CN112278694A - 一种堆垛机出入库货位调度系统 - Google Patents

Abstract

本发明中的一种堆垛机出入库货位调度系统，包括以下模块货物对应的货位数量统计模块：对设定时间段内库内待存货物数量进行统计，并根据所述库内待存货物数量确定所需的货位数量，对每种货物的货位数量进行分配；货物对应的货位位置获取模块获取货物便捷度，依据所述货物便捷度安排对应的货位；出库顺序计算模块，所述出库顺序计算模块以作业时间最短为优化目标，对货位上的货物出货顺序进行排列。堆垛机根据所述货物对应的货位数量统计模块和货物对应的货位位置获取模块的结果进行货物的入库动作，根据所述出库顺序计算模块的计算结果进行货物的出库动作。本发明中的调度系统合理优化货位的货位，并优化出库方式。

Description

一种堆垛机出入库货位调度系统

技术领域

本发明涉及一种计算机系统，尤其涉及一种堆垛机出入库货位调度系统。

背景技术

随着现代物流行业的快速发展，很多物流公司都需要大量的人力完成繁重的货物搬运任务。将智能搬运机器人带入物流行业，提高其自动化程度成为广大物流从业者的呼声，堆垛机就是其中的一种。然而，同样一个仓库，由于管理方式、决策手段、调度运作的方法不同，仓库操作的效率也存在着巨的差异。这些因素受到仓库人员素质、硬件设施、管理水平差异的影响。堆垛机出入库调度的效率差异非常大，因此，在不改变仓库硬件设施情况下，如何开发出一种忽略人员素质因素影响智能调度方法已经成为了亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明为了解决现有货物出入库时容易引发堆垛机的工作效率低下的问题，提供了一种堆垛机出入库货位调度系统，该系统能够优化货物的货位分配和货物的出货顺序。

本发明所采取的技术方案为：一种堆垛机出入库货位调度系统，包括以下模块

货物对应的货位数量统计模块：对设定时间段内库内待存货物数量进行统计，并根据所述库内待存货物数量确定所需的货位数量，对每种货物的货位数量进行分配；

货物对应的货位位置获取模块：获取货物便捷度，依据所述货物便捷度安排对应的货位，所述货物便捷度根据货位便捷度、货物的操作频率和货物的重量获得，所述货位便捷度根据巷道堆垛机从货位至出入库台的时间得到，出入库台为货物在出入库时与外界交接时的过渡点，所述货物的操作频率为货物在设定时间段内出入库的次数；

出库顺序计算模块，所述出库顺序计算模块以作业时间最短为优化目标，对货位上的货物出货顺序进行排列。

巷道堆垛机根据所述货物对应的货位数量统计模块和货物对应的货位位置获取模块的结果进行货物的入库动作，根据所述出库顺序计算模块的计算结果进行货物的出库动作。

进一步的，还包括货物的相关性货位获取模块：将相关性物料尽量存放在邻近区域内。在相关性原则下，可根据相关性属性的不同种类，在自动化立体仓库中划分多个大储区。如：变压器以及相关的零件或配件存放在相邻区域。

进一步的，货位数量分配方法为：

a计算每种货物在设定时间段内货物数量最多时所对应的货位数，所述货位数计算公式如下：

其中：Q_K为货物k所需货位的数量，M_K为货物K在设定时间内的最大库存量，N_K为每个货位可容纳货物k的数量；

b根据每种货物对应的货位数得到所有货物所需的总货位数；

c若b中得到的总货位数不超出仓库内实际的货位数时，则按照a中货位数对每种货物进行分配；若b中得到的总货位数超出仓库内实际的货位数时，则通过划分预留货位进行分配。

进一步的，将仓库货位分为第一使用货位和第二使用货位，所述第一使用货位对应固定的货物种类，所述第二使用货位作为预留货位，当入库的货物对应的第一使用货位已满时，将入库的货物放置在所述第二使用货位上。

