（车辆工程专业论文）自动化立体仓库优化调度研究.pdf

摘要 自动化立体仓库作为现代物流技术领域内出现的一种新型仓储方式，在工业 生产中发挥着日益重要的作用。自动化立体仓库的优化调度是提高仓库作业效率 的关键，因而一直是当前工程优化领域研究的重点。本文在总结先前研究的基础 上，分析了本课题的研究目的和意义，对立体仓库调度的优化作了深入研究。本 文的主要工作有： 理论阐述了自动化立体仓库的组成元素以及关键技术，说明了出入库作业流 程，明确了立体仓库管理层、监控层和执行层的作业结构，并阐明了各部分功能。 对立体仓库作业调度的相关原则进行了深入介绍，提出了基于时间要求的堆 垛机调度算法模型，并对其进行了修正。在此基础上，设计了基于优先级的作业 管理流程，并对单一作业和复合作业流程进行了分析，确定了提高出入库效率的 货位管理措旅。 根据立体仓库货位的特点，建立了货位网格结构模型，该模型实现了货位稳 定、出入库频率、作业时间三方面优化的合理组合，并运用遗传算法实现多目标 的优化。在算法的设计中，首次提出利用范数度量来选择初试种群，并首次采用 矩阵编码和不同目标互相交叉的方法；同时，加入人工修正操作，解决库位优化 问题，突破了传统的仅对单目标进行优化的特点。进行了模拟验证，通过与传统 方法的比较，发现该模型能够很好的提高作业效率。 针对复合作业，建立了动态作业路线模型，该模型实现了左右库位的联合选 择优化，并运用遗传算法对该路线进行了优化。对优化进行了仿真验证，并与传 统方法进行了比较，结果表明，该算法能够较大的缩短运行时间。 针对仓库作业管理，设计了软件开发平台和体系结构，提出了基于软件模块 b s 和c s 的结构设计。根据仓库作业要求，设计了系统构架和数据库构建，并利 用j b u l i d e r 8 实现数据库的连接。 关键词自动化立体仓库；遗传算法；货位优化；软件管理系统 a b s t r a c t 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 ( a s r s ) a sal l e ws t o r a g ew a y a p p e a r i n g i nm o d e r l ll o g i s t i c st e c h n o l o g ya r e a i sp l a y i n gm o l ei m p o r t a n tr o l e si nt h ei n d u s t r i a l p r o d u c t i o n 皿eo p t i m i z e dd i s p a t c ho fa s r si st h ek e yo fh i g hw o r ke f f i c i e n c yo ft h e w a r e h o u s e s oi ti st h ek e yp o i n to fc t u t e n tr e s e a r c h e so nt h ep r o j e c to p t i m i z a t i o nr e a l m b a s e do i lf o r m e rr e s e a r c h e s ，g o a l sa n ds i g n i f i c a n c e so ft h i st o p i cw e l r ea n a l y z e d t h e o p t i m i z a t i o no fa s r sd i s p a t c hw a sl u c u b r a t e d n ev i t a lw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o n i n c l u d e d ： c o m p o s i t i v ee l e m e n t s a n dk e yt e c l m o l o g i e so fa s r sw e f ei n t r o d u c e d t h e p r o c e s so fi n - o u tw a r e h o u s ew a se x p l a i n e d 1 1 地o p e r a t i o nc o n f i g u r a t i o no fa s ，r s w h i c hi n c l u d e sm a n a g e m e n tl e v e l ，m o n i t o r i n gl e v e la n dc x o , , c u t i o nl e v e l ，w a se x p l i c a t e d a l s o ，f u n c t i o n so fe a c hp a r tw e l r ec l a r i f i e d s o m er e l a t e dp r i n e i p l e so fa s r sd i s p a t c hw e r ep r e s e n t e d d i s p a t c ha l g 讲i t b m