CN111674795B - 一种跨层跨巷道穿梭车仓储系统的任务调度方法 - Google Patents

Abstract

一种跨层跨巷道穿梭车仓储系统的任务调度方法，包括如下步骤：S1.基于跨层跨巷道穿梭车仓储系统的出入库复合作业流程表述其复合作业时间；S2.构建以最小化订单完成时间为目标的混合整数规划模型；S3.设计改进的人工蜂群算法进行模型求解，并得到最优任务调度方案和调度时间。本发明针对跨层跨巷道穿梭车仓储系统中的出入库复合作业问题，将复合作业中的仓储作业方式作为研究对象，考虑提升机、转载车、穿梭车的加减速特性，以最大任务完成时间最小化为目标，采用了改进人工蜂群算法对复合作业调度模型进行优化求解，不仅寻求任务时间最小化，也寻求调度的路径方案更优。该系统因减少了提升机的数量，使得系统的成本大大降低，优化企业效益。

Description

一种跨层跨巷道穿梭车仓储系统的任务调度方法

技术领域

本发明涉及物流技术领域，尤其是设计到一种跨层跨巷道穿梭车仓储系统的出入库作业任务调度方法。

背景技术

跨层跨巷道多层穿梭车仓储系统(Tier-to-tier and aisle-to-aisle shuttlebased storage and retrieval system，TTAASBS/RS)是在跨层穿梭车仓储系统基础上发展起来的快速存取、检索系统，它主要依靠巷道口的提升机以及巷道内的转载车以及穿梭车配合完成调度任务。其中提升机在仓库边沿负责穿梭车的跨层运动，转载车则安装在垂直于巷道位置负责穿梭车的跨巷道运动，穿梭车依靠转载车、提升机进行跨层跨巷道运动。作业方式包括单一入库作业、单一出库作业以及复合作业。与传统的每层一台穿梭车仓储系统相比，穿梭车可以实现多排多层共用，从而增加了穿梭车灵活性。进出库复合作业式跨层跨巷道穿梭车仓储系统常用的作业方式，因为穿梭车跨层跨巷道的特点大大增加了调度的复杂性，所以采用合理的调度策略是提高系统的吞吐性能有效手段，而这在很大程度上也取决于系统执行复合作业任务的路径是否合理。目前，针对跨层跨巷道穿梭车仓储系统的建模方法较少，且对设备的运动特性例如加减速特点考虑较少，与实际运动情况存在较大偏差，对于跨层跨巷道仓储系统的任务调度有一定的局限性。因此有必要对跨层跨巷道仓储系统的出入库任务调度进行深入研究和改进。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种跨层跨巷道穿梭车仓储系统任务调度方法，以提高跨层跨巷道穿梭车仓储系统的作业效率。

一种跨层跨巷道穿梭车仓储系统的任务调度方法，包括如下步骤：

S1.基于跨层跨巷道穿梭车仓储系统的出入库复合作业流程表述其复合作业时间；

S2.构建以最小化订单完成时间为目标的混合整数规划模型；

S3.设计改进的人工蜂群算法进行模型求解，并得到最优任务调度方案和调度时间。

S1：基于跨层跨巷道穿梭车仓储系统的出入库复合作业流程表述其复合作业时间，具体为：

步骤11：依据跨层跨巷道穿梭车仓储系统的出入库复合作业流程，一次复合作业任务可以分为三个阶段，即：取货任务、出库任务、入库任务；

步骤11.1：引入虚拟提升机的概念，即在某过程中选择虚拟提升机，则表示在该过程中无需进行跨层作业；

步骤11.2:引入虚拟转载车的概念，即在某过程中选址虚拟转载车，则表示该过程中无需进行跨巷道作业；

步骤11.3：则复合作业中的每个任务都可以表示为五阶段的作业：第一阶段的作业设备为穿梭车，第二阶段的作业设备为转载车，第三阶段的作业设备为提升机，第四阶段的作业设备为转载车，第五阶段的作业设备为穿梭车。

步骤12：根据每次复合任务的作业性质，又可以将三个阶段细分为五个任务；

步骤12.1：取货任务：1.穿梭车从当前位置前往巷道口调用转载车；2.转载车搭载穿梭车前往提升机站台并调用提升机；3.提升机搭载穿梭车前往出库货位层释放穿梭车并调用转载车；4.转载车搭载穿梭车前往出库货物所在巷道并释放穿梭车；5.穿梭车前往出库货位进行出库任务操作；

步骤12.2：出库任务与入库任务的五个任务与取货任务类似；

步骤13：设出库货物i和入库货物j坐标分别为(x_i,y_i,z_i)和(x_j,y_j,z_j)，则穿梭车初始位置即上一入库作业结束位置为(x_j-1,y_j-1,z_j-1)，根据出入库复合作业流程，按照穿梭车初始位置与待出库货物是否处于同一层，进行作业时间分析。

