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 Applicationin Vehicle Scheduling for Automatic Space WarehouseChang Faliang Liu Changy ouA utomation De p ar tment,S hand ong Univ ersity o f Tech nology,J inan250061Abstract 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)=01,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)=01,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 )=01～6(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 )=01,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 )=01～6,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。