本發(fā)明涉及協(xié)同優(yōu)化與數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域，尤其是一種自動(dòng)分揀系統(tǒng)訂單處理方法，特別適用于貨物揀選分配方面的問(wèn)題。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)商品的需求日益呈現(xiàn)小批量、多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，造成小批量、多品種、高時(shí)效的貨物需求不斷增加；在這種趨勢(shì)下，顧客訂貨的品種與頻次不斷增加，從訂貨到要求送達(dá)的時(shí)間越來(lái)越短，使得作為連接客戶與廠商的中轉(zhuǎn)站-配送中心的作用越發(fā)重要；配送中心很好地解決了用戶小批量多樣化需求和廠商大批量專業(yè)化生產(chǎn)之間的矛盾，有效地降低了運(yùn)輸、庫(kù)存、分揀、配送等成本，已成為物流作業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志；配送中心的三大核心業(yè)務(wù)為倉(cāng)儲(chǔ)、揀選、配送，其中揀選作業(yè)是指按照客戶訂單要求，從指定貨位得到相應(yīng)貨物并匯集在一起的過(guò)程；近年來(lái)，由于產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快，零售商希望減小庫(kù)存、制造企業(yè)對(duì)于“準(zhǔn)時(shí)制”的要求，網(wǎng)上購(gòu)物的出現(xiàn)，訂單呈現(xiàn)小批量、多品種、頻繁訂貨、配送周期短、精度要求高等特征，這對(duì)分揀提出了更好的要求；

由于手工分揀存在效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、差錯(cuò)率高等缺點(diǎn)，在一些商品包裝規(guī)則的行業(yè)中開(kāi)始廣泛使用自動(dòng)分揀系統(tǒng)，如煙草、藥品；自動(dòng)分揀系統(tǒng)分揀效率雖然很高，但是其投資成本和運(yùn)營(yíng)成本也很高，因此有必要對(duì)其訂單處理策略進(jìn)行研究以充分發(fā)揮其分揀能力；

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服手工分揀效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、差錯(cuò)率高等不足，本發(fā)明提供了一種有效的基于分區(qū)協(xié)同優(yōu)化策略的自動(dòng)分揀系統(tǒng)訂單處理方法；

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

基于分區(qū)協(xié)同優(yōu)化策略的自動(dòng)分揀系統(tǒng)訂單處理方法，包括以下步驟：

步驟1，構(gòu)建分區(qū)協(xié)同優(yōu)化分揀系統(tǒng)訂單處理的數(shù)學(xué)分析模型：訂單處理問(wèn)題關(guān)鍵是如何使總處理時(shí)間最少，而為得到訂單處理總時(shí)間的結(jié)構(gòu)組成，需要分析分區(qū)揀選策略下的系統(tǒng)布局與工作流程；如圖1所示，分區(qū)揀選策略下，分揀機(jī)系統(tǒng)劃分為多個(gè)獨(dú)立揀貨區(qū)，一條主輸送帶連接各揀貨區(qū)末端的緩沖區(qū)；處理訂單時(shí)，各揀貨區(qū)內(nèi)分揀機(jī)共同揀選同一訂單貨物并送入緩沖區(qū)，然后在合流輸送上完成貨物合流并送至包裝系統(tǒng)；由于各揀貨區(qū)內(nèi)的分揀機(jī)并行工作，故降低了訂單處理總時(shí)間；根據(jù)貨到訂單揀選系統(tǒng)中的訂單隊(duì)列特點(diǎn)，設(shè)計(jì)排隊(duì)系統(tǒng)描述分揀機(jī)系統(tǒng)工作流程，如圖2所示；在該排隊(duì)系統(tǒng)中，訂單可理解為顧客，分揀機(jī)中各通道、緩沖區(qū)、包裝機(jī)可理解為服務(wù)員；

