CN112875112B - 基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法。基于最短入库与调度路径原则进行入库规划，且入库规划的每一步都判断是否与目标巷道已存储货物的出货时间冲突，有效解决订单拥堵和库位分配与设备调度出现冲突的问题。本发明提供的基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法，利用实物仿真平台提前获取订单信息进行库位与设备的提前规划，实现高密度立体仓库数字化模型与现场实物设备之间的指令同步与信息传输，真实模拟实际的生产过程，使得仿真分析与验证测试结果具有足够的可信度和说服力，进而为真实的高密度立体仓库库位分配及设备调度提供有效指导，有助于分析解决库位分配与设备调度中出现冲突以及订单拥堵的问题。

Description

基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法

技术领域

本发明涉及仓库管理技术领域，特别是基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法。

背景技术

目前普通立体仓库，需要两个单排货架中间使用一台堆垛机来进行出入库管理，比如5个单排货架，必须要4台堆垛机进行出入库管理。而随着物流行业的发展，出现了高密度立体仓库。高密度立体仓库是把货架合并，中间的穿梭式货架由穿梭车和堆垛机共同进行出入库管理，两侧的单排货架由相应堆垛机进行出入库管理，可大大提高立体仓库的空间利用率。

现有技术下的高密度立体仓库，主要是通过管控系统内的相关离线规则对入库订单的库位进行分配以及相关设备调度。最大的缺点在：(1)现有的系统基本处于实时响应订单需求状态，无法提前批量获取订单信息并进行库位与设备的提前规划，容易出现各种生产突发状况导致无法按时完成生产任务，系统柔性差；(2)现有的系统缺乏高效的库位分配与设备调度算法，也缺乏调度方案可行性与效率分析方法，容易导致设备无法及时响应出入库需求造成订单拥堵状态；(3)现有设计方法未能将高密度立体仓库的数字化模型与上层管控系统集成起来，无法实现“管控系统对高密度立体仓库数字化模型进行下发生产指令驱动”的动态模拟运行测试；同时，无法实现高密度立体仓库数字化模型与现场实物设备之间的指令同步与信息传输，无法真实模拟实际的生产过程，从而使得仿真分析与验证测试结果不具有足够的可信度和说服力。

发明内容

本发明的目的在于提出基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法，解决上述缺陷。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法，应用在由两侧的单一货位货架、中间的穿梭式货架、中间穿梭式货架与两侧单一货位货架之间的两台堆垛机与数辆穿梭车组成的高密度立体仓库；所述高密度立体仓库以立柱和横梁为界限，分隔成一个个货位，每个货位具有唯一的货架号、货位号、层号作为标识；所述方法包括：

构建虚实同步且具有上层MES的实物仿真平台；

从上层MES获取入库订单数据，按入库时间顺序模拟入库订单投放，分配空闲堆垛机；

若入库订单为单货物订单，则检索所有有空位且没有任务序列的巷道，将检索出的巷道按调度路径长短从短到长进行排序，并按顺序从中取出一个巷道判断其是否为空巷道：

若是空巷道，则进一步判断其是否为最后一个检索结果；若不是最后一个检索结果，则取出下一个检索结果判断其是否为空巷道；若是最后一个检索结果，则确定入库巷道为调度路径最短的空巷道；货位为该巷道入库方向的第一个货位，输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；

若不是空巷道，则进一步判断入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若冲突，则取出下一个检索结果判断其是否为空巷道；若不冲突，则确定该巷道为入库巷道，货位为该巷道入库方向最后一个货物的后一个货位；输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；

若入库订单为多货物订单，则判断是否为入库订单的第一个货物；

若不是入库订单的第一个货物，则按指定任务序列入库，依据任务序列输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；

若是入库订单的第一个货物，则检索所有有空位且没有任务序列的巷道，判断检索出的巷道是否存在空位大于入库订单货物数量的巷道；

若存在空位大于入库订单货物数量的巷道，则将空位大于入库订单货物数量的巷道按调度路径长短从短到长进行排序，并按顺序从中取出一个巷道判断其是否为空巷道；若是空巷道，则确定该巷道为入库巷道；货位为该巷道入库方向的第一个货位；输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；

若不是空巷道，则进一步判断入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若冲突，则取出下一个空位大于入库订单货物数量的巷道判断其是否为空巷道；若不冲突，则确定该巷道为入库巷道，货位为该巷道入库方向最后一个货物的后一个货位；输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；

若不存在空位大于入库订单货物数量的巷道，则判断检索出的巷道是否存在满足入库订单货物数量条件的巷道集群，巷道集群是指巷道之间货架号与层号均需要相差3以内的多个巷道组成的集群；

