張建奇 羅亞林 岳 勇 趙建軍

(西安航天自動(dòng)化股份有限公司1，陜西 西安 710065;西安科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2，陜西 西安 710054;西安市市政管理委員會(huì)3，陜西 西安 710018)

0 引言

隨著人們對(duì)物流系統(tǒng)的運(yùn)行效率和能耗要求的不斷提高，傳統(tǒng)的立體倉(cāng)庫(kù)(automated storage and retrieval system，AS/RS)作業(yè)調(diào)度策略已不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求[1]，且目前所采用的方法，如模擬退火算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法[2]、Petri網(wǎng)等也都有各自的不足之處。

屏老煉立體倉(cāng)庫(kù)是由立體貨架、有軌巷道堆垛機(jī)、出入庫(kù)屏托盤輸送機(jī)系統(tǒng)、老煉加工系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)以及電線電纜橋架配電柜、托盤、調(diào)節(jié)平臺(tái)、鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)等輔助設(shè)備組成的復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)[3]。屏老煉的作業(yè)周期主要由出入庫(kù)操作時(shí)間、取貨放貨的操作時(shí)間和堆垛機(jī)行駛時(shí)間三部分組成，其中堆垛機(jī)的行駛時(shí)間是屏老煉作業(yè)周期的重要決定因素之一，它與行駛距離存在一一對(duì)應(yīng)的單調(diào)關(guān)系，也與能耗息息相關(guān)，所以堆垛機(jī)的行駛距離是屏老煉立體倉(cāng)庫(kù)的重要指標(biāo)之一。屏老煉立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)屏老煉時(shí)間和出入庫(kù)效率有嚴(yán)格要求。因此，在一次作業(yè)周期中，最大程度減小行駛距離成為動(dòng)態(tài)庫(kù)位分配優(yōu)化的重點(diǎn)。

本文主要討論在保證屏老煉立體倉(cāng)庫(kù)正常運(yùn)行且?guī)煳徊粩嘧兓那闆r下，基于專家系統(tǒng)的庫(kù)位分配和優(yōu)化問題[4]。

1 屏老煉系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)

專家系統(tǒng)以知識(shí)庫(kù)與推理機(jī)相互分離而別具特色。其中，知識(shí)庫(kù)包含所有用“如果：〈前提〉，所以：〈結(jié)果〉”形式表達(dá)的知識(shí)規(guī)則;推理機(jī)的任務(wù)是運(yùn)用控制策略找到可以應(yīng)用的規(guī)則。屏老煉專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)應(yīng)從庫(kù)位分配和出入庫(kù)作業(yè)調(diào)度兩方面考慮。

1.1 庫(kù)位分配和作業(yè)調(diào)度

合理的庫(kù)位分配和出入庫(kù)作業(yè)調(diào)度策略是提高屏老煉立體倉(cāng)庫(kù)效率的重要措施之一。因此，屏老煉庫(kù)位分配和出入庫(kù)作業(yè)調(diào)度應(yīng)遵循以下原則。

①就近入庫(kù)。

②減小堆垛機(jī)的行駛距離，加快響應(yīng)時(shí)間，節(jié)省能耗。

③出入庫(kù)交替操作優(yōu)先進(jìn)行。執(zhí)行入庫(kù)操作結(jié)束后，即開始出庫(kù)操作。

④入庫(kù)缺貨時(shí)，執(zhí)行連續(xù)出庫(kù)操作，否則堆垛機(jī)停止。

⑤出庫(kù)線路故障時(shí)，執(zhí)行連續(xù)入庫(kù)操作，否則堆垛機(jī)停止。

⑥作業(yè)調(diào)度時(shí)，按優(yōu)先級(jí)服務(wù)，首先響應(yīng)優(yōu)先級(jí)最高的作業(yè)任務(wù)。

⑦出現(xiàn)故障的庫(kù)位，不執(zhí)行入出庫(kù)操作。

⑧一次入庫(kù)操作后，空閑的庫(kù)位認(rèn)為其老煉加工完成。

1.2 屏老煉系統(tǒng)的知識(shí)表示

為了能使計(jì)算機(jī)運(yùn)用專家的領(lǐng)域知識(shí)，需要采用一定的方式表示知識(shí)。目前，常用的知識(shí)表示方式有產(chǎn)生式規(guī)則、語義網(wǎng)絡(luò)、框架、狀態(tài)空間、邏輯模式、腳本、過程和面向?qū)ο蟮?。本文采用了?dāng)前廣泛使用的基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)，并根據(jù)庫(kù)位分配和出入庫(kù)作業(yè)調(diào)度原則，制定了相應(yīng)的規(guī)則。屏老煉系統(tǒng)的主要規(guī)則介紹如下。

R1：if堆垛機(jī)在原點(diǎn)處于空閑態(tài)and有入庫(kù)請(qǐng)求then轉(zhuǎn)到去送貨態(tài);

R2：if堆垛機(jī)在原點(diǎn)處于空閑態(tài)and有出庫(kù)請(qǐng)求then轉(zhuǎn)到去取貨態(tài);

