CN103310321B - 一种基于物联技术的物料配送任务动态分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于物联技术的物料配送任务动态分配方法，基于搬运载体的实时状态信息，以搬运载体抢任务的工作模式，从任务的动态分配策略、基于搬运载体实时状态的任务动态分配方法、任务的组合优化这三方面，主动获取最合适的物料搬运任务集，为生产物料的及时配送提供一种高效可行的任务分配模型与方法。由于本发明考虑了搬运载体卸货后的实时位置信息、面向搬运载体容量的任务动态组合优化等，与传统物料配送任务优化方法相比，本发明能够有效地解决原分配策略的计算复杂度高、优化时间长、难于动态响应物料配送任务的变化等不足，提高了车间配送的效率、节约了搬运成本，可更好地实现数字化精确配送和物料配送管理的智能化。

Description

一种基于物联技术的物料配送任务动态分配方法

技术领域

本发明涉及物料配送任务动态分配技术领域，具体为一种基于物联技术的物料配送任务动态分配方法。基于搬运载体(如推车、AGV、叉车等)的实时状态信息，主动获取最合适的物料搬运任务集，为生产物料的及时配送提供一种高效可行的任务分配模型与方法。

背景技术

近年来，随着工业无线网络、传感网络、射频识别(RFID)、微电子机械系统等技术的迅猛发展，制造企业的研制过程已由传统的“黑箱”模式向“三维空间加时间的多维度、透明化泛在感知”模式发展，对生产过程的实时监控与动态优化提出了更高的要求。车间物料配送方法作为保证生产过程高效、高质进行的关键环节，也因此得到了广泛的关注与研究，特别是如何提升物料配送任务的动态可优化性。

目前，车间物料的配送方法的研究主要有：香港大学GeorgeHuang教授等提出了一种采用RFID技术实现对物料搬运过程信息的监控，以促进对物料搬运过程的优化控制；华中科技大学邵新宇等公开的《一种工厂物料配送车辆调度系统》专利中设计了一种包括实时数据采集器、物料车路线指引器和无线传感网络的实时物料配送系统，该发明可以很好地处理不确定信息，得到比传统调度系统更好的车辆配送路径；北京航空航天大学刘书岩等提出改被动的物料供应为主动的物料配送，通过分析物料配送所需的信息，建立物料配送模型，并研究物料配送的作业流程，在此基础上开发了复合材料车间物料配送系统；西安交通大学周光辉等提出了一种基于射频识别技术的数字化制造车间物流实时优化配送的新方法，建立数字化制造车间物料配送路径优化模型并采用分支界定算法对模型进行解算，解决配送小车的物料配送路径优化问题。

尽管上述研究对物料准时配送具有较好地促进作用，但针对本发明拟解决的物料配送任务的动态优化方面，仍需要在以下新问题上获得突破：1)当前物料配送任务的分配模式主要是由物料配送系统根据待完成的物料任务、搬运员工和搬运载体的数据，以整体时间最短为目标，将物料配送任务分配至相应的搬运员工和搬运载体上。然而，这种集中式的分配方法难于处理因搬运任务、搬运员工和搬运载体较多时而产生的NP难问题，即难于获得全局最优解，而且优化时间长，难于适应因生产变更等导致的物料配送任务实时优化情形；2)作为物料搬运主体的载体(如推车、AGV、叉车等)的状态信息较少被考虑到现有的物料配送模型中，然而，对于物料搬运任务的动态分配，其卸货后的实时位置信息将为选择下一个搬运任务提供非常重要的基础信息；3)现有物料配送模型和方法较少涉及搬运任务的组合优化问题，事实上，通过申请人近年来在企业实施生产准备管理的项目中，发现结合搬运载体的容量进行搬运任务组合对提升物料配送的效率和降低物料搬运成本具有重要的影响。

