□ 崔金華 □ 汪 偉 □ 代迪迪 □ 王汝佳 □ 石 旭 □ 顏 韓

江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院 江蘇常州 213001

1 研究背景

在我國(guó)電商產(chǎn)業(yè)繁榮以及中國(guó)制造2025的大背景下,國(guó)家和企業(yè)都致力于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)與先進(jìn)制造業(yè)相結(jié)合,從而促進(jìn)新一輪工業(yè)變革。貨物的儲(chǔ)存和取放處于制造業(yè)的中間環(huán)節(jié),解決貨物存儲(chǔ)問(wèn)題是制造業(yè)升級(jí)的核心問(wèn)題之一。而自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的特點(diǎn)是有超大的存儲(chǔ)量、高效率的貨物存取以及精準(zhǔn)的貨物信息管理,這也使其成為現(xiàn)代化制造業(yè)中最重要的系統(tǒng)之一。多數(shù)自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)量較大、貨物類別復(fù)雜,面對(duì)這種大型立體自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng),如果事先沒(méi)有對(duì)其貨位進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)規(guī)劃,在倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)過(guò)程中必然會(huì)發(fā)生穿梭車和貨物提升裝置運(yùn)行混亂的局面,導(dǎo)致自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行效率低下,進(jìn)而影響整個(gè)企業(yè)的物料供應(yīng)體系。為了避免上述問(wèn)題的發(fā)生,在設(shè)計(jì)自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí),必須對(duì)立體倉(cāng)儲(chǔ)貨位分配情況進(jìn)行合理的優(yōu)化。

目前,很多學(xué)者對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和貨位優(yōu)化方面做了深刻的研究。曹浪財(cái)?shù)萚1]設(shè)計(jì)了自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)可視化系統(tǒng),并對(duì)復(fù)雜貨物進(jìn)行了貨位優(yōu)化管理。李民權(quán)等[2]提出智能立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。馬婷等[3]提出基于最小時(shí)間算法的出入庫(kù)優(yōu)化方法,實(shí)現(xiàn)了均衡叉車工作量和進(jìn)出貨總時(shí)間的優(yōu)化目標(biāo)。Xu Wei等[4]綜合考慮單一作業(yè)方式未實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)出入庫(kù)作業(yè)所需的質(zhì)心、頻率和時(shí)間等要求,建立了多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[5-8]構(gòu)建了以貨架穩(wěn)定性和倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)行效率為優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型,并設(shè)計(jì)混合優(yōu)化算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。楊永永等[9]將射頻識(shí)別技術(shù)與改進(jìn)克隆算法相結(jié)合,從而對(duì)立體倉(cāng)儲(chǔ)貨位分配進(jìn)行了動(dòng)態(tài)優(yōu)化。李鵬飛等[10]考慮倉(cāng)儲(chǔ)貨架安全性和倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)行效率因素來(lái)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,通過(guò)病毒協(xié)同遺傳算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[11-13]提出基于貨品相關(guān)性和貨架中貨品總出庫(kù)頻次的貨位優(yōu)化方法,并通過(guò)兩階段智能算法求解。

筆者在其它學(xué)者研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng),根據(jù)出入庫(kù)效率、貨架穩(wěn)定性、同類物品先入先出等因素,建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)多目標(biāo)遺傳算法求解目標(biāo)函數(shù)。

2 自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行原理

該倉(cāng)儲(chǔ)長(zhǎng)為6 m,寬為3 m,倉(cāng)儲(chǔ)分為5層,可利用高度為4 m。倉(cāng)儲(chǔ)兩側(cè)為貨架,貨架中間為穿梭車運(yùn)行通道,倉(cāng)儲(chǔ)起始端是以交流電機(jī)作為動(dòng)力源的貨物提升裝置,倉(cāng)儲(chǔ)終端以交流電機(jī)作為動(dòng)力源的穿梭車提升裝置。由上述可知,倉(cāng)儲(chǔ)每層7列,共有140個(gè)倉(cāng)位,待系統(tǒng)驗(yàn)證成熟,可根據(jù)企業(yè)場(chǎng)地需求進(jìn)行擴(kuò)大設(shè)計(jì)。自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)主要由自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)、穿梭車、提升裝置、輥筒運(yùn)輸機(jī)構(gòu)組成,自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)物場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)物場(chǎng)景

