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    考慮倒箱操作的AutoStore魔方型倉儲系統自動引導車雙層路徑規劃

    信息來源: 發布時間:2022-02-15 點擊數:

    AutoStore系統是一種新興的緊致輕載倉儲系統[1,2],它取消巷道,將標準化貨格直接組合在一起,形成魔方型結構;用于存儲貨物的料箱規格統一,垂直堆存在每個貨格中。自動引導車(automated guided vehicle, AGV)在貨架頂層沿軌道移動,小車4個側面各設有一組輪子,能實現前后左右4個方向的移動和轉向,小車底部裝有伸縮抓取裝置。工作臺設置在貨架邊緣,當存儲或揀選任務產生時,由工作人員確定要存入或揀選的料箱,將指令發送至AGV管理系統。AGV接受到指令后,移動到目標箱位所在貨格頂部,伸縮臂伸入貨格將料箱抓取收入自己“腹”中,隨后帶著料箱移動到工作臺頂部,并通過抓取裝置將料箱放入工作臺通道。待工作人員存入或揀選完貨物后,調用AGV將料箱運回,至此,完成一次存儲或揀選工作。

    從上述工作流程看,AGV為該“貨到人”系統的核心環節,對其進行研究能提高系統運行效率。AGV路徑規劃是生產調度領域的熱點問題,中外已有較多研究成果:從問題研究范疇上,可分為靜態調度、動態調度和聯合調度[3,4];從研究方法上,可分為數學建模方法、仿真優化、智能優化和混合優化等[5,6]。然而,AutoStore獨特的倉儲結構使得AGV路徑規劃問題與傳統研究有較大區別,主要體現在兩個方面:一方面,AutoStore系統中AGV在頂層軌道實現水平方向移動,底部伸縮裝置實現垂直方向移動,路徑規劃問題轉變為三維空間路徑尋優問題,傳統平面路徑尋優方法已不適用;另一方面, AutoStore系統中存在大量的倒箱操作,當目標箱不在貨格頂層時,AGV需要將其上部的阻礙箱依次搬開直至目標箱處于頂層。這使得AGV除了要完成搬運目標箱的工作外,還需完成相應的倒箱工作。而倒箱的次數和具體位置是可變的,即任務數不確定,增加了路徑規劃的復雜程度。

    現階段針對AutoStore系統的研究大多關注生產線設計[7,8]、存儲策略[9,10]及貨位優化[11]。王曉軍等[12]認為存儲越深的目標箱需要倒箱的可能性越高,因此在AGV路徑規劃建模時將目標箱垂直提升時間乘以了一個系數,但該研究未考慮倒箱實際操作,本質上還是二維平面路徑尋優問題。

    考慮到AutoStore系統的倒箱和集裝箱堆場倒箱(翻箱)操作有一定的相似處,文獻[13,14,15]進行了分析。堆場倒箱主要發生在提箱環節,需要根據目標箱位置及當前堆場的實時狀態來制定倒箱堆放策略。在倒箱限制及落箱位的選擇上,所研究的內容與堆場倒箱的不同之處如下。

    (1)堆場倒箱操作大部分在單貝位內進行,少部分能在相鄰貝位進行,但在AutoStore系統中,AGV可帶著料箱在整個貨格頂層行走,落箱位置選擇范圍更大,造成倒箱規模復雜。

    (2) AutoStore系統是具有自我調節能力的智能系統,產生倒箱操作的料箱不需再運回原處,慢慢地提取率高的料箱會處于貨架上層,而提取率低的料箱會沉入下層。

    (3)AutoStore大多采用訂單批處理的策略,即一次需要提取多個目標箱,使得阻礙箱數量增多,且阻礙箱的落箱位置會相互影響,使得問題研究更為復雜。

    考慮倒箱操作的AutoStore系統AGV路徑規劃需解決以下核心問題:一是建立適合該魔方型倉儲揀選系統的倒箱策略;二是如何對能在三維空間活動的AGV路徑問題進行建模和求解;三是倒箱和搬運都需要由AGV完成,如何將兩者結合起來。

