自动存储和检索系统的多目标优化外文翻译资料

 2021-12-13 09:12

英语原文共 9 页

自动存储和检索系统的多目标优化

摘要：本文对自动化仓库的多目标优化问题进行了讨论和评价。由于物料搬运界的研究人员大多只对单目标函数(通常以最小出行时间、最大吞吐量、最小成本等命名)的决策变量进行优化，本文将提出多目标优化(时间成本质量)。针对目标函数中决策变量的优化问题，采用遗传算法进行优化。我们的文章的主要目标是根据多目标优化技术确定系统的性能。

关键词:自动化仓库;性能;多目标功能;优化

介绍

仓库具有基本的用途，对于生产和配送过程 [1]的持续和最佳运行是绝对必要的。仓库由于各种原因而被需要[1]，特别是:（1）通过缓冲产品一段时间，促进生产和客户需求之间的协调，（2）收集和合并各生产商的产品以供合并装运，（3）为生产和重要客户提供当日交货服务;（4）支持产品定制活动，如包装、总装等[1]。有两类仓储系统，分别称为机械化仓储系统(传统仓库)和自动化仓储系统(自动化存储和检索系统)。

传统仓储系统的特点是由仓储管理系统管理和指挥的人工操作设备。手动叉车配有车载终端连接到仓库管理系统，提供运输、存储和检索(订单提取)的运输单元负载。车载终端向操作员显示指令，并为他们提供完成任务的通信能力。该技术消除了纸质作业指导，优化了作业人员的工作流程，提高了作业效率。传统仓库设施的主要物理特征是低配置，因此占地面积大。净空高度由所选叉车的工作高度决定。传统上，与自动化仓库设施相比，传统仓库设施更便宜，更容易构建。

今天，传统的仓储系统的特点是采用自动导引小车技术，自动叉车由仓储管理系统管理和指挥。如今，许多制造商提供自动叉车(Jungheinrich, Still, Linde等)。自动叉车采用导轨技术，其中一根通电的嵌入地板的导线产生一个电磁场，激活自动叉车上的传感器，使其沿着导轨前进。自动引导系统为自动叉车提供自由漫游功能。自动叉车结合了手动叉车的主要特点，包括侧移、由传感器来确定在指定的接口是否存在运输单元负载，以及调整叉的垂直和水平位置以存储或提取运输单元负载的能力。

自动存储和检索系统(AS / RS)的特征在于具有高机架仓库和自动存储和检索机器，其存储和检索运输单元的负载。系统配置包括单深度和多深度，单梭式和多梭式的不同。所有系统均采用配有提升架的存储和检索机，支持存储/检索穿梭台或自供电的机架进入模块。配备梭式起重小车支架的单梭式和多梭式系统;而自供电机架入口模块支持单深度和多深度系统。取存队列输送机一般位于机架结构的前端，通常提供了存储检索机与配送系统之间的接口。这个运输系统可以像手动叉车一样简单，或者像自动导向车辆一样复杂。这些系统的缺点是不能适应未来的变化，而且相对于传统的仓储系统投资较高。

由于自动存取系统相比于传统的仓储系统越来越受到物料搬运学界的重视，本文将简要介绍以往在自动化系统设计方面的一些工作。

自动化仓库的设计已经被几位作者研究过。Basan[2]等人的研究成果是关于仓库优化的最早的出版物之一，他们分析了仓库的最佳尺寸，考虑了仓库的所选仓库容积依赖于各种存储策略。Karasawa[3]等人提出了AS/RS的设计模型。在他们的工作中，目标函数被定义为非线性和多变量，包括三个主要变量:（1）存储和检索机器的数量(S/R)；（2）存储和检索机器的长度；（3）存储和检索机器的高度;还有定值:购买土地的成本，建造仓库的成本，购买货架(SR)的建造成本和购买S/R机器的成本。该模型[3]的主要缺点是只引用单个命令周期。Ashayeri[4]等人提出了一个AS/RS的设计模型，该模型能够在设计仓库时确定主要影响参数。与Karasawa[3]等人不同，他们考虑了双重指挥周期的仓储操作。Bafna[5]等人和Perry[6]等人在设计仓库时将分析模型和离散事件模拟系统相结合。Perry[6]等人利用一种特殊的搜索方法确定了AS/RS的最优解，并将其包含在AS/RS的仿真模型中。作为衡量系统效率的一个指标，他们使用仓库的吞吐能力，依赖于S/R机器的数量和工作场所的数量。Rosenblatt和Roll[7]提出了考虑到存储策略影响的仓库设计。在描述总费用时，作者考虑到:（1）建造仓库的费用；（2）购买储存设备的费用；（3）仓库系统超载所产生的费用(储存空间暂时短缺)；（4）取决于某一特定储存政策的费用。Rouwenhorst[8]等人以仓库系统设计方法的形式，对仓库设计和控制领域进行了深入的概述。设计过程采用结构化方法，考虑了决策的战略、战术和操作层面。Gu[9]等人对仓库运营方面的研究进行了全面综述。Roodbergen和Vis[10]对AS/RS的技术现状进行了全面的解释。

虽然研究人员在研究中没有提供多目标的方法，但是已经考虑了基于出行时间、成本和质量的优化的仓库设计。所述模型仅参考了AS/AR[3]，[4]，[5]，[6]。的单目标优化方法。方法和模型的区别在于目标函数中包含的元素的成本、考虑变量的决策和优化技术的使用。自动化仓库多目标优化方法的研究较少，但多目标优化方法的研究在一些文献中得到了广泛的关注.(Hwang at al. [11];Steuer, R. E. [12];Dev,k[13])。

