[发明专利]一种跨层跨巷道穿梭车仓储系统的任务调度方法

权利要求书

1.一种跨层跨巷道穿梭车仓储系统的任务调度方法，包括如下步骤：

S1：基于跨层跨巷道穿梭车仓储系统的出入库复合作业流程表述其复合作业时间，具体为：

步骤11：依据跨层跨巷道穿梭车仓储系统的出入库复合作业流程，一次复合作业任务分为三个阶段，即：取货任务、出库任务、入库任务；

步骤11.1：引入虚拟提升机的概念，即在某过程中选择虚拟提升机，则表示在该过程中无需进行跨层作业；

步骤11.2:引入虚拟转载车的概念，即在某过程中选址虚拟转载车，则表示该过程中无需进行跨巷道作业；

步骤11.3：则复合作业中的每个任务都表示为五阶段的作业：第一阶段的作业设备为穿梭车，第二阶段的作业设备为转载车，第三阶段的作业设备为提升机，第四阶段的作业设备为转载车，第五阶段的作业设备为穿梭车；

步骤12：根据每次复合任务的作业性质，又将三个阶段细分为五个任务；

步骤12.1：取货任务：1.穿梭车从当前位置前往巷道口调用转载车；2.转载车搭载穿梭车前往提升机站台并调用提升机；3.提升机搭载穿梭车前往出库货位层释放穿梭车并调用转载车；4.转载车搭载穿梭车前往出库货物所在巷道并释放穿梭车；5.穿梭车前往出库货位进行出库任务操作；

步骤12.2：出库任务与入库任务的五个任务与取货任务类似；

步骤13：设出库货物i和入库货物j坐标分别为(x_i,y_i,z_i)和(x_j,y_j,z_j)，则穿梭车初始位置即上一入库作业结束位置为(x_j-1,y_j-1,z_j-1)，根据出入库复合作业流程，按照穿梭车初始位置与待出库货物是否处于同一层，进行作业时间分析；

步骤13.1:当穿梭车初始位置与待出库货位位置不同层时，即z_i≠z_i-1，则其复合作业时间为

步骤13.2：当穿梭车初始位置与待出库货物位置同层不同巷道时，即z_i-1＝z_i且x_i-1≠x_i，则其复合作业时间为

步骤13.3：当穿梭车初始位置与待出库货物位置同层且同巷道时，即z_i-1＝z_i且x_i-1＝x_i，则其复合作业时间为

其中，t₁为穿梭车从初始位置运行至巷道首处的时间，t₂为穿梭在前往提升机站台过程中等待转载车的时间，t₃为转载车搭载穿梭车前往提升机站台的时间，t₄位穿梭车前往取出库货物过程中等待提升机的时间，t₅为提升机搭载穿梭车从当前货位所在层运行至出库货物所在层的时间，t₆为穿梭车前往出库货位过程中等待转载车的时间，t_{7_1}为转载车搭载穿梭车从提升机站台或初始位置巷道前往出库货位所在巷道的时间，t_{7_2}为转载车搭载穿梭车从出库货位所在巷道前往提升机站台，t₈为穿梭车从巷道首处运行至出库货i所在位置，t₉穿梭车前往提升机站台过程中中等待转载车的过程时间，t₁₀为穿梭车前往取入库货物过程中等待提升机的时间，t₁₁位穿梭车搭载提升机从出库货位层到达I/O站台并返回入库货位层所在时间，t₁₂为穿梭车前往入库货物巷道过程中等待转载车的时间，t₁₃位转载车搭载穿梭车前往入库货物巷道处的时间，t₁₄位穿梭车从巷道首处和运行至入库货位所在时间，t₁₅为提升机装或卸穿梭车时间，t₁₆为转载车装/卸穿梭车时间，t₁₇位穿梭车装卸货物时间，t₁₈为从当前位置运行至出库货为所在位置时间；t₂，t₆，t₉，t₁₂，t₄，t₁₀与作业任务顺序有关；t₁，t₃，t₅，t_{7_1}，t_{7_2}，t₈，t₁₁，t₁₃和t₁₈为设备运动时间，根据运动距离及其速度、加速度计算，t₁₄，t₁₅，t₁₆为定值；