若存在满足入库订单货物数量条件的巷道集群，则将满足入库订单货物数量条件的巷道集群按总调度路径长短从短到长进行排序，并按顺序从中取出一个巷道集群判断该入库订单出库时间是否与该巷道集群的巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若不冲突，则将该巷道集群中的巷道按调度路径长短从短到长进行排序，入库订单按顺序地依据巷道的空位分割成若干个子订单，并给对应堆垛机、穿梭车安排该入库订单的任务序列；确定各个子订单对应的巷道作为入库巷道，各巷道的货位为该巷道入库方向最后一个货物的后一个货位，若巷道为空巷道，则货位为该巷道入库方向的第一个货位；依据任务序列输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；若冲突，则进一步判断该巷道集群是否为最后一个满足入库订单货物数量条件的巷道集群；若不是最后一个满足入库订单货物数量条件的巷道集群，则按顺序取出下一个满足入库订单货物数量条件的巷道集群判断该入库订单出库时间是否存在与该巷道集群的巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若是最后一个满足入库订单货物数量条件的巷道集群，则将检索出的巷道按调度路径长短从短到长进行排序，按顺序从中取出一个巷道判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若冲突，则按顺序取下一个检索出的巷道判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若不冲突，则确定入库巷道为该巷道，入库订单按照该巷道的空位分割出一个子订单，并给对应堆垛机、穿梭车安排该子订单的任务序列，货位为该巷道的入库方向最后一个货物的后一个货位，若该巷道为空巷道，则货位为该巷道的第一个货位；再判断检索出的剩余的巷道是否存在巷道空位大于剩余入库订单货物数量，若不存在，则取出下一个检索出巷道判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若存在，则将剩余巷道按照调度路径长短从短至长进行排序，按顺序从中取一个剩余巷道判断该入库订单出货时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间冲突，若冲突，则取下一个剩余巷道判断该入库订单出货时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若不冲突，则确定入库订单剩余货物的入库巷道为该剩余巷道，给对应堆垛机、穿梭车安排该入库订单剩余货物的任务序列，货位为该巷道的入库方向最后一个货物的后一个货位，若该巷道为空巷道，则货位为该巷道的第一个货位，依据任务序列输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；

若不存在满足入库订单货物数量条件的巷道集群，则将检索出的巷道按调度路径长短从短到长进行排序，按顺序从中取出一个巷道判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若冲突，则按顺序取下一个检索出的巷道判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若不冲突，则确定入库巷道为该巷道，入库订单按照该巷道的空位分割出一个子订单，并给对应堆垛机、穿梭车安排该子订单的任务序列，货位为该巷道的入库方向最后一个货物的后一个货位，若该巷道为空巷道，则货位为该巷道的第一个货位；再判断检索出的剩余的巷道是否存在巷道空位大于剩余入库订单货物数量，若不存在，则取出下一个检索出巷道判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若存在，则将剩余巷道按照调度路径长短从短至长进行排序，按顺序从中取一个剩余巷道判断该入库订单出货时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间冲突，若冲突，则取下一个剩余巷道判断该入库订单出货时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若不冲突，则确定入库订单剩余货物的入库巷道为该剩余巷道，给对应堆垛机、穿梭车安排该入库订单剩余货物的任务序列，货位为该巷道的入库方向最后一个货物的后一个货位，若该巷道为空巷道，则货位为该巷道的第一个货位，依据任务序列输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；

实物仿真平台完成入库动作后，输出入库方案。

优选地，还包括：

实物仿真平台完成入库动作后，从上层MES获取订单数据，按出库时间顺序模拟订单投放，分配空闲堆垛机；

判断出库订单前或后是否有仍未出库的货物：若有仍未出库的货物，则判断出库订单所在巷道存储订单出库时间是否为递增，若是递增，则分配出库堆垛机为右堆垛机，若是递减，则分配出库堆垛机为左堆垛机；若无仍未出库的货物，则分配空闲堆垛机；

分配调度距离最短的空闲穿梭车，并判断出库订单是否为多货物订单，若是，则安排堆垛机与穿梭车的出库任务序列，依据出库任务序列输出出库堆垛机、穿梭机、出库货物货架号、货位号和层号；若否，则直接输出出库堆垛机、穿梭机、出库货物货架号、货位号和层号；

实物仿真平台根据输出的出库堆垛机、穿梭机、出库货物货架号、货位号和层号开始出库动作；

实物仿真平台完成出库动作后，输出出库方案。

优选地，完成全部订单出入库仿真之后，得到每个货物的出入库堆垛机、出入库穿梭车编号以及存储库位数据，还得到高密度立体仓库整线的运行性能数据；根据得出的运行数据，针对入库时间长和出现拥堵情况的问题对入库方案和出库方案进行迭代优化，再进行全部订单的出入库仿真，直至得出最优的入库方案。

