本發(fā)明涉及制造系統(tǒng)自動化和智能化技術領域，尤其涉及一種鋼卷庫區(qū)吊機設備的控制方法。

背景技術：

鋼卷庫區(qū)存在于鋼鐵生產(chǎn)過程中的多個物流環(huán)節(jié)，也廣泛存在于各種以鋼鐵為原材料的制造業(yè)(如汽車、造船等)，是連接上下游生產(chǎn)過程的重要紐帶。為了保證生產(chǎn)過程連續(xù)不間斷，鋼卷庫區(qū)不斷地存儲上游工序產(chǎn)出的產(chǎn)品以及提取下游工序生產(chǎn)所需的原材料，庫區(qū)中所有鋼卷的存取任務都需要由吊機來執(zhí)行。圖1所示為由一臺吊機服務的鋼卷庫區(qū)的一個存儲區(qū)域。吊機可以沿著它的軌道移動，它的吊具可以沿著它的橋臂移動，通過這種方式吊機的吊具就可以到達庫區(qū)的任何一個位置。卡車負責在庫區(qū)和生產(chǎn)車間之間運輸鋼卷。需要入庫存儲的鋼卷通過卡車運輸?shù)綆靺^(qū)并停在庫區(qū)旁邊的過道上，然后由吊機從卡車上提取一個鋼卷并將其存放到庫區(qū)中適當?shù)奈恢蒙?。庫區(qū)中需要提取出庫的鋼卷由吊機從它所在的位置上提起并將其裝載到停在庫區(qū)過道的卡車上。

出于安全因素的考慮，鋼卷在庫區(qū)中以三角形的結構按兩層堆放，即每個位于上層的鋼卷都需要有兩個下層的鋼卷支撐，每個位于下層的鋼卷最多可能被兩個上層的鋼卷壓住。位于上層的鋼卷可以直接被提取出來，如果需要提取一個下層的鋼卷，那么位于它上層的阻礙其被提取的鋼卷必須首先被移動到其它的空位上。這些阻礙提取的鋼卷稱為障礙鋼卷，移動障礙鋼卷到其他位置的操作稱為倒垛。因此，為了提取某些下層的鋼卷，吊機在執(zhí)行正常任務的同時還必須要執(zhí)行倒垛作業(yè)。吊機是庫區(qū)中最重要也是最昂貴的物流設備，它的作業(yè)效率對庫區(qū)的能力和生產(chǎn)的順暢有著重要的影響。吊機設備運行不當可能會增加卡車的等待時間，造成庫區(qū)內(nèi)產(chǎn)品積壓，甚至可能延誤后續(xù)的生產(chǎn)過程，故吊機的作業(yè)效率是評價庫區(qū)能力的重要指標。

目前鋼卷庫區(qū)的吊機作業(yè)仍處于人工控制階段，主要依靠操作員的經(jīng)驗進行作業(yè)，不能對吊機所執(zhí)行的任務進行有效的全局控制，缺少合理性及科學性。高效的吊機運行方法不但可以提高吊機設備的利用率，增強庫區(qū)的倉儲能力，還能夠提高對下游工序的供貨效率，保證生產(chǎn)的順利進行，對實際生產(chǎn)車間具有十分重要的意義。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明提供一種鋼卷庫區(qū)吊機設備的控制方法，從鋼卷庫區(qū)的實際作業(yè)規(guī)程出發(fā)，通過對整個物流過程的深層次分析，以實現(xiàn)吊機作業(yè)的有效控制及產(chǎn)品在空間上的合理分配，提高鋼卷庫區(qū)吊機設備的運行效率，實現(xiàn)資源的合理利用。

一種鋼卷庫區(qū)吊機設備的控制方法，包括如下步驟：

步驟1：采集庫區(qū)初始信息；

當鋼卷存取任務下達之后，從庫區(qū)中采集所有鋼卷存儲位置信息、庫區(qū)中的空位信息、入庫鋼卷和出庫鋼卷的位置信息、吊機位置信息、出庫卡車位置信息；

步驟2：根據(jù)庫區(qū)實際存儲結構，對步驟1中采集到的信息進行數(shù)據(jù)分析，利用出庫卷的位置信息識別出庫區(qū)中的障礙卷、無關卷和可利用的空位；

步驟3：生成吊機控制方案，具體包括以下步驟：

步驟3.1：根據(jù)庫區(qū)中的鋼卷位置、物流設備位置以及空位位置信息，建立吊機控制近似動態(tài)規(guī)劃方程(1)，定量化描述鋼卷庫區(qū)吊機控制問題，方程(1)將吊機控制問題分為n+1個階段，每個階段解決一個吊機控制子問題，在前n個階段中每一階段提取一個出庫鋼卷，并確定是否移動入庫鋼卷和障礙鋼卷，在最后一個階段中移動前n個階段中沒有存儲到庫區(qū)中的入庫鋼卷；

