（系统工程专业论文）轴承自动化立体仓库的货位分配优化研究.pdf

i ， at h e s i si ns y s t e me n g i n e e r i n g s t u d y o nt h eo p t i m i z a t i o no f s t o r a g el o c a t i o n a s s i g n m e n t i nb e a r i n ga u t o m a t e d s t o r a g e r e t r i e v a ls y s t e m b yj i nl i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i us h u a n n o r t h e a s t e r n u n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 ， f l i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：也 思o 学位论文作者签名笸埏 日 期：叼每硼7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年画一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：盘止 签字日期：如7 年7 ，习7 喧 导师签名：别柳蠡 签字日期：加句2 ，7 ，一t | 一一 l 、 东北大学硕士学位论文 摘要 轴承自动化立体仓库的货位分配优化研究 摘要 随着现代工业的快速发展，传统的仓储方式日益不能满足生产和流通的需要，自动 化立体仓库得到越来越多的应用。面对成千上万的货格，立体仓库的货位分配优化已成 为提高存取效率、降低成本的关键。 本文以某大型轴承经销公司的单元货格式自动化立体仓库为研究背景，在总结国内 外立体仓库相关理论的基础上，对立体仓库的货位分配优化做了深入研究。本文的主要 工作有： 根据轴承经销公司立体仓库的类型和用途，引用基于耗能的货位编号方法：提出耗 能等级分类函数对经营范围内的所有轴承产品进行分类，根据每类所占数量比例进行货 架区域的划分。 论文重点研究了单元货格式立体仓库的货位分配问题。为了解决在库轴承锈蚀严重 的问题，本文研究了不同货位在湿度和温度方面的差异，结合不同规格轴承的精度和库 存周期建立了入库货位分配的最小锈蚀度模型；为了解决轴承锈蚀后出库引起的出库质 量下降和客户满意度降低的问题，建立了基于有效锈蚀度的货位分配模型，以轴承的锈 蚀程度而非传统的入库时间作为优先选择出库轴承的决策因素。此模型还考虑了不同货 位的相同规格轴承在下一个库存周期的锈蚀状况，使在下一个库存周期产生较少锈蚀和 较少维护成本的轴承继续保持在库存储状态。根据仓库追求的较低作业成本的目标，引 入最小耗能模型，与锈蚀度最小模型联合作为入库货位分配优化模型：保留仓库原来效 率优先的货位分配模型，与基于有效锈蚀度的货位分配模型联合作为出库货位分配优化 模型，并以有效锈蚀度作为约束来确保出库轴承的质量。 最后，采用p a r e t o 遗传算法求解本文的多目标货位分配模型。提出自适应惩罚函数 处理模型约束，引入精英保留策略提高种群的质量和收敛速度，使用p a r e t o 解集过滤器 来保留运算过程中出现过的较好的解。实验结果表明，p a r e t o 遗传算法有较快的收敛速 度和寻优能力，可以用来求解出入库货位分配模型并得到多个p a r e t o 最优解。 关键词：自动化立体仓库；货位分配；优化；耗能；轴承；锈蚀度 一i i i 一一 ， f ， l 气 i s t u d yo nt h eo p t i m i z a t i o no f s t o r a g el o c a t i o n a s s i g n m e n ti nb e a r i n ga u t o m a t e d s t o r a g e r e t r i e v a ls y s t e m a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e m i n d u s t r y ，t h et r a d i t i o n a ls t o r a g em e t h o d sc a l l n o tm e e tt h eg r o w i n gn e e d so fp r o d u c t i o na n dd i s t r i b u t i o n , a n d a s r s ( a u t o m a t e d s t o r a g e r e t r i e v a ls y s t e m ) h a sb e e ng e