CN114757627A - 一种接力式吊运路径规划和调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于货物吊运路径规划和调度领域，公开了一种接力式吊运路径规划和调度方法，具体步骤为：根据所有需吊运的最优货物路径信息，建立路径库和交叉点库；根据工程现场的实际吊运装置安装情况，设置吊运装置群坐标；根据待吊运货物的起点坐标、终点坐标、优先级和货物属性规划出所有的吊运路径；对每一条吊运路径进行比较判断，选择出最优吊运路径吊运待吊运货物。本发明增加多路径交叉问题解决方案，更好的提升优化效率；增加了优先级选择，方便了多任务之间的群控；建立路径库，在意见规划的路径基础上进行选择，有效降低了路径规划复杂度；本发明对单吊运装置控制系统而言，系统能效显著提升。

Description

一种接力式吊运路径规划和调度方法

技术领域

本发明属于货物吊运路径规划和调度领域，具体涉及一种接力式吊运路径规划和调度方法。

背景技术

作为施工现场运输提升建筑材料的关键特种设备，吊运装置目前广泛应用于建筑工程施工过程，特别是在高层建筑、异形建筑等工程量密集的中心城市区域。吊运装置的作业时间不仅直接影响施工进度、工期成本，并且会对设备自身健康以及施工现场带来巨大的安全隐患。目前，吊运装置驾驶人员和现场调度人员往往根据个人主观经验管理吊运装置工作过程，没有形成规范的作业计划以及科学的理论体系。因此，施工现场迫切需求优化吊运装置服务序列，减少作业流程时间，提升吊运装置作业效率，该研究具有工程应用价值与理论意义。当前，国内外有关吊运装置提升作业的相关研究可分为两类：吊运装置的布局优化研究和吊运装置提升过程中效率的研究。Zhang 等提出一种确定吊运装置最优位置的方法，通过定位吊钩总运动时间最小的点来优化位置。Tam 等提出一种利用遗传算法（GA）和人工神经网络（ANN）确定最优吊运装置位置，即总成本最小点的方法（总成本=移动时间×所需成本）。Sacks 等设计一种方法，将监测设备安装在吊运装置上，自动收集数据并将数据应用于项目管理。近年来，越来越多的吊运装置管理研究使用了建筑信息模型（BIM）。Lee 等设计一种吊运装置导航系统，该系统利用BIM 对吊运装置操作人员不可见的起重物料进行导航，并开发一种利用传感器和摄像机实时监测下降物料位置来优化吊运装置物料升降的方法。已有的研究成果中大多围绕吊运装置布局、吊运装置监控、吊运装置提升量等方面。2014 年，Zavichi 等首次提出吊运装置的服务序列问题（Crane Service SequenceProblem，CSSP），并将其转化为TSP（Traveling Salesman Problem）问题进行求解。Monghasemi 等基于博弈论方法，对起重机服务序列的等待时间进行了优化。以上方法均未能考虑物料运输过程中路径交叉的长距离情形，本发明重点考虑物料运输任务带有路径交叉的长距离路径情形，通过调度算法更好提升优化效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种接力式吊运路径规划和调度方法，适用于无人式、自动化、长距离、货物路径多且复杂的货物吊运路径规划和调度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种接力式吊运路径规划和调度方法，具体步骤为：

