CN111891758A - 一种欠完备信息的在线货物码垛方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种欠完备信息的在线货物码垛方法，包括如下步骤：一种欠完备信息的在线货物码垛方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，记录所有可以容纳货物的位置li到位置合集L中；步骤二，根据每个位置li在摆放该待放置的货物a1时与货物a1的底部的接触面积是否满足安全摆放需求以及竖直方向上是否存在障碍进行筛选；步骤三，所有货物全部找到对应的摆放位置，记录所有方案所需托盘数的平均值m1；使用蒙特卡罗抽样法计算出当货物a1摆放在每个位置li各自所需的平均托盘数mi，选取mi中的最小值；步骤四，重复步骤一到步骤三，直至所有货物码垛完成。本方法可以有效提高托盘空间利用率。

Description

一种欠完备信息的在线货物码垛方法
技术领域
本发明涉及货物码垛技术领域，具体涉及一种欠完备信息的在线货物码垛方法。
背景技术
目前，我国研究的码垛方案都是基于离线的码垛方案，就是在已知货物种类、数量、顺序的前提下设出计一种使托盘利用率最大，托盘使用数量最少的方案，而在向智能化和自动化发展的今天，这种离线方案需要优化，需要改变才能适应新的问题。
在流水线机器人码垛作业时，我们可能只知道货物的种类，尺寸，但不知道货物从流水线上来的顺序，这种情况下，只能依靠工人的经验进行人工码垛，但当货物稍大或稍重时，还得借助机械设备进行操作，这增加了很多不必要的成本，而且码垛效率极低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足之处，提供一种降低成本、提高码垛效率的欠完备信息的在线货物码垛方法。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种欠完备信息的在线货物码垛方法，包括如下步骤：
步骤一，判断托盘在与托盘底面平行的每个二维平面内的空间是否可以容纳待放置的货物a1，若不可以则将货物a1放置到下一个托盘中；若可以则判断托盘的高度空间是否可以容纳待放置的货物a1，若不可以则将货物a1放置到下一个托盘中，若可以则记录该位置l1到位置合集L中；
步骤二，判断每个位置li在摆放该待放置的货物a1时与货物a1的底部的接触面积是否大于或等于安全摆放面积，若不满足则将该位置li删除，若满足则继续判断该位置在竖直方向上是否存在障碍，若有则将该位置li删除；
步骤三，当待放置货物a1放置在位置l1时，对后续每一个新待放置货物ai重复步骤一和步骤二的过程，直至所有货物全部找到对应的摆放位置，记录所有方案所需托盘数的平均值m1；使用蒙特卡罗抽样法计算出当货物a1摆放在每个位置li各自所需的平均托盘数mi，选取mi中的最小值对应的位置li作为货物a1的摆放位置；
步骤四，重复步骤一到步骤三，直至所有货物码垛完成。
更进一步的说明，所述步骤三中使用蒙特卡罗法计算平均托盘数时，计算未摆放的所有货物的摆放顺序n！，其中n为未摆放的货物的数量，从n！种摆放方案中随机抽取设定数量的方案，若n！小于或等于设定值时则对全部方案进行步骤一到步骤四的摆放过程，若n！大于设定值时则在n！种方案中抽取与设定值相当数量的方案进行步骤一到步骤四的摆放过程。
更进一步的说明，步骤三中还可以使用蒙特克罗法计算摆放的最佳位置，包括如下步骤：
步骤A1，初始时，已有的货物设置为初始节点P0，枚举当前所有可能的可摆放位置为P0的子节点，并由UCB法进行权衡探索和利用决策，其数学模型为：
Figure BDA0002617160230000021
计算各个子节点的UCB值，选择UCB值最大的节点；
式中，
Figure BDA0002617160230000022
为当前节点的平均评估值，
Figure BDA0002617160230000023
Si为货物的接触面积；
N为总探索次数；
