自动化立体仓库输送系统调度的优化仿真及其应用研究

自动化立体仓库输送系统

调度的优化仿真及其应用研究*

山东工业大学自动化系,济南　250061　常发亮　刘长有

摘　要　分析了自动化立体仓库输送系统的若干调度问题,给出了启发式调度规则和优化算法,建立了该离散系统的仿真Petr i网模型,在此基础上,对系统进行了动态的优化仿真,仿真结果表

明了调度规则和算法的正确性和有效性,使得系统物流更加畅通和平滑。

关键词　自动化立体仓库　输送系统　系统仿真　系统优化

The Study of Optimal Simulation and Its Application

in Vehicle Scheduling for Automatic Space Warehouse

Chang Faliang　Liu Changy ou

A utomation De p ar tment,S hand ong Univ ersity o f Tech nology,J inan250061

Abstract　In this paper,some scheduling pro blems o f the vehicle for automat ic space w areho use ar e analy zed,the optim al algo rithms and heur istic scheduling r ules are presented,and the simulatio n mo del of this discrete ev ent dy na mic sy st em is established in P etri-net mode.T he dynamic optim al simula tion of the vehicle system is done based o n the a bo ve wo rks,and t he simulatio n r esults has pr ov ed that t he o ptimal al-go rithms and scheduling r ules are co rr ect and r easonable,and the g oo ds dispat ching is made sm oot hly.

Keywords　A uto matic spa ce w ar ehouse　Vehicle system　Sy st em simulation　System optimizat ion 引　言

自动化立体仓库作为工厂物流系统和CIM S柔性加工系统的重要环节,应用已越来越多。根据使用方式的不同,可分为周转库和供应库,周转库主要用来作为工厂中间产品的缓冲存储库,以保证制造系统各个生产阶段的供需要求;供应库作为整个工厂元器件的供应基地,提供快速的保障供应能力[1][2]。该自动化仓库包括货物的自动存取系统(高层固定货架,多层水平旋转货架等)、货物的自动分拣系统、货物的自动输送系统和多个出入库库台,属于供应库,其结构示意图如图1所示。其中输送系统作为连接存取系统和分拣系统的桥梁部分,其运输效率和顺序直接关系到整个仓库的出入库效率。因此,对于作为仓库瓶颈的输送系统,在建模的基础上,进行系统的动态仿真很有必要。本文针对出库进行讨论,入库过程类似[3]。输送系统的调度优化仿真系统适合于一般的自动化立体仓库的物流调度。

*本课题得到国家863高技术CIM S主题基金资助

本文收稿日期:1997-01-09

图1　自动化立体仓库结构示意图

1.　输送系统的工作过程

堆垛机和旋转货架升降台按照上位机的出库指令从不同的货位陆续运出货箱到本巷道的出库台,出库台把货箱运至输送道处,输送系统检测各出库台的状态信号,如果有货箱,则输送车沿输送道行至该出库台处,取过货箱,然后把该货箱运至分拣上包台(1号上包台或2号上包台),并把货箱送至分拣缓存器,同时原出库台恢复原位。分拣系统按照指令分发一定数量的货物之后,把该货箱从上包台的缓存器运出,输送车检测到该信号后,运行至缓存器货箱出口,取过货箱,运往该货箱原巷道的入库台,入库台把该货箱运至货架处,堆垛机检测到信号后取过该货箱并运至该货箱的原先货位,完成该货箱的一个出库周期。

2.　输送系统若干调度问题的分析及其调度优化规则和算法

2.1　输送系统调度中的若干调度问题

在1中说明了一个货箱完成出库的路径循环。仓库实际作业时,每个堆垛机都会接收一批出库命令,陆续不断地从出库台送出货箱,这时输送系统就会变得较为繁忙,在出库调度时就会存在下列问题:

1)先对哪个巷道(或旋转货架)服务的问题(即优先级问题);

2)如何尽量防止巷道出库积压(等待)问题;

3)从巷道出来的货箱送到哪个上包台的问题;

4)避免整个系统物流的阻塞(即死锁)现象;

为了分析上述问题,首先定义一个描述巷道入出库台状态的标志序列:

巷道出库台状态标志序列: CT=CT(1),CT(2),…,CT(6),CT(i)=0

1

,i=1～6(1)