根据所有需吊运的最优货物路径信息，建立路径库和交叉点库；

根据工程现场的实际吊运装置安装情况，设置吊运装置群坐标；

根据待吊运货物的起点坐标、终点坐标、优先级和货物属性规划出所有的吊运路径；

对每一条吊运路径进行比较判断，选择出最优吊运路径吊运待吊运货物。

进一步地，所述建立路径库和交叉点库的具体步骤为：

根据工程现场的实际吊运装置安装情况设置吊运装置坐标，其坐标为坐标原点和吊装半径；

在吊运装置的圆域耦合的情况下，利用时间差或者空间差的方式实现吊运装置的自动防碰撞；

根据待吊运货物的吊运路径必经之路，设置吊运接力点，选择最优的吊运接力点，所述接力点即为交叉点；

形成的所有需吊运的最优货物路径信息，构成路径库，所有的交叉点信息构成交叉点库。

进一步地，所述路径库中的路径分为高优先级路径、可动态调整规划路径和低优先级路径。

进一步地，所述对每一条吊运路径进行比较判断，选择出最优吊运路径吊运待吊运货物，具体步骤为：

逐个扫描路径库中的每个路径，判断有没有高优先级路径，若有则按照优先级加入处理序列头部；否则进入下一步；

判断有没有第优先级路径，若有则按照优先级加入处理序列尾部；否则进入可动态规划调整路径；

扫描路径库内剩余的路径，统计每条路径的各型交叉点个数和交叉点总和；

扫描交叉点库，并确定每个交叉点的优先级最大值、优先级最小值、优先级之和和该交叉点处的路径条数；

利用公式：交叉点型+优先级由小到大排序序号，计算每个交叉点的权值，选出权值最大的交叉点；

初选该交叉点处所有的路径，并利用公式：路径所经过交叉点型的和+优先级，计算出每条路径的权值，选出权值最大的路径；

执行该路径，并将该路径的信息和交叉点信息从路径库和交叉点库删除，重复所述选择出最优吊运路径吊运待吊运货物的步骤，直到待吊运货物吊运完成，或者根据需求增加新的路径。

进一步地，所述时间差是圆域重叠的吊运装置分先后顺序进行吊运与进行防碰撞；所述空间差是若垂直Z方向上允许，使重叠的吊运装置在碰撞区同时工作，空间上错开。

进一步地，所述待吊运货物的起点坐标和终点坐标分别为待吊运货物在接力式吊运的起点和终点；所述优先级是否为紧急吊运优先级，是否需要选择紧急吊运路径；所述货物属性为货物的状态约束条件，如货物种类、形状、软硬度（刚性）、重量等具体属性值组成的集合。

进一步地，所述交叉点表示为Cross1（P1）={Path1, Path2, Path3, Path4,…}；

其中其型值P1等于参数个数，交叉点表示是唯一的，参数不会重复，且打乱顺序没有影响：Path表示该交叉点处的路径；

所述路径表示为Path1={G1，EQ1, EQ2,EQ3…}；表示路径Path1关联了待吊运货物G1，并且由编号为第1、2和3等多个吊运装置接力式吊运。

进一步地，所述交叉点为接力点，两条路径形成交叉点的情况：

第一，路径独立，两条路径没有交叉点；

第二，路径交叉，则路径具有共用的接力点EQk；

若路径规划优化合理，则两条路径不可能出现超过1个交叉点，存在共享相邻接力点的情况；

三条路径的交叉点情况：

第一，路径独立，3条路径没有交叉点；

第二，路径交叉，只有二型交叉点1-2个，即十交叉；

第三，路径交叉，有三型交叉点1个；

四条路径及以上情况类似，其极限情况是具有一个四型及以上交叉点。

本发明的有益效果在于：1)增加多路径交叉问题解决方案，更好的提升优化效率；2)增加了优先级选择，方便了多任务之间的群控；3) 建立路径库，在意见规划的路径基础上进行选择，有效降低了路径规划复杂度；4)本发明对单吊运装置控制系统而言，系统能效显著提升。

附图说明

附图1为一个实施例中货物状态参数；

附图2为一个实施例中实际吊运装置安装示意图；

附图3为一个实施例中货物状态、接力点示意图；

附图4为一个实施例中单路径的表示示意图；

附图5（a）为一个实施例中两条路径独立示意图；

附图5（b）为一个实施例中两条路径交叉情况示意图；

附图6（a）为一个实施例中三条路径独立示意图；

附图6（b）为一个实施例中三条路径中其中两条路径交叉情况示意图；

附图6（c）为一个实施例中三条路径相交两个交叉点情况示意图；

附图6（d）为一个实施例中三条路径相交一个交叉点情况示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

实施例一

步骤1：所述参数定义和参数生成方法，具体包括：

如图1所示，步骤1-1，定义货物状态库，根据工程现场的货物吊运需求，设置待吊运货物的状态表达式，如第n个货物的状态定义为Gn，定义如下：Gn={起点坐标GnStart(X,Y)、终点坐标GnEnd(X,Y)、优先级GnPriority、货物属性GnProperty }；

