专利名称：在材料流系统中依据负载的路由的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于尤其是在材料流系统中找到运输单元的路线的方法。此外本发明涉及用于执行该方法的装置和材料流系统。
背景技术：
材料流系统应当尽可能达到针对要传送的运输货物的最佳通过量。为此必须作出诸如转辙器的位置或者是否分派新的运输货物的材料流决定，使得不会出现不平衡负载或阻塞。为此可以将该设备的当前占用状态以及——如果存在的话——关于所计划的要分派的运输货物的信息来用于预测在该设备的什么区域中预计会有阻塞等等。然后可以用合适的控制策略来抵消这种阻塞。例如在机场中的大的材料流设备一方面具有非常复杂的结构，并且另一方面经受不断变化的运输要求。在机场中，乘客总量以及由此还有行李总量在一天中分布得极为不同，而且在一周的各天中也分布得极为不同。尽管如此，材料流设备应当分别达到高的通过量。一种对该设备的效率发挥影响的决定性的可能性是选择合适的路线以满足运输任务。 该路线通过在转辙器处对运输单元的方向选择来确定。该选择例如通过该转辙器处的路由表来作出。经典的材料流设备具有依据运输单元的目标来确定方向的控制装置。这种决定通常通过所述转辙器处的路由表来确定。在材料流设备(例如机场中的行李传送带)启动之前的校准，也就是材料流计算机的哪些路由表应当在什么设备状态下分发给控制装置，需要显著的工作开销，因为对所述设备来说必须确定和测试不同的分派情形。
发明内容
本发明的任务是提供用于在材料流系统中找到运输单元的路线的方法，这些方法只需要用于启动材料流系统的少的开销。该任务通过一种用于尤其是在材料流系统中找到运输单元的路线的方法解决，该方法包括以下步骤
a)以分别代表材料流系统的物理要素的模块来对材料流系统建模，其中向模块分配一定数量的应当在可确定的时间窗内到达该模块的运输单元；
b)产生在所述时间窗内在每个模块中有多少运输单位的预测；以及
c)基于针对每个模块的预测产生评估函数，其中向每个模块依据在所述时间窗内预测的该模块的负载分配边缘权重(Kantengewicht)；以及其中
d)为每个运输单元在时间上相继地确定一条路线，其中该路线基于模块的边缘权重而分别是尽可能短的路径。该方法使得可以相应于当前的和预计的负载状况对设备的精细校准(调谐)进行自动化。由于不必再借助预计的分派情形(即猜测的负载状况)来校准该设备，所以可以在选择用于校准的分派情形时避免错误。对分派情形的选择不再通过对所猜测的负载状况进行反复试验(trial and error)来进行。该方法是自适应的(与变化的设备状态相适应)并且不需要关于预计的分派数据的知识。所计划的运输单元的路线根据当前的或预计的设备状态来确定，并且可以随时间而改变。通过该设备的自配置(自调整)减少启动开销和启动成本。在分布式设备的情况下，该自配置可以实现该设备的所谓“插上就运送(plug and convey)，，。本发明的第一有利构成在于，向每个运输单元以时间顺序分别分配一条路径。由此运输单元在材料流系统中的路径还可以动态地变化。本发明的另一有利的构成在于，基于分配给模块的路由表的值向每个运输单元以时间顺序分别分配一条路径，其中路由表分别与时间有关。由此可以对特定的目标点在时间上不同地确定使用至该目标点的哪条路径。为此不需要材料流计算机。这导致材料流计算机的负担减轻。本发明的另一有利构成在于，所述方法以不规则定时的间隔重复。由此在分布式设备中不会出现同步开销。此外避免该设备中的振动。本发明的另一有利构成在于，基于周期性的信息过程以及指数的分解过程来产生所述预测。由此可以放弃明确的预订过程和放行过程，由此提高通过量。具有明确的预订和放行的设备倾向于具有低的通过量。本发明的另一有利构成在于，为了产生预测以可确定的时钟固定运输单元的当前路线，并且对于沿着该路线的所有模块来说在该运输单元的预计到达时间窗中将该预测提高1，以及其中以确定的时钟对于所有模块都将该预测乘以0. 