CN108073749B - 基于最优化模型的钢卷出库配载方法 - Google Patents

基于最优化模型的钢卷出库配载方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于最优化模型的钢卷出库配载方法，其包括以下步骤：步骤一，利用最优化模型来解决钢卷配载的问题，在框架面积有限和称重限制的约束条件下，寻求一组表示配载结果的决策变量，达到框架车实载率最大的目标函数；步骤二，根据生产物流系统的出库计划，获取下批次待出库钢卷的编号和信息；根据到达的空框架车编号，从框架基本信息库读取框架车的信息；运行时读取配置文件中的计算参数等。本发明是仓库内钢卷自动出库技术的基础，完全摆脱依靠操作人员肉眼和经验判断的落后方式，模型计算自动推荐出最优方案，提高生产物流效率、降低运输成本。

Description

基于最优化模型的钢卷出库配载方法
技术领域
本发明涉及一种钢卷出库配载方法，特别是涉及一种基于最优化模型的钢卷出库配载方法。
背景技术
目前，大多数钢铁企业对仓库内钢卷的装卸采用人工控制行车的操作方式。操作人员根据出库计划在现场找到待出库钢卷，肉眼判断钢卷的尺寸和重量以及通道上停放框架车的尺寸，最后按照操作经验排列钢卷吊运到框架上的位置，完成钢卷出库的框架配载作业。
随着无人行车技术逐渐走向应用，钢卷出库的自动配载技术也是必不可少的一个环节。在物流信息化的基础上，相比人眼粗略观察的结果，软件系统可以很方便获得精确的实体数据，提供给算法自动计算，得到钢卷合理的装载位置和重量分配。良好的配载技术可以起到提高生产物流效率、降低运输成本的作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于最优化模型的钢卷出库配载方法，其是仓库内钢卷自动出库技术的基础，完全摆脱依靠操作人员肉眼和经验判断的落后方式，模型计算自动推荐出最优方案，提高生产物流效率、降低运输成本。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于最优化模型的钢卷出库配载方法，其包括以下步骤：
步骤一，利用最优化模型来解决钢卷配载的问题，在框架面积有限和称重限制的约束条件下，寻求一组表示配载结果的决策变量，达到框架车实载率最大的目标函数；
步骤二，根据生产物流系统的出库计划，获取下批次待出库钢卷的编号和信息；根据到达的空框架车编号，从框架基本信息库读取框架车的信息；运行时读取配置文件中的计算参数；
步骤三，区别于传统的经验规则法，采用最优化方法，根据实际需求分析出决策变量、目标函数和约束条件，从许多配载方案中找到最合适的结果；
步骤四，决策变量是配载成功钢卷的摆放位置；具体量化为钢卷是否配载成功、钢卷摆放的凹槽编号和钢卷摆放的左中右标志三个变量；
步骤五，提高框架车的使用率，将框架车的实载率最大化作为模型的目标函数，即所有配载成功的钢卷重量总和最大；
步骤六，针对框架车的面积有限和称重限制，分析出六条具体的约束条件。
优选地，所述步骤六中的六条具体的约束条件包括以下内容：
两个钢卷在同一凹槽时，则要求两个钢卷分别安排在左侧和右侧，两个钢卷宽度之和再加上双排卷的距离余量小于框架车的宽度；
两个钢卷在相邻凹槽，并且在同一侧时，则要求两个钢卷的半径之和再加上钢卷直径方向的余量小于凹槽间距；
两个钢卷在相邻凹槽，并且分别在左侧和右侧时，则要求两个钢卷宽度之和再加上交错卷的距离余量小于框架车的宽度；
钢卷的总重量小于框架车的承重上限；
钢卷在框架车长度方向的重心与框架车长度方向的物理中心的距离小于一个凹槽间距；
钢卷在框架车宽度方向的重心与框架车宽度方向的物理中心的距离小于1/4的框架车宽度。
优选地，所述基于最优化模型的钢卷出库配载方法采用以下参数：数据准备，模型分析，决策变量，目标函数，约束条件，模型求解。
本发明的积极进步效果在于：本发明是仓库内钢卷自动出库技术的基础，完全摆脱依靠操作人员肉眼和经验判断的落后方式，模型计算自动推荐出最优方案，提高生产物流效率、降低运输成本。
附图说明
图1为本发明基于最优化模型的钢卷出库配载方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明基于最优化模型的钢卷出库配载方法包括以下步骤：
步骤一，利用最优化模型来解决钢卷配载的问题，在框架面积有限和称重限制的约束条件下，寻求一组表示配载结果的决策变量，达到框架车实载率最大的目标函数；
