基于機(jī)器視覺的多巷道自動(dòng)化立體倉庫貨位透明化分配方法

東純海

(國網(wǎng)天津市電力公司物資公司,天津 300300)

在社會物資生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中,倉儲占據(jù)著重要的地位,完美銜接了供應(yīng)鏈中生產(chǎn)、配送等多個(gè)環(huán)節(jié)[1]。隨著倉庫需求越來越高,近年來出現(xiàn)一種多巷道自動(dòng)化立體倉庫,由于其具有占地面積小、智能化程度高的特點(diǎn),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用至多個(gè)企業(yè)。實(shí)際操作過程中,自動(dòng)化立體倉庫需要存儲的貨物種類繁多[2],如若不能進(jìn)行良好的貨位分配,倉儲物流整體效率會受到極大影響。

文獻(xiàn)[3]應(yīng)用縮減問題解空間的思想,建立貨位分配策略。根據(jù)待存儲貨物之間的關(guān)聯(lián)性,建立關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行聚類分析,將同屬一類的貨物擺放至同一區(qū)域,形成最終貨位分配方案。但當(dāng)貨物量較大時(shí),該方法生成的分配結(jié)果較為混亂。文獻(xiàn)[4]基于堆垛機(jī)運(yùn)行速度,明確倉儲存儲系統(tǒng)日常工作模式。再針對出入庫時(shí)間、貨架穩(wěn)定性,建立符合實(shí)際要求的貨位分配模型,并通過改進(jìn)遺傳算法求得模型最優(yōu)解。但是,該方法計(jì)算復(fù)雜度較高。文獻(xiàn)[5]針對智能倉庫儲位分配問題進(jìn)行研究,依據(jù)歷史訂單信息貨物每一類商品的周轉(zhuǎn)率、關(guān)聯(lián)度,再建立以最大關(guān)聯(lián)度為目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型, 最終在啟發(fā)式算法的作用下,求解最優(yōu)分配結(jié)果。但是,該方法出庫效率較低。

考慮到立體倉庫貨位分配過程中,判斷貨位是否屬于空閑狀態(tài)是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。為此,文中運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù),設(shè)計(jì)一種透明化分配方法,實(shí)現(xiàn)多巷道自動(dòng)化立體倉庫貨位的合理分配。從實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可以看出,執(zhí)行文中設(shè)計(jì)方法生成的貨位分配方案后,有效提升了訂單出庫效率。

1 設(shè)計(jì)以機(jī)器視覺為基礎(chǔ)的多巷道自動(dòng)化立體倉庫貨位透明化分配方法

1.1 建立自動(dòng)化立體倉庫貨位分區(qū)方案

考慮到立體倉庫的貨物存取都需要依托于機(jī)械設(shè)備,文中從堆垛機(jī)作業(yè)形式入手,明確堆垛機(jī)在巷道內(nèi)的搬運(yùn)能力。多巷道自動(dòng)化立體倉庫中的堆垛機(jī)大部分采用復(fù)合作業(yè)模式[6],也就是說堆垛機(jī)會將一條入庫指令和一條出庫指令組合起來進(jìn)行執(zhí)行,從而提升貨物運(yùn)輸效率。結(jié)合堆垛機(jī)復(fù)合作業(yè)工作特點(diǎn)和每種貨物的質(zhì)量特點(diǎn),建立貨位分區(qū)方案。將整個(gè)立體倉庫劃分為多個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域放置一種或幾種貨物。

為了更好地滿足自動(dòng)化立體倉庫出入庫需求,本文運(yùn)用ABC分類法對存儲貨物進(jìn)行分類,以一個(gè)3行9列的貨架為例,最終貨位分區(qū)結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)圖1可知,在ABC分類法的作用下,貨架內(nèi)貨位被劃分為3個(gè)區(qū)域。3個(gè)區(qū)域與倉庫出入口之間的距離排序?yàn)锳>B>C,不同區(qū)域的貨物出入庫效率排序結(jié)果也是A>B>C。在實(shí)際貨位分區(qū)過程中,可以根據(jù)貨物的出入庫頻率,確定其具體的分配位置。

1.2 設(shè)計(jì)基于機(jī)器視覺的貨位識別算法

貨位分區(qū)完成后,根據(jù)待存儲貨物類別確定其放置的大概區(qū)域,在通過機(jī)器視覺技術(shù),識別區(qū)域內(nèi)貨架上的空閑貨位放置貨物。文中提出在堆垛機(jī)上安裝標(biāo)定后的工業(yè)相機(jī),實(shí)時(shí)采集多巷道自動(dòng)化立體倉庫現(xiàn)場貨架圖像,將采集圖像的色彩空間從RGB轉(zhuǎn)換為HSV,并進(jìn)行歸一化處理,完成圖像分割前的預(yù)處理工作。

本文依托Onecut算法[7]完成貨架圖像分割的,針對圖像建立顏色直方圖,劃分圖像的前景和背景,形成如下所示能量模型:

(1)

根據(jù)最小化熵函數(shù)對能量函數(shù)進(jìn)一步分析,計(jì)算前景與背景最小重疊像素,重疊懲罰表達(dá)公式為:

(2)

公式中,I表示重疊懲罰項(xiàng)。在Onecut算法的作用下,將前景信息包圍在矩形內(nèi),完成相機(jī)采集圖像的分割:

(3)

公式中,F表示膨脹算子,θ表示平滑項(xiàng)。最后,運(yùn)用Graphcut算法求取最小化的能量函數(shù),得到貨架圖像分割結(jié)果。圖像分割技術(shù)后,保留了目標(biāo)物體,再運(yùn)用Canny邊緣檢測算法獲取貨架輪廓信息[8],明確當(dāng)前貨架內(nèi)各個(gè)貨位的空閑情況。至此,依托機(jī)器視覺技術(shù)完成有效貨位的識別,并透明化展示多巷道自動(dòng)化立體倉庫貨位狀態(tài)。

1.3 構(gòu)建貨位透明化分配數(shù)學(xué)模型

考慮到倉庫內(nèi)存儲的貨物中存在使用頻率較高的貨物,這類貨物極有可能頻繁出入庫。因此,在貨位分配時(shí)需要將其存放在距離門口較近的貨架,實(shí)現(xiàn)出入庫運(yùn)行時(shí)間的減少。出入庫運(yùn)行時(shí)間,會受到堆垛機(jī)運(yùn)行速度、貨位和進(jìn)出口之間的距離影響[9],具體計(jì)算公式如下所示:

fxy=

(4)

公式中,x表示倉庫貨位橫坐標(biāo),y表示倉庫貨位縱坐標(biāo),L表示貨位水平長度,H表示貨位垂直高度,f表示從貨位處運(yùn)行到倉庫出入口端的耗時(shí),max表示最大值,σ表示堆垛機(jī)運(yùn)行速度。

通常情況下,將企業(yè)整個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)進(jìn)出庫時(shí)間相加,即可得出堆垛機(jī)作業(yè)總時(shí)間,則有:

(5)

(6)

自動(dòng)化立體倉庫與平面?zhèn)}庫不同,貨物存儲時(shí)需要考慮貨架的載重能力,確保放置的貨物不超出貨架承重能力,對此提出貨位透明化分配數(shù)學(xué)模型對應(yīng)的約束公式:

(7)

公式中,εmax表示貨架最大承重能力。

文中以貨物出入庫運(yùn)行時(shí)間為考量,基于上述約束條件,建立以出入庫效率最高為目標(biāo)的倉庫貨位分配函數(shù):

(8)

公式中,ρ表示目標(biāo)函數(shù),min表示最小值。

1.4 生成最優(yōu)貨位分配方案

對于上述構(gòu)建的貨位分配模型,文中采用決策樹搜索算法[10],得到多種貨位分配方案,再通過對比每種分配方案的收益指標(biāo),生成最優(yōu)貨位分配方案。多種貨位分配方案的排序結(jié)果為:

c1,j≥c2,j≥…≥ca,j≥…≥cb,j

(9)

公式中,j表示待分配貨物,a表示貨位分配方案,b表示貨位分配方案總數(shù)量,c表示分配方案對應(yīng)的收益指標(biāo)。

按照分配方案排序結(jié)果建立分配指導(dǎo)表。表的行數(shù)由待分配貨物數(shù)量確定,表的列數(shù)受貨位分配方案數(shù)量的影響。根據(jù)自動(dòng)化立體倉庫貨位分配指導(dǎo)表,建立圖2所示的貨位分配決策樹。

圖2 貨位分配決策樹

根據(jù)圖2可知,通過決策樹算法進(jìn)行最優(yōu)貨位分配方案選取時(shí),需要先針對根節(jié)點(diǎn)下一層的各個(gè)貨位分配方案進(jìn)行深度優(yōu)先遍歷,結(jié)合分配約束條件將第一層中不符合要求的方案直接剔除,達(dá)到修建決策樹的目的。再針對符合要求的方案下一層包含的貨位分配方案進(jìn)行遍歷分析,按照同樣的方式去除不可行方案,匯總所有滿足約束條件的分配方案。根據(jù)每種方案的貨物出入庫運(yùn)行時(shí)間對各方案進(jìn)行排序,獲取最優(yōu)貨位分配方案。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證本文提出立體倉庫貨位分配方法的有效性,選定某中型企業(yè)為研究對象,該企業(yè)內(nèi)的自動(dòng)化生產(chǎn)線有配套的多巷道自動(dòng)化立體倉庫,倉庫內(nèi)包含多排貨架,且每兩排貨架之間是一條可供機(jī)器運(yùn)行的巷道,符合實(shí)驗(yàn)要求。針對該企業(yè)的立體倉庫進(jìn)行調(diào)查,得到表1所示的基本參數(shù)信息。