优选地，高密度立体仓库以俯视图右下侧为原点，货位号与货架号向两侧逐渐增大，货位号小一侧为右，大一侧为左，以地面作为层号原点，向上层号逐渐增大，巷道指的是中间穿梭式货架上，货架号与层号相同，而货位号从小到大排列的一组货位，即穿梭车沿货位号方向自由运动的一组货位；

计算调度路径长度的方法是：

获取目标巷道货架号、层号以及空闲的穿梭车当前的货架号、层号和货位号；

将目标巷道货架号和目标巷道层号相加，计算得到目标巷道入库路径长度；

判断入库订单分配的堆垛机是否为左堆垛机，若是，则计算穿梭车当前货架号减去目标巷道货架号的绝对值、穿梭车当前层号减去目标巷道货架号的绝对值以及货位号最大值减去穿梭车当前货位号的绝对值的三者之和，得到穿梭车调度路径长度；若否，则计算穿梭车当前货架号减去目标巷道货架号的绝对值、穿梭车当前层号减去目标巷道货架号的绝对值以及穿梭车当前货位号的三者之和，得到穿梭车调度路径长度；

计算目标巷道入库路径长度与穿梭车调度路径长度之和，得到调度路径长度；

返回调度路径长度与对应穿梭车编号。

优选地，高密度立体仓库规定一个巷道中存储订单出库时间只能为单调增加或减少，即若同一巷道中存储订单出库时间沿着货位号正方向单调增加，则该巷道已存储订单出库时间为递增；若同一巷道中存储订单出库时间沿着货位号正方向单调减少，则该巷道已存储订单出库时间为递减；

判断订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突的方法是：

判断目标巷道已存储订单出库时间是否为递增：

若目标巷道已存储订单出库时间是递增，则判断入库订单是否分配左堆垛机，若是左堆垛机，则判断入库订单出库时间是否早于该入库方向最后一个货物的出库时间，若是，则返回满足条件；若否，则返回不满足条件；若是右堆垛机，则判断入库订单出库时间是否晚于该入库方向最后一个货物的出库时间，若是，则返回满足条件，若否，则返回不满足条件；

若目标巷道已存储订单出库时间是递减，则判断入库订单是否分配左堆垛机，若是左堆垛机，则判断入库订单出库时间是否晚于该入库方向最后一个货物的出库时间，若是，则返回满足条件；若否，则返回不满足条件；若是右堆垛机，则判断入库订单出库时间是否早于该入库方向最后一个货物的出库时间，若是，则返回满足条件，若否，则返回不满足条件。

在本发明中，基于最短入库与调度路径原则进行入库规划，且入库规划的每一步都判断是否与目标巷道已存储货物的出货时间冲突，有效解决订单拥堵和库位分配与设备调度出现冲突的问题。当单货物订单入库时，先排除空巷道作为目标巷道进行规划，若没有满足条件的目标巷道，再选出调度路径最短的空巷道作为入库巷道，实现单货物订单优先从已存储货物的巷道选择入库巷道，若无满足条件的，则再选空巷道作为入库巷道，有利于提高高密度立体仓库的利用率，避免出现订单拥堵。当多货物订单入库且巷道没有足够大的空位放置全部货物时，先找出是否有合适的巷道集群，若有，则将订单分割成多个子订单分别规划在巷道集群对应的巷道中，实现将多货物分散地堆放在相近的巷道中，以利于多货物订单后续出货。若无，则将多货物订单按照最短入库与调度路径原则，安排满足订单出库时间条件的巷道并安排任务序列，直至该订单所有货物均分配好货位，实现合理设计多货物订单的入库规划。

本发明提供的基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法，利用实物仿真平台提前获取订单信息进行库位与设备的提前规划，实现高密度立体仓库数字化模型与现场实物设备之间的指令同步与信息传输，真实模拟实际的生产过程，使得仿真分析与验证测试结果具有足够的可信度和说服力，进而为真实的高密度立体仓库库位分配及设备调度提供有效指导，有助于分析解决库位分配与设备调度中出现冲突以及订单拥堵的问题。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中订单入库的流程示意图；

图2是图1中框A的流程示意图；

图3是图2中框B的流程示意图；

图4是图2中框C的流程示意图；

图5是本发明的一个实施例中计算调度路径长度的流程示意图；

图6是本发明的一个实施例中判断订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突的流程图；

图7是本发明的一个实施例中订单出库的流程示意图；

图8是本发明的一个实施例中高密度立体仓库的结构示意图；

图9是本发明的一个实施例中高密度立体仓库的俯视下的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照图1-9，本发明公开了基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法，应用在由两侧的单一货位货架、中间的穿梭式货架、中间穿梭式货架与两侧单一货位货架之间的两台堆垛机与数辆穿梭车100组成的高密度立体仓库；所述高密度立体仓库以立柱和横梁为界限，分隔成一个个货位，每个货位具有唯一的货架号、货位号、层号作为标识。所述方法包括：

