基于專家系統(tǒng)的立體倉(cāng)庫(kù)調(diào)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐殊凝，齊向東 XU Shu-ning, QI Xiang-dong

（太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原030024）

(School of Electronic and Information Engineering, Taiyuan University of Science & Technology, Taiyuan 030024, China)

0 引 言

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，作為現(xiàn)代倉(cāng)庫(kù)的一種重要類型，在物流系統(tǒng)中發(fā)揮著樞紐作用[1]。考慮到當(dāng)前的硬件設(shè)備及控制技術(shù)已相對(duì)成熟，貨位和貨物的分配規(guī)劃就成為決定倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行效率的關(guān)鍵因素，正確有效的分配與調(diào)度策略可以縮短存儲(chǔ)和搬運(yùn)過(guò)程中損耗的時(shí)間，降低成本[2]。

利用專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)中存放的專家知識(shí)能夠快速有效地提高工業(yè)生產(chǎn)效率，但關(guān)于專家系統(tǒng)在立體倉(cāng)庫(kù)中的應(yīng)用卻鮮有文獻(xiàn)涉及。本文將自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)與專家系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的知識(shí)庫(kù)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性[3]。

1 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

專家系統(tǒng)包含了領(lǐng)域?qū)＜曳e累的大量知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，能模仿專家的思維過(guò)程求解復(fù)雜問(wèn)題[4]。專家系統(tǒng)共由5 部分組成：知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、解釋器和人機(jī)交互界面。知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)的核心，亦是本文研究的重點(diǎn)。

本文采用的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 知識(shí)庫(kù)的建立

知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)專家關(guān)于某個(gè)領(lǐng)域的判斷性知識(shí)和敘述性知識(shí)，它的質(zhì)量決定了專家系統(tǒng)的性能優(yōu)良。本文構(gòu)建知識(shí)庫(kù)需要滿足以下幾個(gè)條件。

2.1 貨物出入庫(kù)的基本原則

（1） 重力原則：為方便安全地存取貨物，貨物存放應(yīng)滿足上輕下重、分散存放的原則，使貨架排放穩(wěn)定、安全。

（2） 分區(qū)原則：貨物出入庫(kù)的頻率是決定貨物分區(qū)的主要因素，根據(jù)其數(shù)值大小可將貨位分區(qū)為：出入庫(kù)頻繁區(qū)域，一般存儲(chǔ)區(qū)域，長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)區(qū)域，過(guò)渡區(qū)域等。（3） 任務(wù)等級(jí)制原則：對(duì)出庫(kù)任務(wù)的緊急程度設(shè)立等級(jí)，當(dāng)有多條出庫(kù)任務(wù)時(shí)，根據(jù)緊急程度優(yōu)先級(jí)別出庫(kù)，最緊急的任務(wù)優(yōu)先出庫(kù)。

2.2 貨位優(yōu)先級(jí)的分配

設(shè)立貨位的優(yōu)先級(jí)，并按照優(yōu)先級(jí)別對(duì)貨位進(jìn)行分區(qū)，方便不同優(yōu)先級(jí)別的貨物與貨位相對(duì)應(yīng)，提高出入庫(kù)運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

假設(shè)貨位屬性信息為：Q（X,Y,Z,K,F）。

其中，X,Y,Z分別為貨位的排、列、層，以此確定貨位的具體位置。

為了避免偏見(jiàn)，發(fā)明了算法，讓大數(shù)據(jù)幫我們做出判斷，但算法偏見(jiàn)的頻頻涌現(xiàn)卻難免讓人們對(duì)人工智能侵犯公眾權(quán)利、引發(fā)政治風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生憂慮與擔(dān)憂。因此，明晰算法政治風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生邏輯，對(duì)于其治理及發(fā)展前景無(wú)疑具有十分重要的意義。算法政治的風(fēng)險(xiǎn)主要存在于兩個(gè)領(lǐng)域，一個(gè)是基于算法自主決策系統(tǒng)的輔助政治決策領(lǐng)域，一個(gè)是基于算法的政治傳播領(lǐng)域。然而，它們的發(fā)生邏輯卻是迥異的，前者主要由算法的內(nèi)在缺陷引起，后者則是算法應(yīng)用的副產(chǎn)品，是政治傳播的產(chǎn)物。洞悉算法政治風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生邏輯非常關(guān)鍵，這既是理解算法政治風(fēng)險(xiǎn)何以發(fā)生的內(nèi)在機(jī)理，又是預(yù)防與治理算法政治風(fēng)險(xiǎn)的前提。

K表示貨位重量級(jí)，由貨位層數(shù)決定。K（Y,Z）=Z。

F表示貨位優(yōu)先級(jí)別，取決于堆垛機(jī)到達(dá)貨位所用時(shí)間長(zhǎng)短，具體由堆垛機(jī)的運(yùn)行速度、運(yùn)行距離決定。

