鋼鐵企業(yè)自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)貨位分配優(yōu)化問(wèn)題分析

宋男，劉麗珍，王志剛，王海楠

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

倉(cāng)庫(kù)是離散化物質(zhì)管理和物流合理分配的重要組成，倉(cāng)庫(kù)在整合利用物資方面發(fā)揮著十分重要的作用，倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸管理效率在某種程度上決定了物流管理成效。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步發(fā)展下，社會(huì)范圍內(nèi)所需要運(yùn)輸?shù)奈锲吩龆?。貨物運(yùn)輸管理成效直接影響到我國(guó)運(yùn)輸系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展。現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)存儲(chǔ)物品實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)大規(guī)模品種向大批量多品種的轉(zhuǎn)變。面對(duì)大批量的貨物管理，需要根據(jù)每件物品的情況來(lái)為其分配相應(yīng)的貨位。

貨物分配是倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸單位對(duì)剛剛進(jìn)入到倉(cāng)庫(kù)中物品的已支付管理，積極有效的分配管理能夠有效提升倉(cāng)庫(kù)貨物的運(yùn)輸管理效率，節(jié)省貨物的運(yùn)輸管理時(shí)間。現(xiàn)階段，結(jié)合貨物運(yùn)輸管理需要，貨物分配管理研究是靜止空間范圍內(nèi)的貨物分配管理，但是在貨物數(shù)量不斷增多的情況下，這種靜止化的倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸管理已經(jīng)不再能夠滿(mǎn)足多樣化貨物管理需要。如何結(jié)合倉(cāng)庫(kù)貨位情況和待入庫(kù)物品信息，實(shí)現(xiàn)貨位動(dòng)態(tài)化分配成為現(xiàn)代多品種倉(cāng)庫(kù)建設(shè)需要解決的問(wèn)題。

文章結(jié)合鋼鐵企業(yè)貨位分配實(shí)際情況和基本要求，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的貨位分配管理主張，打造出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能倉(cāng)庫(kù)環(huán)境，在此基礎(chǔ)上形成多規(guī)則約束的多目標(biāo)智能化倉(cāng)庫(kù)貨位分配模型，借助遺傳算法改進(jìn)貨位分配。

1 基于制造物聯(lián)技術(shù)的智能倉(cāng)庫(kù)構(gòu)建

結(jié)合鋼鐵企業(yè)貨物管理需要，在實(shí)施鋼鐵企業(yè)貨物運(yùn)輸管理的過(guò)程中需要相關(guān)人員強(qiáng)化對(duì)鋼鐵貨物運(yùn)輸信息的全方位感知，在全方位了解貨物信息的基礎(chǔ)上來(lái)采取有針對(duì)性的動(dòng)態(tài)化措施管理貨物。文章以無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到鋼鐵企業(yè)，打造出基于無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別的智能對(duì)象，通過(guò)構(gòu)造智能倉(cāng)庫(kù)環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)狀態(tài)實(shí)時(shí)感知和傳遞。

1.1 依托無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)獲取智能對(duì)象

鋼鐵企業(yè)的倉(cāng)庫(kù)所需要管理的貨物對(duì)象十分多樣，在管理貨物的過(guò)程中需要結(jié)合貨物的擺放位置和使用需要來(lái)管理調(diào)整貨物的使用，使用一些和貨物管理匹配的托盤(pán)來(lái)實(shí)施貨物管理。在這個(gè)過(guò)程中，為了能夠幫助相關(guān)人員更為全面道路了解貨物的運(yùn)輸管理信息，在貨物運(yùn)輸管理的過(guò)程中可以引入無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)。在無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)的支持下來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物運(yùn)輸?shù)娜轿桓?，幫助貨物運(yùn)輸管理人員全方位地了解貨物倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行情況。

在無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)的支持下能夠全方位、多角度的跟蹤物理對(duì)象，從而能夠更全面的從物理對(duì)象身上獲取所需要的信息。依托無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)能夠打造和物品管理密切相關(guān)的智能物品、智能貨架、智能貨位和智能托盤(pán)。

