[发明专利]一种钢卷库区吊机设备的控制方法

摘要

本发明提供一种钢卷库区吊机设备的控制方法，涉及制造系统自动化和智能化技术领域。该方法先采集库区初始信息，进过数据分析后定量化描述钢卷库区吊机控制问题，建立二部网络图的数学模型，优化求解后获得吊机控制方案，仿真吊机控制结果，最后由库区操作人员执行可行的控制方案。本发明提供的一种钢卷库区吊机设备的控制方法，从钢卷库区的实际作业规程出发，通过对整个物流过程的深层次分析，以实现吊机作业的有效控制及产品在空间上的合理分配，能够充分满足实际生产和物流的需要，能明显缩短吊机执行库区中存取任务所需的时间，提高钢卷库区中物流作业的效率，提高吊机设备的利用率，从而保证生产过程顺畅，缩短产品生产周期。

主权项

一种钢卷库区吊机设备的控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤1：采集库区初始信息；当钢卷存取任务下达之后，从库区中采集所有钢卷存储位置信息、库区中的空位信息、入库钢卷和出库钢卷的位置信息、吊机位置信息、出库卡车位置信息；步骤2：根据库区实际存储结构，对步骤1中采集到的信息进行数据分析，利用出库卷的位置信息识别出库区中的障碍卷、无关卷和可利用的空位；步骤3：生成吊机控制方案，具体包括以下步骤：步骤3.1：根据库区中的钢卷位置、物流设备位置以及空位位置信息，建立吊机控制近似动态规划方程(1)，定量化描述钢卷库区吊机控制问题，方程(1)将吊机控制问题分为n+1个阶段，每个阶段解决一个吊机控制子问题，在前n个阶段中每一阶段提取一个出库钢卷，并确定是否移动入库钢卷和障碍钢卷，在最后一个阶段中移动前n个阶段中没有存储到库区中的入库钢卷；fi(Φi)≈min[i],Bi,Ei{f~i+1([i],Bi,Ei)+h([i],Bi,Ei)+t[i]},ifi≤nminBi,Ei{h′(Bi,Ei)},ifi=n+1---(1)]]>其中，n为出库钢卷的个数，i为阶段的序号；Φi表示阶段i开始时的库区结构，包括吊机的初始位置、库区中的出库钢卷、障碍钢卷及无关钢卷的位置、空位及入库位置和出库位置；函数fi(Φi)表示由库区结构Φi定义的吊机控制子问题的目标函数，即吊机执行完当前库区中的所有任务所需要的时间；[i]表示阶段i中提取的出库钢卷序号，当i＝n+1时，没有出库钢卷被提取；Bi表示阶段i中需要移动的入库钢卷和障碍钢卷的集合，Ei表示集合Bi中的钢卷需要移动到的空位集合；([i]，Bi，Ei)为阶段i中的一组决策，根据这个决策能最优确定吊机移动集合Bi中钢卷的顺序以及钢卷与集合Ei中空位的对应关系；函数是对阶段i+1的吊机控制子问题目标函数fi+1(Φi+1)的近似，通过阶段i中所做的决策来估计其值；函数h([i]，Bi，Ei)表示吊机从其在阶段i的初始位置开始将集合Bi中的钢卷全部移动到集合Ei中的空位，再从最后一个空位空载移动到钢卷[i]的位置需要的时间；t[i]表示吊机将钢卷[i]移至其出库位置需要的时间；h′(Bi，Ei)表示吊机从其在阶段i的初始位置开始将集合Bi中的钢卷全部移动到集合Ei中的空位需要的时间；吊机执行完阶段i的所有任务后获得的库区结构作为阶段i+1的初始信息，即得到阶段i+1开始时的库区结构Φi+1；步骤3.2：产生近似动态规划方程(1)中的近似函数如式(2)所示；其中，Ψi为阶段i开始时库区中的入库钢卷、出库钢卷和障碍钢卷位置集合，k1表示集合Ψi中的位置元素，的取值为1或0，分别表示是否在阶段i移动位置k1的钢卷，与式(1)中的[i]和Bi相对应；表示估计的未来阶段中吊机处理位置k1的钢卷的移动时间，即吊机空载移动到位置k1，提起钢卷后再移动到一个空位或出库位置需要的时间；参数通过迭代更新来获得一个期望的近似函数，在第一次迭代中设定该参数的初始值，在后续的迭代中根据前一次迭代获得的吊机控制方案按照式(3)对该参数进行调整，即采用当前迭代iter中使用的参数和从该次迭代获得的吊机控制方案信息中估计的新参数的凸组合表示；γk1iiter+1=(1-λiter)γk1iiter+λiterγ‾k1iiter---(3)]]>其中，iter表示迭代次数；表示第iter+1次迭代的参数；表示第iter次迭代获得的吊机控制方案中吊机空载移动到位置k1，提起钢卷后再移动到一个空位或出库位置需要的时间；λiter∈[0，1]，表示步长，用于调节参数和在更新策略中的权重；步骤3