表1 基本參數(shù)

在表1所示的基本參數(shù)條件下,完成生產(chǎn)貨物的存儲和運(yùn)輸。在實(shí)驗(yàn)開始之前,為了加強(qiáng)貨位分配結(jié)果的直觀性,根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的周轉(zhuǎn)率,將產(chǎn)品主要?jiǎng)澐譃?類。其中,黑色標(biāo)注表示產(chǎn)品的周轉(zhuǎn)率在6～10之間,該類貨物出入庫頻率較高。橙色標(biāo)注的產(chǎn)品周轉(zhuǎn)率為3～6,該類產(chǎn)品的出入庫頻率中等,而周轉(zhuǎn)率為0～3的產(chǎn)品,標(biāo)注為白色。

通過了解可知,該企業(yè)的立體倉庫已經(jīng)放置了部分產(chǎn)品,入庫前的存儲狀態(tài)如圖3所示。

圖3 入庫前倉庫存儲狀態(tài)

從圖3可以看出,倉庫內(nèi)當(dāng)前各貨架上均有空位,實(shí)驗(yàn)過程中需要將待存儲的貨物合理分配至有效貨位。

2.2 貨位分配結(jié)果

貨位分配之前,倉庫管理員需要對待存儲的貨物進(jìn)行標(biāo)簽掃描,完成貨物入庫信息的核對。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置待入庫的產(chǎn)品中,周轉(zhuǎn)率在 0～3范圍內(nèi)的產(chǎn)品需要分配11個(gè)貨位,周轉(zhuǎn)率為3～5的產(chǎn)品需要分配7個(gè)貨位,其余產(chǎn)品的周轉(zhuǎn)率范圍均在6～10之間,這部分產(chǎn)品也需要7個(gè)貨位。針對上述貨物分配要求,應(yīng)用文中提出的以機(jī)器視覺為基礎(chǔ)的貨位分配方法進(jìn)行分析,得到最優(yōu)貨位分配方案,按照該方案進(jìn)行入庫存儲后,入庫后倉庫存儲狀態(tài)如圖4所示。

圖4 入庫后倉庫存儲狀態(tài)

針對圖4所示的入庫后倉庫存儲狀態(tài)進(jìn)行分析,明確新入庫產(chǎn)品的貨位坐標(biāo),得到表2。

表2 貨位分配坐標(biāo)

根據(jù)圖4和表2可知,文中提出的貨位分配方法應(yīng)用后,成功將待存儲產(chǎn)品中周轉(zhuǎn)率較高產(chǎn)品集中分配在第一、二排貨架,確保產(chǎn)品可以快速出口。其余產(chǎn)品也都按照周轉(zhuǎn)率,分配在了合適的貨位。從貨位分配結(jié)果來看,這種分配結(jié)果可以縮短產(chǎn)品出入庫距離和時(shí)間,表明文中提出的分配方法具有可行性。

2.3 出庫效率對比

本次實(shí)驗(yàn)過程中,還選用了基于粒子群算法、基于商品關(guān)聯(lián)度的分配算法,對上述待入庫產(chǎn)品進(jìn)行貨位分配,得到圖5所示的分配結(jié)果。

圖5 兩種方法的貨位分配結(jié)果

針對不同分配方法得到的貨物分配結(jié)果,針對10個(gè)訂單進(jìn)行產(chǎn)品出庫,得到圖6所示的出庫運(yùn)行時(shí)間對比結(jié)果。

圖6 不同貨位分配方法的訂單出庫運(yùn)行時(shí)間對比

根據(jù)圖6可知,應(yīng)用文中提出方法進(jìn)行貨位分配后,總訂單出庫運(yùn)行時(shí)間為283 s,而其他兩種方法得出的貨位分配方案執(zhí)行后,10個(gè)訂單出庫運(yùn)行總時(shí)間分別為375 s、372 s。針對上述訂單出庫運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行計(jì)算可知,運(yùn)用文中提出的方法進(jìn)行透明化貨位分配,可以保證出庫效率提升24.53%、23.92%,提升自動(dòng)化立體倉庫的整體作業(yè)效率。

3 結(jié) 論

多巷道自動(dòng)化立體倉庫的廣泛應(yīng)用,使得倉庫內(nèi)貨位分配問題成為企業(yè)需要解決的主要問題。文中提出將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用在貨位分配過程中,針對當(dāng)前立體倉庫內(nèi)貨架上貨位的空閑情況進(jìn)行識別,在此基礎(chǔ)上建立分配模型,明確待存儲貨物運(yùn)送的最佳位置,更加準(zhǔn)確地掌握了立體倉庫內(nèi)空閑貨位坐標(biāo),結(jié)合產(chǎn)品周轉(zhuǎn)率將貨物放置于合適位置,而且與傳統(tǒng)分配方法相比,所提方法分配結(jié)果有利于出庫效率的提升。