步骤13.1:当穿梭车初始位置与待出库货位位置不同层时，即z_i≠z_i-1，则其复合作业时间为

步骤13.2：当穿梭车初始位置与待出库货物位置同层不同巷道时，即z_i-1＝z_i且x_i-1≠x_i，则其复合作业时间为

步骤13.3：当穿梭车初始位置与待出库货物位置同层且同巷道时，即z_i-1＝z_i且x_i-1＝x_i，则其复合作业时间为

其中，t₁为穿梭车从初始位置运行至巷道首处的时间，t₂为穿梭在前往提升机站台过程中等待转载车的时间，t₃为转载车搭载穿梭车前往提升机站台的时间，t₄位穿梭车前往取出库货物过程中等待提升机的时间，t₅为提升机搭载穿梭车从当前货位所在层运行至出库货物所在层的时间，t₆为穿梭车前往出库货位过程中等待转载车的时间，t_{7_1}为转载车搭载穿梭车从(提升机站台/初始位置巷道)前往出库货位所在巷道的时间，(t_{7_2}为转载车搭载穿梭车从出库货位所在巷道前往提升机站台)，t₈为穿梭车从巷道首处运行至出库货i所在位置(t₈还可以表示为穿梭车从出库货位i运行至巷道首处的时间)，t₉穿梭车前往提升机站台过程中中等待转载车的过程时间，t₁₀为穿梭车前往取入库货物过程中等待提升机的时间，t₁₁位穿梭车搭载提升机从出库货位层到达I/O站台并返回入库货位层所在时间，t₁₂为穿梭车前往入库货物巷道过程中等待转载车的时间，t₁₃位转载车搭载穿梭车前往入库货物巷道处的时间，t₁₄位穿梭车从巷道首处和运行至入库货位所在时间，t₁₅为提升机装(卸)穿梭车时间，t₁₆为转载车装/卸穿梭车时间，t₁₇位穿梭车装卸货物时间，t₁₈为从当前位置运行至出库货为所在位置时间。t₂，t₆，t₉，t₁₂为穿梭车等待转载车的时间，t₄，t₁₀为等待提升机的时间，与作业任务顺序有关；t₁，t₃，t₅，t_{7_1}，t_{7_2}，t₈，t₁₁，t₁₃和t₁₈为设备运动时间可以根据运动距离及其速度、加速度计算，t₁₄，t₁₅，t₁₆为定值。

S2：所述构建以最小化订单完成时间为目标的混合整数规划模型，具体为：

步骤21：跨层跨巷道穿梭车仓储系统的复合作业通过迭代思想转化为混合流水线作业模式；

步骤22：通过任务与穿梭车的不同组合与排序，产生不同的订单处理时间，选择其中最短的作业时间，可以确定任务的拣选分配与排序，故跨层跨巷道穿梭车仓储系统完成某订单的总时间目标函数为

Min C_max (4)

其中C_max为所有任务的最大完成时间。

步骤23：为保证每个复合作业单元的各设备执行顺序和时间的合法性建立混合整数规划模型的约束条件。

步骤23.1：执行设备的约束，具体为：

(1)每个任务的每个阶段仅由一台设备执行，表达式如下：

(2)每个任务的第一阶段和第五阶段所执行设备为同一个，此时对象为穿梭车表达式如下：

(3)每个任务的第二阶段和第四阶段所知悉的设备取决与转载车的取用，k＝1,2时对象为实际转载车，表示同一任务的二、四阶段为一虚一实转载车，此时不跨层跨巷道；k＝3时，对象为虚拟转载车，此时同一任务的二、四阶段为虚拟转载车，不跨层不跨巷道，表达式如下：

(4)同一任务的阶段二和阶段四由不同设备完成，对象为实际转载车，此时跨层运动，表达式如下：

(5)同一作业单元的前后任务的阶段一由同一设备完成，对象为穿梭车，具体表达式如下：

(6)表示同一作业单元的前后任务的二四阶段的设备依据k决定，对象为转载车。不跨层运动时，k＝3，对象为虚拟转载车，同同一设备完成；k＝1,2,对象为实际转载车；

(7)表示跨层时，同一作业单元的前后任务的阶段二由不同设备完成，对象为实际转载车，表达式如下：

步骤23.2：任务作业开始时间的约束，具体为：

(1)所有任务的开始时间均在系统开始作业之后，表达式如下：

(2)同一复合作业单元下三个任务的开始时间的关系，只有前序任务完成后，才能进行后续任务的作业，表达式如下：

(3)每个任务各阶段的开始时间的关系，只有上阶段完成后，才能进行下一阶段的作业，表达式如下：

(4)同一设备连续两个作业任务开始时间的关系，只有前序任务完成后，才能进行后续任务的作业，表达式如下：

步骤23.3：任务与设备间的约束，具体为：

(1)在每台设备作业序列中，每个任务最多有一个前序任务与后续任务，表达式如下：

步骤23.4：总任务最大完成时间的约束，具体为：

(1)总任务最大完成时间大于等于每一个复合作业单元的完成时间，表达式如下：

其本文所研究的问题可以转化为五阶段的混合流水线调度问题，货物出入库作业单元为n＝(1,2,3，....，N)。则根据对穿梭车的作业指令分析，则将每个阶段都划分为3个任务，即第n个作业单元可分为第3n-2个任务、第3n-1个任务和第3n个任务。记b为任务序号，b＝1,2,3,…,3N-2,3N-1，3N，其中n为单元编号。设定s为操作阶段索引，s为阶段编号，s＝1,2,3，4,5；分别为：1.穿梭车从当前位置至巷道首处；2.转载车搭载穿梭车至提升机处；3.提升机搭载穿梭车至目标层处；4.转载车搭载穿梭车至目标巷道；5.穿梭车出转载车运行至目标货位处进行存取货作业。k为作业设备编号，k＝1,2,…,m_s；m_s为第s阶段的作业设备数，其中m₁＝m₅＝Q，表示第一阶段和第五阶段的设备数量即为穿梭车的数量；m₂＝m₄＝3，其中该阶段的第1、2个设备分别代表跨层实际运行的转载车，当只进行跨巷道运动时，则第1、2个转载车代表的是当需要进行跨层运动时，分别代表不同层的转载车，第3个为虚拟转载车，选择该转载车表示该阶段无需进行跨巷道运动，例如s＝2，k＝1则表示任务的第二阶段采用的是实际运行的转载车；m₃＝3，其中该阶段的其中两个m₁、m₂设备为实际运行的提升机，m₃为虚拟提升机，选择该提升机表示该阶段无需进行跨层运动。t_bs为任务b在s阶段的开始时间；p_bs为任务b在s阶段的作业时间；w_bb'sk为s阶段机器k操作的两个连续任务b和b'之间的准备时间，即转载车在连续作业之间的空载时间仅存在于第二、四阶段的第一、二个设备中；提升机在连续作业之间的空载时间仅存在于第三阶段的第一、二个设备中；G为足够大的数；

