周鵬飛，潘志友，魏 磊

（中汽研汽車工業(yè)工程（天津）有限公司，天津 300300）

1 引言

汽車制造行業(yè)的物流相較于其他行業(yè)，具有離散性、及時性、高價值等復雜特點[1]。在汽車總裝制造過程中越來越強調(diào)高效的生產(chǎn)方式，生產(chǎn)線旁的物料及時、精準供給是關鍵。目前，國內(nèi)汽車企業(yè)多采用多車型共線的混流生產(chǎn)方式[2]，實行一車一BOM（Bill of Material，物料清單）的定制模式，線旁的物料配送能力成為影響生產(chǎn)效率的關鍵環(huán)節(jié)。

因此，針對汽車總裝車間在大規(guī)模定制[3]中面臨的線旁物流配送效率、配送成本等新問題，本文建立了高效的AGV（Automated Guided Vehicle，自動導引運輸車）調(diào)度控制系統(tǒng)。企業(yè)應用該系統(tǒng)能夠大幅度提高物流配送效率進而提高裝配人員作業(yè)效率、減少器具占用總裝生產(chǎn)線邊空間等，滿足多品種、小批量的混線生產(chǎn)需求。

2 系統(tǒng)需求分析

本文以某品牌汽車總裝車間為例，經(jīng)過多次實際調(diào)研與研究，提出主要的系統(tǒng)需求如下：

（1）實現(xiàn)SPS（Set Parts Supply，成套零件供應）揀配區(qū)和總裝生產(chǎn)線聯(lián)動；

（2）實現(xiàn)交通管制，保證AGV在行駛道路干涉的情況下不撞車，保證生產(chǎn)效率；

（3）實現(xiàn)對AGV 電量、位置以及異常的監(jiān)控，能夠在系統(tǒng)上顯示其運行狀態(tài)；

（4）實現(xiàn)對多類型AGV的兼容性，使不同類型的AGV均可正常運行和管控；

（5）控制充電站對AGV進行自動充電，滿足持續(xù)工作的需求。

3 系統(tǒng)架構設計

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，系統(tǒng)架構主要包括管理層、監(jiān)控層和執(zhí)行層三部分。AGV調(diào)度控制系統(tǒng)的架構圖如圖1 所示。其中，管理層主要由系統(tǒng)應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器組成。系統(tǒng)應用服務器主要承擔所有的業(yè)務邏輯開發(fā)、運行工作，并且作為連接數(shù)據(jù)庫、PTL系統(tǒng)（Pick to light，亮燈揀選系統(tǒng)）[4]的中心服務器。數(shù)據(jù)庫服務器主要用于存儲生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。監(jiān)控層由中控屏、上線工位HMI（Human Machine Interface，人機界面）、下線工位HMI、系統(tǒng)維護客戶端組成。其中，中控屏用于監(jiān)控所有AGV 在總裝車間的運行位置、當前工作狀態(tài)、電量等信息；上線工位HMI 用于顯示AGV 到達上線工位后的物料信息，方便工人確認物料與車身的對應關系，工人確認后表示生產(chǎn)線已接收該物料，AGV 自動返回；下線工位HMI 用于確認物料已裝配完畢，并發(fā)送空料車待回收信息給系統(tǒng)；系統(tǒng)維護客戶端用于維護系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)，包括用戶管理、基礎數(shù)據(jù)管理、物流路徑設定、位置信息設定、動作信息管理等。執(zhí)行層主要由AGV、充電樁組成。其中，AGV有多種類型（類型1用AGV1表示，類型2用AGV2表示），每個類型有多臺，通過無線網(wǎng)絡與系統(tǒng)通信；充電樁自動對進站的AGV進行充電動作；當裝配工序完成、空料車脫離產(chǎn)線到達下線工位后，工人通過下線工位HMI 發(fā)出呼叫信息，系統(tǒng)發(fā)送指令給待命AGV 將空料車運回SPS區(qū)。

圖1 系統(tǒng)硬件架構圖

4 系統(tǒng)功能開發(fā)

