JP4377792B2 - 配車計画作成装置、配車計画作成方法、コンピュータプログラム、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体 - Google Patents
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Description
また、このような搬送命令の割り付けにより、搬送車の走行時間を短くしたり、搬送物が運び出されるまでの搬送待ち時間を短くしたり、搬送車の空車走行時間と搬送待ち時間両者のトレードオフとを最適に調整したりすることができるようにすることを第2の目的とする。
また、本発明の他の特徴とするところは、上記モデル構築手段は、上記搬送車が作業を行う場所であるスキッド用のペトリネットモデルモジュールと、上記搬送車が通信を行う場所である中継用ペトリネットモデルモジュールとを組み合わせてペトリネットモデルを構築することにある。
また、本発明のその他の特徴とするところは、上記モデル構築手段によって上記ペトリネットモデルを上記搬送車ごとに構築し、上記搬送命令が割り付け済みの搬送車については個々にペトリネットモデルを用い、上記搬送命令が未割り付けの搬送車については1つのペトリネットモデルをまとめて用いるようにし、上記搬送命令を上記未割り付けの搬送車に対して割り付けるようにしたことにある。
また、本発明のその他の特徴とするところは、上記制御手段は、上記操作ベクトル算出手段によって上記搬送車ごとに算出された操作ベクトルを統合した操作ベクトルに基づいて、各移動操作端に対して、上記統合した操作ベクトルの中の正値で大きい操作量が得られた順に各搬送物及び搬送車を移動可能な数だけ移動させるようにする操作を行うことにある。
また、本発明のその他の特徴とするところは、上記搬送車と上記搬送物の状態遷移を上記移動操作端の発火に応じて記憶し、上記ペトリネットモデルの搬送物及び搬送車のトークンの属性として与える状態管理手段を備えることにある。
また、本発明のその他の特徴とするところは、上記各搬送車の位置及び作業状態と、上記各搬送車に割り付いた各搬送物の搬送元及び搬送先とにより定義されるコスト関数を設定するコスト関数設定手段と、上記目標状態量を、上記コスト関数の係数比の関数として変更する目標値変更手段と、上記コスト関数の値ができるだけ小さくなるように、上記各搬送車に対して各搬送物を割付ける配車問題の解を、組み合わせ最適化手法を用いて複数求める配車組合わせ計算手段と、上記制御手段より得られた配車問題の解と、上記配車組み合わせ計算手段により得られた配車問題の解とに対して、各々シミュレーションを行い、上記コスト関数の値を計算するシミュレーション手段と、上記シミュレーション手段で計算された全てのコスト関数の値を比較し、最も小さい値に対応した配車問題の解を出力するコスト関数比較手段とを備え、上記操作ベクトル算出手段は、上記ゲイン行列算出手段により求められたフィードバックゲイン行列と、上記状態ベクトル入力手段により取得された仕掛状態を表す状態ベクトルと、上記目標値変更手段により変更された目標状態量とを用いて、上記搬送物及び搬送車の移動操作端に対する操作ベクトルを求めることにある。
また、本発明のその他の特徴とするところは、上記コスト関数設定手段は、各搬送車の空車走行時間の単調増加関数と各搬送物の搬送待ち時間の単調増加関数との線型和をコスト関数として用いることにある。
また、本発明のその他の特徴とするところは、上記コスト関数設定手段は、各搬送車の空車走行時間の単調増加関数と各搬送物の搬送待ち時間の単調増加関数と、特定のゾーン付近に搬送車が集中することによって値が大きくなる関数との線型和をコスト関数として用いることにある。
また、本発明のその他の特徴とするところは、上記配車組合わせ計算手段は、上記各搬送車のバッテリ残量が指定された値を下回らないように、上記各搬送車が最寄りのバッテリ場に到着するまでに走行する時間及び上記最寄りのバッテリ場における上記各搬送車の充電時間を加味して、上記配車問題の解を求めることにある。
また、本発明のその他の特徴とするところは、上記配車組合わせ計算手段は、上記搬送車の走行路を複数のエリアに分割して、そのエリアで空車と荷卸し中の搬送車とが、指定された台数以上になった場合には、上記指定された台数以下になるよう上記搬送車を別エリアに退避させるように、上記配車問題の解を求めることにある。
本発明のコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上記記載のコンピュータプログラムを記録したことを特徴とする。
