前言

近年來(lái)，我國(guó)新能源汽車(chē)高速發(fā)展，國(guó)家對(duì)新能源行業(yè)的大力扶持引發(fā)了鋰電行業(yè)的增長(zhǎng)勢(shì)頭，為了應(yīng)對(duì)鋰電的迅猛發(fā)展，相應(yīng)的鋰電物流成長(zhǎng)迅速，已經(jīng)成為鋰電行業(yè)的重要組成部分。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)作為物流自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)**和樞紐，具有很高的空間利用率和很強(qiáng)的出入庫(kù)能力，是物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物流合理化的關(guān)鍵所在。而堆垛機(jī)是立體倉(cāng)庫(kù)中的主要搬運(yùn)設(shè)備，由于倉(cāng)庫(kù)的搬運(yùn)量很大，而堆垛機(jī)容量又有限，堆垛機(jī)在整個(gè)物流周期中的行駛時(shí)間占比較大，如果堆垛機(jī)的調(diào)度不當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重影響堆垛機(jī)的工作效率，進(jìn)而直接影響立體倉(cāng)庫(kù)的整體效率。因此，堆垛機(jī)路徑優(yōu)化顯得尤其重要。

一、鋰電池化成庫(kù)模型

圖1是鋰電化成庫(kù)結(jié)構(gòu)圖，它主要由以下幾部分組成：（1）貨架，用于存放電池的貨架，每個(gè)貨格一個(gè)貨位，每個(gè)貨位存放一托盤(pán)單位電池，由巷道數(shù)、列數(shù)和層數(shù)決定可以存放電池的數(shù)量；（2）堆垛機(jī)，運(yùn)送電池托盤(pán)，往返于出入庫(kù)口和貨位之間，通過(guò)貨叉的伸縮完成貨物的存放與取出；（3）出入庫(kù)臺(tái)，出入庫(kù)臺(tái)與輸送線連接，存放和取出貨物均由出入庫(kù)臺(tái)進(jìn)出倉(cāng)庫(kù)；（4）管理控制中心，包括整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)的信息、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控、操作臺(tái)等。堆垛機(jī)由計(jì)算機(jī)控制，按照計(jì)算機(jī)的指令依次對(duì)電池進(jìn)行存取，由于短時(shí)間內(nèi)存取任務(wù)較多，出入庫(kù)的順序不同，堆垛機(jī)所運(yùn)行的路徑和時(shí)間也會(huì)不同，合理的作業(yè)路徑能有效提高堆垛機(jī)的作業(yè)效率。

圖1 鋰電化成庫(kù)結(jié)構(gòu)圖

圖2鋰電化成庫(kù)平面簡(jiǎn)化圖，貨位號(hào)從出入庫(kù)口開(kāi)始順序順序排列直到倉(cāng)庫(kù)頂層。其運(yùn)行過(guò)程主要依靠堆垛機(jī)沿X軸的水平方向和Y軸的垂直方向在巷道中移動(dòng)到達(dá)貨物所在的層列，然后再通過(guò)貨叉的橫移動(dòng)作實(shí)現(xiàn)貨物的存取。

圖2 立體倉(cāng)庫(kù)貨位示意圖

文中鋰電池化成庫(kù)為同端出入庫(kù)式，堆垛機(jī)以托盤(pán)為單位進(jìn)行搬運(yùn)，貨架每個(gè)貨位只能存放一托盤(pán)電池，且倉(cāng)庫(kù)規(guī)模大，搬運(yùn)量大。堆垛機(jī)為雙工位堆垛機(jī)，即堆垛機(jī)上有兩個(gè)工位，較多只能同時(shí)有兩個(gè)電池托盤(pán)在堆垛機(jī)上，一次作業(yè)做多完成兩托盤(pán)電池的入庫(kù)和兩托盤(pán)電池的出庫(kù)。，雙工位堆垛機(jī)進(jìn)行一次滿(mǎn)載作業(yè)時(shí)，如圖3所示，執(zhí)行作業(yè)時(shí)堆垛機(jī)從出入庫(kù)臺(tái)O點(diǎn)取電池托盤(pán)依次進(jìn)入A4點(diǎn)存放電池，B4點(diǎn)存或取電池，C4點(diǎn)存或取電池，D4點(diǎn)取電池，**返回O點(diǎn)將所取電池放置出入庫(kù)臺(tái)，運(yùn)出倉(cāng)庫(kù)。所運(yùn)行的總路程為：