4.1 物料配送作業(yè)流程設計

AGV 系統(tǒng)通過接收PTL 系統(tǒng)發(fā)送的SPS 區(qū)物料配送信息（如物料編號、數(shù)量、任務起止位置等），生成配送任務信息。系統(tǒng)下發(fā)任務至待命點的AGV，AGV接收任務后開始執(zhí)行動作。當?shù)竭_地標時上傳地標信息，如果為交通管制點則等待系統(tǒng)放行指令，如果不是則直接放行。AGV到達任務地點后放下隨行料車，系統(tǒng)判斷是否需要充電，如需要則自行充電，否則回到待命點。物料配送作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 物料配送作業(yè)流程圖

4.2 空箱回收作業(yè)流程設計

隨行料車上的物料裝配完畢后，空料車由工人推至指定地點，工人通過下線工位HMI 發(fā)送空箱回收作業(yè)指令，調(diào)度系統(tǒng)接收到信息后，發(fā)送空箱回收信號給待命AGV，AGV 開始空箱回收作業(yè)。回收作業(yè)流程與上述物料配送作業(yè)流程相同，循環(huán)調(diào)度作業(yè)過程如圖3所示。

4.3 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)聚合層、業(yè)務層、應用層、用戶層。數(shù)據(jù)聚合層是與外圍系統(tǒng)的接口層，目的是將多個工廠的不同種類數(shù)據(jù)源統(tǒng)一匯總轉換為系統(tǒng)的標準格式，并分權限管理。業(yè)務層包含了所有的業(yè)務原子操作，形成業(yè)務功能庫；業(yè)務分析人員通過組合業(yè)務功能庫的功能，為現(xiàn)場制造提供服務。應用層將組合好的業(yè)務功能通過標準WEB服務的方式提供給用戶層使用。用戶層根據(jù)用戶的使用環(huán)境和習慣，提供給用戶多種客戶端類型，如網(wǎng)頁、PAD、android、IOS等。系統(tǒng)架構圖如圖4所示。

4.4 交通管制算法

系統(tǒng)預先設定好交通管制點（即路徑有匯合后分叉的地標站點），當AGV即將到達交通管制點時發(fā)送通過請求。如果有多臺AGV 到達交通管制點，則采用先請求先通過的原則根據(jù)交通管制算法計算通過順序。交通管制算法如下：

當AGV進入交通管制點時向系統(tǒng)發(fā)出請求通過指令，系統(tǒng)根據(jù)請求指令計算放行指令，發(fā)送的放行指令時間戳計算過程如下：

圖4 功能架構圖

其中，每臺AGV通過交通管制點所需時間為T，第一臺發(fā)出請求指令的時間戳為tstamp0，第n 臺發(fā)出請求指令的時間戳為tstampn，t'stampn為系統(tǒng)向第n 臺AGV發(fā)送的放行指令時間戳。當系統(tǒng)監(jiān)測到交通管制點在超過T 時間內(nèi)沒有車輛通過，n 置為初始0值。此外，每臺AGV需要具備自主停止防撞功能，當遇到前方有障礙物時，自動停止待命。

圖3 AGV調(diào)度過程示意圖

4.5 指令報文格式

請求和發(fā)送指令的報文格式如圖5所示，所有幀和指令數(shù)據(jù)都遵循高位在先原則，傳輸數(shù)據(jù)時高字節(jié)在先。其中，提示符CMD包括2個字節(jié)字符（IN為數(shù)據(jù)請求，CN為數(shù)據(jù)應答）；AGV編號包括4位ASCII字符，用于標識AGV 設備編號；報文數(shù)據(jù)長度包括4位10進制數(shù)，表示數(shù)據(jù)字節(jié)長度，包括報文頭和報文數(shù)據(jù)；RSV 為18 位固定長度數(shù)據(jù)段，用于指令定義；time stamp為8位時間戳，用于標識指令時間；報文數(shù)據(jù)為變長數(shù)據(jù)段，用于AGV狀態(tài)上報的指令定義。