また、本発明の他の特徴によれば、シミュレーションを行って、搬送車の位置及び作業状態と、搬送車に割り付いた搬送物の搬送元及び搬送先とにより定義されるコスト関数の値が小さくなる解を求め、その解に基づいて搬送車の割り付けを行うようにしたので、搬送車の空車走行時間と搬送物の搬送待ち時間とのトレードオフを考慮した割り付けを行うことができる。
(配車計画作成装置の概要)
図1は、本実施形態の配車計画作成装置の概略構成の一例を説明するブロック図である。
図1において、配車計画作成装置は、配車シミュレータ1aを備えたシミュレーション制御部1、及び最適化計算装置2等によって構成されている。
M(k+1)=M(k)+B・u(k) ・・・(イ)
すなわち、離散化したある時刻kにおいて各プレースに存在するトークンの数を示す状態ベクトル、言い換えれば状態量をM(k)で表し、各トランジションの発火の有無を"1"及び"0"で表現した操作ベクトルをu(k)で表すと、次の時刻k+1における状態ベクトルM(k+1)は、接続行列Bを用いて上記式(イ)で表すことができる。ここで、接続行列Bとは、u(k)のj番目に相当するトランジションが発火した際に、M(k)のi番目に相当するプレースに存在するトークンの増減数を(i,j)要素とする整数行列である。
S=Σ[M´(k)QM(k)+u´(k)Ru(k)] ・・・(ロ)
評価関数Sにおいて、Q、Rは制御目的にあわせて設定された適当な行列であり、M´(k),u´(k)は、それぞれ状態ベクトルM(k)、操作ベクトルu(k)の転置ベクトルである。Σはk=0〜∞までの{ }内の値の合計を表している。そして、この評価関数Sが最小となるように制御することを考えれば、
u(k)=−K・M(k) ・・・(ハ)
とした状態フィードバック制御を行うフィードバックゲインKを最適制御理論により求めることができる。
図2は、本発明の第1の実施形態を示し、無人搬送台車(AGV)の配車計画作成装置を実施したスケジューリングシステムの全体構成の一例を示すブロック図である。なお、以下の実施形態では、製鉄プロセスにおいて複数のAGVスキッド間でコイルを搬送する場合を例にとって説明する。
Q=QT≧0、R=RT>0
を満たすものとする(行列Q,Rの肩のTは転置行列であることを示す)。
M(k+1)=M(k)+B・u(k) ・・・(1)
M(k+1)−Mr=(M(k)−Mr)+B・u(k) ・・・(2)
ここで、M(k)−Mrを新たな状態x(k)と見ることができ、式(2)は、次の式(3)のように書ける。
x(k+1)=x(k)+B・u(k) ・・・(3)
u(k) =−K(M(k)−Mr)=−K・x(k) ・・・(4)
とした状態フィードバック制御を行うフィードバックゲイン行列Kを最適制御理論より求めることができる。
次に、このような原理に基づいて実際に実施するための具体的なペトリネットモデル設定について説明する。
図8において、最初にステップS1では、上位プロコン100から搬送命令及びAGV状態の情報を受信する。次に、ステップS2で、上記受信した情報をもとに前処理を行う。この前処理では、AGV及びコイルの各トークンを生成してそれぞれに属性を設定し、AGVのトークンはプレース"Common"にセットし、コイルのトークンはプレース"Request"にセットする。
最後に、ステップS5で、抽出したデータを上位プロコン100のフォーマットに変換して送信する。
特に、搬送プロセスの規模が差ほど大きくない場合には、評価行列Q,Rの要素数も少ないので、フィードバックゲインKの再計算も時間が掛からないため、オンラインで評価行列Q,Rの調整が可能であり、AGVの走行時間を短くしたり、搬送物が運び出されるまでの搬送待ち時間を短くしたりすることができる。したがって、搬送プロセスの規模が差ほど大きくない場合には、全体の構成を簡単にしながら、調整員が望む性能を達成することができる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した第1の実施形態と同一の部分については、詳細な説明を省略する。
上述したように、第1の実施形態の配車計画作成装置では、配車性能を調整するためには、評価関数Q、Rの要素を変更し、フィードバックゲインを再計算する必要が有る。そして、搬送プロセスの規模が大きくなると、フィードバックゲインの計算に時間を要する。このため、このフィードバックゲインの計算をオフラインで行う必要が有る。このように、規模が大きくなると配車性能をオフラインで調整員が簡単に調整することは困難である。また、評価行列Q、Rが配車性能に与える影響も調整員に理解しがたいものになってしまう。