t t i n gm o r ea n dm o r ea p p l i e d f a c e dw i t ht e n so f t h o u s a n d so fs t o r a g el o c a t i o n s ，t h eo p t i m i z a t i o no fs t o r a g el o c a t i o na s s i g n m e n th a sb e c o m e t h ei m p o r t a n tf a c t o ro f i m p r o v i n ga c c e s se f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gc o s t s t h i sp a p e rt o o kt h e u n i tl o a da s r so fal a r g eb e a r i n gd i s t r i b u t i o n e n t e r p r i s ef o r b a c k g r o u n d o nt h eb a s i so fs o m et h e o r i e sa th o m ea n da b r o a da b o u ta s r s ，t h ep a p e rd i da l l i n d e p t hr e s e a r c ho ns t o r a g el o c a t i o na s s i g n m e n t t h em a i nw o r ki nt h i sa r t i c l ei sa sf o l l o 、s ： a c c o r d i n gt ot h et y p ea n da p p l i c a t i o no fa s r si nb e a r i n gd i s t r i b u t i o ne n t e r p r i s e ，t h i s p a p e ri n t r o d u c e dt h en u m b e r i n gm e t h o db a s e do ne n e r g yc o n s u m i n gf o rs t o r a g el o c a t i o n i t p r o p o s e dt h ef u n c t i o no fe n e r g yc o n s u m i n gc l a s s i f i c a t i o nt oc l a s s i f ya l lb e a r i n gp r o d u c t s w i t h i nt h ed i s t r i b u t i o ns c o p e a c c o r d i n gt ot h ep r o p o r t i o no fe a c h c l a s s i f i c a t i o n ，i td i v i d e d e v e r ys t o r a g er a c kf o raf e wz o n e s t h ep a p e rf o c u s e do nt h es t o r a g el o c a t i o na s s i g n m e n tp r o b l e mo fa u n i tl o a da s r s i n o r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fb e a r i n gc o r r o s i o ni nt h ew a r e h o u s e ，t h ep a p e rs t u d i e dt h e d i f f e r e n c e so fh u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n si nd i f f e r e n ts t o r a g el o c a t i o n s c o m b i n e d w i t ha c c u r a c ya n di n v e n t o r yc y c l eo fd i f f e r e n t b e a r i n gs p e c i f i c a t i o n s ，i te s t a b l i s h e da m i n i m u mc o r r o s i o nd e g r e em o d e lf o rs t o r a g el o c a t i o na s s i g n m e n t d u r i n gs t o r a g ep r