构建虚实同步且具有上层MES(Manufacturing Execution System，即制造执行系统)的实物仿真平台。具体地，先建立高密度立体仓库的数字化模型，其中堆垛机为通用三维CAD模型，具有清晰的产品结构，堆垛机的运动部件可独立表示与标识。然后构建可进行三维近物理虚拟仿真设计的开放式信息集成平台，已经装载工高密度立体仓库和相应输送线的虚拟装备，可以通过脚本控制设备的动作或在制品的运动，具备软PLC功能。再搭建虚拟控制网络，即车间物联，运用数字孪生技术构建虚实同步的实物仿真平台，使得单机实物可以与数字化仓库上对应的单机数字化模型实现动作同步化，实现以高密度立体仓库为核心的仓储线的虚实同步。最后集成上层MES，实现整线在生成MES指令下运行，同时也将整线数字孪生模型执行情况，如工单完成信息、随机故障等问题反馈回上层MES，实现在线模拟运行，从而构建出虚实同步且具有上层MES的实物仿真平台。

参照图1-4，从上层MES获取入库订单数据，按入库时间顺序模拟入库订单投放，分配空闲堆垛机。

若入库订单为单货物订单，则检索所有有空位且没有任务序列的巷道，将检索出的巷道按调度路径长短从短到长进行排序，并按顺序从中取出一个巷道判断其是否为空巷道。若是空巷道，则进一步判断其是否为最后一个检索结果。若不是最后一个检索结果，则取出下一个检索结果判断其是否为空巷道。若是最后一个检索结果，则确定入库巷道为调度路径最短的空巷道。货位为该巷道入库方向的第一个货位，输出入库堆垛机、穿梭车100、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作。若不是空巷道，则进一步判断入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突。若冲突，则取出下一个检索出的巷道判断其是否为空巷道。若不冲突，则确定该巷道为入库巷道，货位为该巷道入库方向最后一个货物的后一个货位，输出入库堆垛机、穿梭车100、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作。

若入库订单为多货物订单，则判断是否为入库订单的第一个货物。

若不是入库订单的第一个货物，则按指定任务序列入库，依据任务序列输出入库堆垛机、穿梭车100、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作。

若是入库订单的第一个货物，则检索所有有空位且没有任务序列的巷道，判断检索出的巷道是否存在空位大于入库订单货物数量的巷道。若存在空位大于入库订单货物数量的巷道，则将空位大于入库订单货物数量的巷道按调度路径长短从短到长进行排序，并按顺序从中取出一个巷道判断其是否为空巷道。若是空巷道，则确定该巷道为入库巷道，货位为该巷道入库方向的第一个货位。输出入库堆垛机、穿梭车100、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作。若不是空巷道，则进一步判断入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突。若冲突，则取出下一个空位大于入库订单货物数量的巷道判断其是否为空巷道。若不冲突，则确定该巷道为入库巷道，货位为该巷道入库方向最后一个货物的后一个货位，输出入库堆垛机、穿梭车100、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作。

若不存在空位大于入库订单货物数量的巷道，则判断检索出的巷道是否存在满足入库订单货物数量条件的巷道集群，巷道集群是指巷道之间货架号与层号均需要相差3以内的多个巷道组成的集群；

若存在满足入库订单货物数量条件的巷道集群，则将满足入库订单货物数量条件的巷道集群按总调度路径长短从短到长进行排序，并按顺序从中取出一个巷道集群判断该入库订单出库时间是否存在与该巷道集群的巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突。若不存在冲突，则将该巷道集群中的巷道按调度路径长短从短到长进行排序，入库订单按顺序地依据巷道的空位分割成若干个子订单，并给对应堆垛机、穿梭车100安排该入库订单的任务序列。确定各个子订单对应的巷道作为入库巷道，各巷道的货位为该巷道入库方向最后一个货物的后一个货位，若巷道为空巷道，则货位为该巷道入库方向的第一个货位，依据任务序列输出入库堆垛机、穿梭车100、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作。若冲突，则进一步判断该巷道集群是否为最后一个满足入库订单货物数量条件的巷道集群。若不是最后一个满足入库订单货物数量条件的巷道集群，则按顺序取出下一个满足入库订单货物数量条件的巷道集群判断该入库订单出库时间是否存在与该巷道集群的巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突。若是最后一个满足入库订单货物数量条件的巷道集群，则将检索出的巷道按调度路径长短从短到长进行排序，按顺序从中取出一个巷道判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突。若存在冲突，则按顺序取下一个检索出的巷道判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若不冲突，则确定入库巷道为该巷道，入库订单按照该巷道的空位分割出一个子订单，并给对应堆垛机、穿梭车100安排该子订单的任务序列，货位为该巷道的入库方向最后一个货物的后一个货位，若该巷道为空巷道，则货位为该巷道的第一个货位。再判断检索出的剩余的巷道是否存在巷道空位大于剩余入库订单货物数量，若不存在，则取出下一个检索出巷道判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突。若存在，则将剩余巷道按照调度路径长短从短至长进行排序，按顺序从中取一个剩余巷道判断该入库订单出货时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间冲突，若冲突，则取下一个剩余巷道判断该入库订单出货时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间冲突。若不冲突，则确定入库订单剩余货物的入库巷道为该剩余巷道，给对应堆垛机、穿梭车100安排该入库订单剩余货物的任务序列，货位为该巷道的入库方向最后一个货物的后一个货位，若该巷道为空巷道，则货位为该巷道的第一个货位，依据任务序列输出入库堆垛机、穿梭车100、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作。