S3：所述的改进人工蜂群算法求解跨层跨巷道穿梭车复合作业模型，并得到最优任务调度方案和调度时间，具体为：

步骤31：初始化算法参数。包括最大迭代次数MaxCycle、蜜蜂总数SN，以及蜜源改善的最大搜索次数lim it，搜索次数上界ub，以及搜索下界lb；

步骤332：初始化种群。人工鱼群个体的编码：基于跨层跨巷道仓储系统复合作业调度模型的特点，采用出入库混合整数编码方式，编码序号代表任务的编号。将X个入库货物和Y个出库货物分别从1～X，1～Y随机编号，若X≠Y，则利用I/O位置编号“0”将任务对补齐，其中I/O位置坐标为(0,0,0)，此时该任务对执行单一出库(入库)作业。假设有S对复合作业任务，则存在S个入库任务以及S个出库任务，其中将S个出库任务随机编码为1～S，S个入库任务则随机编码为S+1～2S，确定由穿梭车的任务序号则确定了转载车的任务序列。其中穿梭车的数量为4个，分别分散在整个仓库系统。

步骤33：本文目标是完成所有任务的作业时间最短，即求解极小化问题，则适应度函数为：

fitness＝min T＝min C_max

式中C_max为所有任务完成的最大完成时间。

步骤34:进入人工蜂群迭代过程，当迭代次数小于最大迭代次数MaxCycle，执行如下操作。

步骤34.1：将所有蜜蜂都设为侦查蜂，种群初始化，种群规模为蜜蜂的个数

步骤34.2：评价所有蜜源“收益度”，进行排序，排名靠前的成为雇佣峰，排名靠后的为观察峰，雇佣峰和观察峰的数量为SN的一半；

步骤34.3：雇佣峰阶段。雇佣蜂通过局部搜素寻找新的蜜源，根据式(2)产生新解并计算适应度函数值，根据贪婪准则选择更好的蜜源；

步骤34.4：观察峰阶段。观察蜂根绝式(3)的轮盘赌的方式选择其中一个蜜源在其附近进行搜索，观察蜂并根据适应度值高低判断是否跟随雇佣蜂前往蜜源；

步骤34.5：侦查蜂阶段。如果雇佣蜂和观察峰在蜜源停留次数超过lim it，仍没有找个更佳的蜜源，则放弃该蜜源，雇佣蜂转化成侦查蜂；

步骤34.6：记录当前迭代次数的最优适应度值，判断是否达到最大迭代次数，若达到则停止算法，输出全局最优解，否则回到步骤34.1.

步骤35：当迭代次数已达到预置的最大迭代次数MaxCycle，算法终止，输出最优解，即公告板中人工鱼状态和函数值。人工蜂群状态即是任务调度方案，函数值即是该方案下调度时间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的跨层跨巷道穿梭车仓储系统的复合作业任务调度方法，针对跨层跨巷道穿梭车仓储系统中的出入库复合作业问题，将复合作业中的提升机、转载车和穿梭车配合完成的仓储作业方式作为研究对象，考虑提升机、转载车、穿梭车的加减速特性，以最大任务完成时间最小化为目标，采用了改进人工蜂群算法对复合作业调度模型进行优化求解，不仅寻求任务时间最小化，也寻求调度的路径方案更优。该系统因减少了提升机的数量，使得系统的成本大大降低，优化企业效益。

附图说明

图1为本发明的跨层跨巷道穿梭车仓储系统示意图；

图2为本发明的跨层跨巷道穿梭车仓储系统货架立面图；

图3为本发明的出入库作业示意图；

图4为本发明的出入库复合作业的作业流程图；

图5复合作业人工蜂群编码方式：

图6为本发明的设计的改进人工蜂群算法的流程图；

图7初始路径图；

图8改善后的路径图。

具体实施方式

下面结合实例及图对本发明的技术方案做进一步说明。所述是对本发明的解释而不是限定。

一种跨层跨巷道穿梭车仓储系统的任务调度方法，包括如下步骤：

S1.由穿梭车、转载车和提升机在复合作业中的运行流程，分析其复合作业时间；

S2.构建以最小化订单完成时间为目标的混合整数规划模型；

S3.设计改进的人工蜂群算法进行模型求解，并得到最优任务调度方案。

所述S1中跨层跨巷道穿梭车仓储系统复合作业的流程与时间包括：

步骤11：由穿梭车、转载车和提升机在复合作业中的运行流程

参见图2、图3和图4，将跨层跨巷道穿梭车仓储系统转化为xyz坐标下的模型，跨层跨巷道穿梭车仓储系统的复合作业即为出入库交叉作业，过程中规划优先完成一个出库任务，然后再完成后一个入库任务，构成一个完整的双命令周期作业。设出库货物i和入库货物j坐标分别为(x_i,y_i,z_i)和(x_j,y_j,z_j)，设穿梭车初始位置即上一入库作业结束位置为(x_j-1,y_j-1,z_j-1)，当某次双倍命令周期作业中入库作业或出库作业缺失时，补充坐标为(0,0,0)的货物，作为虚拟的出(入)库作业，形成完整的双命令周期作业。