排隊(duì)系統(tǒng)中的訂單處理流程包括：①訂單拆分：在輸入端是一訂單隊(duì)列，各訂單根據(jù)揀貨區(qū)數(shù)量以及所有品項(xiàng)在各揀貨區(qū)分配情況拆分為子訂單，并分配給各揀貨區(qū)；②貨物揀選：在各揀貨區(qū)內(nèi)部，分揀機(jī)各通道和緩沖區(qū)根據(jù)先到先服務(wù)(firstcomefirstserved，fcfs)的規(guī)則處理子訂單隊(duì)列中各品項(xiàng)貨物；③緩存積放：在各揀貨區(qū)內(nèi)，緩沖區(qū)暫存揀出的子訂單貨物，由于緩沖區(qū)常設(shè)計(jì)為重力式滑道或動(dòng)力式輸送帶，貨物在緩存等待過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)密集積放；④合流與輸送：通過(guò)控制緩沖區(qū)末端的擋板，將屬于同一訂單的緩存貨物按照某種規(guī)則從不同緩沖區(qū)進(jìn)入合流輸送帶，并送入包裝系統(tǒng)；在實(shí)際應(yīng)用中，訂單拆分工作由電腦系統(tǒng)快速完成，故耗費(fèi)時(shí)間可忽略，基于以上分析，可知分揀機(jī)系統(tǒng)的訂單處理時(shí)間由三部分組成：貨物揀選時(shí)間、貨物合流時(shí)間、緩沖區(qū)已滿導(dǎo)致的分揀機(jī)暫停時(shí)間；為從數(shù)學(xué)上表達(dá)任一揀貨區(qū)的訂單處理總時(shí)間構(gòu)成，需要的變量包括：訂單數(shù)量r；揀貨區(qū)數(shù)量z；k號(hào)揀貨區(qū)處理i號(hào)訂單貨物的完成時(shí)刻t^fik(1≤i≤r,1≤k≤z)，它等于貨物由緩沖區(qū)流入合流輸送帶的結(jié)束時(shí)刻；k號(hào)揀貨區(qū)分揀機(jī)在處理i號(hào)訂單貨物的揀選時(shí)間t^pik；k號(hào)揀貨區(qū)分揀機(jī)處理i號(hào)訂單貨物時(shí)的暫停時(shí)間，即該訂單貨物在緩沖區(qū)開(kāi)始合流前的等待時(shí)間t^wik；貨物合流時(shí)間，即訂單貨物從緩沖區(qū)流入主輸送帶耗費(fèi)的時(shí)間t^m；各揀貨區(qū)訂單處理總時(shí)間均為貨物揀選時(shí)間、分揀機(jī)暫停時(shí)間、貨物合流時(shí)間之和，則任一揀貨區(qū)k處理訂單i的完成時(shí)刻t^fik可由下式表示：

遞歸調(diào)用式(1)可求得各揀貨區(qū)處理最后r號(hào)訂單的完成時(shí)刻t^zrk，如下式所示：

步驟2，分揀機(jī)分區(qū)協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題的轉(zhuǎn)化：將分揀機(jī)綜合優(yōu)化問(wèn)題簡(jiǎn)化后可轉(zhuǎn)化為并行機(jī)派尋問(wèn)題(pms)。設(shè)定訂單總數(shù)量r等于1，貨物合流時(shí)間t^m等于0秒，揀貨區(qū)數(shù)量z，各品項(xiàng)揀選量n^sij，品項(xiàng)拆分?jǐn)?shù)量p均為已知常量，經(jīng)過(guò)以上簡(jiǎn)化，各品項(xiàng)相當(dāng)于pms問(wèn)題中各工件，揀貨區(qū)相當(dāng)于pms問(wèn)題中的處理機(jī)，揀貨區(qū)內(nèi)的訂單處理時(shí)間相當(dāng)于處理機(jī)加工工件時(shí)間，優(yōu)化目標(biāo)相當(dāng)于工件加工總時(shí)間最短；由于pms屬于np完全問(wèn)題，由此可知：不簡(jiǎn)化的分揀機(jī)系統(tǒng)綜合優(yōu)化問(wèn)題更屬于np完全問(wèn)題；為降低問(wèn)題求解難度，設(shè)計(jì)合理的啟發(fā)式算法，首先應(yīng)當(dāng)根據(jù)分揀機(jī)分區(qū)協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題特點(diǎn)，轉(zhuǎn)變優(yōu)化目標(biāo)；然后，將分揀機(jī)分區(qū)協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題拆分為若干子問(wèn)題，采取單獨(dú)討論后再確定綜合求解方法的研究思路；