o c e s s ；i n o r d e rt os o l v et h e p r o b l e mo fd e c l i n i n gq u a l i t yo fu n l o a d i n gg o o d sa n dc u s t o m e r s a t i s f a c t i o nw h i c hw e r ec a u s e db yr u s t yb e a r i n g s ，i te s t a b l i s h e dam o d e lb a s e do ne f f e c t i v e c o r r o s i o nd e g r e e ，w h i c ht a k et h ee x t e n to fb e a r i n g sc o r r o s i o nr a t h e rt h a nt r a d i t i o n a l s t o r a g e t i m ea s d e c i s i o n 。m a k i n gf a c t o rd u r i n gt h ep r o c e s so fc h o o s i n gu n l o a d i n gb e a r i n g s t h i s m o d e la l s oc o n s i d e r e dt h ec o r r o s i o ns t a t u so ft h es a m es p e c i f i c a t i o nb e a r i n g si nd i f f e r e n t v 一 东北大学硕士学堡笙查型型! 堕 _ _ _ - - _ _ _ i - _ _ - _ - - _ - 一。一 s t o r a g el o c a t i o n si nn e x ti n v e n t o r yc y c l e i tm a k e su n s e l e c t e db e a t i n g sg e tl e s s c o i t o s i o n a n dl e s sm a i m e n a n c ec o s t sd u r i n gt h en e x ti n v e n t o r yc y c l e a c c o r d i n gt ot h et a r g e t o f p u r s u i n gl o w e ro p e r m i o n c o s ti na s r s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h em i n i m u me n e r g y c o n s u m i n gm o d e l ，w h i c hc o m b i n e dw i t hm i n i m u m c o r r o s i o nd e g r e em o d e lt o g e t h e ra sa n o p t i m i z a t i o nm o d e lf o rs t o r a g el o c a t i o na s s i g n m e n ti ns t o r a g ep r o c e s s ；o nt h eo t h e rh a n d ， t h ep a p e rr e t a i n e dt h eo r i g i n a le f f i c i e n c yp r i o r i t ym o d e l ，w h i c hc o m b i n e dw i t ht h em o d e l b a s e do ne f f e c t i v ec o r r o s i o nd e g r e et o g e t h e ra sa no p t i m i z a t i o nm o d e lf o rs t o r a g el o c a t i o n a s s i g n m e n ti nu n l o a d i n gp r o c e s s t h i sm o d e lu s e d e f f e c t i v ec o r r o s i o nd e g r e ea sac o n s t r a i n t t oe n s u r et h eq u a l i t yo fu n l o a d i n gb e a r i n g s f i n a l l y ，t h ep a p e ru s e dp a r c t og e n e t i ca l g o r i t h mt os o l v et h em u l t