进一步的，还包括相关性分析模块，所述相关性分析模块内存储有库内货物种类，所述相关性分析模块分析库内各类货物的相关性，依据货物相关性分配货物所占的货位。

进一步的，所述货物便捷度的计算方法为：

其中L_xz表示第x排z层货位的便捷度，f_k表示货物k的操作频率，V_K为某货位货物k的总重量，L_xz、f_k和V_K分别通过式(2)(3)和式(4)获得；

x表示货位在立体库中的行数,z表示货位在立体库的层数，L为货位的宽度，H为货位的高度；

其中,P_ik表示货物k在设定时间段内的入库次数，P_ok表示货物k在设定时间段的出库次数，T_k表示货物k的设定时间段，所述设定时间段以天为单位；

V_k＝m_k×N_K (4)

其中，m_K为每个货物k的质量，N_K为每个货位可容纳货物k的数量。

进一步的，将单排货架视为一个矩阵，X为货位所在列，Y为货位所在层，货位所在的位置用坐标(X，Y)表示；

对于有n个出库任务的优化，所述出库顺序计算模块中作业时间T的优化方法为：

约束条件为：

J_c＝{1,2,3KK n}；

X_ij＝1,i到j有运输任务；

X_ij＝0,i到j没有运输任务；

i∈J_c；

j∈J_c；

其中，J_c为任务集合，X_i为第i个货位的横坐标，Y_i为第i个货位的纵坐标，X₀为出入库台的横坐标，Y₀为出入库台的纵坐标。

本发明所产生的有益效果包括：本发明通过物料对应的货位数量统计模块能够优化货物的货位分配和货物的出货顺序，充分利用现有货位数量进行合理分配，最大程度上避免货位分配混乱或货位不足的问题，通过物料对应的货位位置获取模块结合货位和货物的属性合理优化每类货物对应的货位位置，通过出库顺序计算模块优化货物的出库顺序，实现出库时长最短。

附图说明

图1为本发明提出一种基于遗传邻域搜索算法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。

现有技术货物入库时采用固定货位策略，导致货位的利用率极其低下，某些货位长期处于空置状态，新老货物的货位属性变更造成管理混乱，容易引起出入库的操作错误，而且货物的货位分布完全没有考虑货物的出库频率、相关性等情况，导致出库效率极其低下。因此本发明提出了货位布局优化系统，主要包括货物对应的货位数量统计模块，货物相关性分析模块与货物对应的货位位置获取模块。货物对应的货位数量统计模块主要根据货物种类以及具体的库存数量分配每种货物对应的货位数量；货物相关性分配模块主要根据货物之间的相关性分配合理的存储货位；货物对应的货位位置获取模块主要是根据物质的大小与重量合理分配存储货位。本发明有效合理的利用仓库货位，可以提升堆垛机的作业效率，以及立体库的使用寿命。

在立体仓库中，每个货位的存储空间是一定的，存储货物的库存量和尺寸不尽相同，因此，每种货物所需的货位数量也是各不相同。存储货物的历史最大库存量可以从仓库管理台账或仓库管理系统中得到，每个货物在某一货位上的最大存储量可根据货位尺寸和货物尺寸得到，也可直接从仓库管理系统中得到。

根据以上数据，可计算出在设定时间段内每种货物在自动化立体仓库中需要安排的最大货位数量，为决策自动化立体仓库中能够存储的货物种类和数量提供基础数据。该处的设定时间段为统计时间内，对统计时间段内存储货物的货位进行优化分配。

计算出每一种待存储货物所需的最大货位数后，得到所有待存储货物所需的总货位数量。若所需的总货位数量没有超过立体仓库的存储能力，则可安排所有待存储货物存放在该自动化立体仓库中；若所需的总货位数量超过了自动化立体仓库的存储能力，则根据需要进行优化，优化方法为：将货位分为第一使用货位和第二使用货位，所述第一使用货位对应固定的货物种类，所述第二使用货位作为预留货位供给无货位的货物。在该优选方法中尽量把用量少、出入库操作频率低的货物存放到第二使用货位上。

某一货物的最大库存量在一段时间内可能会存在波动，为了避免出现分配给其的储位不足的情况，同时兼顾货位的利用率，在仓库的某个区域，设置第二使用货位作为预留货位，当货物的最大库存量超过预设的第一使用货位的数量时，将多出的部分暂时存储在预留货位上。