其中，n為出庫鋼卷的個數(shù)，i為階段的序號；Φ_i表示階段i開始時的庫區(qū)結構，包括吊機的初始位置、庫區(qū)中的出庫鋼卷、障礙鋼卷及無關鋼卷的位置、空位及入庫位置和出庫位置；函數(shù)f_i(Φ_i)表示由庫區(qū)結構Φ_i定義的吊機控制子問題的目標函數(shù)，即吊機執(zhí)行完當前庫區(qū)中的所有任務所需要的時間；[i]表示階段i中提取的出庫鋼卷序號，當i＝n+1時，沒有出庫鋼卷被提取；B_i表示階段i中需要移動的入庫鋼卷和障礙鋼卷的集合，E_i表示集合B_i中的鋼卷需要移動到的空位集合；([i]，B_i，E_i)為階段i中的一組決策，根據(jù)這個決策能最優(yōu)確定吊機移動集合B_i中鋼卷的順序以及鋼卷與集合E_i中空位的對應關系；函數(shù)是對階段i+1的吊機控制子問題目標函數(shù)f_i+1(Φ_i+1)的近似，通過階段i中所做的決策來估計其值；函數(shù)h([i]，B_i，E_i)表示吊機從其在階段i的初始位置開始將集合B_i中的鋼卷全部移動到集合E_i中的空位，再從最后一個空位空載移動到鋼卷[i]的位置需要的時間；t_[i]表示吊機將鋼卷[i]移至其出庫位置需要的時間；h′(B_i，E_i)表示吊機從其在階段i的初始位置開始將集合B_i中的鋼卷全部移動到集合E_i中的空位需要的時間；吊機執(zhí)行完階段i的所有任務后獲得的庫區(qū)結構作為階段i+1的初始信息，即得到階段i+1開始時的庫區(qū)結構Φ_i+1；

步驟3.2：產(chǎn)生近似動態(tài)規(guī)劃方程(1)中的近似函數(shù)如式(2)所示；

其中，Ψ_i為階段i開始時庫區(qū)中的入庫鋼卷、出庫鋼卷和障礙鋼卷位置集合，k₁表示集合Ψ_i中的位置元素，的取值為1或0，分別表示是否在階段i移動位置k₁的鋼卷，與式(1)中的[i]和B_i相對應；表示估計的未來階段中吊機處理位置k₁的鋼卷的移動時間，即吊機空載移動到位置k₁，提起鋼卷后再移動到一個空位或出庫位置需要的時間；

參數(shù)通過迭代更新來獲得一個期望的近似函數(shù)，在第一次迭代中設定該參數(shù)的初始值，在后續(xù)的迭代中根據(jù)前一次迭代獲得的吊機控制方案按照式(3)對該參數(shù)進行調(diào)整，即采用當前迭代iter中使用的參數(shù)和從該次迭代獲得的吊機控制方案信息中估計的新參數(shù)的凸組合表示；

其中，iter表示迭代次數(shù)；表示第iter+1次迭代的參數(shù)；表示第iter次迭代獲得的吊機控制方案中吊機空載移動到位置k₁，提起鋼卷后再移動到一個空位或出庫位置需要的時間；λ^iter∈[0，1]，表示步長，用于調(diào)節(jié)參數(shù)和在更新策略中的權重；

步驟3.3：依次建立并求解n+1個吊機控制子問題數(shù)學模型，獲得吊機控制方案；

步驟3.4：判斷獲得的吊機控制方案是否達到預設效果；如果是，則得到最終的吊機控制方案，執(zhí)行步驟4；如果否，記錄獲得的吊機控制方案，統(tǒng)計當前吊機控制方案中吊機處理每個任務的移動時間，返回執(zhí)行步驟3.2，重新產(chǎn)生近似函數(shù)；

步驟4：根據(jù)獲得的吊機控制方案，模擬庫區(qū)的實際物流作業(yè)環(huán)境，仿真吊機控制結果；

步驟5：執(zhí)行控制方案；

庫區(qū)操作人員如果對吊機控制方案的仿真結果滿意，則將吊機控制方案傳輸?shù)降鯔C控制終端，通過鋼卷庫區(qū)吊機控制終端執(zhí)行所得到的控制方案；如果對吊機控制方案的仿真結果不滿意，則庫區(qū)操作人員根據(jù)經(jīng)驗對該吊機控制方案進行微調(diào)，得到新的吊機控制方案，返回步驟4。

進一步地，所述步驟3.3中獲得吊機控制方案的具體方法如下：

步驟3.3.1：基于圖論建立由節(jié)點集N₁∪N₂和邊集A₁∪A₂構成的二部網(wǎng)絡圖，刻畫吊機控制子問題；

其中，N₁＝Ψ_Ii∪Ψ_Bi∪Ψ_Ei∪{O_[i-1]}，N₂＝Ψ_Ii∪Ψ_Bi∪Ψ_Ei∪Ψ_Oi，集合Ψ_Ii、Ψ_Bi、Ψ_Ei、Ψ_Oi分別表示階段i開始時庫區(qū)中入庫鋼卷位置、障礙鋼卷位置、空位、出庫鋼卷位置的集合，O_[i-1]表示階段i-1中被提取出庫的鋼卷[i-1]的出庫位置，即階段i中吊機的初始位置；邊集A₁和A₂定義為由節(jié)點集N₁指向節(jié)點集N₂的有向弧的集合；邊集A₁包括所有由(x₁，x₂)組成的有向弧，x₁和x₂分別為節(jié)點集N₁和N₂中的元素，x₁∈Ψ_Ii∪Ψ_Bi，x₂∈Ψ_Ei；邊集A₂包括所有由(y₁，y₂)組成的有向弧，y₁和y₂分別為節(jié)點集N₁和N₂中的元素，y₁∈Ψ_Ei∪{O_[i-1]}，y₂∈Ψ_Ii∪Ψ_Bi∪Ψ_Oi；邊的費用定義為吊機在兩個位置之間移動所需的時間；

步驟3.3.2：根據(jù)庫區(qū)管理實際約束將步驟3.3.1中建立的二部網(wǎng)絡圖轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型，定量化描述每階段吊機控制子問題，具體方法如下：

