基于機器視覺的多巷道自動化立體倉庫貨位透明化分配方法

東純海

(國網天津市電力公司物資公司,天津 300300)

在社會物資生產和運輸過程中,倉儲占據著重要的地位,完美銜接了供應鏈中生產、配送等多個環節[1]。隨著倉庫需求越來越高,近年來出現一種多巷道自動化立體倉庫,由于其具有占地面積小、智能化程度高的特點,已經被廣泛應用至多個企業。實際操作過程中,自動化立體倉庫需要存儲的貨物種類繁多[2],如若不能進行良好的貨位分配,倉儲物流整體效率會受到極大影響。

文獻[3]應用縮減問題解空間的思想,建立貨位分配策略。根據待存儲貨物之間的關聯性,建立關聯網絡并進行聚類分析,將同屬一類的貨物擺放至同一區域,形成最終貨位分配方案。但當貨物量較大時,該方法生成的分配結果較為混亂。文獻[4]基于堆垛機運行速度,明確倉儲存儲系統日常工作模式。再針對出入庫時間、貨架穩定性,建立符合實際要求的貨位分配模型,并通過改進遺傳算法求得模型最優解。但是,該方法計算復雜度較高。文獻[5]針對智能倉庫儲位分配問題進行研究,依據歷史訂單信息貨物每一類商品的周轉率、關聯度,再建立以最大關聯度為目標的數學模型, 最終在啟發式算法的作用下,求解最優分配結果。但是,該方法出庫效率較低。

考慮到立體倉庫貨位分配過程中,判斷貨位是否屬于空閑狀態是一個十分重要的環節。為此,文中運用機器視覺技術,設計一種透明化分配方法,實現多巷道自動化立體倉庫貨位的合理分配。從實驗測試結果可以看出,執行文中設計方法生成的貨位分配方案后,有效提升了訂單出庫效率。

1 設計以機器視覺為基礎的多巷道自動化立體倉庫貨位透明化分配方法

1.1 建立自動化立體倉庫貨位分區方案

考慮到立體倉庫的貨物存取都需要依托于機械設備,文中從堆垛機作業形式入手,明確堆垛機在巷道內的搬運能力。多巷道自動化立體倉庫中的堆垛機大部分采用復合作業模式[6],也就是說堆垛機會將一條入庫指令和一條出庫指令組合起來進行執行,從而提升貨物運輸效率。結合堆垛機復合作業工作特點和每種貨物的質量特點,建立貨位分區方案。將整個立體倉庫劃分為多個區域,每個區域放置一種或幾種貨物。

為了更好地滿足自動化立體倉庫出入庫需求,本文運用ABC分類法對存儲貨物進行分類,以一個3行9列的貨架為例,最終貨位分區結果如圖1所示。

根據圖1可知,在ABC分類法的作用下,貨架內貨位被劃分為3個區域。3個區域與倉庫出入口之間的距離排序為A>B>C,不同區域的貨物出入庫效率排序結果也是A>B>C。在實際貨位分區過程中,可以根據貨物的出入庫頻率,確定其具體的分配位置。

1.2 設計基于機器視覺的貨位識別算法

貨位分區完成后,根據待存儲貨物類別確定其放置的大概區域,在通過機器視覺技術,識別區域內貨架上的空閑貨位放置貨物。文中提出在堆垛機上安裝標定后的工業相機,實時采集多巷道自動化立體倉庫現場貨架圖像,將采集圖像的色彩空間從RGB轉換為HSV,并進行歸一化處理,完成圖像分割前的預處理工作。

本文依托Onecut算法[7]完成貨架圖像分割的,針對圖像建立顏色直方圖,劃分圖像的前景和背景,形成如下所示能量模型:

(1)

根據最小化熵函數對能量函數進一步分析,計算前景與背景最小重疊像素,重疊懲罰表達公式為:

(2)

公式中,I表示重疊懲罰項。在Onecut算法的作用下,將前景信息包圍在矩形內,完成相機采集圖像的分割:

(3)

公式中,F表示膨脹算子,θ表示平滑項。最后,運用Graphcut算法求取最小化的能量函數,得到貨架圖像分割結果。圖像分割技術后,保留了目標物體,再運用Canny邊緣檢測算法獲取貨架輪廓信息[8],明確當前貨架內各個貨位的空閑情況。至此,依托機器視覺技術完成有效貨位的識別,并透明化展示多巷道自動化立體倉庫貨位狀態。

1.3 構建貨位透明化分配數學模型

考慮到倉庫內存儲的貨物中存在使用頻率較高的貨物,這類貨物極有可能頻繁出入庫。因此,在貨位分配時需要將其存放在距離門口較近的貨架,實現出入庫運行時間的減少。出入庫運行時間,會受到堆垛機運行速度、貨位和進出口之間的距離影響[9],具體計算公式如下所示:

fxy=

(4)

公式中,x表示倉庫貨位橫坐標,y表示倉庫貨位縱坐標,L表示貨位水平長度,H表示貨位垂直高度,f表示從貨位處運行到倉庫出入口端的耗時,max表示最大值,σ表示堆垛機運行速度。

通常情況下,將企業整個生產周期內進出庫時間相加,即可得出堆垛機作業總時間,則有:

(5)

(6)

自動化立體倉庫與平面倉庫不同,貨物存儲時需要考慮貨架的載重能力,確保放置的貨物不超出貨架承重能力,對此提出貨位透明化分配數學模型對應的約束公式:

(7)

公式中,εmax表示貨架最大承重能力。

文中以貨物出入庫運行時間為考量,基于上述約束條件,建立以出入庫效率最高為目標的倉庫貨位分配函數:

(8)

公式中,ρ表示目標函數,min表示最小值。

1.4 生成最優貨位分配方案

對于上述構建的貨位分配模型,文中采用決策樹搜索算法[10],得到多種貨位分配方案,再通過對比每種分配方案的收益指標,生成最優貨位分配方案。多種貨位分配方案的排序結果為:

c1,j≥c2,j≥…≥ca,j≥…≥cb,j

(9)

公式中,j表示待分配貨物,a表示貨位分配方案,b表示貨位分配方案總數量,c表示分配方案對應的收益指標。

按照分配方案排序結果建立分配指導表。表的行數由待分配貨物數量確定,表的列數受貨位分配方案數量的影響。根據自動化立體倉庫貨位分配指導表,建立圖2所示的貨位分配決策樹。

圖2 貨位分配決策樹

根據圖2可知,通過決策樹算法進行最優貨位分配方案選取時,需要先針對根節點下一層的各個貨位分配方案進行深度優先遍歷,結合分配約束條件將第一層中不符合要求的方案直接剔除,達到修建決策樹的目的。再針對符合要求的方案下一層包含的貨位分配方案進行遍歷分析,按照同樣的方式去除不可行方案,匯總所有滿足約束條件的分配方案。根據每種方案的貨物出入庫運行時間對各方案進行排序,獲取最優貨位分配方案。

2 實 驗

2.1 實驗準備

為了驗證本文提出立體倉庫貨位分配方法的有效性,選定某中型企業為研究對象,該企業內的自動化生產線有配套的多巷道自動化立體倉庫,倉庫內包含多排貨架,且每兩排貨架之間是一條可供機器運行的巷道,符合實驗要求。針對該企業的立體倉庫進行調查,得到表1所示的基本參數信息。

表1 基本參數

在表1所示的基本參數條件下,完成生產貨物的存儲和運輸。在實驗開始之前,為了加強貨位分配結果的直觀性,根據生產產品的周轉率,將產品主要劃分為3類。其中,黑色標注表示產品的周轉率在6～10之間,該類貨物出入庫頻率較高。橙色標注的產品周轉率為3～6,該類產品的出入庫頻率中等,而周轉率為0～3的產品,標注為白色。

通過了解可知,該企業的立體倉庫已經放置了部分產品,入庫前的存儲狀態如圖3所示。

圖3 入庫前倉庫存儲狀態

從圖3可以看出,倉庫內當前各貨架上均有空位,實驗過程中需要將待存儲的貨物合理分配至有效貨位。

2.2 貨位分配結果

貨位分配之前,倉庫管理員需要對待存儲的貨物進行標簽掃描,完成貨物入庫信息的核對。本次實驗設置待入庫的產品中,周轉率在 0～3范圍內的產品需要分配11個貨位,周轉率為3～5的產品需要分配7個貨位,其余產品的周轉率范圍均在6～10之間,這部分產品也需要7個貨位。針對上述貨物分配要求,應用文中提出的以機器視覺為基礎的貨位分配方法進行分析,得到最優貨位分配方案,按照該方案進行入庫存儲后,入庫后倉庫存儲狀態如圖4所示。

圖4 入庫后倉庫存儲狀態

針對圖4所示的入庫后倉庫存儲狀態進行分析,明確新入庫產品的貨位坐標,得到表2。

表2 貨位分配坐標

根據圖4和表2可知,文中提出的貨位分配方法應用后,成功將待存儲產品中周轉率較高產品集中分配在第一、二排貨架,確保產品可以快速出口。其余產品也都按照周轉率,分配在了合適的貨位。從貨位分配結果來看,這種分配結果可以縮短產品出入庫距離和時間,表明文中提出的分配方法具有可行性。

2.3 出庫效率對比

本次實驗過程中,還選用了基于粒子群算法、基于商品關聯度的分配算法,對上述待入庫產品進行貨位分配,得到圖5所示的分配結果。

圖5 兩種方法的貨位分配結果

針對不同分配方法得到的貨物分配結果,針對10個訂單進行產品出庫,得到圖6所示的出庫運行時間對比結果。

圖6 不同貨位分配方法的訂單出庫運行時間對比

根據圖6可知,應用文中提出方法進行貨位分配后,總訂單出庫運行時間為283 s,而其他兩種方法得出的貨位分配方案執行后,10個訂單出庫運行總時間分別為375 s、372 s。針對上述訂單出庫運行時間進行計算可知,運用文中提出的方法進行透明化貨位分配,可以保證出庫效率提升24.53%、23.92%,提升自動化立體倉庫的整體作業效率。

3 結 論

多巷道自動化立體倉庫的廣泛應用,使得倉庫內貨位分配問題成為企業需要解決的主要問題。文中提出將機器視覺技術應用在貨位分配過程中,針對當前立體倉庫內貨架上貨位的空閑情況進行識別,在此基礎上建立分配模型,明確待存儲貨物運送的最佳位置,更加準確地掌握了立體倉庫內空閑貨位坐標,結合產品周轉率將貨物放置于合適位置,而且與傳統分配方法相比,所提方法分配結果有利于出庫效率的提升。