步骤11.1：引入虚拟提升机的概念，即在某过程中选择虚拟提升机，则表示在该过程中无需进行跨层作业；

步骤11.2：引入虚拟转载车的概念，即在某过程中选择虚拟转载车，则表示该过程无需进行跨巷道作业；

步骤11.3：则复合作业中的每个任务都可以表示为五阶段的作业：第一阶段的作业设备为穿梭车，第二阶段的作业设备为转载车，第三阶段的作业设备为提升机，第四阶段的作业设备为转载车，第五阶段的作业设备为穿梭车。

步骤12：按照穿梭车初始位置与待出库货物是否处于同层同巷道，进行分情况讨论。

步骤12.1：当穿梭车初始位置与待出库货物处于同层不同巷道时候，则具体流程为：(a)穿梭车从初始位置(x_j-1,y_j-1,z_j-1)水平运动至巷道首处(x_i-1,0,z_i-1)，调用转载车；(b)并由转载车搭载穿梭车前往待出库货物巷道(x_i,0,z_i)，转载车释放穿梭车；(c)穿梭车水平运动至出库货物位置(x_i,y_i,z_i)进行取货；(d)完成后搭载转载车返回提升机站台，等待提升机(e)穿梭车搭乘提升机垂直运动至I/O站台(0,0,0)完成出库并取入库货物；(f)后搭乘提升机垂直运动至待入库货物所在层(0,0,z_j)；(g)穿梭车从提升机站台处搭载转载车运动至待入库货物巷道口(x_j,0,z_j)；(h)后穿梭车水平运动至待入库货位位置(x_j,y_j,z_j)进行入库作业。根据以上流程，确定其复合作业时间为：

T_ij＝t₁+t₂+t_{7_1}+t_{7_2}+2t₈+t₉+t₁₀+t₁₁+t₁₂+t₁₃+t₁₄+4t₁₅+6t₁₆+4t₁₇ (1)

步骤12.2：当穿梭车初始位置与待出库货物处于同层同巷道时，则具体流程为：(a)穿梭车从初始位置(x_j-1,y_j-1,z_j-1)水平运动至出库货物位置(x_i,y_i,z_i)进行取货，完成后搭载转载车返回提升机站台，等待提升机，穿梭车搭乘提升机垂直运动至I/O站台(0,0,0)完成出库并取入库货物，而后搭乘提升机垂直运动至待入库货物所在层(0,0,z_j)，穿梭车从提升机站台处搭载转载车运动至待入库货物巷道口(x_j,0,z_j)，而后穿梭车水平运动至待入库货位位置(x_j,y_j,z_j)进行入库作业。根据以上流程，确定其复合作业时间为：

T_ij＝t₁₈+t₈+t₉+t_{7_2}+t₁₀+t₁₁+t₁₂+t₁₃+t₁₄+4t₁₅+4t₁₆+4t₁₇,z_i-1＝z_i且x_i-1＝x_i (2)

步骤12.3：当穿梭车初始位置与待出库货物处于同层不同巷道时候，则具体流程为：(a)穿梭车从初始位置(x_j-1,y_j-1,z_j-1)水平运动至巷道首处(x_i-1,0,z_i-1)，调用转载车；(b)由转载车搭载穿梭车前往提升机站台(0,0,z_i-1)，等待提升机；(c)提升机搭载穿梭车前往带出库货物所在层(0,0,z_i)，提升机释放穿梭车调用转载车；(d)转载车搭载穿梭车前往待出库货物所在巷道(x_i,0,z_i)，转载车释放穿梭车；(e)穿梭车水平运动至出库货物位置(x_i,y_i,z_i)进行取货。取货完成。完成后搭载转载车返回提升机站台，等待提升机，穿梭车搭乘提升机垂直运动至I/O站台(0,0,0)完成出库并取入库货物，而后搭乘提升机垂直运动至待入库货物所在层(0,0,z_j)，穿梭车从提升机站台处搭载转载车运动至待入库货物巷道口(x_j,0,z_j)，而后穿梭车水平运动至待入库货位位置(x_j,y_j,z_j)进行入库作业。根据以上流程，确定其复合作业时间为：

T_ij＝t₁+t₂+t₃+t₄+t₅+t₆+2t_{7_1}+2t₈+t₉+t₁₀+t₁₁+t₁₂+t₁₃+t₁₄+4t₁₅+8t₁₆+4t₁₇ (3)

