CN109886447A - 用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的方法，该方法包括：根据防汛防旱物资及其智能仓储特性，围绕出库效率和货架稳定性两大目标，建立防汛防旱物资货位分配模型，运用权重法将多目标优化问题变成单目标优化问题，并将得到的优化结果传递给物资储备中心仓储管理系统和管理员，从而完成物资的货位分配。本发明还公开了一种用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的系统。本发明可以有效提升防汛防旱物资仓储效率和管理水平，减少洪旱灾害损失。

Description

用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种货位分配的方法及系统，尤其涉及一种用于防洪防旱物资智能仓储货位分配的方法及系统。

背景技术

智能仓储作为智能物流的重要组成部分，成为现代仓储物流的发展趋势。智能仓储的效率主要受到货位分配的影响，通过优化货位分配，可提升存储空间利用率，缩短出入库的作业时间和距离，加快货物周转，且可保持货架的稳定性，提升智能仓储系统的工作效率。

存储效率高低的关键在于货位分配的策略优化，现有优化模型大多建立在仓库初始状态为空的假定条件下，这显然不符合实际工程需求；即便是考虑仓库初始状态不为空的研究，也仅仅是进行了单批货物的入库仿真实验。而单批货物入库可选空货位范围较大，可以尽量选择最优的货位，这样很可能造成接下来几批货物入库时只能选择次优的货位而导致整体货位安排并不合理。

由于应急物资调用频率小，国内外应急物资较少采用智能仓储系统，因此应急物流智能仓储领域的货位分配研究也较为欠缺，部分区域电力部门的应急物资储备仓库中引入物联网技术，构建电力应急物资储备智能仓储系统，能大幅度提升仓储自动化水平和物资出入库效率，减少物资人为损坏和丢失，提升抢险保障能力。

相比而言，应急物流领域智能仓储方面的研究较为欠缺，特定灾情应急物资智能仓储关键技术的研究还未见公开发表。特别是目前防汛防旱物资仓储还未采用智能仓储系统，这方面的研究也相对较少，但是对商用物流行业的智能仓储关键技术，尤其对智能仓储系统中的存储策略的研究已经相对成熟，而针对防汛防旱应急物资仓储管理呈现的物资种类少、数量多，少批次、多批量，抢险出库时效性和响应时间强约束等特点，以往针对商业物流的智能仓储系统化研究成果在解决防汛防旱物资储备时针对性不足，防汛防旱应急物资智能仓储方面的技术研究与实践应用亟待展开。

发明内容

发明目的：本发明提供一种智能仓储货位分配方法，使用该方法能有效提升防汛防旱物资仓储空间利用率，降低仓储时运输能耗。

本发明的另一目的是提供一种用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的系统。

技术方案：本发明所述的用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的方法，包括步骤：

(1)根据智能仓储总面积、单位货位尺寸和物资存储要求，对仓库的内部布局进行设置，并将仓储信息、物资信息、作业车信息存储至数据模块；

所述仓储信息包括：

仓储区位置信息：由水利防汛物资储备中心地理位置决定；

仓储区规模信息：包括仓储区长度a和宽度b，其设置分别不超过物资储备中心的长度和宽度；

仓储区分区信息：根据仓储区的规模、尺寸以及货架参数，人为将仓储区划分成若干子分区，各个仓储区分区信息包括分区类型和分区号；其中，分区类型包括：智能货架区、特殊物资区；分区号按照英文字母顺序，从A开始标号；

货架信息：包括货架的列数m、层数n、长度L、高度H，货位长度l、高度h，货位所处仓储区分区号，货架类型，货架价格；其中，m、n、L、H、l、h满足如下公式：

L＝m×l；H＝n×h

L≤b，H≤a；

货架类型包括托盘式货架、贯通式货架、穿梭式货架和智能存取立体库货架；

所述物资信息包括：物资种类共计r类、物资重量即单个托盘组重量W_k、调用频率p_k、物资规格、物资所处货位坐标P(i,j)，0≤i≤m，0≤j≤n；其中，物资种类包括机油、救生衣、帐篷、操舟机、手提强光巡查灯等；物资规格包括物资的长、宽、高和重要，这里为了简化问题，将一定数量的单类物资根据其尺寸组合为该物资标准托盘组，各类物资标准托盘组的长、宽、高及重量均满足货架限制条件；