    基于上述分析,首先在工作流程基礎上對問題進行了界定,給出了建模方法及倒箱、提箱的作業規則;其次建立了AGV路徑規劃雙層模型,內層模型用于求解阻礙箱的倒箱路徑,以此為基礎,外層模型對多AGV路徑規劃問題進行了分析;然后基于模型特點提出了嵌套啟發式算法,最后通過算例對模型和算法進行了驗證和比較分析。

    1 問題描述

    AGV的指令均由工作臺發出,根據目標箱與工作臺的相對位置,可分為“目標箱出庫”和“目標箱入庫”兩類指令。其中“目標箱出庫”指將目標箱搬運至工作臺,可分解成如下步驟。

    步驟1 AGV接收任務,獲取目標箱及其上方阻礙箱的位置信息。

    步驟2 從當前位置空駛至目標箱貨格頂層。

    步驟3 依次搬運阻礙箱至相應落箱位,直到目標箱位于頂層。

    步驟4 將目標箱搬運至工作臺。

    步驟5 出庫指令完成,釋放AGV。

    工作人員在工作臺對目標箱完成揀選或存儲操作后,發出“目標箱入庫”指令,調用最近的空閑AGV,將目標料箱搬運回貨架,為了保持貨架整體存儲平衡,存入最深可用的貨格。與“目標箱出庫”相比,目標箱入庫較為簡單,屬于起始位置確定且不涉及倒箱操作的AGV調用問題,用最短路徑尋優即可解決,因此,主要討論“目標箱出庫”這一階段。

    在貨到人工作模式下,存儲和揀選的區別體現在工作人員對目標箱的操作及服務時間上,對AGV路徑規劃求解無本質影響,因此,將二者統一考慮。同時為與實際情況相符,設工作人員一次處理一批訂單,訂單內包含數個任務,但順序無先后約束。綜上,本問題可以簡述為:有一系列待提取目標箱,初始位置和終點位置(工作臺)確定,目標箱上面的阻礙箱數量及位置確定,有多個AGV,需要將阻礙箱倒箱及目標箱運輸任務分配給各AGV,并指定執行先后順序,選擇最優運行路徑。

    1.1 AutoStore系統建模

    AutoStore貨架呈魔方型結構,在傳統柵格法建模[16]基礎上,采用柵格法進行三維建模。以貨架左下角為坐標原點O,對行、列、層分別建立X、YZ軸。以料箱尺寸為基本單位,將貨架劃分成立體柵格,一個柵格代表一個箱位,用確定坐標(x,y,z)表示。

    圖1給出了4×4×4規模貨架示意圖。設貨架所有箱位集合為M,根據箱位是否存放料箱又可分為兩個子集合:被料箱占用的實箱位集合M1,如箱位a(1,1,4)∈M1;沒被占用的空箱位集合M2,如箱位e(2,1,4)∈M2。

    圖1 三維柵格建模示意圖

    圖1 三維柵格建模示意圖  下載原圖

    Fig.1 Schematic diagram of 3D grid modeling

    貨架建模完成后,在頂層坐標(Zmax+1)處建立虛擬柵格區作為AGV移動區,如AGV1當前坐標為(3,1,5),則移動路徑可以用一連串柵格坐標表示。AGV充電區設置貨格頂層外側,不影響貨格正常存儲,同時該區域也是路徑規劃的起始點和終點,如AGV2的坐標為(0,2,5)。工作臺設置在貨架外側,規模尺寸為兩個標準化貨格,上部為運輸通道,分為入庫通道和出庫通道,下部為人工操作臺。AGV將入庫目標箱放入入庫通道即可離去,目標箱在通道內排隊,按先到先服務原則接受服務。工作人員完成操作后,將目標箱推入出庫通道底部,依次調用AGV。

