基于数字孪生的仓储分拣包装全流程出入库调度优化方法与流程

本发明涉及仓储物流调度与数字孪生，尤其涉及一种基于数字孪生的仓储分拣包装全流程出入库调度优化方法。

背景技术：

1、在仓储物流调度技术领域，自动化仓库通常配置仓库管理系统、仓库控制系统、可编程逻辑控制器以及搬运设备、分拣设备、包装工位、输送路径和缓存区。现有方案一般根据入库任务、出库订单、库存位置、设备可用状态和工位队列，将订单拆分为拣选、分拣、复核、包装和出库任务，并按照预设规则分配设备、工位及输送路径，根据现场反馈调整任务顺序或资源配置。

2、在多订单并行运行时，拣选、分拣、合流、复核、包装和出库任务之间存在前序、拆分、汇合及齐套关系，设备、路径和缓存资源还具有连续的时段占用约束。现有方案多针对单一工位、单一设备或单一输送环节进行任务排序，或者依据某一时刻的设备状态和队列长度直接形成调度结果，难以同时反映下游工位处理能力、缓存剩余容量、在途任务量以及跨工序依赖关系。当设备任务集中释放时，容易出现上游任务与下游接收能力不匹配、路径占用时段重叠、前序任务尚未完成而后续任务已经排定以及缓存占用超出容量的情况。

3、设备故障、工位停机、路径阻塞、任务超时或订单状态变化发生后，现有方案通常采用重新计算全部任务、切换备用设备或调整局部路径的方式进行处理。由于任务依赖关系与设备、工位、路径及缓存的资源占用关系缺少统一的影响范围界定，异常处理容易牵连与异常对象无直接关联的任务，造成已下发任务的设备、路径和计划时段被重复调整，并使原调度结果与后续调整结果之间出现衔接不连续。因此，需要围绕仓储分拣包装全流程中的跨工序任务和动态资源状态，解决候选调度方案难以在下发前完成连续执行校验，以及局部异常发生后难以限定任务重调度范围的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了基于数字孪生的仓储分拣包装全流程出入库调度优化方法，包括：

2、s100、获取仓储任务数据及设备、工位、路径和缓存状态，按对象标识和时间戳对齐，生成仓储孪生状态及含前序、拆分、汇合和齐套关系的任务节点集合；

3、s200、基于所述仓储孪生状态，根据下游工位处理速率、队列长度、剩余缓存容量和在途任务量计算下游可接收任务量，并作为上游任务的释放上限；建立候选资源关系，形成作业约束集合；

4、s300、基于所述任务节点集合和所述作业约束集合配置任务的设备、路径和时段，生成候选调度方案集合；将候选调度方案加载至数字孪生模型，推演设备占用、任务前序完成、路径占用和缓存状态变化，剔除设备占用重叠、任务前序未完成、路径占用冲突或缓存容量超限的候选调度方案，生成目标调度方案；

5、s400、下发所述目标调度方案的设备任务指令，接收任务执行状态；根据任务执行状态所含异常对象和任务节点关系、资源占用关系生成受影响作业子图，锁定未受影响任务，对所述受影响作业子图中的任务进行局部重调度，生成增量调度结果。

6、进一步地，s100中，所述对象标识包括任务标识、设备标识、工位标识、流转容器标识、路径区段标识、缓存区标识和数字孪生对象标识；根据所述对象标识建立物理对象与数字孪生对象之间的对象映射关系；根据时间戳和事件序号对多个对象状态进行排序，将调度周期内时间戳对应的对象状态写入所述仓储孪生状态。

7、进一步地，s100中，生成所述任务节点集合包括：将入库任务和出库订单拆解为入库、拣选、分拣、合流、复核、包装和出库任务节点；根据任务执行顺序建立前序关系，根据订单明细建立拆分关系，根据同一订单的多个任务节点共同进入后续任务节点的作业要求建立汇合关系；根据订单标识和订单明细中共同复核或共同包装的要求，将对应的多个前序任务节点划分为齐套组，并在所述齐套组与后续复核任务节点或包装任务节点之间建立齐套关系，所述齐套关系用于限定：仅在所述齐套组内的全部前序任务节点均达到预设到达状态或完成状态后，所述后续复核任务节点或包装任务节点满足任务释放条件。

8、进一步地，s200中，建立所述候选资源关系包括：根据设备能力、设备可用性和任务类型筛选所述任务节点对应的设备；根据工位连接关系和路径可达状态筛选所述任务节点对应的工位及路径；根据缓存容量和缓存占用状态筛选所述任务节点对应的缓存区；建立所述任务节点与所述设备、所述工位、所述路径和所述缓存区之间的候选资源关系。