步驟3.3.2.1：選擇決策變量包括和

其中，下標k表示位置合集Ψ_Ii∪Ψ_Bi∪Ψ_Oi∪Ψ_Ei中的元素，下標k₀表示出庫鋼卷位置集合Ψ_Oi中的元素，下標k₁表示入庫鋼卷、出庫鋼卷和障礙鋼卷位置合集Ψ_i中的元素，Ψ_i＝Ψ_Ii∪Ψ_Oi∪Ψ_Bi，當i＝n+1時，集合Ψ_Oi和Ψ_Bi為空集，下標k₁表示入庫鋼卷集合Ψ_Ii中的元素，下標k₂表示空位集合Ψ_Ei中的元素；

決策變量表示位置k是否參與階段i的移動，當位置k參與階段i的移動時，取值為1；否則，取值為0；

決策變量表示階段i中吊機是否從位置k₂到位置k₁執(zhí)行空載移動，當?shù)鯔C從位置k₂到位置k₁執(zhí)行空載移動時，取值為1；否則，取值為0；

決策變量表示階段i中吊機是否從位置k₁到位置k₂執(zhí)行負載移動，當?shù)鯔C從位置k₁到位置k₂執(zhí)行負載移動時，取值為1；否則，取值為0；

決策變量表示階段i中選擇移動位置k₀的出庫鋼卷時產(chǎn)生的目標函數(shù)值；

步驟3.3.2.2：確定優(yōu)化目標函數(shù)f_i如式(4)所示，當i＜n+1時，優(yōu)化目標定量化描述為最小化吊機當前階段的移動時間和估計的未來階段的移動時間之和；當i＝n+1時，優(yōu)化目標定量化描述為最小化吊機當前階段的移動時間；

其中，表示吊機從位置k₂到位置k₁執(zhí)行空載移動所需要的時間，表示吊機從位置k₁到位置k₂執(zhí)行負載移動所需要的時間，表示吊機從i-1階段的出庫位置O_[i-1]到位置k₁執(zhí)行空載移動所需要的時間；決策變量的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從i-1階段的出庫位置O_[i-1]到位置k₁執(zhí)行空載移動；

步驟3.3.2.3：定量化描述吊機控制子問題約束條件；

(1)當i＜n+1時，每個階段只能有一個出庫鋼卷被移動，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式如式(5)所示；

其中，的取值為1或0，分別表示是否在階段i移動位置k₀的鋼卷；

(2)當i＜n+1時，若某個出庫鋼卷被移動，則它的障礙鋼卷必須被移動，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式如式(6)所示；

其中，下標k₃表示阻礙位置k₀的出庫鋼卷的障礙鋼卷位置集合中的元素，k₀∈Ψ_Oi，的取值為1或0，分別表示是否在階段i移動位置k₃的鋼卷；

(3)位于上層的空位只有在其下層的空位被選擇時才能選擇，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式如式(7)所示；

其中，下標k₄表示空位k₂下方的空位集合中的元素，的取值為1或0，分別表示空位k₄是否參與階段i的移動；的取值為1或0，分別表示空位k₂是否參與階段i的移動，k₂∈Ψ_Ei；

(4)庫區(qū)中的每個位置上吊機的到達和離開要平衡，當一個位置有吊機到達和離開時，表明該位置參與了移動；

當i＜n+1時，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式如式(8)和式(9)所示；

其中，下標k₅表示入庫鋼卷和障礙鋼卷位置合集Ψ_Ii∪Ψ_Bi中的元素，的取值為1或0，分別表示是否在階段i移動位置k₅的鋼卷；的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從位置k₅到位置k₂執(zhí)行負載移動；的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從位置k₂到位置k₅執(zhí)行空載移動；的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從位置O_[i-1]到位置k₅執(zhí)行空載移動；

當i＝n+1時，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式如式(10)和式(11)所示；

其中，下標T為虛擬的吊機終點位置，的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從位置k₂到虛擬的吊機終點位置執(zhí)行空載移動，即位置k₂是否為吊機實際移動的終點；

(5)吊機從上一階段的出庫位置開始移動，首先到達一個鋼卷的位置，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式如式(12)所示；

(6)當i＜n+1時，吊機要移動到一個出庫鋼卷的位置，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式如式(13)所示；

其中，的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從位置O_[i-1]到位置k₀執(zhí)行空載移動；

當i＝n+1時，吊機要移動到一個虛擬的終點，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式如式(14)所示；

其中，的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從位置k₂到終點位置T執(zhí)行空載移動；的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從位置O_[i-1]到位置T執(zhí)行空載移動；

(7)吊機不可在兩個位置之間循環(huán)移動，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式如式(15)所示；

其中，當i＜n+1時，k₅∈Ψ_Ii∪Ψ_Bi，當i＝n+1時，Ψ_Bi為空集，k₅∈Ψ_Ii；k₂∈Ψ_Ei；

(8)當i＜n+1時，當前階段吊機移動的時間等于存放入庫鋼卷和障礙鋼卷所需的時間加上將出庫鋼卷移至出庫位置的時間，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式如式(16)所示；