若不存在满足入库订单货物数量条件的巷道集群，则将检索出的巷道按调度路径长短从短到长进行排序，按顺序从中取出一个巷道判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突。若存在冲突，则按顺序取下一个检索出的巷道判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若不冲突，则确定入库巷道为该巷道，入库订单按照该巷道的空位分割出一个子订单，并给对应堆垛机、穿梭车100安排该子订单的任务序列，货位为该巷道的入库方向最后一个货物的后一个货位，若该巷道为空巷道，则货位为该巷道的第一个货位。再判断检索出的剩余的巷道是否存在巷道空位大于剩余入库订单货物数量，若不存在，则取出下一个检索出巷道判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突。若存在，则将剩余巷道按照调度路径长短从短至长进行排序，按顺序从中取一个剩余巷道判断该入库订单出货时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间冲突，若冲突，则取下一个剩余巷道判断该入库订单出货时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间冲突。若不冲突，则确定入库订单剩余货物的入库巷道为该剩余巷道，给对应堆垛机、穿梭车100安排该入库订单剩余货物的任务序列，货位为该巷道的入库方向最后一个货物的后一个货位，若该巷道为空巷道，则货位为该巷道的第一个货位，依据任务序列输出入库堆垛机、穿梭车100、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作。

实物仿真平台完成入库动作后，输出入库方案。

在本发明中，基于最短入库与调度路径原则进行入库规划，且入库规划的每一步都判断是否与目标巷道已存储货物的出货时间冲突，有效解决订单拥堵和库位分配与设备调度出现冲突的问题。当单货物订单入库时，先排除空巷道作为目标巷道进行规划，若没有满足条件的目标巷道，再选出调度路径最短的空巷道作为入库巷道，实现单货物订单优先从已存储货物的巷道选择入库巷道，若无满足条件的，则再选空巷道作为入库巷道，有利于提高高密度立体仓库的利用率，避免出现订单拥堵。当多货物订单入库且巷道没有足够大的空位放置全部货物时，先找出是否有合适的巷道集群，若有，则将订单分割成多个子订单分别规划在巷道集群对应的巷道中，实现将多货物分散地堆放在相近的巷道中，以利于多货物订单后续出货。若无，则将多货物订单按照最短入库与调度路径原则，安排满足订单出库时间条件的巷道并安排任务序列，直至该订单所有货物均分配好货位，实现合理设计多货物订单的入库规划。

本发明提供的基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法，利用实物仿真平台提前获取订单信息进行库位与设备的提前规划，实现高密度立体仓库数字化模型与现场实物设备之间的指令同步与信息传输，真实模拟实际的生产过程，使得仿真分析与验证测试结果具有足够的可信度和说服力，进而为真实的高密度立体仓库库位分配及设备调度提供有效指导，有助于分析解决库位分配与设备调度中出现冲突以及订单拥堵的问题。

进一步地，本发明提供的基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法还包括：

实物仿真平台完成入库动作后，从上层MES获取订单数据，按出库时间顺序模拟订单投放，分配空闲堆垛机；

判断出库订单前或后是否有仍未出库的货物：若有仍未出库的货物，则判断出库订单所在巷道存储订单出库时间是否为递增，若是递增，则分配出库堆垛机为右堆垛机200，若是递减，则分配出库堆垛机为左堆垛机300；若无仍未出库的货物，则分配空闲堆垛机；

分配调度距离最短的空闲穿梭车100，并判断出库订单是否为多货物订单，若是，则安排堆垛机与穿梭车100的出库任务序列，依据出库任务序列输出出库堆垛机、穿梭机、出库货物货架号、货位号和层号；若否，则直接输出出库堆垛机、穿梭机、出库货物货架号、货位号和层号；