.3：依次建立并求解n+1个吊机控制子问题数学模型，获得吊机控制方案；具体方法如下：步骤3.3.1：基于图论建立由节点集N1∪N2和边集A1∪A2构成的二部网络图，刻画吊机控制子问题；其中，N1＝ΨIi∪ΨBi∪ΨEi∪{O[i‑1]}，N2＝ΨIi∪ΨBi∪ΨEi∪ΨOi，集合ΨIi、ΨBi、ΨEi、ΨOi分别表示阶段i开始时库区中入库钢卷位置、障碍钢卷位置、空位、出库钢卷位置的集合，O[i‑1]表示阶段i‑1中被提取出库的钢卷[i‑1]的出库位置，即阶段i中吊机的初始位置；边集A1和A2定义为由节点集N1指向节点集N2的有向弧的集合；边集A1包括所有由(x1，x2)组成的有向弧，x1和x2分别为节点集N1和N2中的元素，x1∈ΨIi∪ΨBi，x2∈ΨEi；边集A2包括所有由(y1，y2)组成的有向弧，y1和y2分别为节点集N1和N2中的元素，y1∈ΨEi∪{O[i‑1]}，y2∈ΨIi∪ΨBi∪Ψoi；边的费用定义为吊机在两个位置之间移动所需的时间；步骤3.3.2：根据库区管理实际约束将步骤3.3.1中建立的二部网络图转化为数学模型，定量化描述每阶段吊机控制子问题，具体方法如下：步骤3.3.2.1：选择决策变量包括和其中，下标k表示位置合集ΨIi∪ΨBi∪ΨOi∪ΨEi中的元素，下标k0表示出库钢卷位置集合Ψoi中的元素，下标k1表示入库钢卷、出库钢卷和障碍钢卷位置合集Ψi中的元素，Ψi＝ΨIi∪ΨOi∪ΨBi，当i＝n+1时，集合ΨOi和ΨBi为空集，下标k1表示入库钢卷集合ΨIi中的元素，下标k2表示空位集合ΨEi中的元素；决策变量表示位置k是否参与阶段i的移动，当位置k参与阶段i的移动时，取值为1；否则，取值为0；决策变量表示阶段i中吊机是否从位置k2到位置k1执行空载移动，当吊机从位置k2到位置k1执行空载移动时，取值为1；否则，取值为0；决策变量表示阶段i中吊机是否从位置k1到位置k2执行负载移动，当吊机从位置k1到位置k2执行负载移动时，取值为1；否则，取值为0；决策变量表示阶段i中选择移动位置k0的出库钢卷时产生的目标函数值；步骤3.3.2.2：确定优化目标函数fi如式(4)所示，当i＜n+1时，优化目标定量化描述为最小化吊机当前阶段的移动时间和估计的未来阶段的移动时间之和；当i＝n+1时，优化目标定量化描述为最小化吊机当前阶段的移动时间；其中，表示吊机从位置k2到位置k1执行空载移动所需要的时间，表示吊机从位置k1到位置k2执行负载移动所需要的时间，表示吊机从i‑1阶段的出库位置O[i‑1]到位置k1执行空载移动所需要的时间；决策变量的取值为1或0，分别表示阶段i中吊机是否从i‑1阶段的出库位置O[i‑1]到位置k1执行空载移动；步骤3.3.2.3：定量化描述吊机控制子问题约束条件；(1)当i＜n+1时，每个阶段只能有一个出库钢卷被移动，将其转化为数学表达式如式(5)所示：其中，的取值为1或0，分别表示是否在阶段i移动位置k0的钢卷；(2)当i＜n+1时，若某个出库钢卷被移动，则它的障碍钢卷必须被移动，将其转化为数学表达式如式(6)所示；其中，下标k3表示阻碍位置k0的出库钢卷的障碍钢卷位置集合中的元素，k0∈ΨOi，的取值为1或0，分别表示是否在阶段i移动位置k3的钢卷；(3)位于上层的空位只有在其下层的空位被选择时才能选择，将其转化为数学表达式如式(7)所示；其中，下标k4表示空位k2下方的空位集合中的元素，的取值为1或0，分别表示空位k4是否参与阶段i的移动；的取值为1或0，分别表示空位k2是否参与阶段i的移动，k2∈ΨEi；(4)库区中的每个位置上吊机的到达和离开要平衡，当一个位置有吊机到达和离开时，表明该位置参与了移动；当i＜n+1时，将其转化为数学表达式如式(8)和式(9)所示；其中，下标k5表示入库钢卷和障碍钢卷位置合集ΨIi∪ΨBi中的元素，的取值为1或0，分别表示是否在阶段i移动位置k5的钢卷；的取值为1或0，分别表示阶段i中吊机是否从位置k5到位置k2执行负载移动；的取值为1或0，分别表示阶段i中吊机是否从位置k2到位置k5执行空载移动；的取值为1或0，分别表示阶段i中吊机是否从位置O[i‑1]到位置k5执行空载移动；当i＝n+1时，将其转化为数学表达式如式(10)和式(11)所示：Σk2∈ΨEiWk1k2i=Σk2∈ΨEiVk2k1i+VO[i-1]k1i=1,k1∈ΨIi---(10)]]>其中，下标T为虚拟的吊机终点位置，的取值为1或0