m o d e lo ft h es t a c k e rb a s e do nt i m ew a sb u i l ta n dr e v i s e d t h e n ，p r o c e s so fo p e r a t i o n s m a n a g e m e n tb a s e do n 砸0 f i t yw a sd e s i g n e d a n dp r o c e s s e so fs i n g l ca n dc o m p o u n d o p e r a t i o n sw e l e ：a n a l y z e d m e a s t t l e so fs t o r a g el o c a t i o nm a n a g e m e n to ne n h a n c i n g o p e r a t i o ne f f i c i e n c yw e l t l od e t e r m i n e d b a s e d0 1 3 c h a r a c t e r i s t i c so fs l o t t i n go p t i m i z a t i o n ( s o ) ，ag r i d d i n gs l l l l c t u r em o d e l o fs ow a l le s t a b l i s h e d ，w h i c hr e a l i z e dt h er e a s o n a b l ec o m b i n a t i o no fo p t i m i z a t i o n a m o n gs t a b i l i z a t i o n o fo p e r a t i o n 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 f o p e r a t i o n s a l s o ，g e n e t i ca l g o r i t h mw a s u s e dt or e a l i z et h eo p t i m i z a t i o no fm u l t i - o b j e c t s i nt h ed e s i g no ft h ea l g o r i t h m ，f - - l l l e a $ 1 1 1 呛w a sa d v a n c e dt oc h o o s eb e g i n n i n g p o p u l a t i o n a n di n a l l i xc o d e sa n di n t e r s e c t i o nm e t h o do f d i f f e r t ! n tg o a l sw 雠f i r s t a d o p t e d a r t i f i c i a la m e n d m e n tw a sd e v e l o p e dt os o l v ep r o b l e m so fs oo p t i m i z a t i o n i t b r o k et h r o u g ht r a d i t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c ，w h i c h o n l yo p t i m i z e ss i n g l et a r g e t b y s i m u l a t i o n ，t h r o u g hc o m p a r i n g 丽t ht h et r a d i d o n a lm e t h o d t h em o d e lc o u l de n h a n c e o p e r a t i n ge f f i c i e n c y ，c o m p a r i n gw i t ht r a d i d o n a lm e t h o d s a i m i n ga tc o m p o u n do p e r a t i o n s d y n a m i cr o u t em o d e lw a se s t a b l i s h e da n d r e a l i z e d o p t i m i z a t i o no fj o i n tc h o i c eb e t w e e nl e f ts t o r a g el o c a t i o n sa n dr i g h to n e s t h r o u g hc h o o s i n ga l g o r i t h m ，g e n e t i ca l g o r i t h mw a su s e dt oc a r r yo nt h eo p t i m i z a t i o n r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o w e dt h i sm e t h o