遺傳算法在RFID智能倉儲系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張根林，田琳琳

(西安科技大學(xué)，西安 710054)

0 引言

倉儲作為現(xiàn)代物流系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其運(yùn)作效率直接關(guān)乎到整個供應(yīng)鏈的效率，對其進(jìn)行優(yōu)化管理能夠大幅提升物流系統(tǒng)的運(yùn)行效率。相關(guān)學(xué)者對倉儲系統(tǒng)的各個方面進(jìn)行了較為深入的研究，王璐[1]將RFID標(biāo)簽技術(shù)運(yùn)用到皮具倉儲管理當(dāng)中，實現(xiàn)了對庫存數(shù)據(jù)的自動識別和采集，明顯改善了倉儲系統(tǒng)的效率。吳晗[2]等在根據(jù)倉庫實際應(yīng)用過程中的業(yè)務(wù)需求基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲系統(tǒng)，大幅提高倉儲系統(tǒng)運(yùn)行效率。

在采用RFID技術(shù)后，出庫入庫時間大幅縮短，倉儲效率得到了明顯的提高，同時相關(guān)學(xué)者從倉儲系統(tǒng)流程角度對倉儲過程進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。王燕[3]等在服裝倉儲系統(tǒng)中運(yùn)用RFID技術(shù)對倉儲過程進(jìn)行管理，同時采用相關(guān)性統(tǒng)計分析方法對服裝倉儲系統(tǒng)中配送信息進(jìn)行評估和智能調(diào)度。彭秋瓊[4]為縮短倉儲貨物建立時長采用模糊控制算法對倉儲控制流程進(jìn)行優(yōu)化，大幅縮短倉儲表單建立流程。何涵[5]等采用調(diào)度算法對電能計量設(shè)備智能倉儲系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提升系統(tǒng)的并發(fā)性能，降低系統(tǒng)出倉反應(yīng)時間；曹偉[6]等為解決倉庫多品種物品的實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，在RFID標(biāo)簽上添加加工工序、工序流、批次與批量等信息，實現(xiàn)倉庫數(shù)據(jù)的實時采集，有效提高倉儲效率。劉愷文等[7]對倉儲過程出入庫作業(yè)調(diào)度問題，對比分析定位存儲和隨機(jī)存儲兩種入庫策略優(yōu)化，研究了入庫方式對倉儲效率的影響；張敏軍等[8]通過遺傳算法對零件倉位進(jìn)行優(yōu)化，改善倉儲入庫流程，實現(xiàn)整車制造與倉儲的協(xié)同優(yōu)化。

上述研究表明在對倉儲進(jìn)行優(yōu)化過程中，可根據(jù)倉儲的功能需求，引入對應(yīng)的優(yōu)化方法對其流程進(jìn)行改善，能夠大幅提高倉儲效率?；诖耍瑸榻鉀Q現(xiàn)有傳統(tǒng)倉儲系統(tǒng)中順序擺放造成的倉儲位置分配不合理，倉內(nèi)配送路徑混亂等問題，對倉儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，引入遺傳算法對對倉儲位置和倉儲路徑規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)倉儲系統(tǒng)的效率提升。

1 倉儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于物流倉儲系統(tǒng)柔性、可維護(hù)、可靠原則，根據(jù)當(dāng)前物流倉儲系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行設(shè)計如圖1所示，分為系統(tǒng)管理層、數(shù)據(jù)傳輸層、物理硬件層、信息載體層。系統(tǒng)管理層作為倉儲系統(tǒng)的信息處理中心，負(fù)責(zé)倉儲數(shù)據(jù)的存儲，物品出入庫流程管理等；數(shù)據(jù)傳輸層是具有標(biāo)準(zhǔn)程序接口和協(xié)議的通用服務(wù)，負(fù)責(zé)硬件物理層與系統(tǒng)管理層之間的數(shù)據(jù)交換；物理硬件層作為系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)信息來源，承擔(dān)了倉儲系統(tǒng)各類信息的采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸層進(jìn)入系統(tǒng)管理層，數(shù)據(jù)存儲和程序管理分別由程序單獨進(jìn)行，使系統(tǒng)管理和倉儲動作更加流暢的進(jìn)行；信息載體常貼附在倉儲物品上，記錄著倉儲對象的型號、類型、出入庫等信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊

在倉儲系統(tǒng)當(dāng)中，數(shù)據(jù)處理、出入庫流程和儲存位置分配是評判倉儲系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素，其均由系統(tǒng)管理層進(jìn)行控制，故對系統(tǒng)管理層的優(yōu)化將極大提高倉儲系統(tǒng)的性能。倉儲管理層主要可分為硬件和管理軟件兩個部分，硬件是管理軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)，對原有倉儲管理系統(tǒng)的不足進(jìn)行分析，基于RFID和遺傳優(yōu)化算法對倉儲系統(tǒng)進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計如圖2所示。采用S7-300 PLC，與物理硬件層設(shè)備和優(yōu)化運(yùn)算服務(wù)器之間采用MPI協(xié)議通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。在倉儲出入庫高峰時段，需對大量數(shù)據(jù)按照特定的規(guī)則實時輸入、輸出，考慮到數(shù)據(jù)流的特點采用MAX232芯片進(jìn)行通信連接，其優(yōu)點在于能夠針對不同時間間隔的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步或異步通信，降低數(shù)據(jù)傳輸延遲和系統(tǒng)資源占用，提升產(chǎn)出系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 倉儲系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

為實現(xiàn)對倉儲的高效管理，基于硬件平臺設(shè)計具備實時監(jiān)控和在線優(yōu)化的智能倉儲軟件系統(tǒng)，以此提升智能倉儲系統(tǒng)的使用性能。