步骤二，根据生产物流系统的出库计划，获取下批次待出库钢卷的编号和信息；根据到达的空框架车编号，从框架基本信息库读取框架车的信息；运行时读取配置文件中的计算参数；
步骤三，区别于传统的经验规则法，采用最优化方法，根据实际需求分析出决策变量、目标函数和约束条件，从许多配载方案中找到最合适的结果；
步骤四，决策变量是配载成功钢卷的摆放位置；具体量化为钢卷是否配载成功、钢卷摆放的凹槽编号和钢卷摆放的左中右标志三个变量；
步骤五，提高框架车的使用率，将框架车的实载率最大化作为模型的目标函数，即所有配载成功的钢卷重量总和最大；
步骤六，针对框架车的面积有限和称重限制，分析出六条具体的约束条件。
本发明采用以下参数：
一、数据准备，根据生产物流系统的出库计划，获取下批次待出库钢卷的编号和信息(包括钢卷直径、钢卷宽度以及钢卷重量)。
根据到达的空框架车编号，从框架基本信息库读取框架车的信息(包括框架宽度、凹槽间距、凹槽数量以及载重上限)。
计算参数存放在配置文件中，运行时读取。
二、模型分析，运输钢卷的框架车是波浪形等间距凹槽框架。其中固定位置的凹槽约束了装载钢卷在框架车长度方向的位置。按照框架的信息和钢卷的尺寸，每个凹槽可以放置一到两个钢卷。框架车常见的装载方式有单排居中装载、单排交错装载和双排左右装载三种方式。在框架车宽度方向放置的位置有三种情况：靠左侧，居中和靠右侧。
假设空框架的凹槽数量为N，设定钢卷有3×N种可能放置的位置。根据出库计划，共有K个待出库钢卷。针对这种从许多可能实施方案中选取最合适的问题，本发明采用最优化模型解决。模型建立过程，首先确定表示计算结果的决策变量，然后分析最优性能度量的目标函数，最后整理可行解满足的约束条件。模型求解过程，是在满足约束条件下，寻找一组变量值，以使目标函数得到满足。
三、决策变量，框架车上的钢卷配载结果，是指配载成功钢卷的摆放位置。
首先，待出库钢卷可能很多，不一定所有都可以配载成功，所以需要有表示配载是否成功的变量loadi。
Figure BDA0001150150620000041
然后，钢卷在框架车长度方向的位置，采用凹槽编号ri表示。其中ri表示第i个钢卷分配在第r个凹槽，1≤ri≤N。
最后，钢卷在框架车宽度方向的位置，采用左中右的标志变量ci表示。
Figure BDA0001150150620000051
loadi，ri和ci三个决策变量可以表达钢卷的配载结果。
四、目标函数，框架车是一种紧缺资源，单次的出库将占用框架车比较长的时间。如果想提高框架车的使用效率，就需要最大化框架车的实载率。简单的说，就是装的越多越好，即所有配载成功的钢卷总重量最大。因此，模型的目标是框架的实载率最高。
Figure BDA0001150150620000052
其中：Weighti表示第i个钢卷的重量；1≤i≤K。
五、约束条件，框架车对装载钢卷有两个方面的约束。
第一方面，框架车面积有限，即长度方向和宽度方向的限制。因此，装载钢卷的直径需要满足框架车的长度约束，装载钢卷的宽度需要满足框架车的宽度约束。同时，相邻钢卷在直径方向和宽度方向不能有重叠。
第二方面，框架车承重限制。首先，装载钢卷的总重量小于框架车的承重上限。其次，框架车在长度方向和宽度方向要求基本均衡装载。框架车在承重设计上有载重上限随物体重心变化的特性。物体重心越接近框架车的物理中心位置，载重上限越接近理论上限。因此，装载钢卷在框架车长度方向的重心应尽量接近框架车的长度中心位置，装载钢卷在框架车宽度方向的重心应尽量接近框架车的宽度中心位置。
细化后约束条件如下：
条件一：如果两个钢卷在同一凹槽时，则要求两个钢卷分别安排在左侧和右侧，两个钢卷宽度之和再加上双排卷的距离余量小于框架车的宽度。其中，双排卷的距离余量设定为配置参数。
如果loadi＝loadj＝1并且ri＝rj，则ci×cj＝-1，Widthi+Widthj+DoubleDelta≤RackCarWidth。
其中：
Widthi表示第i个钢卷的宽度；
DoubleDelta表示双排钢卷的距离余量；
RackCarWidth表示框架车的宽度；
1≤i,j≤K
条件二：如果两个钢卷在相邻凹槽，并且在同一侧时，则要求两个钢卷的半径之和再加上钢卷直径方向的余量小于凹槽间距。目前，钢卷直径方向的余量设定为配置参数。
如果loadi＝loadj＝1，|ri-rj|＝1并且ci＝cj，则Diameteri/2+Diameterj/2+RadiusDelta≤GrooveRange
其中：
Diameteri表示第i个钢卷的直径；
