模具倉儲系統的工程優化.pdf

ABSTRACTAs an important part of the national economy, the degree of automation in themold industry determines the production efficiency. With the continuousimprovement of the modern enterprise production scale, the level of automationstorage systems has become a big problem obviously. This paper carry out theresearchbasedonthemoldwarehousestorageastheresearchbackground,combiningmodernintelligentoptimizationtheoryinthefieldofengineering,inordertoimprovetheoperatingefficiencyandtheintelligentmanagementlevel.Automaticwarehousesystemitselfhasadynamic,randomized,multi-objective,discrete,andmanyotherspecialattributes.Withthesecomplexcharacteristics,ifusethe traditional method, the process is long and very difficult to get the optimalsolution. This thesis uses the genetic algorithm to carry on the warehouse jobmanagement,pathselectionandrouteplanning,optimizationproblems.Geneticalgorithmsimulatestheevolutionprocessofbiologicalpopulation.Theessence of genetic algorithm is a kind of search method to analyzing efficientlyglobally. It can use the known information in the search process efficiently. It canaccumulateorobtaininformationaboutthesearchspaceautomatic.Searchparameterscan be constrained so that it eventually tends to be optimal solutions. Encoding thepath based on storage location and scheduling list, this thesis has designed manyheredityoperator,includingthepopulationinitialization,theselection,crossover,andmutation and so on. It is also to be considered in the relevant parameters for theresearchandplanning.Researchshowsthat,throughthereasonablemodeling,effectivescheduling,thentheoptimizationtechnologycanwellsolvethemoldstorageinvariousconstraintsinscheduling and assignment problem, to realize the automation of storage andscheduling, efficient and reasonable. This thesis adopts genetic algorithm insolvingthe problem of system optimization, storage on practice shows that, by using thegenetic algorithm can improve the scientific planning level of the storage system,improve production efficiency. Genetic algorithm is an excellent algorithm forcombinatorialoptimizationproblems.KEYWORDS：storage;scheduling;optimization;geneticalgorithm;efficient萬方數據目 錄第一章緒論..................................................................................................................11.1論文的研究背景和研究意義...................................................................21.1.1論文的研究背景............................................................................21.1.2論文的研究意義............................................................................41.2研究內容...................................................