发明内容

要解决的技术问题

针对上述需求，本发明提出了一种基于物联技术的物料配送任务动态分配方法，从车间物料配送的最基本执行单元——搬运载体入手，从任务的动态分配策略、基于搬运载体实时状态的任务动态分配方法、任务的组合优化这三方面为搬运载体主动获取最合适的物料搬运任务集，为车间生产物料的及时配送提供一种高效可行的任务分配模型与方法。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种基于物联技术的物料配送任务动态分配方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：通过物料搬运载体上附加的RFID自动识别设备获取物料搬运载体的实时动态信息，建立搬运载体的信息模型；其中搬运载体的信息模型包含：搬运载体编号、搬运载体的最大承载空间、搬运载体实时位置和搬运载体的实时使用空间；

步骤2：通过物料搬运载体上附加的RFID自动识别设备感知实时配送需求，建立实时配送需求的信息模型；实时配送需求中包含有N个配送任务，其中单个配送任务的信息模型包含：任务编号、任务的起始地、任务的目的地、任务的交货期、任务的完成时间、任务的优先级和查找每个任务所含物料信息所需的索引号；所述任务所含物料信息包含：物料编号、物料名称、物料数目和物料占用空间；

步骤3：物料搬运载体根据实时配送需求中各个配送任务的优先级对配送任务进行排序，并按照优先级由高到低截取n个配送任务，形成预配送任务集，其中当出现优先级相同的配送任务时，则按照配送任务的任务交货期由早到晚排序；

步骤4：根据步骤3建立的预配送任务集，将预配送任务集中的配送任务进行组合，形成S个配送任务组合，所述配送任务组合占用的总空间不大于物料搬运载体的实时容量；建立配送任务组合信息模型，配送任务组合信息模型中包括配送任务组合包含的任务编号，配送任务组合占用的总空间和配送任务组合的优先级；其中配送任务组合的优先级取配送任务组合中各个配送任务的优先级之和；

步骤5：对于S个配送任务组合，构建物料搬运载体与配送任务组合相匹配的性能指标f_t(P,L,U)为目标函数

f_t(P,L,U)＝w_pP_t/P₀+w_LL₀/L_t+w_uU_t/U₀

其中P_t表示第t个配送任务组合的优先级，L_t表示完成第t个配送任务组合的最短路径，U_t表示在实施第t个配送任务组合时，物料搬运载体的已使用空间；w_p、w_L、w_u分别为P_t、L_t、U_t在目标函数中所占的权重，所述实施第t个配送任务组合时，物料搬运载体的已使用空间指第t个配送任务组合中各个任务的物料占用空间之和；

步骤6：采用层次分析法确定w_p、w_L、w_u，其中以性能指标f_t(P,L,U)为目标层，以P_t、1/L_t和U_t为方案层，通过层次分析法得出P_t、1/L_t和U_t关于f_t(P,L,U)的判断矩阵的权向量，权向量中的各元素值为对应的权重；

步骤7：根据步骤5和步骤6得到性能指标f_t(P,L,U)取最大值时对应的配送任务组合，该配送任务组合即为该物料搬运载体的实时最优任务组合；

步骤8：在实时配送需求中删除组成步骤7中实时最优任务组合的配送任务，其他的物料搬运载体重复步骤2至步骤7，实现整个车间的物料及时配送。

有益效果

本发明设计了一种基于物联技术的物料配送任务动态分配方法，目的是基于搬运载体(如推车、AGV、叉车等)的实时状态信息，以搬运载体抢任务的工作模式，从任务的动态分配策略、基于搬运载体实时状态的任务动态分配方法、任务的组合优化这三方面，主动获取最合适的物料搬运任务集，为生产物料的及时配送提供一种高效可行的任务分配模型与方法。由于本发明考虑了搬运载体卸货后的实时位置信息、面向搬运载体容量的任务动态组合优化等，与传统物料配送任务优化方法相比，本发明设计的动态分配新方法能够有效地解决原分配策略的计算复杂度高、优化时间长、难于动态响应物料配送任务的变化等不足，提高了车间配送的效率、节约了搬运成本，可更好地实现数字化精确配送和物料配送管理的智能化。