    1.2 目標箱及阻礙箱確定

    同一波次訂單達到后,首先對其進行匯總,將同類貨品歸類,獲得待揀貨品列表及其所需求數量??紤]到料箱尺寸較小,設定每個料箱只存放一類貨品且不能超過料箱容積,同類貨品可存儲在多個料箱中。對待揀選列表中的任一貨品,搜索所有存儲該貨品的料箱并確認庫存,當需求量小于某個料箱現有庫存量時,調用該目標箱;當需求量大于料箱最大庫存量時,需將該貨品訂單拆分成兩個訂單甚至更多,直到每個子訂單的需求能被單個料箱滿足。對訂單進行拆分能將訂單任務與需要提取的料箱一一對應,確定目標箱集合N={1,2,…,n},n≥初始訂單數。

    目標箱確定后,其所在三維坐標系的位置也可以確定,則對應阻礙箱也可以確定。對于目標箱iN,存在阻礙箱集合Ei={1,2,…,ni},ni為目標料箱i上面阻礙箱的數目。同批次訂單內,所有阻礙箱集合為E={E1,E2,…,En},共有m個阻礙箱,m=n1+n2+…+ni,iN。

    倒箱操作需將目標箱上的阻礙箱依次轉移到其他貨格的空余箱位。如圖1所示,若c(1,1,2)為目標箱,則b(1,1,3)和a(1,1,4)為阻礙箱,需依次搬運至其他空位。確定每個阻礙箱的落箱位是倒箱操作的核心環節,落箱位需滿足當前時刻為空箱且下方為實箱位的條件,如圖1中, g被占用,e下方為空,均不滿足條件,f、i可作為落箱位。對于阻礙箱jE,設落箱位置集合為Dj={1,2,…,mj},其中mj為阻礙箱j的可落箱位置數目。對于所有阻礙箱,落箱位置集合為D={D1,D2,…,Dm}。

    通過以上分析,AGV路徑規劃問題可轉化為:將訂單分解形成目標箱集合N,調用多個AGV,將阻礙箱集合E中的料箱搬運至集合D,將目標箱集合N中的料箱搬運至工作臺W接受服務并返回,在滿足相關約束的前提下,獲得AGV行駛路徑,以提高系統運行效率。

    2 AGV路徑規劃雙層優化模型

    2.1 模型假設

    分析可知,AGV任務可分解成兩類子任務:搬運阻礙箱和搬運目標箱。對搬運阻礙箱子任務,落箱位不確定,且當某一目標箱上面存在多個阻礙箱時,AGV需要多次返回倒箱;當多個AGV同時進行倒箱操作時,落箱位很容易出現沖突,因此,該任務求解的核心在于建立一個動態箱位狀態數據庫。對搬運目標箱子任務,需要AGV通過最短路徑將目標箱搬運至工作臺,問題的核心為多AGV任務指派。這兩個任務既有一定獨立性又有一定的順序約束,根據AGV調用情況, 有兩種策略可以選擇:一是將目標箱和其對應阻礙箱安排給同一AGV,即AGV接收到任務后,行走到目標箱頂層,先進行倒箱,再搬運目標箱;二是將AGV分成兩部分,一部分只負責倒箱,一部分只負責搬運??紤]到目標箱和相應阻礙箱都在同一貨格,采用第二種方法容易產生沖突,因此,使用第一種策略。

    為此,將AGV路徑規劃抽象成一個車輛路徑問題(vehicle routing problem, VRP):給多個任務(包含倒箱和搬運目標箱)安排AGV,每個任務必須且只能被完成一次。AGV完成任務的時間分解成4部分:①從當前位置移動到目標箱頂層的空駛時間,由AGV路徑規劃確定;②倒箱時間,由阻礙箱數目及各自落箱位確定;③目標箱直提時間,由目標箱縱向坐標確定;④水平搬運至工作臺時間,由AGV路徑規劃確定。