所述作业车信息包括：作业车类型、作业车数量、作业车速度、作业车价格；其中，作业车类型包括穿梭车和叉车，穿梭车负责水平方向上的作业，叉车负责垂直方向上的作业及叉取作业；作业车速度包括穿梭车空载最大速度v_x1、穿梭车负载最大速度v_x2、穿梭车水平加速度a_x、叉车垂直速度v_y、叉车叉取速度v_f，这里可参照叉车基本作业参数取值或者取经验值。

(2)根据数据模块中的仓储信息，在优化模块中建立多层货架坐标系，物资种类共计r类，以作业车在出入库台的起始位置为原点O(0,0)，X轴为货架长轴方向，Y轴为货架垂直方向，货架每列和每层分别为X轴和Y轴方向上的1个单位长度，确定货位位置为P(i,j)；定义决策变量x_ijk，当第k种物资存放在P(i,j)时，x_ijk＝1；否则x_ijk＝0， 0≤i≤m，0≤j≤n，0≤k≤r。

(3)根据数据模块中的仓储信息和作业车信息，计算作业车水平运行距离和垂直运行距离，并依照时间最小原则，计算作业时间，建立出库时间最短优化目标函数；

(4)根据数据模块中的仓储信息和物资信息，建立货架稳定性优化目标函数；

(5)基于权重法，根据出库时间最短、货架稳定性两大目标函数的重要性程度确定融合模型的权值，将出库时间最短、货架稳定性两大目标函数融合，建立最终仓储优化多目标模型，再基于遗传算法对模型进行优化；

(6)将优化结果即待仓储的物资信息及其待放置货位信息传递给物资储备中心仓储管理系统和管理员，进行针对不同物资的货位分配。

一种用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的系统，包括：

数据模块，用于存储仓储信息、物资信息、作业车信息；

优化模块，用于调用数据模块存储的信息，构建基于权重法的货位分配多目标优化模型；并基于遗传算法对模型进行优化，将优化结果传递给物资储备中心仓储管理系统和管理员，进行针对不同物资的货位分配。

有益效果：使用本方法能有效提升防汛防旱物资仓储空间利用率，有效提升防汛防旱物资仓储效率和管理水平，实现仓储节能减排，减少洪旱灾害损失。

附图说明

图1是本发明系统示意图；

图2是作业路径坐标系图；

图3是机油堆垛模型图；

图4是救生衣堆垛模型图；

图5是照明灯堆垛模型图；

图6是帐篷堆垛模型图；

图7是操舟机堆垛模型图；

图8是平面布局图；

图9是托盘式货位图；

图10是密集式货架图；

图11是H函数值变化曲线图。

具体实施方式

下面以江苏省水利防汛物资储备中心镇江分中心仓库省级防汛防旱物资智能仓储区货位分配为例，结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的方法，包括步骤：

(1)根据现有智能仓储货位的面积和物资存储要求，对仓库的内部布局进行设置，如图8所示，并将仓储信息、物资信息、作业车信息存储至数据模块。

所述仓储信息包括：

仓储区位置信息：由水利防汛物资储备中心地理位置决定；

仓储区规模信息：包括仓储区长度a和宽度b，其设置分别不超过物资储备中心的长度和宽度；

仓储区分区信息：根据仓储区的规模、尺寸以及货架参数，人为将仓储区划分成若干子分区，各个仓储区分区信息包括分区类型和分区号；其中，分区类型包括：智能货架区、特殊物资区；分区号按照英文字母顺序，从A开始标号；

货架信息：包括货架的列数m、层数n、长度L、高度H，货位长度l、高度h，货位所处仓储区分区号，货架类型，货架价格；其中，m、n、L、H、l、h满足如下公式：

L＝m×l；H＝n×h，

L≤b，H≤a；

货架类型包括托盘式货架、贯通式货架、穿梭式货架和智能存取立体库货架。

货架选择防汛防旱物资具有存储的种类少、批量大、物资笨重、不宜人工搬运、出库频率低、出库时效性要求高等特点，根据这些特点，考虑的货架有托盘式货架、贯通式货架、穿梭式货架、悬臂式货架等几种类型。

本实施例中，智能货架的货位规格初步确定为1.5m×1.1m×1.5m，表1列出了各种货架的优缺点、需要配备的其他设备。

表1货架类型

以上几种类型的货架，托盘式货架和贯通式货架均需要配备叉车，穿梭式货架需配备穿梭车和叉车使用，智能存取立体库货架配备叉车使用，其中仓库空间利用率：智能存取立体库货架>穿梭式货架>贯通式货架>托盘式货架，总估价：智能存取立体库货架> 穿梭式货架>贯通式货架>托盘式货架，穿梭车单价为10万元每台，500平米的仓库可配备2～3台，货架为定做，规格为1.5m×1.1m×1.5m，不同类型的货架每货位价格不等，其中托盘式货架价格最低。叉车需要3～4辆。同样考虑到防汛仓库的低使用率，可租赁叉车，既可节省成本，而且避免了资产闲置，价格约为0.5万元每台。若要购买叉车，可选择林德叉车、浙江诺力叉车，其中电动叉车经济环保，并且巷道要求较柴油叉车要窄，所以可选择电动叉车，价格在6～8万元每台。

