一种钢卷库区吊机设备的控制方法技术

本发明专利技术提供一种钢卷库区吊机设备的控制方法，涉及制造系统自动化和智能化技术领域。该方法先采集库区初始信息，进过数据分析后定量化描述钢卷库区吊机控制问题，建立二部网络图的数学模型，优化求解后获得吊机控制方案，仿真吊机控制结果，最后由库区操作人员执行可行的控制方案。本发明专利技术提供的一种钢卷库区吊机设备的控制方法，从钢卷库区的实际作业规程出发，通过对整个物流过程的深层次分析，以实现吊机作业的有效控制及产品在空间上的合理分配，能够充分满足实际生产和物流的需要，能明显缩短吊机执行库区中存取任务所需的时间，提高钢卷库区中物流作业的效率，提高吊机设备的利用率，从而保证生产过程顺畅，缩短产品生产周期。

Method for controlling suspension equipment of steel coil reservoir area

The invention provides a control method for a steel coil reservoir crane equipment, which relates to the technical field of manufacturing system automation and intelligence. This method first collected reservoir initial information into the data analysis of the quantitative description of coil area crane control problem, establish mathematical model of two network graph, optimal solution obtained after the crane crane control scheme, simulation control results, and finally by the operator in the control scheme is feasible. A control method of the invention provides a roll of steel area crane equipment, starting from the actual operating procedures of steel coil in the Three Gorges reservoir, through the deep analysis to the whole logistics process, reasonable allocation to achieve effective control and products of crane operations in space, can fully meet the needs of the actual production and logistics. Can shorten the required access task execution time crane in the reservoir area, improve the efficiency of steel logistics operation in the reservoir area, improve the utilization rate of the crane equipment, so as to ensure the smooth production process, shorten the production cycle.

【技术实现步骤摘要】
一种钢卷库区吊机设备的控制方法
本专利技术涉及制造系统自动化和智能化
，尤其涉及一种钢卷库区吊机设备的控制方法。
技术介绍
钢卷库区存在于钢铁生产过程中的多个物流环节，也广泛存在于各种以钢铁为原材料的制造业(如汽车、造船等)，是连接上下游生产过程的重要纽带。为了保证生产过程连续不间断，钢卷库区不断地存储上游工序产出的产品以及提取下游工序生产所需的原材料，库区中所有钢卷的存取任务都需要由吊机来执行。图1所示为由一台吊机服务的钢卷库区的一个存储区域。吊机可以沿着它的轨道移动，它的吊具可以沿着它的桥臂移动，通过这种方式吊机的吊具就可以到达库区的任何一个位置。卡车负责在库区和生产车间之间运输钢卷。需要入库存储的钢卷通过卡车运输到库区并停在库区旁边的过道上，然后由吊机从卡车上提取一个钢卷并将其存放到库区中适当的位置上。