2.1 倉儲系統(tǒng)的實時監(jiān)控

設(shè)計智能倉儲流程如圖3所示，以S7-1200PLC為控制核心，通過調(diào)用出入庫、倉位分配、運(yùn)送、分揀等程序，通過控制傳感器實時監(jiān)控貨物的出入庫、倉儲狀態(tài)信息，同時將數(shù)據(jù)通過MPI通訊協(xié)議傳送至優(yōu)化站，觸發(fā)遺傳算法對倉位分配和配送路徑的實時優(yōu)化。

圖3 智能倉儲流程

控制傳感器對入庫物品RFID標(biāo)簽信息進(jìn)行提取，反饋給入庫模塊完成相關(guān)單據(jù)后將信息通過MPI通訊協(xié)議傳輸至控制核心，由控制核心進(jìn)行倉位和倉儲配送路徑優(yōu)化后發(fā)送入庫指令至AGV載運(yùn)工具，并通過控制傳感器實時監(jiān)控物品位置。

2.2 倉儲系統(tǒng)的在線優(yōu)化

遺傳算法以輸入項為父項進(jìn)行交叉、變異處理，判定后代種群的適用度，直到適應(yīng)度收斂得出最優(yōu)方案的優(yōu)化方法[9]。在智能倉儲系統(tǒng)中，可將通過物理硬件層得到倉儲物品的屬性、規(guī)格、使用頻率、儲存時長等作為輸入項，以最優(yōu)倉儲位置分配為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算；同時可將遺傳算法運(yùn)用到對倉儲路徑的優(yōu)化當(dāng)中，通過將倉儲坐標(biāo)、倉儲區(qū)域路線分布等轉(zhuǎn)換為量化數(shù)據(jù)，以最優(yōu)倉儲路徑為目標(biāo)進(jìn)行尋優(yōu)計算，最后將得到的最優(yōu)倉儲位置和最優(yōu)配送路徑通過控制核心將指令傳至AGV載運(yùn)工具，實現(xiàn)倉儲的倉儲位置優(yōu)化流程如圖4所示，得出優(yōu)化結(jié)果后通過MPI協(xié)議傳輸至控制核心進(jìn)行指令下發(fā)。

圖4 遺傳算法優(yōu)化流程

3 倉儲系統(tǒng)效果分析

以機(jī)械部件倉儲系統(tǒng)作為實驗對象，采用控制變量法在保持所有環(huán)境不變的情況下，分別采用基于遺傳算法改進(jìn)的倉儲管理系統(tǒng)和傳統(tǒng)流程倉儲管理系統(tǒng)進(jìn)行對比，具體測試流程如下：

1）在入庫區(qū)平均設(shè)置不同規(guī)格、屬性、使用頻率、儲存時長的倉儲物品，作為實驗倉儲物，設(shè)置單位時間為1小時，每次測試結(jié)束后按順序布置倉儲物品，保證實驗的一致性。

2）采用基于遺傳算法改進(jìn)的倉儲管理系統(tǒng)對倉儲系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度，進(jìn)行滿負(fù)荷倉儲調(diào)度，重復(fù)倉儲過程5次，將每次單位時間內(nèi)倉儲的數(shù)據(jù)記錄為實驗組。

3）采用傳統(tǒng)倉儲管理系統(tǒng)對倉儲系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度，進(jìn)行滿負(fù)荷倉儲調(diào)度，重復(fù)倉儲過程5次，將每次單位時間內(nèi)倉儲的數(shù)據(jù)記錄為實驗組。

4）從單位時間內(nèi)倉儲量、單次倉儲平均路線長度方面對比實驗組和參照組數(shù)據(jù)。

在倉儲系統(tǒng)中，單位時間內(nèi)倉儲吞吐量能夠反映出整個倉儲系統(tǒng)的運(yùn)載能力，單位時間內(nèi)完成的倉儲吞吐數(shù)量越多，表明倉儲系統(tǒng)的運(yùn)載能力越強(qiáng)。同時，單次倉儲路線長度能夠反映倉儲路線的規(guī)劃能力，運(yùn)送過程在倉儲中耗時最長，其耗時越短表明倉儲路徑優(yōu)化效果越明顯。

單位時間內(nèi)倉儲吞吐量、單次倉儲平均路線長度如圖5所示，每次使用倉儲物品均順序擺放，有效降低試驗的隨機(jī)誤差，傳統(tǒng)倉儲系統(tǒng)和優(yōu)化后倉儲系統(tǒng)在5次試驗中吞吐量基本一致，表明兩個系統(tǒng)都能穩(wěn)定的完成倉儲任務(wù)。在采用遺傳算法對倉儲位置和配送路徑進(jìn)行優(yōu)化后，單位時間內(nèi)倉儲效率提高55%，單詞倉儲路線長度下降30%，與傳統(tǒng)倉儲系統(tǒng)隨機(jī)分配倉儲的方式，整個系統(tǒng)的效率得到大幅提高。

圖5 試驗數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)語

為解決現(xiàn)有倉儲系統(tǒng)中順序擺放造成的倉儲位置分配不合理，倉內(nèi)配送路徑混亂等問題，在倉儲流程中引入遺傳算法對倉儲位置和倉儲路徑規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化。通過將倉儲物品的屬性、規(guī)格、使用頻率、儲存時長等作為輸入項，以最優(yōu)倉儲位置分配為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算。同時，將倉儲坐標(biāo)、倉儲區(qū)域路線分布等轉(zhuǎn)換為量化數(shù)據(jù)，以最優(yōu)倉儲路徑為目標(biāo)進(jìn)行尋優(yōu)計算。通過實驗對優(yōu)化后倉儲系統(tǒng)進(jìn)行驗證，倉儲系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，同時效率得到了大幅提升。