其中，表示吊機從位置k₅到位置k₂執(zhí)行負載移動所需要的時間，表示吊機從位置k₂到位置k₅執(zhí)行空載移動所需要的時間，表示吊機從位置O_[i-1]到位置k₅執(zhí)行空載移動所需要的時間；表示吊機從位置k₂到位置k₀執(zhí)行空載移動所需要的時間，的取值為1或0，分別表示吊機是否從位置k₂到位置k₀執(zhí)行空載移動，表示吊機從位置O_[i-1]到位置k₀執(zhí)行空載移動所需要的時間，的取值為1或0，分別表示吊機是否從位置O_[i-1]到位置k₀執(zhí)行空載移動，表示將k₀位置的出庫鋼卷移至其出庫位置的時間，M為一個很大的常數(shù)，k₀∈Ψ_Oi；

步驟3.3.3：通過整數(shù)規(guī)劃求解軟件對步驟3.3.2中建立的數(shù)學模型進行求解，得到?jīng)Q策變量值和目標函數(shù)值；

步驟3.3.4：根據(jù)吊機控制子問題數(shù)學模型的解，判斷通過決策變量值是否能夠產(chǎn)生一條從鋼卷[i-1]的出庫位置O_[i-1]，途中經(jīng)過某些入庫卷/障礙卷位置和空位，最終到達一個出庫鋼卷位置或虛擬終點的單一可行吊機移動路徑，若是，則根據(jù)庫區(qū)結構的變化更新下一階段的模型參數(shù)，令i＝i+1，繼續(xù)求解下一階段的吊機控制子問題模型，直到i＝n+1；若否(即產(chǎn)生的吊機移動路徑中包含不連通的子環(huán)或產(chǎn)生的路徑導致鋼卷懸空)，則分別加入子環(huán)消除約束和可行路徑約束，返回步驟3.3.3，重新求解模型；

步驟3.3.5：所有階段的吊機控制子問題全部求解完畢后，將每一階段的吊機控制路徑連接起來，獲得完整的吊機控制方案。

進一步地，所述步驟3.3.4中的子環(huán)消除約束和可行路徑約束如下：

(1)子環(huán)消除約束；

子環(huán)中包含的位置集合，即從產(chǎn)生的解中得到的導致吊機路徑不連通的一部分位置的集合為N，k₆和k₇分別為集合N中的鋼卷位置元素和空位元素，針對集合N的子環(huán)消除約束如式(17)所述；

其中，|N|表示集合N中的元素個數(shù)，的取值為1或0，分別表示吊機是否從位置k₆到位置k₇執(zhí)行負載移動，的取值為1或0，分別表示吊機是否從位置k₇到位置k₆執(zhí)行空載移動；

(2)可行路徑約束；

導致鋼卷懸空的不可行路徑中包含的表示吊機執(zhí)行負載移動和空載移動的變量集合為E，e表示變量集合E中的元素，針對集合E的可行路徑約束如式(18)所述。

由上述技術方案可知，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供的一種鋼卷庫區(qū)吊機設備的控制方法，從鋼卷庫區(qū)的實際作業(yè)規(guī)程出發(fā)，在線對物流中鋼卷庫區(qū)的供求數(shù)據(jù)進行采集和處理，通過對整個物流過程的深層次分析，以實現(xiàn)吊機作業(yè)的有效控制及產(chǎn)品在空間上的合理分配，能夠充分滿足實際生產(chǎn)和物流的需要，為后續(xù)吊機控制方案的確定提供了良好的數(shù)據(jù)支持；能夠動態(tài)仿真整個庫區(qū)的具體物流情況，方便從不同視角對整個物流過程進行監(jiān)控；采用步驟3所述的方法對鋼卷庫區(qū)吊機控制問題進行優(yōu)化，能明顯縮短吊機執(zhí)行庫區(qū)中存取任務所需的時間，提高鋼卷庫區(qū)中物流作業(yè)的效率，提高吊機設備的利用率，從而節(jié)約能耗；物流環(huán)節(jié)的效率的提高能夠保證生產(chǎn)過程順暢，從而縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高企業(yè)準時交貨的能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的一個鋼卷庫區(qū)區(qū)域示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的吊機設備控制系統(tǒng)；

圖3為本發(fā)明實施例提供的鋼卷庫區(qū)吊機設備的控制方法流程圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的二部網(wǎng)絡圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的鋼卷庫區(qū)位置坐標定義示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例提供的二部網(wǎng)絡圖的解和可行吊機路徑示意圖；

圖7為本發(fā)明實施例提供的二部網(wǎng)絡圖的解和包含子環(huán)的吊機路徑示意圖；

圖8為本發(fā)明實施例提供的二部網(wǎng)絡圖的解和導致鋼卷懸空的吊機路徑示意圖。

圖中：1、吊具；2、軌道；3、橋臂；4、入庫位置；5、出庫位置。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

本實施例中鋼卷庫區(qū)吊機設備的控制需要如下硬件：至少一臺PC機，至少一個電纜接口或光纜接口，至少一臺路由器，由這些設備組成一個小型局域網(wǎng)后通過企業(yè)內(nèi)部服務器連接到企業(yè)ERP系統(tǒng)。在PC機中安裝Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及整數(shù)規(guī)劃求解軟件CPLEX(IBM ILOG CPLEX Optimization Studio)，設置硬件系統(tǒng)的服務器地址及端口、數(shù)據(jù)庫的名稱、用戶名及密碼。操作員通過下載庫區(qū)實時存儲信息以及上下游工序的鋼卷供求信息，生成一個優(yōu)化的吊機控制方案，滿足實際要求后，現(xiàn)場作業(yè)人員根據(jù)該方案具體實施吊機作業(yè)，并將作業(yè)后的結果上傳到企業(yè)ERP系統(tǒng)。