dc o u l da b b r e v i a t er u n - t i m eg r e a t l y ，c o m p a r i n g w i t ht r a d i d o n a lm e t h o d s a c c o r d i n gt ot h ew a r e h o u s eo p e r a t i n gm a n a g e m e n t ，t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r ma n ds y s t e ms t r u c t u r ew e r ed e s i g n e d b $ a n dc $ s t n m t u r ed e s i g nb a s e do nt h e s o f t w a r em o d u l ew a sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ew a r e h o u s eo p e r a t i n gr e q u i r e m e n t ， t h es y s t e ms k e l e t o na n dd a t a b a s ec o n s t r u c t sw e r ed e s i g n e d d a t a b a s ec o n n e c t i o nw a s r e a l i z e db ya p p l i c a t i o no f j b u l i d e r 8 k e yw o r d sa s r $ ；g e n e t i ca l g o r i t h m s ；s l o t t i n go p t i m i z a t i o n ；s o f t w a r em a n a g e m e n t s y s t e m m 原创性声明 、 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：墓壁趁塑 日 论文作者签名：绌 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东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，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名：一z 堡逢 日 期：址z 7 山东大学硕士学位论文 1 1 课题提出的背景 第1 章绪论 随着科学技术和工业生产的飞速发展，现代物流技术的研究和应用受到了产 学界的高度重视。自动化立体仓库( 简称为自动化仓库) 作为现代物流技术领域内出 现的一种新型仓储方式，在工业生产中发挥着目益重要的作用。所谓自动化仓库， 就是指利用货架储运货物，用装卸设备进行作业的一种仓库。 自动化仓库是物流系统中的一个重要部分，对实现生产自动化有着很大的作 用。它是集物料搬运和仓储科学为一体的一门综合科学技术工程。由于它具有节 约劳动力，作业迅速准确，提高保管效率，降低物流费用等优越性，正受到广泛 的重视。它是工厂物流、柔性制造系统和计算机集成制造系统中不可或缺的重要 组成部分，在现代物流系统和交通运输领域也得到越来越广泛的应用。自动化立 体仓库的智能化管理在提高企业的竞争力和满足客户的服务方面已经越来越成为 一个重要的因裂”。因此，自动化立体仓库的应用已经成为现代企业快速发展的重 要因素。自动化仓库系统一般由管理层、监控层、执行层三部分组成，为了保证 整个仓库的性能指标最优，能够更加有效的工作，就要对它的各个子系统进行调 度，使其能够协调运转。因此自动化仓库的调度问题就成为一个重要的研究课题， 调度实际上是一类特殊的优化问题，是对现有的作业任务进行排序、并对路径选 择进行优化的问题。 在自动化仓库中，高层立体货架和出入库输送系统是两个非常重要的组成部 分，采用合理的方法和模型解决其所包含的优化调度问题是整个问题的关键，这 可以从根本上提高仓库的运行效率和企业的经济效益。实际上自动化仓库的调度 主要也是由这两部分组成的。 高层立体货架部分的调度主要是对堆垛机的调度，即当有货物要储存时，由 运输系统送至入库台，然后由堆垛机放入指定的货格；而当有货物要取出时，由 堆垛机取出放置在出库台上，然后由运输系统运至下包台。在实际当中由于可能 山东大学硕士学伊论文 同时有许多的货物要存入和取出，这时堆垛机需采用合理的路径来满足需要，并 同时使某一参数或几个参数最优( 比如距离、时间、成本或顾客满意) 。 当要存储货物时，先把它放到上包台，输送系统中的自动搬运车( a g v ) 从上包 台取到货物，送到要寄存位置的巷道头，暂存在入库台，再由巷道式堆垛机搬运 到指定的地点；当要取出货物时，先由堆垛机搬运到巷道头，先暂存在出库台， 再通过输送系统中的自动搬运车系统输送到下包台。由于在实际应用当中，要求 作业的任务往往很多，堆垛机可以通过进行高速工作来基本满足任务要求，因而 这时对运输系统的调度就显得尤为重要，如果调度不合理，就会出现“瓶颈”，甚至 “死锁”的状态。