本发明产生的有益效果主要体现在以下方面：

a)本发明设计了一种基于物联技术的物料动态分配方法，设计了一种以搬运载体实时状态信息驱动的物料配送任务动态优化分配模型，通过应用物联技术于搬运载体，从任务的动态分配策略、基于搬运载体实时状态的任务动态分配方法、任务的组合优化这三方面为搬运载体主动获取最合适的物料搬运任务集；

b)本发明所提供得针对配送任务的实时状态的动态分配策略，能够处理因搬运任务、搬运员工、搬运载体较多时产生的NP难问题，更适应于现实企业中因生产变更等异常导致的物料任务动态优化与配送情形；

c)本发明将搬运载体卸货后的实时位置信息考虑到现有模型中，为选择下一个搬运任务提供了重要的实时信息，能够及时的了解物料配送任务的实时信息，辅助动态分配系统作出正确的分配策略，提高配送过程的准确性；

d)本发明建立的优化模型综合考虑了搬运任务的组合和装载顺序优化问题，使得选取的任务集能更好地满足搬运载体的容量最大和配送总路径最短需求，提升了物料搬运效率和降低了物料搬运成本。

附图说明

图1是本发明的整体流程图；

图2是本发明产生可行配送任务组合的流程图；

图3是基于本发明任务组合中考虑装卸次序约束的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

参照附图1，本发明中提出的一种基于物联技术的物料配送任务动态分配方法，采用以下步骤：

步骤1：通过物料搬运载体上附加的RFID自动识别设备获取物料搬运载体的实时动态信息，建立搬运载体的信息模型；其中搬运载体的信息模型包含：搬运载体编号、搬运载体的最大承载空间、搬运载体实时位置和搬运载体的实时使用空间。

在车间中，物料搬运载体上附加有RFID自动识别设备，包括RFID读写器、软件系统和显示装置，在车间/仓库关键路口、进/出处、托盘、货架、制造设备配置RFID电子标签，物料搬运载体在搬运任务执行过程中可感知周边制造资源的实时状态信息和搬运载体自身的实时动态信息(实时感知当前位置、已用容量、物料)；在此基础上，软件系统根据获取的动态信息与搬运任务管理系统基于无线网络环境进行动态交互，以主动获取最适合本搬运载体执行的新物料配送任务，并将结果显示于显示装置中用以指导操作员工的搬运操作。

而物料搬运载体在任务执行过程中，通过建立其信息模型，以将自动获取的实时状态信息进行数字化和标准化处理，为任务的动态优化分配提供重要的初始信息。物料搬运载体的信息存储在信息矩阵V中：

$V=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{VID}}_1& V_{\max }^1& {\mathrm{CL}}_1& V_u^1\\ {\mathrm{VID}}_2& V_{\max }^2& {\mathrm{CL}}_2& V_u^2\\ {\mathrm{VID}}_3& V_{\max }^3& {\mathrm{CL}}_3& V_u^3\\ ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{VID}}_i& V_{\max }^i& {\mathrm{CL}}_i& V_u^i\end{array}\right]$

这里，VID_i表示搬运载体i的编号，表示搬运载体i的最大承载空间，CL_i表示搬运载体i的当前位置，表示搬运载体i的实时使用空间。基于该信息模型，也可对搬运载体的工作情况进行实时跟踪与追溯。

步骤2：物料搬运载体通过其上附加的RFID自动识别设备感知实时配送需求，并建立实时配送需求的信息模型，以将自动获取的实时配送需求进行数字化和标准化处理。实时配送需求中包含有N个配送任务，其中单个配送任务的信息模型包含：任务编号、任务的起始地、任务的目的地、任务的交货期、任务的完成时间、任务的优先级和查找每个任务所含物料信息所需的索引号；所述任务所含物料信息包含：物料编号、物料名称、物料数目和物料占用空间；

实时配送需求中包含的配送任务的信息存储在矩阵N中：

$N=\left[\begin{array}{ccccccc}{\mathrm{TID}}_1& {\mathrm{FL}}_1& {\mathrm{TL}}_1& D_1& {\mathrm{FT}}_1& P_1& {\mathrm{IID}}_1\\ {\mathrm{TID}}_2& {\mathrm{FL}}_2& {\mathrm{TL}}_2& D_2& {\mathrm{FT}}_2& P_2& {\mathrm{IID}}_2\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{TID}}_j& {\mathrm{FL}}_j& {\mathrm{TL}}_j& D_j& {\mathrm{FT}}_j& P_j& {\mathrm{IID}}_j\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{TID}}_N& {\mathrm{FL}}_N& {\mathrm{TL}}_N& D_N& {\mathrm{FT}}_N& P_N& {\mathrm{IID}}_N\end{array}\right]$

