面向单向环线多负载自动导引车物料配送的调度优化方法及系统

本发明属于生产物流调度，具体是一种面向单向环线多负载自动导引车物料配送的调度优化方法，一种面向单向环线多负载自动导引车物料配送的调度优化系统。

背景技术：

1、环形轨道物料配送系统凭借布局紧凑、路径固定、流转可控的技术优势，被广泛应用于柔性制造车间、玻纤生产拉丝区、自动化仓储等工业场景，是实现多工位间物料自动化转运、支撑连续生产的核心物流装备。其中，单向行驶环形轨道因架构简单、控制成本低，是目前行业内应用最为普遍的轨道形式。

2、为适配产能提升带来的物料配送需求增长，现有技术中较为常规的优化思路是增加环形轨道上运行的穿梭车或自动导引车数量，通过提升车辆密度来缩短配送周期、提高补给频次。但单向环形轨道存在无法超车、车辆在工作台停靠作业会阻断后续整条轨道车流的固有物理特性，当车辆数量增加到一定程度后，车辆间的相互干扰、工位停靠引发的排队拥堵现象会逐步加剧，反而导致系统整体通行效率下降、配送时延增加，严重时还可能出现轨道运行死锁的情况。针对这一问题，申请号为cn202211211927.0的专利申请提出了一种双工位穿梭车输送系统及调度方法，通过在单台穿梭车上设置前后两个载物工位，配合环形轨道周侧的回转装卸区与回转台，依靠前后工位与装卸工位的时序配合完成物料装卸流转，在不增加车辆数量的前提下提升单趟运载能力与装卸效率，对缓解车辆增多带来的拥堵问题起到了一定作用。

3、然而，上述方案的调度逻辑以实时装卸需求为触发、以单趟运输循环为单位进行规划，逐次响应工位需求后再安排当次穿梭车的停靠顺序与装卸时序，优化范围仅局限于单次运输过程的装卸衔接效率，并未将完整生产周期内所有工作台的物料需求、车辆往返循环的运行规律、环轨通行与工位停靠的硬约束进行通盘考量，因此较难在单向环轨的物理限制下，对发车时机、沿途停靠工位组合以及各工位的补给批量进行全局层面的统筹匹配，也就难以实现系统整体运力效率的最优。同时，该方案中前后工位的时序配合必须依托回转装卸区、回转台、暂存区等专用配套硬件才能实现，调度逻辑围绕特定场景下的空满载具交换设计，场景适配性相对有限，难以直接应用于无专用回转装置、多工位连续生产的通用柔性制造物料补给场景。更值得注意的是，现有这类环轨调度方案大多聚焦于车辆通行与装卸作业本身的效率提升，较少将各工位的物料消耗规律、库存上下限的生产要求与环轨通行约束结合起来统筹设计调度策略，调度过程难以精准匹配各工位的物料消耗节奏，既不容易稳定保障各工位连续生产所需的物料供应，也较难将工位库存控制在合理容量范围内，无法在同时满足通行安全与生产要求的前提下，将车辆总发车次数控制在最经济的水平，单向环轨物理约束下运力提升与通行安全之间的调度矛盾仍未得到有效化解。

技术实现思路

1、为了解决单向环形轨道物料配送系统因无法超车、停靠阻断车流的固有物理约束，导致现有调度方式难以兼顾运行无冲突与物料准时供应，配送安全性与配送效率无法协同提升的技术问题，本发明提供了一种面向单向环线多负载自动导引车物料配送的调度优化方法，以及一种面向单向环线多负载自动导引车物料配送的调度优化系统。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种面向单向环线多负载自动导引车物料配送的调度优化方法，应用于由单个补货点、多个工作台与单向行驶环形轨道构成的柔性制造物料配送系统，包括以下步骤：

4、采用货架不离车作业机制，并调度约束条件与优化目标；调度约束条件包括：单台自动导引车单次装载货物数量不超过预设的货架槽位上限，任意两台自动导引车的发车时间间隔不小于最小安全间隔，同一时刻任意工作台仅允许一台自动导引车停靠或通过，各工作台物料库存量始终大于等于零且不超过对应工作台的最大库存容量；优化目标为最小化规划周期内自动导引车的总发车次数；