ni表示当前节点的探索次数；
步骤A2，判断步骤A1中选择出的节点是否为叶节点，如果不是，则继续进行步骤A1，直到当前节点为叶节点，枚举当前叶节点的所有子节点；
步骤A3，重复进行步骤A1和步骤A2，直到达到随机抽取的设定数量num满足停止的条件；
步骤A4，当叶节点Pj被探索时，当前叶节点Pj到初始父节点P0路径上的所有节点的ni＝ni+1，路径上的接触面积Si＝Si+Sj，UCB值最大的为最佳摆放位置。
更进一步的说明，随机抽取的设定数量num＝min(100000,n！)。
更进一步的说明，设置托盘的一个角作为原点o并构建直角坐标系，在空的托盘中摆放第一个货物时，货物的外侧分别紧邻xoy平面、xoz平面和yoz平面。
更进一步的说明，步骤一中判断二维平面和高度空间内能否容纳货物时，取当前已摆放的货物距原点最远处为顶点，分别向xoy平面、xoz平面和yoz平面引垂线，垂线触碰到货物表面或者坐标平面时停止，以三条垂线为棱的六面体空间内为不可摆放货物的位置。
更进一步的说明，步骤二中安全摆放面积不少于货物的底面积的85％。
更进一步的说明，若货物在托盘内的投影超出托盘的边界，则安全摆放面积不少于货物的底面积的90％。
更进一步的说明，在判断货物在托盘的投影是否超出托盘边界时，同时测量货物所在的高度层级，安全摆放面积占货物的底面积比例随高度层级的提高而增加。
本发明的有益效果：通过使用机器人、在线设计方案，最终达到提高托盘空间使用率、降低企业生产成本的目的。
1.解决工人靠经验码垛的低利用率、低效率问题，提高托盘空间利用率
2.改进离线式在未知顺序时无法码垛的难题
3.提高产线的自动化水平，提高运行效率，降低企业生产成本
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的一个实施例的流程图；
图2是本发明的一个实施例的码垛示意图；
图3是本发明的一个实施例的二维码垛示意图；
图4是本发明的一个实施例的蒙特卡罗树搜索法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1-图3所示，一种欠完备信息的在线货物码垛方法，包括如下步骤：
步骤一，判断托盘在与托盘底面平行的每个二维平面内的空间是否可以容纳待放置的货物a1，若不可以则将货物a1放置到下一个托盘中；若可以则判断托盘的高度空间是否可以容纳待放置的货物a1，若不可以则将货物a1放置到下一个托盘中，若可以则记录该位置l1到位置合集L中；
步骤二，判断每个位置li在摆放该待放置的货物a1时与货物a1的底部的接触面积是否大于或等于安全摆放面积，若不满足则将该位置li删除，若满足则继续判断该位置在竖直方向上是否存在障碍，若有则将该位置li删除；
步骤三，当待放置货物a1放置在位置l1时，对后续每一个新待放置货物ai重复步骤一和步骤二的过程，直至所有货物全部找到对应的摆放位置，记录所有方案所需托盘数的平均值m1；使用蒙特卡罗抽样法计算出当货物a1摆放在每个位置li各自所需的平均托盘数mi，选取mi中的最小值对应的位置li作为货物a1的摆放位置；
步骤四，重复步骤一到步骤三，直至所有货物码垛完成。
码垛时要将货物摆放在若干托盘中，托盘数量最少时即为最佳的码垛方案。在各个托盘中逐个摆放货物时，先通过步骤一判断当前托盘内是否存在有效的码垛空间，其次通过步骤二判断该摆放位置能不能将货物放置稳妥。放置第一个货物时比较轻松，但是后续若干货物大小各异，摆放的先后顺序也有很多，逐个计算每种摆放方案需要多少托盘计算量太大，因此采用蒙特卡罗抽样法计算，降低计算量，提高摆放方案的生成速度。
更进一步的说明，所述步骤三中使用蒙特卡罗法计算平均托盘数时，计算未摆放的所有货物的摆放顺序n！，其中n为未摆放的货物的数量，从n！种摆放方案中随机抽取设定数量的方案，若n！小于或等于设定值时则对全部方案进行步骤一到步骤四的摆放过程，若n！大于设定值时则在n！种方案中抽取与设定值相当数量的方案进行步骤一到步骤四的摆放过程。
