考虑空间装载约束的智能车间物料调度优化研究.pdf
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1、第 卷第 期 年 月机 电 工 程 .收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目()作者简介:刘跃强()男安徽亳州人硕士研究生主要从事智能算法和车间物料调度方面的研究:.通信联系人:张守京男博士副教授硕士生导师:.:./.考虑空间装载约束的智能车间物料调度优化研究刘跃强宋佳佳张守京(西安工程大学 机电工程学院陕西 西安)摘要:针对离散制造装配车间物料配送过程中存在的不准确、不及时等问题研究了空间装载约束下车辆数目优化偏好型的车间物料调度优化问题 首先构建了以车辆派遣数目、配送成本为双重优化目标的路径 装载数学模型然后引入了随机交换算子、随机插入算子与 算子相结合的邻域搜索策略和模拟退火()算法接
2、受劣质解准则对鲸鱼优化算法()进行了改进提出了两阶段混合算法将改进的鲸鱼优化算法与装箱检验算法进行了有机融合最后采用 对某零件加工车间的生产数据进行了实验分析对改进后的鲸鱼优化算法的性能进行了验证 研究结果表明:采用改进的鲸鱼优化算法求解的结果优于其他混合算法且算法收敛速度快不易陷入局部最优采用改进后的两阶段混合算法求得的最优总配送成本为 元使总配送成本降低工位服务满意度提高 该研究成果可为智能车间提供物料调度优化方案关键词:柔性作业车间调度空间装载约束路径优化鲸鱼优化算法模拟退火算法物料需求紧急度中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.()().:()()引 言在制造业生产加工过程中生
3、产物流的管理和优化起着重要作用 企业的多品种、小批量的生产制造模式使企业更加依赖对生产物流的管理物料配送作为生产物流管理的重要环节之一其关键在于如何合理地调度小车使工位能够在合适的时间、地点得到合适的物料 优化物料管理、提高物料配送效率不仅可以保证生产的连续性还可以减少人力、财力、物力等不必要的浪费车辆路径问题和装箱问题是研究空间装载约束下物料调度的两个关键问题 在车辆路径问题()上童傅娇等人研究了以工位为中心的优先层级问题但研究中结合实际问题的约束条件相对较少 等人研究了时间与数量优先级的 问题但其侧重于理论和模型研究缺少仿真和实验的论证 郭玉洁等人提出了改进的离散鲸鱼优化算法采用 均值聚类
4、算法进行分类并引入了邻域搜索策略但该研究仅局限于算法的改进 胡小建等人分析了物料仓储区与工位之间的关系但该研究仅提供了一种策略对求解算法的有效性缺乏验证 蒋增强等人结合混流装配生产线特点设计了动态周期的物料配送策略但未考虑到物料需求存在时间窗的变化在考 虑 空 间 装 载 约 束 的 车 辆 路 径 问 题 上 等人提出了两阶段的模拟退火()算法与空间装载算法分别构建了三维装载车辆路径问题、带容量的三维装载约束车辆路径问题()以及带容量和时间窗的三维装载约束车辆路径问题()的数学模型但该研究仅考虑了三维装载的经典路径优化问题 等人以最少车辆数目和最小行驶距离为优化目标解决了打包问题但该研究侧重
5、于通过提高装载率来降低成本忽略了工位的需求 吴倩云等人以最短配送路径、最大载重率、最小车辆数目等为优化目标求解了 问题但该研究未考虑实际生产过程中存在的紧急插单等扰动现象 等人考虑了取送货一体、时间窗和空间装载问题 并引入了先进后出策略()但该研究主要基于确定环境下的优化问题 等人设计了一种基于模拟退火和迭代局部搜索的启发式方法但该研究缺乏与车辆路径问题的有机融合 胡蓉等人研究了二维装载车辆路径问题设计了天际线填充算法优化装箱但研究对象仅为大件货物未考虑货物的三维空间为此笔者对空间装载约束下智能车间物料调度优化问题进行研究 首先确定配送路径尽可能在规定服务时间窗内按物料需求程度进行配送然后检验