5。本发明的另一有利构成在于，为了产生预测以可确定的时钟固定运输单元的当前路线，并且对于沿着该路线的所有模块来说在该运输单元的预计的到达时间窗中将该预测提高1，以及其中以确定的时钟对于所有模块都将该预测在时间上相继地乘以81至sk，其中 0. 5<Si<l (i=l…k)，其中乘积Sl*···*、等于0. 5。由此达到分解过程的可简单实现的平滑。本发明的另一有利构成在于，用于产生边缘权重的评估函数由预计的运输单元在模块上的标准通过时间以及每个模块的惩罚部分组成，该惩罚部分根据在运输单元在模块上的预计进入时间窗中运输单元的预测数量来确定。该评估函数由两个部分组成，即预计的运输单元通过模块的标准通过时间以及取决于负载的等待时间或惩罚时间。所述评估函数的精确的构成取决于具体的模块，但是必须在设备的所有模块上调谐。该评估函数基于两个参数(预计的标准通过时间和惩罚部分)。这使得材料流设备容易在低于最大负载的状态下行驶，也就是说所有模块在未来的所有时刻都具有小于其最大负载的预测。由此避免了阻塞和不平衡负载。本发明的另一有利构成在于，通过A*算法、Dijkstra算法、Bellman-Ford算法、 Floyd-Warshall算法或Johnson算法为运输单元确定最短路径。这些标准算法可以很容易地在用于所述设备的控制计算机上实施。本发明的另一有利构成在于，基于用于确定或近似最短路径的分布式算法为运输单元确定短的或最短的路径。这使得容易集成到分布式材料流设备中。本发明的另一有利构成在于，模块形成在执行装置、传感器装置和控制装置方面的封闭单元，并且包括用于确定针对该模块的满载预测的自模拟器，其中该模块可以与其前辈模块以及后续模块交换数据，以及其中基于由前辈模块提供的运输单元在模块上的进入时刻计算针对该模块的满载预测。这使得容易集成到分布式材料流设备中，并且使得容易基于以软件技术代表所述设备的模块的工艺目标进行工程学中的设备配置。本发明的另一有利构成在于，所述模块向后续模块传递由自模拟器预测的运输单元从模块的离开时刻。这使得容易集成到分布式材料流设备中并且使得可以对所述设备进行自配置。此外所述任务还通过用于尤其是在材料流系统中找到运输单元的路线的方法来解决，该方法包括以下步骤
a)以分别代表材料流系统的物理要素的模块来对材料流系统建模，其中向模块分配取决于时间的路由表，其中该路由表针对运输单元的每个目标点都包含在至该目标的路径上的下个模块或者不能达到该目标点的信息；以及
b)更新该路由表。对路由表的更新可以在特定的时间窗中(定时的或周期的)进行，但是也可以是异步的。因此对于特定的目标点可以在时间上不同地确定使用至该目标点的哪一条路径。为此不需要材料流计算机。路由表总是与新的负载状况匹配。此外，所述方法使得可以相应于当前和预计的负载状况来对设备的精细校准(调谐)进行自动化。本发明的另一有利构成在于，对路由表的更新通过用于确定最短路径的精确的或者近似的算法进行。例如可以采用以下算法A*算法、Di jkstra算法、BeIlman-Ford算法、 Floyd-Warshall算法或Johnson算法。对于这些算法存在标准程序，这些标准程序可以容易地在计算设备或控制装置上实施。本发明的另一有利构成在于，对路由表的更新通过自模拟进行。这在制造分布式设备时是有利的。本发明的另一有利构成在于，取决于时间的路由表的特征在于，关于在至目标的路径上的下个模块的信息取决于运输单元应当被传递给该模块的时刻。因此对特定的目标点而言可以时间上不同地确定使用至该目标点的哪条路径。此外该任务还通过适用于执行所述方法的装置和材料流系统解决。所述方法可以实施在具有标准部件(转辙器，传送带等)以及基于标准硬件的设备中。为了通信可以使用电缆连接(例如LAN，以太网)，但是也可以使用无线连接(例如WLAN)，作为计算单元控制装置(PLC)或例如工业PC。
本发明的实施例在附图中示出并且在下面得到解释。在此