为方便具体描述这种方案，以二维码垛举例，假设共有7个货物，他们的形状大小如图3所示，此时托盘中已经摆放了1、2、3这3个货物，下一个到来的是4号货物，按照左下摆放原则，4号货物有3个摆放位置，但由于后面的5、6、7这3个货物来的顺序未知，故需对4号货物的摆放位置进行评价。当4号货物摆放在1号和3号货物之间时(图3所示)，后面3种货物共有3！种摆放位置，假设这6种摆放方案分别需要x1，x2，x3，x4，x5，x6个托盘，通过贪心思想计算出此时未摆放的3种货物需要的托盘数为M1＝(x1+x2+x3+x4+x5+x6)/6，再用同样的思想分别求解出4号货物摆放在1和2号货物之间以及2号货物与托盘边沿之间需要的托盘数M2和M3，取min(M1,M2,M3)为4号货物的摆放位置。所谓贪心思想体现在对后续货物过来的每一种排列组合都进行统计他们所需托盘数，求取托盘数最少的摆放点为当前货物的摆放位置。当货物较多时，如100个货物需要摆放，则有100！种货物从流水线过来的顺序，此时对100！种方案全部进行模拟是不现实的，故采取蒙特卡洛抽样法(使用随机数来解决很多计算问题的方法。其思想是当所求解的问题是某种随机事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，通过某种“实验”的方法，以这种事件出现的频率估计这一随机事件的概率，或者得到这个随机变量的某些数字特征，并将其作为问题的解。)，对100！种排列方案抽取一定数量(如100000种)的方案，当后续货物的排列方案小于100000种时，则全部方案都进行尝试，多于100000种排列方案则抽取100000种进行摆放，对这100000种方案求取托盘的平均使用量，使用量最小的方案的摆放位置即为当前货物的摆放位置。
更进一步的说明，步骤三还可以使用蒙特克罗法计算摆放的最佳位置，包括如下步骤：
步骤A1，初始时，已有的货物设置为初始节点P0，枚举当前所有可能的可摆放位置为P0的子节点，并由UCB法进行权衡探索和利用决策，其数学模型为：
Figure BDA0002617160230000061
计算各个子节点的UCB值，选择UCB值最大的节点；
式中，
Figure BDA0002617160230000062
为当前节点的平均评估值，
Figure BDA0002617160230000063
Si为货物的接触面积；
N为总探索次数；
ni表示当前节点的探索次数；
步骤A2，判断步骤A1中选择出的节点是否为叶节点，如果不是，则继续进行步骤A1，直到当前节点为叶节点，枚举当前叶节点的所有子节点；
步骤A3，重复进行步骤A1和步骤A2，直到达到随机抽取的设定数量num满足停止的条件；
步骤A4，当叶节点Pj被探索时，当前叶节点Pj到初始父节点P0路径上的所有节点的ni＝ni+1，路径上的接触面积Si＝Si+Sj，UCB值最大的为最佳摆放位置。
蒙特卡洛树搜索法适所要用于当求解的问题是某种事件出现的概率，它们可以通过某种“试验”的方法，得到这种事件出现的频率，并用它们作为问题的解，蒙特卡洛树搜索的流程图如图4所示。在本专利所要解决的问题中，由于下一个货物到来的顺序是未知的，是随机的，这就表明可以利用蒙特卡洛树搜索方法求解这个问题。蒙特卡洛树搜索法分为4个步骤：选择(Selection)、扩展(expansion)、模拟(rollout)、回溯(Backpropagation)。
选择：初始时，已有的货物设置为初始节点P0，此时，枚举当前所有可能的可摆放位置为P0的子节点，并由UCB法(一种在搜索过程中如何权衡探索和利用的决策方法，其数学模型为：
Figure BDA0002617160230000071
(C为常数，一般取2))计算各个子节点的UCB值，选择UCB值最大的节点进行扩展。
式中，
Figure BDA0002617160230000073