储存在预留货位上的货物，可根据其出库频率的实际情况分两种方式处理：若出库频率较高，可不按照先进先出原则，优先安排第二使用货位上的货物出库；若出库频率较低，当货物对应的第一使用货位出现空闲时，将第二使用货位上的货物放置到对应的第一使用货位上，保持先进先出的原则。不论按照哪种方式进行操作，应尽量保证预留货位的应急属性。

货物相关性分析模块，该模块根据货位布局优化的相关性原则，把相关性货物尽量存放在邻近区域内。在相关性原则下，可根据相关性属性的不同种类，在自动化立体仓库中划分多个大储区。根据相关性原则划分大储区，既可以提高仓管员的管理效率，又可大大缩短拣货时间，提高拣货效率。如：变压器以及相关的零件或配件存放在相邻区域。

货物对应的货位位置获取模块根据货物便捷度来获取所对应的货位位置，货物便捷度为巷道堆垛机将货物从货位输送到出入口(或相反操作)的便利程度，货物的便捷性与三个因素相关，货物存储货位，货物的操作频率，货物的外形。

本发明货物存储货位的便捷度使用的是运输时间值。当货位离出入库较近时该时间越短，则便捷度越高，反之，便捷度越低。本发明定义的货物货位便捷度公式如下：

其中：L_xz表示第x排z层货位的便捷度，x表示货位在立体库中的行数,z表示货位在立体库的层数，L为货位的宽度，H为货位的高度，v_x表示堆垛机水平方向运行速度，v_z表示堆垛机垂直方向运行速度。根据上述公式可以计算出每个货位距离的便捷度。

若某种货物经常频繁性操作，那么该货物应存储离出入口较近的货位，这样可以有效的提升作业效率，因此本发明定义的货物操作频率公式如下：

其中,f_k表示货物k的操作频率，P_ik表示货物k在统计期间(统计期间的长短具体根据WMS盘库时间，正常是以过去一个月作为一个周期)内的入库次数，P_ok表示货物k在统计期间内的出库次数，T_k表示货物k的统计天数，将仓库管理系统与货物对应的货位位置获取模块相连，货物对应的货位位置获取模块从仓库管理系统中获得P_ik、P_ok和T_k。

若货物重量较重时，为了方便存储以及安全性，应当将该货物存放置较低的货位且离出入口较近的货位中，因此本发明定义了货物的重量公式如下：

V_k＝m_k×N_K

其中，V_K为某货位货物k的总重量，m_K为每个货物k的质量，N_K为每个货位可容纳货物k的数量。

根据上面分析，本发明定义货物便捷度C_k如下公式：

综上所述，在物资入库时，可以根据上述的三种原则选取存储货位，可以有效的提升后期的堆垛机作业效率。

现有技术货物出库时，未考虑堆垛机的拣货顺序，导致堆垛机行在拣货的过程中，有重复行走的路径出现，行走的总路径明显过长，导致出库效率低下。因此，本发明提出了货物出库优化方法，主要是设计了堆垛机的运行路径。在出库操作中，根据WMS下发的订单任务，根据堆垛机的行走距离以及实际的时间计算出一个合理的出库顺序，提升出库时的运行效率。

出库顺序计算模块对物资出库顺序进行优化，具体方案如下：

现有的立体仓库的出库作业可分为两种：一种是物资出库，一种是物资拣货出库，本发明主要研究的是拣货出库。具体流程如下：一个出库单有多个出库任务，从起始位出发，依次到达各个任务点进行取货，返回出库口，拣货回库(物资出库没有该流程)，再重复进行出库作业，直至出库单上所有物资出库完成为止。