RadiusDelta表示放置钢卷直径方向的余量；
GrooveRange表示凹槽的间距；
1≤i,j≤K
条件三：如果两个钢卷在相邻凹槽，分别在左侧和右侧，并且两个钢卷的半径之和再加上钢卷直径方向的余量大于凹槽间距，则要求两个钢卷宽度之和再加上交错卷的距离余量小于框架车的宽度。目前，交错卷的距离余量设定为配置参数。
如果loadi＝loadj＝1，|ri-rj|＝1，ci×cj＝-1，并且Diameteri/2+Diameterj/2+RadiusDelta＞GrooveRange，则Widthi+Widthj+AlternateDelta≤RackCarWidth。
其中：AlternateDelta表示交替卷的距离余量；1≤i,j≤K
条件四：钢卷的总重量小于框架车的承重上限。
Figure BDA0001150150620000071
其中：RackCarLimit表示框架车的承重上限；1≤i≤K
条件五：根据框架车的钢结构设计特性，钢卷在框架车长度方向的重心距离框架车的几何中心越近，框架车的承重性能越好。钢卷重心落在区域A范围内，框架的承重性能最好；钢卷重心落在区域B范围内，框架的承重性能次之；钢卷重心落在区域C范围内，框架的承重性能再次；钢卷重心落在ABC范围之外，框架的承重性能很差。本发明设定钢卷在框架车长度方向的重心与框架车长度方向的物理中心的距离小于一个凹槽间距。
Figure BDA0001150150620000072
其中：1≤i≤K。
条件六：如果钢卷在框架车宽度方向的中心偏离框架车宽度方向的中轴线过多，会造成拖车行驶时偏载，偏重一侧的拖车轮胎会发生爆裂的危险。因此钢卷在框架车宽度方向的重心需与中轴线的距离尽量维持在小范围内。本发明设定钢卷在框架车宽度方向的重心与框架车宽度方向的物理中心的距离小于1/4的框架车宽度。
Figure BDA0001150150620000081
其中：1≤i≤K。
六、模型求解，根据已经建立的数学模型，利用专业的计算工具包LINGO来求解模型，得到框架在最大实载率时对应的决策变量。
仓库内的钢卷需要装车出库，在框架车上如何摆放这些钢卷最合理。根据已知的钢卷信息和框架车信息，尽可能优化装载方案。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于最优化模型的钢卷出库配载方法，其特征在于，所述基于最优化模型的钢卷出库配载方法包括以下步骤：
步骤一，利用最优化模型来解决钢卷配载的问题，在框架面积有限和称重限制的约束条件下，寻求一组表示配载结果的决策变量，达到框架车实载率最大的目标函数；
步骤二，根据生产物流系统的出库计划，获取下批次待出库钢卷的编号和信息；根据到达的空框架车编号，从框架基本信息库读取框架车的信息；
步骤三，区别于传统的经验规则法，采用最优化方法，根据实际需求分析出决策变量、目标函数和约束条件，从许多配载方案中找到最合适的结果；
步骤四，决策变量是配载成功钢卷的摆放位置；具体量化为钢卷是否配载成功、钢卷摆放的凹槽编号和钢卷摆放的左中右标志三个变量；
步骤五，提高框架车的使用率，将框架车的实载率最大化作为模型的目标函数，即所有配载成功的钢卷重量总和最大；
步骤六，针对框架车的面积有限和称重限制，分析出六条具体的约束条件；
一、数据准备，根据生产物流系统的出库计划，获取下批次待出库钢卷的编号和信息，包括钢卷直径、钢卷宽度以及钢卷重量；
根据到达的空框架车编号，从框架基本信息库读取框架车的信息，包括框架宽度、凹槽间距、凹槽数量以及载重上限；
二、模型分析，运输钢卷的框架车是波浪形等间距凹槽框架，其中固定位置的凹槽约束了装载钢卷在框架车长度方向的位置，按照框架的信息和钢卷的尺寸放置钢卷，框架车的装载方式有单排居中装载、单排交错装载和双排左右装载三种方式，在框架车宽度方向放置的位置有三种情况：靠左侧，居中和靠右侧；
设空框架的凹槽数量为N，则钢卷有3×N种放置位置，根据出库计划，共有K个待出库钢卷，模型建立过程，首先确定表示计算结果的决策变量，然后分析最优性能度量的目标函数，最后整理可行解满足的约束条件，模型求解过程，是在满足约束条件下，寻找一组变量值，以使目标函数得到满足；
三、决策变量，框架车上的钢卷配载结果，是指配载成功钢卷的摆放位置；
首先，待出库钢卷很多，不一定所有都配载成功，所以需要有表示配载是否成功的变量loadi：
Figure FDA0003106051060000021