本實施例的鋼卷庫區(qū)吊機設備控制方法通過一種鋼卷庫區(qū)吊機設備控制系統(tǒng)實現(xiàn)，如圖2所示，該系統(tǒng)包括如下模塊：

數(shù)據(jù)采集器：用于采集庫區(qū)中所需要的信息；

數(shù)據(jù)處理器：用于對采集到的信息進行分析和整理；

控制方案生成器：用于生成吊機的控制方案，包括模型構建模塊、目標估計模塊、優(yōu)化控制模塊、方案評價模塊；

模型構建模塊：用于建立吊機控制近似動態(tài)規(guī)劃方程；

目標估計模塊：用于產(chǎn)生近似動態(tài)規(guī)劃方程中的近似函數(shù)；

優(yōu)化控制模塊：用于獲得吊機控制方案；

方案評價模塊：用于判斷獲得的吊機控制方案是否滿意；

物流過程仿真器：用于根據(jù)吊機控制方案模擬庫區(qū)的實際物流作業(yè)環(huán)境；

控制方案調(diào)整器：用于人工調(diào)整吊機控制方案；

控制方案傳輸器：用于將吊機控制方案傳輸?shù)戒摼韼靺^(qū)吊機控制終端。

由于鋼卷庫區(qū)中的每個存儲區(qū)域由一臺吊機負責執(zhí)行任務，因此可以將整個庫區(qū)的吊機控制問題分解為每個存儲區(qū)域的獨立問題。本發(fā)明主要解決的吊機控制問題可以描述為：針對鋼卷庫區(qū)中的一個存儲區(qū)域，給定一組入庫鋼卷和出庫鋼卷，以及它們各自的入庫位置和出庫位置，由一臺吊機執(zhí)行給定鋼卷的入庫任務和出庫任務。對于入庫鋼卷，需要確定其存放到庫區(qū)中的空間位置；對于出庫鋼卷，如果存在障礙鋼卷阻礙其出庫，需要確定障礙鋼卷倒垛的空間位置；同時需要確定吊機存儲入庫鋼卷、提取出庫鋼卷、倒垛障礙鋼卷的順序，使得吊機在盡可能短的時間內(nèi)完所有的任務，從而實現(xiàn)吊機設備的高效利用，達到節(jié)能降耗、加快生產(chǎn)節(jié)奏的目。

如圖3所示，本實施例的鋼卷庫區(qū)吊機設備的控制方法具體如下所述。

步驟1：采集庫區(qū)初始信息。

當鋼卷存取任務下達之后，通過數(shù)據(jù)采集器從庫區(qū)中采集所有鋼卷存儲位置信息、庫區(qū)中的空位信息、入庫鋼卷和出庫鋼卷的位置信息、吊機位置信息、出庫卡車位置信息，并傳給數(shù)據(jù)處理器。

步驟2：數(shù)據(jù)分析。

根據(jù)庫區(qū)實際存儲結構，通過數(shù)據(jù)處理器對步驟1中采集到的信息進行數(shù)據(jù)分析，利用出庫卷的位置信息識別出庫區(qū)中的障礙卷、無關卷和可利用的空位。

步驟3：生成吊機控制方案。

通過控制方案生成器生成吊機的控制方案，控制方案生成器的工作過程如下：

步驟3.1：模型構建模塊根據(jù)庫區(qū)中的鋼卷位置、物流設備位置以及空位位置信息，建立吊機控制近似動態(tài)規(guī)劃方程(1)，定量化描述鋼卷庫區(qū)吊機控制問題；

其中，n為出庫鋼卷的個數(shù)，方程(1)將吊機控制問題分為n+1個階段，每個階段解決一個吊機控制子問題，在前n個階段中每一階段提取一個出庫鋼卷，并確定是否移動入庫鋼卷和障礙鋼卷，在最后一個階段中移動前n個階段中沒有存儲到庫區(qū)中的入庫鋼卷，i為階段的序號；Φ_i表示階段i開始時的庫區(qū)結構，包括吊機的初始位置、庫區(qū)中的出庫鋼卷、障礙鋼卷和無關鋼卷的位置、空位以及入庫位置和出庫位置(即卡車位置)等信息；函數(shù)f_i(Φ_i)表示由庫區(qū)結構Φ_i定義的吊機控制子問題的目標函數(shù)，即吊機執(zhí)行完當前庫區(qū)中的所有任務所需要的時間；[i]表示階段i中提取的出庫鋼卷序號，當i＝n+1時，沒有出庫鋼卷被提??；B_i表示階段i中需要移動的入庫鋼卷和障礙鋼卷的集合，E_i表示集合B_i中的鋼卷需要移動到的空位集合；([i]，B_i，E_i)為階段i中的一組決策，根據(jù)這個決策能最優(yōu)確定吊機移動集合B_i中鋼卷的順序以及鋼卷與集合E_[i]中空位的對應關系；函數(shù)是對階段i+1的吊機控制子問題目標函數(shù)f_i+1(Φ_i+1)的近似，它的值通過階段i中所做的決策來估計；函數(shù)h([i]，B_i，E_i)表示吊機從它在階段i的初始位置開始將集合B_i中的鋼卷全部移動到集合E_i中的空位，再從最后一個空位空載移動到鋼卷[i]的位置需要的時間；t_[i]表示吊機將鋼卷[i]移至其出庫位置需要的時間；h′(B_i，E_i)表示吊機從它在階段i的初始位置開始將集合B_i中的鋼卷全部移動到集合E_i中的空位需要的時間；吊機執(zhí)行完階段i的所有任務后獲得的庫區(qū)結構作為階段i+1的初始信息，即得到階段i+1開始時的庫區(qū)結構Φ_i+1。