5、基于调度约束条件与优化目标，以满足各约束条件下的最小化总发车次数为目标函数，构建实体流与负载流相耦合的混合整数线性规划调度模型；

6、采用准时制驱动的贪婪随机自适应搜索算法对混合整数线性规划调度模型进行求解，以全局断供预警逆向推导最晚发车时间，通过受限候选集贪婪随机机制填充自动导引车剩余运力，经多轮迭代筛选后输出满足全部约束的最优自动导引车调度方案，并下发至柔性制造物料配送系统用于调配自动导引车。

7、作为上述方案的进一步改进：构建混合整数线性规划调度模型的过程具体如下：

8、定义模型对应的集合参数、自动导引车行驶作业时间参数与物料配送业务参数，作为模型的输入基础；

9、设置三类决策变量，分别为用于追踪自动导引车时空运行轨迹的车辆时空轨迹类0-1离散变量、用于表征系统资源与库存状态的资源系统状态类连续变量、用于追踪自动导引车载货数量变化的货架负载流类连续变量；

10、确定以规划周期内自动导引车总发车次数最小化为核心的目标函数；

11、构建覆盖车辆资源循环约束、线上流量守恒约束、货架负载流约束、单轨隐式防冲突约束、动态库存平衡约束的约束体系，并通过车辆时空轨迹类0-1离散变量与货架负载流类连续变量的上界绑定关系，实现实体流与负载流的逻辑耦合。

12、作为上述方案的进一步改进：集合参数包括：离散化后的时间步集合t={1,2,...,tmax}，其中tmax为规划周期长度；工作台节点集合n={1,...,i,...,n}，i为工作台编号，n为工作台总数，补货点记为节点0；单次卸载货物数量集合k={1,2,3}；

13、自动导引车行驶作业时间参数包括：柔性制造物料配送系统中自动导引车的物理总数量vtotal，自动导引车返回补货点后的线下整备时间trefill，发车最小安全时间间隔h，补货点行驶至第一个工作台的时间，从第i个工作台匀速行驶到第i+1个工作台所需的时间步数，从工作台n匀速行驶回补货点所需的时间步数，自动导引车停靠并卸载k个货物所需的总固定时间步数tu(k），其中k为单次卸载的满载货架数量，取值为1、2、3；

14、物料配送业务参数包括：第i个工作台单位时间的物料消耗量di，第i个工作台对应的单个满载货架所包含的精确物料数量qi，第i个工作台在初始时刻的物料库存量ii,0，第i个工作台的最大物料库存容量。

15、作为上述方案的进一步改进：车辆时空轨迹类0-1离散变量包括：t时刻的发车状态变量ut，表示t时刻是否从补货点发出一台载有货物的自动导引车，是为1，否为0；t时刻返回补货点状态变量wt，表示t时刻是否有一台完成任务的自动导引车回到补货点并开始整备，是为1，否为0；t时刻直行通过工作台状态变量pi,t，表示t时刻是否有一台自动导引车到达第i个工作台并直行通过，是为1，否为0；t时刻停靠卸载k个货物状态变量，表示t时刻是否有一台自动导引车到达第i个工作台并开始停靠卸载k个货物，是为1，否为0；

16、资源系统状态类连续变量包括：t时刻补货点可用自动导引车数量at，表示t时刻补货点处于可用待命状态的自动导引车数量；t时刻的物料库存量ii,t，表示第i个工作台在t时刻的物料剩余库存量；

17、货架负载流类连续变量包括：到达工作台时的剩余货物数，表示t时刻t到达第i个工作台的自动导引车所携带的剩余满载货物数；直行通过工作台后的剩余货物数，表示t时刻直行通过第i个工作台的自动导引车所携带的剩余货物数；停靠卸载货物后的剩余货物数，表示t时刻停靠在第i个工作台并卸载k个货物后，自动导引车上剩余的货物数。

