CN111409997A

CN111409997A - 一种面向移动货架仓储系统的搬运机器人拣货任务调度方法

Info

Publication number: CN111409997A
Application number: CN202010432364.2A
Authority: CN
Inventors: 王征; 曾月; 薛桂琴; 徐伟
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2040-05-20
Also published as: CN111409997B

Abstract

本发明公开了一种面向移动货架仓储系统的搬运机器人拣货任务调度方法，属于电子商务领域，包括以下步骤：以所有订单的拣选完成时间最小化为目标，构建拣货任务分配和机器人搬运顺序规划模型；将所有顾客订单所关联的待拣选的货架信息、搬运机器人更换两个货架所需的时间信息、货架在拣货台进行人工拣货的时间信息、确定的时间间隔、以及搬运机器人和拣货台数量等信息，输入到拣货任务分配和机器人搬运顺序规划模型中，基于现有的整数规划模型求解软件，得到搬运机器人的拣货任务分配和搬运顺序规划方案；本发明同时对搬运机器人的拣货任务分配和服务顺序提供技术方案，减少了搬运机器人的行走距离，减少了总的拣货时间，达到了优化的效果，提高了移动货架仓储系统的工作效率。

Description

一种面向移动货架仓储系统的搬运机器人拣货任务调度方法

技术领域

本发明涉及电子商务领域，尤其涉及一种面向移动货架仓储系统的搬运机器人拣货任务调度方法。

背景技术

随着物流自动化技术的快速发展，移动货架仓储系统在仓储行业得到广泛应用。为了提高搬运机器人的工作效率，在发明专利说明书CN2018105791765中公开了一种应用货到人系统的货架搬运方法、装置及系统，将预搬运的货架生成搬运任务，将预搬运的货架分配给离货架最近的空闲搬运机器人，然后对搬运中的机器人选择最短的路径，对于新加入的订单优先考虑有搬运任务的货架能否满足订单的拣选，如果当前有搬运任务的货架不能满足订单的拣选，则重新选择货架，生成新的搬运任务。这种方法每次在进行路径规划时，只考虑当前搬运货架的最短路径，并未考虑机器人分配的其他货架，容易陷入局部最优，并使总的拣货时间变长。

在发明专利CN2018100793196中公开了一种大规模智能仓储分布式拣选系统，该系统包括了中央控制服务器、分拣站台、移动机器人、调度服务器、可移动货架5个部分，调度服务器设置在仓库的不同区域，在中央控制服务器的协助下实现大规模仓库的拣选任务。该专利按照功能把系统划分为了多个部分，由各个部分相互协调使得系统正常运转。该专利是从系统的结构方面进行优化，而本发明考虑了搬运机器人拣货任务的调度和搬运顺序规划这两个方面。

在发明专利CN2019101873101中公开了一种基于计算机算法的仓储搬运机器人任务调度系统，将仓储区域分为四个区，为每个区域配置货架和搬运机器人。通过对货架和机器人进行编号、定位，对存储区域设置传感器、编号条码等操作，机器人上携带相互连接的获取模块、识别模块和控制模块，能获取搬运机器人的速度、位置和状态信息，使得多个搬运机器人同时出现时，系统仍能正常运作。在发明专利说明书CN2017100682235中公开了一种机器人搬运车的调度方法和调度装置，该专利将仓库的拣选区划分为若干个区域，通过搬运车出入库频次、搬运车投入总量等确定每个区域搬运车的最少配置数量，选出缺少搬运工具的区域，调入空闲的搬运车。以上两个专利都涉及到分区的方法，但如何分区以实现高效的拣选工作是该领域的难点问题，针对不同类型、存有不同商品的仓库的分区方式不尽相同，同一仓库在面向不同的顾客订单和商品关系时分区又会有所不同，如果分区不够恰当或分区不能够随着顾客订单和储位的分配而灵活地调整，一种不恰当的分区方案反而会降低仓库的拣选效率。