步驟3，品項(xiàng)分配子問(wèn)題的構(gòu)建及其層次聚類算法設(shè)計(jì)：品項(xiàng)分配子問(wèn)題指如何分配所有品項(xiàng)到各揀貨區(qū)的問(wèn)題；若以最小化訂單處理總時(shí)間為目標(biāo)，難以提出針對(duì)性的優(yōu)化算法；這里采用聚類分析方法求解品項(xiàng)分配子問(wèn)題，根據(jù)分揀機(jī)系統(tǒng)品項(xiàng)分配子問(wèn)題特點(diǎn)，提出一種類似連通法的層次聚類算法，該算法采用自底向上的聚類順序，聚類步驟如下：步驟31，根據(jù)品項(xiàng)總數(shù)s+p構(gòu)建等量空類，即z＝s+p，并為每個(gè)類分配一個(gè)品項(xiàng)；步驟32，建立一個(gè)z行z列的類關(guān)系矩陣，矩陣中對(duì)角元素設(shè)為0，其余各元素表示不同類間的相關(guān)性，該矩陣為對(duì)稱矩陣，取其上半角或下半角共(z-1)z/2個(gè)元素，將最小值元素對(duì)應(yīng)的兩個(gè)類合并為1個(gè)類，類的數(shù)量z減1：z＝z-1；步驟33，若類的數(shù)量大于預(yù)定的揀貨區(qū)數(shù)量，轉(zhuǎn)步驟2，否則結(jié)束；

步驟4，基于馬爾科夫的訂單最優(yōu)排序的確定：由于一個(gè)訂單的等待時(shí)間只取決于前面n-1個(gè)訂單的處理時(shí)間和等待時(shí)間，因此系統(tǒng)具有馬爾可科夫性；將訂單看作是一個(gè)個(gè)追加到排好順序的訂單隊(duì)列中，在某個(gè)訂單即將追加到隊(duì)列的時(shí)刻點(diǎn)觀察系統(tǒng)，用隊(duì)列末尾n-1個(gè)訂單各自的處理時(shí)間和等待時(shí)間之和作為一個(gè)n-1維向量表示系統(tǒng)的狀態(tài)，則系統(tǒng)具有歷史無(wú)關(guān)性，可以看作一個(gè)狀態(tài)連續(xù)時(shí)間離散的馬爾科夫鏈；對(duì)于這種連續(xù)的狀態(tài)，通過(guò)積分和微分進(jìn)行分析非常困難，因而采用離散化的方式將連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變成離散狀態(tài)，進(jìn)而研究離散狀態(tài)的最優(yōu)決策，決策變量為下一個(gè)要處理的訂單，然后分析離散化帶來(lái)的誤差；

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：結(jié)合當(dāng)前手工分揀存在效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、差錯(cuò)率高等缺點(diǎn)，提出了基于分區(qū)協(xié)同優(yōu)化策略的自動(dòng)分揀系統(tǒng)訂單處理方法，利用協(xié)同優(yōu)化與數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)來(lái)提升貨物揀選分配處理能力；

基于此，本發(fā)明以自動(dòng)分揀系統(tǒng)為研究對(duì)象，引入?yún)f(xié)同優(yōu)化、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，充分考慮貨物揀選的特征，提出基于分區(qū)協(xié)同優(yōu)化策略的自動(dòng)分揀系統(tǒng)訂單處理方法，通過(guò)該方法幫助政府部門、物流企業(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)物流任務(wù)的有效調(diào)度與分配；

引入?yún)f(xié)同優(yōu)化、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)分揀系統(tǒng)訂單進(jìn)行有效分析與管理，首先分區(qū)協(xié)同優(yōu)化分揀系統(tǒng)訂單處理的數(shù)學(xué)分析模型，分析分揀系統(tǒng)的特點(diǎn)；其次將分揀機(jī)分區(qū)協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為并行機(jī)派尋問(wèn)題；再次構(gòu)建品項(xiàng)分配子問(wèn)題并設(shè)計(jì)層次聚類算法進(jìn)行聚類處理，最后基于馬爾科夫方法確定訂單最優(yōu)排序，從而提高訂單分揀處理能力，解決我國(guó)物流配送效率不高的問(wèn)題；

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明有效克服了手工分揀存在效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、差錯(cuò)率高等缺點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值；

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施本發(fā)明方法的分區(qū)揀選策略下的分揀機(jī)系統(tǒng)布局圖

圖2是本發(fā)明的分區(qū)揀選策略下的排隊(duì)系統(tǒng)圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

