文/ 本刊記者 趙皎云
物流移動機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)通過調(diào)度集群化的機(jī)器人設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)倉儲制造場景下物流作業(yè)的自動化高效作業(yè)。通過對昆船、曠視、國自的具體實(shí)踐探索,可以讓我們更好地認(rèn)識物流移動機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)的特點(diǎn)、技術(shù)路徑、挑戰(zhàn)及未來發(fā)展趨勢。
調(diào)度系統(tǒng)是物流移動機(jī)器人系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”,通過對整個系統(tǒng)中資源的配置管理與動態(tài)分配,對各類物流移動機(jī)器人的任務(wù)指派、調(diào)度協(xié)同和交通管制,實(shí)現(xiàn)多臺機(jī)器人協(xié)同作業(yè)。隨著機(jī)器人軟硬件技術(shù)不斷發(fā)展,目前通過軟件系統(tǒng)對大量移動機(jī)器人進(jìn)行集中調(diào)度,可以替代傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式,最終實(shí)現(xiàn)物流作業(yè)自動化、智能化。
在本次專題中,我們邀請到昆船智能裝備有限公司副總工程師董海英、北京曠視科技有限公司物流業(yè)務(wù)事業(yè)部機(jī)器人產(chǎn)品研發(fā)總監(jiān)陶濤和浙江國自機(jī)器人技術(shù)股份有限公司銷售總監(jiān)孫開順三位專家,全面解讀物流移動機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)的特點(diǎn)、技術(shù)路徑、挑戰(zhàn)及未來發(fā)展趨勢。
物流移動機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)(Robot Control System,RCS),通過調(diào)度集群化的機(jī)器人設(shè)備,實(shí)現(xiàn)倉儲制造場景下物流作業(yè)的自動化高效作業(yè),RCS的主要功能特點(diǎn)包括:
● 集群調(diào)度:在同一作業(yè)場地調(diào)度幾十臺甚至上百臺機(jī)器人設(shè)備進(jìn)行作業(yè),系統(tǒng)主要關(guān)注交通高效調(diào)度,通過計(jì)算最短路徑、擁塞避免、解環(huán)等算法策略,達(dá)到貨物高效搬運(yùn)的目的。
● 并發(fā)調(diào)度:多個機(jī)器人并發(fā)執(zhí)行作業(yè)任務(wù),相互之間獨(dú)立,互不影響,單體故障不影響整體作業(yè)。
● 柔性動態(tài):單個機(jī)器人故障并不影響其它機(jī)器人作業(yè);機(jī)器人在調(diào)度的過程中,可以根據(jù)現(xiàn)場交通擁堵情況動態(tài)改變路徑,也可以根據(jù)作業(yè)站點(diǎn)排隊(duì)情況,動態(tài)前往流量小的站點(diǎn)執(zhí)行作業(yè)。
● 高效運(yùn)維運(yùn)營:通過在線實(shí)時機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)采集,實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可視化。通過故障告警實(shí)時提示、終端通知、豐富的數(shù)據(jù)報表呈現(xiàn),實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效運(yùn)維。
在系統(tǒng)運(yùn)行時,調(diào)度系統(tǒng)在接收到上層管理系統(tǒng)發(fā)出的任務(wù)指令后,將根據(jù)系統(tǒng)所采集的機(jī)器人實(shí)時位置、狀態(tài)信息及交通路況,以最優(yōu)方案將任務(wù)指派給合適機(jī)器人去執(zhí)行,物流移動機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)過程中,隨時向系統(tǒng)報告自己的位置及狀態(tài)信息,交通管理根據(jù)機(jī)器人的實(shí)時狀態(tài)動態(tài)規(guī)劃每臺物流移動機(jī)器人的行駛路徑,并提供機(jī)器人相互自動避讓的措施,從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)所有物流移動機(jī)器人的統(tǒng)籌調(diào)度。
董海英指出,結(jié)合國內(nèi)物流移動機(jī)器人的發(fā)展歷程,調(diào)度系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個重要階段:
第一階段:探索起步時期(1978年~1996年),以國外引進(jìn)技術(shù)為主,期間國內(nèi)的高校和研究機(jī)構(gòu)開始嘗試著探索物流移動機(jī)器人的相關(guān)技術(shù),并開始產(chǎn)品樣機(jī)的研發(fā),對調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)的認(rèn)識還停留在較為膚淺的層面上。這些探索性的工作也為后續(xù)AGV發(fā)展奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。
第二階段:穩(wěn)步發(fā)展時期(1996年~2012年),1996年昆船開始與NDC合作,為煙草行業(yè)提供了完整的解決方案,在國內(nèi)應(yīng)用了首套國外引進(jìn)技術(shù)的物流移動機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)。同時昆船也于2000年開始致力于自主知識產(chǎn)權(quán)移動機(jī)器人技術(shù)平臺(ATIS)的探索和研究,在2004年完成ATIS技術(shù)平臺V1.0版本的研發(fā),并成功實(shí)施了云南某企業(yè)第一個電磁導(dǎo)引應(yīng)用項(xiàng)目,成為國內(nèi)最早擁有自主產(chǎn)權(quán)調(diào)度系統(tǒng)的企業(yè)之一,且在后續(xù)的幾年里完成個ATIS兩個版本的迭代更新。后來隨著北京機(jī)科發(fā)展、沈陽新松等行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)陸續(xù)成為NDC的全球合作伙伴,物流移動機(jī)器人在傳統(tǒng)制造業(yè)、食品行業(yè)、輕工行業(yè)等行業(yè)得到逐步推廣,調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)也得到了快速穩(wěn)步發(fā)展。