    基于以上假設,可建立AGV路徑規劃雙層優化模型,內層模型求解指定任務的倒箱時間,以此為基礎,利用外層模型對多AGV路徑規劃問題進行分析。

    2.2 內層倒箱路徑模型

    倒箱路徑優化問題可以轉化成單AGV路徑規劃問題:調用AGV依次搬運阻礙箱,需確定落箱位,優化目標為完成時間最短。且為了與外層路徑規劃模型相匹配,在內層模型中,AGV初始位置和終點位置均為目標箱貨格頂層。

    2.2.1 倒箱規則

    對于任一阻礙箱iE,其落箱位包含兩方面的信息:一是水平坐標,表示AGV要搬運至何處;二是縱向坐標,表示放入位置的深度。在求解落箱位前,先確定倒箱規則。

    規則1 落箱位選擇范圍確定。為避免阻礙箱落在訂單內其他目標箱上造成重復倒箱,需先行確定落箱位水平坐標范圍。

    設目標箱水平坐標為(x0,y0),除此之外所有貨格平面坐標集合為GSW。但在GSW中,并不是每個貨格都能作為落箱位使用,得排除掉以下兩種情況:

    ①已存滿料箱的貨格,設貨架中滿載的貨格水平坐標集合為FS。②同批次訂單內其他目標箱所在貨格,設目標箱所在貨格水平集合為NS。以上兩個集合可以通過判斷貨架存儲狀態確定。設可儲存平面坐標集合為ASW,則有ASW=GSW-(GSWFS)-(GSWNS)。

    規則2 落箱位滿足堆放約束。阻礙箱的落箱位必須為空,且當落箱位置不在第一層時,其下方相鄰箱位不為空。對箱位集合M中的箱位si,坐標為si(xi,yi,zi)。用θ(si)表示位置si的當前狀態,若有箱,則θ(si)=1,否則=0。

    對阻礙箱j,設落箱位集合為Dj,結合規則1,則有Dj={si|θ[si(xi,yi,zi)]=0,(xi,yi)∈ASW,zi=1或θ[s(xi,yi,zi)]=0,θ[si(xi,yi,zi-1)]=1, (xi,yi)∈ASW,zi≥2,siM。

    2.2.2 倒箱時間

    根據1.2節所述集合,任取目標箱iN(N為所有目標箱集合),其箱位坐標為(xi,yi,zi),相應阻礙箱集合為Ei;任取jEi,有落箱位集合Dj,滿足式(1);對kDj,設(Xk,Yk,Zk)為決策變量;為使得阻礙箱j的倒箱時間SDj最小,建立最小化AGV水平行駛和提升時間之和的優化目標,可表示為

    SDj=min{(|Xk-xi|+|Yk-yi|)th+|Zk-zi|tv}, ?kDj(1)

    式(1)中: th、tv分別為AGV水平行駛單位距離時間和垂直提升單位距離時間。

    iN,其上部所有阻礙箱倒箱時間Sdi,可表示為

    Sdi=jEiSDj,??iNSid=∑j∈EiSjD,??i∈Ν (2)

    2.3 多AGV路徑規劃優化模型

    2.3.1 模型假設

    外層模型以內層模型為基礎,并滿足以下假設:①考慮單一工作臺;②初始倉庫堆存狀態已知,不考慮缺貨無法滿足訂單需求的情況;③所有AGV勻速行駛,且不考慮重量影響;④對某一目標箱,阻礙箱倒箱和目標箱提取由同一個AGV完成,每AGV每次最多搬運一個料箱。

    2.3.2 參數及決策變量

    N={1,2,…,n}為所有目標箱集合;設虛擬任務點集合A={0,1,2,…,n},0表示AGV初始化位置;K={1,2,…,m}為所有AGV集合;工作臺坐標為(Work_X0, Work_Y0, Work_Z0)。