步驟3.2：目標估計模塊產(chǎn)生近似動態(tài)規(guī)劃方程(1)中的近似函數(shù)其數(shù)學表達式如式(2)所示。

其中，Ψ_i為階段i開始時庫區(qū)中的入庫鋼卷、出庫鋼卷和障礙鋼卷位置集合，k₁表示集合Ψ_i中的位置元素，的取值表示是否在階段i移動位置k₁的鋼卷，與式(1)中的[i]和B_i相對應，當取值為1時，表示在階段i移動位置k₁的鋼卷，當取值為0時，表示在階段i不移動位置k₁的鋼卷；表示估計的未來階段中吊機處理位置k₁的鋼卷的移動時間，即吊機空載移動到位置k₁，提起鋼卷后再移動到一個空位或出庫位置需要的時間。

參數(shù)通過迭代更新來獲得一個期望的近似函數(shù)。在本實施方式中，該參數(shù)的初始值設定為吊機處理一個鋼卷的最短可能時間，即吊機從一個最近的位置空載移動到該鋼卷的位置，再提起該鋼卷將其移動到一個最近的可利用空位(針對入庫鋼卷和障礙鋼卷)或目標位置(針對出庫鋼卷)需要的時間。在后續(xù)的迭代中根據(jù)前一次迭代獲得的吊機控制方案按照(3)式對參數(shù)進行調(diào)整。

其中，iter表示迭代次數(shù)。為了得到第iter+1次迭代使用的參數(shù)式(3)的更新策略中采用當前迭代iter中使用的參數(shù)和從該次迭代獲得的吊機控制方案信息中估計的新參數(shù)的凸組合。估計的新參數(shù)為第iter次迭代獲得的吊機控制方案中吊機空載移動到位置k₁，提起鋼卷后再移動到一個空位或出庫位置需要的時間。步長λ^iter∈[0，1]，是一個依賴于迭代的參數(shù)，用于調(diào)節(jié)參數(shù)和在更新策略中的權重，在本實施例中采用λ^iter＝1/(1+iter)的策略來獲得步長λ^iter。

步驟3.3：優(yōu)化控制模塊依次建立并求解n+1個吊機控制子問題數(shù)學模型，獲得吊機控制方案，具體方法為：

步驟3.3.1：基于圖論建立二部網(wǎng)絡圖，刻畫吊機控制子問題。

所述的二部網(wǎng)絡圖由節(jié)點集N₁∪N₂和邊集A₁∪A₂構成。其中，N₁＝Ψ_Ii∪Ψ_Bi∪Ψ_Ei∪{O_[i-1]}，N₂＝Ψ_Ii∪Ψ_Bi∪Ψ_Ei∪Ψ_Oi，集合Ψ_Ii、Ψ_Bi、Ψ_Ei、Ψ_Oi分別表示階段i開始時庫區(qū)中入庫鋼卷位置、障礙鋼卷位置、空位、出庫鋼卷位置的集合，O_[i-1]表示階段i-1中被提取出庫的鋼卷[i-1]的出庫位置，即階段i中吊機的初始位置；邊集A₁和A₂定義為由節(jié)點集N₁指向節(jié)點集N₂的有向弧的集合，邊集A₁包含所有由(x₁，x₂)組成的有向弧，其中x₁和x₂分別為節(jié)點集N₁和N₂中的元素，x₁∈Ψ_Ii∪Ψ_Bi，x₂∈Ψ_Ei。邊集A₂包含所有由(y₁，y₂)組成的有向弧，其中y₁和y₂分別為節(jié)點集N₁和N₂中的元素，y₁∈Ψ_Ei∪{O_[i-1]}，y₂∈Ψ_Ii∪Ψ_Bi∪Ψ_Oi。邊的費用定義為吊機在兩個位置之間移動所需的時間。當Ψ_Ii∪Ψ_Bi中包含3個鋼卷位置{b_i1，b_i2，b_i3}、Ψ_Ei中包含5個空位{e_i1，e_i2，e_i3，e_i4，e_i5}時的二部網(wǎng)絡圖如圖4所示。

步驟3.3.2：根據(jù)庫區(qū)管理實際約束將步驟3.3.1中建立的二部網(wǎng)絡圖轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型，定量化描述每階段吊機控制子問題，具體方法如下。

步驟3.3.2.1：選擇決策變量包括和

其中，下標k表示位置合集Ψ_Ii∪Ψ_Bi∪Ψ_Oi∪Ψ_Ei中的元素，下標k₀表示出庫鋼卷位置集合Ψ_Oi中的元素，下標k₁表示入庫鋼卷、出庫鋼卷和障礙鋼卷位置合集Ψ_i中的元素，，Ψ_i＝Ψ_Ii∪Ψ_Oi∪Ψ_Bi，當i＝n+1時，集合Ψ_Oi和Ψ_Bi為空集，下標k₁表示入庫鋼卷集合Ψ_Ii中的元素。下標k₂表示空位集合Ψ_Ei中的元素。