因此运输系统的调度是许多学者研究的主要方向。 本课题结合自动化立体仓库实验台设计项目，按照规定的出入库调度原则， 运用改进的遗传算法，建立模型并对其进行验证，来优化出入库调度，提高出入 库效率。 1 2 本课题研究的意义和目的 开展自动化立体仓库优化调度的研究，具有重要意义和实用价值。它是优化 调度各子系统，以使其能够协调运转，并保证整个仓库的性能指标最优的关键。 自动化立体仓库的调度优化对提高保管和出入库效率，降低物流费用具有重要的 现实意义。基于中国物流业缺乏专业性人才的现状，并考虑到物流业具有广阔的 发展空间，设计结合“自动化立体仓库实验台”项目，以提供物流仓储作业各方 面训练的实验环境，对在制造业中推广和应用自动化立体仓库技术具有重要的促 进作用。 自动化仓库优化调度的研究已取得了较大的进展，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调度方案。因此，本课题的研究具有重要 的意义。 本课题的研究目的在于结合现实经济和相关技术背景，深入研究出入库调度 合理化的目标；限制条件及其松弛情况，发展简便实用的智能算法和个案问题的 2 一般性方法等。通过该课题的研究，可以为仓库管理者在货位管理中提供良好的 决策依据 2 1 。 1 3 自动化仓库优化调度的研究现状 1 3 1 自动化仓库优化调度的主要方法 自动化仓库的调度问题主要是在满足各种约束条件的情况下，对目前要求的 作业任务进行排序，使整个自动化仓库的性能达到最优。目前研究自动化仓库的 方法主要有以下几种： ( 1 ) 部分枚举法即用部分枚举法对堆垛机的运输路线进行调度的方法，这种方 法采用部分启发式方法和图形搜索方法，确保能够很快地得到多项完全解，可通 过一个特别决策对此法进行评价 ( 2 ) 启发式规则方法基于约束的调度方法，利用现有研究领域的知识，将搜索 空间减小的一种方法。启发式规则是在分析影响全局的各种因素的基础上做出的 优化，因此效果通常要好于简单的优化算法。 ( 3 ) 面向对象着色p e t r i 网( o o c p n ) 对所研究的自动化仓库系统按其功能不同 可分解为五类对象，即货箱类对象、出库台对象、传输类对象、分拣类对象和入 库台对象。根据这五类对象间功能的相互关系，得到系统的o o c p n ，并对各子网 的位置及变迁给出定义。哈尔滨工业大学的吕广明嘲利用该方法进行建模和路径优 化，较大的提高了作业的效率，同时通过分析得到了避免死锁的条件。 ( 4 ) 遗传算法遗传算法是一种基于进化论的优胜劣汰、自然选择、适者生存和 物种遗传思想的随机优化搜索算法，通过群体的进化来进行全局性优化搜索。目 前在工程中应用非常广泛，而且许多学者都在研究调度问题时采用了改进的遗传 算法。 ( 5 ) 模拟仿真方法利用可对自动化仓库系统进行模拟的软件，并通过软件对几 种调度的算法进行测试，以得到比较理想的结果。 山东大学硕士学位论文 1 3 2 国内外研究现状 目前国内的研究主要集中在离线调度，而在线调度涉及不多。其中，甘肃工 业大学剡昌锋等人通过对邮包自动化仓库的分析，提出了一种用改进遗传算法求 解在线调度的方法，用计算机进行模拟仿真和比较，证明这种方法和先进先出、 基于规则的启发式方法相比，可以大幅度的缩短a g v 的空载时间，具有很高的使 用价值【4 】。 太原重型机械学院师向丽等人提出了一种简化的仓库模型，并针对该模型提 出了作业调度算法；其将入出库作业解析为由任务号相关联的入出库小车、堆垛 机的入出任务，然后根据设备任务执行算法完成入出库任务啊。 西安理工大学的徐香玲等人通过对自动化立体仓库作业调度和货位分配原则 的归纳总结，建立了专家系统的知识库；并通过计算机算例仿真，探讨了专家系 统在立体仓库调度中应用的可行性 6 1 。 天津大学的杨华口】等人将堆垛机拣选作业调度归纳为旅行商问题，并从遗传算 法角度，研究了求解堆垛机拣选作业调度最优路径的具体方法。经过仿真试验验 证，这一方法完全可行。 国内外学者对自动化仓库调度方面的研究取得了巨大的成就，这些成就为提 高自动化仓库的利用率和企业的效益发挥了巨大的作用僵1 3 1 ，同时也为将来对现代 物流系统和动态仓库调度的研究奠定了坚实的基础。韩国的l i m 。j o o n - m o o l 【1 卅应 用遗传算法和计算机模拟对在线调度系统进行了研究，包含入库计划控制、出入 机器调度规则、基于零件类型选择的加工中心、存储设计策略等优化。美国的c h o w , w e m i n 教授1 5 等提出了应用排队和仿真模型来区分关键性能参数，评估设计改 进，并比较不同调度规则的方法。但是目前在线调度的理论仍然远远不能满足实 际的要求，对于特定问题所采用的数学模型还不明确，甚至对于已经解决了的建 模问题，目前的理论仍无法提供一个理想的评判标准。因此，目前研究在线调度 往往是通过模拟仿真来评判一个调度方法的优劣【1 6 1 。