................................................51.3論文的總體安排.......................................................................................6第二章倉儲系統及其優化控制問題..........................................................................72.1倉儲系統...................................................................................................82.1.1倉儲系統的形成和發展................................................................82.1.2自動化倉儲的類型........................................................................92.1.3倉儲系統的組成..........................................................................102.1.4倉儲系統的優點和不足..............................................................132.2出入庫調度原則.....................................................................................142.2.1堆垛機執行任務原則..................................................................142.2.2作業調度原則..............................................................................152.2.3貨位分配問題..............................................................................162.3調度的優化、庫存方式的優化............................................................162.3.1入庫策略優化..............................................................................162.3.2庫存策略優化..............................................................................172.3.3出庫策略優化..............................................................................172.4本章總結................................................................................................18第三章遺傳算法的基本理論....................................................................................193.1遺傳算法的基本理論.............................................................................193.1.1遺傳算法的產生和發展..............................................................193.1.2遺傳算法的研究內容..................................................................203.1.3遺傳算法的基本原理和基本流程..............................................213.1.4遺傳算法的基本操作..................................................................233.1.5遺傳算法的特點及應用..............................................................25萬方數據3.2本章小結.................................................................................................26第四章基于遺傳算法求解倉儲優化調度................................................................274.1貨位優化問題的研究.............................................................................274.1.1貨位優化問題..............................................................................274.1.2貨位分配問題的研究和分析......................................................284.1.3數學模型的解法..........................................................................284.1.4數學模型的解法仿真實驗結果與結論......