实物仿真平台根据输出的出库堆垛机、穿梭机、出库货物货架号、货位号和层号开始出库动作；

实物仿真平台完成出库动作后，输出出库方案。

如此，通过先判断该出库订单前或后是否有仍未出库的订单。若无，则表明该出库订单前后均可出库，则分配空闲堆垛机；若有，则表明该出库订单前或后有一个方向被拥堵，只能由另一方向出库，因此判断该出库订单所在巷道存储订单出库的时间是否为递增，若为递增则分配出库堆垛机为右堆垛机200，若为递减则分配出库堆垛机为左堆垛机300。然后分配调度距离最短的空闲的穿梭车100，再判断该出库订单是否为多货物订单，若是多货物订单，则还需安排堆垛机与穿梭车100的出库任务序列，以防被其他出入库进程占用。最后，输出出库堆垛机、穿梭车100编号，以及出库货物的货架号、货位号、层号，仿真系统开始出库动作，实现对订单进行有序的出库规划。

进一步，完成全部订单出入库仿真之后，得到每个货物的出入库堆垛机、出入库穿梭车100编号以及存储库位数据，还得到高密度立体仓库整线的运行性能数据；根据得出的运行数据，针对入库时间长和出现拥堵情况的问题对入库方案和出库方案进行迭代优化，再进行全部订单的出入库仿真，直至得出最优的入库方案。通过多次迭代优化得到最优的入库方案，使得仿真分析与验证测试结果具有足够的可信度和说服力，进而为真实的高密度立体仓库库位分配及设备调度提供有效指导，有助于分析解决库位分配与设备调度中出现冲突以及订单拥堵的问题。

进一步，如图8-9所示，高密度立体仓库以俯视图右下侧为原点，货位号与货架号向两侧逐渐增大，货位号小一侧为右，大一侧为左，以地面作为层号原点，向上层号逐渐增大，巷道指的是中间穿梭式货架上，货架号与层号相同，而货位号从小到大排列的一组货位，即穿梭车100可以沿货位号方向自由运动的一组货位；

计算调度路径长度的方法是：获取目标巷道货架号、层号以及空闲的穿梭车100当前的货架号、层号和货位号；将目标巷道货架号和目标巷道层号相加，计算得到目标巷道入库路径长度；判断入库订单分配的堆垛机是否为左堆垛机 300，若是，则计算穿梭车100当前货架号减去目标巷道货架号的绝对值、穿梭车100当前层号减去目标巷道货架号的绝对值以及货位号最大值减去穿梭车100 当前货位号的绝对值的三者之和，得到穿梭车100调度路径长度；若否，则计算穿梭车100当前货架号减去目标巷道货架号的绝对值、穿梭车100当前层号减去目标巷道货架号的绝对值以及穿梭车100当前货位号的三者之和，得到穿梭车100调度路径长度；计算目标巷道入库路径长度与穿梭车100调度路径长度之和，得到调度路径长度；返回调度路径长度与对应穿梭车100编号。如此，目标巷道入库路径长度与穿梭车100调度路径长度之和，得到调度路径长度，使巷道能按调度路径长短从短到长进行排序，从而实现基于最短入库与调度路径原则进行入库规划。

进一步，高密度立体仓库规定一个巷道中存储订单出库时间只能为单调增加或减少，即若同一巷道中存储订单出库时间沿着货位号正方向单调增加，则该巷道已存储订单出库时间为递增；若同一巷道中存储订单出库时间沿着货位号正方向单调减少，则该巷道已存储订单出库时间为递减；判断订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突的方法是：判断目标巷道已存储订单出库时间是否为递增：若目标巷道已存储订单出库时间是递增，则判断入库订单是否分配左堆垛机300，若是左堆垛机300，则判断入库订单出库时间是否早于该入库方向最后一个货物的出库时间，若是，则返回满足条件；若否，则返回不满足条件；若是右堆垛机200，则判断入库订单出库时间是否晚于该入库方向最后一个货物的出库时间，若是，则返回满足条件，若否，则返回不满足条件；若目标巷道已存储订单出库时间是递减，则判断入库订单是否分配左堆垛机300，若是左堆垛机300，则判断入库订单出库时间是否晚于该入库方向最后一个货物的出库时间，若是，则返回满足条件；若否，则返回不满足条件；若是右堆垛机200，则判断入库订单出库时间是否早于该入库方向最后一个货物的出库时间，若是，则返回满足条件，若否，则返回不满足条件。如此，通过先判断该巷道已储存订单出库时间是否为递增，再根据入库订单所分配的堆垛机判断入库订单出库时间是否晚于或早于该入库方向最后一个货物的出库时间，实现判断订单出货时间与目标巷道已存储货物的出货时间是否存在冲突，判断简单，且利于货物按照出货时间递增或递减地排列在各巷道中，有效解决库位分配与设备调度中出现冲突的问题。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法，应用在由两侧的单一货位货架、中间的穿梭式货架、中间穿梭式货架与两侧单一货位货架之间的两台堆垛机与数辆穿梭车组成的高密度立体仓库；所述高密度立体仓库以立柱和横梁为界限，分隔成一个个货位，每个货位具有唯一的货架号、货位号、层号作为标识；其特征在于，所述方法包括：