    對目標箱iN,Si為目標箱i所需服務的總時間,由以下3部分組成:倒箱時間Sdi;從存儲箱位提升到貨架頂層的時間Sti;從貨架頂層移動到工作臺所需時間Sgi。

    對小車kK,(AGV_Xk,AGV_Yk,AGV_Zk)為初始位置坐標,Tkijijk為AGV從目標箱i貨格頂層移動到目標箱j貨格頂層所需時間。

    決策變量可表示為Xkijijk∈{0,1},?kK,?iA,?jA時,表示小車k與目標箱的服務關系,若小車k服務完目標箱i后服務目標箱j,取值為1,否則為0;Zkiik∈{0,1},?kK,?iA,表示小車k與目標箱i的服務關系,若目標箱i被小車k運送,取值1,否則為0。

    2.3.3 優化目標及約束條件

    為保證出庫作業快速完成,以最小化AGV最長作業時間為目標,包括前往目標箱的空駛時間與服務于目標箱的工作時間,目標函數的表達式為

     


    與目標箱服務時間相關約束為

    Si=Sdi+Sti+Sgi, ?iN(4)

    Sti=|(zmax+1)-zi|tv, ?iN(5)

    Sgi=(|xi-Work_X0|+|yi-Work_Y0|)th,?iN(6)

    式(5)為目標箱i所需服務時間Si計算方法,其中Sdi、Sti、Sgi求解分別如式(2)、式(5)、式(6)。

    與AGV任務指派相關約束為

    kKjA,jiXkij=1,??iN∑k∈Κ∑j∈A,j≠iXijk=1,??i∈Ν (7)

    kKiA,ijXkij=1,??jN∑k∈Κ∑i∈A,i≠jXijk=1,??j∈Ν (8)

    Zki=jA,jiXkji,??kKΖik=∑j∈A,j≠iXjik,??k∈Κ; ?iA(9)

    式(7)、式(8)表示每個目標箱都會被訪問唯一一次,式(9)表示若小車k從目標箱j到目標箱i,則目標箱i被小車k服務。

    與AGV空駛相關約束為

    Tkijijk=(|xi-xj|+|yi-yj|)th, ?kK;?iN,?jN(10)

    Tk0j0jk=(|AGV_Xk-xj|+|AGV_Yk-yj|)th,?kK,?jN(11)

    Tki0i0k=(|xj-AGV_Xk+|yj-AGV_Yk|)th,?kK,?iN (12)

    jNXk0j=1,??kK∑j∈ΝX0jk=1,??k∈Κ (13)

    jNXkj0=1,??kK∑j∈ΝXj0k=1,??k∈Κ (14)

    式中:Tkijijk為小車從目標箱i頂層移動到目標箱j頂層需要的時間,等于貨架之間的折線距離乘以小車行駛單位距離時間;Tk0j0jk為小車從初始??奎c到目標箱j頂層所需的時間;Tki0i0k為小車從目標箱i頂層返回初始??奎c所需的時間;Xkojojk、Xkj0j0k分別為小車從初始??奎c出發、最終返回初始??奎c。

    3 嵌套式路徑生成啟發式算法

    3.1 算法原理

    根據魔方型倉儲結構及優化模型的特點,算法需解決以下5個核心問題。

    3.1.1 倉儲狀態隨機生成子系統

    通過三維柵格法建成貨架結構后,可根據實際情況依次設定存有料箱的箱位。但為了提高算法適用性,能多次重復進行不同規模的試驗,建立倉儲狀態隨機生成子系統,主要步驟為:①確定需生成的存儲比例;②在所有空余箱位中,隨機生成一個料箱;③判斷該料箱是否滿足堆存規則,即除了在第一層,下層不能為空,滿足則留下該料箱,否則刪除;④重復②,直到料箱數量/總箱位數達到要求的存儲比例。