图1示出在使用自模拟器的情况下使用分布式控制部件的示例性体系， 图2示出具有材料流系统的模块的设备示例， 图3示出图2的设备的第一占用状态的示例， 图4示出图2的设备的第二占用状态的示例， 图5示出图2的设备的第三占用状态的示例， 图6示出模块Hi1和m2的示例性预测时间窗。
具体实施方式
例如在机场中的大的材料流设备一方面具有非常复杂的结构，并且另一方面经受不断变化的运输要求。在机场中，乘客总量以及由此还有行李总量在一天中分布得极为不同，而且在一周的各天中也分布得极为不同。尽管如此，材料流设备应当分别达到高的通过量。一种对该设备的效率发挥影响的决定性的可能性是选择合适的路线以满足运输任务。 该路线通过在转辙器处对运输单元的方向选择来确定。该选择通常通过该转辙器处的路由表来作出。也就是说，在该表中依据运输单元的目标保存通过转辙器要选择的方向。为了在这样的具有复杂的拓扑结构以及强烈波动的分派特性的设备中避免不平衡负载的出现，相应于设备状况来更新所述路由表。一般来说该任务由上级的中央材料流计算机承担。经典的材料流设备具有依据运输单元的目标来确定方向的控制装置。这种决定通过路由表来确定。在转辙器处可以在可能情况下通过两个路径选择来达到所述目标。在这样的情况下，方向决定还可以作为右侧路线和左侧路线之间的比例给出。由此2:1的比例意味着，在目标相同的情况下总是有两个运输单元向左导向，然后有一个运输单元向右导向。材料流计算机致力于更新这些表以使得所述设备根据当前状况总是在有效状态中行驶的任务。该材料流计算机为此目的作为中央实体从下层的控制装置获得关于设备状态的当前信息。在材料流设备启动之前的校准，即应当将材料流计算机的哪些路由表在什么样的设备状态下分发给控制装置，需要显著的工作开销，因为必须确定和测试不同的分派情形 (设备调谐)。相反，本发明的方法基于针对传送元件(模块)产生关于预计运输单元的数量的在时间上不同的预测，该传送元件例如是传送带、转辙器或连结装置(ZusammenfUhrimg)。对于每个待运输的运输单元，基于最短路径(可能具有附加条件)来确定路线。用于确定路径长度的评估函数取决于在该路径中包含的模块的根据预测预计的负载。时间被离散化为具有相同大小的时间窗。所产生的预测总是涉及在时间窗中的运输单元的数量。预测的产生
产生预测的基础是向每个运输单元分配一条路径(在狭义的含义中一条路径不必分配给一个运输单元；两个具有相同目标的在时间上相近的运输单元可以在同一个模块上交换其剩余路径)。由于路径到运输单元的绑定，沿着该路径确定运输单元到该模块的预计的进入时刻。然后在针对该模块的预测时可以在所属的时间窗中考虑该运输单元。但是，该预测并非精确确定通过模块的运输单元的尝试。尤其是不是预订/放行机制。借助周期性的信息和指数的分解过程对所述预测建模。也就是说，按照固定的节奏针对每个运输单元向分配给该运输单元的路径的模块发送运输单元在所计算的时刻进入的信息。关于在时间窗内预计的运输单元数量的模块的预测值在相同的节奏下伸缩 (skalieren) 了 1/2。为了避免突然的二等分，分解过程可以被连续转化，例如在一个周期
内与1/坂相乘η次。如果分配给
一个运输单元的路径改变，则对该老路径的模块不进行放行方法。如果模块不再包含在新的路径中，则该运输单元到目前为止在该模块那里计数的分量通过伸缩在一个周期内减少一半。也就是说，在5个周期之后该运输单元还有1/25=0. 03125的分量包含在针对该模块的预测中。如果有数据供将来预计的运输任务所用，则同样可以考虑该数据。如所有其它运输单元一样向该预计的运输单元分配一条路径。只有该路径的起始时刻是不同的，代替当前时刻而使用预计的分派时刻。评估函数