單個(gè)貨位作業(yè)時(shí)間為：

其中，t0表示信號(hào)獲取與轉(zhuǎn)換消耗的時(shí)間，是固定時(shí)間。

ty表示伸、縮貨叉的時(shí)間，也是固定時(shí)間。

max（tx,tz）表示在堆垛機(jī)水平運(yùn)行時(shí)間tx、垂直升降時(shí)間tz之間取最大，不同貨位導(dǎo)致tx和tz的大小也不同。因此，貨位作業(yè)時(shí)間最終由max（tx,tz）決定的。

簡(jiǎn)化堆垛機(jī)的水平與起升運(yùn)動(dòng)為勻速運(yùn)動(dòng)，可得：

其中，i,j表示貨位的層、列。單個(gè)貨位長(zhǎng)度為L(zhǎng)米、高度為H米。VX、VZ分別為堆垛機(jī)水平方向、垂直方向的運(yùn)動(dòng)速度。

2.3 貨物優(yōu)先級(jí)的分配

貨物的COI（Cube-Per-Order，立方體索引號(hào)） 值Ii可以反映貨物的使用頻率，即可確定貨物的優(yōu)先級(jí)別。Heskette 給出了貨物COI 值的計(jì)算規(guī)則[6]：

其中，Ci表示存儲(chǔ)某種貨物所需的總庫(kù)存，fi表示該貨物的出入庫(kù)頻率。

由此可見(jiàn)，fi值與COI 值成反比。把貨物按COI 值從小到大排序，由此可以劃分出不同優(yōu)先級(jí)別的貨物，將排序后的貨物編號(hào)與貨位編號(hào)一一對(duì)應(yīng)，由此進(jìn)行的即為最小出入庫(kù)作業(yè)時(shí)間。

2.4 知識(shí)表示

知識(shí)表示就是將從專家處獲取的知識(shí)編碼成一種計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)上[7]。本文應(yīng)用產(chǎn)生式規(guī)則，進(jìn)行知識(shí)表示，根據(jù)上述列舉的原則，可得部分表示如下：

Rule1：IF 有貨物入庫(kù)THEN 當(dāng)前出入庫(kù)狀態(tài)P=1；

Rule2：IFP=1 THEN 貨物頻率F=N+1（N為原貨物頻率，可設(shè)定固定時(shí)間段）；

Rule3：IFP=1 AND 貨物頻率F＞15 次/月THEN 存放到1 區(qū)；

Rule4：IFP=1 AND 貨物頻率F∈[8 次/月，15 次/月]THEN 存放到2 區(qū)；

Rule5：IFP=1 AND 貨物頻率F＜8 次/月THEN 存放到3 區(qū)；

Rule6：IFP=1 AND 非常用貨物THEN 存放到4 區(qū)；

Rule7：IFP=1 AND 貨物重量G＞70%G0（G0表示堆垛機(jī)額定負(fù)載） THEN 存放到1 到3 層；

Rule8：IFP=1 AND 貨物重量G∈[30%G0, 70%G0]貨物入庫(kù)THEN 存放到4 到9 層；

Rule9：IFP=1 AND 貨物重量G＜30%G0貨物入庫(kù)THEN 存放到10 到12 層；……。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

某保健品生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備基本配置如下：7 臺(tái)單立柱雙伸位堆垛機(jī)，水平行走速度為160m/min，加速度為0.33m/s2，垂直升降速度為40m/min，加速度為0.5m/s2，貨叉伸縮消耗時(shí)間ty=5.88s。對(duì)應(yīng)貨架14 排，每排有12 層24 列，單位貨格尺寸1 100W×1 300D×1 550H(mm)。

本文采用Visual studio2008 編程，實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)對(duì)隨機(jī)入庫(kù)和使用專家系統(tǒng)入庫(kù)操作消耗時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比，從入庫(kù)貨物參數(shù)表（表1） 中隨機(jī)選取20 種貨物入庫(kù)，重復(fù)執(zhí)行10 次，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。由表2 可見(jiàn)，隨機(jī)操作時(shí)平均消耗時(shí)間為1 604.7s，且時(shí)間波動(dòng)范圍很大，而采用專家系統(tǒng)后，平均消耗時(shí)間為1 520.2s，節(jié)約了84.5s，且時(shí)間波動(dòng)范圍小很多，因此，使用專家系統(tǒng)是有效可行的。

表1 入庫(kù)貨物參數(shù)表

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 結(jié) 論

為了提高自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)行效率，降低成本，本文將專家系統(tǒng)運(yùn)用到自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的貨位分配和優(yōu)化調(diào)度中。通過(guò)闡述出入庫(kù)的基本原則及貨位貨物優(yōu)先級(jí)的分配原則，建立了相應(yīng)的專家知識(shí)庫(kù)及推理機(jī)制。由實(shí)驗(yàn)仿真可知，專家系統(tǒng)能優(yōu)化堆垛機(jī)出入庫(kù)的運(yùn)行路線，提高倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行效率，同時(shí)，因其快速的計(jì)算過(guò)程，更能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需要。

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