总之，现有技术中调度方法的优劣性仍有待检验，搬运机器人在拣货过程中，将货架挪动到拣货台后机器人仍然将货架送回原位，加长了行驶距离，且在对机器人进行搬运顺序规划时并未将被分配的所有货架考虑在内，容易陷入局部最优，现有的调度系统仍有改进的空间。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种面向移动货架仓储系统的搬运机器人拣货任务调度方法：包括以下步骤：

S1：以所有订单的拣选完成时间最小化为目标，设定订单被拣选的时间约束、搬运机器人挪动货架的时间约束、拣货台的拣选能力约束、拣货台的数量约束、货架的拣货时间约束、机器人的搬运顺序约束、机器人的数量约束、以及决策变量范围约束，构建拣货任务分配和机器人搬运顺序规划模型；

S2：将所有顾客订单所关联的待拣选的货架信息、搬运机器人更换两个货架所需的时间信息、货架在拣货台进行人工拣货的时间信息、确定的时间间隔、以及搬运机器人和拣货台数量等信息，输入到拣货任务分配和机器人搬运顺序规划模型中，基于现有的整数规划模型求解软件，得到搬运机器人的拣货任务调度和搬运顺序方案。

进一步地：所述拣货任务分配和机器人搬运顺序规划模型的目标函数如下：

min h (1)

其中，h为决策变量，表示所有订单的最迟拣选完成时间。

进一步地，所述关于订单被拣选的时间约束如下：

所述关于搬运机器人挪动货架的时间约束如下：

所述关于拣货台的拣选能力约束：

所述关于拣货台的数量约束：

所述关于货架的拣货时间约束：

所述关于机器人的搬运顺序约束：

所述关于机器人的数量约束：

所述关于决策变量范围约束：

h≥0 (25)

其中已知的参数有：O表示所有待拣选的顾客订单集合；R表示与顾客订单集合O相关的所有待拣选的货架集合；

表示与顾客订单j相关的所有待拣选的货架集合；T表示调度期内所有离散的时间点集合；W表示所有拣货台在某一时间点能提供拣选的最大订单数量；N表示可提供订单拣选服务的拣货台数量；M表示常数；c_i表示货架i(∈R)被搬运机器人挪动到拣货台的平均时间；d表示一个搬运机器人更换两个货架的时间常数；w_i(i∈R)表示货架i在拣货台进行人工拣货所需的时间；t(∈T)表示调度期内的某个离散的时间点；K表示可用的搬运机器人数量；

未知的待求解的决策变量有：e_j和f_j(j∈O)分别表示订单j拣货的开始时间和结束时间；a_i和b_i(i∈R)分别表示货架i被搬运机器人顶起的时间和放下的时间；x_ij(i,j∈R)为0-1变量，若有某搬运机器人在将货架i挪动至拣货台完成拣货服务之后紧接着再将货架j挪动至拣货台，则x_ij＝1，否则x_ij＝0；p_jt(j∈O,t∈T)为0-1变量，若t时刻订单j所关联的所有需拣选的货架中，已经有货架开始拣货服务并仍有货架并未完成拣货服务，则p_jt＝1，否则p_jt＝0；q_it(i∈R,t∈T)为0-1变量，若t时刻货架i正在拣货台进行拣货服务，则q_it＝1，否则q_it＝0。

进一步地，根据以下假设条件确定所述订单被拣选的时间约束、搬运机器人挪动货架的时间约束、拣货台的拣选能力约束、拣货台的数量约束、货架的拣货时间约束、机器人的搬运顺序约束、机器人的数量约束、以及决策变量范围约束：