巷道入库台状态标志序列: RT=RT(1),RT(2),…,R T(6),RT(i)=0

1

,i=1～6(2)

上式中,“0”表示无货箱,“1”表示有货箱,i表示巷道号。

2.2　问题1

输送系统对巷道出库台的服务按照带优先级的“先到先服务”的调度规则。由于各巷道堆垛机的作业

是独立的,当输送车正在运输某一货箱时,可能又从某些巷道中运出几个货箱,为了保证下次服务的“先到先服务”的调度规则,建立一动态时间序列表,来表示各出库台有货箱的时间序列,由于只有6个出库台,故该动态时间序列如下:

T S =T S (1),T S (2),…,T S (6),T S (i )=0

1～6(3)

式中,“0”表示该序列点上无货箱,“1～6”表示在该时间序列点上的货箱是哪个巷道的,i 表示时间序列号。从时间优先级上讲,Y T S (1)>Y T S (2)>Y T S (3)>Y T S (4)>Y T S (5)>Y T S (6)。

对应的时间优先级系数序列表示为:

X T S =X T S (1),X T S (2),…,X T S (6)={1,0.8,0.6,0.4,0.2,0.13}(4)

当输送车按该时间序列对T S (1)对应的出库台进行服务后,动态时间序列要重新刷新,剩下的出库货箱进行序列前移,保证输送车下一次的服务对象是最高时间优先级的,即T S (1)对应的巷道货箱(刷新后的),当然,新出来的货箱也会补充到该时间序列中。

例如,起始时,T S =T S (1),T S (2),T S (3),T S (4),T S (5),T S (6)={4,2,6,0,0,0},即在时间顺序上,4号、2号、6号巷道分别送出一个货箱,输送车按上述规则,首先对4号巷道的货箱进行服务。如果这时1号巷道又运出一个货箱,则时间序列动态刷新为:

T S =T S (1),T S (2),T S (3),T S (4),T S (5),T S (6)={2,6,1,0,0,0}。

2.3　问题2

如果严格按照“先到先服务”的时间序列对巷道服务,如上例所述,输送车在服务完4号巷道之后,应该对2号巷道服务。但这时可能出现以下情况:输送车在对4号巷道服务时,6号巷道的堆垛机又把下一个货箱取出运至巷道口,由于该巷道的出库台上已有一个货箱,故堆垛机只能处于等待状态,使其暂时不能继续作业,影响了堆垛机的出库效率,这就是问题2中提出的巷道出库台积压现象。因此上述规则算法应考虑这一因素。因此,建立一按巷道号1～6排列的堆垛机等待标志序列

W S =W S (1),W S (2),…,W S (6),W S (i )=0

1,i =1～6(5)

式中,“0”表示堆垛机未处于送箱等待状态,“1”表示已处于送箱等待状态,i 表示巷道号。所以第k 号巷道形成出库积压(等待)现象的条件为:

CT (k )+RT (k )+W S (k )=3

(6) 式中CT 和RT 的定义如式(1)和式(2)所示。

另外还应考虑到分拣系统分发时品种和堆垛机作业的均衡性。例如,本次出库中,某一巷道的出库品种(货箱数)较多,并且距离较远,如按上述规则,可能导致其它巷道已作业完毕,而该巷道还有大批未能出库的现象。为此,根据本次出库分布情况,建立一按巷道号顺序1～6排列的出库品种优先级序列:

Y S =

Y S (1),Y S (2),…,Y S (6) Y S (i )表示i 号巷道的出库优先级系数。

综上所述三个方面,得到带优先级的输送车“先到先服务”的调度算法如下:

S V N =M ax k 6k =1C w ×W S (k )+C y ×Y S (k )+C t ×T S V (k )(7)

E (8)

T SV (9)

式中C w 、C y 、C t 是综合上述三个方面的加权系数,其值取为:C w =0.5,C y =0.2,C t =0.3,k 表示巷道号,k =1～6,T S V (k )表示第k 号巷道的优先级系数,如式(4)所示,但由于式(3)和式(4)是按时间顺序排列的,不是按巷道号顺序排列的,故T S V (k )按式(8)和式(9)求得。式(7)的含义是求出综合优先级最大的巷道号作为当前的出库台服务对象。式(8)的含义是从式(3)中定义的序列中找出巷道号等于k 的出库货箱的序列位置EK N ,式(9)的含义是按照EK N 从式(4)定义的X T S 序列中找出该货箱的时间序列优先级系数赋给T SV (k )。