    3.1.2 箱位狀態數據庫系統

    倒箱和移箱不僅會使得相應箱位狀態發生變化,更會影響隨后的決策。建立一個箱位狀態數據庫,在提取和存入等關鍵節點及時更新。路徑尋優過程中,均在當前箱位狀態下進行。

    3.1.3 多AGV實時并行系統

    多AGV同時作業屬于多線程并行問題。在已有多AGV路徑規劃研究中,該問題的求解一般分為兩步:首先不考慮時間線,將多AGV依次分配給多個任務,得到數條初始規劃路徑;其次,考慮每段路徑的起止時間約束,將所有路徑安排在同一時間軸上,得到可執行路徑。在所研究的AGV路徑規劃問題,除了將目標箱搬運至工作臺外,還需要接受入庫指令,入庫指令的時間取決于工作臺的服務狀態,無法通過計算式直接求解。因此,采用仿真模擬的思想,在路徑規劃時就引入時間線,建立AGV實時并行系統,一步生成路徑方案。

    3.1.4 任務安排及AGV調用系統

    多AGV多任務指派的核心在于確定目標箱提取順序和AGV調用策略??紤]到同波次訂單已經在目標箱生成中被打亂順序,按到達時間順序提取意義不大。在魔方型倉儲中,壓箱會造成過多的倒箱,因此,設定提取原則為:目標箱提取順序與其阻礙箱數目成反比,當阻礙箱數目一致時,越靠近貨架底層的越先提取,以減少后期被壓箱的可能性。

    確定目標箱提取順序后,依次將任務安排給AGV。AGV安排策略有兩種,先完成先分配和輪流分配。先完成先分配能減少在貨格頂層移動的AGV數目,減少沖突,因此采用此策略。

    3.1.5 分階段路徑生成系統

    將某個目標箱任務指派給某AGV后,該AGV的路徑生成可以分解成3個階段:①從接收到指令時的當前位置移動到目標箱頂層,用最短折線路線法生成行駛路徑;②倒箱路徑生成,首先根據倒箱路徑優化模型求得最優落箱位,其次采用最短折線路線法生成倒箱路徑;③將目標箱提升到頂層后,通過最短折線路線法生成到工作臺的路徑。

    3.2 算法流程

    采用Python語言編寫算法程序。算法從結構上可以分為內外兩層,兩層互相嵌套互相影響。外層求解多AGV指派多個任務問題,需要建立兩個列表,待執行任務列表和空閑AGV列表,從任務列表中依次提取目標箱,將其分配給AGV列表中的小車,過程中需滿足上節所述任務安排及AGV調用策略。外層主要結構如圖2所示。

    圖2 算法外層結構主要流程圖

    圖2 算法外層結構主要流程圖  下載原圖

    Fig.2 Main flow chart of the outer structure of the algorithm

    Free AGV List為空閑AGV列表;Task List為任務列表; All Task List為待執行任務列表

    外層結構中的單AGV路徑規劃方案需調用內層算法求解。內層算法的已知條件為將小車I配置給了目標箱i,目標箱位置為(x,y,z),包括4個步驟:①確定阻礙箱列表;②確定有效空位列表;③依次將所有阻礙箱搬運至最優空位;④搬運小車至工作臺。內層算法結構圖如圖3所示。

    4 算例分析與比較

    AutoStore系統中,倉儲規模、存儲率、AGV數目、目標箱數目4個參數會直接影響AGV路徑尋優的結果。先通過一典型工況對算法的有效性進行分析;再對不同參數取值進行對比,以分析算法的效率及適應性。

    4.1 有效性分析

    設典型工況基本參數為:倉庫規模為10×10×10;倉儲率為75%;AGV數目為5臺;隨機生成20個目標箱位;同時AGV水平行駛速度為3格/s, 垂直提升速度為2格/s。算法隨機生成的倉儲系統如圖4所示。

    通過嵌套式啟發式算法進行求解,可得到每個AGV的任務分配方案及行走路徑。首先以2號AGV為例,進行路徑分析。圖5中,目標箱位置為(10,2,8),上面有一個障礙箱(10,2,9),小車的當前位置在(4,1,11)。小車的路徑一共分為以下5步:①從當前位置水平移至目標箱貨格頂層(10,2,11);②伸縮臂伸入貨格提取障礙箱至頂層;③通過倒箱路徑尋優模型,找到最近的倒箱位置(8,2,10),將障礙箱放入;④返回至目標箱頂層;⑤將目標箱搬運至工作臺(10,10,11)。