本发明主要的优化目标堆垛机行走过程，以作业时间最短为优化目标。为了方便优化数学模型的建立，不妨做以下假设：

(1)每个货位的尺寸相同，长度为L，高度为H；

(2)巷道堆垛机在水平方向匀速移动，速度为V_x，在垂直方向匀速移动，速度为V_y,并且巷道堆垛机在水平方向和垂直方向可同时运动；

(3)将单排货架视为一个矩阵，即用X表示货位所在列，用Y表示货位所在层，货位所在的位置用坐标(X，Y)表示，第i个货位的位置用坐标(X_i,Y_i)表示，出入库台的坐标用(X₀,Y₀)表示；

(4)共有n个拣货任务。n个拣货任务，拣货任务也是出库任务，n个货物出库,电网物资正常是一个货位一个货物，也有特殊情况，一个货位有好多货物。

当出库任务单通过计算机控制系统向巷道堆垛机发出后，巷道堆垛机从原点(X₀,Y₀)出发，行走至第一个物资货位点(X₁，Y₁)所需时间，将托盘搬运至出入库台，拣货作业完成后，将托盘送回原货位，整个过程所需时间为：

完成第二个拣货出库任务即对第二个货物的出库时间为：

以此类推，巷道堆垛机完成第(n-1)个拣货任务后，从第(n-1)个拣货点出发，前往第n个拣货点，将托盘搬运至出入库台，拣货作业完成后，将托盘送回原货位，忽略搬运作业和拣选作业的时间，整个过程所需时间为：

最后，堆垛机完成所有拣货任务后，从第n个货位返回至出入库台，该过程所需时间为：

因此，完成n个拣货任后，巷道堆垛机回到原点，行走作业过程所需总时间为：

T＝T₁+T₂+L+T_n+T_n-0

即：

因此完成所有任务的时间为：

因此本发明对总时间进行优化T，求解T的最小值，约束条件如下：

J_c＝{1,2,3KK n}；

X_ij＝1,i到j有运输任务；

X_ij＝0,i到j没有运输任务；

i∈J_c；

j∈J_c；

其中，J_c为任务集合，X_ij为决策变量，I到j有运输任务的含义为从i仓位拿取一个货物，继续去j仓位拿取货物。

上述数学模型是一个整数规划模型，由于模型中存在着最大、最小函数，所以模型不是一个线性规划模型，经典的数学规划优化器无法对上述模型进行优化求解。因此，上述模型采用启发式算法进行寻优。

首先构筑上述模型的简单启发式算法，即：在拣货点中任意选取拣货操作的起始点(对起始点进行已经操作的标识)；然后任意在未标识已操作的操作点中选择后续的操作点；计算操作时间；将计算时间进行累加；判断是否所有操作点都已经标识，如果是，计算完成，输出累加的时间；如果还有未标识操作点，继续循环计算。这样的计算设定为K次，选取最小的累加结果和操作顺序，就是优化数学模型的近似最优解。显然这种算法的效率很低，寻优时间过长。

为了提高计算效率，对算法进行改进，利用邻域搜索法构建现代启发式算法。如图1，由于操作时间和操作点的X、Y坐标有关，所以对坐标进行排序处理，即先对坐标X进行排序、再对坐标Y进行排序，将这个排序结果作为初始的结果，计算操作时间，即为优化数学模型的初始解。由于在便捷度上，有相同X或Y存在不同的便捷度和相同便捷度的情况，所以，对相同X或相同Y的操作点做扰动处理，即对于有相同X或Y的操作点进行互换，再计算时间。保留最后的结果，即为优化数学模型的近似最优解。

利用邻域搜索法构建的现代启发式算法，计算步骤如下：

(1)将所有待拣货货位的横坐标X从小到大进行排序；

(2)对于有相同横坐标X的货位，再对纵坐标Y从小到大进行排序；

(3)根据步骤(1)、(2)的排序得到的计算结果，输出初始解；

(4)依次对横坐标X相同的货位的纵坐标进行扰动，每一次扰动后输入计算结果，干扰主要使用的是遗传算法中的选择、交叉、变异操作；

(5)将每一次扰动后的计算结果与上一次计算结果进行对比；若输出的解更优，则保留，作为新的初始解；若输出的解相比于上一次计算结果没有改进，则舍弃本次计算结果，保留原初始解；