18、作为上述方案的进一步改进：约束体系中各类约束的具体内容如下：

19、车辆资源循环约束，用于规范自动导引车从发车、执行配送任务到返回补货点整备的全生命周期资源守恒关系，具体包含：

20、车辆返回约束，表达式为：

21、；

22、式中，表示时刻是否有一台自动导引车到达工作台n并直行通过，是为1，否为0；表示t时刻是否有一台自动导引车到达工作台n并开始停靠卸载k个货物，是为1，否为0；表示任意一项；

23、可用车辆平衡约束，表达式为：

24、；

25、式中，at-1表示t-1时刻补货点处于可用待命状态的自动导引车数量；表示时刻是否有一台完成任务的自动导引车回到补货点并开始整备，是为1，否为0；

26、发车数量限制约束，表达式为：

27、；

28、初始条件约束，表达式为：

29、；

30、式中，a0表示初始时刻补货点处于可用待命状态的自动导引车数量；

31、线上流量守恒约束，用于保证自动导引车在环形轨道上的时空轨迹连续且唯一，具体包含：

32、首节点进入守恒约束，表达式为：

33、；

34、式中，p1,t表示t时刻是否有一台自动导引车到达第1个工作台并直行通过，是为1，否为0；表示t时刻是否有一台自动导引车到达第1个工作台并开始停靠卸载k个货物，是为1，否为0；表示时刻是否从补货点发出一台载有货物的自动导引车，是为1，否为0；

35、工作台级联传递守恒约束，表达式为：

36、；

37、式中，pi,t表示t时刻是否有一台自动导引车到达第i个工作台并直行通过，是为1，否为0；表示t时刻是否有一台自动导引车到达第i个工作台并开始停靠卸载k个货物，是为1，否为0；为从第i-1个工作台匀速行驶到第i个工作台所需的时间步数；表示时刻是否有一台自动导引车到达第i-1个工作台并直行通过，是为1，否为0；表示时刻是否有一台自动导引车到达第i-1个工作台并开始停靠卸载k个货物，是为1，否为0；

38、货架负载流约束，用于追踪自动导引车行驶过程中的载货数量变化，匹配负载流与实体作业动作的对应关系，具体包含：

39、初始发车容量约束，表达式为：

40、；

41、式中，为t时刻到达第1个工作台的自动导引车所携带的剩余满载货物数；

42、负载跨节点传递约束，表达式为：

43、；

44、式中，为t时刻到达第i个工作台的自动导引车所携带的剩余满载货物数；为时刻直行通过第i-1个工作台的自动导引车所携带的剩余货物数；为时刻在第i-1个工作台停靠并卸载k个货物后自动导引车上剩余的货物数；

45、卸载扣减约束，表达式为：

46、；

47、式中，为t时刻直行通过第i个工作台的自动导引车所携带的剩余货物数；为t时刻在第i个工作台停靠并卸载k个货物后自动导引车上剩余的货物数；

48、物理容量绑定约束包括直行通过场景绑定约束与停靠卸载场景绑定约束，表达式分别为：

49、；

50、；

51、单轨隐式防冲突约束，用于从规划层面规避轨道追尾与工作台碰撞拥堵，具体包含：

52、发车安全间隔约束，表达式为：

53、；

54、式中，为时间步求和变量；为时刻是否从补货点发出一台载有货物的自动导引车，是为1，否为0；

55、工作台物理互斥约束，表达式为：

56、；

57、式中，表示时刻是否有一台自动导引车到达第i个工作台并开始停靠卸载k个货物，是为1，否为0；

58、动态库存平衡约束，用于维持各工作台物料库存的合理区间，保障零断供且无爆仓，具体包含：

59、库存动态更新约束，表达式为：

60、；

61、式中，ii,t-1表示第i个工作台在t-1时刻的物料剩余库存量；表示时刻是否有一台自动导引车到达第i个工作台并开始停靠卸载k个货物，是为1，否为0；

62、库存边界约束，表达式为：

63、。

64、作为上述方案的进一步改进：实体流与负载流的逻辑耦合通过物理容量绑定约束实现；物理容量绑定约束以车辆时空轨迹类0-1离散变量作为货架负载流类连续变量的上界控制因子，将自动导引车的实体存在状态与载货数量绑定，包括直行通过场景绑定约束与停靠卸载场景绑定约束，通过两个绑定约束，当无自动导引车到达对应工作台时，对应货架负载流变量的取值被限定为零。