库区中需要提取出库的钢卷由吊机从它所在的位置上提起并将其装载到停在库区过道的卡车上。出于安全因素的考虑，钢卷在库区中以三角形的结构按两层堆放，即每个位于上层的钢卷都需要有两个下层的钢卷支撑，每个位于下层的钢卷最多可能被两个上层的钢卷压住。位于上层的钢卷可以直接被提取出来，如果需要提取一个下层的钢卷，那么位于它上层的阻碍其被提取的钢卷必须首先被移动到其它的空位上。这些阻碍提取的钢卷称为障碍钢卷，移动障碍钢卷到其他位置的操作称为倒垛。因此，为了提取某些下层的钢卷，吊机在执行正常任务的同时还必须要执行倒垛作业。吊机是库区中最重要也是最昂贵的物流设备，它的作业效率对库区的能力和生产的顺畅有着重要的影响。吊机设备运行不当可能会增加卡车的等待时间，造成库区内产品积压，甚至可能延误后续的生产过程，故吊机的作业效率是评价库区能力的重要指标。目前钢卷库区的吊机作业仍处于人工控制阶段，主要依靠操作员的经验进行作业，不能对吊机所执行的任务进行有效的全局控制，缺少合理性及科学性。高效的吊机运行方法不但可以提高吊机设备的利用率，增强库区的仓储能力，还能够提高对下游工序的供货效率，保证生产的顺利进行，对实际生产车间具有十分重要的意义。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供一种钢卷库区吊机设备的控制方法，从钢卷库区的实际作业规程出发，通过对整个物流过程的深层次分析，以实现吊机作业的有效控制及产品在空间上的合理分配，提高钢卷库区吊机设备的运行效率，实现资源的合理利用。一种钢卷库区吊机设备的控制方法，包括如下步骤：步骤1：采集库区初始信息；当钢卷存取任务下达之后，从库区中采集所有钢卷存储位置信息、库区中的空位信息、入库钢卷和出库钢卷的位置信息、吊机位置信息、出库卡车位置信息；步骤2：根据库区实际存储结构，对步骤1中采集到的信息进行数据分析，利用出库卷的位置信息识别出库区中的障碍卷、无关卷和可利用的空位；步骤3：生成吊机控制方案，具体包括以下步骤：步骤3.1：根据库区中的钢卷位置、物流设备位置以及空位位置信息，建立吊机控制近似动态规划方程(1)，定量化描述钢卷库区吊机控制问题，方程(1)将吊机控制问题分为n+1个阶段，每个阶段解决一个吊机控制子问题，在前n个阶段中每一阶段提取一个出库钢卷，并确定是否移动入库钢卷和障碍钢卷，在最后一个阶段中移动前n个阶段中没有存储到库区中的入库钢卷；其中，n为出库钢卷的个数，i为阶段的序号；Φi表示阶段i开始时的库区结构，包括吊机的初始位置、库区中的出库钢卷、障碍钢卷及无关钢卷的位置、空位及入库位置和出库位置；函数fi(Φi)表示由库区结构Φi定义的吊机控制子问题的目标函数，即吊机执行完当前库区中的所有任务所需要的时间；[i]表示阶段i中提取的出库钢卷序号，当i＝n+1时，没有出库钢卷被提取；Bi表示阶段i中需要移动的入库钢卷和障碍钢卷的集合，Ei表示集合Bi中的钢卷需要移动到的空位集合；([i]，Bi，Ei)为阶段i中的一组决策，根据这个决策能最优确定吊机移动集合Bi中钢卷的顺序以及钢卷与集合Ei中空位的对应关系；函数是对阶段i+1的吊机控制子问题目标函数fi+1(Φi+1)的近似，通过阶段i中所做的决策来估计其值；函数h([i]，Bi，Ei)表示吊机从其在阶段i的初始位置开始将集合Bi中的钢卷全部移动到集合Ei中的空位，再从最后一个空位空载移动到钢卷[i]的位置需要的时间；t[i]表示吊机将钢卷[i]移至其出库位置需要的时间；h′(Bi，Ei)表示吊机从其在阶段i的初始位置开始将集合Bi中的钢卷全部移动到集合Ei中的空位需要的时间；吊机执行完阶段i的所有任务后获得的库区结构作为阶段i+1的初始信息，即得到阶段i+1开始时的库区结构Φi+1；步骤3.2：产生近似动态规划方程(1)中的近似函数如式(2)所示；其中，Ψi为阶段i开始时库区中的入库钢卷、出库钢卷和障碍钢卷位置集合，k1表示集合Ψi中的位置元素，的取值为1或0，分别表示是否在阶段i移动位置k1的钢卷，与式(1)中的[i]和Bi相对应；表示估计的未来阶段中吊机处理位置k1的钢卷的移动时间，即吊机空载移动到位置k1，提起钢卷后再移动到一个空位或出库位置需要的时间；参数通过迭代更新来获得一个期望的近似函数，在第一次迭代中设定该参数的初始值，在后续的迭代中根据前一次迭代获得的吊机控制方案按照式(3)对该参数进行调整，即采用当前迭代iter中使用的参数和从该次迭代获得的吊机控制方案信息中估计的新参数的凸组合表示；其中，iter表示迭代次数；表示第iter+1次迭代的参数；表示第iter次迭代获得的吊机控制方案中吊机空载移动到位置k1，提起钢卷后再移动到一个空位或出库