(6)当满足迭代次数时，跳出循环；

(7)输出最终保留的计算结果，即为近似最优解。

本发明中的货物对应的货位数量统计模块、货物对应的货位位置获取模块和出库顺序计算模块均置于巷道堆垛机处理系统内，巷道堆垛机根据所述货物对应的货位数量统计模块和货物对应的货位位置获取模块的结果进行货物的入库动作，根据所述出库顺序计算模块的计算结果进行货物的出库动作。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，出了本发明以上公开的其他的实施例等同的落在本发明的范围内。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种堆垛机出入库货位调度系统，其特征在于：包括以下模块

货物对应的货位数量统计模块：对设定时间段内库内待存货物数量进行统计，并根据所述库内待存货物数量确定所需的货位数量，对每种货物的货位数量进行分配；

货物对应的货位位置获取模块：获取货物便捷度，依据所述货物便捷度安排对应的货位，所述货物便捷度根据货位便捷度、货物的操作频率和货物的重量获得，所述货位便捷度根据巷道堆垛机从货位至出入库台的时间得到，所述货物的操作频率为货物在设定时间段内出入库的次数；

出库顺序计算模块，所述出库顺序计算模块以作业时间最短为优化目标，对货位上的货物出货顺序进行排列。

堆垛机根据所述货物对应的货位数量统计模块和货物对应的货位位置获取模块的结果进行货物的入库动作，根据所述出库顺序计算模块的计算结果进行货物的出库动作。

2.根据权利要求1所述的堆垛机入库时货位调度系统，其特征在于：货位数量分配方法为：

a计算每种货物在设定时间段内货物数量最多时所对应的货位数，所述货位数计算公式如下：

其中：Q_K为货物k所需货位的数量，M_K为货物K在设定时间内的最大库存量，N_K为每个货位可容纳货物k的数量；

b根据每种货物对应的货位数得到所有货物所需的总货位数；

c若b中得到的总货位数不超出仓库内实际的货位数时，则按照a中货位数对每种货物进行分配；若b中得到的总货位数超出仓库内实际的货位数时，则通过划分预留货位进行分配。

3.根据权利要求2所述的堆垛机入库时货位调度系统，其特征在于：将仓库货位分为第一使用货位和第二使用货位，所述第一使用货位对应固定的货物种类，所述第二使用货位作为预留货位，当入库的货物对应的第一使用货位已满时，将入库的货物放置在所述第二使用货位上。

4.根据权利要求1所述的堆垛机入库时货位调度系统，其特征在于：还包括相关性分析模块，所述相关性分析模块内存储有库内货物种类，所述相关性分析模块分析库内各类货物的相关性，依据货物相关性分配货物所占的货位。

5.根据权利要求1所述的堆垛机入库时货位调度系统，其特征在于：所述货物便捷度的计算方法为：

其中L_xz表示第x排z层货位的便捷度，f_k表示货物k的操作频率，V_K为某货位货物k的总重量，L_xz、f_k和V_K分别通过式(2)(3)和式(4)获得；

x表示货位在立体库中的行数,z表示货位在立体库的层数，L为货位的宽度，H为货位的高度；

其中,P_ik表示货物k在设定时间段内的入库次数，P_ok表示货物k在设定时间段的出库次数，T_k表示货物k的设定时间段，所述设定时间段以天为单位；

V_k＝m_k×N_K (4)

其中，m_K为每个货物k的质量，N_K为每个货位可容纳货物k的数量。

6.根据权利要求1所述的堆垛机出入库货位调度系统，其特征在于：将单排货架视为一个矩阵，X为货位所在列，Y为货位所在层，货位所在的位置用坐标(X，Y)表示；

对于有n个出库任务的优化，所述出库顺序计算模块中作业时间T的优化方法为：

约束条件为：

J_c＝{1,2,3K K n}；

X_ij＝1,i到j有运输任务；

X_ij＝0,i到j没有运输任务；

i∈J_c；

j∈J_c；

其中，J_c为任务集合，X_i为第i个货位的横坐标，Y_i为第i个货位的纵坐标，X₀为出入库台的横坐标，Y₀为出入库台的纵坐标。

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