CN114355854B - 一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法，包括以下算法步骤：构建了同时包含自动导引车和电梯联合调度胡两层制造车间拓扑布局，采用第三代非支配排序遗传算法来求解电梯和AGV联合调度多目标优化问题，并为算法设计了四链染色体编码和解码、合适的种群初始化方法和适宜的遗传操作算子。本发明顺利的完成了两层制造车间中的物料、半成品和成品通过AGV实现自动运输，同时缩端了运输所用的时间，提高了用户的生产效率。

Description

一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法

技术领域

本发明涉及柔性制造系统和和自动导引车调度相关技术领域，尤其涉及一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法。

背景技术

伴随着逐日上升的生产效率，各行业对产品千差百异的需求量，以及多样的需求方式，运载成为亟待解决的问题。在生产过程中，生产物料的运输，工件在各个工序之间的输送，产品的入库都必须是及时且适宜；产品的出库，货物的装卸都必须是高效且便捷，良好的运输是实现这些先进生产方式的重要一步，而传统的人工作业方式，却可能因种种原因导致运输过程效率低下，自动导引车(Automated Guided Vehicle,AGV)的出现使运输效率得到逐步提升，在柔性制造系统中，自动导引车担任着重要的角色，在生产制造的每一个环节，如物料运输、半成品和成品运输。因此，自动导引车的使用减少了该环节的大量劳动力资源，也有助于数字化和智能制造的推进。

在实际生产车间现场中，车间布局往往可能是空间立体布局的，自动导引车在进行物料运输时需要通过电梯在立体空间的多个楼层之间进行搬运作业。那么自动导引车通过电梯在楼层之间进行转换时，将会出现自动导引车与电梯处在立体制造车间中不同楼层的情况，导致自动导引车进入等待状态，这样便会造成极大的时间浪费。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法，包括以下算法步骤：

S1、将两层制造车间中设置为上层中的10个工位(Ω₁,Ω₂,L,Ω₁₀)和下层中的8个工位(M₁,M₂,L,M₈)，两个楼层之间由电梯进行传送，上层和下层的工位之间由自动导引车进行转运，每个工位都有一个用于物料或产品装卸操作的自动导引车停靠区域，电梯在每一层有一个等待区域,当电梯和自动导引车为处在相同的楼层时，自动导引车可以直接进行进入电梯并由电梯传送至另一个楼层；但是当电梯和自动导引车处在不同的楼层时，自动导引车需要等等待区等待电梯空载运行至与自动导引车相同的楼层后才可以进行传送自动导引车的操作；

S2、采用第三代非支配排序遗传算法(NSGA-III)来求解电梯和自动导引车联合调度多目标优化问题，并为算法设计了四链染色体编码和解码、合适的种群初始化方法和适宜的遗传操作算子；

S3、提出四链式染色体编码来表征待优化的任务序列，第一条链是任务链(Job)，所有的任务在这条染色体链上被排序，代表任务被执行的顺序；第二条染色体链是自动导引车(AGV)链，旨在于为对应的每个任务分配一台自动导引车，第三条和第四条染色体链分别是自动导引车下行(Down)和上行(Up)时选择的电梯；

S4、为了得到每台自动导引车的作业任务和顺序，需要对四链式染色体编码进行解码，解码的步骤是：

将染色体链沿竖直方向切割开，形成(8,4,3,1)，(5,2,1,2)等形式的四元组依次排列；

将自动导引车的编码序号相同的四元组依次排列在一起，形成与自动导引车数量和序号相同的子链；

上述的每一条子链即是每台自动导引车对应的任务，并且子链上任务的顺序即是自动导引车执行每一个任务的顺序。

由于每一个任务有且只有一个任务编号，故在种群中每个任务的编号必须唯一，且每个任务都必须出现在任务链中，采用对随机数进行排序的方法，生成初始任务链。其他三条链均采用均匀分布随机整数生成初始种群。

为保证任务链中的任务编号的唯一性将不会被破坏，IPOX交叉被用来解决这个问题，假设P1和P2是父代染色体链，O1和O2是子代染色体链，该交叉方法的步骤是：

将染色体中所有编码分成两个集合，即J1和J2，把P1中的J1复制到O1中相同的位置，同理，把P2中J2复制到O2中相同位置，

把P2中的J2依次复制到O1中，把P1中的J1依次复制到O2中，

在其他三条链中采用MPX交叉，首先在染色体链中选择一组位置p，然后将P1和P2中这些位置上的染色体编码进行交换，其他位置的染色体编码保持不变，得到子代染色体编码O1和O2。