位置需要的时间；λiter∈[0，1]，表示步长，用于调节参数和在更新策略中的权重；步骤3.3：依次建立并求解n+1个吊机控制子问题数学模型，获得吊机控制方案；步骤3.4：判断获得的吊机控制方案是否达到预设效果；如果是，则得到最终的吊机控制方案，执行步骤4；如果否，记录获得的吊机控制方案，统计当前吊机控制方案中吊机处理每个任务的移动时间，返回执行步骤3.2，重新产生近似函数；步骤4：根据获得的吊机控制方案，模拟库区的实际物流作业环境，仿真吊机控制结果；步骤5：执行控制方案；库区操作人员如果对吊机控制方案的仿真结果满意，则将吊机控制方案传输到吊机控制终端，通过钢卷库区吊机控制终端执行所得到的控制方案；如果对吊机控制方案的仿真结果不满意，则库区操作人员根据经验对该吊机控制方案进行微调，得到新的吊机控制方案，返回步骤4。进一步地，所述步骤3.3中获得吊机控制方案的具体方法如下：步骤3.3.1：基于图论建立由节点集N1∪N2和边集A1∪A2构成的二部网络图，刻画吊机控制子问题；其中，N1＝ΨIi∪ΨBi∪ΨEi∪{O[i-1]}，N2＝ΨIi∪ΨBi∪ΨEi∪ΨOi，集合ΨIi、ΨBi、ΨEi、ΨOi分别表示阶段i开始时库区中入库钢卷位置、障碍钢卷位置、空位、出库钢卷位置的集合，O[i-1]表示阶段i-1中被提取出库的钢卷[i-1]的出库位置，即阶段i中吊机的初始位置；边集A1和A2定义为由节点集N1指向节点集N2的有向弧的集合；边集A1包括所有由(x1，x2)组成的有向弧，x1和x2分别为节点集N1和N2中的元素，x1∈ΨIi∪ΨBi，x2∈ΨEi；边集A2包括所有由(y1，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钢卷库区吊机设备的控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤1：采集库区初始信息；当钢卷存取任务下达之后，从库区中采集所有钢卷存储位置信息、库区中的空位信息、入库钢卷和出库钢卷的位置信息、吊机位置信息、出库卡车位置信息；步骤2：根据库区实际存储结构，对步骤1中采集到的信息进行数据分析，利用出库卷的位置信息识别出库区中的障碍卷、无关卷和可利用的空位；步骤3：生成吊机控制方案，具体包括以下步骤：步骤3.1：根据库区中的钢卷位置、物流设备位置以及空位位置信息，建立吊机控制近似动态规划方程(1)，定量化描述钢卷库区吊机控制问题，方程(1)将吊机控制问题分为n+1个阶段，每个阶段解决一个吊机控制子问题，在前n个阶段中每一阶段提取一个出库钢卷，并确定是否移动入库钢卷和障碍钢卷，在最后一个阶段中移动前n个阶段中没有存储到库区中的入库钢卷；

【技术特征摘要】
1.一种钢卷库区吊机设备的控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤1：采集库区初始信息；当钢卷存取任务下达之后，从库区中采集所有钢卷存储位置信息、库区中的空位信息、入库钢卷和出库钢卷的位置信息、吊机位置信息、出库卡车位置信息；步骤2：根据库区实际存储结构，对步骤1中采集到的信息进行数据分析，利用出库卷的位置信息识别出库区中的障碍卷、无关卷和可利用的空位；步骤3：生成吊机控制方案，具体包括以下步骤：步骤3.1：根据库区中的钢卷位置、物流设备位置以及空位位置信息，建立吊机控制近似动态规划方程(1)，定量化描述钢卷库区吊机控制问题，方程(1)将吊机控制问题分为n+1个阶段，每个阶段解决一个吊机控制子问题，在前n个阶段中每一阶段提取一个出库钢卷，并确定是否移动入库钢卷和障碍钢卷，在最后一个阶段中移动前n个阶段中没有存储到库区中的入库钢卷；其中，n为出库钢卷的个数，i为阶段的序号；Φi表示阶段i开始时的库区结构，包括吊机的初始位置、库区中的出库钢卷、障碍钢卷及无关钢卷的位置、空位及入库位置和出库位置；函数fi(Φi)表示由库区结构Φi定义的吊机控制子问题的目标函数，即吊机执行完当前库区中的所有任务所需要的时间；[i]表示阶段i中提取的出库钢卷序号，当i＝n+1时，没有出库钢卷被提取；Bi表示阶段i中需要移动的入库钢卷和障碍钢卷的集合，Ei表示集合Bi中的钢卷需要移动到的空位集合；([i]，Bi，Ei)为阶段i中的一组决策，根据这个决策能最优确定吊机移动集合Bi中钢卷的顺序以及钢卷与集合Ei中空位的对应关系；函数是对阶段i+1的吊机控制子问题目标函数fi+1(Φi+1)的近似，通过阶段i中所做的决策来估计其值；函数h([i]，Bi，Ei)表示吊机从其在阶段i的初始位置开始将集合Bi中的钢卷全部移动到集合Ei中的空位，再从最后一个空位空载移动到