托盘常见规格在不同国家有不同标准，我国最常见的托盘规格是1200mm×1000mm，同时这也是欧式托盘的常见规格之一。具体为木质类平托盘，造价较低且耐用，较适用于防汛防旱物资的需求，价格约为35～60元。

在存放物资时，也需考虑托盘承载物资的合理性，包括达到托盘80％的表面积利用率、承载物资的重心高度不应超过托盘宽度的三分之二。简言之，物资在托盘上的高度不能超过1200mm。物资是放置在穿梭式货架上的，还有发电机和拖车式水泵是平放在地面的，如未来有更多物资可以在上层增加穿梭式货架。物资堆垛示意图如图3-图7所示。

所述物资信息包括：物资种类共计r类、单个托盘组重量W_k、调用频率p_k、物资规格、物资所处货位坐标P(i,j)，0≤i≤m，0≤j≤n。

本实施例中，在储存物资的选择上，根据近年来江苏省防汛防旱物资储备中心的物资调用种类和数量等情况，结合仓库大小与货架安排，选出了机油、救生衣、帐篷、操舟机、手提强光巡查灯等5种物资，它们的使用频率较高，形状较规则，适合放置在多层货架上，具体的储备量如表2所示。

表2所存储物资种类、规格及数量

所述作业车信息包括：作业车类型、作业车数量、作业车速度、作业车价格；其中，作业车类型包括穿梭车和叉车，穿梭车负责水平方向上的作业，叉车负责垂直方向上的作业及叉取作业；作业车速度包括穿梭车空载最大速度v_x1、穿梭车负载最大速度v_x2、穿梭车水平加速度a_x、叉车垂直速度v_y、叉车叉取速度v_f。

实际作业车参数如下表3所示。

表3

(2)如图2所示，根据数据模块中的仓储信息，在优化模块中建立多层货架坐标系，以作业车在出入库台的起始位置为原点O(0,0)，X轴为货架长轴方向，Y轴为货架垂直方向，货架每列和每层分别为X轴和Y轴方向上的1个单位长度，确定货位位置为 P(i,j)；定义决策变量x_ijk，当物资k存放在P(i,j)时，x_ijk＝1；否则x_ijk＝0，0≤i≤m， 0≤j≤n，0≤k≤r；

(31)根据数据模块中的仓储信息和作业车信息，计算作业车水平运行距离和垂直运行距离，如下公式所示：

水平运行距离为：Lx＝i×l

垂直运行距离为：Hy＝(j-1)×h

(32)依照时间最小原则，假设叉车作匀速运动，穿梭车启动时作匀加速运动，达到最大速度后保持匀速运动，在到达目标货位前的运动为匀减速运动，且考虑到穿梭车运行路程较短时达不到最大速度的状态和运行路程足够其达到最大运行速度的状态，计算作业时间如下公式：

t_ij＝t_i1+t_i2+t_j+t_f

其中，t_i1为空载前往货位时间，t_i2为负载返回时间，t_j为垂直运行时间；t_f为叉取作业时间，这里可取叉车叉取时间的平均值或经验值；t_ij为从出入库口固定起始位置开始计时后，先在垂直方向提升到相应货层，再在水平方向完成一次存或取获取作业，最后回到起始位置计时结束时的中间作业的总时间；