i o b j e c t i v em o d e l s o f s t o r a g el o c a t i o na s s i g n m e n t i nt h i sa r t i c l e ，as e l f - a d a p t i v ep e n a l t yf u n c t i o n m e t h o dw a s p r o p o s e dt oh a n d l ec o n s t r a i n ti nm o d e l t h ei n t r o d u c t i o no f t h ee l i t er e s e r v a t i o ns t r a t e g yc a n i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ep o p u l a t i o na n dm a k ea l g o r i t h mh a v eb e t t e rc o n v e r g e n c e i tu s e d f i l t e ro fp a r e t os o l u t i o n ss e tt os a v eb e r e rs o l u t i o n si ne v e r yg e n e r a t i o n t h ee x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep a r e t og e n e t i ca l g o r i t h mh a sg o o dc o n v e r g e n c er a t e a n ds e a r c h a b i l i t y i tc a nb eu s e df o rs o l v i n g t h em o d e l so fs t o r a g el o c a t i o na s s i g n m e n ta n dg e t t i n gm o r e t h a no n ep a r e t oo p t i m a ls o l u t i o n k e yw o r d s ：a u t o m a t e ds t o r a g e r e t r i e v a ls y s t e m ；s t o r a g el o c a t i o na s s i g n m e n t ；o p t i m i z a t i o n ； e n e r g yc o n s u m i n g ；b e a t i n g ；c o r r o s i o nd e g r e e v i 一 - ， ， i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 中文摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 国内外自动化立体仓库研究现状2 1 3 本文研究的目的及现实意义4 1 4 本文研究内容及章节安排4 第2 章自动化立体仓库及其发展7 2 1 自动化立体仓库的发展阶段和发展方向7 2 1 1 自动化立体仓库的发展阶段及在我国的发展现状一7 2 1 2 自动化仓库的发展方向8 2 2 自动化立体仓库的特点9 2 3 自动化立体仓库的分类1 0 2 4 自动化立体仓库的构成1 2 2 5 自动化立体仓库的作业结构1 4 2 6 自动化立体仓库基本作业流程1 5 2 6 1 入库作业流程1 5 2 6 2 出库作业流程1 5 2 6 3 拣选作业流程1 6 2 6 4 盘点1 6 第3 章轴承立体仓库货架管理研究：1 7 3 1 轴承立体仓库管理现状分析1 7 3 2 货位编号的意义1 7 3 3 基本假设条件18 3 4 立体仓库的常用货位编号方法1 9 3 4 1 传统的货位编号方法1 9 3 4 2 效率优先的货位编号方法2 0 v i i 东北大学硕士学位论文目录 3 5 基于货位耗能的编号方法的应用2 l 3 6 基于耗能等级的货架分区法2 3 3 6 1 轴承物品分类2 3 3 6 2 基于轴承耗能等级的货架分区方法2 4 3 7 货位编号方法的耗能对比分析2 7 第4 章轴承立体仓库货位优化模型的建立3 l 4 1 现行货位分配方式及问题分析3 1 4 2 出入库货位分配方法概述3 3 4 3 入库货位分配模型的建立3 6 4 3 1 最小耗能模型3 6 4 3 2 最小锈蚀度模型3 9 4 3 3 入库货位分配模型4 4 4 4 出库货位分配模型的建立4 6 4 4 1 效率优先的货位分配模型4 6 4 4 2 基于有效锈蚀度的货位分配模型4 7 4 4 3 出库货位分配模型5 2 第5 章轴承立体仓库货位优化模型的求解5 5 5 1 多目标优化的基本概念5 5 5 2 多目标优化求解算法的分析选择5 6 5 3 遗传算法简介5 7 5 4 多目标优化遗传算法6 0 5 5 约束处理6 2 5 6 货位分配优化问题的p a r e t o 遗传算法设计6 4 5 6 1 算法的预处理和主要技术6 4 5 6 2p a r e t o 遗传算法的具体实现。