基于群體機(jī)器人的智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化資源分配策略研究

朱紅帥

摘 要：智能倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)（IWS）為拾取包裝和運(yùn)輸倉(cāng)庫(kù)創(chuàng)造了一個(gè)新模式，顯著提高了工人的生產(chǎn)率，從而帶來(lái)了前景廣闊的新研究方向。整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量是資源優(yōu)化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)性問(wèn)題。然而，該領(lǐng)域的研究幾乎沒(méi)有探索。在這項(xiàng)工作中，我們介紹了資源分配優(yōu)化問(wèn)題，如訂單分配、貨架分配和機(jī)器人分配的拍賣方法。

關(guān)鍵詞：IWS；資源配置優(yōu)化；優(yōu)化策略

1 簡(jiǎn)介

IWS受到與移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)的AI技術(shù)的高度影響，但是所使用的許多技術(shù)是眾所周知的算法的教科書(shū)實(shí)現(xiàn)。在多移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域，在關(guān)于任務(wù)分配的問(wèn)題上已經(jīng)引起了極大的關(guān)注[1]。它只是屬于IWS研究領(lǐng)域的一部分。移動(dòng)機(jī)器人群將貨架從存儲(chǔ)位置運(yùn)輸?shù)焦ぷ髡?，工人可以從貨架上取下貨物并將貨物放入貨運(yùn)箱[2]。

與傳統(tǒng)倉(cāng)庫(kù)相比，IWS過(guò)程訂單更有效率。當(dāng)一批訂單進(jìn)來(lái)時(shí)，準(zhǔn)備填寫(xiě)訂單的工人站在有空紙板箱的工作站。當(dāng)訂單完成時(shí)，紙板箱行進(jìn)到輸送機(jī)上的運(yùn)送區(qū)域或由機(jī)器人運(yùn)送。倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（WMS）負(fù)責(zé)入站管理，出站管理和信息集成[3]。

2 問(wèn)題描述

IWS解決方案的優(yōu)勢(shì)在于它允許每個(gè)工人隨機(jī)訪問(wèn)倉(cāng)庫(kù)中的任何產(chǎn)品。此外，產(chǎn)品可以并行檢索[4]。對(duì)于一個(gè)大型倉(cāng)庫(kù)，人員節(jié)省可能是顯著的。智能倉(cāng)庫(kù)的一個(gè)小區(qū)域，存儲(chǔ)貨架為綠色，移動(dòng)機(jī)器人為橙色，工作站在左側(cè)藍(lán)色隊(duì)列[5]。

機(jī)器人分配的數(shù)學(xué)描述

機(jī)器人系統(tǒng)中的所有機(jī)器人設(shè)置R={R1，R2，...，Rm}。有n個(gè)任務(wù)，由T={T1，T2，...，Tn}表示。機(jī)器人Ri完成任務(wù)T的成本是 ，它有n個(gè)任務(wù)。

因此，機(jī)器人組R執(zhí)行任務(wù)T的目標(biāo)函數(shù)Sr被表示為：

其中成本函數(shù)pij表示機(jī)器人需要支付任務(wù)的成本Ri。機(jī)器人Ri選擇任務(wù)Tj的概率定義為xij。當(dāng)xij=1，表示W(wǎng)MS將任務(wù)Tj分配給機(jī)器人Ri，xij=0與此相反。

3 機(jī)器人分配的優(yōu)化

在將架子分配給所需的工作站之后，當(dāng)需要分配移動(dòng)機(jī)器人以將架子遞送到每個(gè)工作站以完成任務(wù)時(shí)，出現(xiàn)另一個(gè)優(yōu)化機(jī)會(huì)。鑒于選擇了貨架，存在幾個(gè)基本問(wèn)題。

機(jī)器人選擇的拍賣標(biāo)準(zhǔn)分配（r-ACA）

為了合理且有效地將移動(dòng)機(jī)器人與候選貨架匹配，類似于貨架分配的優(yōu)化的拍賣標(biāo)準(zhǔn)分配應(yīng)當(dāng)實(shí)施以下操作。

3.1 生成報(bào)價(jià)

在初始狀態(tài)下，智能倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中存在的貨架將給出報(bào)價(jià)作為買方，而移動(dòng)機(jī)器人給出詢價(jià)報(bào)價(jià)作為賣方。我們將完成產(chǎn)品交付的基本收入br定為5。機(jī)器人的利潤(rùn)pr定義為從運(yùn)載所需的貨架到工作站交付產(chǎn)品。權(quán)重參數(shù)ar設(shè)置為0.02，并且IMS的更新時(shí)間（Tu）被設(shè)置為0.5。

3.2 處理價(jià)格報(bào)價(jià)

我們使用兩個(gè)堆結(jié)構(gòu)來(lái)組織出價(jià)。通過(guò)它們是代表買入或賣出報(bào)價(jià)以及它們是否在當(dāng)前匹配集中來(lái)區(qū)分出價(jià)。

3.3 清除和匹配

買方數(shù)量必須等于Min中的賣方數(shù)量。清算價(jià)格設(shè)置為Min的頂級(jí)節(jié)點(diǎn)。然后，通過(guò)拆解堆Min中的價(jià)格，買方和賣方將按順序匹配。拍賣發(fā)生在倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)每0.5秒標(biāo)準(zhǔn)分配的基礎(chǔ)上，移動(dòng)機(jī)器人將發(fā)送一批貨架到所需的工作站。在完成一批交付后，每個(gè)工作站附近的機(jī)器人將重新選擇完成根據(jù)拍賣標(biāo)準(zhǔn)分配交付貨架的任務(wù)的路由。移動(dòng)機(jī)器人將往返于每個(gè)工作站，完成產(chǎn)品的交付。在此期間，機(jī)器人不斷地通過(guò)拍賣標(biāo)準(zhǔn)分配來(lái)增加新的任務(wù)添加到交付產(chǎn)品的隊(duì)列。

參考文獻(xiàn)

[1]Enright J， Wurman P R. Optimization and Coordinated Autonomy in Mobile Fulfillment Systems.[C]// Automated Action Planning for Autonomous Mobile Robots， Papers From the 2011 AAAI Workshop， San Francisco， California， Usa， August. 2011.

[2]Konolige K， Fox D， Ortiz C， et al. Centibots： Very Large Scale Distributed Robotic Teams[M]// Experimental Robotics IX. Springer Berlin Heidelberg， 2004：131-140.

[3]Ma H， Wu X， Gong Y， et al. A Task-Grouped Approach for the Multi-robot Task Allocation of Warehouse System[C]// 2015 International Conference on Computer Science and Mechanical Automation （CSMA）. IEEE Computer Society， 2015：277-280.

[4]Zhai X， Ward J E， Schwarz L B. Coordinating a one-warehouse N-retailer distribution system under retailer-reporting[J]. International Journal of Production Economics， 2011， 134（1）：204-211.

[5]Guizzo， Erico. Three Engineers， Hundreds of Robots， One Warehouse[J]. IEEE Spectrum， 2008， 45（7）：26-34.