表4货位作业时间表

(33)建立出库时间最短的目标函数，如下公式所示：

(4)根据数据模块中的仓储信息和物资信息，基于上轻下重的原则，使每个托盘上物资的质量与其所在层的乘积之和S最小，建立货架稳定性目标函数如下公式所示：

(51)考虑到两个目标具有相同的重要性，将两个目标均赋给权重0.5，则优化模型为：

两边各乘以2，可以得到最终的货位分配多目标优化函数为：

(52)基于遗传算法对模型进行优化；

(6)将优化结果传递给物资储备中心仓储管理系统和管理员，进行针对不同物资的货位分配。

本实施例中，为便于描述，用A、B、C、D划分仓储区域，其中A、B区均为智能货架区，C区为特殊物资区域，用普通货架和悬臂式货架，如帐篷撑杆和量极少的物资， D区为待放区域，可以作为补充或者添加物资区域，如发电机、拖车时水泵等物资。A 区平面面积约为11×18＝198平方米，B区平面面积约为12.1×7.5＝84平方米，C区平面面积约为12×1＝12平方米，D区平面面积约为12×6.5＝78平方米，空白区为巷道，中间巷道为6米，其余巷道为3米左右。上方为入库口，下方为出库口，出入口两侧可以设置临时分拣区，若一次性出库量较大，可以将上方的入库口作为临时出库口使用，提升防汛防旱物资的调用效率。此外，若仓库受现实条件限制，出入口也可合二为一，取下面的出库口为进出口即可。

基于货位分配模型以及防汛仓库的物资调用记录等信息，可将操舟机、救生衣、帐篷、机油和照明灯分为一类，发电机、拖曳式水泵等分为一类。将适合存放在智能仓库的物资大致分为3个区：Ⅰ为操舟机、救生衣、帐篷；Ⅱ为机油、灯；Ⅲ为发电机、拖曳式抽水机及其他未来需要放进智能仓库的物资。Ⅰ类物资使用频率最高且量极大，Ⅱ类物资使用频率较高，量极少，Ⅲ类使用频率一般、物资量较少且体积重量都较大，不易移动。

因此，按照类别来进行货位区安排，结合物资数量与货架的货位数，Ⅰ类物资的货位区安排在A区和B区，其中救生衣放在A区，操舟机和帐篷放在B区。Ⅱ类物资帐篷撑杆和手提式巡查灯，考虑帐篷与撑杆的相关性，安排在C区。Ⅲ类物资中发电机与拖曳式操舟机单独平层依次排列放在D区。

货物按照货位分配原则分区定位存放，能在调取物资时快速精准找到物资，迅速进行出库，提升效率，也方便进行检查、盘点、养护。

按照不同货架类型可将货架布局具体分为两大类，第一类为托盘式货架，需要较多的巷道，空间利用率整体较低；第二类为密集式货架，有贯通式货架、穿梭式货架和智能存取立体库，巷道少，空间利用率低。

托盘式货架的具体货位数如图9所示，单层货位数即A、B区的货位数合计90，设置为5层，可放下现有物资。

第二类密集式货架，贯通式货架、穿梭式货架和智能立体货架均可按照此方式布置，货架放置的方式为横放式，利用主干道保障救生衣物资进出库的分流，单层货位数为176，货架层数为4层，一共704货位，货位平面图如图10所示。

C区放置帐篷杆的部分，整个区域为5m×1.2m×4m，平面面积约为12平方米。10 杆成捆放置一个货架，货位上下距均为0.5m，高为3m，一共12个货位。右边是普通货架，货位规格为1.4m×1.0m×1.5m，单层有5个货位，一共4层，放置机油、照明灯等量极少的物资，方便存取。D区空余空间为78平方米，用于未来存放增加的物资，或是其他需求。

镇江库的物资参数如表5。

表5物资参数情况

对此货位优化模型在Matlab软件中进行编程，运行后可以得到H函数值变化曲线图，如图11所示。

从图11的曲线可以得出如下结论：通过不断的函数迭代，目标函数值H随迭代次数的增加而不断的下降，直到迭代次数达到170代以后，目标函数H基本上没有什么变化了，可以说此时目标函数基本达到收敛，最终结果为1.44×10⁵。

根据上节的模型及用Matlab求解，可以得出镇江智能仓库存储物资使用密集式货架在各区的货位分配结果如表6所示。

表6货位分配简化表示结果

本发明所述一种用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的系统，包括：

数据模块，用于存储仓储信息、物资信息、作业车信息；

优化模块，用于调用数据模块存储的信息，构建基于权重法的货位分配模型；并根据优化模块得到的优化参数进行不同物资的货位分配。

Claims (10)

1.一种用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的方法，其特征在于，包括步骤：

(1)根据智能仓储总面积、单位货位尺寸和物资存储要求，对仓库的内部布局进行设置，并将仓储信息、物资信息、作业车信息存储至数据模块；

(2)根据数据模块中的仓储信息，在优化模块中建立多层货架坐标系，以作业车在出入库台的起始位置为原点O(0,0)，X轴为货架长轴方向，Y轴为货架垂直方向，货架每列和每层分别为X轴和Y轴方向上的1个单位长度，确定货位位置为P(i,j)，物资种类k共计r类，定义货位分配决策变量x_ijk；