t₁为穿梭车从初始位置运行至巷道首处的时间，t₂为穿梭在前往提升机站台过程中等待转载车的时间，t₃为转载车搭载穿梭车前往提升机站台的时间，t₄位穿梭车前往取出库货物过程中等待提升机的时间，t₅为提升机搭载穿梭车从当前货位所在层运行至出库货物所在层的时间，t₆为穿梭车前往出库货位过程中等待转载车的时间，t_{7_1}为转载车搭载穿梭车从(提升机站台/初始位置巷道)前往出库货位所在巷道的时间，(t_{7_2}为转载车搭载穿梭车从出库货位所在巷道前往提升机站台)，t₈为穿梭车从巷道首处运行至出库货i所在位置(t₈还可以表示为穿梭车从出库货位i运行至巷道首处的时间)，t₉穿梭车前往提升机站台过程中中等待转载车的过程时间，t₁₀为穿梭车前往取入库货物过程中等待提升机的时间，t₁₁位穿梭车搭载提升机从出库货位层到达I/O站台并返回入库货位层所在时间，t₁₂为穿梭车前往入库货物巷道过程中等待转载车的时间，t₁₃位转载车搭载穿梭车前往入库货物巷道处的时间，t₁₄位穿梭车从巷道首处和运行至入库货位所在时间，t₁₅为提升机装(卸)穿梭车时间，t₁₆为转载车装/卸穿梭车时间，t₁₇位穿梭车装卸货物时间，t₁₈为从当前位置运行至出库货为所在位置时间。t₂，t₆，t₉，t₁₂为穿梭车等待转载车的时间，t₄，t₁₀为等待提升机的时间，与作业任务顺序有关；t₁，t₃，t₅，t_{7_1}，t_{7_2}，t₈，t₁₁，t₁₃和t₁₈为设备运动时间可以根据运动距离及其速度、加速度计算，t₁₄，t₁₅，t₁₆为定值。

步骤S2中构建以最小化订单完成时间为目标的混合整数规划模型，具体包括：

步骤21：跨层跨巷道穿梭车仓储系统的复合作业通过迭代思想转化为混合流水线作业模式；

步骤22：通过任务与穿梭车的不同组合与排序，产生不同的订单处理时间，选择其中最短的作业时间，可以确定任务的拣选分配与排序，故跨层跨巷道穿梭车仓储系统完成某订单的总时间目标函数为

Min C_max (4)

其中C_max为所有任务的最大完成时间。

步骤23：为保证每个复合作业单元的各设备执行顺序和时间的合法性建立混合整数规划模型的约束条件。

步骤23.1：执行设备的约束，具体为：

(8)每个任务的每个阶段仅由一台设备执行，表达式如下：

(9)每个任务的第一阶段和第五阶段所执行设备为同一个，此时对象为穿梭车表达式如下：

(10)每个任务的第二阶段和第四阶段所知悉的设备取决与转载车的取用，k＝1,2时对象为实际转载车，表示同一任务的二、四阶段为一虚一实转载车，此时不跨层跨巷道；k＝3时，对象为虚拟转载车，此时同一任务的二、四阶段为虚拟转载车，不跨层不跨巷道，表达式如下：

(11)同一任务的阶段二和阶段四由不同设备完成，对象为实际转载车，此时跨层运动，表达式如下：

(12)同一作业单元的前后任务的阶段一由同一设备完成，对象为穿梭车，具体表达式如下：

(13)表示同一作业单元的前后任务的二四阶段的设备依据k决定，对象为转载车。不跨层运动时，k＝3，对象为虚拟转载车，同同一设备完成；k＝1,2,对象为实际转载车；

(14)表示跨层时，同一作业单元的前后任务的阶段二由不同设备完成，对象为实际转载车，表达式如下：

步骤23.2：任务作业开始时间的约束，具体为：

(5)所有任务的开始时间均在系统开始作业之后，表达式如下：

(6)同一复合作业单元下三个任务的开始时间的关系，只有前序任务完成后，才能进行后续任务的作业，表达式如下：

(7)每个任务各阶段的开始时间的关系，只有上阶段完成后，才能进行下一阶段的作业，表达式如下：

(8)同一设备连续两个作业任务开始时间的关系，只有前序任务完成后，才能进行后续任务的作业，表达式如下：

步骤23.3：任务与设备间的约束，具体为：

(2)在每台设备作业序列中，每个任务最多有一个前序任务与后续任务，表达式如下：

步骤23.4：总任务最大完成时间的约束，具体为：

(2)总任务最大完成时间大于等于每一个复合作业单元的完成时间，表达式如下：

其本文所研究的问题可以转化为五阶段的混合流水线调度问题，货物出入库作业单元为n＝(1,2,3，....，N)。则根据对穿梭车的作业指令分析，则将每个阶段都划分为3个任务，即第n个作业单元可分为第3n-2个任务、第3n-1个任务和第3n个任务。记b为任务序号，b＝1,2,3,…,3N-2,3N-1，3N，其中n为单元编号。设定s为操作阶段索引，s为阶段编号，s＝1,2,3，4,5；1.穿梭车从当前位置至巷道首处；2.转载车搭载穿梭车至提升机处；3.提升机搭载穿梭车至目标层处；4.转载车搭载穿梭车至目标巷道；5.穿梭车出转载车运行至目标货位处进行存取货作业。k为作业设备编号，k＝1,2,…,m_s；m_s为第s阶段的作业设备数，其中m₁＝m₅＝Q，表示第一阶段和第五阶段的设备数量即为穿梭车的数量；m₂＝m₄＝3，其中该阶段的第1、2个设备分别代表跨层实际运行的转载车，当只进行跨巷道运动时，则第1、2个转载车代表的是当需要进行跨层运动时，分别代表不同层的转载车，第3个为虚拟转载车，选择该转载车表示该阶段无需进行跨巷道运动，例如s＝2，k＝1则表示任务的第二阶段采用的是实际运行的转载车；m₃＝3，其中该阶段的其中两个m₁、m₂设备为实际运行的提升机，m₃为虚拟提升机，选择该提升机表示该阶段无需进行跨层运动。t_bs为任务b在s阶段的开始时间；p_bs为任务b在s阶段的作业时间；w_bb'sk为s阶段机器k操作的两个连续任务b和b’之间的准备时间，即转载车在连续作业之间的空载时间仅存在于第二、四阶段的第一、二个设备中；提升机在连续作业之间的空载时间仅存在于第三阶段的第一、二个设备中；G为足够大的数；