对目前未能解决的问题叙述 如下： 1 ) 在线调度方法还不够成熟，目前还没有一个能被普遍接受的方法和概念， 4 同时仍需考虑解的质量和运行时间； 2 ) 目前大量使用的竞争分析方法所产生的能够使用的高质量的解比较少，往 往要借助仿真试验去验证，甚至有一些需纯粹利用仿真； 3 ) 目前所研究的模型通常都经过了简化，同时参数比较少，大规模的自动化 仓库的调度还需对模型进行深化。 1 4 自动化立体仓库的发展趋势 随着现代工业生产的发展，柔性制造系统( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) 、 计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t m - i n gs y s t e m ) 和工厂自动化 ( f a c t o r ya u t o m a t i o n ) 对自动化仓库提出了更高的要求：搬运仓储技术要具有更 可靠、更实时的信息，工厂和仓库中的物流必须伴随着并行的信息流。射频数据 通信、条形码技术、扫描技术和数据采集越来越多地应用于仓库堆垛机、自动引 导车和传送带等运输设备上，移动式机器人也作为柔性物流工具在柔性生产中、 在仓储和产品发送中日益发挥着越来越重要的作用。实现系统的柔性化，采用灵 活的传输设备和物流线路是实现物流和仓储自动化的趋势。南京工程学院的王令 其【1 7 】等人在自动化仓库中应用数据无线传输方法与通讯协议，系统采用射频芯片， 串行通讯方式进行数据的半双工无线传输，具有较强的抗干扰能力。 目前，自动化仓库已经开始进入了智能储运技术阶段。智能储运技术包括两 种方式：人工( 或机械) 智能和自然( 或人类) 智能，其内容涉及智能物料储运 设计和智能物料储运作业。目前，人们在人工智能及其相关的物料储运领域中的 专家系统技术方面进行着大量的工作。例如：将专家系统应用于自动导引车和单 轨系统，使其具有确定的在线路线和合理的运行决策；在接收物料入库和装运出 库方面，专家系统能控制机器人进行物料入库和出库操作，能控制堆垛机的装卸， 并指定物料存储点，中国矿业大学的王耀才教授等人h 町设计与实现了基于专家系 统的自动化仓库监控系统。为了实现智能化仓储系统的设计，必须深入对物料处 理的基础知识及复杂的仓储大系统技术的研究。山东大学的田国会教授u 钾等人提 出了智能化物资配送系统的概念，针对影响系统运行效益的若干优化调度问题， 采用了多种人工智能方法研究。 5 自动化仓库正处于不断发展和完善阶段，世界各发达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新技术上。近年来，国内外在建设物流系统及 其自动化仓库方面更加注重实用性和安全性，出现了规模更小，反应速度更快， 用途更广的自动化仓库系统。它结合先进的控制技术，应用于分段输送和按预定 路线输送等方面，保持了高度的柔性和高生产率，满足了工业库存搬运的需要。 在堆垛机方面，致力于推出具有新的物理外形和更高性能的设备。最新的开 发重点在于提高电子和控制技术，在使堆垛机具有更高定位精度的同时，提高搜 索能力和运行速度。作业的基本要求是能获得更短的操作周期和更大的生产能力。 山东建筑大学的于复生教捌加利用单片机为测控核心研究了堆垛机控制系统，从 软硬件角度介绍了该系统的设计。 国外自动化仓库发展的一个主要方面是普遍采用扫描技术来提高信息的传输 速度和准确性。采用射频数据通信技术，使数据的采集、处理和交换在搬运工具 的过程中始终在与中央计算机之间快速进行，使物品的存取和信息的发送做到快 速、实时、可靠和准确。我国也正在积极开展这方面技术的研究工作，将其应用 到新建库和已建库原有通信系统是改善仓库管理，提高仓库作业效率的一个重要 步骤。 随着计算机技术的不断发展，人工智能技术，特别是专家系统在工业中的应 用必将日益增岁2 1 1 。 1 5 课题研究的内容和方法 1 5 1 研究内容 解决自动化仓库优化调度问题的目标在于：在兼顾仓库一般经济技术原则的 前提下，使作业效率最高。因此，本课题的研究不但要对先前研究理论进行必要 的完善，更要考虑实践操作方面的可行性，并使其简便易捷、可靠性高。本文的 主要研究内容如下： 1 ) 理论阐述自动化仓库的作业原理，阐明仓库作业的几个关键技术，并建立了 出入库作业流程图，为本文重点部分做好铺垫。 6 2 ) 理论研究自动化立体仓库的调度。通过介绍出入库调度问题的内容实质、研 究型态和制约条件，对出入库调度问题进行概念和任务界定；并在对调度问题的 不同类型、特点、约束条件深入分析的基础上，建立出入库调度问题的模型，并 设计作业任务优先级，安排作业顺序。 3 ) 进行货位优化的设计，从时间、出入库频率和重心三个方面考虑来建立优化 数学模型，通过对算法的选择和比较，利用遗传算法对该模型进行优化，并进行 了模拟验证。 4 ) 针对复合作业特点，进行作业路线的设计。运用遗传算法进行路线的优化设 计，并对优化结果进行了模拟验证。 5 ) 开发设计自动化立体仓库软件系统，进行软件系统整体结构的设计，并介绍 了系统运行平台和体系结构，数据库的设计，应用j b u i l d e r 连接数据库。 1 5 2 研究方法 1 ) 系统调度在一定的原则上进行：出库任务优先的原则、优化组合的联合作 业原则、实时在线的原则。