S2：构建以最小化订单完成时间为目标的混合整数规划模型，具体为：

步骤21：跨层跨巷道穿梭车仓储系统的复合作业通过迭代思想转化为混合流水线作业模式；

步骤22：通过任务与穿梭车的不同组合与排序，产生不同的订单处理时间，选择其中最短的作业时间，确定任务的拣选分配与排序，故跨层跨巷道穿梭车仓储系统完成某订单的总时间目标函数为

Min C_max (4)

其中C_max为所有任务的最大完成时间；

步骤23：为保证每个复合作业单元的各设备执行顺序和时间的合法性建立混合整数规划模型的约束条件；

步骤23.1：执行设备的约束，具体为：

M1.每个任务的每个阶段仅由一台设备执行，表达式如下：

其中，x_bsk表示任务b在s阶段是否由设备k执行；

M2.每个任务的第一阶段和第五阶段所执行设备为同一个，此时对象为穿梭车表达式如下：

M3.每个任务的第二阶段和第四阶段所知悉的设备取决与转载车的取用，k＝1,2时对象为实际转载车，表示同一任务的二、四阶段为一虚一实转载车，此时不跨层跨巷道；k＝3时，对象为虚拟转载车，此时同一任务的二、四阶段为虚拟转载车，不跨层不跨巷道，表达式如下：

M4.同一任务的阶段二和阶段四由不同设备完成，对象为实际转载车，此时跨层运动，表达式如下：

M5.同一作业单元的前后任务的阶段一由同一设备完成，对象为穿梭车，具体表达式如下：

M6.表示同一作业单元的前后任务的二四阶段的设备依据k决定，对象为转载车；不跨层运动时，k＝3，对象为虚拟转载车，同同一设备完成；k＝1,2,对象为实际转载车；

M7.表示跨层时，同一作业单元的前后任务的阶段二由不同设备完成，对象为实际转载车，表达式如下：

步骤23.2：任务作业开始时间的约束，具体为：

N1.所有任务的开始时间均在系统开始作业之后，表达式如下：

其中，t_bsk表示第b个任务在第s阶段的第k个设备的开始时间；

N2.同一复合作业单元下三个任务的开始时间的关系，只有前序任务完成后，才能进行后续任务的作业，表达式如下：

N3.每个任务各阶段的开始时间的关系，只有上阶段完成后，才能进行下一阶段的作业，表达式如下：

N4.同一设备连续两个作业任务开始时间的关系，只有前序任务完成后，才能进行后续任务的作业，表达式如下：

其中，j_bb'k表示前一任务b在第四阶段和后一任务b’在第二阶段为同一设备；y_bb'sk表示s阶段b和b'是前后连续的作业任务，并由同一设备k执行；

步骤23.3：任务与设备间的约束，具体为：

在每台设备作业序列中，每个任务最多有一个前序任务与后续任务，表达式如下：

步骤23.4：总任务最大完成时间的约束，具体为：

总任务最大完成时间大于等于每一个复合作业单元的完成时间，表达式如下：

其本文所研究的问题转化为五阶段的混合流水线调度问题，货物出入库作业单元为n＝(1,2,3，....，N)；则根据对穿梭车的作业指令分析，则将每个阶段都划分为3个任务，即第n个作业单元可分为第3n-2个任务、第3n-1个任务和第3n个任务；记b为任务序号，b＝1,2,3,…,3N-2,3N-1，3N，其中n为单元编号；设定s为操作阶段索引，s为阶段编号，s＝1,2,3，4,5；分别为：1.穿梭车从当前位置至巷道首处；2.转载车搭载穿梭车至提升机处；3.提升机搭载穿梭车至目标层处；4.转载车搭载穿梭车至目标巷道；5.穿梭车出转载车运行至目标货位处进行存取货作业；k为作业设备编号，k＝1,2,…,m_s；m_s为第s阶段的作业设备数，其中m₁＝m₅＝Q，表示第一阶段和第五阶段的设备数量即为穿梭车的数量；m₂＝m₄＝3，其中该阶段的第1、2个设备分别代表跨层实际运行的转载车，当只进行跨巷道运动时，则第1、2个转载车代表的是当需要进行跨层运动时，分别代表不同层的转载车，第3个为虚拟转载车，选择该转载车表示该阶段无需进行跨巷道运动；m₃＝3，其中该阶段的其中两个m₁、m₂设备为实际运行的提升机，m₃为虚拟提升机，选择该提升机表示该阶段无需进行跨层运动；t_bs为任务b在s阶段的开始时间；p_bs为任务b在s阶段的作业时间；w_bb'sk为s阶段机器k操作的两个连续任务b和b'之间的准备时间，即转载车在连续作业之间的空载时间仅存在于第二、四阶段的第一、二个设备中；提升机在连续作业之间的空载时间仅存在于第三阶段的第一、二个设备中；G为足够大的数；