步骤S3中设计改进的人工蜂群算法进行模型求解，并得到最优任务调度方案，具体为：

步骤31：初始化算法参数。包括最大迭代次数MaxCycle＝500、蜜蜂总数SN＝40，对应的雇佣蜂以及观察蜂的数量是蜜蜂总数的一般为：SN/2，以及蜜源改善的最大搜索次数limit＝100，搜索次数上界ub＝800，以及搜索下界lb＝-800；

步骤32：初始化种群。以小批量作业(20任务对)进行数值实验仿真，复合作业任务列表见表1。对人工蜂群个体进行编码：基于跨层跨巷道多层穿梭车仓库系统调度模型的特点，采用出入库混合整数编码方式，编码序号代表任务的编号。假设有S对复合作业任务，则存在S个入库任务以及S个出库任务，其中将S个出库任务随机编码为1～S，S个入库任务则随机编码为S+1～2S，确定由穿梭车的任务序号则确定了转载车的任务序列。其中穿梭车的数量为4个，分别分散在整个仓库系统。出入库编号确定转载车的编码，例如出库作业编号为2，则对应的入库位置为(5，7，4)，见表2，位于第四层，则采用编号四转载车；入库作业编号为33，对应的出入位置为(7,20,12)，所以对应编号12转载车，其编码方式如图5。

步骤33：本文目标是完成所有任务的作业时间最短，即求解极小化问题，则适应度函数为

fitness＝min T＝min C_max

式中C_max为所有任务完成的最大完成时间。适应度函数计算需满足S2所述的约束。其余具体跨层跨巷道穿梭车仓储系统的参数设置如表2所示。

步骤34:进入人工蜂群迭代过程，当迭代次数小于最大迭代次数MaxCycle，执行如下操作。

步骤34.1：将所有蜜蜂都设为侦查蜂，种群初始化，种群规模为蜜蜂的个数

步骤34.2：评价所有蜜源“适应度”，进行排序，排名靠前的成为雇佣峰，排名靠后的为观察峰，雇佣峰和观察峰的数量为SN的一半；

步骤34.3：雇佣峰阶段。雇佣蜂通过局部搜素寻找新的蜜源，根据式(22)产生新解并计算适应度函数值，根据贪婪准则选择更好的蜜源；

步骤34.4：观察峰阶段。观察蜂根据式(23)的轮盘赌的方式选择其中一个蜜源在其附近进行搜索，观察蜂并根据适应度值高低判断是否跟随雇佣蜂前往蜜源；

V_ij＝X_ij+φ_ij(X_ij-X_kj) (23)

步骤34.5：侦查蜂阶段。如果雇佣蜂和观察峰在蜜源停留次数超过limit，仍没有找个更佳的蜜源，则放弃该蜜源，雇佣蜂转化成侦查蜂；

步骤34.6：记录当前迭代次数的最优适应度值，判断是否达到最大迭代次数，若达到则停止算法，输出全局最优解，否则回到步骤4.1.

步骤35：当迭代次数已达到预置的最大迭代次数MaxCycle，算法终止，输出最优解，即公告板中人工鱼状态和函数值。人工蜂群状态即是任务调度方案，函数值即是该方案下调度时间。

所求得的最优人工蜂群状态对应的20任务对复合作业路径顺序为：穿梭车1：13→21→4→32→11→37→9→22；穿梭车2：19→31→15→24→2→27→8→26→10→39；穿梭车3：6→34→14→23→17→40→7→25→18→33→3→28，穿梭车4：1→29→5→30→16→29→18→36→12→38→20→33，其作业时间总和为637.9s。而采用随机生成30组复合作业序列，得到其作业平均值为847.9s。则本文提出的调度方法可以实现优化效率约为20％。

采用人工蜂群改善前后路径对比图如图7与图8，其中白色、浅灰、深灰。黑色四种颜色分别代表四中穿梭车的处理的任务，通过前后对比可以得出：改进的后的任务路径更加简化，各个穿梭车处理的任务数由原来的每个穿梭车均分十个任务，改进后穿梭车处理的任务数依据最小化最大任务处理时间最的原则进行了重新分配，任务数量更优。

表1出入库任务表

表2跨层跨巷道穿梭车仓储系统参数表

Claims (1)

1.一种跨层跨巷道穿梭车仓储系统的任务调度方法，包括如下步骤：

S1：基于跨层跨巷道穿梭车仓储系统的出入库复合作业流程表述其复合作业时间，具体为：

步骤11：依据跨层跨巷道穿梭车仓储系统的出入库复合作业流程，一次复合作业任务分为三个阶段，即：取货任务、出库任务、入库任务；

步骤11.1：引入虚拟提升机的概念，即在某过程中选择虚拟提升机，则表示在该过程中无需进行跨层作业；

步骤11.2:引入虚拟转载车的概念，即在某过程中选址虚拟转载车，则表示该过程中无需进行跨巷道作业；

步骤11.3：则复合作业中的每个任务都表示为五阶段的作业：第一阶段的作业设备为穿梭车，第二阶段的作业设备为转载车，第三阶段的作业设备为提升机，第四阶段的作业设备为转载车，第五阶段的作业设备为穿梭车；