(1)假设所有拣货台同时开始拣货服务，但未必同时结束拣货服务；

(2)假设所有顾客订单信息O已知，这些订单所关联的待拣选的货架信息R已知，每个顾客订单(如j∈O)相关的所有待拣选的货架集合R_j已知；

(3)假设所有搬运机器人的初始位置和终止位置都为0点；

(4)假设无论货架上有多少待拣选的商品，每个货架只能被挪动到拣货台一次，货架上待拣选的所有商品被一次性拣完；

(5)假设搬运机器人按照如下货架接送方式来更换自己所顶起的货架：若有两个货架i和j(i,j∈R)，它们先后被某个搬运机器人挪动到拣货台进行拣选服务，即有x_ij＝1，则该搬运机器人在货架i已经在拣货台完成了拣货工作之后，将会把它挪动至货架j的位置，然后再把货架j挪动到拣货台；在交换两个货架时，搬运机器人首先把货架i放在货架j的旁边，然后把货架j取出来，再把货架i放回货架j原先的位置，最后将货架j挪动至拣货台，该种方式可以节约搬运机器人的行驶距离和时间，从而从总体上缩短所有订单的拣选时间，由于本发明面向的是移动货架仓储系统，即仓库中的每个货架是可移动的，所以如果某个货架所处的位置不利于提高拣货效率，则完全可在拣货的闲置期间对货架位置进行再调整。

由于采用了上述技术方案，本发明的技术方案提供了移动货架仓储系统的搬运机器人拣货任务调度方法，根据顾客订单信息和预搬运货架信息确定搬运机器人的拣货任务分配和搬运顺序优化方案；与以往的方式有所不同，本发明并未采用分区的方式，且搬运机器人在搬运的过程中将货架搬运到下一个货架的位置，减少了搬运机器人的行走距离，达到了优化的效果；本发明为搬运机器人提供了具体的拣货任务分配方案，减少了总的拣货时间，从而进一步提高了移动货架仓储系统的工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

通过对搬运机器人及移动货架仓储系统的特点的分析，本发明针对所有顾客订单及其所关联的待拣选的货架集合，将待搬运的货架分配给所有搬运机器人，并规划好机器人的搬运顺序；在对机器人进行搬运顺序规划时，让机器人在离开拣货台时，将承载的货架搬运到下一个待搬运的货架的位置，如果在到达下一个货架的途中遇到空位，也可将承载的货架放下；通过这种方式可以减少搬运机器人的行走距离，提高系统的拣货效率；通过建立数学模型来解决移动货架仓储系统的搬运机器人拣货任务调度问题，为搬运机器人制定一个优化的任务调度方案。

移动货架仓储系统是一种全新的电商配送中心作业模式，由搬运机器人按照接收的指令将货架送至工作台，工作人员从货架上取出商品后，又由搬运机器人将货架运至指定位置，移动货架仓储系统的仓库布局与传统仓库布局的最大不同在于：商品可以零散地存放于多个货架之上，每个货架针对每类商品的存放数量可以很少；且货架的位置并不是固定不变的，它们可以根据拣货的需要而动态地调整，那么，如何为移动货架仓储系统中的搬运机器人制定一个优化的调度方案就成为一个难点。

为了解决该问题，我们做出以下假设：

(3)假设所有搬运机器人的初始位置和终止位置都为0点；

(5)假设搬运机器人按照如下货架接送方式来更换自己所顶起的货架：若有两个货架i和j(i,j∈R)，它们先后被某个搬运机器人挪动到拣货台进行拣选服务，即有x_ij＝1，则该搬运机器人在货架i已经在拣货台完成了拣货工作之后，将会把它挪动至货架j的位置，然后再把货架j挪动到拣货台；在交换两个货架时，搬运机器人首先把货架i放在货架j的旁边，然后把货架j取出来，再把货架i放回货架j原先的位置，最后将货架j挪动至拣货台，该种方式可以节约搬运机器人的行驶距离和时间，从而从总体上缩短所有订单的拣选时间。由于本发明面向的是移动货架仓储系统，即仓库中的每个货架是可移动的，所以如果某个货架所处的位置不利于提高拣货效率，则完全可在拣货的闲置期间对货架位置进行再调整。

