航空货站自动化存取系统作业优化研究
本文关键词：航空货站自动化存取系统作业优化研究
更多相关文章： 航空货站自动化存取系统 货位分配 出库端口分配 作业调度 集成优化
【摘要】：仓储是航空货运的重要环节,仓储作业优化是提高航空货运整体效率的重要途径。航空货站自动化存取系统(Automated Storage and retrieval System,AS/RS)作为航空货运仓储环节的主要载体,在航空货站吞吐量需求不断增大的背景下,逐渐成为航空货运的瓶颈节点。与普通AS/RS集中在巷道端口出入库的作业方式不同,航空货站AS/RS多端口出入库的作业方式具有并发性和分布性特点,调度过程具有高密度和高柔性的特点。分阶段独立优化理念下设计的航空货站AS/RS运作策略与不断增长的吞吐量需求逐渐不相适应,探讨航空货站AS/RS的作业优化问题,对于完善航空货站AS/RS调度策略,挖掘航空货站吞吐量潜力具有重要意义。本文基于作者主持完成的航空货站AS/RS设备监控系统(Equipment Monitor System,EMS)项目,针对EMS中出入库作业流程,从货位分配、出库端口分配和升降式转运车(Elevation Transfer Vehicle,ETV)调度三个主要环节入手,对航空货站AS/RS不同作业模式下的作业优化问题进行了深入研究。系统自动分配目的地址入库是EMS中主要的入库作业方式之一,最近邻货位分配策略和先到先服务调度策略分别是货位分配阶段和调度阶段采用的作业策略。该作业流程中分阶段独立优化的运作策略割裂了货位分配阶段和调度阶段的相关性,影响和限制了航空货站AS/RS作业效率的进一步提高。针对上述作业流程中运作策略的缺陷,本文采用集成优化的方法,统筹考虑货位分配和作业调度对作业效率的影响,建立了货位分配和指令排序的集成优化模型。针对问题特点,设计了两阶段禁忌搜索算法对模型进行求解,并通过不同问题规模的算例验证了算法的有效性。集成优化方法与分别优化方法仿真结果对比表明,集成优化算法在解的性能和计算时间上均优于分别优化方法,最大改进率分别达到了11.09%和23.98%。在双ETV并行作业模式下,指定目的地址入库和按航空集装器(Unit Load Device,ULD)编号出库两种作业方式均由用户指定作业指令的目的地址,生成的作业指令采用先到先服务调度策略分别由两台ETV完成。该调度策略下的指令分组与排序没有考虑双板作业和防冲突避让对作业效率的影响,限制了航空货站AS/RS作业效率的提高和吞吐量潜力的挖掘。在双ETV并行作业模式下,本文对作业指令分组和排序问题进行了优化研究,其优化过程统筹考虑了双板作业和防冲突避让对作业效率的影响,以指令序列完工时间最短为优化目标,建立了双ETV调度优化模型,并设计了改进的蚁群算法对模型进行了求解。不同指令序列规模下的仿真结果对比表明,本文优化方法得到的指令序列完工时间均优于先到先服务调度策略,改进率为37.35%~53.61%。EMS中按航班编号出库实现了同一航班承运的全部库存ULD的出库作业。该作业流程中出库端口分配采用了最近邻端口分配策略,双ETV并行作业模式下的作业过程采用了先到先服务的调度策略。本文针对按航班编号出库作业流程中分阶段独立优化作业策略的弊端,在双ETV调度优化问题基础之上,引入出库端口选择对双板作业和防冲突避让以及作业效率的影响,从联合优化的角度抽象出端口分配和双ETV调度的集成优化模型,并给出了模型的求解方法。不同指令序列规模下的对比仿真结果表明,本文集成优化方法在不同指令序列规模下均优于分步优化方法,平均改进率为7.35%,最高改进率达到了9.84%。作业模式方面,针对航空货站不同作业时段作业任务的不均衡性,提出了统筹考虑作业效率和作业能耗的节能作业模式。在双ETV并行作业模式下,分析了双板作业和防冲突避让对作业效率和能耗的影响,以能耗最小和指令序列完工时间最短为优化目标,建立了节能模式下双ETV调度多目标优化数学模型。并设计了改进的非支配排序遗传算法对模型进行求解,通过实验仿真验证了模型的正确性和算法的有效性。仿真实验最终得到的pareto最优解集中,指令序列完工时间最短的调度方案相比能耗最低的调度方案作业效率提高了27.17%,而能耗最低的调度方案相比指令序列完工时间最短的调度方案能耗节约了17.89%。
【关键词】：航空货站自动化存取系统 货位分配 出库端口分配 作业调度 集成优化
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V353
【目录】：
- 摘要4-6
- Abstract6-13
- 第1章 绪论13-42
- 1.1 研究背景和课题来源13-15
- 1.1.1 研究背景13-14
- 1.1.2 课题来源14-15
- 1.2 研究对象15-25
- 1.2.1 航空货站AS/RS设备监控系统概述15-16
- 1.2.2 航空货站AS/RS主要工艺设备简介16-19
- 1.2.3 航空货站主要业务流程介绍19-23
- 1.2.4 航空货站AS/RS典型作业流程介绍23-25
- 1.3 研究问题的提出25-30
