基于遺傳算法的鋰離子電池自動(dòng)化生產(chǎn)線空托盤(pán)調(diào)度優(yōu)化

呂強(qiáng)，何文剛，王穎超

(天津力神電池股份有限公司，天津 300384)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，人們?cè)谌粘Ｉ钪械母鱾€(gè)方面都依托于計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的支撐，智能手機(jī)與電腦等設(shè)備的擁有量持續(xù)上漲。近年來(lái)，新能源汽車(chē)順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的能源環(huán)保時(shí)代趨勢(shì)而興起，越來(lái)越多的制造業(yè)生產(chǎn)增多了對(duì)鋰電池的需求。我國(guó)占據(jù)世界鋰電池生產(chǎn)制造的最大市場(chǎng)，是鋰離子電池生產(chǎn)與出口的最主要主體，為了減少人力成本的開(kāi)銷(xiāo)，提高鋰電池生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，越來(lái)越多的鋰離子電池生產(chǎn)廠商開(kāi)始將自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用于鋰離子電池的生產(chǎn)過(guò)程中，托盤(pán)是鋰離子電池生產(chǎn)線中進(jìn)行出入庫(kù)裝卸貨物的重要載體[1]，因此，其托盤(pán)的調(diào)度與整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率具有緊密的聯(lián)系，托盤(pán)具有數(shù)量多，流通量大的特點(diǎn)，又因其傳輸距離的優(yōu)越性而在生產(chǎn)線中發(fā)揮重要的作用。由于鋰離子電池的生產(chǎn)工藝具有一定的復(fù)雜性，盡管我國(guó)已大量應(yīng)用自動(dòng)化生產(chǎn)線，使生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性得到了有效的保證[2]，但我國(guó)生產(chǎn)鋰電池的成本要高于美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。目前國(guó)內(nèi)各設(shè)備的自動(dòng)化水平仍有較大的進(jìn)步空間，因此本文聚焦于解決實(shí)際的空托盤(pán)調(diào)度問(wèn)題，為保證自動(dòng)化生產(chǎn)線上對(duì)托盤(pán)的需求，利用遺傳算法對(duì)空托盤(pán)的調(diào)度問(wèn)題提出了優(yōu)化方法，為生產(chǎn)廠商解決鋰離子電池的自動(dòng)化生產(chǎn)線空托盤(pán)調(diào)度問(wèn)題提供了重要的參考依據(jù)，對(duì)我國(guó)鋰離子電池的自動(dòng)化生產(chǎn)線的發(fā)展與完善具有重要的意義。

1 基于遺傳算法的鋰離子電池自動(dòng)化生產(chǎn)線空托盤(pán)調(diào)度優(yōu)化

1.1 靜置架貨位分配與托盤(pán)布局

在鋰離子電池自動(dòng)化生產(chǎn)線的空托盤(pán)調(diào)度中，首先需要對(duì)放入靜置架上的托盤(pán)進(jìn)行合理布局，目前自動(dòng)化生產(chǎn)線中的靜置架貨位分配是基于隨機(jī)環(huán)境下進(jìn)行的，這種方法出現(xiàn)了大量托盤(pán)分配不均的情況[3]，若托盤(pán)過(guò)于集中則會(huì)出現(xiàn)電池升溫慢的現(xiàn)象，過(guò)于分散則增加有軌制導(dǎo)車(chē)輛(Rail Guided vehicle，RGV)小車(chē)的作業(yè)時(shí)間，因此需要解決貨物失衡放置的情況。本文研究的鋰離子電池的自動(dòng)化生產(chǎn)線中，靜置架的貨架布局為通道式，托盤(pán)在自動(dòng)化立體庫(kù)中流動(dòng)的線路為I型，托盤(pán)在入庫(kù)和出庫(kù)兩端進(jìn)行分別作業(yè)，通過(guò)RGV小車(chē)軌道分別隔開(kāi)每?jī)膳咆浖?，將靜置架通過(guò)列和層分隔成多個(gè)小格，對(duì)每小格按照順序進(jìn)行編號(hào)，設(shè)置每格放置1個(gè)電池托盤(pán)。考慮到電池生產(chǎn)線的高溫靜置環(huán)節(jié)所需要的靜置時(shí)間較長(zhǎng)，環(huán)境溫度較高，且電池具有不同的種類(lèi)和重量，因此，在靜置架的貨位分配中，將較重的托盤(pán)放在靜置架下部，較輕的托盤(pán)放在靜置架上部，并將貨物的橫軸中心靠近靜置架長(zhǎng)軸中心線上，保持靜置架的受力均勻，同時(shí)使電池分散放置。在貨位分配中，本文運(yùn)用多種群遺傳算法，建立貨位分配目標(biāo)函數(shù)，以目標(biāo)函數(shù)的適應(yīng)度，衡量染色體進(jìn)化程度，適應(yīng)度越高，越接近問(wèn)題的最優(yōu)解[4]。本文以靜置架橫縱軸的等效重心最小和貨物相對(duì)集中度較小為目標(biāo)函數(shù)，其適應(yīng)度函數(shù)為：