決策變量表示位置k是否參與階段i的移動，當位置k參與階段i的移動時，取值為1；否則，為0。

決策變量表示階段i中吊機是否從位置k₂到位置k₁執(zhí)行空載移動，當?shù)鯔C從位置k₂到位置k₁執(zhí)行空載移動時，取值為1；否則，為0。

決策變量表示階段i中吊機是否從位置k₁到位置k₂執(zhí)行負載移動，當?shù)鯔C從位置k₁到位置k₂執(zhí)行負載移動時，取值為1；否則，為0。

決策變量表示階段i中選擇移動位置k₀的出庫鋼卷時產(chǎn)生的目標函數(shù)值。

步驟3.3.2.2：確定優(yōu)化目標函數(shù)f_i如式(4)所示。

當i＜n+1時，優(yōu)化目標定量化描述為最小化吊機當前階段的移動時間和估計的未來階段的移動時間之和；當i＝n+1時，優(yōu)化目標定量化描述為最小化吊機當前階段的移動時間。

其中，表示吊機從位置k₂到位置k₁執(zhí)行空載移動所需要的時間，表示吊機從位置k₁到位置k₂執(zhí)行負載移動所需要的時間，表示吊機從i-1階段的出庫位置O_[i-1]到位置k₁執(zhí)行空載移動所需要的時間；決策變量的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從i-1階段的出庫位置O_[i-1]到位置k₁執(zhí)行空載移動。本實施例中，吊機在兩個位置之間執(zhí)行空載移動和負載移動所需時間的計算方法如下：

將鋼卷在庫區(qū)中的存儲位置用行、層、位三維坐標表示，如圖5所示的鋼卷存儲區(qū)域中包含3行，從上到下依次為第一行、第二行和第三行，在每行中，鋼卷以兩層的三角形結構堆放，第1層包含8個位置，第2層包含7個位置。圖中位于吊機的吊具1正下方的鋼卷屬于第3行第2層第3個位置，用行-層-位坐標(3，2，3)來表示。將入庫位置4和出庫位置5分別定義為第0行和第4行的第1層，具體位置視庫區(qū)中卡車實際?？课恢枚ā７謩e定義d¹和d²為相鄰兩行和上下層相鄰兩個位置之間的距離，則庫區(qū)中任意兩個位置k₁和k₂之間在軌道2和橋臂3兩個方向上的距離可以分別計算為其中和分別為位置k₁和k₂的行坐標，和分別為位置k₁和k₂的層坐標，和分別為位置k₁和k₂的位坐標。由于吊機可以在軌道2和橋臂3兩個方向上同時移動，因此吊機在k₁和k₂兩個位置間的空載移動時間可以計算為負載移動的時間可以計算為其中λ₁和λ₂分別為沿著軌道2和橋臂3方向上空載移動的速度，υ₁和υ₂分別為吊機在沿著軌道2和橋臂3兩個方向上負載移動的速度，μ為吊機提起(或放下)鋼卷所需要的時間。

步驟3.3.2.3：定量化描述吊機控制子問題約束條件。

(1)當i＜n+1時，每個階段只能有一個出庫鋼卷被移動，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式為：

其中，的取值為1或0，分別表示是否在階段i移動位置k₀的鋼卷。

(2)當i＜n+1時，如果某個出庫鋼卷被移動，那么它的障礙鋼卷卷必須被移動，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式為：

其中，下標k₃表示阻礙位置k₀的出庫鋼卷的障礙鋼卷位置集合中的元素，k₀∈Ψ_Oi，的取值為1或0，分別表示是否在階段i移動位置k₃的鋼卷，k₀∈Ψ_Oi。

(3)位于上層的空位只有在其下層的空位被選擇時才能選擇，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式為：

其中，下標k₄表示空位k₂下方的空位集合中的元素，的取值為1或0，分別表示空位k₄是否參與階段i的移動，的取值為1或0，分別表示空位k₂是否參與階段i的移動，k₂∈Ψ_Ei。

(4)庫區(qū)中的每個位置上吊機的到達和離開要平衡，當一個位置有吊機到達和離開時，表明該位置參與了移動。

當i＜n+1時，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式為：

其中，下標k₅表示入庫鋼卷和障礙鋼卷位置合集Ψ_Ii∪Ψ_Bi中的元素，的取值為1或0，分別表示是否在階段i移動位置k₅的鋼卷；的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從位置k₅到位置k₂執(zhí)行負載移動，的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從位置k₂到位置k₅執(zhí)行空載移動，的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從位置O_[i-1]到位置k₅執(zhí)行空載移動；

當i＝n+1時，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式如式(10)和式(11)所示；

其中，下標T為虛擬的吊機終點位置，的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從位置k₂到虛擬的吊機終點位置執(zhí)行空載移動，即位置k₂是否為吊機實際移動的終點。

(5)吊機從上一階段的出庫位置開始移動，首先到達一個鋼卷的位置，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式為式(12)。

(6)當i＜n+1時，吊機要移動到一個出庫鋼卷的位置，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式為：

其中，的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從位置O_[i-1]到位置k₀執(zhí)行空載移動；

當i＝n+1時，吊機要移動到一個虛擬的終點，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式為：

其中，的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從位置k₂到終點位置T執(zhí)行空載移動，的取值為1或0，分別表示階段i中吊機是否從位置O_[i-1]到位置T執(zhí)行空載移動。

(7)吊機不可在兩個位置之間循環(huán)移動，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式為：

其中，當i＜n+1時，k₅∈Ψ_Ii∪Ψ_Bi，當i＝n+1時，Ψ_Bi為空集，k₅∈Ψ_Ii；k₂∈Ψ_Ei。

(8)當i＜n+1時，當前階段吊機移動的時間等于存放入庫鋼卷和障礙鋼卷所需的時間加上將出庫鋼卷移至出庫位置的時間，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式為：