（1）智能物品。在無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)的支持下能夠更為全面的把握物品的屬性，在物品上面貼上對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)物品使用的全方位跟蹤管理。在無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)支持下能夠?qū)ξ锲返纳a(chǎn)日期、最佳使用時(shí)期、貨物的入庫(kù)時(shí)間等進(jìn)行全方位的管理。

（2）智能貨架。在無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)的支持下會(huì)將貨物貼上能夠表明其屬性的標(biāo)簽，之后將貨物擺放在適合的出入口位置上。在具有無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別閱讀器的智能叉車(chē)、具有無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別閱讀器的個(gè)人進(jìn)出貨架時(shí)能夠掃描貨架標(biāo)簽。

（3）智能貨位。在無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)的支持下能夠幫助相關(guān)人員更為全面地了解貨物的所在位置和狀態(tài)，在使用貨物的時(shí)候?qū)ω浳锏幕拘畔?shí)施全面的管理，這個(gè)期間使用過(guò)的貨物會(huì)被標(biāo)志為已存儲(chǔ)。在貨物被取出之后，貨位存儲(chǔ)的物品信息會(huì)轉(zhuǎn)存到后端管理數(shù)據(jù)庫(kù)。

（4）智能托盤(pán)。在無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別貼附在托盤(pán)上目的是能夠更好的識(shí)別托盤(pán)的位置，目的是能夠全方位的跟蹤貨物托盤(pán)的使用狀態(tài)。在將物品放置在對(duì)應(yīng)托牌上的時(shí)候能夠?qū)ξ锲返男畔⑦M(jìn)行全面的記錄，在使用物品之后也會(huì)標(biāo)記出貨物的使用狀態(tài)。如果后期不再使用貨物，會(huì)將貨物的存儲(chǔ)狀態(tài)調(diào)整為空閑。

（5）智能工人。在無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)的支持下會(huì)對(duì)貨物使用全過(guò)程的基本情況進(jìn)行分類(lèi)匯總，之后標(biāo)定的標(biāo)簽來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物使用情況的全過(guò)程跟蹤管理。

1.2 基于智能對(duì)象的智能倉(cāng)庫(kù)架構(gòu)

在無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)、通信技術(shù)、智能技術(shù)的支持下能夠使得倉(cāng)儲(chǔ)貨物管理更加具備完善的信息支持，且在倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸管理之后還會(huì)在技術(shù)的支持下全面的體現(xiàn)出倉(cāng)庫(kù)貨物的使用狀態(tài)。在標(biāo)記倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸貨物資料期間所使用到的技術(shù)包含計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等，在這些技術(shù)的全方位支持下會(huì)打造出智能核心數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 貨位分配優(yōu)化模型——組合多目標(biāo)優(yōu)化

2.1 貨位的分配原則

在倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸管理的過(guò)程中可以借助一系列先進(jìn)的技術(shù)形式來(lái)打造出一個(gè)優(yōu)化的系統(tǒng)模型，在這個(gè)模型的作用下能夠合理分配各個(gè)貨位的位置和資源，最終全面提升倉(cāng)庫(kù)入庫(kù)的管理效率，減少貨物的存儲(chǔ)和管理時(shí)間。結(jié)合鋼鐵企業(yè)發(fā)展實(shí)際情況可以在保證整個(gè)企業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)上因地制宜的打造出一個(gè)多負(fù)責(zé)的倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸貨物中心模式。在先進(jìn)技術(shù)的支持和配合下來(lái)全面提升出入庫(kù)的操作效率。

（1）按照不同的類(lèi)別來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的分區(qū)域擺放。鋼鐵倉(cāng)庫(kù)擺放的物品比較多，在具體管理中為了能夠提升對(duì)不同物品的管理效率，需要按照物品的類(lèi)別和使用需要來(lái)分區(qū)域擺放。在物品擺放的過(guò)程中為了能夠提升物品擺放效率，需要就產(chǎn)品的類(lèi)型進(jìn)行全方位的劃分。站在保障貨架結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定的視角下對(duì)物品實(shí)施分區(qū)域擺放管理，在相關(guān)人員對(duì)物品有需要的時(shí)候及時(shí)向人們提供物品。