R3：if堆垛機(jī)處于去送貨態(tài)and接收到到達(dá)目標(biāo)信號(hào)then轉(zhuǎn)到等待入庫(kù)機(jī)械操作態(tài);

R4：if堆垛機(jī)處于等待入庫(kù)機(jī)械操作態(tài)and有出庫(kù)請(qǐng)求then轉(zhuǎn)到再定位態(tài);

R5：if堆垛機(jī)處于等待入庫(kù)機(jī)械操作態(tài)and有入出庫(kù)請(qǐng)求then轉(zhuǎn)到送貨回態(tài);

R6：if堆垛機(jī)處于等待入庫(kù)機(jī)械操作態(tài)and無入出庫(kù)請(qǐng)求then轉(zhuǎn)到停止態(tài);

R7：if堆垛機(jī)處于再定位態(tài)and接收到到達(dá)目標(biāo)信then轉(zhuǎn)到等待出庫(kù)機(jī)械操作態(tài);

R8：if堆垛機(jī)處于等待出庫(kù)機(jī)械操作態(tài)and有取出貨物信號(hào)then轉(zhuǎn)到取貨回態(tài);

R9：if堆垛機(jī)處于取貨回態(tài)and有出庫(kù)端空信號(hào)then轉(zhuǎn)到在原點(diǎn)處于空閑態(tài);

R10：if堆垛機(jī)處于送貨回態(tài)and有到達(dá)原點(diǎn)信號(hào)then轉(zhuǎn)到在原點(diǎn)處于空閑態(tài);

R11：if堆垛機(jī)處于停止態(tài)and有入庫(kù)請(qǐng)求then轉(zhuǎn)到送貨回態(tài);

R12：if堆垛機(jī)處于停止態(tài)and有出庫(kù)請(qǐng)求then轉(zhuǎn)到再定位態(tài);

R13：if堆垛機(jī)處于去取貨態(tài)and有到達(dá)目標(biāo)信號(hào)then轉(zhuǎn)到等待出庫(kù)機(jī)械操作態(tài);

R14：if有緊急出庫(kù)任務(wù)then優(yōu)先執(zhí)行出庫(kù)任務(wù)。

根據(jù)以上規(guī)則，得到屏老煉立體倉(cāng)庫(kù)知識(shí)表示的狀態(tài)圖。立體倉(cāng)庫(kù)知識(shí)表示狀態(tài)如圖1所示。

圖1 立體倉(cāng)庫(kù)知識(shí)表示狀態(tài)圖Fig.1 State diagram of AS/RS

圖1中：IDLE為空閑狀態(tài);SF為去送貨狀態(tài);SB為送貨回狀態(tài);RF為去取貨狀態(tài);RB為取貨回狀態(tài);RP為再定位狀態(tài);WAIT1為等待狀態(tài)1;WAIT2為等待狀態(tài)2;STOP為停止?fàn)顟B(tài)。

2 屏老煉系統(tǒng)的推理機(jī)

推理機(jī)是專家系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)推理的部件，是基于知識(shí)的推理在計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn)，它是知識(shí)系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。推理方法主要有正向推理、反向推理和正反向混合推理三種方法。本文采用較為常用的正向推理策略，完成以下操作。

①尋找出前提可以同數(shù)據(jù)庫(kù)中的事實(shí)或斷言相匹配的規(guī)則，并運(yùn)用沖突的消除策略，從這些都可滿足的規(guī)則中挑選出一個(gè)加以執(zhí)行，從而改變?cè)瓉頂?shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容。

②這樣反復(fù)地進(jìn)行尋找，直到數(shù)據(jù)庫(kù)的事實(shí)與目標(biāo)一致即找到解答。

③如果沒有規(guī)則可以與之匹配，則停止。

3 庫(kù)位優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型

某公司生產(chǎn)流水線上的屏老煉立體倉(cāng)庫(kù)是雙排單巷道結(jié)構(gòu)，每排12層32列，巷道全長(zhǎng)36 m。由于立體倉(cāng)庫(kù)內(nèi)只存在單一物品且質(zhì)量相當(dāng)，不存在不同貨物分類存放的問題，也不存在較輕的物品放在貨架高處的問題[5]，所以可以將屏老煉立體倉(cāng)庫(kù)的雙排貨架統(tǒng)一看待，組成24層32列的貨架結(jié)構(gòu)[6]。同時(shí)，將第i列第j層的庫(kù)位記為(i，j)，其中 i=1、2、…、32，j=1、2、…、24。

3.1 約束條件

約束條件是指上述庫(kù)位優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型所存在的一些制約性客觀條件。本文主要考慮以下幾個(gè)方面的約束條件。

①屏老煉立體倉(cāng)庫(kù)庫(kù)位冗余度γ。按照要求，老煉加工時(shí)間為5 h，每25 s必須出庫(kù)一件老煉屏，可得

由式(1)可以看出該立體倉(cāng)庫(kù)的冗余度很小。

②堆垛機(jī)的行駛速度和時(shí)間要求[7]。堆垛機(jī)行駛最大加速度為0.498 m/s2，最大行駛速度為2.85 m/s，最長(zhǎng)行駛距離為36.5 m。因此，可得出堆垛機(jī)行駛的時(shí)間tm(i，j)和位移f(s)的單調(diào)函數(shù)關(guān)系為：