其中，表示吊機從位置k₅到位置k₂執(zhí)行負載移動所需要的時間，表示吊機從位置k₂到位置k₅執(zhí)行空載移動所需要的時間，表示吊機從位置O_[i-1]到位置k₅執(zhí)行空載移動所需要的時間；表示吊機從位置k₂到位置k₀執(zhí)行空載移動所需要的時間，的取值為1或0，分別表示吊機是否從位置k₂到位置k₀執(zhí)行空載移動，表示吊機從位置O_[i-1]到位置k₀執(zhí)行空載移動所需要的時間，的取值為1或0，分別表示吊機是否從位置O_[i-1]到位置k₀執(zhí)行空載移動，表示將k₀位置的出庫鋼卷移至其出庫位置的時間，M為一個很大的常數(shù)，k₀∈Ψ_Oi。

步驟3.3.3：通過整數(shù)規(guī)劃求解軟件CPLEX對步驟3.3.2中建立的數(shù)學模型進行求解，得到?jīng)Q策變量值和目標函數(shù)值。

步驟3.3.4：根據(jù)吊機控制子問題數(shù)學模型的解，判斷通過決策變量值是否能夠產(chǎn)生一條從鋼卷[i-1]的出庫位置O_[i-1]，途中經(jīng)過某些入庫卷/障礙卷位置和空位，最終到達一個出庫鋼卷位置或虛擬終點的單一可行吊機移動路徑，若是，則根據(jù)庫區(qū)結構的變化更新下一階段的模型參數(shù)，令i＝i+1，繼續(xù)求解下一階段的子問題模型，直到i＝n+1。如圖6所示是由圖4描述的二部網(wǎng)絡圖建立的吊機控制子問題模型產(chǎn)生的一條可行吊機路徑。如果吊機控制子問題模型的解和不能產(chǎn)生一條單一的吊機路徑(路徑中包含不連通的子環(huán)，如圖7所示)或產(chǎn)生的路徑不可行(導致鋼卷懸空，如圖8所示)，分別加入子環(huán)消除約束和可行路徑約束，返回步驟3.3.3，重新求解模型，直到獲得可行的吊機移動路徑，再根據(jù)庫區(qū)結構的變化更新下一階段的模型參數(shù)，令i＝i+1，繼續(xù)求解下一階段的子問題模型，直到i＝n+1。其中，圖8中的e_i1、e_i2和e_i3的存儲結構為e_i2位于e_i1和e_i3的之上，形成三角結構。

子環(huán)消除約束和可行路徑約束如下：

(1)子環(huán)消除約束；

定義N為子環(huán)中包含的位置集合，即從產(chǎn)生的解中得到的導致吊機路徑不連通的一部分位置的集合，k₆和k₇分別為集合N中的鋼卷位置元素和空位元素。針對集合N的子環(huán)消除約束為

其中，|N|表示集合N中的元素個數(shù)，的取值為1或0，分別表示吊機是否從位置k₆到位置k₇執(zhí)行負載移動，的取值為1或0，分別表示吊機是否從位置k₇到位置k₆執(zhí)行空載移動。

(2)可行路徑約束；

定義E為導致鋼卷懸空的不可行路徑中包含的表示吊機執(zhí)行負載移動和空載移動的變量集合，e表示變量集合E中的元素，針對集合E的可行路徑約束如式(18)所述。

步驟3.3.4：對于i＝1，2，...，n+1，所有階段的吊機控制子問題全部求解完畢后，將每一階段的吊機控制路徑連接起來獲得完整的吊機控制方案。

步驟3.4：方案評價模塊判斷獲得的吊機控制方案是否達到預設效果。如果是，則得到最終的吊機控制方案，執(zhí)行步驟4；如果否，記錄獲得的吊機控制方案，統(tǒng)計當前吊機控制方案中吊機處理每個任務的移動時間，返回執(zhí)行步驟3.2，重新產(chǎn)生近似函數(shù)。

本實施例中，計算優(yōu)化控制模塊獲得的吊機控制方案對應的目標函數(shù)值，如果與歷史記錄的最好吊機控制方案目標函數(shù)值相差不超過1％，則認為得到滿意的吊機控制方案。

步驟4：仿真吊機控制結果。

物流過程仿真器根據(jù)獲得的吊機控制方案，模擬庫區(qū)的實際物流作業(yè)環(huán)境。

步驟5：執(zhí)行控制方案。

庫區(qū)操作人員如果對吊機控制方案的仿真結果滿意，則控制方案傳輸器將吊機控制方案傳輸?shù)降鯔C控制終端，通過鋼卷庫區(qū)吊機控制終端執(zhí)行所得到的控制方案；如果對吊機控制方案的仿真結果不滿意，則庫區(qū)操作人員根據(jù)經(jīng)驗通過控制方案調(diào)整器對控制方案進行微調(diào)，得到新的吊機控制方案，返回步驟4。

通過該實施例，可以采集吊機控制所需要的數(shù)據(jù)，對得到的數(shù)據(jù)進行處理后通過調(diào)用優(yōu)化算法進行計算，并顯示出算法得到的優(yōu)化結果。用戶可以根據(jù)實際需要對優(yōu)化結果進行調(diào)整，從而達到人機交互的目的。這樣就實現(xiàn)了工藝、數(shù)據(jù)、模型、算法和用戶經(jīng)驗的有效集成。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明權利要求所限定的范圍。