（2）較重物品的低層存放管理。重量較大物品的擺放和管理要注重保障貨架結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。在物品擺放的時(shí)候?qū)τ诒容^輕微的物品可以按照高層的規(guī)則來(lái)管理貨物和物品，目的是通過(guò)對(duì)貨架的多層次擺放來(lái)保證貨架的安全性和穩(wěn)定性。

（3）將使用頻率較高的物品臨近入口進(jìn)行擺放，特別是要嚴(yán)格按照規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保管和使用頻率較高的物品。在這個(gè)過(guò)程中，對(duì)于倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中使用頻率較高的物品，為了能夠減少這些物品的運(yùn)輸管理時(shí)間，提高出入庫(kù)的效率，需要將這類(lèi)物品靠近出入口存放。

2.2 貨位分配規(guī)則建模

（1）不同種類(lèi)物品分區(qū)存放建模。在制造物聯(lián)環(huán)境下，多品種小批量倉(cāng)庫(kù)存放物品種類(lèi)多，為了能夠提升物品的存取效率，需要將不同類(lèi)型的物品分開(kāi)存放。各個(gè)區(qū)域的貨架數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際情況做出調(diào)整。

（2）較重物品的低層存放建模。為了能夠確保貨架的穩(wěn)定性，需要將比較重的物品放置在貨架低層，低層的物品會(huì)被存放在貨架高層，通過(guò)這樣的操作能夠確保貨架承載的穩(wěn)定。為了能夠確保貨架的安全性和穩(wěn)定，按照重心越低越穩(wěn)定的基本原則來(lái)擺放物品，在物品擺放的期間可以將比較輕微的物品可以擺放在比較高層的位置上，通過(guò)對(duì)貨架的合理化和集中化管理最終實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的高效率存儲(chǔ)管理。為了能夠確保貨架貨位的充分利用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的集中管理。

2.3 組合多目標(biāo)貨位分配模型

為了能夠提升自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的出入庫(kù)效率，會(huì)將經(jīng)常使用的出入庫(kù)的頻率較高的貨物擺放到靠近起始點(diǎn)的位置。設(shè)置某貨位區(qū)的編號(hào)為R（1、2、3……q），共有p種貨品，其中一種貨品的COI數(shù)值為I1，COI為立方體索引號(hào)。COI的計(jì)算公式如下：Ii=Ci/fi，Ci是某種貨品的存儲(chǔ)總量所需要的庫(kù)存容量，fi是某種貨品的出庫(kù)頻率。貨品存儲(chǔ)總量所需的庫(kù)存容量較小，且出入庫(kù)的頻率越高，對(duì)應(yīng)的COI越少。

為了能夠減少貨物存儲(chǔ)和拿取空間，根據(jù)貨物存放原則要求，對(duì)于出入庫(kù)頻率比較高的貨物需要設(shè)定更少的出入庫(kù)時(shí)間。對(duì)于出入庫(kù)頻率較低的貨物則是可以讓其擁有較長(zhǎng)的出入庫(kù)時(shí)間，基于這樣的設(shè)定要求，打造公式（1）。

tij是將第i列j層貨位上的物品搬運(yùn)到巷道口所使用的時(shí)間。

Tij=max（li/Vx，H（j-1）/Vy）s為了能夠方便處理，不需要考慮堆垛機(jī)的啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間。Vx和Vy分別是堆垛機(jī)的水平、垂直運(yùn)行速度（m/s）。

上文提到的兩個(gè)目標(biāo)條件是以提升貨物存取效率、減少貨物存取時(shí)間為目的的，在具體實(shí)施操作的識(shí)貨可以合并為一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。minE=IxT。