圖3 堆垛機(jī)滿(mǎn)載作業(yè)方式

同樣，當(dāng)存取貨物數(shù)量少于4時(shí)，堆垛機(jī)取貨路徑有以下幾種情況，如圖4所示，搬運(yùn)不同數(shù)量所走的總路程分別為：

圖4 堆垛機(jī)未滿(mǎn)載時(shí)作業(yè)方式

二、數(shù)學(xué)模型

結(jié)合雙工位堆垛機(jī)實(shí)際情況可知，雙工位堆垛機(jī)存取貨具有一定的條件限制，即每次較多存兩個(gè)貨物取兩個(gè)貨物，且當(dāng)需要存兩個(gè)貨物時(shí)堆垛機(jī)**個(gè)到達(dá)的貨物必須為存貨位置；需要取兩個(gè)貨物時(shí)，堆垛機(jī)到達(dá)的**一個(gè)貨位必須為取貨位置。固定貨架及堆垛機(jī)運(yùn)行參數(shù)作如下設(shè)定。

設(shè)定1：考慮到曲線運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，本文貨物在出入庫(kù)時(shí)是按照直線運(yùn)動(dòng)；

設(shè)定2：一個(gè)巷道只有一臺(tái)堆垛機(jī)，雙工位堆垛機(jī)兩個(gè)并排工位在模型中看做一個(gè)點(diǎn)存取貨；

設(shè)定3：貨位間距為常數(shù)，貨格高度為H，貨格寬度為L(zhǎng)；

設(shè)定4：設(shè)入口處為O，坐標(biāo)為（0,0）；

設(shè)定5：堆垛機(jī)存取電池，存取任務(wù)足夠時(shí)優(yōu)先進(jìn)行復(fù)合作業(yè)。

根據(jù)模型假設(shè)的基本描述，本文模型主要優(yōu)化目標(biāo)是優(yōu)化堆垛機(jī)的作業(yè)路徑，縮短堆垛機(jī)搬運(yùn)總路程，提高出入庫(kù)的效率。堆垛機(jī)一次作業(yè)要存取的貨物共j個(gè)，堆垛機(jī)從出入庫(kù)臺(tái)O（0,0）點(diǎn)取需要存的貨物依次經(jīng)過(guò)第i個(gè)作業(yè)貨位i（Xi，Yi），直到到達(dá)**一個(gè)作業(yè)貨位j（Xj，Yj）完成操作，**返回O（0,0）完成一次作業(yè)。一次遍歷j個(gè)貨位的存取貨作業(yè)所走的路程為：

在一批存取貨任務(wù)中，設(shè)存貨任務(wù)m個(gè)，取貨任務(wù)n個(gè)

則這批存取貨任務(wù)中堆垛機(jī)總運(yùn)行路徑為：

upint為向上取整，完成一批任務(wù)的存取作業(yè)，可以對(duì)每次存取作業(yè)的路徑進(jìn)行優(yōu)化，合理安排存取貨位順序，使堆垛機(jī)運(yùn)行總路徑較短。

三、遺傳算法的設(shè)計(jì)

3.1 染色體編碼設(shè)計(jì)

模型采用實(shí)數(shù)編碼方式，染色體信息包括貨位編碼、存取貨需求以及貨位操作順序。編碼由兩層組成，上層表示需要存取貨物的貨位編號(hào)，下層采用0-1編碼，編號(hào)0表示需要存入貨物的貨位，編號(hào)1表示需要取出貨物的貨位。編碼方式如下：

1：一條染色體表示一種堆垛機(jī)完成一次任務(wù)所有貨物存取的路徑。

2：一條染色體可以分為n段，每段**一個(gè)基因，每個(gè)基因表示堆垛機(jī)一次作業(yè)存取貨的路徑，其中n表示染色體中堆垛機(jī)從出庫(kù)臺(tái)取貨存入倉(cāng)庫(kù)，再?gòu)膫}(cāng)庫(kù)取出貨物到出庫(kù)臺(tái)的作業(yè)次數(shù)。

