□ 李金禧，李 騰，杜卓穎，朱 琳，張祥來

(哈爾濱商業(yè)大學 管理學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

裝卸搬運作為物流的主要功能要素之一，占用較大比例的物流費用。國內(nèi)外一直在尋求機械化和智能化的搬運技術(shù)和裝備，以降低搬運成本和改善物料搬運的效率。在這些自動化技術(shù)和裝備中自動導向車(automatic guided vehicle，以下簡稱AGV)是最有柔性且最能滿足復雜物料搬運需求的系統(tǒng)[1]。隨著倉儲AGV的發(fā)展，如何提高倉儲AGV的運行效率也逐漸成為倉儲AGV研究發(fā)展的重難點。

路網(wǎng)是AGV小車行走的基礎(chǔ)，合理的路網(wǎng)規(guī)劃可以有效解決倉儲AGV運作過程中出現(xiàn)的碰撞、死鎖、運行低效等問題，從而提高AGV小車的運行效率和倉儲物流效率。倉庫路網(wǎng)規(guī)劃的方法借鑒于城市路網(wǎng)規(guī)劃方法，以分流和集散作為基本的規(guī)劃理念，采用單向交通組織分擔干道交通壓力，同時簡化交叉口組織提高AGV通行效率[2]。目前對于倉庫路網(wǎng)的研究較少，同時對于道路網(wǎng)規(guī)劃的研究多采用數(shù)學建模的方法，通過對路網(wǎng)的影響因素、相關(guān)指標等構(gòu)建模型并計算，來規(guī)劃路網(wǎng)并對路網(wǎng)規(guī)劃方案進行分析評價。而采用仿真的方法來進行路網(wǎng)規(guī)劃的研究較少。本文則以仿真作為主要的方法來研究倉庫的路網(wǎng)規(guī)劃。

1 倉儲AGV系統(tǒng)描述

隨著信息化和智能化的迅猛發(fā)展,智能倉儲AGV參與越來越多的物流運作,正逐步取代人工作業(yè)和半機械化的傳統(tǒng)物流運作方式。智能倉儲AGV能滿足當前品種多、訂單數(shù)量大的物流需求,輕松實現(xiàn)“高效、準確、及時”的物流運作目標[3]。因此，各種各樣的智能倉儲AGV系統(tǒng)已成為物流行業(yè)當中的一大熱點。從物流領(lǐng)域應(yīng)用的機器人其實現(xiàn)的功能來看，主要包括搬運、拆垛、碼垛、揀選、分揀等作業(yè)，因此智能倉儲機器人也可以視為以上不同類型物流機器人的總稱[4]。本文中研究的內(nèi)容主要是人機協(xié)作型倉儲系統(tǒng)的路網(wǎng)優(yōu)化問題，而文中搭建的模型主要針對于人機協(xié)作型倉儲系統(tǒng)。

以京東亞洲一號倉中的飛馬機器人為例，其工作場景如圖1所示。這類系統(tǒng)具體作業(yè)模式為：首先，將揀貨區(qū)域劃分為若干個小區(qū)域，每名揀貨員負責指定小區(qū)域內(nèi)的貨架，此區(qū)域稱為該揀貨員的工作區(qū)。揀貨員只需在工作區(qū)內(nèi)等待AGV小車到達。另外，系統(tǒng)將多個訂單信息整理成一個集合單，稱為一個揀選任務(wù)。在初始位置即停車區(qū)等待的AGV小車在接到揀選任務(wù)后，按照倉庫布局自動計算最優(yōu)路徑，前往目標商品區(qū)域；揀貨員根據(jù)指令將貨品放置在機器人自帶的貨筐內(nèi)；AGV小車完成一個揀選任務(wù)后，按照系統(tǒng)指示將貨筐送至打包臺，并繼續(xù)執(zhí)行下一次揀選任務(wù)[4]。在這類系統(tǒng)中，揀貨員只需在其工作區(qū)等待，無需來回走動。從而縮短了人工的行走路線，提高倉庫的工作效率，同時降低了人工成本。人機協(xié)作型倉儲系統(tǒng)運作流程如圖2所示。

圖1 飛馬機器人工作場景

圖2 智能倉儲運輸機器人運作流程圖

2 倉儲AGV路網(wǎng)規(guī)劃基礎(chǔ)