筆者設(shè)計(jì)的自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)采用兩種控制模式,即手動(dòng)控制模式和自動(dòng)控制模式。其中,手動(dòng)控制模式主要用于設(shè)備運(yùn)行前的調(diào)試。根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求,手動(dòng)控制模式使用常開(kāi)控制,為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,手動(dòng)控制模式和自動(dòng)控制模式形成電路互鎖,即二者不可同時(shí)運(yùn)行。具體工作流程如下:將功能開(kāi)關(guān)置于自動(dòng)位置,系統(tǒng)上電后進(jìn)行自檢;當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后,可編程序控制器控制系統(tǒng)得到信號(hào),從而控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)穿梭車運(yùn)動(dòng);在正常情況下,按下自動(dòng)按鈕,系統(tǒng)將進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作,此時(shí)觸摸屏上會(huì)顯示穿梭車位于倉(cāng)儲(chǔ)的第n層第m列,以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài);當(dāng)倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),驅(qū)動(dòng)程序停止執(zhí)行、蜂鳴器閃爍報(bào)警,待報(bào)警解除后,控制程序?qū)⒃俅螆?zhí)行。

2.2 穿梭車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展,穿梭車憑借顯著優(yōu)勢(shì)成為該領(lǐng)域必要的組成部分,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的四向穿梭車屬于該領(lǐng)域技術(shù)水平較為先進(jìn)的一代產(chǎn)品。四向穿梭車在倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中可以完成橫向運(yùn)動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng),靈活高效的運(yùn)動(dòng)方式,使其可以跨軌道取送貨物,從而實(shí)現(xiàn)貨物存取效率最大化。但是,靈活的運(yùn)動(dòng)范圍意味著更復(fù)雜的調(diào)度工作,因此目前應(yīng)用并不廣泛。隨著對(duì)物流系統(tǒng)的成本和穩(wěn)定性要求越來(lái)越高,四向穿梭車系統(tǒng)將得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。穿梭車通過(guò)控制器局域網(wǎng)總線與高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或4G移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信,接收可編程序控制器指令后,通過(guò)伺服編碼器+定位光電組合,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。穿梭車到達(dá)指定貨位后,通過(guò)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(yùn)至指定貨位,完成出入庫(kù)作業(yè)。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(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)提升裝置分為兩個(gè)部分,一個(gè)用來(lái)提升儲(chǔ)存貨物、另一個(gè)是針對(duì)穿梭車換層設(shè)計(jì)。四向穿梭車只能滿足水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng),無(wú)法滿足上下運(yùn)動(dòng)要求,需要借助提升裝置來(lái)滿足穿梭車換層要求。穿梭車提升裝置具有立即響應(yīng)、快速達(dá)到、安全高效的特點(diǎn)。筆者開(kāi)發(fā)的穿梭車提升裝置動(dòng)力源為三相交流電機(jī),三相交流電機(jī)本身不能進(jìn)行高精度定位操作,因此需要采用光電編碼器來(lái)完成提升裝置的定位工作。為了防止穿梭車超過(guò)運(yùn)行區(qū)域,在提升裝置的底部位置和頂部位置分別安裝限位開(kāi)關(guān),以保護(hù)穿梭車安全運(yùn)行。為滿足穿梭車換層平穩(wěn)迅速的要求,提升裝置的設(shè)計(jì)要具備兩個(gè)條件:① 頂端和低端的限位裝置以及穿梭車位置感應(yīng)器可自主運(yùn)行;② 要滿足提升裝置的升降平臺(tái)和穿梭車行走軌道在水平方向上的精度要求。