这里，TID_j表示任务j编号；FL_j表示任务j的起始地；TL_j表示任务j的目的地；D_j表示任务j的交货期；FT_j表示任务j的完成时间；P_j表示任务j的优先级；IID_j表示任务j的索引号,任务j的索引号对应该任务包含的物料信息。基于该信息模型，可以对实时配送任务的的状态进行实时跟踪和追溯。

对每个配送任务j包含的具体物料信息用矩阵W表示：

$W=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{ICode}}_1& {\mathrm{Name}}_1& Q_1& V_1\\ {\mathrm{ICode}}_2& {\mathrm{Name}}_2& Q_2& V_2\\ ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{ICode}}_k& {\mathrm{Name}}_k& Q_k& V_k\\ ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{ICode}}_n& {\mathrm{Name}}_n& Q_n& V_n\end{array}\right]$

这里，ICode_k表示配送任务j中第k种物料的编号，Name_k表示第k种物料的名称，Q_k表示第k种物料的数量，V_k表示第k种物料所占的空间，n表示任务j中包含n种物料。

步骤3：物料搬运载体根据实时配送需求中各个配送任务的优先级对配送任务进行排序，并按照优先级由高到低截取n个配送任务，形成预配送任务集，如果截取时出现了相同优先级而无法判定应当截取哪个任务时，比较任务的交货期，截取交货期早的任务。

预配送任务集的信息存储在矩阵n：

$N=\left[\begin{array}{ccccccc}{\mathrm{TID}}_1& {\mathrm{FL}}_1& {\mathrm{TL}}_1& d_1& {\mathrm{FT}}_1& P_1& {\mathrm{IID}}_1\\ {\mathrm{TID}}_2& {\mathrm{FL}}_2& {\mathrm{TL}}_2& d_2& {\mathrm{FT}}_2& P_2& {\mathrm{IID}}_2\\ {\mathrm{TID}}_3& {\mathrm{FL}}_3& {\mathrm{TL}}_3& d_3& {\mathrm{FT}}_3& P_3& {\mathrm{IID}}_3\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{TID}}_n& {\mathrm{FL}}_n& {\mathrm{TL}}_n& d_n& {\mathrm{FT}}_n& P_n& {\mathrm{IID}}_n\end{array}\right]$

步骤4：根据步骤3建立的预配送任务集，将预配送任务集中的配送任务进行组合，形成与该物料搬运载体的搬运实时容量相关的S个配送任务组合，其中每个配送任务组合中物料占用的总空间不大于该物料搬运载体的实时容量；建立配送任务组合信息模型，配送任务组合信息模型中包括配送任务组合包含的任务编号，配送任务组合中各物料占用的总空间和配送任务组合的优先级。

其中将预配送任务集中的配送任务进行组合，形成与该搬运载体搬运实时容量相关的S个配送任务组合的过程为：

步骤4.1：将预配送任务集中的所有配送任务，按照配送任务信息模型中的物料占用空间由小到大排序，并将物料占用空间最小的编号为1，其余按由小到大依次编为2，3，4，……，n；

步骤4.2：从预配送任务集中挑出a个任务，形成含有a个任务的配送任务组合，且配送任务组合中物料占用的总空间不大于该物料搬运载体的实时容量；

步骤4.3：取a＝1,2,3,……,b，循环进行步骤4.2，其中b≤n，且包含b+1个任务的配送任务组合中物料占用的总空间大于该物料搬运载体的实时容量。

步骤5：对于S个配送任务组合，构建物料搬运载体与配送任务组合相匹配的性能指标f_t(P,L,U)为目标函数

f_t(P,L,U)＝w_pP_t/P₀+w_LL₀/L_t+w_uU_t/U₀

其中P_t表示第t个配送任务组合的优先级，L_t表示完成第t个配送任务组合的最短路径，U_t表示在实施第t个配送任务组合时，物料搬运载体的已使用空间；w_p、w_L、w_u分别为P_t、L_t、U_t在目标函数中所占的权重，其中配送任务组合的优先级取配送任务组合中各个配送任务的优先级之和；所述路径包括物料搬运载体领取任务和配送任务的路径；所述实施第t个配送任务组合时，物料搬运载体的已使用空间指第t个配送任务组合中各个任务的物料占用空间之和。