图1为本发明的流程图，一种面向移动货架仓储系统的搬运机器人拣货任务调度方法，包括以下步骤：

S1：以所有订单的拣选完成时间最小化为目标，设定订单被拣选的时间约束、搬运机器人挪动货架的时间约束、拣货台的拣选能力约束、拣货台的数量约束、货架的拣货时间约束、机器人的搬运顺序约束、机器人的数量约束、以及决策变量范围约束，构建拣货任务分配和机器人搬运顺序规划模型。该模型属于整数规划模型，它所生成的方案不仅确定了每个搬运机器人需要搬运的货架，也确定了货架搬运的顺序。

(1)参数

O表示所有待拣选的顾客订单集合；R表示与顾客订单集合O相关的所有待拣选的货架集合；

表示与顾客订单j相关的所有待拣选的货架集合；T表示调度期内所有离散的时间点集合；W表示所有拣货台在某一时间点能提供拣选的最大订单数量；N表示可提供订单拣选服务的拣货台数量；M表示一个很大的常数(通常设定为一个固定值，如10，000)；c_i表示货架i(∈R)被搬运机器人挪动到拣货台的平均时间；d表示一个搬运机器人更换两个货架的时间常数；w_i(i∈R)表示货架i在拣货台进行人工拣货所需的时间；t(∈T)表示调度期内的某个离散的时间点；K表示可用的搬运机器人数量。

(2)决策变量

e_j和f_j(j∈O)分别表示订单j拣货的开始时间和结束时间；a_i和b_i(i∈R)分别表示货架i被搬运机器人顶起的时间和放下的时间；x_ij(i,j∈R)为0-1变量，若有某搬运机器人在将货架i挪动至拣货台完成拣货服务之后紧接着再将货架j挪动至拣货台，则x_ij＝1，否则x_ij＝0；p_jt(j∈O,t∈T)为0-1变量，若t时刻订单j所关联的所有需拣选的货架中，已经有货架开始拣货服务并仍有货架并未完成拣货服务，则p_jt＝1，否则p_jt＝0；q_it(i∈R,t∈T)为0-1变量，若t时刻货架i正在拣货台进行拣货服务，则q_it＝1，否则q_it＝0；h表示所有订单的最迟拣选完成时间。

(3)拣货任务分配和机器人搬运顺序规划模型的目标函数如下：

min h (1)

其中，式(1)为模型的目标函数，要求所有订单的最迟拣选完成时间最小化。

所述关于订单被拣选的时间约束：

所述关于搬运机器人挪动货架的时间约束：

所述关于拣货台的拣选能力约束：

所述关于拣货台的数量约束：

所述关于货架的拣货时间约束：

所述关于机器人的搬运顺序约束：

所述关于机器人的数量约束：

所述关于决策变量范围约束：

h≥0 (25)

