砟吐p 一，_ = 1 , 2 ，p 一1 。偏 相关系数用以测量当剔除其它滞后期( f = 1 , 2 ，p - 1 ) 干扰条件下，y ，与y 之间的 相关程度，有一1s 即s1 。 ( 3 ) 模型辨识 对于某一给定的时间序列，首先进行平稳性检验。时间序列是否达到平稳并 不需要求出其分布函数，通常采用的方法是绘制序列( 或差分序列) 随时间变化 的序列图，并结合白相关系数a c f 的散点图进行判断。若自相关系数a c f 随滞后 期增大，迅速趋于0 ，则认为该时序是平稳的；如果它的a c f 缓慢地趋于0 或不 趋于0 ，则认为该时序是非平稳的。对于非平稳的时间序列，应进行平稳化处理， 需进一步确定它属于哪种非平稳时序( 趋势性、季节性) ，这可以通过对原始时序 图和a c f 图进行观察分析得到。对于非平稳且存在一定的增长或下降趋势的序列， 说明具有趋势性，那么需要进行逐次差分使之达到平稳，由逐次差分的次数确定d 的取值。从理论上而言，足够多次的差分运算可以充分地提取序列中的非平稳确 定性信息。但应当注