9、进一步地，s200中，计算所述下游可接收任务量包括：根据下游工位处理速率和调度周期生成调度周期处理量，从所述调度周期处理量中扣除队列长度，生成工位可接收任务量；从剩余缓存容量中扣除在途任务量对应的缓存占用量，生成缓存可接收任务量；将所述工位可接收任务量和所述缓存可接收任务量中的较小值作为所述下游可接收任务量。

10、进一步地，s300中，所述候选调度方案包括任务标识、设备标识、目标工位标识、目标缓存区标识、路径区段、计划开始时间、计划完成时间和任务执行顺序；根据所述任务节点集合、所述候选资源关系和所述上游任务的释放上限生成多个候选调度方案。

11、进一步地，s300中，将所述候选调度方案加载至所述数字孪生模型包括：以所述仓储孪生状态作为推演初始状态；按照所述计划开始时间和所述计划完成时间生成任务释放事件、设备占用开始事件、设备占用结束事件、任务进入路径事件、任务离开路径事件、任务进入缓存区事件、任务离开缓存区事件和任务完成事件；按照事件发生时间更新设备占用状态、任务执行状态、路径占用状态和缓存占用状态。

12、进一步地，s300中，对所述候选调度方案进行剔除后，获取剩余候选调度方案的订单完成时间、设备空闲时间、路径占用时间、缓存峰值和调度计划调整量；按照订单完成时间、路径占用时间、缓存峰值、设备空闲时间和调度计划调整量的排序顺序对所述剩余候选调度方案进行排序，将排序第一的候选调度方案作为所述目标调度方案。

13、进一步地，s400中，生成所述受影响作业子图包括：将设备故障对应的设备、工位停机对应的工位、路径阻塞对应的路径区段、任务超时对应的任务或订单状态变化对应的订单作为所述异常对象；从所述异常对象沿任务节点之间的前序关系、拆分关系、汇合关系、齐套关系以及设备、工位、路径和缓存的资源占用关系扩展，并在已完成任务、独立任务或可替代资源处停止扩展，生成受影响任务集合和受影响资源集合。

14、进一步地，s400中，锁定所述未受影响任务包括：保留所述未受影响任务在所述目标调度方案中的设备、路径、计划开始时间和计划完成时间；对所述受影响任务集合中的任务重新生成候选调度方案，并经所述数字孪生模型推演后生成所述增量调度结果；所述增量调度结果包括更新后的任务分配结果、更新后的设备任务指令、原调度版本和增量调度版本。

15、本发明的关键创新点包括：

16、（1）将下游工位处理速率、队列长度、剩余缓存容量和在途任务量联立为下游可接收任务量，并将该结果反向设置为上游任务的释放上限；所述释放上限与任务节点之间的前序、拆分、汇合和齐套关系以及候选资源关系共同构成作业约束集合，限定候选调度方案中的任务释放数量、资源选择范围和计划时段。

17、（2）将包含任务标识、设备标识、目标工位、目标缓存区、路径区段及计划时段的多个候选调度方案分别加载至同一仓储孪生状态；按照任务执行时序联动推演设备占用、任务前序完成、路径占用和缓存状态变化，并将设备占用重叠、任务前序未完成、路径占用冲突和缓存容量超限作为候选调度方案的剔除条件，形成目标调度方案。

18、（3）依据任务执行状态中的异常对象，同时沿任务节点之间的前序、拆分、汇合和齐套关系以及设备、工位、路径和缓存的资源占用关系扩展，形成受影响作业子图；锁定受影响作业子图之外任务的原设备、原路径和原计划时段，仅对受影响任务重新配置资源和时段，并经数字孪生模型推演后形成增量调度结果。

19、以下为其主要的有益效果：

20、（1）通过将下游工位处理能力、当前队列、缓存剩余空间和在途任务共同换算为上游任务释放上限，使上游任务的释放数量与下游实际接收条件对应，减少任务集中释放后形成的工位排队、缓存占用超限以及跨工序衔接中断。

21、（2）通过在设备任务指令下发前对完整候选调度方案进行设备、工序、路径和缓存的联合时序推演，使设备占用冲突、前序条件不成立、路径时段重叠和缓存容量超限能够在候选方案筛选阶段被识别，减少调度方案下发后因物理资源约束不匹配而发生的执行中断和任务回退。

22、（3）通过任务节点关系与资源占用关系共同限定异常传播范围，并保留未受影响任务的原资源配置和计划时段，使局部异常仅触发受影响任务的重新配置，减少无关设备任务指令被撤回、替换或重复下发，并使增量调度结果能够与原调度方案保持连续衔接。