(1)

式(1)中，f=γ1×f1+γ2×f2，γ1和γ2為本文雙目標(biāo)函數(shù)賦予的權(quán)重，f為目標(biāo)函數(shù)中的約束條件。在利用多種群算法進(jìn)行求解釋?zhuān)阉饕幌盗械目尚薪?，協(xié)同進(jìn)化多個(gè)染色體子群，隨機(jī)生成10個(gè)種群規(guī)模為100的初始種群，將編碼生成的100個(gè)染色體進(jìn)行遺傳操作，利用部分映射交叉法，通過(guò)序列優(yōu)化[5]，利用染色體基因決定貨物分配貨位，完成靜置架貨位分配。

1.2 RGV輸送聯(lián)合調(diào)度堆垛機(jī)

堆垛機(jī)和RGV輸送中會(huì)出現(xiàn)堆垛機(jī)和RGV作業(yè)效率不匹配的問(wèn)題，因此要將堆垛機(jī)和RGV的作業(yè)流程進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)和RGV的聯(lián)合調(diào)度。RGV輸送中影響效率的主要問(wèn)題就是運(yùn)行沖突，為了緩解電池在輸送線可能存在的積壓情況，在連接處的出入庫(kù)緩沖區(qū)增加3個(gè)出入庫(kù)緩存臺(tái)，緩解輸送線壓力，堆垛機(jī)在作業(yè)中只能單次進(jìn)行出入庫(kù)作業(yè)，堆垛機(jī)從緩沖區(qū)取走貨物再將貨物運(yùn)送至指定貨位，堆垛機(jī)的運(yùn)送路徑和工作時(shí)間都是固定值，影響堆垛機(jī)效率。本文根據(jù)實(shí)際需求，運(yùn)用復(fù)合式的作業(yè)形式，組合出入庫(kù)作業(yè)，在堆垛機(jī)完成入庫(kù)指令后不再等待新的指令或做過(guò)多停留。堆垛機(jī)在完成出入庫(kù)任務(wù)后會(huì)停在相應(yīng)?？奎c(diǎn)，生產(chǎn)線的生產(chǎn)量任務(wù)過(guò)多則會(huì)影響下次作業(yè)的堆垛機(jī)行走距離和時(shí)間，因此在堆垛機(jī)停靠點(diǎn)的設(shè)置上，重新規(guī)定停留點(diǎn)，在完成作業(yè)后將堆垛機(jī)?？吭诔鋈霂?kù)的緩沖區(qū)[6]。對(duì)聯(lián)合調(diào)度作業(yè)中的RGV輸送和堆垛機(jī)出入庫(kù)緩沖狀態(tài)序列進(jìn)行定義，出入庫(kù)緩沖臺(tái)狀態(tài)序列為：

(2)

式(2)中，HD為出庫(kù)序列，HL為入庫(kù)序列，i為堆垛機(jī)編碼，當(dāng)HDi和HLi的值都為1時(shí)，堆垛機(jī)繼續(xù)作業(yè)會(huì)產(chǎn)生電池堆積情況，因此需要建立等待狀態(tài)標(biāo)志，具體為：

(3)

式(3)中，DDJi為堆垛機(jī)等待狀態(tài)序列，RGVi為RGV小車(chē)等待狀態(tài)序列，空托盤(pán)由堆垛機(jī)從立體庫(kù)出庫(kù)，再通過(guò)碼分機(jī)拆分空托盤(pán)組，利用叉車(chē)將電池放到空托盤(pán)中，組成電池實(shí)托盤(pán)，等待RGV輸送實(shí)托盤(pán)。根據(jù)堆垛機(jī)編號(hào)對(duì)應(yīng)的作業(yè)順序和RGV對(duì)應(yīng)作業(yè)順序?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線上主要設(shè)備的聯(lián)合調(diào)度。

