發(fā)布時間：2016-04-27 23:11

第一章緒論

1.1研究背景和意義
在整個物流活動中,配送中心起著非常大的作用,因為配送中心連接了需求點和資源點。經(jīng)濟的發(fā)展帶動了電子商務的快速發(fā)展,客戶的需求以及訂單的結(jié)構(gòu)逐漸向小批量多批次發(fā)展,配送中心的規(guī)模隨著產(chǎn)品種類和數(shù)量的不斷增加而變得越來越大。對揀選作業(yè)環(huán)節(jié)的實現(xiàn)情況越來越成為衡量一個配送中心作業(yè)效率的指標,即能否在合適的時間快速地將合適的商品揀選出來并準時送達客戶手中。配送中心中的作業(yè)包括出入庫作業(yè)、存儲作業(yè)、盤點作業(yè)、揀選作業(yè)、補貨作業(yè)等等,其中,揀選作業(yè)占用的勞動力最大,占用的資金最多,屬于配送中心的核心環(huán)節(jié)。為了提高揀選速度和節(jié)省人力,越來越多的配送中心釆用自動化方式處理訂單作業(yè)。其中在配送中心中自動化程度較高且應用比較成熟的,有如煙草行業(yè)配送中心釆用自動化立體倉庫結(jié)合長距離輸送機和大規(guī)模分揀機的模式、醫(yī)藥行業(yè)配送中心使用旋轉(zhuǎn)貨架結(jié)合輸送機的模式,或者郵政行業(yè)配送中心采用長距離輸送機與大規(guī)模分揀機相結(jié)合的模式等等。而使用自動化立體倉庫、大型分揀機以及長距離傳輸設備一次性投入資金大、占地面積大且配套設施較多,一旦建成不可改變,柔性和靈活性差;使用旋轉(zhuǎn)貨架,雖然揀選工作者不用走動,但揀選工作者必須等待每次貨架旋轉(zhuǎn)的時間,沒有充分發(fā)揮揀貨人員的利用率。Kiva系統(tǒng)提供了一種新型的訂單處理解決方案,很好的解決了上述問題。
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1.2文獻綜述
Kiva系統(tǒng)自動化配送中心相比傳統(tǒng)配送中心,在揀選作業(yè)模式上進行了 一次深度改革,避開使用自動化立體倉庫、長距離輸送機、旋轉(zhuǎn)貨架、靜態(tài)貨架等,設計出一種新型的揀選作業(yè)系統(tǒng)解決方案。Kiva系統(tǒng)是一種多機器人系統(tǒng),這其中就涉及到對多機器人的任務分配問題和路徑規(guī)劃問題。目前國內(nèi)外關于Kiva系統(tǒng)的研究非常少,從公開材料無法得知Kiva系統(tǒng)作業(yè)模式中采取的策略或相關算法,只能借鑒類似問題的相關研究成果。國內(nèi)外關于揀選作業(yè)以及多機器人系統(tǒng)已經(jīng)有了較多的研究,主要研究情況如下。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展,物流行業(yè)逐步發(fā)展成熟,物流量越來越大。大量的物品需要經(jīng)過揀選才能被送達到相應的客戶手中,所以越來越多的揀選系統(tǒng)被設計或者優(yōu)化改進,來適應日益發(fā)展的物流行業(yè)。近年來,揀選系統(tǒng)的規(guī)模愈發(fā)壯大,揀選能力也越來越高,被應用在更廣泛的行業(yè)中,揀選系統(tǒng)成為物流系統(tǒng)中愈發(fā)重要的部分。揀選作業(yè)是將多種貨物從不同的地方揀選出來,貨物的單位根據(jù)訂單處理的結(jié)果有不同的劃分。目前的揀選作業(yè)有兩種模式:一種是“人到貨"的作業(yè)模式,即由揀選人員前往貨物所在位置,揀取相應貨物的方式,這種方式一般都釆用靜態(tài)貨架存儲方式;一種是“貨到人"的作業(yè)模式,與“人到貨”方式相反,揀選人員不動,貨物依照一定的形式被送到揀選人員處,這種方式主要采用動態(tài)存儲方式。Kiva系統(tǒng)提供一種"貨到人"的自動化揀選作業(yè)模式,適用于電子商務環(huán)境下的配送中心中的揀選作業(yè)。目前國內(nèi)關于這種選作業(yè)模式的研究,多集中在使用立體倉庫或者旋轉(zhuǎn)貨架并結(jié)合AGV/RGV小車進行運輸?shù)呐渌椭行闹?且有了比較多的研究成果。山東大學的吳穎穎和吳耀華對并行揀選模式下的自動揀選系統(tǒng)中的訂單拆分情況,建立數(shù)學模型并提出啟發(fā)式優(yōu)化算法,算法結(jié)果使得揀選時間大大縮短111。長春一汽國際物流有限公司的劉國松、李強等在對汽車物流行業(yè)的常規(guī)揀選作業(yè)方式進行總結(jié)和分析的基礎上,提出一種基于電子標簽的輔助揀選系統(tǒng)丨2]。山東大學的常發(fā)亮、劉增曉等對自動化立體倉庫的揀選作業(yè)模式和特點進行研究,建立路徑優(yōu)化問題的多目標數(shù)學模型,用遺傳算法進行求解并改進,仿真結(jié)果表明了模型和算法的可行性和有效性[3]。
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第二章Kiva移動機器人倉儲自動化系統(tǒng)