为当前节点的平均评估值，由于本专利写的是码垛装箱问题，如果下一个货物与已有货物的接触面积越大，则表明货物摆放的越紧凑，空间利用率更高，该位置越佳，故本专利的评估值为货物的接触面积Si，
Figure BDA0002617160230000072
N为总探索次数
ni表示当前节点的探索次数
扩展：判断当前节点是否为叶节点，如果不是，则继续选择，直到当前节点为叶节点，枚举当前叶节点的所有子节点。
模拟：重复进行选择和扩展操作，直到达到停止的条件。
回溯：当叶节点Pj被探索时，当前叶节点Pj到初始父节点P0路径上的所有节点的ni＝ni+1，路径上的接触面积Si＝Si+Sj。
根据蒙特卡洛树搜索法，计算出当前货物可摆放的位置的UCB值，UCB值最大的为最佳摆放位置。蒙特卡洛抽样法是计算各个位置的最小托盘数，托盘数最小的进行摆放。蒙特卡洛树搜索法是综合计算各位置的UCB值，UCB值最大的进行摆放
更进一步的说明，随机抽取的设定数量num＝min(100000,n！)。
保证一定的取样量，降低结果误差,为了避免抽样数量太多影响计算时间，因此限定抽取的数量在100000和n！之间取最小值，在待摆放的货物很多时，只抽取100000份取样，在待摆放的货物不是很多时，对n！种方案全部模拟。
更进一步的说明，设置托盘的一个角作为原点o并构建直角坐标系，在空的托盘中摆放第一个货物时，货物的外侧分别紧邻xoy平面、xoz平面和yoz平面。
第一个货物摆放时需要尽可能的沿托盘的角落摆放，以留有充足的空间方便后面的货物的摆放。
更进一步的说明，步骤一中判断二维平面和高度空间内能否容纳货物时，取当前已摆放的货物距原点最远处为顶点，分别向xoy平面、xoz平面和yoz平面引垂线，垂线触碰到货物表面或者坐标平面时停止，以三条垂线为棱的六面体空间内为不可摆放货物的位置。
由于欠完备信息的在线货物码垛方法是适用于工业化生产流水线上的，对货物的码垛采用机械手辅助完成。机械手由于工位和空间限制，只能垂直托盘抓取和放置货物。而实际的货物大小各异，即使在紧邻摆放的情况下，各个货物之间仍然会存有一定的间隙。如图2所示，1、2、3为三个货物，如果上层货物1大，而下层货物2小，此时就不可以在货物1和货物3之间的虚线部位再放置货物。货物1的A点为距离原点最远的点，选取A作为顶点，分别向xoy平面、xoz平面和yoz平面引垂线，垂足分别为D、B、C，以AC、AB和AD为棱的六面体空间内即判定为机械手不能放置货物的空间。以此方式提高实际摆放货物的可执行性，同时也减少可摆放货物点的尝试数量，减少运算，提高摆放方案的生成速度。
更进一步的说明，步骤二中安全摆放面积不少于货物的底面积的85％。
如图2所示，摆放货物时层叠码垛可能存在下方的货物2与上方的货物1之间的接触面积小于货物1的底面积，此时并不是不能够摆放货物1，只要货物1和货物2的接触面积不少于货物1的底面积的85％，货物1的重心就不会悬空，即使是层叠码垛的情形，货物1也可以稳定的放置，不会倾倒。
更进一步的说明，若货物在托盘内的投影超出托盘的边界，则安全摆放面积不少于货物的底面积的90％。
对于需要放置到集装箱的托盘，托盘内的货物要严格在托盘边界之内，如果顶层货物超出托盘边界，托盘将难以放到集装箱中。对于不需要放到集装箱中的托盘，比如码垛完成后使用绳索固定托盘和货物，此时托盘内的货物并不是需要严格的都在托盘之内，码垛在上层的货物外沿可以少量超出托盘范围。但是出于安全摆放的考虑，此时安全摆放面积不少于货物的底面积的90％。
更进一步的说明，在判断货物在托盘的投影是否超出托盘边界时，同时测量货物所在的高度层级，安全摆放面积占货物的底面积比例随高度层级的提高而增加。
摆放的越高的货物越不稳，码垛时允许货物摆放成正金字塔的形状，因此摆放越高的货物，其底面的接触面积就要越大，避免每次向上码垛时货物边缘都向外伸出一点出现倒金字塔的摆放。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种欠完备信息的在线货物码垛方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，判断托盘在与托盘底面平行的每个二维平面内的空间是否可以容纳待放置的货物a1，若不可以则将货物a1放置到下一个托盘中；若可以则判断托盘的高度空间是否可以容纳待放置的货物a1，若不可以则将货物a1放置到下一个托盘中，若可以则记录该位置l1到位置合集L中；