为保证进行变异操作时不会破坏任务链中任务编号的唯一性，插入变异算子被用来保持任务编号的唯一性，该变异方法的步骤是：

在父代染色体链P1中随机选择两个位置p1和p2(p1<p2)，将p2位置染色体编码取出并插入到p1所在位置；

从p1开始的染色体编码依次向后移动一位，获得子代染色体O1，

其他三条染色体采用多点变异，其步骤是：在父代染色体链P1中随机选择一组位置p，然后将这一组位置上的染色体编码进行单点变异操作。

本发明的有益效果是：

1、两层制造车间中的物料、半成品和成品通过自动导引车实现自动运输，可以实现复杂的多工序产品在不同楼层的机床上进行加工。

2、自动导引车和电梯的同时调度，既能够缩短完工时间和总能耗，并且能够保证自动导引车在前往其他楼层时等待电梯的次数尽可能最少，从而保证自动导引车持续作业，保持生产效率稳定。

附图说明

图1为本发明提出的一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法的两层制造车间布局拓扑图；

图2为本发明提出的一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法的NSGA-III算法流程图；

图3为本发明提出的一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法的四链式染色体编码图；

图4为本发明提出的一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法的IPOX示意图；

图5为本发明提出的一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法的MPX示意图；

图6为本发明提出的一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法的插入变异示意图；

图7为本发明提出的一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法的多点变异示意图。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-7，一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法，包括以下算法步骤：

S1、将两层制造车间中设置为上层中的10个工位(Ω₁,Ω₂,L,Ω₁₀)和下层中的8个工位(M₁,M₂,L,M₈)，两个楼层之间由电梯进行传送，上层和下层的工位之间由自动导引车进行转运，每个工位都有一个用于物料或产品装卸操作的自动导引车停靠区域，电梯在每一层有一个等待区域,当电梯和自动导引车为处在相同的楼层时，自动导引车可以直接进行进入电梯并由电梯传送至另一个楼层；但是当电梯和自动导引车处在不同的楼层时，自动导引车需要等等待区等待电梯空载运行至与自动导引车相同的楼层后才可以进行传送自动导引车的操作；

S2、采用第三代非支配排序遗传算法(NSGA-III)来求解电梯和自动导引车联合调度多目标优化问题，并为算法设计了四链染色体编码和解码、合适的种群初始化方法和适宜的遗传操作算子；

S3、提出四链式染色体编码来表征待优化的任务序列，第一条链是任务链(Job)，所有的任务在这条染色体链上被排序，代表任务被执行的顺序；第二条染色体链是自动导引车(AGV)链，旨在于为对应的每个任务分配一台自动导引车，第三条和第四条染色体链分别是自动导引车下行(Down)和上行(Up)时选择的电梯；

S4、为了得到每台自动导引车的作业任务和顺序，需要对四链式染色体编码进行解码，解码的步骤是：

将染色体链沿竖直方向切割开，形成(8,4,3,1)，(5,2,1,2)等形式的四元组依次排列；

将自动导引车的编码序号相同的四元组依次排列在一起，形成与自动导引车数量和序号相同的子链；

上述的每一条子链即是每台自动导引车对应的任务，并且子链上任务的顺序即是自动导引车执行每一个任务的顺序。

由于每一个任务有且只有一个任务编号，故在种群中每个任务的编号必须唯一，且每个任务都必须出现在任务链中，采用对随机数进行排序的方法，生成初始任务链。其他三条链均采用均匀分布随机整数生成初始种群。

为保证任务链中的任务编号的唯一性将不会被破坏；IPOX交叉被用来解决这个问题，假设P1和P2是父代染色体链，O1和O2是子代染色体链，该交叉方法的步骤是：

将染色体中所有编码分成两个集合，即J1和J2，把P1中的J1复制到O1中相同的位置，同理，把P2中J2复制到O2中相同位置，

把P2中的J2依次复制到O1中，把P1中的J1依次复制到O2中，

在其他三条链中采用MPX交叉；首先在染色体链中选择一组位置p，然后将P1和P2中这些位置上的染色体编码进行交换，其他位置的染色体编码保持不变，得到子代染色体编码O1和O2。