约束(2)保证了所有订单的最迟拣选完成时间不小于任意订单的拣货结束时间；

约束(3)保证了订单的拣货结束时间不小于该订单相关的任意货架被搬运机器人放下的时间；

约束(4)保证了订单的拣货开始时间不大于该订单相关的任意货架被搬运机器人顶起的时间；

约束(5)保证了若订单在某时刻t被拣货，则订单拣货开始时间不大于t；

约束(6)保证了若订单在某时刻t被拣货，则订单拣货结束时间不小于t；

约束(7)保证了订单所占据的拣货时间段不小于其拣货开始和结束时间所划定的时间范围；

约束(8)保证了订单所占据的拣货时间段不小于其每个货架所需拣货时间之和；

约束(9)确定了货架被顶起的时间与其被放下的时间之间的关系；

约束(10)针对两个被同一搬运机器人依次服务的货架，确定了后一个货架被机器人顶起的时间与前一个货架被机器人放下的时间之间的关系；

约束(11)保证了若货架在时刻t被拣货，则该货架应该在时刻t之前被送至拣货台；

约束(12)保证了若货架在时刻t被拣货，则该货架应该在时刻t之后才完成拣货工作；

约束(13)保证了所有拣货台在任何时刻拣选的订单数不能超过上限；

约束(14)保证了某一时刻正在服务的拣货台数量不能超过上限；

约束(15)保证了货架所占据的拣货时间段不应小于该货架在拣货台被拣选的时间；

约束(16)保证了每一个货架在其被搬运机器人挪动之前，该机器人要么从起点出发，要么先服务了另一个货架；

约束(17)保证了每一个货架在其被搬运机器人挪动之后，该机器人要么至终点结束，要么再服务另一个货架；

约束(18)保证了从0点出发和回到0点的搬运机器人的数量相同；

约束(19)保证了所使用的搬运机器人不能超过数量上限；

约束(20)～(25)保证了决策变量的可行域范围。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种面向移动货架仓储系统的搬运机器人拣货任务调度方法，其特征在于：包括以下两个步骤：

S2：将所有顾客订单所关联的待拣选的货架信息、搬运机器人更换两个货架所需的时间信息、货架在拣货台进行人工拣货的时间信息、确定的时间间隔、以及搬运机器人和拣货台数量信息，输入到拣货任务分配和机器人搬运顺序规划模型中，得到搬运机器人的拣货任务调度和搬运顺序规划方案。

2.根据权利要求1所述的一种面向移动货架仓储系统的搬运机器人拣货任务调度方法，其特征还在于：所述拣货任务分配和机器人搬运顺序规划模型的目标函数如下：

min h (1)

其中，h为决策变量，表示所有订单的最迟拣选完成时间。

3.根据权利要求1所述的一种面向移动货架仓储系统的搬运机器人拣货任务调度方法，其特征还在于：

所述关于订单被拣选的时间约束如下：

所述关于搬运机器人挪动货架的时间约束如下：

所述关于拣货台的拣选能力约束：

所述关于拣货台的数量约束：

所述关于货架的拣货时间约束：

所述关于机器人的搬运顺序约束：

所述关于机器人的数量约束：

所述关于决策变量范围约束：

h≥0 (25)

未知的待求解的决策变量有：e_j和f_j(j∈O)分别表示订单j拣货的开始时间和结束时间；a_i和b_i(i∈R)分别表示货架i被搬运机器人顶起的时间和放下的时间；x_ij(i，j∈R)为0-1变量，若有某搬运机器人在将货架i挪动至拣货台完成拣货服务之后紧接着再将货架j挪动至拣货台，则x_ij＝1，否则x_ij＝0；p_jt(j∈O，t∈T)为0-1变量，若t时刻订单j所关联的所有需拣选的货架中，已经有货架开始拣货服务并仍有货架并未完成拣货服务，则p_jt＝1，否则p_jt＝0；q_it(i∈R，t∈T)为0-1变量，若t时刻货架i正在拣货台进行拣货服务，则q_it＝1，否则q_it＝0。

4.根据权利要求1所述的一种面向移动货架仓储系统的搬运机器人拣货任务调度方法，其特征还在于：根据以下假设条件确定所述订单被拣选的时间约束、搬运机器人挪动货架的时间约束、拣货台的拣选能力约束、拣货台的数量约束、货架的拣货时间约束、机器人的搬运顺序约束、机器人的数量约束、以及决策变量范围约束：

(2)假设所有待拣选的顾客订单O已知，所有顾客订单所关联的待拣选的货架R已知，每个顾客订单相关的所有待拣选的货架集合R_j已知；

(3)假设所有搬运机器人的初始位置和终止位置都为0点；

(5)假设搬运机器人按照如下货架接送方式来更换所顶起的货架：若有两个货架i和j(i，j∈R)，货架i和j先后被某个搬运机器人挪动到拣货台进行拣选服务，即有x_ij＝1，则该搬运机器人在货架i已经在拣货台完成了拣货工作之后，将会把货架i挪动至货架j的位置，然后再把货架j挪动到拣货台；在交换货架i和j时，搬运机器人首先把货架i放在货架j的旁边，然后把货架j取出来，再把货架i放回货架j原先的位置，最后将货架j挪动至拣货台。