1.3 建立鋰離子電池自動(dòng)化生產(chǎn)線運(yùn)行模型

本文通過(guò)Flexsim仿真軟件建立直觀的三維仿真圖形，仿真鋰離子電池自動(dòng)化生產(chǎn)線的運(yùn)行。文中研究的某鋰離子電池生產(chǎn)廠商的自動(dòng)化生產(chǎn)線測(cè)試段包括立體庫(kù)和輸送線等，完成鋰電池的組盤(pán)、分容和揀選作業(yè)。經(jīng)過(guò)組盤(pán)作業(yè)后，實(shí)托盤(pán)進(jìn)入常溫庫(kù)進(jìn)行靜置，待靜置完成后輸送到各分檢處的指定工位，完成實(shí)托盤(pán)電池分揀工作[7]，并對(duì)空托盤(pán)進(jìn)行判斷，選擇空托盤(pán)是否通過(guò)輸送線組盤(pán)，或返回立體庫(kù)。加工完成后的鋰電池利用機(jī)械手抓取，并將其放進(jìn)相同規(guī)格電池的托盤(pán)中，放入容量測(cè)試柜測(cè)試。在生產(chǎn)工位設(shè)置緩存區(qū)后，當(dāng)空托盤(pán)到達(dá)某一指定位置，可根據(jù)感應(yīng)器判斷進(jìn)入的緩存區(qū)位置，結(jié)合該生產(chǎn)線的實(shí)際運(yùn)行情況，根據(jù)生產(chǎn)線作業(yè)流程，合理簡(jiǎn)化建立模型，電池靜置化成自動(dòng)化生產(chǎn)概念模型如圖1所示。

由圖1可知，模型中所需要的實(shí)體將在仿真實(shí)體庫(kù)中放到對(duì)應(yīng)位置，通過(guò)模型中的設(shè)備之間的關(guān)系，確定生產(chǎn)實(shí)體之間的邏輯關(guān)系，進(jìn)行端口連接。鋰電池生產(chǎn)對(duì)環(huán)境具有較高的要求，在化成完成后，分揀處的空托盤(pán)需要進(jìn)行組盤(pán)作業(yè)，組盤(pán)后的實(shí)托盤(pán)將繼續(xù)進(jìn)行拆盤(pán)作業(yè)，因此空托盤(pán)的合理調(diào)度十分重要，需要進(jìn)行調(diào)度的優(yōu)化。

圖1 電池靜置化成自動(dòng)化生產(chǎn)概念模型

1.4 基于遺傳算法的空托盤(pán)調(diào)度優(yōu)化

本文的空托盤(pán)優(yōu)化調(diào)度方法，建立在既有輸送系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于動(dòng)態(tài)緩存控制空托盤(pán)出入庫(kù)次數(shù)，并根據(jù)整個(gè)鋰電池生產(chǎn)線的設(shè)備運(yùn)行情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)空托盤(pán)調(diào)度。設(shè)置空托盤(pán)緩存區(qū)，增加緩存工位，在輸送阻塞的情況下，空托盤(pán)緩存數(shù)量過(guò)多，本文調(diào)度優(yōu)化可不經(jīng)過(guò)立體庫(kù)存儲(chǔ)，使空托盤(pán)在阻塞時(shí)直接進(jìn)入組盤(pán)工位進(jìn)行組盤(pán)工作。建立空托盤(pán)調(diào)度優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型[8]，模型中假設(shè)托盤(pán)在輸送過(guò)程中出現(xiàn)的偏移等情況的影響較小，不進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，不合格的電池產(chǎn)品的剔除操作對(duì)機(jī)械手分揀的影響為0，同時(shí)，對(duì)前后工作周期的影響忽略不計(jì)。在自動(dòng)化生產(chǎn)線的初始狀態(tài)下，設(shè)置空托盤(pán)的緩存數(shù)量在輸送系統(tǒng)中已達(dá)Qk個(gè)，揀選工位保持作業(yè)運(yùn)行狀態(tài)，組盤(pán)工位同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，在本次工作周期內(nèi)，以揀選和組盤(pán)速率劃分作業(yè)時(shí)間段，其堆垛機(jī)對(duì)空托盤(pán)最少作業(yè)的次數(shù)為：

(4)