S3：改进人工蜂群算法求解跨层跨巷道穿梭车复合作业模型，并得到最优任务调度方案和调度时间，具体为：

步骤31：初始化算法参数；包括最大迭代次数MaxCycle、蜜蜂总数SN，以及蜜源改善的最大搜索次数limit，搜索次数上界ub，以及搜索下界lb；

步骤32：初始化种群；人工鱼群个体的编码：基于跨层跨巷道仓储系统复合作业调度模型的特点，采用出入库混合整数编码方式，编码序号代表任务的编号；将X个入库货物和Y个出库货物分别从1～X，1～Y随机编号，若X≠Y，则利用I/O位置编号“0”将任务对补齐，其中I/O位置坐标为(0,0,0)，此时该任务对执行单一出库或入库作业；假设有S对复合作业任务，则存在S个入库任务以及S个出库任务，其中将S个出库任务随机编码为1～S，S个入库任务则随机编码为S+1～2S，确定由穿梭车的任务序号则确定了转载车的任务序列；其中穿梭车的数量为4个，分别分散在整个仓库系统；

步骤33：本文目标是完成所有任务的作业时间最短，即求解极小化问题，则适应度函数为：

fitness＝minT＝minC_max

式中C_max为所有任务完成的最大完成时间；

步骤34:进入人工蜂群迭代过程，当迭代次数小于最大迭代次数MaxCycle，执行如下操作；

步骤34.1：将所有蜜蜂都设为侦查蜂，种群初始化，种群规模为蜜蜂的个数

步骤34.2：评价所有蜜源“适应度”，进行排序，排名靠前的成为雇佣峰，排名靠后的为观察峰，雇佣峰和观察峰的数量为SN的一半；

步骤34.3：雇佣峰阶段；雇佣蜂通过局部搜素寻找新的蜜源，根据式(22)产生新解并计算适应度函数值，根据贪婪准则选择更好的蜜源；

其中，X_ij表示第i个个体在第j维上的当前位置；是j参数的最小值，代表j参数的最大值；

步骤34.4：观察峰阶段；观察蜂根据式(23)的轮盘赌的方式选择其中一个蜜源在其附近进行搜索，观察蜂并根据适应度值高低判断是否跟随雇佣蜂前往蜜源；

V_ij＝X_ij+φ_ij(X_ij-X_kj) (23)

其中，X_kj表示第k个个体在第j维上的选择位置，V_ij作为第i个个体在第j维上的新位置，V_ij只有在优于X_ij的情况下才会采用；φ_ij是在[-1,1]之间选择的随机数；

步骤34.5：侦查蜂阶段；如果雇佣蜂和观察峰在蜜源停留次数超过limit，仍没有找个更佳的蜜源，则放弃该蜜源，雇佣蜂转化成侦查蜂；

步骤34.6：记录当前迭代次数的最优适应度值，判断是否达到最大迭代次数，若达到则停止算法，输出全局最优解，否则回到步骤34.1；

步骤35：当迭代次数已达到预置的最大迭代次数MaxCycle，算法终止，输出最优解，即公告板中人工鱼状态和函数值；人工蜂群状态即是任务调度方案，函数值即是该方案下调度时间。