提升裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程為:系統(tǒng)上電啟動(dòng)、在觸摸屏上查看原點(diǎn)設(shè)置是否完成,完成則進(jìn)行流程操作,未完成則需要在程序中進(jìn)行原點(diǎn)設(shè)置。

提升裝置運(yùn)動(dòng)控制分為自動(dòng)控制模式和手動(dòng)控制模式。設(shè)置自動(dòng)控制模式時(shí),系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)至起始層,此時(shí)鎖緊系統(tǒng)的擋塊打開(kāi),根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào),允許穿梭車進(jìn)入或退出,控制系統(tǒng)接收到穿梭車進(jìn)入或退出信號(hào)后,在發(fā)送新的信號(hào)時(shí)擋塊鎖緊。設(shè)置手動(dòng)控制模式時(shí),檢查擋塊的狀態(tài),在觸摸屏上設(shè)置提升裝置運(yùn)行目標(biāo)。提升裝置控制流程如圖3所示。

3 倉(cāng)儲(chǔ)貨位多目標(biāo)優(yōu)化

多數(shù)研究者以堆垛機(jī)進(jìn)出貨時(shí)間以及行駛距離為優(yōu)化目標(biāo),還有從貨物相關(guān)性、貨物周轉(zhuǎn)率、貨架穩(wěn)定性中選擇兩個(gè)作為優(yōu)化目標(biāo)。筆者根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求,以出入庫(kù)效率、貨架穩(wěn)定性、安全性,以及同類物品先入先出的原則作為優(yōu)化目標(biāo),建立數(shù)學(xué)模型,并設(shè)計(jì)多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行求解,通過(guò)分析對(duì)比,證明模型和算法的正確性。

3.1 建立數(shù)學(xué)模型

以設(shè)計(jì)的立體倉(cāng)儲(chǔ)為原型,該立體倉(cāng)儲(chǔ)主要由貨物提升裝置、穿梭車、穿梭車提升裝置、輥筒機(jī)構(gòu)組成,立體倉(cāng)儲(chǔ)的長(zhǎng)、寬、高依次為6 m、3 m、4 m,穿梭車在立體倉(cāng)儲(chǔ)中間行駛,立體倉(cāng)庫(kù)的兩頭分別為貨物提升裝置和穿梭車提升裝置。立體倉(cāng)儲(chǔ)共有4排、7列、5層,一共有140個(gè)貨位,物品的質(zhì)量不超過(guò)30 kg,數(shù)學(xué)模型涉及的符號(hào)見(jiàn)表1。

為了提高立體倉(cāng)儲(chǔ)貨物周轉(zhuǎn)率,需要把出入庫(kù)頻繁的貨物存放在出入庫(kù)平臺(tái)周圍的貨位上,減少穿梭車在立體庫(kù)中的運(yùn)行時(shí)間,從而提高倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)行效率。為了實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)效率最大化,構(gòu)建了周轉(zhuǎn)率最大化貨位分配目標(biāo)函數(shù),具體表達(dá)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(jiàn)的貨物存在一定的有效期,為了防止貨物超期失效,針對(duì)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(gòu)建同類貨物先入先出目標(biāo)函數(shù),具體表達(dá)式為:

表1 倉(cāng)儲(chǔ)模型數(shù)學(xué)符號(hào)

(2)

式中:(ak,bk,ck)為對(duì)應(yīng)貨物的中心坐標(biāo)。

立體倉(cāng)儲(chǔ)中的貨架承載能力是有限的,在存放貨物時(shí)必須根據(jù)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(cāng)儲(chǔ)貨架質(zhì)心,提高其穩(wěn)定性、安全性。與此同時(shí),在貨物存儲(chǔ)時(shí),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(wěn)定性為優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)函數(shù),為:

(3)

根據(jù)立體倉(cāng)儲(chǔ)模型,共有2排、12列、5層,因此貨位優(yōu)化問(wèn)題空間約束條件為:

nxyzk∈{0,1}

x∈{1,2}

y∈{1,12}

z∈{1,5}

(4)