③在多個(gè)作業(yè)周期內(nèi)，優(yōu)先采取先入后出的策略，即入庫(kù)機(jī)械操作結(jié)束就開始下一次出庫(kù)定位操作[8]。

④ 對(duì)于存貨操作的庫(kù)位選擇，遵循就近原則[9]。對(duì)于 p(i1，j1)和 p(i2，j2)兩個(gè)庫(kù)位，如存在 j1＜ j2，則選擇p(i1，j1)作為入庫(kù)目標(biāo)。

⑤ 在入庫(kù)時(shí)，要保證庫(kù)位為空，即滿足p(i，j)=EMPTY。

⑥ 在出庫(kù)時(shí)，要保證屏老煉完成，即滿足p(i，j)=OK。

3.2 貨位分配優(yōu)化策略

老煉堆棧庫(kù)位分配與作業(yè)調(diào)度優(yōu)化的優(yōu)化目標(biāo)是必須保證平均25 s執(zhí)行一次屏出庫(kù)和一次屏入庫(kù)操作。存貨操作或取貨操作時(shí)，從起始位置i到達(dá)目標(biāo)位置j的時(shí)間用ts(i，j)表示，存貨操作結(jié)束后從當(dāng)前位置i到取貨操作位置j開始的再定位時(shí)間用tp(i，j)表示。取貨操作結(jié)束或存貨操作時(shí)，從目標(biāo)位置i回到起始位置j的時(shí)間用tr(i，j)表示，機(jī)械操作的存放動(dòng)作時(shí)間總和T動(dòng)作存=14.4 s，取出動(dòng)作時(shí)間總和 T動(dòng)作取=14.4 s。那么，一次先入后出的時(shí)間tw可表示為：

式中：a為所存放貨物的目標(biāo)位置;b為所取貨物的目標(biāo)位置。

一次單入庫(kù)存貨操作的時(shí)間ti可表示為：

一次單出庫(kù)取貨操作的時(shí)間to可表示為：

堆垛機(jī)正常運(yùn)行工作周期T滿足：

其中，T必須滿足優(yōu)化目標(biāo)，即小于25 s。

由于機(jī)械操作入出庫(kù)時(shí)間都是固定值，堆垛機(jī)正常運(yùn)行工作周期T僅與出入庫(kù)所花費(fèi)的時(shí)間直接相關(guān)。出入庫(kù)所花費(fèi)的時(shí)間與出入庫(kù)的路徑選擇相關(guān)，對(duì)出入庫(kù)的路徑選擇進(jìn)行優(yōu)化，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)正常運(yùn)行工作周期T的優(yōu)化[10]。屏老煉立體倉(cāng)庫(kù)庫(kù)位冗余度γ為：

采用中心動(dòng)態(tài)分組的策略，可實(shí)現(xiàn)對(duì)出入庫(kù)的路徑選擇進(jìn)行優(yōu)化[11]。中心動(dòng)態(tài)分組策略如圖2所示。

圖2 中心動(dòng)態(tài)分組策略Fig.2 Central dynamic grouping strategy

中心動(dòng)態(tài)分組是指以當(dāng)前空庫(kù)位為中心，并且以上一個(gè)空庫(kù)位和下一個(gè)空庫(kù)位為邊界進(jìn)行分組。其所采用的策略如下。

①以空位為中心進(jìn)行分組，空位占據(jù)的列數(shù)決定分組個(gè)數(shù);

②初始邊界和空位2確定第1組;

③ 空位n－1和n+1確定第n－1組;

④空位n－1和末邊界確定第n組;

⑤第一組和最后一組的邊界之一分別是最左0和最右33;

⑥各組之間出現(xiàn)交叉。

當(dāng)車體處于起始位時(shí)，進(jìn)行預(yù)檢測(cè)，并確定操作類型：基本操作、單入庫(kù)操作、單出庫(kù)操作。預(yù)檢測(cè)遵循原則略。

4 結(jié)束語

本文提出的基于專家系統(tǒng)的屏老煉立體倉(cāng)庫(kù)動(dòng)態(tài)分配策略，較好地解決了屏老練立體倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行效率不高的問題;設(shè)計(jì)了專家系統(tǒng)的總體方案，構(gòu)建了知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)。同時(shí)，針對(duì)隨機(jī)存儲(chǔ)策略的不足，本文提出了中心動(dòng)態(tài)分組優(yōu)化策略，在滿足各種約束條件的同時(shí)，也有效地提高了堆垛機(jī)正常運(yùn)行的性能?；趯＜蚁到y(tǒng)的屏老煉立體倉(cāng)庫(kù)動(dòng)態(tài)分配策略在實(shí)際的屏老練立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中取得了良好的應(yīng)用效果。

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