參照?qǐng)D1和圖2，基于分區(qū)協(xié)同優(yōu)化策略的自動(dòng)分揀系統(tǒng)訂單處理方法，包括以下步驟：

步驟1，構(gòu)建分區(qū)協(xié)同優(yōu)化分揀系統(tǒng)訂單處理的數(shù)學(xué)分析模型：訂單處理問(wèn)題關(guān)鍵是如何使總處理時(shí)間最少，而為得到訂單處理總時(shí)間的結(jié)構(gòu)組成，需要分析分區(qū)揀選策略下的系統(tǒng)布局與工作流程；如圖1所示，分區(qū)揀選策略下，分揀機(jī)系統(tǒng)劃分為多個(gè)獨(dú)立揀貨區(qū)，一條主輸送帶連接各揀貨區(qū)末端的緩沖區(qū)；處理訂單時(shí)，各揀貨區(qū)內(nèi)分揀機(jī)共同揀選同一訂單貨物并送入緩沖區(qū)，然后在合流輸送上完成貨物合流并送至包裝系統(tǒng)；由于各揀貨區(qū)內(nèi)的分揀機(jī)并行工作，故降低了訂單處理總時(shí)間；根據(jù)貨到訂單揀選系統(tǒng)中的訂單隊(duì)列特點(diǎn)，設(shè)計(jì)排隊(duì)系統(tǒng)描述分揀機(jī)系統(tǒng)工作流程，如圖2所示；在該排隊(duì)系統(tǒng)中，訂單可理解為顧客，分揀機(jī)中各通道、緩沖區(qū)、包裝機(jī)可理解為服務(wù)員；

排隊(duì)系統(tǒng)中的訂單處理流程可概括：①訂單拆分：在輸入端是一訂單隊(duì)列，各訂單根據(jù)揀貨區(qū)數(shù)量以及所有品項(xiàng)在各揀貨區(qū)分配情況拆分為子訂單，并分配給各揀貨區(qū)；②貨物揀選：在各揀貨區(qū)內(nèi)部，分揀機(jī)各通道和緩沖區(qū)根據(jù)先到先服務(wù)(firstcomefirstserved，fcfs)的規(guī)則處理子訂單隊(duì)列中各品項(xiàng)貨物；③緩存積放：在各揀貨區(qū)內(nèi)，緩沖區(qū)暫存揀出的子訂單貨物，由于緩沖區(qū)常設(shè)計(jì)為重力式滑道或動(dòng)力式輸送帶，貨物在緩存等待過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)密集積放；④合流與輸送：通過(guò)控制緩沖區(qū)末端的擋板，將屬于同一訂單的緩存貨物按照某種規(guī)則從不同緩沖區(qū)進(jìn)入合流輸送帶，并送入包裝系統(tǒng)；在實(shí)際應(yīng)用中，訂單拆分工作由電腦系統(tǒng)快速完成，故耗費(fèi)時(shí)間可忽略，基于以上分析，可知分揀機(jī)系統(tǒng)的訂單處理時(shí)間由三部分組成：貨物揀選時(shí)間、貨物合流時(shí)間、緩沖區(qū)已滿導(dǎo)致的分揀機(jī)暫停時(shí)間；為從數(shù)學(xué)上表達(dá)任一揀貨區(qū)的訂單處理總時(shí)間構(gòu)成，需要的變量包括：訂單數(shù)量r；揀貨區(qū)數(shù)量z；k號(hào)揀貨區(qū)處理i號(hào)訂單貨物的完成時(shí)刻t^fik(1≤i≤r,1≤k≤z)，它等于貨物由緩沖區(qū)流入合流輸送帶的結(jié)束時(shí)刻；k號(hào)揀貨區(qū)分揀機(jī)在處理i號(hào)訂單貨物的揀選時(shí)間t^pik；k號(hào)揀貨區(qū)分揀機(jī)處理i號(hào)訂單貨物時(shí)的暫停時(shí)間，即該訂單貨物在緩沖區(qū)開(kāi)始合流前的等待時(shí)間t^wik；貨物合流時(shí)間，即訂單貨物從緩沖區(qū)流入主輸送帶耗費(fèi)的時(shí)間t^m；各揀貨區(qū)訂單處理總時(shí)間均為貨物揀選時(shí)間、分揀機(jī)暫停時(shí)間、貨物合流時(shí)間之和，則任一揀貨區(qū)k處理訂單i的完成時(shí)刻t^fik可由下式表示：