6、配送路径上的物料是否能被装载选出最佳物料调度方案 问题描述与模型构建考虑空间装载约束的智能车间物料调度是指鉴于车间生产过程中存在工序优先、紧急产品插单等情况在满足时间窗、载重、物料需求紧急度、空间装载等约束条件的基础上保证运输工具(堆放空间有限)能够装载每一条配送路径的全部物料.假设条件.路径约束)物料超市约束 只有一个物料超市是小车出发点和返回点)行程约束 一次配送服务中小车行驶的总距离始终在最大行驶距离之内)路况约束 小车在配送过程中匀速行驶不考虑堵塞、排队等待情况)物料订单约束 不进行订单拆分配送)需求紧急度约束 按照物料需求紧急程度来确定工位的优先级)时间窗约束 针对违反物料配送时间窗
7、约束的行为进行成本惩罚)载重与体积约束 小车所装载物料总重量和总体积均小于小车参数的最大上限.空间装载约束)箱体类型约束 小车配送箱规格只有一种并且标准物料箱规格均已知)方向性约束 物料箱体的边界总是与配送箱体的边界平行或垂直且高度方向始终平行于水平面的垂直方向物料箱体不可倒置且只存在水平面 旋转)稳定性约束 物料箱体的接触面积必须达到才能保证其稳定性)可行性约束 物料箱堆叠后所形成的不规则体始终在小车配送箱体内.模型构建笔者以车辆派遣数目最少、总配送成本最低为目标建立物料调度优化模型最少车辆派遣数目如下:()式中:为车间物料配送的所有节点集合 为物料超市 为车间工位数量第 期刘跃强等:考虑空
8、间装载约束的智能车间物料调度优化研究 为小车的编号 为车辆 从物料超市行驶至工位 物料配送的总成本(包括小车派遣成本、行驶距离成本和时间成本)如下:()式中:为总配送成本为单辆小车派遣成本为第 个工位的时间惩罚成本为小车 是否从工位 到达工位 为小车 配送工位 所需物料时是否违反时间窗为各工位间的曼哈顿距离且 为单位距离的行驶成本从节约车间资源的角度出发笔者提出车辆数目优化偏好型路径规划模型即先优化车辆派遣数目再优化配送路径.路径约束针对所有工位进行一次配送服务表示如下:()保证到达和离开工位的小车相同表示如下:()所有小车均从物料超市出发最后再返回出发点表示如下:()物料配送的次序按照工位对
9、物料需求的紧急程度进行排序表示如下:()式中:为第 个工位对物料需求紧急度高低的优先级参数若第 工位物料需求紧急程度 高于第 工位物料需求的紧急程度 即 工位需求的最佳时间小于 工位需求的最佳时间则先将物料配送至 工位再配送至 工位针对违反时间窗的行为进行成本惩罚表示如下:()()式中:为早于或晚于工位服务时间窗到达的惩罚参数为到达第 个工位的时间点为工位服务时间窗上限和下限.装箱约束标准物料箱体边界总是平行或正交于配送箱体边界表示如下:()()()式中:()为第 辆小车上工位 的第 个物料箱的左前下角坐标()为第 辆小车上工位 的第 个物料箱的右后上角坐标为小车 上第 工位所需标准物料箱的长
10、度和宽度标准物料箱可以进行水平方向 旋转但不可倒置表示如下:()式中:为小车 上第 工位所需标准物料箱的高度堆叠后的标准物料箱尺寸不可超出箱体最大边界尺寸表示如下:()式中:为小车 配送箱体的长度为小车 配送箱体的宽度为小车 配送箱体的高度笔者提出假设:任意两物料箱在同一车厢存在重叠摆放现象即()与物料箱 放在同一配送箱中的其他箱子集合标准物料箱在空间内部是不重叠的表示如下:()()()()()()或 或()式中:()为标准物料箱的最小右后上角坐标()为标准物料箱的最大左前下角坐标重叠箱体平面投影图如图 所示图 重叠箱体平面投影图图 中:两个标准物料箱在 水平面投影阴影区域表示重叠部分如果箱体
11、不重叠则水平面投影也无阴影区域标准物料箱的重叠存在支撑面约束表示如下:机 电 工 程第 卷()()()式中:为支撑面约束的参数 两阶段混合算法设计笔者设计了一种鲸鱼算法()和 相结合的两阶段混合算法即改进鲸鱼优化算法()两阶段混合算法求解流程图如图 所示第一阶段以 为基本框架求解路径优化问题第二阶段利用装箱算法检验物料的可装载性以确保路径是可行的.改进鲸鱼优化算法设计笔者对鲸鱼算法中包围猎物、发起泡泡网攻击猎物、再捕食猎物等行为进行适当删改和再定义图 两阶段混合算法求解流程图.编码与解码将鲸鱼算法中连续性变量转换成离散化变量即对工位进行整数编码 假设某车间工位为 其中表示工位所需的物料 某一次
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