................................334.2堆垛機路徑優化.....................................................................................344.2.1堆垛機簡介..................................................................................364.2.2貨物存取作業分析......................................................................374.2.3堆垛機路徑優化..........................................................................374.2.4結論與分析..................................................................................484.3本章總結................................................................................................56第五章結論................................................................................................................575.1課題研究的主要工作及結論.................................................................575.1.1分級優化的思想..........................................................................575.1.2編碼方式的研究..........................................................................575.2對今后工作的建議.................................................................................58參考文獻......................................................................................................................59致 謝......................................................................................................................62萬方數據第一章 緒論1第一章緒論隨著經濟社會的發展，制造業已成為最重要的支柱產業、社會物質財富的重要來源。許多新型設備的研究設計與生產都離不開模具的大規模開發與應用。模具產業在很大程度上已經發展成為工業的基礎。在美國的工業界，模具產業已被看作是“美國工業的基石”；在亞洲區域，工業發達的日本，模具產業被看作是“進入富裕社會的原動力”；在以嚴謹著稱的德國，模具工業摘得“金屬加工業中的帝王”的王冠；由此可見各國的對模具工業的重視程度[1] 。近年來我國模具工業也取得了飛速的發展。我國目前利用模具而生產的工業產品中，部分產品已接近或超越了國際當前的先進水平。中國模具工業協會在國內模具的發展、規劃中扮演著重要角色，根據其領銜起草的《模具行業“十二五”規劃》，在2010年至2020年期間，即便按照年均10%的增長速度計算，中國的模具工業產值總量于2020年必將達到2600億元人民幣[1,2]。但與美國、日本和德國等發達國家相比，在模具生產、使用、倉儲、管理等方面，我國模具生產和使用的企業仍然存在較大短板，特別是模具的倉儲管理技術跟技術發達的國家相比較仍處于較低水平，仍存在諸多問題。模具倉儲管理系統的信息化、智能化水平的高低，決定了企業內部物資調度的智能化、科技化水平，進而影響到企業的生產效率，最終影響到企業的總體利潤。通過建立高效的倉儲管理系統，能夠不斷促進企業市場認知水平，為企業進行科學的生產管理奠定堅實基礎。倉儲系統的科學、合理化方面的要求，落實到底層環節，就是要求用最經濟的方式構建整個倉儲系統。對于企業來講，就是要求在保證正常工藝流程的前提下，盡量降低倉儲物件在流通、轉移環節的成本。在此過程中，保證倉儲功能必須能夠實現這一最低要求，否則其它問題也就無從談起。因此，判斷倉儲系統是否合理的標準可歸結為：在保證倉儲功能能實現這一前提下，是否達到盡量減少企業投入的要求[3,4]。通過建立倉儲系統的管理平臺，可以有效地避免由于倉儲管理人員手工操作所造成的失誤，提高倉儲庫位的利用率，縮短出庫、入庫所花費的時間，進而提高企業的利潤水平。采用先進的自動化設備的自動化倉儲系統，不僅能使物品在倉庫內對物品進行信息化管理，而且還能按控制要求自動存儲或調取。最重要的一點，自動化倉儲系統還能與倉庫以外的生產環節有機地結合起來，大大提高生萬方數據第一章 緒論2產效率。倉儲系統的出入庫能力、智能管理等自動化功能，能夠有效降低操作人員的勞動強度，可以在有毒、低溫等惡劣特殊的倉儲環境中工作，有效地降低工人現場操作的危險系數。由于采用管理系統大規模地使用計算機和網絡技術，使得企業管理部門能快速、全局性地獲取生產環節所需的各類物資信息，現場操作的工程技術人員、企業的管理人員等生產環節重要職能部門人員，能通過企業內部的網絡節點，及時有效的獲取生產進度各項要素信息，發覺各個環節的弊端或漏洞，從而可以設計更加合理的生產流程，提高生產效率，提高企業的利潤空間。1.1論文的研究背景和研究意義1.1.1論文的研究背景近年來，我國模具工業發展很快，若按生產能力和生產量來看，我國早在2011年就已經是全球第一的模具大國。