为保证进行变异操作时不会破坏任务链中任务编号的唯一性，插入变异算子被用来保持任务编号的唯一性；该变异方法的步骤是：

在父代染色体链P1中随机选择两个位置p1和p2(p1<p2)，将p2位置染色体编码取出并插入到p1所在位置；

从p1开始的染色体编码依次向后移动一位，获得子代染色体O1，

其他三条染色体采用多点变异，其步骤是：在父代染色体链P1中随机选择一组位置p，然后将这一组位置上的染色体编码进行单点变异操作。

本发明利用算法步骤等设置，有效的完成了两层制造车间中的物料、半成品和成品通过自动导引车实现自动运输，同时利用此算法步骤可以实现复杂的多工序产品在不同楼层的机床上进行加工，极大地方便了用户进行工作，同时利用此算法步骤能够使得自动导引车和电梯的可以同时调度，这样既能够缩短完工时间和总能耗，还能够保证自动导引车在前往其他楼层时等待电梯的次数尽可能最少，从而保证自动导引车持续作业，保持生产效率稳定，极大的缩短了物料的运输时间，继而极大的提高了生产工作的效率。

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 (4)

1.一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法，其特征在于，包括以下算法步骤：

S1、将两层制造车间中设置为上层中的10个工位(Ω₁,Ω₂,L,Ω₁₀)和下层中的8个工位(M₁,M₂,L,M₈)，两个楼层之间由电梯进行传送，上层和下层的工位之间由自动导引车进行转运，每个工位都有一个用于物料或产品装卸操作的自动导引车停靠区域，电梯在每一层有一个等待区域,当电梯和自动导引车为处在相同的楼层时，自动导引车可以直接进行进入电梯并由电梯传送至另一个楼层；但是当电梯和自动导引车处在不同的楼层时，自动导引车需要在等待区域等待电梯空载运行至与自动导引车相同的楼层后才可以进行传送自动导引车的操作；

S2、采用第三代非支配排序遗传算法(NSGA-III)来求解电梯和自动导引车联合调度多目标优化问题，并为算法设计了四链式染色体编码和解码、合适的种群初始化方法和适宜的遗传操作算子；

S3、提出四链式染色体编码来表征待优化的任务序列，第一条链是任务链(Job)，所有的任务在这条染色体链上被排序，代表任务被执行的顺序；第二条染色体链是自动导引车(AGV)链，旨在于为对应的每个任务分配一台自动导引车，第三条和第四条染色体链分别是自动导引车下行(Down)和上行(Up)时选择的电梯；

S4、为了得到每台自动导引车的作业任务和顺序，需要对四链式染色体编码进行解码，解码的步骤是：

将染色体链沿竖直方向切割开，形成(8,4,3,1)，(5,2,1,2)形式的四元组依次排列；

将自动导引车的编码序号相同的四元组依次排列在一起，形成与自动导引车数量和序号相同的子链；

上述的每一条子链即是每台自动导引车对应的任务，并且子链上任务的顺序即是自动导引车执行每一个任务的顺序。

2.根据权利要求1所述的一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法，其特征在于,由于每一个任务有且只有一个任务编号，故在种群中每个任务的编号必须唯一，且每个任务都必须出现在任务链中，采用对随机数进行排序的方法，生成初始任务链，其他三条链均采用均匀分布随机整数生成初始种群。

3.根据权利要求1所述的一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法，其特征在于，为保证任务链中的任务编号的唯一性将不会被破坏，IPOX交叉被用来解决这个问题，假设P1和P2是父代染色体链，O1和O2是子代染色体链，该交叉方法的步骤是：

将染色体中所有编码分成两个集合，即J1和J2，把P1中的J1复制到O1中相同的位置，同理，把P2中J2复制到O2中相同位置；

把P2中的J2依次复制到O1中，把P1中的J1依次复制到O2中；

在其他三条链中采用MPX交叉，首先在染色体链中选择一组位置p，然后将P1和P2中这些位置上的染色体编码进行交换，其他位置的染色体编码保持不变，得到子代染色体编码O1和O2。

4.根据权利要求1所述的一种两层制造车间自动导引车和电梯联合调度方法，其特征在于，为保证进行变异操作时不会破坏任务链中任务编号的唯一性，插入变异算子被用来保持任务编号的唯一性，该变异方法的步骤是：

在父代染色体链P1中随机选择两个位置p1和p2(p1<p2)，将p2位置染色体编码取出并插入到p1所在位置；

从p1开始的染色体编码依次向后移动一位，获得子代染色体O1；

其他三条染色体采用多点变异，其步骤是：在父代染色体链P1中随机选择一组位置p，然后将这一组位置上的染色体编码进行单点变异操作。