，分别表示阶段i中吊机是否从位置k2到虚拟的吊机终点位置执行空载移动，即位置k2是否为吊机实际移动的终点；(5)吊机从上一阶段的出库位置开始移动，首先到达一个钢卷的位置，将其转化为数学表达式如式(12)所示；Σk1∈ΨiVO[i-1]k1i=1,i<n+1Σk1∈ΨIiVO[i-1]k1i=1,i=n+1(12)]]>(6)当i＜n+1时，吊机要移动到一个出库钢卷的位置，将其转化为数学表达式如式(13)所示；Σk0∈ΨOiΣk2∈ΨEiVk2k0i+Σk0∈ΨOiVO[i-1]k0i=1---(13)]]>其中，的取值为1或0，分别表示阶段i中吊机是否从位置O[i‑1]到位置k0执行空载移动；当i＝n+1时，吊机要移动到一个虚拟的终点，将其转化为数学表达式如式(14)所示；Σk2∈ΨEiVk2Ti+VO[i-1]Ti=1---(14)]]>其中，的取值为1或0，分别表示阶段i中吊机是否从位置k2到终点位置T执行空载移动；的取值为1或0，分别表示阶段i中吊机是否从位置O[i‑1]到位置T执行空载移动；(7)吊机不可在两个位置之间循环移动，将其转化为数学表达式如式(15)所示；Wk5k2i+Vk2k5i≤1---(15)]]>其中，当i＜n+1时，k5∈ΨIi∪ΨBi，当i＝n+1时，ΨBi为空集，k5∈ΨIi；k2∈ΨEi；(8)当i＜n+1时，当前阶段吊机移动的时间等于存放入库钢卷和障碍钢卷所需的时间加上将出库钢卷移至出库位置的时间，将其转化为数学表达式如式(16)所示；其中，表示吊机从位置k5到位置k2执行负载移动所需要的时间，表示吊机从位置k2到位置k5执行空载移动所需要的时间，表示吊机从位置O[i‑1]到位置k5执行空载移动所需要的时间；表示吊机从位置k2到位置k0执行空载移动所需要的时间，的取值为1或0，分别表示吊机是否从位置k2到位置k0执行空载移动，表示吊机从位置O[i‑1]到位置k0执行空载移动所需要的时间，的取值为1或0，分别表示吊机是否从位置O[i‑1]到位置k0执行空载移动，表示将k0位置的出库钢卷移至其出库位置的时间，M为一个很大的常数，k0∈Ψoi；步骤3.3.3：通过整数规划求解软件对步骤3.3.2中建立的数学模型进行求解，得到决策变量值和目标函数值；步骤3.3.4：根据吊机控制子问题数学模型的解，判断通过决策变量值是否能够产生一条从钢卷[i‑1]的出库位置O[i‑1]，途中经过某些入库卷/障碍卷位置和空位，最终到达一个出库钢卷位置或虚拟终点的单一可行吊机移动路径，若是，则根据库区结构的变化更新下一阶段的模型参数，令i＝i+1，继续求解下一阶段的吊机控制子问题模型，直到i＝n+1；若否，即产生的吊机移动路径中包含不连通的子环或产生的路径导致钢卷悬空，则分别加入子环消除约束和可行路径约束，返回步骤3.3.3，重新求解模型；所述子环消除约束和可行路径约束如下：(1)子环消除约束；子环中包含的位置集合，即从产生的解中得到的导致吊机路径不连通的一部分位置的集合为N，k6和k7分别为集合N中的钢卷位置元素和空位元素，针对集合N的子环消除约束如式(17)所述；Σk6,k7∈N(Wk6k7i+Vk7k6i)≤|N|-1---(17)]]>其中，|N|表示集合N中的元素个数，的取值为1或0，分别表示吊机是否从位置k6到位置k7执行负载移动，的取值为1或0，分别表示吊机是否从位置k7到位置k6执行空载移动；(2)可行路径约束；导致钢卷悬空的不可行路径中包含的表示吊机执行负载移动和空载移动的变量集合为E，e表示变量集合E中的元素，针对集合E的可行路径约束如式(18)所述；Σe∈E(1-e)≥1---(18)]]>步骤3.3.5：所有阶段的吊机控制子问题全部求解完毕后，将每一阶段的吊机控制路径连接起来，获得完整的吊机控制方案；步骤3.4：判断获得的吊机控制方案是否达到预设效果；如果是，则得到最终的吊机控制方案，执行步骤4；如果否，记录获得的吊机控制方案，统计当前吊机控制方案中吊机处理每个任务的移动时间，返回执行步骤3.2，重新产生近似函数；步骤4：根据获得的吊机控制方案，模拟库区的实际物流作业环境，仿真吊机控制结果；步骤5：执行控制方案；库区操作人员如果对吊机控制方案的仿真结果满意，则将吊机控制方案传输到吊机控制终端，通过钢卷库区吊机控制终端执行所得到的控制方案；如果对吊机控制方案的仿真结果不满意，则库区操作人员根据经验对该吊机控制方案进行微调，得到新的吊机控制方案，返回步骤4。