該式是以堆垛機(jī)對(duì)空托盤(pán)的搬運(yùn)次數(shù)最少的目標(biāo)函數(shù)，式(4)中的xiaD為揀選a處產(chǎn)生的第i個(gè)托盤(pán)，D為立體庫(kù)，xiDe為出庫(kù)的第j個(gè)托盤(pán)進(jìn)入輸送系統(tǒng)。

∑th=T

(5)

式(5)中，T為本次工作周期時(shí)間，th為揀選速率恒大于小于或等于組盤(pán)速率的時(shí)間長(zhǎng)度，揀選時(shí)間和組盤(pán)時(shí)間在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)。利用遺傳算法對(duì)模型求解，將問(wèn)題的解進(jìn)行編碼，利用染色體表示一種調(diào)度方法，并利用Matlab實(shí)現(xiàn)該算法，得到調(diào)度的最優(yōu)方案。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與參數(shù)設(shè)置

本文利用遺傳算法，針對(duì)鋰離子電池自動(dòng)化生產(chǎn)線空托盤(pán)調(diào)度優(yōu)化展開(kāi)研究。為驗(yàn)證本文方法的有效性，利用Flexsim專(zhuān)業(yè)仿真工具搭建鋰離子電池自動(dòng)化生產(chǎn)線，模擬空托盤(pán)調(diào)度情況，以三維顯示功能展示現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線，分析調(diào)度優(yōu)化方法的可行性。本文以某鋰離子電池生產(chǎn)廠商N(yùn)1線化成段和后段生產(chǎn)線上的某一天的投產(chǎn)數(shù)據(jù)作為仿真參數(shù)，加工電池入庫(kù)順序及參數(shù)如表1 所示。

表1 加工電池入庫(kù)順序及參數(shù)

由表1 可知本文仿真實(shí)驗(yàn)的生產(chǎn)線投產(chǎn)數(shù)據(jù)，化生段生產(chǎn)線的主要設(shè)備包括靜置架，規(guī)模為10層8列2排，化成機(jī)每4庫(kù)位1臺(tái)，其它設(shè)備及相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 其它設(shè)備相關(guān)參數(shù)設(shè)置

由表2可知，本文生產(chǎn)線的其它設(shè)備參數(shù)，在本文仿真的生產(chǎn)作業(yè)周期中，分別設(shè)置2個(gè)揀選和組盤(pán)工位，共生產(chǎn)2種規(guī)格電池，堆垛機(jī)2臺(tái)。

在實(shí)驗(yàn)仿真運(yùn)行前按照工藝時(shí)間和順序?qū)γ總€(gè)實(shí)體設(shè)置參數(shù)，化成段自動(dòng)化有兩個(gè)發(fā)生器，分別為電池和空托盤(pán)。兩個(gè)發(fā)生器分別用不同流動(dòng)實(shí)體代替，根據(jù)本文遺傳算法得到每個(gè)電池在靜置架存放的貨位，下架時(shí)間以及化成加工對(duì)應(yīng)的編號(hào)，將確定的靜置架貨位和化成機(jī)設(shè)備編號(hào)寫(xiě)入空托盤(pán)發(fā)生器的對(duì)應(yīng)標(biāo)簽中，使對(duì)應(yīng)電池按序放在對(duì)應(yīng)設(shè)備中。這里將同批電池的到達(dá)時(shí)間設(shè)為相同時(shí)間，根據(jù)生產(chǎn)廠商的實(shí)際生產(chǎn)需求設(shè)置傳送帶長(zhǎng)度和速度。合成器用于裝盤(pán)作業(yè)，將一定數(shù)量電匯和托盤(pán)組成臨時(shí)整體，根據(jù)本文工廠的生產(chǎn)規(guī)格，將36個(gè)電池和1個(gè)托盤(pán)組裝。設(shè)置分解器工藝時(shí)間，分離托盤(pán)與電池，暫存區(qū)根據(jù)實(shí)際出入庫(kù)臺(tái)模擬設(shè)置最大容量，靜置架的每個(gè)貨格只容納1個(gè)電池托盤(pán)，將靜置架存貨方式改為讀取實(shí)體標(biāo)簽。化成機(jī)作為資源分配的載體，在資源調(diào)度中，將每個(gè)電池的化成加工時(shí)間寫(xiě)入全局表中。堆垛機(jī)進(jìn)行貨物的出入庫(kù)裝卸作業(yè)，設(shè)置堆垛機(jī)加減速度以及裝卸時(shí)間，將仿真實(shí)驗(yàn)中的所有實(shí)體參數(shù)設(shè)置完畢后，設(shè)置運(yùn)行速度開(kāi)始運(yùn)行。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果與分析

