立體倉庫貨位優(yōu)化研究

朱建平 王直杰

摘 要：在物流系統(tǒng)中，立體倉庫具有十分重要的地位，而物流技術(shù)現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)是自動(dòng)化，所以高度自動(dòng)化的立體倉庫在系統(tǒng)中具有舉足輕重的研究?jī)r(jià)值。文章通過對(duì)立體倉庫進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、優(yōu)化目標(biāo)和約束的確定、算法設(shè)計(jì)、最后進(jìn)行仿真試驗(yàn)，將自動(dòng)化立體倉庫貨位分配優(yōu)化，使得立體倉庫的貨位結(jié)構(gòu)合理，出入庫效率優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化立體倉庫；優(yōu)化建模；物流

1 立體倉庫的基本構(gòu)成

自動(dòng)化立體倉庫是由多層貨架（貨物存儲(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)）、輸送機(jī)設(shè)備、巷道堆垛機(jī)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)、信息存儲(chǔ)管理系統(tǒng)等組成。

圖1 立體倉庫的平面結(jié)構(gòu)

如圖1所示，貨架是用于貨物存儲(chǔ)的鋼結(jié)構(gòu)主體。主要有焊接式、組合式貨架等基本形式；巷道堆垛機(jī)是用于自動(dòng)存取貨物的機(jī)器。按其結(jié)構(gòu)分為單立柱、雙立柱等形式；輸送機(jī)是用于將貨物從堆垛機(jī)來回運(yùn)送的設(shè)備。輸送機(jī)分有提升設(shè)備，皮帶輸送機(jī)，鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)是用于自動(dòng)控制立體倉庫各個(gè)機(jī)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。信息儲(chǔ)存管理系統(tǒng)是用于立體倉庫貨位管理、出入路徑規(guī)劃，是自動(dòng)立體倉庫的大腦。

2 貨位優(yōu)化建模

在貨品的重量和出庫、入庫的頻率確定之后，需要采取合適的貨位分配方法來分配貨物的存儲(chǔ)位置。對(duì)于AS/RS（AutomatedStorageandRetrievalSystem自動(dòng)存取系統(tǒng)）的貨位進(jìn)行管理，本質(zhì)上就是合理地分配每個(gè)貨物的貨位位置，使得立體倉庫能達(dá)到最高出入庫效率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化利用貨位。

立體倉庫的貨位優(yōu)化是在一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則下，對(duì)貨位的存儲(chǔ)位置進(jìn)行安排，讓庫位中任何貨物能夠最為合適的處于自己應(yīng)該在的位置，立體倉庫整體效率大大提高。優(yōu)化貨位的過程將會(huì)關(guān)聯(lián)三個(gè)主要的元素：貨物、庫位和堆垛機(jī)。堆垛機(jī)根據(jù)固定的運(yùn)行規(guī)定把貨物運(yùn)送到目標(biāo)庫位。堆垛機(jī)在出入庫的過程中是中間執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是貨物、庫位當(dāng)中的銜接機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)單來說就是，把出入庫的貨物通過堆垛機(jī)被運(yùn)送到已經(jīng)優(yōu)化后的庫位位置上。立體倉庫庫位優(yōu)化的研究元素就是貨物、庫位和巷堆垛機(jī)。要建立其數(shù)學(xué)模型，就要將這三種元素的主要屬性具象化，完整考量其之間的關(guān)系，具象化、公式化其中的關(guān)系。[1]

2.1 模型的確定

假設(shè)存在有m層高n列寬的立體倉庫，層數(shù)從低到高依次增大，列數(shù)從離出口最近的位置依次增大，堆垛機(jī)縱向運(yùn)行速度是Vy，橫向運(yùn)行速度是Vx，庫位長度是L，寬度是H，因此有：