6 6 5 7p a r e t o 遗传算法求解货位优化问题步骤7 1 5 7 1 入库货位分配优化问题的求解步骤7 l 5 7 2 出库货位分配优化问题的求解步骤7 2 5 8 实验结果7 2 5 8 1 实验环境与参数设置7 2 5 9 实验结论7 7 第6 章结论7 9 参考文献8 l v i i i 查! ! 查堂翌主兰堡垒文 目录 致谢8 5 一一 东北大学硕士学位论文 目录 一x 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 随着经济和现代科技的不断发展，物流已由最初概念的形成、发展和不断完善，在 全球迅速成长为具有无限潜力和发展空间的新型服务产业。现代物流业发展水平是衡量 一个国家综合国力的重要标志，正日益受到各国的重视。因此，加快发展现代物流业， 对拓展新的经济增长空间，提高城市经济的国际化、信息化、市场化水平具有十分重要 的意义。 企业现代化生产规模的不断扩大和深化，使得仓库成为生产物流系统中的一个重要 且不可缺少的环节。集物流、信息流和资金流于一身的物流配送中心，在全球化和市场 化的时代里，进一步促进了世界经济与贸易的发展。自动化立体仓库在现代化的物流配 送中起到了重大的作用，可以说没有自动化立体仓库就没有现代的物流系统。 自动化立体仓库具有如下6 大优点： 存储量大，占地面积小； 可迅速方便的进行货物的入、出库作业；便于实现仓库的机械化、自动化，从 而可以节约劳动力，减轻劳动强度，提高入、出库的作业效率和仓库周转能力； 提高了库存管理的准确性和快速性，从而相对减少了库存量，减少了库存占有 资金； 缩短交货时间，增加了操作的安全性，减少了货物损坏率，提高了服务质量 提高了整个工厂企业的管理和生产效率，正在逐步替代面积利用率极低且陈旧 落后的平面仓库，这种替代促使仓储物流业的水平提高。 自动化立体仓库无论在运转，还是在管理上都显示出它的高效性、计划性和便利性， 它以最快速度、最低价格和最佳服务来满足用户需求，从而获得最大的利益。因此，自 动化立体仓库目前正被越来越多的企业所重视。 当前世界经济发展的两大趋势是全球化和市场化。代表2 1 世纪国际物流先进技术 的物流配送中心的特征是自动化、计算机化、信息化、网络化、智能化、柔性化、电子 商务化、标准化和社会化。只有通过商品流通才能体现出商品的价值及其使用价值，流 通是国民经济运行的大动脉。自动化立体仓库加速了商品流通，减少了商品损坏，降低 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 了流通成本，节约了土地面积、人力和财力。此外，它还提高了库存周转率、经营灵活 性和工作效率。 自动化立体仓库的建设对于企业的效益是非常明显的，因此它的应用越来越广泛。 但自动化立体仓库在设计和使用中还存在许多问题，如仓库利用率低，效果不明显，规 、 模不确定，优势不突出等，造成许多库场资源闲置。所以在建设物流系统及自动化仓库 的过程中，加强对立体仓库进行优化管理，增强实用性优化算法的研究，可以减少作业 成本和作业时间，在节约成本的同时不影响作业效率的提高。自动化立体仓库优化管理 的研究己经取得了较大的进展，但随着现代物流的发展，问题复杂程度和求解精度要求 的提高，新的问题形态不断出现，需要我们有针对性地建立新模型来求解；现有的研究 方法也已不能满足求解大规模问题的需求，需要发展高效的启发式方法来设计优化管理 方案。 1 2 国内外自动化立体仓库研究现状 总结国内外对自动化立体仓库的研究的主要理论和成果，归结为以下几个方面： ( 1 ) 自动化立体仓库的整体规划设计 这一领域的研究主要是从自动化立体仓库设计阶段入手，结合企业的需求，综合考 虑成本、效率等因素，从整体上设计出适用的自动化存储系统。自动化立体仓库的设计 包括很多方面，如构造设计、堆垛机的选用、电气控制的设计、货架的设计、仓库管理 信息系统的设计、输送系统的设计等n 1 。这方面理论主要是从宏观上对自动化立体仓库 进行整体规划设计，研究也大多集中在自动化立体仓库规划设计的初期设计阶段。 ( 2 ) 存取设备的改进 对于自动化立体仓库的使用设备进行改进，包括堆垛机，输送系统和周边设施等的 改进。大多数研究主要集中在堆垛机的改进，比较典型的研究理论有：双货叉存取方式， ， 即在原来的基础增加了一个货叉，这种新颖设计的堆垛机拥有两个货叉，它在运作中可 以缩短在货架到返回点之间的运行时间，而且可以在一个工作流程中就完成存货和取货 1 的操作2 。】