除了上述论文，我们对自动化仓库设计的研究也可以在[15]，[16]，[17]，[18]中找到。通常，每个仓库都涉及多维问题。因此，仓库的设计应考虑到（1）运输时间；（2）费用；（3）质量。成功的仓库设计师应确保仓库以最小的运行时间，最小的成本，并按照要求的质量规范来完成。本文的目的是根据多目标优化方法(运输时间-成本-质量)对自动化仓库的设计和优化进行分析。所采用的方法是采用多目标函数和离散优化的方法来实现自动化仓库的最高效设计。由于非线性、离散、多变量和最重要的多目标函数，采用启发式的遗传算法[19]。本研究的重点在于开发一种基于多目标优化方法的自动化仓库设计与优化的计算机辅助设计工具。

模型描述

这一节的主要目的是提出一种以解决运行时间-成本-质量权衡问题为目标的优化模型。该模型根据项目的限制和条件，使仓库的运输时间最小化，成本最小化，质量最大化。

最小运输时间。在大多数物料处理设施(在我们的仓库中)，运输时间与叉车、S/R机器等物料处理设备的移动有关。对于平均运输时间的计算，例如单命令周期或双命令周期，使用不同的方法。一些研究人员使用分析运输时间的模型，而另一些则使用离散模拟。通过在水平/垂直方向上使用高效的驱动装置来更快地移动和提升物料搬运设备，可以最大限度地缩短运输时间。除了高效的驱动器外，仓库(存储架)的长度和高度应保持适当的关系(例如，理想情况下形状因子b = 1)。运输时间与吞吐量成反比。根据行程时间和吞吐量的取值，定义物料搬运设备(前移式叉车, 非常窄的通道VNA卡车, S/R 机器)的数量。其目的是尽量减少运输时间，其描述如下:

function: minfT（xi）; ieuro;[1,10]    (1)

最小成本。费用是相对于运输时间而言的。采用高效驱动(更快的移动和提升)的物料搬运设备无疑会增加仓库的成本和物料搬运设备的维护成本。对于成本和运输时间之间的关系，可以使用离散函数或连续(线性/二次)函数。目标是尽量减少成本，其描述如下:

function: minfC（xi）; ieuro;[1,10]     (2)

最高质量。质量可以用多种方式定义。在我们提出的模型中，质量是用仓库中物料搬运设备的数量来表示的。如果仓库中有多个物料搬运设备，“一切正常”的概率比只有一个物料搬运设备要高。因此，在我们的模型中，质量实际上代表了仓库的可靠性。质量与成本是相对的。我们的目标是为了最大限度地提高质量，其描述如下:

function: maxfQ（xi）; ieuro;[1,10]     (3)

上述函数所使用自变量上下界的函数表示如下:

Real : 0＜x1,x2,x3,x4,x5,x6,x9,x10le;1  (4)

integer :1lt;x7,x8lt;N  (5)

x1指MHD(前移式叉车、VNA卡车,S / R机)的选择,x2指MHD驾驶的速度在水平方向上,x3指MHD的垂直方向提升的速度,x4指MHD的最大提升高度,x5指选择通道的宽度,x6指MHD的质量(可靠性),x7指选择通道的数量,x8指MHD,x9指的是仓库的高度,x10是挑选通道的长度。

该模型包括决策变量、操作参数、物料搬运设备成本、土地和仓库建设成本。在设计模型时，应用了以下假设和符号:

（1）仓库被分成拣选通道，两边都有SR;因此，在拣选通道之间有双SR，在仓库墙壁上有单SR。仓库的I/O位置位于仓库的左下端(图1)。

（2）MHD的数量小于或等于选择通道的数量(nMHDle;R)。

（3）MHD可以在跨仓库通道中移动，从而可以访问相邻的拣选通道。

（4）SR为矩形，其中SR的I/O位置位于SR的左下角(图2)。

（5）MHD支持SC的操作，在SC上必须添加在跨通道移动的可变份额的移动时间。

（6）已知MHD速度v的驱动特性，以及SR的长度和高度。

（7）SR的长度和高度足以使S/R机在水平方向和垂直方向上达到最大速度Vmax。

（8）使用随机存储，这意味着存储室中任何打开的机架都同样可能被选择用于存储或检索分配。

介绍了以下表示法:

AS/RS 自动存储和检索系统 WWAR 仓库的宽度

S/R 存储和检索 WSR 存储架的宽度

SR 存放架 WSC 储物间的宽度

SC 单一的命令 T 单程作业时间

T(SC) 平均单程通讯时间 nMHD MHD的数量

T(TBA) 在通道间移动的时间 R 选择通道的数量

MHD 物料搬运设备 n 存储箱内TUL的数量

VNA 非常狭窄的过道 v 速度

TUL 运输单位载荷 vmax 最大速度

I/Oaisle拣选通道的输入/输出位置 vx 水平方向上的速度

I/Owar 仓库的输入/输出位置 vy 竖直方向上的速度

b 形状系数 txy 移动时间

f(xi) 目标函数 tx 沿水平方向移动时间

x 变量 ty 垂直方向上的移动时间

LWAR 仓库长度 IMHD 每个MHD的投资

LSR储存架的长度 ILAND 对土地的投资

LSC 储存间的长度 IWAR 投资建设

HWAR 仓库高度 CSRM MHD的最大成本

HSR 储物架高度 CLAND 每平方米土地成本

HSC 储存间的高度 CWAR 每平方米建筑成本

QMHD 物料搬运设备的质量

这个提出的模型由一个数学模型表示，该模型包括决策变量、所有相关的操作参数、物理参数和投资成本。

模型的定义。移动时间的定义

提出的模型是基于单命令周期的。SC的操作包括存储或检索序列。仓库中的SC结

资料编号：[5512]

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