2.1Kiva系統(tǒng)概述
在2003年成立的位于美國麻州的Kiva系統(tǒng)公司是一家倉庫機器人公司,在2012年3.月由Amazon收購,I目前是亞馬遜的全資子公司。Kiva系統(tǒng)提供了一種基于移動機器人系統(tǒng)的在任何時間將任何需要揀選的貨品運送至任何揀選作業(yè)人員來完成揀選倉儲自動化系統(tǒng)訂單處理解決方案,包括庫存控制、補貨、揀貨、包裝、運輸分類、質(zhì)量控制等,同時保證其效率、速度、精度和靈活性。目前已經(jīng)在Gap、Staples、Office Depot等公司的配送中心中應用,滿足配送中心一年數(shù)以百萬計的訂單處理作業(yè)。Kiva系統(tǒng)以貨到人前的設計思路和高度靈活的自動化過程實現(xiàn)了對傳統(tǒng)配送中心中大量的人工揀選和分揀作業(yè)的改革。采用分布式智能的概念,通過使用數(shù)以百計的自身研發(fā)的行走機器人,將存放貨物的貨架送至位于倉庫周邊相應的工作站臺,工人依照軟件和激光的指示揀貨,將存貨貨架上的相應貨物揀出,放入輸送貨架相應的訂單容器中,實現(xiàn)對所有庫存貨品在任意時間的簡單、高效訪問,最終形成了一個完整的“貨到人”的倉儲自動化系統(tǒng),既節(jié)省了大量人力,在提高速度、準確率和靈活性的同時也提高了效率。
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2.2......Kiva系統(tǒng)的構(gòu)成與布局
配送中心中的設施與設備是完成配送中心各種功能的實體。配送中心常用的物流設備主要包括存儲設備、搬運輸送設備等。存儲設備主要指各類儲存貨架,包括擱板貨架、托盤貨架、重力式貨架、回轉(zhuǎn)式貨架以及立體倉庫貨架等;搬運設備主要完成配送中心的各種搬運作業(yè),包括叉車、托盤搬運車;輸送設備主要完成配送中心內(nèi)物料的水平或垂直方向的連續(xù)輸送,包括鏈式輸送機、輯子輸送機和帶式輸送機等。由這些設備構(gòu)成配送中心的接發(fā)貨系統(tǒng)、倉儲系統(tǒng)、揀選系統(tǒng)等。Kiva系統(tǒng)提供一種新型的自動化訂單履行方案,通過使用數(shù)以百計的移動機器人、可移動的貨架、工作站和復雜的控制軟件,完成配送中心中的揀選、包裝和輸送作業(yè)。其主要設備組成如下:配送中心中的存儲設備主要有托盤、容器和儲存貨架等,其中,托盤和容器的使用一般根據(jù)貨物的特性結(jié)合已有的托盤或者容器的標準選擇相應的系列,而儲存貨架有很多種類型,配送中心中對儲存貨架的選擇可以靈活選擇和組配,來滿足不同的儲存要求或者出庫要求。Kiva系統(tǒng)的儲存貨架采用的是Kiva公司自主研發(fā)設計的可移動式塑料貨架(Pods),為了方便工人的揀選工作,設計貨架的高度與人的身高相平;為了方便機器人小車運輸貨架,在貨架的底部預留出小車的空間。根據(jù)存儲性質(zhì)的不同,Kiva系統(tǒng)中的儲存貨架分為存貨貨架(Inventory Pods)和輸送貨架(Shipping Pods)兩種,如圖2-1所示:
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第三章 Kiva揀選系統(tǒng)多機器人小車路徑規(guī)劃問題研究......29
3.1傳統(tǒng)A*算法的Kiva揀選系統(tǒng)路徑規(guī)劃.........29
3.2改進A*算法的Kiva揀選系統(tǒng)路徑規(guī)劃......35
3.3按照交通規(guī)則行駛的Kiva揀選系統(tǒng)路徑規(guī)劃......46
3.3.1 Kiva揀選系統(tǒng)通道布置......46
3.4本章小結(jié)......49
第四章 Kiva系統(tǒng)揀選作業(yè)的MATLAB仿真實現(xiàn).....50
4.1 Kiva系統(tǒng)揀選作業(yè)問題描述......50
4.2模型假設......52
4.3不同策略下Kiva系統(tǒng)揀選作業(yè)建模與仿真.....55
4.4四種策略的仿真結(jié)果對比......57
4.5本章小結(jié)......59
第五章總結(jié)與展望......60
5.1論文總結(jié)......60
5.1.1研究內(nèi)容及成果......63
5.1.2論文創(chuàng)新點......65
5.2論文不足與展望......67