此原则是调度优化的约束条件。 2 ) 调度问题十分复杂，通过对调度存在的几种情况进行建模分析，运用改进 的遗传算法对几种情况进行优化运算。 3 ) 优化结果验证，通过计算机仿真对先前研究的方法与本文所采用的方法进 行对比，找出优缺点。 7 第2 章自动化立体仓库作业原理 2 1 自动化立体仓库组成 自动化立体仓库系统主要由高层立体货架、巷道式堆垛机、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，其简化模型图如图2 - 1 所示。 高层立体货架1 用于存放货物，货物放在托盘上，出入库时连同托盘一起出 入库。 巷道式堆垛机2 它是在高层货架的窄巷道内作业的起重机，可实现沿轨道行 进、垂直起降和货叉伸缩三种功能，用于从两侧货架的任何货位上自动存入或取 出货物。每两个高层货架之间有一台巷道堆垛机。 入出库系统包括出入库台和上下包台，它们主要完成暂存任务。当要存储货 物时，先将货物置于上包台5 ，由输送系统4 中的自动导引小车( a g v ) 从上包台上取 到货物，送到要寄存位置的巷道头，暂存在入库台6 ，再由巷道式堆垛机搬运到指 定的地点；而当要取出货物时，先由巷道式堆垛机把指定的货物搬运到巷道头， 先暂存在出库台7 ，再通过输送系统中的自动导引小车系统输送到下包台8 。在出 入库台上都装有激光扫描器，对出入库的邮包的条码进行扫描，以核对是否有误， 完成实时监控。 出入库输送系统3 主要由一个自动导引小车( a o v ) 组成，用于联结出入库台和 上下包台的设备。其上装有自动导引装置，能够沿固定的路径行驶，并在指定位 置准确停止。另外在车体上还装有编程和停车选择装置、安全保护装置以及各种 移载功能装置。 计算机管理与控制系统4 它是整个自动化仓库的核心。服务器采用w i n d o w s 2 0 0s e r v e r 操作系统；数据库管理系统采用s q ls e r v e r 软件平台，以便实现数据与 信息资源共享；客户机( 包括仓库数据处理管理计算机、监控机、前台计算机等) 可采用w i n d o w s2 0 0 0 x p 操作系统，仓库数据处理管理计算机、前台计算机可加载 山东大学硕士学位论文 数据库软件，对服务器数据库进行访问，实现整体网络数据通信。另外管理控制 系统还包括货物形状及体积检测显示、条形码阅读设备和相关主要电气控制台。 前台计算机4 、8 主要处理入库货物登记和出库货物操作业务，入库登记记录货物 的来源、入库日期、储存等级等信息，并分配货位，并把所有信息实时送入档案 服务器。另外，在入库台上有检测杆对存入的货物进行体积和形状检测，以便将 货物放在合适的托盘和货架上。对要出库的货物，从档案服务器中调出并显示其 存入的相关信息，以确认是否为要出库的货物。自动化仓库的工作特点是随机性 强，可以随时要求存入或取出不同规格的货物。仓库数据处理管理计算机主要对 数据进行处理、对要存入的货物分配货位地址、5 6 j a g v 、巷道堆垛机、出入库输 送系统进行实时调度，并把结果数据送入服务器和监控机。监控机实现工作站和 a g v 、巷道堆垛机及出入库输送系统的联系，并实时监控其工作运行情况；同时 把随时出现的故障和意外情况的信息送入后台工作站，及时对调度的结果进行修 改，保证整个系统的顺利运行。 口母 61 口 图2 1 自动化立体仓库简化模型图 2 2 自动化立体仓库的关键技术 2 2 1 自动化仓库的自动寻址 自动化立体仓库的自动寻址就是自动寻找存放提取货物的位置。巷道堆垛 机( 以下简称堆垛机) 是自动化立体仓库中最主要的设备，它通过对货物进行存、取 和转移，完成入库、出库和倒库功能。堆垛机具有三大机构：运行机构、起升机 9 4 、 凰 山东大学硕士学位论文 构、货叉伸缩机构。运行机构与起升机构使堆垛机到达指定货位，货叉伸缩机构 与起升机构组合完成存取作业。这三大机构是由堆垛机的自动控制系统控制的。 因此自动控制系统对于堆垛机是至关重要的。在设计堆垛机的自动控制系统时， 首先必须解决堆垛机的自动停位问题，即它必须具备自动认址及快速精确定位的 功能。 计算机控制的自动化立体仓库都具有自动寻址的功能。在同一巷道内的货位 地址由三个参数组成：第几排货架，第几层货格，左侧或右侧。当自动化仓库接 收到上级管理机的存取指令和存取地址后，即向指定货位的方向运行。运行中， 安装在堆垛机上的传感器不断检测位置信息，计算判断是否到位。认址装置由认 址片和认址器组成。认址器即是某种传感器，目前常用的是红外传感器。发射与 接收红外光在同侧时，用反射式的认址片，否则用透射式的。认址检测方式通常 分为绝对认址和相对认址两种。绝对认址是为每一个货位制定一个绝对代码，为 此需要为每个货位制作一个专门的认址片。显然，绝对认址方法可靠性高，但认 址片制作复杂，控制程序的设计也十分复杂。 相对认址时，货位的认址片结构相同。每经过一个货位，只要进行累加就可 以得到货值的相对地址。与绝对认址相比，相对认址可靠性较低，但认址片制作 简单，编程比较容易实现，但可通过增加奇偶校验的方法来提高相对认址的可靠 性。 2 2 2 堆垛机的快速准确定位 由于对作业效率和准确性的要求，堆垛机的快速准确定位就十分重要。