其中：起点坐标GnStart(X,Y)和终点坐标GnEnd(X,Y)为接力式吊运的起点和终点，可能经由多个吊运设备接力式吊运；

优先级GnPriority是此条路径的优先级设置，取值为单字节型0-255，其中0-15是紧急吊运优先级，用来处理紧急货物；240-255是最低优先级，用来处理需求最低的货物；普通优先级由中位数128向上、下增减，优先级必须不唯一。 若单字节型数据无法涵盖左右货物优先级，则可以推广为双字节型，以此类推；

货物属性GnProperty是货物的状态约束条件，如货物种类、形状、软硬度（刚性）、重量等具体属性值组成的集合，这些参数决定了货物的吊运方式、路径限制、优先级等一些具体参数。

步骤1-2，设置吊运路径，具体包括：

如图2所示，步骤1-2-1，设置吊运装置群坐标。根据工程现场的实际吊运装置安装情况，由GPS 高精度定位或者人工录入的方法，记录吊运装置的坐标，其坐标为坐标原点和吊装半径。如第k个吊运装置，定义为EQk(X,Y,R)，其中心点坐标是（X,Y），覆盖范围是半径为R的圆域，k是其序号，可以作为编号使用，在工程现场是唯一的。可知，工程现场中的所有吊运装置可能相互独立，即圆域不交叉或重叠；也可能多个圆域相互有耦合关系，能实现接力式吊运。

同时，在圆域耦合的情况下，必须实现吊运装置的自动防碰撞，可以以其时间差或者空间差的方式进行处理。其中时间差是圆域重叠的吊运装置分先后顺序进行吊运以进行防碰撞处理；空间差方式是若垂直z方向允许，可以使重叠的吊运装置在碰撞区同时工作，但是必须在空间上错开，以免发生实际碰撞。

如图3所示，步骤1-2-2，定义吊运接力点，因待吊运货物的吊运路径可能比较长，其起点和终点不能够由某一台吊运装置的覆盖范围所覆盖，需要在多个吊运装置间进行接力式中转，即为吊运接力点，吊运接力点实际就是相邻吊运装置其圆域重合部分中的某个点，是待吊运货物路径的必经之路。一条吊运路径视路径的实际情况可能包含多个接力点。而该货物设置的吊运路径是唯一的，且是最优的，如图3所示，图中从左至右分别为第一个交接区EQ_(1,2)，第二个交接区EQ_（2,3），EQ₂为中转区。

步骤1-3，定义货物吊运路径信息。路径信息包括步骤1-1至步骤1-2里面所提到的货物状态、接力点。按照此方法建立所有需吊运的最优货物路径信息，构成路径库。如图4所示，单路径可以用一条带箭头的曲线表示，带有起点终点和沿途的接力点。如：

Path1={G1，EQ1, EQ2,EQ3…}；表示路径Path1关联了货物G1，并且由编号为第1、2和3等多个吊运装置接力式吊运。多路径的表示，由于多路径可以是独立的，那就单独表示。