基于针对每个模块的预测定义评估函数，该评估函数向每个模块依据该模块的在所观察的时间窗中预测的负载分配边缘权重。该评估函数单调增长，其中该评估函数随着对该模块的最大负载的近似增加而更剧烈地增长。但是由于该预测不是对将来负载的精确预言，因此该函数对于大于最大负载的值也必定是边界清晰的和有限的。路径选择的目标是材料流设备在低于最大负载的状态下行驶，也就是说所有模块在将来的所有时刻都具有小于其最大负载的预测。评估函数由两个部分组成，即运输单元通过模块的预计标准通过时间以及取决于负载的等待时间或惩罚时间。所述评估函数的精确的构成取决于具体的模块，但是必须在设备的所有模块上调谐。路由
路由——也就是对具体路径的选择——减少为针对取决于负载的评估函数来确定最短路径，其中运输单元沿着该具体路径从起点导向目标。在确定该最短路径时，还必须根据设备考虑其它附加条件，例如可以在确定路径时基于运输单元的特性阻断(省略)各个模块。所确定的路径被分配给该运输单元，并且既用于在材料流系统中的方向选择还用于产生预测。由于材料流系统中的动态性，针对模块的预测以及由此评估函数连续改变。为了考虑材料流设备的变化了的状态，定期重新确定运输单元从该运输单元的当前位置到目标的最短路径(可能具有附加条件)。如果该路径改变，则该路径作为新的路径被分配给该运输单元。新包含的或不再包含的模块的预测值间接地、通过所有包含在该路径中的模块的定期的信息而改变。因此，为了避免路径的重合，最短路径应当对于运输单元来说不是全都在相同的时间确定或更新。图1示出用在分布式材料流系统中的分布式控制部件的示例性体系(分布式材料流系统不具有中央材料流计算机)。在该分布式设备中，在使用分布式控制部件的自模拟器的情况下可以有效地和精确地执行预测的产生。图1说明适合在分布式设备中使用的设备模块(传送带，运输段，转辙器等)的体系，该设备模块具有控制部件SKl，该控制部件具有自模拟部件ESl。如果自模拟器ESl访问分配给运输单元的路径或者至少访问该路径中的后续模块ES2，则该自模拟器ESl具有所有产生预测所需要的数据。为了说明，假定自模拟器ESl 可以从设备状态AZl中读取该路径并且访问分派计划EP。例如，该路径可以存储在运输单元上的RFID标签中，然后通过传感器SE和控制部件SKl该路径进入到自模拟器ESl可访问的设备状态AZ1。自模拟器ESl为所有涉及该自模拟器的运输单元确定对自己的预测的影响，并且向相邻自模拟器ES2传送在自模拟中虚拟地离开该自模拟器ESl的运输单元的离开时刻和路径。在该自模拟器ESl方面，该自模拟器ESl同样从相邻自模拟器ES2获得虚拟地进入该相邻自模拟器的运输单元以及分配给这些运输单元的路径。在达到最大预测水平线之后，每个自模拟器ESl，ES2都具有不久就虚拟地经过该自模拟器的运输单元的直方图。该直方图是自模拟器ESl针对将来的预测，并且记录在将来的设备状态AZ2中。控制优化器SOl必须基于由自模拟器ESl预测的将来的设备状态AZ2来确定运输单元的路径。也就是说，控制优化器SOl必须针对评估函数确定从受控模块M至给定目标的最短路径，并且可以将该最短路径分配给运输单元。由于应当定期重新计算分配给运输单元的路径，因此该控制优化器向新确定的路径附加地分配有效时间段。可以以特定边界变动地选择该有效时间段，以避免可能的振荡。控制优化器SOl不仅必须在路径的有效时间段结束时为运输单元确定新的路径， 而且在当前路径由于其它影响——例如由于各个模块的故障——而变得不被允许时也必须确定新的路径。基于由自模拟器ESl提供的关于新设备状态AZ2的数据，控制优化器SOl 更改针对设备模块M的控制部件SKl的控制参数SP。控制优化器SOl有利地与相邻模块的相邻控制优化器S02连接，由此相邻模块的控制参数可以与模块M调谐地改变。这使得可以对变化的设备状态进行快速的反应。分布式的路径确定
下面介绍的用于确定路径的分布式方法原则上根据评估函数、也就是当预测保持稳定时找到最短路径。但是因为该预测由于新找到的路径再次变化，因此所找到的路径只是在给定负载的情况下对实际最短路径的近似。在实践中，所找到的路径被证明是足够好的。最简单的、直接的可能性是利用扩展了时间维度的方向表(标签)的分布式标签算法。针对模块M的扩展的方向表对材料流设备中每个可能的目标χ来说都包含下列表