钢卷[i]的位置需要的时间；t[i]表示吊机将钢卷[i]移至其出库位置需要的时间；h′(Bi，Ei)表示吊机从其在阶段i的初始位置开始将集合Bi中的钢卷全部移动到集合Ei中的空位需要的时间；吊机执行完阶段i的所有任务后获得的库区结构作为阶段i+1的初始信息，即得到阶段i+1开始时的库区结构Φi+1；步骤3.2：产生近似动态规划方程(1)中的近似函数如式(2)所示；其中，Ψi为阶段i开始时库区中的入库钢卷、出库钢卷和障碍钢卷位置集合，k1表示集合Ψi中的位置元素，的取值为1或0，分别表示是否在阶段i移动位置k1的钢卷，与式(1)中的[i]和Bi相对应；表示估计的未来阶段中吊机处理位置k1的钢卷的移动时间，即吊机空载移动到位置k1，提起钢卷后再移动到一个空位或出库位置需要的时间；参数通过迭代更新来获得一个期望的近似函数，在第一次迭代中设定该参数的初始值，在后续的迭代中根据前一次迭代获得的吊机控制方案按照式(3)对该参数进行调整，即采用当前迭代iter中使用的参数和从该次迭代获得的吊机控制方案信息中估计的新参数的凸组合表示；其中，iter表示迭代次数；表示第iter+1次迭代的参数；表示第iter次迭代获得的吊机控制方案中吊机空载移动到位置k1，提起钢卷后再移动到一个空位或出库位置需要的时间；λiter∈[0，1]，表示步长，用于调节参数和在更新策略中的权重；步骤3.3：依次建立并求解n+1个吊机控制子问题数学模型，获得吊机控制方案；步骤3.4：判断获得的吊机控制方案是否达到预设效果；如果是，则得到最终的吊机控制方案，执行步骤4；如果否，记录获得的吊机控制方案，统计当前吊机控制方案中吊机处理每个任务的移动时间，返回执行步骤3.2，重新产生近似函数；步骤4：根据获得的吊机控制方案，模拟库区的实际物流作业环境，仿真吊机控制结果；步骤5：执行控制方案；库区操作人员如果对吊机控制方案的仿真结果满意，则将吊机控制方案传输到吊机控制终端，通过钢卷库区吊机控制终端执行所得到的控制方案；如果对吊机控制方案的仿真结果不满意，则库区操作人员根据经验对该吊机控制方案进行微调，得到新的吊机控制方案，返回步骤4。2.根据权利要求1所述的一种钢卷库区吊机设备的控制方法，其特征在于：所述步骤3.3中获得吊机控制方案的具体方法如下：步骤3.3.1：基于图论建立由节点集N1∪N2和边集A1∪A2构成的二部网络图，刻画吊机控制子问题；其中，N1＝ΨIi∪ΨBi∪ΨEi∪{O[i-1]}，N2＝ΨIi∪ΨBi∪ΨEi∪ΨOi，集合ΨIi、ΨBi、ΨEi、ΨOi分别表示阶段i开始时库区中入库钢卷位置、障碍钢卷位置、空位、出库钢卷位置的集合，O[i-1]表示阶段i-1中被提取出库的钢卷[i-1]的出库位置，即阶段i中吊机的初始位置；边集A1和A2定义为由节点集N1指向节点集N2的有向弧的集合；边集A1包括所有由(x1，x2)组成的有向弧，x1和x2分别为节点集N1和N2中的元素，x1∈ΨIi∪ΨBi，x2∈ΨEi；边集A2包括所有由(y1，y2)组成的有向弧，y1和y2分别为节点集N1和N2中的元素，y1∈ΨEi∪{O[i-1]}，y2∈ΨIi∪ΨBi∪ΨOi；边的费用定义为吊机在两个位置之间移动所需的时间；步骤3.3.2：根据库区管理实际约束将步骤3.3.1中建立的二部网络图转化为数学模型，定量化描述每阶段吊机控制子问题，具体方法如下：步骤3.3.2.1：选择决策变量包括和其中，下标k表示位置合集ΨIi∪ΨBi∪ΨOi∪ΨEi中的元素，下标k0表示出库钢卷位置集合ΨOi中的元素，下标k1表示入库钢卷、出库钢卷和障碍钢卷位置合集Ψi中的元素，Ψi＝ΨIi∪ΨOi∪ΨBi，当i＝n+1时，集合ΨOi和ΨBi为空集，下标k1表示入库钢卷集合ΨIi中的元素，下标k2表示空位集合ΨEi中的元素；决策变量表示位置k是否参与阶段i的移动，当位置k参与阶段i的移动时，取值为1；否则，取值为0；决策变量表示阶段i中吊机是否从位置k2到位置k1执行空载移动，当吊机从位置k2到位置k1执行空载移动时，取值为1；否则，取值为0；决策变量表示阶段i中吊机是否从位置k1到位置k2执行负载移动，当吊机从位置k1到位置k2执行负载移动时，取值为1；否则，取值为0；决策变量表示阶段i中选择移动位置k0的出库钢卷时产生的目标函数值；步骤3.3.2.2：确定优化目标函数fi如式(4)所示，当i＜n+1时，优化目标定量化描述为最...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐立新，袁媛，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21