根據(jù)立體倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)情況,利用層次分析法,獲得不同優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重。最終的立體倉(cāng)庫(kù)貨位分配模型利用權(quán)重均衡了三個(gè)優(yōu)化目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了不同優(yōu)化目標(biāo)的均衡。建立的立體倉(cāng)庫(kù)優(yōu)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(biāo)權(quán)重。

3.2 仿真計(jì)算

根據(jù)企業(yè)立體倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)際運(yùn)行狀況,貨叉速度為0.2 m/s,穿梭車運(yùn)行速度為1.2 m/s,提升裝置速度為1.5 m/s。假設(shè)一共有三類物品需要放入倉(cāng)庫(kù)中,并用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代表這三類物品,每種貨物的最大質(zhì)量不能超過(guò)30 kg。Ⅰ類貨物的周轉(zhuǎn)率為0.5～0.6,Ⅱ類貨物的周轉(zhuǎn)率為0.3～0.4,Ⅲ類貨物的周轉(zhuǎn)率為0.1～0.2。根據(jù)企業(yè)要求,將三個(gè)目標(biāo)權(quán)重分別設(shè)置為μ1=0.4,μ2=0.3,μ3=0.3。遺傳算法參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。程序在執(zhí)行運(yùn)算時(shí)隨機(jī)生成三類貨位的數(shù)量,并進(jìn)行無(wú)規(guī)則排列。

表2 遺傳算法參數(shù)設(shè)置

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)以上數(shù)據(jù),在MATLAB軟件中進(jìn)行多目標(biāo)求解運(yùn)算,得到結(jié)果如圖4～圖7及表3所示。圖4是在MATLAB軟件中建立的倉(cāng)儲(chǔ)三維圖,共4排、7列、5層。圖5由程序隨機(jī)生成三類七個(gè)貨物,可以看到,此時(shí)貨物的排列是雜亂無(wú)章沒(méi)有規(guī)則的。通過(guò)表3優(yōu)化前后倉(cāng)儲(chǔ)貨位擺放坐標(biāo)對(duì)比可知,同類物品擺放一起且靠近出口能提高運(yùn)行效率,質(zhì)量大的貨物放在底層能提高貨架的穩(wěn)定性。圖6是經(jīng)過(guò)多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化之后物品在倉(cāng)儲(chǔ)的擺放狀態(tài),可以比較直觀地看出,此時(shí)同類物品擺放在一起,質(zhì)量大的在底層,且圖中所有貨物都放置在倉(cāng)儲(chǔ)的出口處。優(yōu)化目標(biāo)為最小值,在計(jì)算時(shí)將適應(yīng)度和優(yōu)化目標(biāo)正比例對(duì)應(yīng),由圖7可知,適應(yīng)度為一個(gè)較小值復(fù)合優(yōu)化預(yù)期。

圖4 倉(cāng)儲(chǔ)貨位三維模型

圖5 優(yōu)化前貨物分配

圖7 求解過(guò)程

表3 優(yōu)化前后貨物坐標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)企業(yè)貨物存儲(chǔ)問(wèn)題,筆者設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)方案,主要包括穿梭車、提升裝置及輥筒裝置的電路設(shè)計(jì)、可編程控制器控制程序設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)運(yùn)行測(cè)試,該倉(cāng)儲(chǔ)可以較好地解決貨物存儲(chǔ)問(wèn)題。以倉(cāng)儲(chǔ)貨架穩(wěn)定性、最大運(yùn)轉(zhuǎn)效率、貨物先進(jìn)先出三個(gè)因素建立數(shù)學(xué)模型,通過(guò)多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行求解。優(yōu)化結(jié)果顯示,同類貨物放置一起且靠近出口,即滿足先進(jìn)先出的要求,也可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率,質(zhì)量大的貨物堆放在底層,從而提高了貨架穩(wěn)定性。