- 1.3.1 航空货站AS/RS作业工艺方式和设备结构约束的复杂性25-26
- 1.3.2 EMS调度策略分析26-28
- 1.3.3 改善航调度策略的必要性28-29
- 1.3.4 航空货站AS/RS作业优化需解决的问题29-30
- 1.3.5 研究范围和基本假设30
- 1.4 课题的研究意义30-32
- 1.5 国内外相关研究综述32-38
- 1.5.1 货位分配的研究现状32-36
- 1.5.2 货位分配研究的不足36
- 1.5.3 作业调度问题的研究现状36-38
- 1.5.4 作业调度问题研究的不足38
- 1.6 研究框架及思路38-40
- 1.7 本文研究内容及结构安排40-42
- 第2章 航空货站AS/RS货位分配和指令排序集成优化42-56
- 2.1 货位分配和指令排序集成优化问题的提出42-43
- 2.2 货位分配和指令排序集成优化问题描述43-45
- 2.3 货位分配和指令排序集成优化数学模型45-47
- 2.3.1 符号定义45-46
- 2.3.2 数学模型46-47
- 2.4 问题特点与算法实现47-53
- 2.4.1 问题特点47-49
- 2.4.2 算法实现49-53
- 2.5 算例分析53-55
- 2.6 本章小结55-56
- 第3章 航空货站AS/RS双ETV调度优化56-71
- 3.1 双ETV调度优化问题的提出56-57
- 3.2 双ETV调度优化问题描述57
- 3.3 双ETV并行作业模式下指令序列完工时间分析57-59
- 3.3.1 单板作业模式下指令序列完工时间分析57-58
- 3.3.2 双板作业模式下指令序列完工时间分析58-59
- 3.3.3 避让作业模式下指令序列完工时间分析59
- 3.4 双ETV调度优化数学模型59-61
- 3.4.1 相关定义59-60
- 3.4.2 符号定义60
- 3.4.3 调度模型60-61
- 3.5 算法实现61-67
- 3.5.1 权重信息素62
- 3.5.2 转移策略的改进62-64
- 3.5.3 算法仿真步骤64-67
- 3.6 算例分析67-70
- 3.7 本章小结70-71
- 第4章 航空货站AS/RS出库端口分配和双ETV调度集成优化71-91
- 4.1 出库端口分配和双ETV调度集成优化问题的提出71-72
- 4.2 出库端口分配和双ETV调度集成优化问题描述72-73
- 4.3 出库端口分配和双ETV调度对作业效率的影响分析73-78
- 4.3.1 航空货站AS/RS出库端口分配和指令排序对作业时间的影响73-75
- 4.3.2 双板作业模式下出库端口分配和双板组合对作业效率的影响75-77
- 4.3.3 双ETV并行作业模式下端口分配和ETV避让对作业效率的影响77-78
- 4.4 出库端口分配和双ETV调度集成优化数学模型78-80
- 4.4.1 符号定义78-79
- 4.4.2 数学模型79-80
- 4.5 算法实现80-87
- 4.5.1 染色体编码设计80-81
- 4.5.2 初始种群的生成81-82
- 4.5.3 适应度函数和种群选择82
- 4.5.4 交叉算子和变异算子82-86
- 4.5.5 算法流程86-87
- 4.6 实验分析87-90
- 4.7 本章小结90-91
- 第5章 节能模式下的双ETV作业调度优化91-114
- 5.1 节能模式下双ETV作业调度优化问题的提出91
- 5.2 节能模式下的双ETV调度优化问题描述91-92
- 5.3 基于ETV运行状态的能耗分析92-97
- 5.3.1 运行状体分析92-93
- 5.3.2 单板作业模式能耗分析93-94
- 5.3.3 双板作业模式能耗分析94-96
- 5.3.4 避让模式下能耗分析96-97
- 5.4 节能模式下的双ETV调度优化问题的多目标数学模型97-100
- 5.4.1 符号定义97-99
- 5.4.2 调度模型99-100
- 5.5 基于非支配排序遗传算法的模型求解100-106
- 5.5.1 染色体编码与解码100-101
- 5.5.2 初始种群的生成101
- 5.5.3 选择算子101-102
- 5.5.4 交叉算子102-104
- 5.5.5 变异算子104-105
- 5.5.6 算法总体流程105-106
- 5.6 实验分析106-112
- 5.7 本章小结112-114
- 第6章 总结与展望114-118
- 6.1 主要研究内容和研究成果114-115
- 6.2 主要创新点及成果的工程化应用115-117
- 6.2.1 本文的主要创新点115-116
- 6.2.2 研究成果的工程化应用116-117
- 6.3 工作展望117-118
- 致谢118-119
- 参考文献119-124
- 攻读学位期间的研究成果124
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，本文编号：761271
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