构建虚实同步且具有上层MES的实物仿真平台；

从上层MES获取入库订单数据，按入库时间顺序模拟入库订单投放，分配空闲堆垛机；

若入库订单为单货物订单，则检索所有有空位且没有任务序列的巷道，将检索出的巷道按调度路径长短从短到长进行排序，并按顺序从中取出一个巷道判断其是否为空巷道：

若是空巷道，则进一步判断其是否为最后一个检索结果；若不是最后一个检索结果，则取出下一个检索结果判断其是否为空巷道；若是最后一个检索结果，则确定入库巷道为调度路径最短的空巷道；货位为该巷道入库方向的第一个货位，输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；

若不是空巷道，则进一步判断入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若冲突，则取出下一个检索结果判断其是否为空巷道；若不冲突，则确定该巷道为入库巷道，货位为该巷道入库方向最后一个货物的后一个货位；输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；

若入库订单为多货物订单，则判断当前货物是否为入库订单的第一个货物；

若不是入库订单的第一个货物，则按指定任务序列入库，依据任务序列输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；

若是入库订单的第一个货物，则检索所有有空位且没有任务序列的巷道，判断检索出的巷道是否存在空位大于入库订单货物数量的巷道；

若存在空位大于入库订单货物数量的巷道，则将空位大于入库订单货物数量的巷道按调度路径长短从短到长进行排序，并按顺序从中取出一个巷道判断其是否为空巷道；若是空巷道，则确定该巷道为入库巷道；货位为该巷道入库方向的第一个货位；输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；

若不是空巷道，则进一步判断入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若冲突，则取出下一个空位大于入库订单货物数量的巷道判断其是否为空巷道；若不冲突，则确定该巷道为入库巷道，货位为该巷道入库方向最后一个货物的后一个货位；输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；

若不存在空位大于入库订单货物数量的巷道，则判断检索出的巷道是否存在满足入库订单货物数量条件的巷道集群，巷道集群是指巷道之间货架号与层号均需要相差3以内的多个巷道组成的集群；

若存在满足入库订单货物数量条件的巷道集群，则将满足入库订单货物数量条件的巷道集群按总调度路径长短从短到长进行排序，并按顺序从中取出一个巷道集群，判断该入库订单出库时间是否与该巷道集群的巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若不冲突，则将该巷道集群中的巷道按调度路径长短从短到长进行排序，入库订单按顺序地依据巷道的空位分割成若干个子订单，并给对应堆垛机、穿梭车安排该入库订单的任务序列；确定各个子订单对应的巷道作为入库巷道，各巷道的货位为该巷道入库方向最后一个货物的后一个货位，若巷道为空巷道，则货位为该巷道入库方向的第一个货位；依据任务序列输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；若冲突，则进一步判断该巷道集群是否为最后一个满足入库订单货物数量条件的巷道集群；若不是最后一个满足入库订单货物数量条件的巷道集群，则按顺序取出下一个满足入库订单货物数量条件的巷道集群，判断该入库订单出库时间是否存在与该巷道集群的巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若是最后一个满足入库订单货物数量条件的巷道集群，则将检索出的巷道按调度路径长短从短到长进行排序，按顺序从中取出一个巷道，判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若冲突，则按顺序取下一个检索出的巷道，判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若不冲突，则确定入库巷道为该巷道，入库订单按照该巷道的空位分割出一个子订单，并给对应堆垛机、穿梭车安排该子订单的任务序列，货位为该巷道的入库方向最后一个货物的后一个货位，若该巷道为空巷道，则货位为该巷道的第一个货位；再判断检索出的剩余的巷道是否存在巷道空位大于剩余入库订单货物数量，若不存在，则取出下一个检索出巷道，判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若存在，则将剩余巷道按照调度路径长短从短至长进行排序，按顺序从中取一个剩余巷道，判断该入库订单出货时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间冲突，若冲突，则取下一个剩余巷道，判断该入库订单出货时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若不冲突，则确定入库订单剩余货物的入库巷道为该剩余巷道，给对应堆垛机、穿梭车安排该入库订单剩余货物的任务序列，货位为该巷道的入库方向最后一个货物的后一个货位，若该巷道为空巷道，则货位为该巷道的第一个货位，依据任务序列输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；

