前言

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

一、鋰電池化成庫模型

圖1是鋰電化成庫結(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，每個貨格一個貨位，每個貨位存放一托盤單位電池，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，往返于出入庫口和貨位之間，通過貨叉的伸縮完成貨物的存放與取出；（3）出入庫臺，出入庫臺與輸送線連接，存放和取出貨物均由出入庫臺進(jìn)出倉庫；（4）管理控制中心，包括整個立體倉庫的信息、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控、操作臺等。堆垛機(jī)由計算機(jī)控制，按照計算機(jī)的指令依次對電池進(jìn)行存取，由于短時間內(nèi)存取任務(wù)較多，出入庫的順序不同，堆垛機(jī)所運(yùn)行的路徑和時間也會不同，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 鋰電化成庫結(jié)構(gòu)圖

圖2鋰電化成庫平面簡化圖，貨位號從出入庫口開始順序順序排列直到倉庫頂層。其運(yùn)行過程主要依靠堆垛機(jī)沿X軸的水平方向和Y軸的垂直方向在巷道中移動到達(dá)貨物所在的層列，然后再通過貨叉的橫移動作實現(xiàn)貨物的存取。

圖2 立體倉庫貨位示意圖

文中鋰電池化成庫為同端出入庫式，堆垛機(jī)以托盤為單位進(jìn)行搬運(yùn)，貨架每個貨位只能存放一托盤電池，且倉庫規(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)上有兩個工位，較多只能同時有兩個電池托盤在堆垛機(jī)上，一次作業(yè)做多完成兩托盤電池的入庫和兩托盤電池的出庫。，雙工位堆垛機(jī)進(jìn)行一次滿載作業(yè)時，如圖3所示，執(zhí)行作業(yè)時堆垛機(jī)從出入庫臺O點取電池托盤依次進(jìn)入A4點存放電池，B4點存或取電池，C4點存或取電池，D4點取電池，**返回O點將所取電池放置出入庫臺，運(yùn)出倉庫。所運(yùn)行的總路程為：

圖3 堆垛機(jī)滿載作業(yè)方式

同樣，當(dāng)存取貨物數(shù)量少于4時，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)未滿載時作業(yè)方式

二、數(shù)學(xué)模型

結(jié)合雙工位堆垛機(jī)實際情況可知，雙工位堆垛機(jī)存取貨具有一定的條件限制，即每次較多存兩個貨物取兩個貨物，且當(dāng)需要存兩個貨物時堆垛機(jī)**個到達(dá)的貨物必須為存貨位置；需要取兩個貨物時，堆垛機(jī)到達(dá)的**一個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)動的復(fù)雜性，本文貨物在出入庫時是按照直線運(yùn)動；

設(shè)定2：一個巷道只有一臺堆垛機(jī)，雙工位堆垛機(jī)兩個并排工位在模型中看做一個點存取貨；

設(shè)定3：貨位間距為常數(shù)，貨格高度為H，貨格寬度為L；

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，提高出入庫的效率。堆垛機(jī)一次作業(yè)要存取的貨物共j個，堆垛機(jī)從出入庫臺O（0,0）點取需要存的貨物依次經(jīng)過第i個作業(yè)貨位i（Xi，Yi），直到到達(dá)**一個作業(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，取貨任務(wù)n個

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

3.1 染色體編碼設(shè)計

模型采用實數(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，下層采用0-1編碼，編號0表示需要存入貨物的貨位，編號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**一個基因，每個基因表示堆垛機(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)從出庫臺取貨存入倉庫，再從倉庫取出貨物到出庫臺的作業(yè)次數(shù)。

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

4：每段基因長度為1-4，較多存在兩個存兩個取，即下層編碼較多兩個1，兩個0；且存在兩個存貨時，**個編碼必為0，存在兩個取貨時，**一個編碼必為1。

如圖5所示，堆垛機(jī)從出入庫臺搬貨依次進(jìn)入4號貨位存貨，12號貨位取貨，7號貨位存貨，5號貨位取貨，**將所取貨物搬回出入庫臺運(yùn)出立體倉庫，完成一次作業(yè)。然后重新搬取貨物依次進(jìn)入9號貨位存貨，3號貨位存貨，6號貨位取貨，1號貨位取貨，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，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，需保證每個基因片段中較多存在兩個存貨貨位與兩個取貨貨位，且存在兩個存貨貨位時**個必須為存貨貨位，存在兩個取貨貨位時**一個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)用來區(qū)分種群中個體好壞的標(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)作為個體適應(yīng)度值，函數(shù)值越小，適應(yīng)度值越大，個體越**。

3.4 選擇操作

選擇操作就是按照優(yōu)勝劣汰的原則對種群中的基因進(jìn)行篩選，適應(yīng)度越高的個體被選中的幾率越大，保證**基因的延續(xù)。本文采用輪盤賭法，從舊群體中以一定的概率選擇優(yōu)良個體組成新的群體，每個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)行以下過程：首先，每隔4個貨位劃分一個基因片段，然后從待交配的2個父代中隨機(jī)選擇一個基因片段進(jìn)行交叉，剩余基因片段不變。

交叉后同一個個體中有重復(fù)的貨位編號，用*號表示，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應(yīng)關(guān)系進(jìn)行映射。交叉操作過程如圖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)選擇染色體中兩個貨位碼值相同的位置進(jìn)行對換，如選擇貨位碼值均為1的12和6兩個貨位的位置進(jìn)行對換，得到變異后的染色體。操作過程如圖7所示。

圖7 變異操作

四、仿真結(jié)果與分析

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

貨架每個貨格高度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，選取倉庫一批存取貨任務(wù)，12個存貨任務(wù)，10個取貨任務(wù)，相應(yīng)貨位編號信息如表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%。對比有效驗證了遺傳算法在雙工位堆垛機(jī)路徑優(yōu)化的實用性及優(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值。

五、結(jié)語

堆垛機(jī)出入庫出入庫效率問題一直是立體倉庫優(yōu)化研究的重點，不同的出入庫方式，不同的出入庫路徑都會對立體倉庫的整體效率產(chǎn)生影響。本文針對鋰電池化成庫的運(yùn)行特點以及雙工位堆垛機(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)果來看，得到了較好的存取車順序，減少了堆垛機(jī)的運(yùn)行總路程。驗證了遺傳算法在雙工位堆垛機(jī)的路徑優(yōu)化問題中的可行性。另外，一些對模型簡化的條件假設(shè)會對貨物出入庫效率產(chǎn)生不同影響，這些問題的解決還需要做進(jìn)一步研究。

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