65、作为上述方案的进一步改进：采用准时制驱动的贪婪随机自适应搜索算法求解的具体过程如下：

66、初始化算法参数，设置最大迭代次数，初始化最优调度方案与最优期末库存均衡得分；

67、执行构造启发式流程生成可行调度方案：通过全局断供预警监测定位全场第一个出现断供风险的工作台及对应断供时刻，基于断供时刻逆向推导最晚发车时间，向前搜索合法发车窗口并为断供工作台预留救火槽位，通过受限候选集贪婪随机机制填充自动导引车的剩余货架槽位，经可行性校验通过后锁定对应时空资源并更新系统状态，循环执行全局断供预警监测与槽位填充流程，直至规划周期内所有工作台均无断供风险，得到可行调度方案；

68、对生成的可行调度方案执行双目标评估，依据评估结果更新当前最优调度方案；

69、重复执行构造启发式流程与最优解更新步骤，直至达到预设的最大迭代次数，输出最终的最优自动导引车调度方案。

70、作为上述方案的进一步改进：通过受限候选集贪婪随机机制填充自动导引车剩余运力的具体步骤如下：

71、构建候选工作台集合：遍历所有工作台，试探性为每个工作台增加一个卸载槽位并校验行程合法性，将校验通过的工作台加入候选集合，并计算对应工作台的断供紧急度得分，断供时刻越早则紧急度越高；

72、候选集合排序：按照断供紧急度从高到低对候选集合中的工作台进行排序；

73、随机选择填充：从排序后的候选集合的前三个工作台中随机选择一个工作台，为其增加一个卸载槽位；

74、重复执行候选集合构建、排序与随机选择填充步骤，直至自动导引车的剩余货架槽位全部填充完毕，或无合法候选工作台。

75、作为上述方案的进一步改进：双目标评估的规则为：

76、第一优先级评估目标为总发车次数，总发车次数越少的调度方案优先级越高；

77、第二优先级评估目标为期末库存均衡得分，所述期末库存均衡得分为所有工作台期末库存量的总和；

78、当两个调度方案的总发车次数相同时，期末库存均衡得分更高的调度方案判定为更优；

79、最优调度方案的更新条件为：当前可行调度方案的总发车次数少于当前最优方案，或总发车次数相同但期末库存均衡得分高于当前最优方案。

80、一种面向单向环线多负载自动导引车物料配送的调度优化系统，应用于由单个补货点、多个工作台与单向行驶环形轨道构成的柔性制造物料配送系统，用于执行面向单向环线多负载自动导引车物料配送的调度优化方法，系统包括：