若不存在满足入库订单货物数量条件的巷道集群，则将检索出的巷道按调度路径长短从短到长进行排序，按顺序从中取出一个巷道，判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若冲突，则按顺序取下一个检索出的巷道，判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若不冲突，则确定入库巷道为该巷道，入库订单按照该巷道的空位分割出一个子订单，并给对应堆垛机、穿梭车安排该子订单的任务序列，货位为该巷道的入库方向最后一个货物的后一个货位，若该巷道为空巷道，则货位为该巷道的第一个货位；再判断检索出的剩余的巷道是否存在巷道空位大于剩余入库订单货物数量，若不存在，则取出下一个检索出巷道，判断该入库订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若存在，则将剩余巷道按照调度路径长短从短至长进行排序，按顺序从中取一个剩余巷道，判断该入库订单出货时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间冲突，若冲突，则取下一个剩余巷道，判断该入库订单出货时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突；若不冲突，则确定入库订单剩余货物的入库巷道为该剩余巷道，给对应堆垛机、穿梭车安排该入库订单剩余货物的任务序列，货位为该巷道的入库方向最后一个货物的后一个货位，若该巷道为空巷道，则货位为该巷道的第一个货位，依据任务序列输出入库堆垛机、穿梭车、货架号、层号和货位号，实物仿真平台进行入库动作；

实物仿真平台完成入库动作后，输出入库方案。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法，其特征在于，还包括：

实物仿真平台完成入库动作后，从上层MES获取订单数据，按出库时间顺序模拟订单投放，分配空闲堆垛机；

判断出库订单前或后是否有仍未出库的货物：若有仍未出库的货物，则判断出库订单所在巷道存储订单出库时间是否为递增，若是递增，则分配出库堆垛机为右堆垛机，若是递减，则分配出库堆垛机为左堆垛机；若无仍未出库的货物，则分配空闲堆垛机；

分配调度距离最短的空闲穿梭车，并判断出库订单是否为多货物订单，若是，则安排堆垛机与穿梭车的出库任务序列，依据出库任务序列输出出库堆垛机、穿梭机、出库货物货架号、货位号和层号；若否，则直接输出出库堆垛机、穿梭机、出库货物货架号、货位号和层号；

实物仿真平台根据输出的出库堆垛机、穿梭机、出库货物货架号、货位号和层号开始出库动作；

实物仿真平台完成出库动作后，输出出库方案。

3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法，其特征在于，完成全部订单出入库仿真之后，得到每个货物的出入库堆垛机、出入库穿梭车编号以及存储库位数据，还得到高密度立体仓库整线的运行性能数据；根据得出的运行性能数据，针对入库时间长和出现拥堵情况的问题对入库方案和出库方案进行迭代优化，再进行全部订单的出入库仿真，直至得出最优的入库方案。

4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法，其特征在于，

高密度立体仓库以俯视图右下侧为原点，货位号与货架号向两侧逐渐增大，货位号小一侧为右，大一侧为左，以地面作为层号原点，向上层号逐渐增大，巷道指的是中间穿梭式货架上，货架号与层号相同，而货位号从小到大排列的一组货位，即穿梭车沿货位号方向自由运动的一组货位；

计算调度路径长度的方法是：

获取目标巷道货架号、层号以及空闲的穿梭车当前的货架号、层号和货位号；

将目标巷道货架号和目标巷道层号相加，计算得到目标巷道入库路径长度；

判断入库订单分配的堆垛机是否为左堆垛机，若是，则计算穿梭车当前货架号减去目标巷道货架号的绝对值、穿梭车当前层号减去目标巷道货架号的绝对值以及货位号最大值减去穿梭车当前货位号的绝对值的三者之和，得到穿梭车调度路径长度；若否，则计算穿梭车当前货架号减去目标巷道货架号的绝对值、穿梭车当前层号减去目标巷道货架号的绝对值以及穿梭车当前货位号的三者之和，得到穿梭车调度路径长度；

计算目标巷道入库路径长度与穿梭车调度路径长度之和，得到调度路径长度；

返回调度路径长度与对应穿梭车编号。

5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的高密度立体仓库库位分配与调度方法，其特征在于：

高密度立体仓库规定一个巷道中存储订单出库时间只能为单调增加或减少，即若同一巷道中存储订单出库时间沿着货位号正方向单调增加，则该巷道已存储订单出库时间为递增；若同一巷道中存储订单出库时间沿着货位号正方向单调减少，则该巷道已存储订单出库时间为递减；

判断订单出库时间是否与该巷道已存储的货物订单的出库时间有冲突的方法是：

判断目标巷道已存储订单出库时间是否为递增：

若目标巷道已存储订单出库时间是递增，则判断入库订单是否分配左堆垛机，若是左堆垛机，则判断入库订单出库时间是否早于该入库方向最后一个货物的出库时间，若是，则返回满足条件；若否，则返回不满足条件；若是右堆垛机，则判断入库订单出库时间是否晚于该入库方向最后一个货物的出库时间，若是，则返回满足条件，若否，则返回不满足条件；

若目标巷道已存储订单出库时间是递减，则判断入库订单是否分配左堆垛机，若是左堆垛机，则判断入库订单出库时间是否晚于该入库方向最后一个货物的出库时间，若是，则返回满足条件；若否，则返回不满足条件；若是右堆垛机，则判断入库订单出库时间是否早于该入库方向最后一个货物的出库时间，若是，则返回满足条件，若否，则返回不满足条件。

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