步骤1-4，定义交叉点：

但是多路径可能会有交叉点，由前面表示可知，交叉点一定是接力点EQk，下面讨论2条路径的情况：

第一，路径独立，两条路径没有交叉点，如图5（a）所示。

第二，路径交叉，则路径具有共用的接力点EQk，如图5（b）所示。

若路径规划比较优化合理，则两条路径不可能出现超过1个交叉点，但是可能存在共享相邻接力点的情况。

下面讨论3条路径的交叉情况：

第一，路径独立，3条路径没有交叉点，如图6（a）所示。

第二，路径交叉，只有二型交叉点1-2个（十交叉），如图6（b）、如图6（c）所示。

第三，路径交叉，有三型交叉点1个，如图6（d）所示。

4条路径及以上情况类似，其极限情况是具有一个四型及以上交叉点。

交叉点表示为

Cross1（P1）={Path1, Path2, Path3, Path4,…}；

其中其型值P1等于参数个数，由以上描述可知，该交叉点表示是唯一的，参数不会重复，且打乱顺序没有影响。

交叉点和吊装设备是完全可以一一对应的。

交叉点数量应予以统一统计，如各型交叉点个数，其包含路径优先级最大值，优先级最小值，优先级和，路径条数等。

步骤1-5，定义调度算法的路径库及交叉点库，包括：

步骤1-5-1，定义路径库，如：

Pathn={Gn，EQk, EQk+1,EQk+2……}{ Cross 1，Cross 2，…… }

参数有：路径信息以及含在Gn中的优先级（第一个大括号），路径的交叉点信息（第二个大括号）。

所有路径构成路径库，路径库是目标为驱动的纵向统计，路径库内路径有多少条，则以上信息就有多少项。

路径库PathSet={Pathn1, Pathn2，…… }；

其中，具有明确的每个路径的Gn中的优先级，交叉点信息等等。

步骤1-5-2，定义交叉点库，如：

CrossSet={ Cross 1，Cross 2，……}

交叉点数量应予以统一统计，如各型交叉点个数，其包含路径优先级最大值，优先级最小值，优先级和，路径条数等。

某条路径从开始点Sn开始到终点En可能会有多个交叉点，交叉点库表示为

{ Cross 1(P1)，Cross 2(P2)，……}，至此，待吊运货物的路径库和交叉点库分别建立起来了。

步骤2：路径规划

逐个扫描路径库中的每个路径，判断有没有高优先级路径，若有则按照优先级加入处理序列头部；否则进入下一步；

判断有没有第优先级路径，若有则按照优先级加入处理序列尾部；否则进入可动态规划调整路径；

扫描路径库内剩余的路径，统计每条路径的各型交叉点个数和交叉点总和；

扫描交叉点库，并确定每个交叉点的优先级最大值、优先级最小值、优先级之和和该交叉点处的路径条数；

利用公式：交叉点型+优先级由小到大排序序号，计算每个交叉点的权值，选出权值最大的交叉点；

初选该交叉点处所有的路径，并利用公式：路径所经过交叉点型的和+优先级，计算出每条路径的权值，选出权值最大的路径；

执行该路径，并将该路径的信息和交叉点信息从路径库和交叉点库删除，重复所述选择出最优吊运路径吊运待吊运货物的步骤，直到待吊运货物吊运完成，或者根据需求增加新的路径。

实施例二：

多条路径同时存在但不存在交叉点的情况，具体步骤为；

对吊运路径进行先后排序；

确定吊运路径处理顺序的参数，同实施例一中步骤1-1至步骤1-4；

规划吊运路径同实施例一中步骤2。

实施例三：

多路径同时存在交叉点，但仅部分路径存在交叉点的情况，具体步骤为：

对吊运路径进行先后排序；

确定吊运路径处理顺序的参数，同实施例一中步骤1-1至步骤1-4；

对于没有交叉点的路径，执行实施例一中步骤1-5，定义的路径库及交叉点库；

针对部分吊运路径存在交叉点的情况，分别执行实施例一中的步骤2进行规划吊运路径，然后再将存在交叉点的部分吊运路径作为整体，对全局路径分别执行实施例一中步骤2的吊运路径规划。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种接力式吊运路径规划和调度方法，其特征在于，具体步骤为：