    所有AGV路徑方案統計如表1所示。AGV遵循輪流分配策略,每臺車服務的目標箱數目均為4臺,總服務時間差別不大。倒箱服務存在大量的往返操作,因此,各AGV空載和負載時間也相差不大。對此工況,算法求解效率較高,僅為0.12 s。

    4.2 不同參數規模下的問題求解及分析

    4.2.1 倉儲規模變化工況

    AutoStore系統一般布置在室內,考慮到空間高度,一般層數為10~20層。為使研究更為普遍性,倉儲規模為10×10×10、15×15×15、20×20×20,倉儲率為75%,5臺AGV,20個目標箱工況下,統計AGV作業時間和運算效率,如表2所示。倉儲規模增大后,目標箱分散度增加,單AGV和所有AGV作業時間大幅度增加。運算時間也大幅度增加,但絕對值不高。

    圖3 算法內層法結構圖

    圖3 算法內層法結構圖  下載原圖

    Fig.3 Calculating the structure diagram of the inner layer method

    圖4 75%存儲率的倉儲系統

    圖4 75%存儲率的倉儲系統  下載原圖

    Fig.4 75% storage rate warehousing system

    綠色為目標箱;紅色為阻礙箱;其余為白色

    4.2.2 AGV數量變化工況

    對4.1節工況增加AGV數,即倉儲規模10×10×10,存儲率75%,20個目標箱對應計算結果如表3所示。AGV數量翻倍后,單個AGV分配的目標箱只有原來的1/2,因此作業時間也相應減少。相應的,等待AGV的時間也有所減少,使得總作業時間減少。求解效率影響不大。

    4.2.3 倉儲率變化工況

    倉儲率會影響倒箱位置和垂直提升距離,在倉儲規模為15×15×15,5臺AGV,20個目標箱,倉儲率分別為50%,75%,90%工況下計算結果如表4所示。當倉儲率發生變化時,受目標箱位置隨機分布的影響,最長AGV作業時間變化不明顯??傋鳂I時間隨著倉儲率增加而增加,通過分析具體路徑發現,當倉儲率高時,阻礙箱數目增加,倒箱次數增多。運算效率隨倉儲率提高而提高,主要是因為當倉儲率較高時,落箱位的選擇性變少,更容易找到倒箱位置。

    圖5 AGV搬運一個目標箱路徑

    圖5 AGV搬運一個目標箱路徑  下載原圖

    Fig.5 The path diagram of the AGV carrying a target box

    表1 典型工況下AGV路徑規劃統計 導出到EXCEL

    Table 1 AGV path planning statistics under typical working conditions



    AGV
    服務
    對象
    總服務
    時間/s
    空載時
    間/s
    負載時
    間/s

    目標箱1 11 5.5 5.5

    目標箱6 21.34 10.67 10.67

    1
    目標箱13 38.34 19.17 19.17

    目標箱17 95.34 47.67 47.67

    合計 166.02 83.01 83.01

    目標箱2 16.33 7.33 9

    目標箱8 49 24.5 24.5

    2
    目標箱15 26.66 13.33 13.33

    目標箱20 77.66 38.83 38.83

    合計 169.65 83.99 85.66

    目標箱3 19.67 9.17 10.5

    目標箱7 54.66 27.33 27.33

    3
    目標箱12 62 31 31

    目標箱19 68.66 34.33 34.33

    合計 204.99 101.83 103.16

    目標箱4 46.33 22.33 24

    目標箱9 37.34 18.67 18.67

    4
    目標箱14 59.34 29.67 29.67

    目標箱18 63.34 31.67 31.67

    合計 206.35 102.34 104.01

    目標箱5 35.33 18 17.33

    目標箱10 64.66 32.33 32.33

    5
    目標箱11 63.34 31.67 31.67

    目標箱16 80.66 40.33 40.33

    合計 243.99 122.33 121.66

    總計 991 493.5 497.5

    程序運行時間/s
    0.12



    表2 倉儲規模變化下AGV方案及求解效率對比 導出到EXCEL

    Table 2 Comparison of AGV schemes and solution efficiency under changing conditions of storage scale