2.4　问题3

分拣系统有2个上包台,每个上包台有一个可容纳4个货箱的缓存器,如图1所示,右边2个为进箱缓存器,左边2个为出箱缓存器。输送车按“优先空闲上包台”的原则分配货箱。为了识别上包台的状态情况,设置了2个标志序列来表示上包台情况:

FT 1=FT 1(1),FT 1(2),F T 1(3),FT 1(4)FT 2=

FT 2(1),FT 2(2),F T 2(3),FT 2(4)FT j (i )=0j ,j =1～2,i =1～4(10)

式中,j 表示上包台号,i 表示缓存器号,右边两个进箱缓存器为1、2号,左边两个为3、4号。

为了识别分发货箱的出处,设置了2个上包台货箱出处动态序列,分别表示各上包台上按顺序进入的货箱的出处(即从哪个巷道来的),以便分发完后输送车能正确地把该货箱送回原巷道。

FT B 1=FT B 1(1),FT B 1(2),FT B 1(3),FT B 1(4)FT B 2=

FT B 2(1),FT B 2(2),FT B 2(3),FT B 2(4)FT Bj (i )=0

1～6,j =1～2,i =1～4(11)

式中,j 如式(10)所述,i 表示货箱运往上包台的时间序列号,“0”表示该缓存器号上无货箱。“1～6”表示该缓存器号上的货箱来自于哪个巷道。例如,FT B 1={1,4,6,0}表示1号上包台的缓存器上有3个货箱,来自1、4、6号巷道,最先运来的是1号巷道的。当式(10)中的出箱缓存器标志FT 1(3)或FT 1(4)有信号时,最先从上包台上出来的货箱一定是1号巷道的,输送车把该货箱送回1号巷道入库台,FT B 1动态序列刷新成FT B 1={4,6,0,0}。

有了上述定义后,输送车送货箱到哪个上包台有下式确定:

TH =1,(FT 1(1)+F T 1(2)<

FT 2(1)+FT 2(2))∪(∑4i =1FT 1(i ))<(∑4i =1F T 2(i ))?(FT 1(1)+F T 1(2))=(FT 2(1)+FT 2(2))　∩∑4i =1FT 1(i )<42,(FT 1(1)+F T 1(2)>FT 2(1)+FT 2(2))∪(∑4i =1FT 1(i ))>(∑4i =1F T 2(i ))?(FT 1

(1)+F T 1(2))=(FT 2(1)+FT 2(2))

　∩∑4i =1FT 2(i )<

4

其中FT 1和FT 2的定义如式(10)所示。“∪”和“∩”分别表示逻辑“或”和逻辑“与”。

2.5　问题4

系统的阻塞(死锁)现象表现在如下两个方面:

1.在∑4i =1F Tj (i )=4时,输送车又往j 号上包台送来一个货箱。因每个上包台共有4个货箱的缓存位

置,已分拣完的货箱没有取走,又运来一个货箱,出现了整个系统的阻塞(死锁)现象。

2.在CT (i )+RT (i )+W S (i )=3时,即第i 号巷道的出库台、入库台和堆垛机上都有货箱时,若输送车又从分拣台处运回了该巷道的一个货箱,出现了整个系统的阻塞(死锁)现象。

为了保证不出现第一种死锁现象,在式(12)中已有了约束条件,即在∑4i =1FT j (i )=4时,不从任何巷道出库台取货箱运往j 号上包台,而应该首先从该上包台取出已分发完的货箱运回原巷道。

为了保证不出现第二种死锁现象,如果在分拣上包台出箱处有货箱等待运回巷道,输送车在去取该货箱之前,应首先判断一下FT Bj 动态序列中FT Bj (i )(即等待运回的货箱巷道号,FT B 的定义如式(11)所示)的出处,当其对应的巷道不存在死锁条件时,即在CT (i )+RT (i )+W S (i )<3时,才执行从分拣台运回货箱的服务,否则,应先解除该巷道的等待状态(先去取该巷道出库台上的货箱),避免出现死锁。