；对堆垛机性能构造的改进设计，即对堆垛机结构和机械设计的力学分析和 研究，得出适合应用的特殊结构堆垛机的优化设计方法【4 棚。 ( 3 ) 出入库任务作业的货物分配和调度的优化 对自动化立体仓库出入库的货位分配和作业调度进行优化研究。目前关于这方面理 论研究有很多，对于这类问题的解决方法也有很多，比较有代表性的有：c h a n gy o uz h a o 一2 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 等人以烟草自动化立体仓库为研究背景提出了新的货位分配方法来缩短作业时间并确 保货架的稳定性 7 1 ；x i n m i nz h a n g 等提出用免疫粒子群优化算法优化固定货架的拣选命 令顺序【8 】；严云中、孙小明等人根据自动化立体仓库物料的主要存放模式，说明库位号 与堆垛机运作的关系，分析影响堆垛机运作效率的各种因素，提出了库位优化的思想， 并对优化库位及传统库位进行仿真比较【9 】；h s i e h 和t s a i 提出了面向b o m 基于分类的货 位分配方法，将货物分类存放在货架的相应区域中【1 0 】；t h o n e m a n n 和b r a n d e a u 提出了 在随机环境中应用周转率和分类进行货位分配【l l 】；刘金平与周炳海等人结合在线自动化 立体仓库系统实例，分析了在线自动化立体仓库的主要作业需求，提出了一种应用存储 特征码进行库位分配的方法【1 2 】；田国会与刘长有等人针对某自动化主体仓库的实际运行 过程，提出了影响仓库运行效益的若干优化调度问题，分别采用模拟退火、遗传算法、 神经网络等方法并结合计算机仿真技术进行了研究【1 3 】；清华大学的贾煜亮研究了单元货 格式自动化立体仓库中的货位实时分配问题，并用模拟退火方法结合遗传算法进行求解 【1 4 】；朱德桥，李建国等人在假定约束松弛条件下，对自动化立体仓库堆垛机调度过程中 出库数量大于入库数量的情况进行了深入的研究，建立了数学模型并设计遗传算法进行 求解，通过m a t l a b 仿真验证了算法的可行性【1 5 】；银光球，何福英等根据存取物资时 能量消耗最小的原则，提出了货位优化数学模型，有效地解决现有存储模式存在的若干 问题，降低仓库的运行成本【1 6 】。 ( 4 ) 控制系统优化 即对自动化立体仓库控制系统及p l c 编程问题的研究，主要典型的理论有：研究 有关堆垛机应用p l c 控制的特点及编程问题1 7 】；针对传统程序设计方法难以对具有并 发、协调、竞争等复杂事件的p l c 控制系统编程的问题，探讨一种基于p e t r i 网模型的 p l c 程序设计方法，利用p e t r i 网的图形性质和对并发事件建模的能力，可简便、直观 地构建p l c 控制系统程序的研刭1 8 】。 ( 5 ) 仓库管理信息系统的集成 即采用集成化技术对仓库管理信息系统进行优化设计，从而实现从上位端对自动化 立体仓库的最优控制和操作。主要的研究理论有：基于实时控制的出入库算法，即采用 出入库管理、通讯控制、滚道控制和堆垛机控制4 个部分算法通过可编程控制器有机集 成，将各种出入库复杂情况和出入库过程中的设备情况有机的集合在一起，从而统一调 度处理的模式；结合现代科技的发展，特别是计算机技术、通信技术以及信息技术等应 用，着重研究自动化立体仓库系统的控制及管理技术【1 9 。2 0 】。 - - 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 我国自动化仓库正处于不断发展和完善阶段，世界主要工业国家都把着眼点放在开 发性能可靠的新产品和采用高技术上。近年来，国内外在建设物流系统及自动化仓库方 面更加注重实用性和安全性。国内的研究机构对自动化立体仓库的研究各有侧重点，但 主要的研究内容集中在仓库监控系统的研究及堆垛机、输送车和旋转货架的优化调度， 其目的大都是为了提高立体仓库的运作效率，而对于研究立体仓库运作成本的相关理论 却并不多见。虽然人们从不同角度出发对立体仓库的进行了研究并取得了一定的进展， 但这些先进的管理技术和优化技术在我国的实施并不尽如人意。由于不同企业立体仓库 的实施状况不同，因此现有的许多方法往往更具有理论意义。 1 3 本文研究的目的及现实意义 从当前自动化立体仓库的技术结构来看，人们已经越来越关注自动化仓库硬设备技 术和自动控制及通讯技术的完善，而这些技术只有与自动化仓库的优化管理、优化调度 相结合才能使自动化立体仓库的作用得到充分发挥。然而，由于各个企业自动化立体仓 库的运行环境不同，存储物品不同，很多单纯地为了提高作业效率的优化管理方法不一 定适用于所有企业。研究适合企业自身的仓库优化管理方法具有非常重要的意义。 