由此可以發(fā)現(xiàn)，貨位的分配需要同時(shí)考慮貨架的穩(wěn)定性和存取效率，在本質(zhì)上是一個(gè)組合多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題，在很多情況下目標(biāo)是相互沖突的，一般不存在唯一的全局性最優(yōu)解，而是存在一個(gè)最優(yōu)化的組合解，在組合優(yōu)化解中有數(shù)據(jù)信息是可以用的，有的數(shù)據(jù)信息是不可以用的。在求解的過(guò)程中不能夠單一的追尋某一個(gè)目標(biāo)解，而是需要尋求各維目標(biāo)比較滿(mǎn)意的解。在經(jīng)過(guò)比較分析各種算法之后，選擇使用Pareto的算法來(lái)求解多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。

3 基于改進(jìn)遺傳算法的模型求解

3.1 算法的選擇

在分類(lèi)管理物品的過(guò)程中要注重遵循多目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算方法。從實(shí)際操作角度來(lái)看，這類(lèi)方法在協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)信息和整合數(shù)據(jù)信息方面發(fā)揮出了十分重要的作用，能夠?qū)⒑瘮?shù)問(wèn)題以一種優(yōu)化的方式予以解決。

基于遺傳算法的模型打造原理如下：對(duì)目標(biāo)實(shí)施操作，選擇一定的數(shù)量候選解，實(shí)現(xiàn)對(duì)候選交叉解的處理，獲得最優(yōu)解。通過(guò)一系列的優(yōu)化處理，在解決多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的時(shí)候能夠逼近最優(yōu)解。

3.2 求解思路和基本求解算法

基于遺傳算法的倉(cāng)庫(kù)貨位分配模型如圖1所示，具體操作措施如下所示。

圖1 基于遺傳算法的倉(cāng)庫(kù)貨位分配模型

（1）編碼和解碼。被引入到倉(cāng)庫(kù)中的物品會(huì)按照指定的要求被擺放在托盤(pán)上面，托盤(pán)和貨位之間會(huì)呈現(xiàn)出一對(duì)一的關(guān)系。在計(jì)算分析的時(shí)候?yàn)榱四軌蚋玫膮f(xié)調(diào)貨位和圖盤(pán)的關(guān)系，文章選擇使用整數(shù)編碼分析方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，具體方法分析如下。使用數(shù)字去代表各個(gè)托盤(pán)的編號(hào)，使用整數(shù)代表空閑的貨位。在設(shè)定9個(gè)托盤(pán)、10個(gè)空閑貨位的情況，按照從左邊到右邊的順序排列，數(shù)字0代表的是沒(méi)有空閑的貨位，沒(méi)有存儲(chǔ)物品。托盤(pán)分配空間貨位的基因編碼圖如圖2所示。托盤(pán)編號(hào)和托盤(pán)信息呈現(xiàn)出來(lái)的是一種映射關(guān)系。

圖2 托盤(pán)分配空間貨位的基因編碼圖

（2）種群初始化和參數(shù)的確定。種群初始化方法是將隨機(jī)產(chǎn)生的信息作為個(gè)體研究的重要算法，在整合集群數(shù)據(jù)信息之后形成初始化的數(shù)據(jù)樣本群體。在數(shù)據(jù)信息的初始化處理階段需要操作者能夠全方位的掌握托盤(pán)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，對(duì)托盤(pán)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息實(shí)施編碼處理，形成編號(hào)為tp1、tp2、tp3.tp的序列，倉(cāng)庫(kù)中這個(gè)區(qū)域代表是貨位空閑數(shù)目y，編號(hào)為kw1、kw2、kw3......kw，在y≥x的時(shí)候，會(huì)保持足夠數(shù)量的空閑貨位。種群的初始化處理是將tp1、tp2......tp和（y-x）個(gè)0個(gè)隨機(jī)的排列數(shù)值作為初始種群。

（3）適應(yīng)度的評(píng)價(jià)函數(shù)。適應(yīng)度是用來(lái)描述個(gè)體性能的一個(gè)重要指標(biāo)，在整合分析數(shù)據(jù)信息的時(shí)候會(huì)根據(jù)適應(yīng)度的大小去選擇數(shù)據(jù)信息，在這個(gè)過(guò)程中適應(yīng)度較小的數(shù)據(jù)信息會(huì)逐漸被替代，信息的傳遞概率也會(huì)相應(yīng)的減少。合建模過(guò)程中獲得的函數(shù)模型可以對(duì)函數(shù)求解處理，獲得函數(shù)的極小值。