3：每段基因由上下兩層組成，上層表示貨位編號(hào)，下層表示所對(duì)應(yīng)的貨位存取貨需求，0表示需要存貨，1表示需要取貨。

4：每段基因長(zhǎng)度為1-4，較多存在兩個(gè)存兩個(gè)取，即下層編碼較多兩個(gè)1，兩個(gè)0；且存在兩個(gè)存貨時(shí)，**個(gè)編碼必為0，存在兩個(gè)取貨時(shí)，**一個(gè)編碼必為1。

如圖5所示，堆垛機(jī)從出入庫(kù)臺(tái)搬貨依次進(jìn)入4號(hào)貨位存貨，12號(hào)貨位取貨，7號(hào)貨位存貨，5號(hào)貨位取貨，**將所取貨物搬回出入庫(kù)臺(tái)運(yùn)出立體倉(cāng)庫(kù)，完成一次作業(yè)。然后重新搬取貨物依次進(jìn)入9號(hào)貨位存貨，3號(hào)貨位存貨，6號(hào)貨位取貨，1號(hào)貨位取貨，完成第二次作業(yè)。整條染色體表示一批貨物存取貨路徑方案。

圖5 貨位編碼方式

3.2 種群初始化

初始化種群時(shí)，先設(shè)置種群規(guī)模為M，然后采用隨機(jī)配的方法產(chǎn)生種群，將需要作業(yè)的貨位隨機(jī)分配，為了避免產(chǎn)生不可行解，需保證每個(gè)基因片段中較多存在兩個(gè)存貨貨位與兩個(gè)取貨貨位，且存在兩個(gè)存貨貨位時(shí)**個(gè)必須為存貨貨位，存在兩個(gè)取貨貨位時(shí)**一個(gè)貨位必須為取貨貨位。

3.3 定義適應(yīng)度函數(shù)

適應(yīng)度函數(shù)用來(lái)區(qū)分種群中個(gè)體好壞的標(biāo)準(zhǔn)，本文目標(biāo)是求堆垛機(jī)總路程S較小值，因此把函數(shù)值的倒數(shù)作為個(gè)體適應(yīng)度值，函數(shù)值越小，適應(yīng)度值越大，個(gè)體越**。

3.4 選擇操作

選擇操作就是按照優(yōu)勝劣汰的原則對(duì)種群中的基因進(jìn)行篩選，適應(yīng)度越高的個(gè)體被選中的幾率越大，保證**基因的延續(xù)。本文采用輪盤(pán)賭法，從舊群體中以一定的概率選擇優(yōu)良個(gè)體組成新的群體，每個(gè)染色體被選中的概率為

3.5 交叉操作

本文采用部分映射雜交，確定交叉操作的父代，將父代樣本兩兩分組，每組進(jìn)行以下過(guò)程：首先，每隔4個(gè)貨位劃分一個(gè)基因片段，然后從待交配的2個(gè)父代中隨機(jī)選擇一個(gè)基因片段進(jìn)行交叉，剩余基因片段不變。

交叉后同一個(gè)個(gè)體中有重復(fù)的貨位編號(hào)，用*號(hào)表示，有**的貨位采用部分映射的方法消除**，即利用交換片段的貨位碼值對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行映射。交叉操作過(guò)程如圖6所示。

圖6 交叉操作

3.6 變異操作

變異操作是模擬自然界生物進(jìn)化中的個(gè)體基因突變，目的是為了保持種群多樣性。本文的變異策略為隨機(jī)選擇染色體中兩個(gè)貨位碼值相同的位置進(jìn)行對(duì)換，如選擇貨位碼值均為1的12和6兩個(gè)貨位的位置進(jìn)行對(duì)換，得到變異后的染色體。操作過(guò)程如圖7所示。

圖7 變異操作

四、仿真結(jié)果與分析

本文采用MATLAB對(duì)模型進(jìn)行仿真，遺傳算法參數(shù)設(shè)定如下：

貨架每個(gè)貨格高度H=460mm，貨格寬度L=810mm。以堆垛機(jī)運(yùn)行的路徑較短為目標(biāo)進(jìn)行仿真，選取倉(cāng)庫(kù)一批存取貨任務(wù)，12個(gè)存貨任務(wù)，10個(gè)取貨任務(wù)，相應(yīng)貨位編號(hào)信息如表2和表3所示。