81、场景配置与约束定义模块，用于采用货架不离车作业机制，配置调度约束条件与优化目标；

82、混合整数线性规划模型构建模块，用于构建实体流与负载流相耦合的混合整数线性规划调度模型；

83、准时制驱动的贪婪随机自适应搜索求解模块，用于对混合整数线性规划调度模型进行求解，输出满足全部约束的最优自动导引车调度方案，并下发至柔性制造物料配送系统。

84、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

85、1、在调度优化方法中，通过约束边界前置固化、双流耦合建模全局统筹、启发式算法高效寻优的三层技术路径，系统性化解单向环轨物理约束下运行安全与配送效率难以兼顾的矛盾，具体解决逻辑如下：首先，先将单向环形轨道的固有物理约束与生产配送要求，全部固化为不可突破的调度边界规则：以发车最小安全间隔、单工位同时仅容一车停靠/通行两项规则，从调度设计源头卡死环轨通行的安全底线，彻底规避车辆追尾、工位拥堵的风险，杜绝了盲目提升运力引发的安全隐患；同时以“工位库存始终大于等于零、不超过最大容量”作为刚性生产约束，将物料准时供应的要求前置为调度的强制边界，而非事后被动响应，从规则层面保障连续生产的物料补给需求。在此基础上，构建实体流与负载流相耦合的混合整数线性规划调度模型，将原本分散的车辆运行、物料补给、库存变化过程，统一纳入同一套标准化数学框架内进行全局统筹。模型通过车辆时空轨迹类0-1离散变量刻画车辆的实体运行轨迹，通过货架负载流类连续变量追踪载货量变化，并以0-1变量作为连续变量的上界控制因子实现双流绑定，保证“无实体车辆则无对应货物负载”的物理一致性，避免逻辑漏洞；同时将车辆资源循环、环轨流量守恒、工位防冲突、库存边界等所有约束全部纳入模型，以总发车次数最小化为目标函数，把实际调度问题转化为可求解的数学规划问题。相较于现有单趟次、响应式的局部调度方式，该模型可覆盖完整规划周期与全部工作台，能够对发车时机、沿途停靠工位组合、各工位卸载批量进行全局统筹匹配，在所有约束的共同边界内寻找全局最优解，而非仅追求单次运输的局部效率提升。最后，采用准时制驱动的贪婪随机自适应搜索算法对模型进行高效求解，兼顾求解速度与解的质量。算法以全局断供预警为调度触发线索，逆向推导最晚发车时间，优先保障最紧急工位的物料补给，贴合准时制配送的核心需求；通过受限候选集贪婪随机机制填充剩余运力，既以断供紧急度为优先级保障配送时效性，又通过随机选择机制避免普通贪心算法易陷入的局部最优问题，能够在满足全部约束的前提下，不断搜索总发车次数更少的调度方案；所有候选行程均经过约束校验后才能锁定资源，保证最终输出的方案完全符合环轨通行安全与工位库存要求。最终生成的最优调度方案直接下发至配送系统执行，实现从规划到落地的闭环，在严格保障运行无冲突、物料准时供应的前提下，以最少的发车次数完成全部配送任务，有效提升系统整体运力效率。

86、2、本发明通过明确车辆资源循环、线上流量守恒、货架负载流、单轨隐式防冲突、动态库存平衡五类约束的具体表达式与物理含义，将单向环轨的通行安全约束与工位库存的生产业务约束完整嵌入数学模型，既能够严格限定环轨发车间隔与工位停靠规则，从规划源头规避车辆追尾、轨道拥堵风险，又可以精准匹配各工位的物料消耗节奏，保障物料准时补给且库存不超限；同时约束体系通过物理容量绑定规则实现车辆实体流与货物流的严格对应，消除了模型逻辑漏洞，保障了调度方案的物理一致性与工程可落地性，为全局最优调度方案的求解提供了严谨完整的约束基础。

87、3、在得到最优调度方案后，将其下发至柔性制造物料配送系统的车载控制终端、补货点操作终端及各工作台生产终端，用于直接驱动所有自动导引车按预设时序沿单向环形轨道循环配送物料，同时指导补货端按班次完成物料预装、生产端按节奏领用物料。该方案预先完成了所有车辆的时空轨迹规划与工位停靠时序排布，运行过程中严格遵循发车间隔与工位互斥规则，无需复杂实时动态调度即可从根源上规避车辆追尾、轨道拥堵等运行风险；同时方案精准匹配各工作台的物料消耗节奏，能够稳定维持物料库存在合理区间，既保障连续生产的物料准时补给、避免断供停产损失，又防止工位库存过量堆积占用作业空间；此外方案以最小化总发车次数为优化目标生成，在完全满足配送需求的前提下最大化了单车运力利用率，可减少无效空驶与冗余发车，降低车辆运行能耗与补货端的作业负荷，实现单向环轨物料配送在运行安全、配送准时性与运力经济性上的协同提升。