(3)根据数据模块中的仓储信息和作业车信息，获取作业时间，并建立出库时间最短优化目标函数；

(4)根据数据模块中的仓储信息和物资信息，建立货架稳定性优化目标函数；

(5)基于权重法，将出库时间最短、货架稳定性两大目标函数融合，得到最终仓储货位分配多目标优化模型，并基于遗传算法进行优化；

(6)基于优化结果得到仓储区货位分配信息，将结果传递给物资储备中心仓储管理系统和管理员。

2.根据权利要求1所述的一种用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述仓储信息包括：

仓储区位置信息：由水利防汛物资储备中心地理位置决定；

仓储区规模信息：包括仓储区长度a和宽度b，其设置分别不超过物资储备中心的长度和宽度；

仓储区分区信息：根据仓储区的规模、尺寸以及货架参数，人为将仓储区划分成若干子分区，各个仓储区分区信息包括分区类型和分区号；其中，分区类型包括：智能货架区、特殊物资区；分区号按照英文字母顺序，从A开始标号；

货架信息：包括货架的列数m、层数n、长度L、高度H，货位长度l、高度h，货位所处仓储区分区号，货架类型，货架价格；其中，m、n、L、H、l、h满足如下公式：

L＝m×；lH＝n×h，

L≤b，H≤a；

货架类型包括托盘式货架、贯通式货架、穿梭式货架和智能存取立体库货架。

3.根据权利要求1所述的一种用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述物资信息包括：物资种类k共计r类、单个托盘组重量W_k、调用频率p_k、物资规格、物资所处货位坐标P(i,j)，0≤i≤m，0≤j≤n。

4.根据权利要求1所述的一种用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述作业车信息包括：作业车类型、作业车数量、作业车速度、作业车价格；其中，作业车类型包括穿梭车和叉车，穿梭车负责水平方向上的作业，叉车负责垂直方向上的作业及叉取作业；作业车速度包括穿梭车空载最大速度v_x1、穿梭车负载最大速度v_x2、穿梭车水平加速度a_x、叉车垂直速度v_y、叉车叉取速度v_f。

5.根据权利要求1所述的一种用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述优化模块中的多层货架坐标系，当第k种物资存放在P(i,j)时，x_ijk＝1；否则x_ijk＝0，0≤i≤m，0≤j≤n，0≤k≤r。

6.根据权利要求1所述的一种用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述出库时间最短优化目标函数的建立包括步骤：

(31)计算作业车水平运行距离和垂直运行距离，如下公式所示：

水平运行距离为：Lx＝i×l

垂直运行距离为：Hy＝(j-1)×h

(32)依照时间最小原则，假设叉车作匀速运动，穿梭车启动时作匀加速运动，达到最大速度后保持匀速运动，在到达目标货位前的运动为匀减速运动，且考虑到穿梭车运行路程较短时达不到最大速度的状态和运行路程足够其达到最大运行速度的状态，计算作业时间如下公式：

t_ij＝t_i1+t_i2+t_j+t_f

其中，t_i1为空载前往货位时间，t_i2为负载返回时间，t_j为垂直运行时间；t_f为叉取作业时间，这里可取叉车叉取时间的平均值或经验值；t_ij为从出入库口固定起始位置开始计时后，先在垂直方向提升到相应货层，再在水平方向完成一次存或取获取作业，最后回到起始位置计时结束时的中间作业的总时间；

(33)建立出库时间最短优化目标函数如下公式所示：

7.根据权利要求1所述的一种用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的方法，其特征在于：步骤(4)中，所述货架稳定性优化目标函数如下公式所示：

8.根据权利要求1所述的一种用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的方法，其特征在于：步骤(5)包括：

(51)根据出库时间最短、货架稳定性两大目标函数的重要性程度确定融合模型的权值α、β(0≤α≤1；0≤β≤1；α+β＝1)；

(52)建立如下最终仓储优化模型：

9.根据权利要求1所述的一种用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的方法，其特征在于：步骤(6)中，所述仓储区货位分配信息为每个货种对应分配的货位信息。

10.一种用于防汛防旱物资智能仓储货位分配的系统，其特征在于，该系统包括：

数据模块，用于存储仓储信息、物资信息、作业车信息；

优化模块，用于调用数据模块存储的信息，构建基于权重法的货位分配多目标优化模型；并基于遗传算法对模型进行优化，将优化结果传递给物资储备中心仓储管理系统和管理员，进行针对不同物资的货位分配。