本文从某轴承经销公司的自动化立体仓库的实际情况出发，目的是为了寻求合理的 方法降低仓库运行成本，解决在库轴承锈蚀严重影响出库质量的问题。论文对立体仓库 的货位分配进行了深入研究：在入库货位分配方面，以降低作业耗能、减少轴承锈蚀为 目标建立了入库货位分配的多目标模型；在出库货位选择方面，以较高的作业效率和保 证出库轴承质量为目标，建立出库货位分配模型。论文研究的目的是为了从企业自动化 立体仓库的实际运行情况出发，探索适合企业自身特点的立体仓库管理方式。 1 4 本文研究内容及章节安排 本文首先从轴承立体仓库的类型特点、存储物品的特点以及公司的发展需求出发， 分析了轴承立体仓库的运行现状，阐明采用基于耗能的货位编号方法更适合流通性立体 仓库。将基于耗能的货位编号方法与依据耗能等级分区域存储轴承的管理手段相结合， 作为减少仓库作业成本的有效方法之一。 其次，分析轴承立体仓库现行货位分配方式的弊端，在调查影响仓库轴承生锈的各 方面环境因素以及不同规格轴承属性的基础上，建立入库货位分配的最小锈蚀度模型； 改进传统的先入先出模型，提出基于有效锈蚀度的出库货位分配模型，使用不同规格轴 一4 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 承的有效锈蚀度来确保出库轴承的质量；根据出入库货位分配模型的特点，应用p a r e t o 遗传算法对货位分配问题求解，引进自适应的惩罚函数，精英保留策略和p a r e t o 解集过 滤器使算法得到较好的收敛并获得多个p a r e t o 最优解。 最后，对本文的研究成果作了总结，指出本文未能研究和涉及但有较好前景的立体 仓库的其他的研究领域。 论文的章节安排如下： 第l 章：介绍论文背景，国内外自动化立体仓库的研究现状，以及论文研究的目的 和现实意义； 第2 章：论述自动化立体仓库的特点、构成以及作业结构，描述了立体仓库的基本 作业流程； 第3 章：分析总结了立体仓库常用的货位编号方法，采用基于单位质量耗能函数的 货位编号方法，对仓库所有货架进行联合货位编号；提出轴承耗能等级分类函数，应用 此函数将经营范围内的所有轴承进行耗能等级分类，根据每个耗能等级所占比例对货架 分区，并比较不同的货位编号和货架分区方法的耗能情况。 第4 章：分析轴承锈蚀的影响因素，研究不同货位的温度和湿度的差异，结合轴承 的精度属性和库存周期属性，建立最小锈蚀度模型，使不同精度不同库存周期的轴承和 代表不同存储条件的货位之间优化组合，改善轴承的在库存储现状。为达到降低作业成 本的目标，引入最小耗能模型，与最小锈蚀度模型联合作为入库货位分配模型。另一方 面，由于传统的先入先出方法不能保证出库轴承的质量，因此，以轴承的锈蚀程度作为 选择出库轴承的决策因素，提出基于有效锈蚀度的货位分配模型。此模型计算同种规格 轴承在下一个库存周期的锈蚀程度，优先选择锈蚀程度大的轴承出库，使在下一次出库 前产生较少锈蚀的轴承留在库中，降低库存维护成本。同时，模型以不同精度轴承的有 效锈蚀度作为约束，保证不同精度轴承的出库质量。在出库货位分配时，将基于有效锈 蚀度的货位分配模型结合原有的效率优先模型一起作为出库货位分配模型。 第5 章：对入库货位分配和出库货位分配两个多目标问题，采用p a r e t o 遗传算法求 解。在算法中引入精英保留策略提高种群质量和算法收敛速度，引入p a r e t o 解集过滤器 来保存求解过程中出现过的较好的解。提出自适应的惩罚函数处理模型中的约束条件。 最后，编写程序验证算法的可行性并求得问题的多个p a r e t o 最优解。 第6 章：对论文的主要工作进行总结，指出论文尚需完善之处。 一5 一 一6 一 东北大学硕士学位论文笫2 章自动化立体仓库及其发展 第2 章自动化立体仓库及其发展 自动化立体仓库又称立库、高层货架仓库、自动仓储a s r s ( a u t o m a t i cs t o r a g e & r e t r i e v a ls y s t e m ) 。它是一种用高层立体货架储存物资，用电子计算机控制理论和用自动 控制堆垛运输车进行存取作业的仓库。仓库的功能从单纯地进行物资的储存保管，发展 到担负物资的接受、分类、计量、包装、分拣配送、存档等多种功能。这有助于实现高 效率物流和大容量储藏，能适应现代化生产和商品流通的需要。 2 1 自动化立体仓库的发展阶段和发展方向 2 1 1 自动化立体仓库的发展阶段及在我国的发展现状 自动化立体仓库最早出现在美国，到现在大致经历了4 代发展，并逐渐向第5 代过 渡。 第1 代自动化仓库产生于2 0 世纪6 0 年代，被称为机械式立体仓库，主要通过电器 按钮来控制机械设备的出入库作业，后来逐步增添了可编程逻辑控制器( p l c ) 、自动导 引小车( a g v ) 、条形码阅读器等设备。 