3.　Petri 网仿真模型及其动态仿真

上面分析了输送车调度时的若干问题,并给出了优化调度规则及其优化算法。从上面的分析可见,输送车的调度问题是一典型的离散事件动态系统(DEDS )的调度优化问题,为了便于分析各种逻辑关系和计算机的动态仿真,最好建立一个描述该系统逻辑关系的模型。而在DEDS 系统的优化中,P etri 网是一个较为理想的模型,它具有较强的关系和条件表达能力,是DEDS 系统计算机仿真的有力模型工具[4,5]。

3.1　Petri 网仿真模型

为了使逻辑关系表达清晰,在此给出了三个巷道(3个入库台,3个出库台)情况下的Pet ri 网模型,多巷道下的P etri 网模型类似。三巷道P etr i 网模型如图2所示。

图中t 1、t 2、t 3为各巷道取货箱操作,P 1、P 2、P 3为出库台,t 4、t 5、t 6货箱进入输送小车,P 4为正在输送中的货箱,P 5(P 8)、P 6(P 9)、P 7(P 10)分别为分拣系统的上包台、

分拣台、下包台,t 7(t 11)为货箱放置于分拣系统上包台,t 8(t 12)货箱进入分拣台,t 9(t 13)为分拣完毕后的货箱进入分拣系统下包台,t 10(t 14)为货箱装入小车送回,P 11为正在输送系统中被送回的货箱,t 15、t 16、t 17为货箱放至各巷道入库台,P 12为输送小车,P 13、P 14、P 15为入库台,t 18、t 19、t 20为各巷道存货箱操作,P 16、P 17、P 18为外部位置记录器以确保每一巷道内出、入货箱数目相等,P c 1、P c 2、Pc 3为控制位置。

图2　输送系统Petri 网模型

3.2　系统的动态仿真

为了进行系统仿真,需要建立堆垛机的出库时序模型。堆垛机是按照货单顺序去执行取货箱操作的,货单中指定了货箱的存放位置(层RW和列CL M),因此堆垛机取第1条货单所指定货箱的时间为:

D T(l)=CL M(l)×1.5/V,CL M(l)>RW(l)

R M(l)×1.5/V,CL M(l)

,l=1～m(13)

在此,设堆垛机的列行走和层行走的速度相同,都是V(m/min),每个货位的尺寸为1.5m×1.5m,本巷道本次作业货单条数为m。由于堆垛机的列行走和层行走是同时进行的,故时间DT(1)取大者。

据式(10)建立一货箱从巷道运出的时间发生器如下:

BT l=T w ait+B T(l-1)+D T(1)(14)式中,T w ait表示在式(6)的条件下的堆垛机等待时间,T wa it>=0,BT l-1为上一次运出货箱的时间,D T(1)如式(10)所示表示去取本次货箱的运行时间。

输送车的运行在动态画面上按一定的速度行走,在行走时仿真速度为V vh=20点/s。

据上述的调度规则和优化算法及Petr i网逻辑模型,以动画形式对输送系统的调度进行了仿真,程序采用C++语言编写,仿真结果很好地体现了上述优化调度思想,尤其是避免了上述二种死锁现象的发生,整个系统的物流环节显得畅通和平滑,相对于纯粹的“先到先服务”调度规则,明显提高了出库效率,达到了较理想的结果。该系统是一离散事件动态运动系统,其仿真结果以动画形式表示最为直观和确切,由于文中动画难以表示,故以下给出了对两巷道6个货箱单分拣台工作时的输送系统动画仿真货箱运送顺序的记录:

0T11→0T21→0T22→I T11→0T12→I T21→

→0T23→I T22→0T13→I T12→I T23→I T13

其中,0Tj i表示从j号巷道出库台运出货箱i,I T j i表示从分拣台运回j巷道的货箱i到j巷道入库台。

4.　结束语

本文分析了自动化立体仓库输送系统调度中的若干问题,提出了带优先级的“先到先服务”的调度思想方法,给出了调度规则和优化算法,并进行了系统仿真,达到了较理想的效果。本文提出的一些方法已成功应用于军医某部的维修器材自动化立体仓库中。

参考文献

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3　常发亮,刘长有.自动化立体仓库拣选出库总体调度策略的优化研究.控制与决策,1995,10(6):568-572

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5　彭永进等编著.离散事件动态系统.湖南:科学技术出版社,1994