一般 情况下，在自动化仓库系统中，对堆垛机定位的要求有如下几个方面圈： 1 ) 堆垛机快速接近目标货位； 2 ) 在目标点处没有超调或超调很小； 3 ) 系统运行速度平稳。 1 0 2 3 自动化立体仓库作业流程 仓库的规定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，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。如图2 2 所示分析了仓库 出入库物流、信息流流程。 壁臣 ：二二二二二二二二二= ：= + 表示管理信息或控制信息流 二二= = = 二= 二二： 萎票荔嘉侣思甄控制侣恳沉 图2 2 自动化立体仓库出入库物流、信息流流程 2 3 1 入库作业流程 货物经过入库条形码阅读器时，托盘号被扫描下来，并被传送给主管理计算 机，货物放到空托盘上，然后送到立体仓库的输送机，开始进行入库作业。入库 由a g v d 车将货物放置在入库台上，人工在上位机填写入库单，开始进行入库作 业。填写的入库单将货物信息传送给计算机监控系统程序，监控系统程序则根据 山东大学硕士学位论文 均匀分布、出库就近等原则进行入库地址的分配，然后把分配好的地址信息及“存 货”命令下发给相应的堆垛机单片机系统，通过与相应的堆垛机控制器通信，按 照合理的顺序下发入库作业命令，控制堆垛机进行相应的入库作业。堆垛机通过 自动寻址，将货物存放到指定货格。在完成入库作业后，堆垛机向上位机监控系 统程序返回作业完成信息，并等待接收下一作业命令。上位机监控系统程序把作 业完成等信息返回给数据库进行入库登帐管理。 在管理机发生故障的时候，也可以人工操作堆垛机完成入库操作，或者在监 控机中输入入库货位的位置，使堆垛机实现半自动化入库，其流程如图2 3 所示， 简化流程如图2 4 。 广磊n 篙 货物到入库台l ， 货物上入库台 信息扫描记录 管理机自动分配 货位 人工操 作堆垛 机直接 输送 人工输入 货位( 在 监控机 中) 简化入库流程： 命令数据等任务包 发送到监控系统 监控系统发送指 令到执行系统 堆垛机启动，准备 入库工作 图2 _ 3 货物入库流程 入库系统执行，货 物到达入库口 二二 堆垛机取货 二二 堆垛机自动寻址， 运行 二二 到达目标位置，执 行入库作业 任务完成，返回完 成信息；待命或执 行下一命令 监控系统接收信息并 应当管理系统确认 结束 2 3 2 出库作业流程 图2 _ 4 入库流程简化图 仓库操作员在收到生产、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 a f i r s t - o u o 、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，并根据当 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，再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，实现了数据库系统的及时更新。 同样，在管理机发生故障的时候，也可以人工操作堆垛机完成出库操作，或 者在监控机中输入出库货位的位置，堆垛机实现半自动化出库。 简化的出库流程如图2 。5 所示。 图2 - 5 出库流程简化图 2 4 自动化立体仓库作业结构 2 4 1 自动化立体仓库作业结构层 自动化立体仓库系统是基于现代信息技术、控制技术及计算机通信技术等而 发展起来的综合应用系统，是现代物流观念与现代计算机及自动控制技术相结合 的产物。立体仓库的自动化控制系统按控制方式可分为集中控制、分离控制和分 布式控制，其中分布式控制是目前国际发展的主要方向。大型立体仓库通常采用 三级计算机分布式控制系统，三级控制系统由管理级计算机口c ) 、监控级计算机 ( p c ) 、设备控制级计算机口l c ) 组成韧。而目前也有集监控级与管理级于一体的二 级计算机控制系统，即整个控制系统由管理监控级计算机c ) 和设备控制级计算机 口l o 组成，这样就为上位机与下位机直接通讯提供了方便，简化了控制过程。整 个控制系统使堆垛机按程序指令自动完成作业任务，同时对库存货物进行自动管 理。自动化立体仓库的结构在不同企业和行业具有不同的特点，从功能层次上看， 可以将自动化立体仓库系统分为3 个层次：管理层、监控层、执行层，如图2 6 所示。 管理层是计算机管理系统，是自动化立体仓库系统的中枢。管理层主要是管 理立体仓库( 包括入库管理、出库管理、库存管理、查询统计等) 。在_ e r p 系统连接 时还具有接收上级系统( 生产系统销售系统等) 的指令调度运输作业处理物流系统 信息等功能。 监控层是自动化立体仓库系统的重要组成部分。它接受来自管理层的指令控 制物流设备，完成指令所规定的任务；另一方面它实时监控物流系统的状态，将 监测到的信息反馈给管理层，为管理层调度决策提供参考，目前一般采用可编程 控制器( p l c ) 来实现控制。 执行层由自动化的物流机械组成。物流设备的控制器接收监控层的指令，控 制设备执行各种操作。 