這里智能倉儲路網(wǎng)規(guī)劃借鑒于城市路網(wǎng)規(guī)劃及其原則。路網(wǎng)規(guī)劃是通過對區(qū)域內(nèi)的道路層級進行劃分、通行規(guī)則進行設(shè)置、對交通工具的行走進行規(guī)范等手段，提升指定區(qū)域內(nèi)“交通”容量、降低擁堵幾率或程度，是提升智能倉儲運行效率的有效手段。就像車輛在完成目標位移選擇路徑的時候需要基于現(xiàn)有的公路網(wǎng)或鐵路網(wǎng)一樣，路網(wǎng)規(guī)劃的合理與否關(guān)系著智能倉儲內(nèi)的交通秩序以及交通運行效率。智能倉儲的路網(wǎng)可以對AGV的行進方向、速度及行駛的道路等進行相應(yīng)的約束從而使智能倉儲的運行變得高效、有序。通過對智能倉儲路網(wǎng)的規(guī)劃，避免發(fā)生碰撞、死鎖和局部甚至大面積擁堵問題，最終實現(xiàn)在復雜多變的環(huán)境下倉儲AGV系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效、可靠[1]。通過借鑒城市路網(wǎng)規(guī)劃方法并結(jié)合智能倉儲實際情況，總結(jié)智能倉儲路網(wǎng)規(guī)劃主要可以參照以下幾個原則：

①分級：根據(jù)倉庫的實際布局情況將道路劃分為高速路和低速路。

②分流：選擇與干路平行的支路分流交通，避免同向行駛碰撞(如圖3所示)的產(chǎn)生。

圖3 同向行駛碰撞[1]

③單向：單向運行是規(guī)劃為環(huán)繞地塊順時針循環(huán)，避免對向行駛碰撞(如圖4所示)的產(chǎn)生。

圖4 對向行駛碰撞[1]

④交叉結(jié)點：合理規(guī)劃交叉結(jié)點的數(shù)量和位置，增加路徑的可選擇性，減少擁堵通道，避免側(cè)面碰撞(如圖5所示)及死鎖等情況的產(chǎn)生。

圖5 橫向行駛碰撞[1]

同時，類似飛馬機器人的智能倉儲運輸機器人是需要人進行協(xié)作的，和類Kiva類型的智能倉儲機器人相比，其運行的環(huán)境更加的復雜。在進行路網(wǎng)規(guī)劃時還需要考慮到人的因素的影響。例如，AGV到達相應(yīng)貨架后在何處?？康却拍芎蛼浫藛T更好的配合；由于AGV要在路上等待揀貨人員將相應(yīng)的貨物放入貨框，所以，規(guī)劃路網(wǎng)時盡量讓無關(guān)的AGV避開頻繁出入貨物的貨架所在區(qū)域。另外，對于此人機協(xié)作型倉庫，揀貨人員和AGV數(shù)量的配置是否合理也會成為倉庫工作效率的一個瓶頸。

總的來說，路網(wǎng)規(guī)劃的重要性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

①對AGV的行走規(guī)則進行約束，避免發(fā)生大面積的擁堵情況，提高車輛運行效率。

②對AGV的行駛路線進行約束，從而減少AGV運行過程中發(fā)生的擁堵、死鎖及碰撞等問題，提高智能倉儲整體運行效率。

③路網(wǎng)的規(guī)劃是后續(xù)倉庫仿真工作運行的基礎(chǔ)。從物流仿真角度來看，多數(shù)仿真模型的搭建最終的目標是找到智能倉儲最佳的布局及使其高效運行的最佳資源配置方案。智能倉儲路網(wǎng)作為后續(xù)AGV行走的基礎(chǔ)，其規(guī)劃的合理與否對后續(xù)的仿真結(jié)果有直接的影響。

3 人機協(xié)作型倉儲路網(wǎng)仿真模型構(gòu)建

3.1 仿真模型構(gòu)建平臺——Anylogic

Anylogic是一款應(yīng)用廣泛、能夠?qū)﹄x散、系統(tǒng)動力學、多智能體和混合系統(tǒng)建模與仿真的工具軟件。其利用活動對象來對現(xiàn)實世界的不同事物進行模擬。活動對象可以用參數(shù)、變量來表示事物的屬性，還可以通過編寫函數(shù)、設(shè)置狀態(tài)圖、定時器等方式來設(shè)定活動對象的行為?；顒訉ο箢愡m合于仿真現(xiàn)實世界中的固定資源，如貨架、AGV等。Anylogic的活動對象類可以通過端口進行交互[6]。同時，Anylogic仿真軟件搭建的仿真模型具有可視化的特點。

基于Anylogic工具軟件的以上特點，借助Anylogic平臺，構(gòu)建人機協(xié)作型倉儲仿真模型。通過設(shè)置不同的活動對象，并設(shè)定活動對象的特定行為，構(gòu)建仿真模型。對AGV從接受揀選任務(wù)到所有任務(wù)結(jié)束的全過程進行仿真，并提取AGV碰撞次數(shù)、擁堵路段、所有揀選任務(wù)完成時間等信息。根據(jù)AGV仿真過程中出現(xiàn)的明顯的運行問題，結(jié)合仿真中提取的數(shù)據(jù)信息指導路網(wǎng)的優(yōu)化。