但是從行業綜合水平角度來看，在諸多方面我國的模具水平還落后于許多模具工業發達國家，若采用技術代差的劃分方法，大致要落后世界最先進水平5～10年。除了生產、制造技術水平上的差距因素外，在模具企業的現代化管理的水平上差距更加凸顯[5,6]。模具的倉儲管理技術方面，早已被淘汰的技術“作坊式管理模式”，仍然在國內許多企業中大行其道，這與自動化、智能化水平較高的西方發達國家相比，在相當大程度上被看作是模具工業發展的原始社會[7]。這也致使我國企業的技術水平與技術發達國家相比落后了很多，另外，在利用模具進行生產管理和組織安排方面，國內企業還存在較大弊端。無論是在生產管理還是在組織時，國內企業往往通過依靠生產現場的管理技術人員，憑個人經驗來處理現場情況。如果國內企業較大程度地采用這種原始的控制管理方式來組織生產，必然會帶來無法精確掌握生產進度的弊端。采用這樣做的生產管理方式，由于效率不高，還會對企業的經濟效益帶來嚴重影響[8,9]。而國際上許多知名的從事模具生產、管理的先進企業早已依托高科技信息技術、先進的管理方式實現了信息化、智能化生產管理：從生產計劃的擬定、工藝方式的制定再到產品的質檢、入庫、統計等，全部大規模地使用了現代計算機技術。對于公司內部各個部門、系統間通過架設網絡，實現了網絡信息共享機制。通過這些技術手段的實施，從而實現對生產動態一手信息的掌控，企業的管理人員能盡快做出反應。目前，我國模具企業車間管理主要存在以下幾方面的問題：（1）采用面向定單的生產方式，生產組織工作具有被動性萬方數據第一章 緒論3生產訂單的獲得過程具有很大程度上的偶然性，考慮到庫存量的問題，生產計劃的安排與實施往往要在訂單簽訂后才會被動地啟動，考慮到模具相關企業沒有辦法提前知道目標客戶的需求，也無法得知目標客戶所需模具的類型、種類和數量，不可能在沒有落實訂單的前提下預先安排生產，而只能被動地采用依據訂單的要求標準，組織生產任務的實施。模具生產的這種被動性特征，必然要求模具企業必須具備一種能力，一種根據訂單的需求生產企業能夠快速、高效地做出響應，極盡所能地快速做出組織生產計劃，并啟動生產流程控制。否則在現今異常激烈的市場競爭大環境下，模具生產企業的生存空間必定會被大大壓縮，直至某些企業不得不退出[10,11]。（2）生產過程有動態多變特性大部分的模具企業生產系統都具有動態事件的離散性，而對于那些通過以模具作為生產要素，從事制造的企業來說，多變性表現的更為突出。這種先天多變性現象的造成，筆者分析主要原因有兩個方面因素：一方面歸咎于企業面臨的外部因素，主要包括已經簽訂的生產訂單的技術指標需求、具體交貨期的不確定變更以及新的生產訂單的加入；另一方面的因素來自企業內部，主要是由于員工在生產中采用經驗性處理模式所造成的設計變更、工藝變更[1,12]。（3）在制品管理困難在通常情況下，用模具從事制造過程中通常需要采用多套模具并行加工的處理方式，同時在制品數量、類型繁多，并且模具工件間具有非常復雜的工藝約束，這些額外情況勢必加重了管理的難度。面對這些情形，模具生產企業采用何種方式從而實現準確追蹤到每一個工件的加工進度，并且通過這些追蹤能夠科學有效地推斷出完成時間，從而讓模具倉儲系統在面對一些隨機擾動事件時，提高其系統抗干擾能力具有重要的作用[1,12]。隨著科學技術的發展和對生產管理要求愈發精益化，企業的生產越來越朝向規模化、高度復雜化、高度精密化方向發展。特別是近些年來，許多企業的生產過程都業已發生了革命性變動，這些革命性變動的主要特征就是企業生產過程的不間斷化以及企業生產規模的大型化甚至超大型化。正是這些趨勢的持續發酵，使得早期、原始的生產管理方法，逐步淡出人們的視野。這些早期、原始的生產管理方法普遍具有低級、片面、不可度量的缺陷，在很大程度上已經與現代化企業生產的要求格格不入了。目前，亟待解決的問題是：（1）在市場上原材料供應形勢變動劇烈以及產品需求變化迅速的現實條件下，如何科學有效地調整決策和生產管理方式的轉變，已成為頭號因素擺在企業決策者的面前。（2）在面對生產計劃可能會頻繁改動的情況下，采用什么方式來對生產過萬方數據第一章 緒論4程進行科學有效管理和控制的問題也愈發突出。（3）追逐利潤是企業組織生產的原動力，采用何種方式進行科學管理和決策，才能使得企業利益最大化的問題也日益突出。在這過程中勢必要對生產、管理工藝進行改動，但如何實現在對現有生產工藝不做較大改動的前提下進行改革和變新，這個問題也變得日益顯著。現在市場競爭愈發激烈，在這種情況下，許多企業已經通過加強對生產過程的監控、生產工藝的改造實現了部分效益的提升，但越來越多的企業也逐步意識到還需要相對應地提高生產管理技術水平和改變經營管理模式，從而進一步提升企業的競爭力。越來越多的企業發覺到：要想進一步提高行業競爭力，還需盡可能地降低生產、制造過程中無謂的消耗和浪費，這些消耗和浪費即包括時間上的消耗也包括空間資源上的浪費，通過這些手段的綜合應用，從而達到高質高效的生產，最終獲得最優的經濟效益[13]。模具倉儲管理及調度和控制技術的結合，是實現企業高效率生產的關鍵。因此，通過有效的優化技術和最新研究成果的新式調度方法的綜合應用，為先進制造技術提供了不可或缺的基礎和關鍵。模具倉儲系統的管理，最終都要面向組織管理采用何種方式進行，這些組織管理模式一般包括倉儲空間和單元的重構、生產計劃的安排方式、模具調度采用的算法等主要問題。我國工業化進程的戰略思想是“以信息化促進工業化”，在這種全局戰略思想指導下，我國科技工作者開展了大量的研究，這些研究主要是針對模具倉儲作業調度方面的優化算法。廖仁等針對多項目調度問題，通過研究虛擬企業項目調度，成功提出多項目調度的數學模型，并且在此基礎上采用混合遺傳算法來求解。很好地解決了多項目調度時任務多、工序復雜的難題。宋宏等針對生產調度過程中，調度沖突時的隨機沖突的任務處理方法與解決方法。華中科大的熊禾根等建立了動態車間作業計劃模型，在此過程中，充分考慮了作業計劃中的優化目標和約束條件，為模具企業在編制優質方案的車間作業計劃奠定了基礎。該項技術突破被其研發小組命名為最優化生產技術（簡稱OPT）[12,14]。模具倉儲調度通過為企業做出資源的合理安排使用，并且能夠及時發現制造過程中存在的一些不穩定因素，以此做出合理的突發事件處理，通過這些方法和手段的實施，有效地解決了車間層面的生產管理問題。