（1）立體倉庫貨物排列規(guī)則要下層重量比上層重，這樣倉庫結(jié)構(gòu)才會(huì)穩(wěn)定，即每個(gè)庫位貨物的重量與它的層數(shù)乘積之和最小最佳，據(jù)此建立數(shù)學(xué)模型：

min f1=？撞■■？撞■■Wij×（i-1）=1 （1）

式中：f1-每個(gè)庫位與其層數(shù)乘積之和；

Wij-i行，j列庫位上貨物重量。

（2）想要最大化提高出入庫效率就是要使出入庫平率越高的貨物庫位離出入口越近，即貨物的出入庫頻率與堆垛機(jī)出入此貨物的時(shí)間乘積之和最小，據(jù)此建立數(shù)學(xué)模型：

min f2=？撞■■？撞■■tij×pij （2）

tij=|L×i/Vx，H×（j-1）/Vy| （3）

式中：f2-每個(gè)貨物的存取頻率和存取貨物時(shí)堆垛機(jī)運(yùn)行的時(shí)間乘積之和；

tij-i層j列貨物的出入庫時(shí)間；

pij-i層j列貨物出入庫頻率。

這是一個(gè)涉及到多目標(biāo)優(yōu)化的問題，有需要到要采用多目標(biāo)的方法策略解決此問題?？墒嵌嗄繕?biāo)求解的過程比較繁瑣。此次處理多目標(biāo)問題采用了對(duì)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)賦予權(quán)重因子，將兩目標(biāo)問題簡(jiǎn)單地變化成了單目標(biāo)的問題，就是說不同類型的立體倉庫對(duì)兩目標(biāo)的側(cè)重要求各有不同，為了達(dá)到簡(jiǎn)化求解的要求，賦給兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重一致，那么函數(shù)就成了如下：

min h=0.5f1+0.5f2=0.5？撞■■？撞■■Wij×（i-1）+0.5？撞■■？撞■■tij×pij （4）

兩側(cè)乘以2，既有了最終求解函數(shù)：

min h=？撞■■？撞■■Wij×（i-1）+？撞■■？撞■■tij×pij （5）

式中：1？燮i？燮m，1？燮j？燮n[2]

2.2 貨位優(yōu)化模型

優(yōu)化方法：使用遺傳算法將目標(biāo)函數(shù)得到的解就是可以看做其最優(yōu)解。

樣本使用10行20列，200個(gè)庫位的貨物，需要出入庫的貨物參數(shù)在表1中。

將此函數(shù)在Matlab中進(jìn)行運(yùn)算，獲得f函數(shù)變化曲線圖，圖2所示。

運(yùn)算內(nèi)容小結(jié)：在多次的函數(shù)的迭代過程中，函數(shù)值f在迭代次數(shù)的上升過程中，一致處于下降趨勢(shì)，在迭代值達(dá)到170以后，目標(biāo)函數(shù)值f變化趨于穩(wěn)定，達(dá)到收斂效果。[3]在圖2分析，得到初始迭代時(shí)，f值是1.98×105，趨于收斂后，其值成了1.44×105，Matlab運(yùn)算后的貨位分配結(jié)果如表2和表3所示。

3 結(jié)束語

文章簡(jiǎn)單介紹了自動(dòng)化立體倉庫出入庫庫位優(yōu)化的方式方法，其中主要涵蓋了貨物貨位構(gòu)建方法、出入庫庫位分配原則，主要有兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，倉庫貨架穩(wěn)定性關(guān)系函數(shù)，出入庫效率最大化函數(shù)，分析其中關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，借助MATLA軟件運(yùn)算求出最佳解。

參考文獻(xiàn)

[1]柳賽男，柯映林，李江雄，等.基于調(diào)度策略的自動(dòng)化倉庫系統(tǒng)優(yōu)化問題研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006，18（2）：44-46.

[2]蔣字.基于預(yù)測(cè)模型立體倉庫調(diào)度策略研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2008.

[3]王軍鋒.自動(dòng)化立體倉庫儲(chǔ)位分配策略優(yōu)化的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2010.

[4]韓彩云.基于遺傳算法的自動(dòng)化立體倉庫的貨位優(yōu)化研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2009.