然后，钢卷在框架车长度方向的位置，采用凹槽编号ri表示，其中ri表示第i个钢卷分配在第r个凹槽，1≤ri≤N；
最后，钢卷在框架车宽度方向的位置，采用左中右的标志变量ci表示：
Figure FDA0003106051060000022
loadi，ri和ci三个决策变量表达钢卷的配载结果；
四、目标函数，提高框架车的使用效率，就需要最大化框架车的实载率，因此，模型的目标是框架的实载率最高，公式为：
Figure FDA0003106051060000023
其中：Weighti表示第i个钢卷的重量；1≤i≤K；
五、约束条件，框架车对装载钢卷有两个方面的约束；
第一方面，框架车面积有限，即长度方向和宽度方向的限制，因此，装载钢卷的直径需要满足框架车的长度约束，装载钢卷的宽度需要满足框架车的宽度约束，同时，相邻钢卷在直径方向和宽度方向不能有重叠；
第二方面，框架车承重限制，首先，装载钢卷的总重量小于框架车的承重上限；其次，框架车在长度方向和宽度方向要求均衡装载，框架车在承重设计上有载重上限随物体重心变化的特性，物体重心越接近框架车的物理中心位置，载重上限越接近理论上限，因此，装载钢卷在框架车长度方向的重心应尽量接近框架车的长度中心位置，装载钢卷在框架车宽度方向的重心应尽量接近框架车的宽度中心位置；
细化后约束条件如下：
条件一：如果两个钢卷在同一凹槽时，则要求两个钢卷分别安排在左侧和右侧，两个钢卷宽度之和再加上双排卷的距离余量小于框架车的宽度，其中，双排卷的距离余量设定为配置参数；
如果loadi＝loadj＝1并且ri＝rj，则ci×cj＝-1，Widthi+Widthj+DoubleDelta≤RackCarWidth
其中：
Widthi表示第i个钢卷的宽度；
DoubleDelta表示双排钢卷的距离余量；
RackCarWidth表示框架车的宽度；
1≤i,j≤K；
条件二：如果两个钢卷在相邻凹槽，并且在同一侧时，则要求两个钢卷的半径之和再加上钢卷直径方向的余量小于凹槽间距，钢卷直径方向的余量设定为配置参数；
如果loadi＝loadj＝1，|ri-rj|＝1并且ci＝cj，则Diameteri/2+Diameterj/2+RadiusDelta≤GrooveRange
其中：
Diameteri表示第i个钢卷的直径；
RadiusDelta表示放置钢卷直径方向的余量；
GrooveRange表示凹槽的间距；
1≤i,j≤K；
条件三：如果两个钢卷在相邻凹槽，分别在左侧和右侧，并且两个钢卷的半径之和再加上钢卷直径方向的余量大于凹槽间距，则要求两个钢卷宽度之和再加上交错卷的距离余量小于框架车的宽度，交错卷的距离余量设定为配置参数；
如果loadi＝loadj＝1，|ri-rj|＝1，ci×cj＝-1，并且Diameteri/2+Diameterj/2+RadiusDelta＞GrooveRange，则Widthi+Widthj+AlternateDelta≤RackCarWidth
其中：AlternateDelta表示交替卷的距离余量；1≤i,j≤K；
条件四：钢卷的总重量小于框架车的承重上限；
Figure FDA0003106051060000041
其中：RackCarLimit表示框架车的承重上限；1≤i≤K；
条件五：根据框架车的钢结构设计特性，钢卷在框架车长度方向的重心距离框架车的几何中心越近，框架车的承重性能越好，钢卷重心落在预设区域A范围内，框架的承重性能最好；钢卷重心落在预设区域B范围内，框架的承重性能次之；钢卷重心落在预设区域C范围内，框架的承重性能再次；钢卷重心落在预设区域ABC范围之外，框架的承重性能很差；设定钢卷在框架车长度方向的重心与框架车长度方向的物理中心的距离小于一个凹槽间距；
Figure FDA0003106051060000051
其中：1≤i≤K；
条件六：如果钢卷在框架车宽度方向的中心偏离框架车宽度方向的中轴线过多，会造成拖车行驶时偏载，偏重一侧的拖车轮胎会发生爆裂的危险，因此钢卷在框架车宽度方向的重心需与中轴线的距离尽量维持在小范围内，设定钢卷在框架车宽度方向的重心与框架车宽度方向的物理中心的距离小于1/4的框架车宽度；
Figure FDA0003106051060000052
其中：1≤i≤K；
六、模型求解，根据已经建立的数学模型，利用专业的计算工具包LINGO来求解模型，得到框架在最大实载率时对应的决策变量。
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