自动化立体仓库系统对管理层、控制层和执行层3 个层次的要求各不相同。对 于管理层要求有较强的数据处理能力，具有一定的智能性。例如对库存异常进行 报警，对物流设备利用率过低进行提示，对物流瓶颈提供必要的分析数据等。对 于监控层数据处理能力并不一定很强，但要求有较高的实时性，具有较强较快的 1 4 处理速度，能够随时将指令送给执行层，并随时监控执行层的运行情况。对于执 行层，则要求较高的可靠性，减少物流系统的故障率。 2 4 2 管理系统 图2 6a s r s 的3 层结构图 管理层 监控层 执行层 本文的自动化仓库信息管理系统，是基于现代计算机信息管理理论与现代生 产管理理论的一种软件产品。对于自动化仓库而言它是独立的，而对于整个企业 它又是企业管理信息系统( m i s ) 的一个子系统。它与m i s 中的库存管理子系统的区 别在于：它不仅对信息流进行管理，同时也对物流进行管理和控制，集信息流与 物流于一体 2 4 1 。 现代化的立体仓库管理系统结合了目前先进的技术与产品，如条码技术等， 使仓库管理科学化，准确性和可靠性有质的提高。 自动化立体仓库管理系统的主要功能是对仓库所有入出库作业进行最佳分 配、登录和控制，并对数据进行统计、分析。以便实现决策者对生产进行宏观调 控，及早发现问题，采取相应措施，满足生产需求，最大限度地降低库存量及资 金的占用，加速资金周转。其管理系统层次结构如图2 7 所示。 山东大学硕士学位论文 图2 - 7 自动化立体仓库管理系统层次结构图 2 4 3 计算机监控调度系统 自动化立体仓库监控调度系统，主要是依据仓库管理计算机下达的作业命令， 经运算与处理后。向堆垛机和输送系统下达各种储运作业、调度命令，并在直观 动态的彩色画面上实时监视命令的执行情况。显示、报告各类故障信息，再通过 决策与判断，作出相应的处理。 监控调度系统分两种工作方式： 1 ) 在线( o nl i n e ) 方式：与管理级联网，自动完成系统监控调度功能，无需 人工干预。 2 ) 离线( o f fl i n e ) 方式：脱离管理级，作业数据直接由操作者通过监控系统 下发，系统自动进行作业级监视。 2 4 4 自动化立体仓库系统的网络结构 自动化立体仓库系统中的工控网络一般分成两部分。一部分是有关管理机各 终端机控制计算机以及与企业中其它计算机之间的联网，这部分的网络目前都使 用局域网方式进行联网，采用t c p i p 协议技术已很成熟；另一部分是计算机与底 层控制系统之间的通信，各控制系统所采用的通信协议基本上都是生产厂家独自 专有的并没有广泛使用的标准协议供使用用户采用2 5 ，2 曰。 2 5 本章小结 在本章中，理论阿述了自动化立体仓库的组成，实现立体仓库快速准确出入 库的关键技术，以及出入库作业的流程；并详细介绍了立体仓库作业结构层，分 析了各部分的作用，对管理系统、计算机监控调度系统和立体仓库网络结构进行 了深入介绍，为本课题的研究进一步确定了范围和方向。 1 7 3 1 问题阐述 3 1 1 相关定义 第3 章出入库优化调度 自动化仓库优化调度问题主要用来解决作业先后顺序、路线和响应问题，以 减少作业时间，达到快速满足客户、生产的需求自动化仓库布局方案有多种， 其中常见的为单元货格式自动化立体仓库。本文重点研究最为常见的死巷道单元 货格式自动化立体仓库。其特点是货架沿仓库的宽度方向分为若干排，每两排分 为一组，其间有一台巷道堆垛机作业，每排货架分为数列和数层，从而形成大量 的货格用来存储货物。这种布局适合于收、发货物位于存储区一侧的情况。该布 局仓库占地面积相对较小，输送设备较少且使用效率较高。立体仓库的出入库调 度问题可以描述如下：设有一立体仓库，货位数为w 个，分别分布在m 排货架上， 货架高分别为吩o = 1 , 2 ，1 ) 层货格，货架长分别为f ，( j = 1 ，2 ，m ) 列货格。现有x 个货物单元等待入库，y 个货物单元需要出库，堆垛机从某一状态( 待机状态) 开 始，从某一位置( 待机位，零位) 出发，完成上述出库和入库任务。要求通过合 理的任务分派、合理的作业货位确定和作划哽序编排，保证输送堆垛机具有最高 的作业效率。在保证完成作业时间最短的同时，要遵循货物仓储的规则。 本文研究的自动化仓库优化调度问题与文献 2 7 】中所研究的接送员工上下班 的车辆路线规划问题类似，类型接近于文献中提出的客户点需求量无限制的车辆 路线问题( v e l d c l er o u t i n gp r o b l e mw i t hf a c u l t a t i v ed e m a n d s 。v r p f d ) ，可以参考 v r p f d 的建模和求解方法。但本问题又不完全等同于该文提出的v r p f d ，具有自 身的一些特点： i ) 每次需要出入库的货物单元随机变化，分布位置随机，分散； 2 ) 每次出入库作业量随机变化，并且波动较大； 3 ) 每次出入库货物种类会有很大变化，货物种类不统一，很多货物是不规则 l b 山东大学硕士学位论文 货物； 4 ) 对于某一巷道，只有一台堆垛机执行出入库任务。 3 1 2 优化调度的目标 调