（4）遺傳運(yùn)算。①選擇性運(yùn)算。選擇性運(yùn)算充分體現(xiàn)出了適者生存的原理，在具體實(shí)施操作的時(shí)候可以通過(guò)適應(yīng)度評(píng)價(jià)來(lái)選擇高質(zhì)量的個(gè)體。數(shù)組的大小設(shè)置為2，在計(jì)算分析的時(shí)候，可以在初始性的個(gè)體數(shù)據(jù)中隨機(jī)選擇兩個(gè)個(gè)體，比較這兩個(gè)個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值，數(shù)值小的被選中，②交叉運(yùn)算。交叉運(yùn)算主要體現(xiàn)在互相交叉的兩個(gè)個(gè)體之間存在重疊的基因，每個(gè)個(gè)體都有各自的貨拉分配方案，在將兩個(gè)個(gè)體實(shí)施交叉運(yùn)算之后就會(huì)得到兩種新的貨拉分配方案。③變異運(yùn)算。變異運(yùn)算是指將一些不同于一般情況下的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理的方式，在對(duì)信息處理之后會(huì)形成新的個(gè)體。變異運(yùn)算知識(shí)是遺傳視角下的重要輔助性分析手段，在具體實(shí)施操作的時(shí)候僅僅會(huì)牽扯到比較小概率的數(shù)據(jù)信息，期間變化的數(shù)據(jù)信息也是小范圍和小概率內(nèi)的。在倉(cāng)庫(kù)貨位分配管理中會(huì)使用基本位變異方法，即在（0，1）之間隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)，如果所選擇的數(shù)據(jù)信息是低于變異概率的，那么在操作層面上就是可以實(shí)施變異操作的。倉(cāng)庫(kù)貨位分配期間的每一個(gè)個(gè)體數(shù)值都可以被看做是重要的托盤(pán)編號(hào)，在制定操作的時(shí)候可以根據(jù)任何一個(gè)托盤(pán)編號(hào)的特點(diǎn)來(lái)獲得所需要的數(shù)據(jù)信息。

（5）出入庫(kù)頻率高物品靠近出入口存放建模。對(duì)待出入使用頻繁的數(shù)據(jù)信息，在實(shí)施出入庫(kù)管理的時(shí)候要根據(jù)數(shù)據(jù)信息的內(nèi)容來(lái)選擇適合的出入庫(kù)管理模式。從而在信息出入庫(kù)管理的過(guò)程中減少外界信息的干擾。

為了能夠提升產(chǎn)品的出入庫(kù)效率，需要將出入庫(kù)頻率較高的物品分配靠近出入口的貨位。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，多品種小批量倉(cāng)庫(kù)受物品種類(lèi)多、出入庫(kù)頻次高，倉(cāng)庫(kù)作業(yè)效率成為企業(yè)優(yōu)化發(fā)展的重要目標(biāo)。貨位的規(guī)劃和貨位的分配是倉(cāng)庫(kù)作業(yè)的重要關(guān)鍵。文章以無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別為核心，探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在倉(cāng)庫(kù)管理中的應(yīng)用過(guò)程，在無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)的支持下打造出了倉(cāng)庫(kù)智能化模型，在規(guī)范化的倉(cāng)儲(chǔ)管理模式作用下能夠幫助相關(guān)人員在第一時(shí)間獲得倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息，在全面獲得多方面數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上來(lái)打造出多規(guī)則的模型，結(jié)合物品使用分區(qū)存放要求來(lái)打造出低層次的數(shù)據(jù)存放關(guān)系模型。文章所構(gòu)建的貨位分配數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多目標(biāo)問(wèn)題，為了能夠獲得最優(yōu)解，引進(jìn)了遺傳改進(jìn)算法，最終有效提升了物品的入庫(kù)時(shí)間，增強(qiáng)了貨架的穩(wěn)定性和倉(cāng)庫(kù)作業(yè)效率。