表1 遺傳算法參數(shù)選取

表2 存貨信息表

表3 取貨信息表

圖8為堆垛機(jī)隨機(jī)策略運(yùn)行軌跡圖，即隨機(jī)挑選貨位進(jìn)行存取貨作業(yè)的運(yùn)行軌跡圖，堆垛機(jī)運(yùn)行路徑依次為  106-78-127-42  65-28-151-91    87-57-21-81  110-71-43-178  93-166-140-130  142-174，運(yùn)行總路程為153019mm。

圖8 隨機(jī)策略堆垛機(jī)運(yùn)行軌跡圖

圖9為堆垛機(jī)較鄰策略運(yùn)行軌跡圖，即隨機(jī)選取**個(gè)存貨任務(wù)，然后依次選取較鄰近的可作業(yè)貨位進(jìn)行操作，直至遍歷所有任務(wù)貨位的軌跡圖。堆垛機(jī)運(yùn)行路徑依次為87-71-106-140 174-142-178-127  57-91-93-42  110-78-130-81  43-28-65-21  166-151，運(yùn)行的總路程為116549mm。

圖9 較鄰策略堆垛機(jī)運(yùn)行軌跡圖

圖10為遺傳算法優(yōu)化后得到的存取貨任務(wù)軌跡圖，堆垛機(jī)運(yùn)行路徑依次為142-178-174-140  87-106-71-21  43-42-57-91  151-166-130-127  78-81-65-28  110-93，運(yùn)行總路程為107232mm。

圖10 遺傳算法優(yōu)化后堆垛機(jī)運(yùn)行軌跡圖

由以上3張堆垛機(jī)運(yùn)行軌跡圖，可以明顯看出經(jīng)過(guò)遺傳算法改進(jìn)后的堆垛機(jī)存取路徑明顯優(yōu)于隨機(jī)存取和較鄰策略存取的路徑。遺傳算法改進(jìn)后的路徑相比隨機(jī)存取路徑減少了29.92%，相比較鄰存取策略路徑減少了7.99%。對(duì)比有效驗(yàn)證了遺傳算法在雙工位堆垛機(jī)路徑優(yōu)化的實(shí)用性及優(yōu)越性，為雙工位以及多工位堆垛機(jī)的路徑優(yōu)化提供一定的參考價(jià)值。

五、結(jié)語(yǔ)

堆垛機(jī)出入庫(kù)出入庫(kù)效率問(wèn)題一直是立體倉(cāng)庫(kù)優(yōu)化研究的重點(diǎn)，不同的出入庫(kù)方式，不同的出入庫(kù)路徑都會(huì)對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)的整體效率產(chǎn)生影響。本文針對(duì)鋰電池化成庫(kù)的運(yùn)行特點(diǎn)以及雙工位堆垛機(jī)存取貨的特殊性，將遺傳算法應(yīng)用到雙工位堆垛機(jī)存取貨的路徑優(yōu)化中，從仿真結(jié)果來(lái)看，得到了較好的存取車(chē)順序，減少了堆垛機(jī)的運(yùn)行總路程。驗(yàn)證了遺傳算法在雙工位堆垛機(jī)的路徑優(yōu)化問(wèn)題中的可行性。另外，一些對(duì)模型簡(jiǎn)化的條件假設(shè)會(huì)對(duì)貨物出入庫(kù)效率產(chǎn)生不同影響，這些問(wèn)題的解決還需要做進(jìn)一步研究。

江蘇鶴奇工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備有限公司主要經(jīng)營(yíng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)及設(shè)備的制造加工、研發(fā)、銷(xiāo)售，電子元器件、機(jī)械設(shè)備零部件的制造、銷(xiāo)售，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程施工，計(jì)算機(jī)軟件研發(fā)、銷(xiāo)售，機(jī)械設(shè)備、電子產(chǎn)品的銷(xiāo)售，從事貨物及技術(shù)的進(jìn)出口設(shè)備等多項(xiàng)業(yè)務(wù)，主營(yíng)業(yè)務(wù)涵蓋自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，堆垛機(jī)，穿梭車(chē)，AGV小車(chē)生產(chǎn)廠家。江蘇鶴奇工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備有限公司主營(yíng)業(yè)務(wù)涵蓋自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，堆垛機(jī)，穿梭車(chē)，AGV小車(chē)生產(chǎn)廠家，堅(jiān)持“質(zhì)量保證、良好服務(wù)、顧客滿(mǎn)意”的質(zhì)量方針，贏得廣大客戶(hù)的支持和信賴(lài)。

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