    倉儲規模
    最長作業
    AGV時間/s
    所有AGV總
    作業時間/s
    運算效
    率/s

    10×10×10
    243.99
    (5號AGV)
    991.00 0.12

    15×15×15
    406.35
    (4號AGV)
    1 517.35 1.27

    20×20×20
    641.67
    (5號AGV)
    2 460.67 10.36



    表3 AGV數目變化下AGV方案及求解效率對比 導出到EXCEL

    Table 3 Comparison of AGV schemes and solution efficiency under changing conditions of the number of AGVs



    AGV數目/臺
    最長作業
    AGV時間/s
    所有AGV總
    作業時間/s
    運算效
    率/s

    5
    243.99
    (5號AGV)
    991.00 0.12

    10
    120.33
    (10號AGV)
    757.34 0.09



    表4 倉儲率變化下AGV方案及求解效率對比 導出到EXCEL

    Table 4 Comparison of AGV schemes and solution efficiency under changing storage rates



    倉儲率/%
    最長作業
    AGV時間/s
    所有AGV總
    作業時間/s
    運算效
    率/s

    50
    340.67
    (1號AGV)
    1 506.97 3.47

    75
    406.35
    (4號AGV)
    1 517.35 1.27

    90
    379.99
    (4號AGV)
    1 718.01 0.33



    4.2.4 目標箱數目變化工況

    在倉儲規模為20×20×20,倉儲率為75%,5臺AGV的工況下,計算對比結果如表5所示。隨著目標箱增多,單個AGV服務時間增加,總時間增加,呈較明顯的正相關關系??紤]到目標箱生成的隨機性,運算效率變化規律在此不明顯,但絕對值都不高。 表5 目標箱變化下AGV方案及求解效率對比

    導出到EXCEL

    Table 5 Comparison of AGV schemes and solution efficiency under changing conditions of target box



    目標箱/個
    最長作業
    AGV時間/s
    所有AGV總
    作業時間/s
    運算效
    率/s

    10
    392.67
    (5號AGV)
    1 165.34 1.0

    20
    641.67
    (5號AGV)
    2 460.67 10.36

    30
    754.69
    (4號AGV)
    3 095.36 2.58



    5 結論

    (1)AGV雙層路徑規劃模型能將倒箱路徑尋優與多AGV任務分配及尋優進行結合,符合AutoStore系統的工作特性,算例中的AGV路徑方案也證明了在三維空間探索的有效性。

    (2)根據模型特點給出了嵌套式啟發式算法,通過Python編寫算法程序,重點解決了倉儲狀態隨機生成子系統、箱位狀態數據庫系統、多AGV并行系統、AGV任務分配系統及路徑生成系統等核心問題。

    (3)不同工況的算例結果表明:倉儲規模增大后,目標箱分散度增加,AGV作業時間大幅度增加;AGV數量和作業時間負相關;倉儲率提高會增加倒箱幾率,增加作業時間;目標箱數目變化與AGV作業時間正相關。在求解效率方面,主要受目標箱隨機生成位置和倉儲率影響,但絕對值也僅在10秒左右。

    (4)需說明的是,僅研究了將目標箱移動至工作臺這一階段,在下一步工作中,會與目標箱返回相結合。同時因貨格頂層行走路徑較多,未特意設置沖突解決策略。在實際求解中,當兩車需同時占用一個節點時,隨機選取其一為優先級高的車,讓其先行,另外一輛車等待即可。

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