第四章Kiva系統(tǒng)棟選作業(yè)的MATLAB仿真實現(xiàn)

上一章對Kiva揀選系統(tǒng)中多機器人路徑規(guī)劃問題進行研究和實現(xiàn),從算法實現(xiàn)和定義交通規(guī)則兩方面進行研究。本章將通過具體算例對Kiva揀選系統(tǒng)作業(yè)流程進行MATLAB算法實現(xiàn),給出不同策略下各揀選作業(yè)方案的仿真實驗結(jié)果,通過多次運行仿真實例,對仿真結(jié)果進行分析,最后得到仿真結(jié)論。

4.1 Kiva系統(tǒng)棟選作業(yè)問題描述

Kiva系統(tǒng)揀選作業(yè)問題包括訂單的分配、任務貨架的選擇、工作站臺處貨架的排隊規(guī)則、返回位置確定以及多機器人的任務分配和路徑規(guī)劃兩部分。在基于Kiva系統(tǒng)的配送中心揀選作業(yè)環(huán)節(jié),訂單處理后會產(chǎn)生任務貨架,且系統(tǒng)會為每個任務貨架分配相應的揀選站臺,在揀選完成后系統(tǒng)還會分配返回存儲位置重新存放貨架。在Kiva揀選系統(tǒng)中,將每一個待揀選的貨架當做是一個任務貨架,將貨架的揀出過程和歸位過程當做是小車的一個完整任務。系統(tǒng)會通過對任務貨架的位置以及當前小車的情況將任務貨架分配給不同的機器人,以保證任務貨架的及時執(zhí)行以及小車的高效利用率。任務分配可以采用第二章3.4.2中介紹的兩種任務分配方式。

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總結(jié)

Kiva系統(tǒng)提供了一種新型的自動化訂單解決方案,通過使用數(shù)以百計的移動機器人、數(shù)百千計的可移動式貨架、多個揀選或補貨工作站以及復雜的控制軟件組成,可實現(xiàn)配送中心的揀選、包裝、輸送等作業(yè)。目前在國外的多個大型配送中心中廣泛應用,而在國內(nèi)還處于零應用狀態(tài)。本文在對配送中心以及配送中心揀選系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀以及對多機器人系統(tǒng)的任務規(guī)劃研究現(xiàn)狀進行總結(jié)的基礎上,對Kiva系統(tǒng)訂單處理解決方案進行研究,并給出Kiva揀選系統(tǒng)不同作業(yè)策略的建模實現(xiàn)和仿真分析。
1.Kiva揀選系統(tǒng)路徑規(guī)劃算法實現(xiàn)。通過對Kiva揀選系統(tǒng)進行分析,對任務規(guī)劃問題進行研究,對A*算法進行改進,采用逐步動態(tài)尋路的方式取代傳統(tǒng)情況下的靜態(tài)全局路徑;針對可能出現(xiàn)的多機器人的正面碰撞和交叉碰撞兩種情況通過定義不同狀態(tài)小車的優(yōu)先級的大小來給出避碰規(guī)則,優(yōu)先級高的小車首先通過碰撞點;通過實例對改進后的算法進行驗證,仿真結(jié)果表明改進后的算法很好的解決Kiva揀選系統(tǒng)的多機器人小車的路徑規(guī)劃情況,能在小車避碰的前提下規(guī)劃出較優(yōu)的路徑。
2,不同作業(yè)策略方案下Kiva揀選系統(tǒng)作業(yè)的仿真建模和分析。本文對Kiva揀選系統(tǒng)作業(yè)問題,對多機器人的任務分配和路徑規(guī)劃問題分別提出兩種解決辦法,兩兩組合得到四種揀選作業(yè)方案,并對四個方案進行MATLAB仿真建模實現(xiàn),考慮配置配置不同數(shù)量小車的情況,得到四種模式下的仿真數(shù)據(jù)并分析,仿真結(jié)論表明采用就近原則進行任務分配以及采用改進的A*算法規(guī)劃路徑的模式能得到較優(yōu)的仿真結(jié)果,是較優(yōu)的作業(yè)方案。
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參考文獻(略)

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本文編號：37854