第2 代自动化仓库实现了控制自动化。随着计算机技术的发展，工作重点转向物资 的控制和管理，要求实时，协调和一体化。 第3 代自动化仓库则侧重系统模块化和物流结构层次化，形成了由管理级、监控级、 下位控制级组成的3 级控制结构，并实现了网络化管理。 第4 代智能型立体仓库出现于2 0 世纪9 0 年代，它能自动完成货物出入库的整个流 程，能根据生产计划制定所需材料和劳动力，提出外购建议，逐步采用了部分人工智能 算法。 时至今日，随着信息技术的高速发展，以全自动化、智能化、集成化、信息化为主 要特点的第5 代立体仓库正在逐步推广使用。 据不完全统计，美国拥有各种类型的自动化仓库2 0 0 0 0 多座，日本拥有3 8 0 0 0 多座， 德国拥有1 0 0 0 0 多座，英国有4 0 0 0 多座。目前比较有代表性的仓库应用单位有s i k o r s k y s s t r a t f o r dc o n n 飞机制造厂、日本m u r a t e c 公司、美国西蒙福兰塞大学( s f u s i m o nf r a s e r u n i v e r s i t y ) l 药书馆、美国h a l l m a r k 公司等。澳大利亚墨尔本市f i n e m o r e s 公司内的输 送叉车和卡车上都装有计算机，利用全球定位系统( g v s ) 实现了主控室和物流搬运设备 一7 一 东北大学硕士学位论文第2 章自动化立体仓库及其发展 的指令传输。 我国自上世纪7 0 年代开始进行立体仓库的相关研发工作，8 0 年代及以前投入使用 的立体仓库在运行效率、自动化程度和智能化水平等多个方面与发达国家相比有很大的 差距。进入9 0 年代后，自动化仓库的研制进入了高速发展阶段，部分国内厂家从给国 外代理产品开始，逐步消化吸收发达国家的成熟技术，走上了自主研发的道路。从事立 体仓库设计和生产的科研院所和企业单位己从几家扩展到了几十家。目前我国已经拥有 数百座自动化立体仓库，多数是中小型仓库。大型自动化仓库对技术性能和可靠性要求 高，工艺性强，设计制造难度大，大多由国外进口。 采用自动化立体仓库的单位主要集中在烟草、医药保健品、食品、通讯和信息、军 需后勤、机械制造等传统优势行业和部分大型企业。他们采用自动化立体仓库后大都明 显降低了存储成本和货物周转时间。以青岛海尔集团国际物流中心立体仓库为例，该库 投入使用后，库存资金占用从每年1 5 亿元降至6 亿元，平均库存时间由3 0 天减至1 2 天，对订单的响应速度从原来的3 6 天，降低到目前的不到1 0 天【2 1 1 。到目前为止，国际 著名物流厂商有1 0 余家知名公司的产品进入中国市场，如世界排名第一的s i e m e n s 物流与系统装备公司，瑞士s w i s sl o g ，日本的大福、村田、冈村、小松，奥地利的 r o b o t e c ，德国的d e m b u c h e ，韩国三星等公司。 随着经济全球化的发展和电子商务的发展，仓储物流的市场需求还会进一步扩大， 而国内立体仓库成套设备的自动化程度和运行效率与发达国家仍有不小的差距。为了保 障后勤物资的供应及时，对突发事件快速响应，必须建设一批高水平的立体仓库，同时 对现有仓库和待建仓库进行合理优化调度，提高其存储效率、自动化程度、信息化程度 和智能化程度。 2 1 2 自动化仓库的发展方向 目前，立体仓库的发展趋势主要有如下几点： 在堆垛机方面，主要的发展方向是推出具有新颖外观和更高性能的机种，不断 提高堆垛机的通讯能力、搜索能力、运行速度、定位精度： 在旋转货架方面，各种新颖外观和专业化的旋转货架不断研制成功，有的专门 针对医药领域、有的面向图书管理、有的则专门用于电子产品的存储； 仓库布局的规划设计凸显仿真的重要性。最新的仿真软件通过四维设计，使仿 真系统更接近现实世界，并能对各种可行方案进行综合评价； 一8 一 东北大学硕士学位论文 第2 章自动化立体仓库及其发展 对实用性优化调度算法的需求进一步增加。由于仓库系统采用优化调度算法后 可以在不增加硬件成本的前提下大幅度提高系统的运行效率，又能节省能量， 所以受到了人们的广泛重视，其中又以人工智能和专家系统为研究的热点； 在物流系统的软件开发设计方面，集成化软件向深度和广度方面发展，企业的 制造执行系统软件与物流系统软件逐步融合，并与系统实现有效对接； 仓库系统与企业的经营活动集成化程度增强，逐步形成完整的企业物流和信息 流体系，并能实现企业物流与供应商物流、社会物流的融合。 2 2 自动化立体仓库的特点 随着计算机集成制造系统( c i m s ) 在现代制造系统中的开发应用，自动化立体仓库 由于它相对于传统仓库无法比拟的优越性，使其成为了其中不可缺少的组成部分，它在 提高生产效率、实现仓储自动化方面起到了越来越大的作用。其优点主要体现在以下几 个方面： ( 1 ) 多层货