図11に示すように、本実施形態のスケジューリングシステムは、図2に示した第1の実施形態のスケジューリングシステム(配車計画作成装置101)に、シミュレーション手段203と、コスト関数設定手段208と、配車組合わせ計算手段209と、目標値変更手段210と、コスト関数比較手段211とを加えた構成である。
Mr←Mr(0.1+Kb/Ka) ・・・(8)
図12において、ステップS11では、図8のステップS1と同様に、上位プロコン100から搬送命令及びAGV状態の情報を受信する。次に、ステップS12で、図8のステップS2と同様に、上記受信した情報をもとに前処理を行う。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した第1の実施形態と同一の部分については、詳細な説明を省略する。
AGVの運行制御では、AGVの集中が問題となるケースがある。複数スキッドにまんべんなくコイルが発生する場合は良いが、一個所に集中してコイルが発生すると、そこにAGVが集中して、干渉が非常に大きくなったり、デッドロック発生の一因になったりする。そこで、AGVはなるべく分散していた方が望ましい。
一方、同じ搬送命令をエリア2のAGVが搬送するときには、エリア2を0分後に離れ、エリア1に2分後に到着し、エリア1を4分後に離れて、エリア2に6分後に戻ってきたとすると、渋滞マトリクスは以下の表13のようになる。
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した第1〜第3の実施形態と同一の部分については、詳細な説明を省略する。
製鉄所のコイル搬送のように、コイルが発生するスキッドが特定出来ない場合には、AGVを1個所に集中させず、適度に分散していた方が望ましい。そこで、本実施形態では、スキッドを複数のエリアに分割して、そのエリアで空車と荷卸し中のAGVが指定された個数以上になった場合には、指定個数以下になるよう空車AGVを別エリアに退避走行させることにより、AGVを分散化させることができるようにしている。
また、以上の各実施形態では、物を搬送するためにAGVを用いたが、自動クレームやキャリアパレット等、他の搬送システムにも本発明を適用することが可能である。
また、上記実施形態では、本発明をシミュレーション装置に適用した場合について説明したが、実プロセスに適用して物流制御装置として用いるようにすることも可能である。
上述した実施形態の機能を実現するべく各種のデバイスを動作させるように、該各種デバイスと接続された装置あるいはシステム内のコンピュータに対し、上記実施形態の機能を実現するためのソフトウェアのプログラムコードを供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ(CPUあるいはMPU)に格納されたプログラムに従って上記各種デバイスを動作させることによって実施したものも、本発明の範疇に含まれる。
1a 配車シミュレータ
1b 最適制御方策部
2 最適化計算装置
3 数式モデル
4 シミュレーション結果
100 上位プロコン
101 配車計画作成装置
201 記憶手段
202 操作ベクトル算出手段
203 シミュレーション手段
204 状態ベクトル入力手段
205 状態管理手段
206 搬送命令管理手段
207 処理計画出力手段
208 コスト関数設定手段
209 配車組合わせ計算手段
210 目標値変更手段
211 コスト関数値比較手段
212 モデル構築手段
213 制御手段
301 入力手段
302 ゲイン行列算出手段
Claims (13)
- 搬送プロセスをペトリネットモデルで表し、上記ペトリネットモデルから搬送命令の搬送車に対する割り付けを決定する配車計画作成装置であって、
上記搬送プロセスのペトリネットモデルとして、上記搬送車の走行路をプレースと移動操作端とで表すとともに、搬送物及び搬送車をトークンで表したペトリネットモデルを構築するモデル構築手段と、
上記モデル構築手段により構築されたペトリネットモデルの状態方程式を求めるとともに、上記求めた状態方程式と、設定した評価行列及び目標状態量によって表される評価関数とから、線形二次制御を利用して、該評価関数を最小にするフィードバックゲイン行列を求めるゲイン行列算出手段と、
上記搬送プロセスにおけるトークンの仕掛状態を表す状態ベクトルを取得する状態ベクトル入力手段と、