步骤12：根据每次复合任务的作业性质，又将三个阶段细分为五个任务；

步骤12.1：取货任务：1.穿梭车从当前位置前往巷道口调用转载车；2.转载车搭载穿梭车前往提升机站台并调用提升机；3.提升机搭载穿梭车前往出库货位层释放穿梭车并调用转载车；4.转载车搭载穿梭车前往出库货物所在巷道并释放穿梭车；5.穿梭车前往出库货位进行出库任务操作；

步骤12.2：出库任务与入库任务的五个任务与取货任务类似；

步骤13：设出库货物i和入库货物j坐标分别为(x_i,y_i,z_i)和(x_j,y_j,z_j)，则穿梭车初始位置即上一入库作业结束位置为(x_j-1,y_j-1,z_j-1)，根据出入库复合作业流程，按照穿梭车初始位置与待出库货物是否处于同一层，进行作业时间分析；

步骤13.1:当穿梭车初始位置与待出库货位位置不同层时，即z_i≠z_i-1，则其复合作业时间为

步骤13.2：当穿梭车初始位置与待出库货物位置同层不同巷道时，即z_i-1＝z_i且x_i-1≠x_i，则其复合作业时间为

步骤13.3：当穿梭车初始位置与待出库货物位置同层且同巷道时，即z_i-1＝z_i且x_i-1＝x_i，则其复合作业时间为

其中，t₁为穿梭车从初始位置运行至巷道首处的时间，t₂为穿梭在前往提升机站台过程中等待转载车的时间，t₃为转载车搭载穿梭车前往提升机站台的时间，t₄位穿梭车前往取出库货物过程中等待提升机的时间，t₅为提升机搭载穿梭车从当前货位所在层运行至出库货物所在层的时间，t₆为穿梭车前往出库货位过程中等待转载车的时间，t_{7_1}为转载车搭载穿梭车从提升机站台或初始位置巷道前往出库货位所在巷道的时间，t_{7_2}为转载车搭载穿梭车从出库货位所在巷道前往提升机站台，t₈为穿梭车从巷道首处运行至出库货i所在位置，t₉穿梭车前往提升机站台过程中中等待转载车的过程时间，t₁₀为穿梭车前往取入库货物过程中等待提升机的时间，t₁₁位穿梭车搭载提升机从出库货位层到达I/O站台并返回入库货位层所在时间，t₁₂为穿梭车前往入库货物巷道过程中等待转载车的时间，t₁₃位转载车搭载穿梭车前往入库货物巷道处的时间，t₁₄位穿梭车从巷道首处和运行至入库货位所在时间，t₁₅为提升机装或卸穿梭车时间，t₁₆为转载车装/卸穿梭车时间，t₁₇位穿梭车装卸货物时间，t₁₈为从当前位置运行至出库货为所在位置时间；t₂，t₆，t₉，t₁₂，t₄，t₁₀与作业任务顺序有关；t₁，t₃，t₅，t_{7_1}，t_{7_2}，t₈，t₁₁，t₁₃和t₁₈为设备运动时间，根据运动距离及其速度、加速度计算，t₁₄，t₁₅，t₁₆为定值；

S2：构建以最小化订单完成时间为目标的混合整数规划模型，具体为：

步骤21：跨层跨巷道穿梭车仓储系统的复合作业通过迭代思想转化为混合流水线作业模式；

步骤22：通过任务与穿梭车的不同组合与排序，产生不同的订单处理时间，选择其中最短的作业时间，确定任务的拣选分配与排序，故跨层跨巷道穿梭车仓储系统完成某订单的总时间目标函数为

Min C_max (4)

其中C_max为所有任务的最大完成时间；

步骤23：为保证每个复合作业单元的各设备执行顺序和时间的合法性建立混合整数规划模型的约束条件；

步骤23.1：执行设备的约束，具体为：

M1.每个任务的每个阶段仅由一台设备执行，表达式如下：

其中，x_bsk表示任务b在s阶段是否由设备k执行；

M2.每个任务的第一阶段和第五阶段所执行设备为同一个，此时对象为穿梭车表达式如下：

M3.每个任务的第二阶段和第四阶段所知悉的设备取决与转载车的取用，k＝1,2时对象为实际转载车，表示同一任务的二、四阶段为一虚一实转载车，此时不跨层跨巷道；k＝3时，对象为虚拟转载车，此时同一任务的二、四阶段为虚拟转载车，不跨层不跨巷道，表达式如下：