根据所有需吊运的最优货物路径信息，建立路径库和交叉点库；

根据工程现场的实际吊运装置安装情况，设置吊运装置群坐标；

根据待吊运货物的起点坐标、终点坐标、优先级和货物属性规划出所有的吊运路径；

对每一条吊运路径进行比较判断，选择出最优吊运路径吊运待吊运货物。

2.如权利要求1所述的一种接力式吊运路径规划和调度方法，其特征在于，所述建立路径库和交叉点库的具体步骤为：

根据工程现场的实际吊运装置安装情况设置吊运装置坐标，其坐标为坐标原点和吊装半径；

在吊运装置的圆域耦合的情况下，利用时间差或者空间差的方式实现吊运装置的自动防碰撞；

根据待吊运货物的吊运路径必经之路，设置吊运接力点，选择最优的吊运接力点，所述接力点即为交叉点；

形成的所有需吊运的最优货物路径信息，构成路径库，所有的交叉点信息构成交叉点库。

3.如权利要求2所述的一种接力式吊运路径规划和调度方法，其特征在于，所述路径库中的路径分为高优先级路径、可动态调整规划路径和低优先级路径。

4.如权利要求3所述的一种接力式吊运路径规划和调度方法，其特征在于，所述对每一条吊运路径进行比较判断，选择出最优吊运路径吊运待吊运货物，具体步骤为：

逐个扫描路径库中的每个路径，判断有没有高优先级路径，若有则按照优先级加入处理序列头部；否则进入下一步；

判断有没有第优先级路径，若有则按照优先级加入处理序列尾部；否则进入可动态规划调整路径；

扫描路径库内剩余的路径，统计每条路径的各型交叉点个数和交叉点总和；

扫描交叉点库，并确定每个交叉点的优先级最大值、优先级最小值、优先级之和和该交叉点处的路径条数；

利用公式：交叉点型+优先级由小到大排序序号，计算每个交叉点的权值，选出权值最大的交叉点；

初选该交叉点处所有的路径，并利用公式：路径所经过交叉点型的和+优先级，计算出每条路径的权值，选出权值最大的路径；

执行该路径，并将该路径的信息和交叉点信息从路径库和交叉点库删除，重复所述选择出最优吊运路径吊运待吊运货物的步骤，直到待吊运货物吊运完成，或者根据需求增加新的路径。

5.如权利要求2所述的一种接力式吊运路径规划和调度方法，其特征在于，所述时间差是圆域重叠的吊运装置分先后顺序进行吊运与进行防碰撞；所述空间差是若垂直Z方向上允许，使重叠的吊运装置在碰撞区同时工作，空间上错开。

6.如权利要求1所述的一种接力式吊运路径规划和调度方法，其特征在于，所述待吊运货物的起点坐标和终点坐标分别为待吊运货物在接力式吊运的起点和终点；所述优先级是否为紧急吊运优先级，是否需要选择紧急吊运路径；所述货物属性为货物的状态约束条件，如货物种类、形状、软硬度（刚性）、重量等具体属性值组成的集合。

7.如权利要求1所述的一种接力式吊运路径规划和调度方法，其特征在于，所述交叉点表示为Cross1（P1）={Path1, Path2, Path3, Path4,…}；

其中其型值P1等于参数个数，交叉点表示是唯一的，参数不会重复，且打乱顺序没有影响：Path表示该交叉点处的路径；

所述路径表示为Path1={G1，EQ1, EQ2,EQ3…}；表示路径Path1关联了待吊运货物G1，并且由编号为第1、2和3等多个吊运装置接力式吊运。

8.如权利要求7所述的一种接力式吊运路径规划和调度方法，其特征在于，所述交叉点为接力点，两条路径形成交叉点的情况：

第一，路径独立，两条路径没有交叉点；

第二，路径交叉，则路径具有共用的接力点EQk；

若路径规划优化合理，则两条路径不可能出现超过1个交叉点，存在共享相邻接力点的情况；

三条路径的交叉点情况：

第一，路径独立，3条路径没有交叉点；

第二，路径交叉，只有二型交叉点1-2个，即十交叉；

第三，路径交叉，有三型交叉点1个；

四条路径及以上情况类似，其极限情况是具有一个四型及以上交叉点。

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