通過(guò)本文仿真軟件工具所提供的報(bào)告以及統(tǒng)計(jì)功能模塊，得到仿真試驗(yàn)中各實(shí)體的運(yùn)行效率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括化成段生產(chǎn)線作業(yè)完成電池加工所需的時(shí)間，電池在靜置架的停留時(shí)間，化成機(jī)的利用率，以及堆垛機(jī)的有效作業(yè)率。本文以優(yōu)化前的仿真結(jié)果和優(yōu)化后的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，靜置架和化成機(jī)優(yōu)化前后相關(guān)仿真數(shù)據(jù)如圖2所示。

由圖2可知，電池在靜置架上的停留時(shí)間和化成機(jī)利用情況，圖(a)中的靜置架平均停留時(shí)間經(jīng)本文優(yōu)化調(diào)度后的時(shí)間比優(yōu)化前的時(shí)間具有明顯的減少，說(shuō)明電池加工的時(shí)間變快，加工效率得到了有效的提高。在圖(b)的化成機(jī)使用情況中，調(diào)度優(yōu)化后的化成機(jī)運(yùn)行時(shí)間得到了有效地提升，閑置時(shí)間得到了一定程度上的減少。從仿真軟件工具中得出的數(shù)據(jù)可以直接得到化成段的總體完工時(shí)間以及化成機(jī)利用率，其化成機(jī)負(fù)載的均衡狀態(tài)由下式得出：

圖2 靜置架和化成機(jī)優(yōu)化前后相關(guān)仿真數(shù)據(jù)

(6)

表3 優(yōu)化前后結(jié)果分析

由表3可知，在整個(gè)生產(chǎn)線生產(chǎn)的總時(shí)長(zhǎng)中，優(yōu)化后比優(yōu)化前所需要的時(shí)長(zhǎng)少2 455 s，優(yōu)化后電池在靜置架上停留的最長(zhǎng)時(shí)間比優(yōu)化前少3 161 s，其化成機(jī)利用率差異小0.528%，說(shuō)明優(yōu)化后的生產(chǎn)線設(shè)備的負(fù)載均衡率更好，本文在化成段的調(diào)度在實(shí)際生產(chǎn)線中是有效的。在后段生產(chǎn)線中，對(duì)堆垛機(jī)的作業(yè)次數(shù)及有效作業(yè)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并分析，堆垛機(jī)作業(yè)次數(shù)及有效作業(yè)率如表4所示。

表4 堆垛機(jī)作業(yè)次數(shù)及有效作業(yè)率

由表4 可知，在堆垛機(jī)作業(yè)周期的8小時(shí)內(nèi)，堆垛機(jī)在優(yōu)化前對(duì)空托盤(pán)的出入庫(kù)搬運(yùn)次數(shù)是218次，在優(yōu)化后是36次，經(jīng)過(guò)本文調(diào)度優(yōu)化后減少了182次，堆垛機(jī)的有效作用率在優(yōu)化前為93.45%，根據(jù)歐洲機(jī)械FEM標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化前的堆垛機(jī)有效作用率超出了90%的規(guī)范要求，不能滿足生產(chǎn)要求。經(jīng)過(guò)本文方法優(yōu)化后，堆垛機(jī)的有效作用率降低為75.64%，有效降低了17.81%，符合生產(chǎn)廠商的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)與要求，證明本文方法具有可行性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)靜置架貨位分配與托盤(pán)布局，通過(guò)RGV輸送聯(lián)合調(diào)度堆垛機(jī)，建立鋰離子電池自動(dòng)化生產(chǎn)線模型，基于遺傳算法實(shí)現(xiàn)對(duì)空托盤(pán)調(diào)度優(yōu)化，取得了一定的研究成果。同時(shí)，由于時(shí)間和條件的限制，本文研究還存在著諸多不足有待于在今后的研究中深入探討，如未涉及對(duì)于空托盤(pán)調(diào)度優(yōu)化的可視化管理，對(duì)作業(yè)傳輸中的阻塞問(wèn)題的研究還不夠深入，未來(lái)還應(yīng)關(guān)注托盤(pán)使用周期及相關(guān)價(jià)值，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)線中存在的不確定因素進(jìn)行分析，使鋰離子電池自動(dòng)化生產(chǎn)線的作業(yè)效率得到進(jìn)一步提升，空托盤(pán)的調(diào)度效果更加顯著。