表CliMf对从当前时间窗开始的所有预测时间窗来说都包含至目标的距离以及用于确定该距离的后续模块。如果这些表在每个模块上供使用，则最短路径的确定非常简单。如果运输单元在
模块Hi1上位于当前时间窗t1=0中并且具有目标X，则后续模块是在表的、栏中
的模块，Hi2表示相应的模块。此外，模块HI1确定到模块m2中的进入时刻和进入时间窗t2。
这些值与到目前为止的路径[mj —起被传送给模块m2。模块叫根据表、^9〔『的、栏确
定后续模块m3，以及进入模块m3的进入时刻和进入时间窗t3。这些值与到目前为止的路径 [Hi1, m2] —起传送给模块m3。模块m3以及所有后续模块类似地操作，直到达到具有终点χ的模块为止。如果需要，所产生的路径[Hi1, m2，m3，…]被回送给模块mi。应当首先以简化的版本来描述扩展的方向表的产生。为此假定，运输单元通过模块的全部通过时间是时间窗长度的数倍。模块借助其直接的后续模块的方向表来定期更新
其方向表。下面具体地描述对于模块m来说如何更新至目标X的距离表dis《。!!!”···，％
是模块m的直接的后续模块。在时间窗t中通过模块m的通过时间是nt乘以时间窗长度， 并且dt是模块m在时间窗t中的长度(评估函数的值)。由此如果在时间窗t内开始，则确定了模块m至目标χ的距离为
权利要求
1.一种用于尤其是在材料流系统中找到运输单元(xl-x3，yl-y3)的路线的方法，该方法包括以下步骤a)以分别代表材料流系统的物理要素的模块(M，ml-ml4)来对材料流系统建模，其中向模块(M，ml-ml4)分配一定数量的应当在能确定的时间窗内到达该模块(M，ml-ml4)的运输单元(xl-x3，yl-y3)；b)产生在所述时间窗内有多少运输单位(xl-x3，yl-y3)到达每个模块(M，ml-ml4)的预测；以及c)基于针对每个模块(M，ml-ml4)的预测产生评估函数，其中向每个模块(M，ml-ml4) 依据在所述时间窗内预测的该模块的负载分配边缘权重；以及其中d)为每个运输单元(xl-x3，yl-y3)在时间上相继地确定一条路线，其中该路线基于模块(M，ml-ml4)的边缘权重而分别是尽可能短的路径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，向每个运输单元(Xl-X3，yl-y3)以时间顺序分别分配一条路径。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基于分配给模块的路由表的值向每个运输单元(xl-x3，yl-y3)以时间顺序分别分配一条路径，其中路由表分别与时间有关。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述方法以不规则定时的间隔重Μ. ο
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，基于周期性的信息过程以及指数的分解过程来产生所述预测。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，为了产生预测以能确定的时钟固定运输单元(Xl-X3，yl-y3)的当前路线，并且对于沿着该路线的所有模块(M，ml-ml4)来说在该运输单元(xl-x3，yl-y3)的预计的到达时间窗中将该预测提高1，以及其中以确定的时钟对于所有模块(M，ml-ml4)将该预测乘以0. 5。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，为了产生预测以能确定的时钟固定运输单元(Xl-X3，yl-y3)的当前路线，并且对于沿着该路线的所有模块(M，ml-ml4)来说在该运输单元(xl-x3，yl-y3)的预计的到达时间窗中将该预测提高1，以及其中以确定的时钟对于所有模块将该预测在时间上相继地乘以值S1至％，其中0. 5<Si<l (i=l…k)，其中乘积 S1*."=^ = 0. 5。