3.2 基于Anylogic構(gòu)建路網(wǎng)仿真模型

本文中仿真模型的搭建是基于活動對象進行。模型中主要涉及到揀貨員、AGV、訂單、貨架四個活動對象。對不同的活動對象的屬性和行為進行分析，用參數(shù)和變量設(shè)置活動對象的屬性，通過編寫函數(shù)、設(shè)置狀態(tài)圖等方法設(shè)定活動對象的行為，實現(xiàn)活動對象之間的交互。進而實現(xiàn)對一次仿真過程中AGV碰撞次數(shù)、擁堵路段、所有揀選任務(wù)完成時間等信息的統(tǒng)計。

傳統(tǒng)的倉庫貨位分配主要有利用ABC分類法進行分類，也可以將貨物隨機分配。訂單的分配也可以按照時間段的長短進行分配，例如，當天的訂單一次性下發(fā)或者每隔一個小時下發(fā)一次訂單等。本文主要對貨物隨機分配并且一次性下發(fā)當天所有訂單的倉庫進行討論。本文的仿真模型中，訂單與AGV兩個活動對象之間的交互按如圖6所示流程進行。

圖6 訂單與AGV交互流程圖

該仿真模型中關(guān)于路網(wǎng)的主要設(shè)計如下：

①碰撞次數(shù)統(tǒng)計功能。

智能倉儲中的AGV在運行的過程中會發(fā)生碰撞，碰撞次數(shù)是衡量路網(wǎng)優(yōu)越性的重要指標之一。在不同的路網(wǎng)上利用相同的資源，完成相同的任務(wù)，其最終AGV碰撞次數(shù)也會有很大的差異。合理的路網(wǎng)規(guī)劃能夠在最大程度上減少AGV的碰撞次數(shù)，從而提高車輛的運行效率。仿真中n輛AGV的碰撞次數(shù)c的計算方法如下所示：

yij=0(第j輛AGV距離第i輛AGV的距離少于d米)、yij=1(第j輛AGV距離第i輛AGV的距離大于d米。)

其中，d的選擇受到AGV尺寸、形狀、轉(zhuǎn)彎半徑、AGV自身設(shè)定以及智能倉儲實際運行情況等因素的影響。

②路徑熱度統(tǒng)計。

本文的仿真模型中用一段時間內(nèi)通過特定路徑的AGV數(shù)量作為該段路徑熱度。路徑熱度可以在一定的程度上反應(yīng)該段路徑的擁堵程度，合理的路網(wǎng)規(guī)劃可以在最大的程度上分攤AGV流量從而減少擁堵，提高AGV的運行效率。在本文的仿真實驗中，路徑熱度指特定路段中AGV經(jīng)過的次數(shù)占所有AGV經(jīng)過所有路段的總次數(shù)的比例。依據(jù)熱度的分布可以對路網(wǎng)進行一定程度的調(diào)整。

③任務(wù)完成時間統(tǒng)計。

一般來說，對于相同的任務(wù)，完成的時間越短，表示智能倉儲運行效率越高，路網(wǎng)的規(guī)劃越合理。仿真任務(wù)完成的時間長短是衡量路網(wǎng)優(yōu)越性的主要指標之一。

3.3 路網(wǎng)仿真結(jié)果調(diào)整

智能倉儲AGV的運作效率受許多方面的制約，例如，倉庫的布局、倉庫資源配置、人員的工作效率等都會成為影響智能倉儲運作效率的瓶頸。具體來說，可能影響智能倉儲運作效率主要包括以下幾個方面：

①路網(wǎng)結(jié)點。

一般來說，路網(wǎng)中設(shè)置的節(jié)點越多，路徑的可選擇性越大。但另一方面，路網(wǎng)中的結(jié)點越多，AGV也更容易出現(xiàn)死鎖、碰撞等問題從而影響AGV的運作效率。

②倉庫布局。

倉庫中，有效規(guī)劃打包臺位置、數(shù)量以及AGV的停放位置等，對于智能倉儲的高效運轉(zhuǎn)也起著不可忽視的作用。尤其是當倉庫中的車輛較多時，打包臺的數(shù)量和位置設(shè)置往往會成為智能倉儲運行效率的瓶頸。

由上述分析可以看出，在特定的倉庫布局下，路網(wǎng)節(jié)點的位置、數(shù)量以及打包臺的設(shè)置等都會影響智能倉儲的運行效率。為合理規(guī)劃路網(wǎng)，從而達到較好的運行效果?？梢愿鶕?jù)仿真的結(jié)果，結(jié)合仿真中出現(xiàn)的問題對整體路網(wǎng)進行調(diào)整。路網(wǎng)調(diào)整思路如圖7所示。