步骤6：采用层次分析法确定w_p、w_L、w_u，其中以性能指标f_t(P,L,U)为目标层，以P_t、1/L_t和U_t为方案层，通过层次分析法得出P_t、1/L_t和U_t关于f_t(P,L,U)的判断矩阵的权向量，权向量中的各元素值为对应的权重；

步骤7：根据步骤5和步骤6得到性能指标f_t(P,L,U)取最大值时对应的配送任务组合，该配送任务组合即为该物料搬运载体的实时最优任务组合；

步骤8：在实时配送需求中删除组成步骤7中实时最优任务组合的配送任务，其他的物料搬运载体重复步骤2至步骤7，实现整个车间的物料及时配送。

Claims (1)

1.一种基于物联技术的物料配送任务动态分配方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：通过物料搬运载体上附加的RFID自动识别设备获取物料搬运载体的实时动态信息，建立搬运载体的信息模型；其中搬运载体的信息模型包含：搬运载体编号、搬运载体的最大承载空间、搬运载体实时位置和搬运载体的实时使用空间；

步骤2：通过物料搬运载体上附加的RFID自动识别设备感知实时配送需求，建立实时配送需求的信息模型；实时配送需求中包含有N个配送任务，其中单个配送任务的信息模型包含：任务编号、任务的起始地、任务的目的地、任务的交货期、任务的完成时间、任务的优先级和查找每个任务所含物料信息所需的索引号；所述任务所含物料信息包含：物料编号、物料名称、物料数目和物料占用空间；

步骤3：物料搬运载体根据实时配送需求中各个配送任务的优先级对配送任务进行排序，并按照优先级由高到低截取n个配送任务，形成预配送任务集，其中当出现优先级相同的配送任务时，则按照配送任务的任务交货期由早到晚排序；

步骤4：根据步骤3建立的预配送任务集，将预配送任务集中的配送任务进行组合，形成S个配送任务组合，所述配送任务组合占用的总空间不大于物料搬运载体的实时容量；建立配送任务组合信息模型，配送任务组合信息模型中包括配送任务组合包含的任务编号，配送任务组合占用的总空间和配送任务组合的优先级；其中配送任务组合的优先级取配送任务组合中各个配送任务的优先级之和；

步骤5：对于S个配送任务组合，构建物料搬运载体与配送任务组合相匹配的性能指标f_t(P,L,U)为目标函数

f_t(P,L,U)＝w_pP_t/P₀+w_LL₀/L_t+w_uU_t/U₀

其中P_t表示第t个配送任务组合的优先级，L_t表示完成第t个配送任务组合的最短路径，U_t表示在实施第t个配送任务组合时，物料搬运载体的已使用空间；w_p、w_L、w_u分别为P_t、L_t、U_t在目标函数中所占的权重， $P_0=\frac{1}{S}\underset{t=1}{\overset{S}{\Σ}}{P}_t,L_0=\frac{1}{S}\underset{t=1}{\overset{S}{\Σ}}{L}_t,U_0=\frac{1}{S}\underset{t=1}{\overset{S}{\Σ}}{U}_t;$ 所述实施第t个配送任务组合时，物料搬运载体的已使用空间指第t个配送任务组合中各个任务的物料占用空间之和；

步骤6：采用层次分析法确定w_p、w_L、w_u，其中以性能指标f_t(P,L,U)为目标层，以P_t、1/L_t和U_t为方案层，通过层次分析法得出P_t、1/L_t和U_t关于f_t(P,L,U)的判断矩阵的权向量，权向量中的各元素值为对应的权重；

步骤7：根据步骤5和步骤6得到性能指标f_t(P,L,U)取最大值时对应的配送任务组合，该配送任务组合即为该物料搬运载体的实时最优任务组合；

步骤8：在实时配送需求中删除组成步骤7中实时最优任务组合的配送任务，其他的物料搬运载体重复步骤2至步骤7，实现整个车间的物料及时配送。