步骤二，判断每个位置li在摆放该待放置的货物a1时与货物a1的底部的接触面积是否大于或等于安全摆放面积，若不满足则将该位置li删除，若满足则继续判断该位置在竖直方向上是否存在障碍，若有则将该位置li删除；
步骤三，当待放置货物a1放置在位置l1时，对后续每一个新待放置货物ai重复步骤一和步骤二的过程，直至所有货物全部找到对应的摆放位置，记录所有方案所需托盘数的平均值m1；使用蒙特卡罗抽样法计算出当货物a1摆放在每个位置li各自所需的平均托盘数mi，选取mi中的最小值对应的位置li作为货物a1的摆放位置；
步骤四，重复步骤一到步骤三，直至所有货物码垛完成。
2.根据权利要求1所述的欠完备信息的在线货物码垛方法，其特征在于：所述步骤三中使用蒙特卡罗法计算平均托盘数时，计算未摆放的所有货物的摆放顺序n！，其中n为未摆放的货物的数量，从n！种摆放方案中随机抽取设定数量的方案，若n！小于或等于设定值时则对全部方案进行步骤一到步骤四的摆放过程，若n！大于设定值时则在n！种方案中抽取与设定值相当数量的方案进行步骤一到步骤四的摆放过程。
3.根据权利要求1所述的欠完备信息的在线货物码垛方法，其特征在于：步骤三中还可以使用蒙特克罗法计算摆放的最佳位置，包括如下步骤：
步骤A1，初始时，已有的货物设置为初始节点P0，枚举当前所有可能的可摆放位置为P0的子节点，并由UCB法进行权衡探索和利用决策，其数学模型为：
Figure FDA0002617160220000021
计算各个子节点的UCB值，选择UCB值最大的节点；
式中，
Figure FDA0002617160220000022
为当前节点的平均评估值，
Figure FDA0002617160220000023
Si为货物的接触面积；
N为总探索次数；
ni表示当前节点的探索次数；
步骤A2，判断步骤A1中选择出的节点是否为叶节点，如果不是，则继续进行步骤A1，直到当前节点为叶节点，枚举当前叶节点的所有子节点；
步骤A3，重复进行步骤A1和步骤A2，直到达到随机抽取的设定数量num满足停止的条件；
步骤A4，当叶节点Pj被探索时，当前叶节点Pj到初始父节点P0路径上的所有节点的ni＝ni+1，路径上的接触面积Si＝Si+Sj，UCB值最大的为最佳摆放位置。
4.根据权利要求3所述的欠完备信息的在线货物码垛方法，其特征在于：随机抽取的设定数量num＝min(100000,n！)。
5.根据权利要求1所述的欠完备信息的在线货物码垛方法，其特征在于：设置托盘的一个角作为原点o并构建直角坐标系，在空的托盘中摆放第一个货物时，货物的外侧分别紧邻xoy平面、xoz平面和yoz平面。
6.根据权利要求5所述的欠完备信息的在线货物码垛方法，其特征在于：步骤一中判断二维平面和高度空间内能否容纳货物时，取当前已摆放的货物距原点最远处为顶点，分别向xoy平面、xoz平面和yoz平面引垂线，垂线触碰到货物表面或者坐标平面时停止，以三条垂线为棱的六面体空间内为不可摆放货物的位置。
7.根据权利要求1所述的欠完备信息的在线货物码垛方法，其特征在于：步骤二中安全摆放面积不少于货物的底面积的85％。
8.根据权利要求7所述的欠完备信息的在线货物码垛方法，其特征在于：若货物在托盘内的投影超出托盘的边界，则安全摆放面积不少于货物的底面积的90％。
9.根据权利要求8所述的欠完备信息的在线货物码垛方法，其特征在于：在判断货物在托盘的投影是否超出托盘边界时，同时测量货物所在的高度层级，安全摆放面积占货物的底面积比例随高度层级的提高而增加。
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