遞歸調(diào)用式(1)可求得各揀貨區(qū)處理最后r號(hào)訂單的完成時(shí)刻t^zrk，如下式所示：

步驟2，分揀機(jī)分區(qū)協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題的轉(zhuǎn)化：將分揀機(jī)綜合優(yōu)化問(wèn)題簡(jiǎn)化后可轉(zhuǎn)化為并行機(jī)派尋問(wèn)題(pms)。設(shè)定訂單總數(shù)量r等于1，貨物合流時(shí)間t^m等于0秒，揀貨區(qū)數(shù)量z，各品項(xiàng)揀選量n^sij，品項(xiàng)拆分?jǐn)?shù)量p均為已知常量，經(jīng)過(guò)以上簡(jiǎn)化，各品項(xiàng)相當(dāng)于pms問(wèn)題中各工件，揀貨區(qū)相當(dāng)于pms問(wèn)題中的處理機(jī)，揀貨區(qū)內(nèi)的訂單處理時(shí)間相當(dāng)于處理機(jī)加工工件時(shí)間，優(yōu)化目標(biāo)相當(dāng)于工件加工總時(shí)間最短；由于pms屬于np完全問(wèn)題，由此可知：不簡(jiǎn)化的分揀機(jī)系統(tǒng)綜合優(yōu)化問(wèn)題更屬于np完全問(wèn)題；為降低問(wèn)題求解難度，設(shè)計(jì)合理的啟發(fā)式算法，首先應(yīng)當(dāng)根據(jù)分揀機(jī)分區(qū)協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題特點(diǎn)，轉(zhuǎn)變優(yōu)化目標(biāo)；然后，將分揀機(jī)分區(qū)協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題拆分為若干子問(wèn)題，采取單獨(dú)討論后再確定綜合求解方法的研究思路；

步驟3，品項(xiàng)分配子問(wèn)題的構(gòu)建及其層次聚類算法設(shè)計(jì)：品項(xiàng)分配子問(wèn)題指如何分配所有品項(xiàng)到各揀貨區(qū)的問(wèn)題；若以最小化訂單處理總時(shí)間為目標(biāo)，難以提出針對(duì)性的優(yōu)化算法；這里采用聚類分析方法求解品項(xiàng)分配子問(wèn)題，根據(jù)分揀機(jī)系統(tǒng)品項(xiàng)分配子問(wèn)題特點(diǎn)，提出一種類似連通法的層次聚類算法，該算法采用自底向上的聚類順序，聚類步驟如下：步驟31，根據(jù)品項(xiàng)總數(shù)s+p構(gòu)建等量空類，即z＝s+p，并為每個(gè)類分配一個(gè)品項(xiàng)；步驟32，建立一個(gè)z行z列的類關(guān)系矩陣，矩陣中對(duì)角元素設(shè)為0，其余各元素表示不同類間的相關(guān)性，該矩陣為對(duì)稱矩陣，取其上半角或下半角共(z-1)z/2個(gè)元素，將最小值元素對(duì)應(yīng)的兩個(gè)類合并為1個(gè)類，類的數(shù)量z減1：z＝z-1；步驟33，若類的數(shù)量大于預(yù)定的揀貨區(qū)數(shù)量，轉(zhuǎn)步驟2，否則結(jié)束；

步驟4，基于馬爾科夫的訂單最優(yōu)排序的確定：由于一個(gè)訂單的等待時(shí)間只取決于前面n-1個(gè)訂單的處理時(shí)間和等待時(shí)間，因此系統(tǒng)具有馬爾可科夫性；將訂單看作是一個(gè)個(gè)追加到排好順序的訂單隊(duì)列中，在某個(gè)訂單即將追加到隊(duì)列的時(shí)刻點(diǎn)觀察系統(tǒng)，用隊(duì)列末尾n-1個(gè)訂單各自的處理時(shí)間和等待時(shí)間之和作為一個(gè)n-1維向量表示系統(tǒng)的狀態(tài)，則系統(tǒng)具有歷史無(wú)關(guān)性，可以看作一個(gè)狀態(tài)連續(xù)時(shí)間離散的馬爾科夫鏈；對(duì)于這種連續(xù)的狀態(tài)，通過(guò)積分和微分進(jìn)行分析非常困難，因而采用離散化的方式將連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變成離散狀態(tài)，進(jìn)而研究離散狀態(tài)的最優(yōu)決策，決策變量為下一個(gè)要處理的訂單，然后分析離散化帶來(lái)的誤差。