8.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，用于产生边缘权重的评估函数由运输单元(xl-x3，yl_y3)在模块(M，ml_ml4)上的预计标准通过时间以及每个模块的惩罚部分组成，该惩罚部分根据在运输单元(xl-x3，yl-y3)在模块(M，ml-ml4)上的预计进入时间窗中预测的运输单元(xl-x3，yl-y3)数量来确定。
9.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过A*算法、Dijkstra算法、 Bellman-Ford 算法、Floyd-Warshall 算法或 Johnson 算法为运输单元(xl_x3，yl_y3)确定最短路径。
10.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，基于用于确定或近似最短路径的分布式算法为运输单元(xl-x3，yl-y3)确定短的或最短的路径。
11.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，模块形成在执行装置、传感器装置和控制装置方面的封闭单元，并且包括用于确定针对该模块(M，ml-ml4)的满载预测的自模拟器(ES1，ES2)，其中该模块(M，ml-ml4)能与其前辈模块以及后续模块交换数据，以及其中基于由前辈模块提供的运输单元(xl-x3，yl_y3)在模块(M，ml_ml4)上的进入时刻计算针对该模块(M，ml-ml4)的满载预测。
12.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述模块(M，ml-ml4)向后续模块传递由自模拟器(ES1，ES2)预测的运输单元(xl-x3，yl-y3)从模块的离开时刻。
13.一种用于尤其是在材料流系统中找到运输单元(xl-x3，yl_y3)的路线的方法，该方法包括以下步骤a)以分别代表材料流系统的物理要素的模块(M，ml-ml4)来对材料流系统建模，其中向模块(M，ml-ml4)分配取决于时间的路由表，其中该路由表针对运输单元的每个目标点都包含在至该目标的路径上的下个模块(M，ml-ml4)或者不能到达该目标点的信息；以及b)更新该路由表。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，对路由表的更新通过用于确定最短路径的精确的或者近似的算法进行。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，对路由表的更新通过自模拟 (ES1，ES2)进行。
16.根据权利要求13至15之一所述的方法，其中取决于时间的路由表的特征在于，关于在至目标的路径上的下个模块的信息取决于运输单元(Xl-X3，yl-y3)应当被传递给该模块的时刻。
17.一种用于执行根据权利要求1至16之一所述方法的装置。
18.—种适用于执行根据权利要求1至16之一所述方法的材料流系统。
全文摘要
用于尤其是在材料流系统(例如机场中的行李传送设备)中找到运输单元的路线的方法，其中产生在时间窗内有多少运输单元到达每个模块(例如转辙器，传输段)的预测，其中基于针对每个模块的预测产生评估函数，其中向每个模块依据在该时间窗内预测的该模块的负载分配边缘权重，以及其中为每个运输单元(例如行李)在时间上相继地确定路线。该方法使得可以相应于当前的和预计的负载状况对设备的精细校准(调谐)自动化。
文档编号G05B19/418GK102378947SQ201080015270
公开日2012年3月14日 申请日期2010年3月10日 优先权日2009年4月6日
发明者拜尔 G., 科伊特纳 K. 申请人:西门子公司