M4.同一任务的阶段二和阶段四由不同设备完成，对象为实际转载车，此时跨层运动，表达式如下：

M5.同一作业单元的前后任务的阶段一由同一设备完成，对象为穿梭车，具体表达式如下：

M6.表示同一作业单元的前后任务的二四阶段的设备依据k决定，对象为转载车；不跨层运动时，k＝3，对象为虚拟转载车，同同一设备完成；k＝1,2,对象为实际转载车；

M7.表示跨层时，同一作业单元的前后任务的阶段二由不同设备完成，对象为实际转载车，表达式如下：

步骤23.2：任务作业开始时间的约束，具体为：

N1.所有任务的开始时间均在系统开始作业之后，表达式如下：

其中，t_bsk表示第b个任务在第s阶段的第k个设备的开始时间；

N2.同一复合作业单元下三个任务的开始时间的关系，只有前序任务完成后，才能进行后续任务的作业，表达式如下：

N3.每个任务各阶段的开始时间的关系，只有上阶段完成后，才能进行下一阶段的作业，表达式如下：

N4.同一设备连续两个作业任务开始时间的关系，只有前序任务完成后，才能进行后续任务的作业，表达式如下：

其中，j_bb'k表示前一任务b在第四阶段和后一任务b’在第二阶段为同一设备；y_bb'sk表示s阶段b和b'是前后连续的作业任务，并由同一设备k执行；

步骤23.3：任务与设备间的约束，具体为：

在每台设备作业序列中，每个任务最多有一个前序任务与后续任务，表达式如下：

步骤23.4：总任务最大完成时间的约束，具体为：

总任务最大完成时间大于等于每一个复合作业单元的完成时间，表达式如下：

其本文所研究的问题转化为五阶段的混合流水线调度问题，货物出入库作业单元为n＝(1,2,3，....，N)；则根据对穿梭车的作业指令分析，则将每个阶段都划分为3个任务，即第n个作业单元可分为第3n-2个任务、第3n-1个任务和第3n个任务；记b为任务序号，b＝1,2,3,…,3N-2,3N-1，3N，其中n为单元编号；设定s为操作阶段索引，s为阶段编号，s＝1,2,3，4,5；分别为：1.穿梭车从当前位置至巷道首处；2.转载车搭载穿梭车至提升机处；3.提升机搭载穿梭车至目标层处；4.转载车搭载穿梭车至目标巷道；5.穿梭车出转载车运行至目标货位处进行存取货作业；k为作业设备编号，k＝1,2,…,m_s；m_s为第s阶段的作业设备数，其中m₁＝m₅＝Q，表示第一阶段和第五阶段的设备数量即为穿梭车的数量；m₂＝m₄＝3，其中该阶段的第1、2个设备分别代表跨层实际运行的转载车，当只进行跨巷道运动时，则第1、2个转载车代表的是当需要进行跨层运动时，分别代表不同层的转载车，第3个为虚拟转载车，选择该转载车表示该阶段无需进行跨巷道运动；m₃＝3，其中该阶段的其中两个m₁、m₂设备为实际运行的提升机，m₃为虚拟提升机，选择该提升机表示该阶段无需进行跨层运动；t_bs为任务b在s阶段的开始时间；p_bs为任务b在s阶段的作业时间；w_bb'sk为s阶段机器k操作的两个连续任务b和b'之间的准备时间，即转载车在连续作业之间的空载时间仅存在于第二、四阶段的第一、二个设备中；提升机在连续作业之间的空载时间仅存在于第三阶段的第一、二个设备中；G为足够大的数；

S3：改进人工蜂群算法求解跨层跨巷道穿梭车复合作业模型，并得到最优任务调度方案和调度时间，具体为：

步骤31：初始化算法参数；包括最大迭代次数MaxCycle、蜜蜂总数SN，以及蜜源改善的最大搜索次数limit，搜索次数上界ub，以及搜索下界lb；

步骤32：初始化种群；人工鱼群个体的编码：基于跨层跨巷道仓储系统复合作业调度模型的特点，采用出入库混合整数编码方式，编码序号代表任务的编号；将X个入库货物和Y个出库货物分别从1～X，1～Y随机编号，若X≠Y，则利用I/O位置编号“0”将任务对补齐，其中I/O位置坐标为(0,0,0)，此时该任务对执行单一出库或入库作业；假设有S对复合作业任务，则存在S个入库任务以及S个出库任务，其中将S个出库任务随机编码为1～S，S个入库任务则随机编码为S+1～2S，确定由穿梭车的任务序号则确定了转载车的任务序列；其中穿梭车的数量为4个，分别分散在整个仓库系统；

步骤33：本文目标是完成所有任务的作业时间最短，即求解极小化问题，则适应度函数为：

fitness＝minT＝minC_max

式中C_max为所有任务完成的最大完成时间；

步骤34:进入人工蜂群迭代过程，当迭代次数小于最大迭代次数MaxCycle，执行如下操作；

步骤34.1：将所有蜜蜂都设为侦查蜂，种群初始化，种群规模为蜜蜂的个数

步骤34.2：评价所有蜜源“适应度”，进行排序，排名靠前的成为雇佣峰，排名靠后的为观察峰，雇佣峰和观察峰的数量为SN的一半；

步骤34.3：雇佣峰阶段；雇佣蜂通过局部搜素寻找新的蜜源，根据式(22)产生新解并计算适应度函数值，根据贪婪准则选择更好的蜜源；

其中，X_ij表示第i个个体在第j维上的当前位置；

是j参数的最小值，

代表j参数的最大值；

步骤34.4：观察峰阶段；观察蜂根据式(23)的轮盘赌的方式选择其中一个蜜源在其附近进行搜索，观察蜂并根据适应度值高低判断是否跟随雇佣蜂前往蜜源；

V_ij＝X_ij+φ_ij(X_ij-X_kj) (23)

其中，X_kj表示第k个个体在第j维上的选择位置，V_ij作为第i个个体在第j维上的新位置，V_ij只有在优于X_ij的情况下才会采用；φ_ij是在[-1,1]之间选择的随机数；

步骤34.5：侦查蜂阶段；如果雇佣蜂和观察峰在蜜源停留次数超过limit，仍没有找个更佳的蜜源，则放弃该蜜源，雇佣蜂转化成侦查蜂；

步骤34.6：记录当前迭代次数的最优适应度值，判断是否达到最大迭代次数，若达到则停止算法，输出全局最优解，否则回到步骤34.1；

步骤35：当迭代次数已达到预置的最大迭代次数MaxCycle，算法终止，输出最优解，即公告板中人工鱼状态和函数值；人工蜂群状态即是任务调度方案，函数值即是该方案下调度时间。

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