1.1.2論文的研究意義美國產業界人士在第五次國際物流會議上，旗幟鮮明地指出，當前美國先進企業的生產作業加工過程中只有5%的時間消耗于加工制造，剩余的絕大部分時萬方數據第一章 緒論5間（95%的時間）則用于貨件的搬運、儲存等物流過程[4,7]。現代化倉儲若是沒有任何智能化、自動化部分，若是缺少決策支持和優化模型，所有的調度方案的執行都要靠收發工手工完成，裝車作業都要由員工手工操作機械，模具碼放也要依靠現場工人“拍腦袋”完成。如果這樣：一方面員工勞動強度大，另一方面，執行的方案也不一定合理或者最優，甚至還可能出錯。另外，從管理操作層面看，也浪費了很多時間，影響了企業的總體利潤。模具倉儲智能化倉儲將改變手工-機械化管理模式，使得模具倉儲管理向自動化、智能化邁進。通過提高模具倉儲作業效率，從而降低成本，提高企業利潤。本論文的研究意義在于：（1）本課題著眼于模具倉儲系統所面臨的優化控制問題，利用遺傳算法來研究倉儲系統優化控制，通過研究倉儲系統的共性和實現起來的關鍵技術，達到提高模具倉儲作業效率，降低運行成本，最終達到提高企業利潤率的目的。研究成果能夠立即運用于模具倉儲系統中，解決系統優化問題。同時也適用于不同規格的大、中型自動化立體倉儲、立體車庫等自動化立體倉儲系統和物流樞紐。因此，要想提高模具倉儲系統的智能化水平，從某種程度上減少目標企業的運營成本，提高企業及產品的市場競爭力，基于這些目標的考慮，進行模具倉儲系統的優化調度方法方面的研究，就具有非常重要的實際工程意義。（2）通過開展遺傳算法的研究，以期獲得穩定、可靠、高效的快速遺傳算法。并研究遺傳算法在優化問題求解過程中如何才能具備全局收斂性，以及如何更好地模擬或描述復雜系統的生產過程和較優的進化方式，如何對搜索效率進行評價，包括遺傳策略的設計與參數控制的理論基礎。最終在更有效、更通用的操作方式和方法的研究上有所作為。（3）將遺傳算法與模具倉儲系統的優化實際相結合，有助于改善模具倉儲系統的自動化控制水平，把遺傳算法不斷地推入工程實際的應用領域，更好地服務于社會經濟的發展。（4）本課題屬于應用型基礎研究，模具倉儲系統的工程優化方面的研究成果不僅具有相當的社會價值和工程實踐價值，同時也具有直接的經濟價值。不論是從經濟效益還是社會發展的角度出發，就理論應用和技術水平而言，自動化倉儲的研究都有深遠的意義，本文正是基于這些基礎從而開展研究的。1.2研究內容倉儲系統的優化主要解決以下幾個方面的問題：如何確定倉儲庫位號的排列；如何規劃堆垛機的運行線路；如何實現優化調度。所以說，倉儲系統優化必萬方數據第一章 緒論6須全方位設計完成一個合理的優化方案，能夠實現倉儲與生產、配送系統的高效鏈接。本文將就以下幾個方面開展研究：（1）模具倉儲庫位的優化排列首先建立模具倉儲庫位配置的數學模型，針對不同的庫格、不同運行速度的堆垛機進行計算并仿真，從而得到一個優化的庫位排列。（2）堆垛機的路徑優化建立能有效模擬堆垛機運行過程的數學模型，依據堆垛機的運行特點，將堆垛機的運行路徑簡化為旅行商問題，并運用現實流行的遺傳算法對堆垛機運行路線進行優化處理。（3）模具入庫與配送的線路優化調度依據模具倉儲和各個工位的實際運輸線路的情況，采用遺傳算法對模具工件運輸路線進行調度優化。將通過研究獲得的快速遺傳算法應用于模具倉儲系統的優化中，校驗算法的可靠性、實時性和穩定性，并根據實際運行情況對算法的后續改進跟蹤，從而取得理論研究成果在實際工程應用中的現實經驗。為后續的其它類似的立體車庫、立體倉儲項目的建設進行技術方案儲備，并延伸至相關的物流、配送系統，實現本項目應用領域的進一步擴展。1.3論文的總體安排第1章主要介紹課題的研究背景、意義以及研究目的和研究內容。第2章主要介紹倉儲系統的產生背景和演變過程，包括自動化倉儲的類型，自動化倉儲系統的結構組成，目前倉儲系統的優缺點，詳細分析了倉儲系統的出入庫調度原則、優化調度和庫存策略。第3章主要介紹遺傳算法理論，包括產生和發展歷程、研究的內容、基本原理和操作流程，遺傳操作過程中的編碼方法和適應度函數的選擇以及遺傳算法的特點。第4章主要是完成對貨位和堆垛機路徑的優化，首先對貨位優化問題進行分析和建模，采用匈牙利算法和遺傳算法進行優化，并分別分析了各自的特點，最后對其進行仿真。采用遺傳算法對堆垛機路徑優化時，采用了二進制編碼和格雷碼兩種編碼方法。第5章主要包括兩部分，一部分是課題研究的主要工作：分級優化的思想、編碼方式的研究；另一部分是對今后工作的一些建議。萬方數據第二章 倉儲系統及其優化控制問題7第二章倉儲系統及其優化控制問題基于融合了現代計算機技術、工業領域廣泛應用的自動控制技術和現代物流管控等概念而逐步發展壯大起來的自動化倉儲（AS/RS-AutomatedStorageandRetrievalSystem）是當代智能化倉儲的重要組成部分。從結構功能模塊劃分上來看，自動化倉儲常常被看作是三層結構：位于最上層的倉儲管理系統(WarehouseManagementSystem，簡稱WMS)，該部分是自動化倉儲系統的中樞神經；位于中間層的倉儲控制系統(WarehouseControlSystem，簡稱WCS)，該部分通常被看作是信息中轉層；位于底層的PLC控制及設備，該部分通常被認定為執行機構。也可簡單將其稱為管理層、監控層和執行層。自動化倉儲系統的功能如圖2-1所示[15,16]。 圖2-1 自動化倉儲系統功能管理層的最主要任務是管理自動化倉儲系統，其在整個系統中被賦予的主要功能是：負責自動化倉儲系統各相關部門的信息管理和協調調度系統設備的正常運行。管理層除了起到管理自動化倉儲正常運行的作用外，并且還可以與所在單位調度管理部門的其它系統進行通訊，可以接收相應的遠程調度指令來協調運輸作業。在很大程度上，管理層被看作為自動化倉儲系統的中樞[17]。監控層是自動化倉儲系統的另一個重要組成部分，可作為自動化倉儲系統的信息中轉機構，從管理層發送過來的指令，被監控層所接受，并根據管理層指令來控制位于更下層的執行層完成管理層發送過來的指令所賦予的任務；在完成此操作的同時，監控層通過監視并查看執行層的動作運行狀態，并將通過監測而取得的狀態信息向上反饋給管理層，為管理層根據反饋信息做出下一步部署決策提供參考[18]。萬方數據