圖5 報文格式

4.6 接口設計

該總裝車間的AGV 設備由不同供應商提供，工廠之間不能互換及協(xié)同作業(yè)。AGV 調(diào)度系統(tǒng)通過TCP/IP Socket通信協(xié)議與AGV小車的工控機之間實現(xiàn)接口數(shù)據(jù)交互，作為橋梁主控各個不同類型的AGV，實現(xiàn)集成現(xiàn)場調(diào)度并提供了接口協(xié)議標準。接口定義如圖6所示。

圖6 接口定義

5 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)管理

根據(jù)系統(tǒng)功能設計與現(xiàn)場操作需求，系統(tǒng)功能主要包括系統(tǒng)管理、調(diào)度管理、實時監(jiān)控、任務管理、系統(tǒng)報表、系統(tǒng)接口六部分。系統(tǒng)管理主要實現(xiàn)用戶管理、權限設置、操作日志管理等功能。操作日志管理界面如圖7所示。

圖7 操作日志管理界面

5.2 基礎數(shù)據(jù)管理

基礎數(shù)據(jù)管理主要管理AGV 信息（如編號、類型、規(guī)格、載重等）、物流路徑、位置信息（如物料上料點、下料點、交通管制點、充點電、上線點、下線點等）、動作信息（如運行、停止、急停、出軌、觸邊、障礙等）。位置信息管理界面如圖8所示。

圖8 位置信息管理界面

5.3 調(diào)度管理

調(diào)度管理是AGV 調(diào)度系統(tǒng)的核心功能模塊，主要實現(xiàn)作業(yè)信息接收、AGV 選用、路徑計算、作業(yè)指令下發(fā)、運動控制、交通管制、充電、物料上下線管理、作業(yè)完成確認等功能。作業(yè)信息接收用于接收需要觸發(fā)AGV 作業(yè)的各種作業(yè)信息，主要包括物料配送、空箱回收、AGV充電等，物料請求界面如圖9所示。

系統(tǒng)獲取到AGV 物料配送、空箱回收等作業(yè)信息時，首先選擇空閑AGV進行指令下發(fā)；如無空閑則將該項作業(yè)掛起，等待空閑時再進行派發(fā)。同時，系統(tǒng)接收到AGV作業(yè)指令后，通過該項作業(yè)的起始/結束位置結合基礎數(shù)據(jù)中的RFID 站點號自動計算作業(yè)路徑。當完成一項作業(yè)后，系統(tǒng)對作業(yè)完成情況進行確認，并將該AGV設定為空閑狀態(tài)。

圖9 物料請求界面

5.4 實時監(jiān)控

實時監(jiān)控主要包括調(diào)度總覽、區(qū)域監(jiān)控、AGV狀態(tài)監(jiān)視、作業(yè)監(jiān)視等功能。系統(tǒng)按照不同的級別來監(jiān)控AGV的調(diào)度情況，顯示整個車間所有AGV的運行情況、物料配送情況等；同時用戶可查看每臺AGV的運行路線、運行狀態(tài)（如車輛姿態(tài)、車輛位置、正常與否、停止、恢復、暫停、開始等）、運行速度、電量狀態(tài)、運輸?shù)奈锪闲畔⒌葦?shù)據(jù)，方便用戶在系統(tǒng)中查看每臺AGV所執(zhí)行的作業(yè)及作業(yè)完成情況。監(jiān)控畫面如圖10所示。

6 結論

圖10 AGV現(xiàn)場調(diào)度總覽界面

對于汽車總裝車間面向柔性化混線生產(chǎn)的制造過程而言，線旁物流配送效率、配送成本對于企業(yè)實現(xiàn)精益生產(chǎn)至關重要。物流部門需要將物料快速準確地送到產(chǎn)線旁，盡量提高庫存周轉率，節(jié)約庫存和人工成本。AGV 調(diào)度控制系統(tǒng)結合PTL 系統(tǒng)、物流配送載具可以有效地保證汽車總裝車間線旁物料的柔性化供應，更加準確快速地響應物料需求，減少備料和配送時間，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。某品牌汽車總裝車間應用該系統(tǒng)后，大幅減少了配送人員數(shù)量，提升了揀料與配送效率，有效地支撐了柔性化生產(chǎn)，提升了企業(yè)的核心生產(chǎn)能力。