圖7 路網(wǎng)調(diào)整思路

4 基于某人機協(xié)作型倉庫的路網(wǎng)優(yōu)化仿真實驗

4.1 倉庫基本參數(shù)設(shè)置

現(xiàn)實生活中用于倉儲的物流倉庫種類多種多樣，在本文中運用的倉庫是物流領(lǐng)域中典型的存儲倉庫。倉庫基本參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 倉庫相關(guān)參數(shù)設(shè)置表

倉庫初始布局如圖8所示：

圖8 倉庫初始布局

4.2 倉庫仿真步驟

利用第三部分的方法搭建該倉庫仿真模型，然后按照如下步驟進行實驗：

①利用第三部分的方法，設(shè)置人、訂單、貨架、AGV活動對象的屬性及行為，并實現(xiàn)其相互之間的交互，搭建倉庫仿真模型。仿真模型的主頁面如圖9所示。

圖9 倉庫仿真模型主頁面

②運行仿真模型。

運行倉庫仿真模型并觀察仿真過程，如果運行過程中發(fā)現(xiàn)AGV未按路網(wǎng)行駛等問題，需要終止運行并修改路網(wǎng)，直到?jīng)]有同類問題發(fā)生。

③收集仿真數(shù)據(jù)。

本文中所搭建的仿真模型可以對路徑熱度、AGV碰撞次數(shù)、任務(wù)完成時間數(shù)據(jù)進行可視化的展示。其可視化效果如圖10所示。

圖10 仿真結(jié)果可視化效果

路徑熱度、碰撞次數(shù)、任務(wù)完成時間三個指標均在一定程度上反應(yīng)了路網(wǎng)規(guī)劃的合理化程度。路徑熱度、碰撞次數(shù)、任務(wù)完成時間三個指標的具體意義及其對路網(wǎng)的影響如表2所示。

表2 仿真結(jié)果指標

④路網(wǎng)優(yōu)化。

根據(jù)上述圖7所示流程調(diào)整路網(wǎng)，進行路網(wǎng)的優(yōu)化。

4.3 路網(wǎng)優(yōu)化過程及結(jié)果

4.3.1 仿真數(shù)據(jù)展示

根據(jù)上述步驟搭建并運行倉庫仿真模型，最終路網(wǎng)的仿真結(jié)果如圖11所示：

圖11 初始路網(wǎng)仿真結(jié)果

4.3.2 仿真數(shù)據(jù)收集

按照路網(wǎng)調(diào)整思路，對不同方案下的路網(wǎng)進行調(diào)整，進行若干組實驗，并記錄最終的仿真數(shù)據(jù)。路網(wǎng)的評價標準主要從碰撞次數(shù)、完成時間、熱度>60%區(qū)域三個指標來衡量。其中部分仿真數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同方案仿真數(shù)據(jù)(部分)

4.3.3 路網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果

通過對碰撞次數(shù)、任務(wù)完成時間、熱度分布多方面的比較，最終選出較為合理的路網(wǎng)規(guī)劃方為方案10，其仿真結(jié)果和最終倉庫路網(wǎng)布局圖如圖12，圖13所示。

圖12 最終路網(wǎng)仿真結(jié)果

圖13 最終路網(wǎng)及倉庫布局

5 結(jié)論

利用合理規(guī)劃倉庫路網(wǎng)的方法，可以有效解決倉儲AGV運行過程中出現(xiàn)的碰撞、死鎖、運行效率低等問題。本文利用Anylogic仿真軟件的特點，搭建智能倉儲仿真模型，模擬不同的情況下AGV的運行情況、路徑熱度、碰撞次數(shù)、任務(wù)完成時間等。通過仿真的過程和數(shù)據(jù)對倉庫的路網(wǎng)進行不斷的優(yōu)化，最終確定使AGV運行效率較高的倉庫路網(wǎng)規(guī)劃方案。最終倉庫路網(wǎng)的規(guī)劃結(jié)果是基于大量的仿真數(shù)據(jù)進行的，因此，用這種方法確定的倉庫路網(wǎng)具有一定的真實性和科學性。

但是，該模型搭建的靈活度不高，在更改倉庫布局后需重新繪制新的倉庫及路網(wǎng)圖，且需要對程序做出一定的修改，后期路網(wǎng)的調(diào)整過程較為繁瑣。后續(xù)研究中，將更改路網(wǎng)繪制的柔性，希望通過程序?qū)崿F(xiàn)控制路徑方向，從而替換該模型中關(guān)于路網(wǎng)方案的調(diào)整的繁瑣環(huán)節(jié)。