上記ゲイン行列算出手段により求められたフィードバックゲイン行列と、上記状態ベクトル入力手段により取得された仕掛状態を表す状態ベクトルと、上記搬送車の状態及び与えられる搬送命令に応じて設定される目標状態量とを用いて、上記搬送物及び搬送車の移動操作端に対する操作ベクトルを求める操作ベクトル算出手段と、
上記操作ベクトル算出手段により求められた操作ベクトルに基づいて、各移動操作端に対して、上記操作ベクトルの中の正値で大きい操作量が得られた順に各搬送物及び各搬送車を移動可能な数だけ移動させる操作を行うことにより、その操作後の状態ベクトルを求め、求めた操作後の状態ベクトルを用いて、上記各搬送車に対して各搬送物を割付ける配車問題の解を求める制御手段とを備え、
上記制御手段は、上記求めた操作後の状態ベクトルを、上記搬送プロセスにおけるトークンの仕掛状態を表す新たな状態ベクトルとして上記状態ベクトル入力手段にフィードバックさせることを特徴とする配車計画作成装置。 - 上記モデル構築手段は、上記搬送車が作業を行う場所であるスキッド用のペトリネットモデルモジュールと、上記搬送車が通信を行う場所である中継用ペトリネットモデルモジュールとを組み合わせてペトリネットモデルを構築することを特徴とする請求項1に記載の配車計画作成装置。
- 上記モデル構築手段によって上記ペトリネットモデルを上記搬送車ごとに構築し、上記搬送命令が割り付け済みの搬送車については個々にペトリネットモデルを用い、上記搬送命令が未割り付けの搬送車については1つのペトリネットモデルをまとめて用いるようにし、
上記搬送命令を上記未割り付けの搬送車に対して割り付けるようにしたことを特徴とする請求項1又は2に記載の配車計画作成装置。 - 上記制御手段は、上記操作ベクトル算出手段によって上記搬送車ごとに算出された操作ベクトルを統合した操作ベクトルに基づいて、各移動操作端に対して、上記統合した操作ベクトルの中の正値で大きい操作量が得られた順に各搬送物及び搬送車を移動可能な数だけ移動させるようにする操作を行うことを特徴とする請求項3に記載の配車計画作成装置。
- 上記搬送車と上記搬送物の状態遷移を上記移動操作端の発火に応じて記憶し、上記ペトリネットモデルの搬送物及び搬送車のトークンの属性として与える状態管理手段を備えることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の配車計画作成装置。
- 上記各搬送車の位置及び作業状態と、上記各搬送車に割り付いた各搬送物の搬送元及び搬送先とにより定義されるコスト関数を設定するコスト関数設定手段と、
上記目標状態量を、上記コスト関数の係数比の関数として変更する目標値変更手段と、
上記コスト関数の値ができるだけ小さくなるように、上記各搬送車に対して各搬送物を割付ける配車問題の解を、組み合わせ最適化手法を用いて複数求める配車組合わせ計算手段と、
上記制御手段より得られた配車問題の解と、上記配車組み合わせ計算手段により得られた配車問題の解とに対して、各々シミュレーションを行い、上記コスト関数の値を計算するシミュレーション手段と、
上記シミュレーション手段で計算された全てのコスト関数の値を比較し、最も小さい値に対応した配車問題の解を出力するコスト関数比較手段とを備え、
上記操作ベクトル算出手段は、上記ゲイン行列算出手段により求められたフィードバックゲイン行列と、上記状態ベクトル入力手段により取得された仕掛状態を表す状態ベクトルと、上記目標値変更手段により変更された目標状態量とを用いて、上記搬送物及び搬送車の移動操作端に対する操作ベクトルを求めることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の配車計画作成装置。 - 上記コスト関数設定手段は、各搬送車の空車走行時間の単調増加関数と各搬送物の搬送待ち時間の単調増加関数との線型和をコスト関数として用いることを特徴とする請求項6に記載の配車計画作成装置。
- 上記コスト関数設定手段は、各搬送車の空車走行時間の単調増加関数と各搬送物の搬送待ち時間の単調増加関数と、特定のゾーン付近に搬送車が集中することによって値が大きくなる関数との線型和をコスト関数として用いることを特徴とする請求項6に記載の配車計画作成装置。
- 上記配車組合わせ計算手段は、上記各搬送車のバッテリ残量が指定された値を下回らないように、上記各搬送車が最寄りのバッテリ場に到着するまでに走行する時間及び上記最寄りのバッテリ場における上記各搬送車の充電時間を加味して、上記配車問題の解を求めることを特徴とする請求項6〜8の何れか1項に記載の配車計画作成装置。
- 上記配車組合わせ計算手段は、上記搬送車の走行路を複数のエリアに分割して、そのエリアで空車と荷卸し中の搬送車とが、指定された台数以上になった場合には、上記指定された台数以下になるよう上記搬送車を別エリアに退避させるように、上記配車問題の解を求めることを特徴とする請求項6〜9の何れか1項に記載の配車計画作成装置。
- 搬送プロセスをペトリネットモデルで表し、上記ペトリネットモデルから搬送命令の搬送車に対する割り付けを決定する配車計画作成方法であって、
上記搬送プロセスのペトリネットモデルとして、上記搬送車の走行路をプレースと移動操作端とで表すとともに、搬送物及び搬送車をトークンで表したペトリネットモデルを構築するモデル構築ステップと、
上記モデル構築ステップにより構築されたペトリネットモデルの状態方程式を求めるとともに、上記求めた状態方程式と、設定した評価行列及び目標状態量によって表される評価関数とから、線形二次制御を利用して、該評価関数を最小にするフィードバックゲイン行列を求めるゲイン行列算出ステップと、
上記搬送プロセスにおけるトークンの仕掛状態を表す状態ベクトルを取得する状態ベクトル入力ステップと、
上記ゲイン行列算出ステップにより求められたフィードバックゲイン行列と、上記状態ベクトル入力ステップにより取得された仕掛状態を表す状態ベクトルと、上記搬送車の状態及び与えられる搬送命令に応じて設定される目標状態量とを用いて、上記搬送物及び搬送車の移動操作端に対する操作ベクトルを求める操作ベクトル算出ステップと、
上記操作ベクトル算出ステップにより求められた操作ベクトルに基づいて、各移動操作端に対して、上記操作ベクトルの中の正値で大きい操作量が得られた順に各搬送物及び各搬送車を移動可能な数だけ移動させる操作を行うことにより、その操作後の状態ベクトルを求め、求めた操作後の状態ベクトルを用いて、上記各搬送車に対して各搬送物を割付ける配車問題の解を求める制御ステップとを備え、
上記状態ベクトル入力ステップは、上記制御ステップにより求められた上記操作後の状態ベクトルを、上記搬送プロセスにおけるトークンの仕掛状態を表す新たな状態ベクトルとして取得することを特徴とする配車計画作成方法。 - 搬送プロセスをペトリネットモデルで表し、上記ペトリネットモデルから搬送命令の搬送車に対する割り付けを決定することをコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムであって、
上記搬送プロセスのペトリネットモデルとして、上記搬送車の走行路をプレースと移動操作端とで表すとともに、搬送物及び搬送車をトークンで表したペトリネットモデルを構築するモデル構築ステップと、
上記モデル構築ステップにより構築されたペトリネットモデルの状態方程式を求めるとともに、上記求めた状態方程式と、設定した評価行列及び目標状態量によって表される評価関数とから、線形二次制御を利用して、該評価関数を最小にするフィードバックゲイン行列を求めるゲイン行列算出ステップと、
上記搬送プロセスにおけるトークンの仕掛状態を表す状態ベクトルを取得する状態ベクトル入力ステップと、
上記ゲイン行列算出ステップにより求められたフィードバックゲイン行列と、上記状態ベクトル入力ステップにより取得された仕掛状態を表す状態ベクトルと、上記搬送車の状態及び与えられる搬送命令に応じて設定される目標状態量とを用いて、上記搬送物及び搬送車の移動操作端に対する操作ベクトルを求める操作ベクトル算出ステップと、
上記操作ベクトル算出ステップにより求められた操作ベクトルに基づいて、各移動操作端に対して、上記操作ベクトルの中の正値で大きい操作量が得られた順に各搬送物及び各搬送車を移動可能な数だけ移動させる操作を行うことにより、その操作後の状態ベクトルを求め、求めた操作後の状態ベクトルを用いて、上記各搬送車に対して各搬送物を割付ける配車問題の解を求める制御ステップとをコンピュータに実行させ、
上記状態ベクトル入力ステップは、上記制御ステップにより求められた上記操作後の状態ベクトルを、上記搬送プロセスにおけるトークンの仕掛状態を表す新たな状態ベクトルとして取得することを特徴とするコンピュータプログラム。 - 上記請求項12に記載のコンピュータプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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