第三階段:飛躍發(fā)展時期(2012年至今),隨著智能制造發(fā)展,國內(nèi)移動機(jī)器人行業(yè)迅猛增長,從事該行業(yè)的公司很快達(dá)到了上百家,催生了一系列新興產(chǎn)品和應(yīng)用模式,將原本不太被關(guān)注的移動機(jī)器人行業(yè)推到了時代的風(fēng)口浪尖,甚至成為資本追逐的焦點(diǎn)。在這樣的背景下,促使物流移動機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)從面向業(yè)務(wù)型系統(tǒng)向面向服務(wù)型系統(tǒng)演進(jìn)。同時,隨著當(dāng)前智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及人工智能的大力推廣,將為調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展賦能,促進(jìn)調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)的持續(xù)快速發(fā)展。
陶濤指出,物流場景作業(yè)紛繁復(fù)雜,從倉庫或工廠選址設(shè)計(jì)、施工,到自動化設(shè)備的部署實(shí)施和上線運(yùn)營,這是一個長周期的系統(tǒng)化工程,物流移動機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)在其中扮演了核心的重要角色,對整個項(xiàng)目的順利實(shí)施起著關(guān)鍵作用。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段,需要通過調(diào)度系統(tǒng)對物流移動機(jī)器人的作業(yè)過程進(jìn)行模擬仿真,減少后期項(xiàng)目實(shí)施的風(fēng)險,而調(diào)度系統(tǒng)本身的集群調(diào)度能力、業(yè)務(wù)流程處理、故障處理能力,是評估一個調(diào)度系統(tǒng)好壞的關(guān)鍵指標(biāo),直接影響到現(xiàn)場的作業(yè)效率。此外,由于作業(yè)對象不同,項(xiàng)目也可能會引入多個廠家的多種類型設(shè)備,因此調(diào)度系統(tǒng)還需要有混合調(diào)度能力,協(xié)調(diào)多種類型設(shè)備,實(shí)現(xiàn)整體作業(yè)效率最高。
基于昆船多年積累的行業(yè)經(jīng)驗(yàn),董海英將評判物流移動機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)總結(jié)為以下幾項(xiàng):
第一,系統(tǒng)可靠性和安全性。近年來各行業(yè)對物流移動機(jī)器人可靠性和安全性的要求也越來越嚴(yán)格,系統(tǒng)可靠性和安全性已經(jīng)成為評判調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)劣最重要的一項(xiàng)指標(biāo)。
第二,系統(tǒng)調(diào)度能力和運(yùn)行效率。一個調(diào)度系統(tǒng)能夠調(diào)度多少臺物流移動機(jī)器人,以及系統(tǒng)的運(yùn)行效率是評價系統(tǒng)優(yōu)劣比較直觀的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo),好的調(diào)度系統(tǒng)能夠在有限的資源條件下,實(shí)現(xiàn)對物流移動機(jī)器人高效、迅捷的調(diào)度。
第三,系統(tǒng)易用性和易維護(hù)性。優(yōu)秀的物流移動機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)必須是易理解、易學(xué)習(xí)、易操作和易維護(hù)的,只有當(dāng)系統(tǒng)的部署、使用、調(diào)整和維護(hù)變得更加人性化和簡單化,物流移動機(jī)器人的應(yīng)用范圍才能實(shí)現(xiàn)持續(xù)快速擴(kuò)展,從而促進(jìn)物流移動機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
第四,系統(tǒng)開放性和可擴(kuò)展性。在當(dāng)今物流移動機(jī)器人應(yīng)用行業(yè)迅猛增長,應(yīng)用需求多樣化的背景下,無論是調(diào)度系統(tǒng)接口開放度和標(biāo)準(zhǔn)化程度,還是調(diào)度系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性,均已成為評判一個調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。
基于調(diào)度系統(tǒng)的重要性,目前市場上主流的移動機(jī)器人企業(yè)會選擇自主研發(fā)調(diào)度系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)更好的成本控制和產(chǎn)品技術(shù)的升級與迭代。昆船、曠視和國自也是其中比較有代表性的企業(yè)。
1.昆船
昆船是國內(nèi)最早進(jìn)入移動機(jī)器人領(lǐng)域的企業(yè)之一,自2000年就開始專注于物流移動機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)平臺(ATIS)的自主研發(fā),歷經(jīng)幾代產(chǎn)品迭代升級,于2016年完成了面向服務(wù)的ATIS 4.0版本技術(shù)平臺的研發(fā),并形成了以適用于簡易型移動機(jī)器人系統(tǒng)的ATIS Mini、適用于傳統(tǒng)型移動機(jī)器人系統(tǒng)的ATIS Pro、適用于大規(guī)模移動機(jī)器人系統(tǒng)的ATIS Giga為主的三大產(chǎn)品體系,目前正在進(jìn)行ATIS 5.0版本的研發(fā),預(yù)計(jì)兩年內(nèi)進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。
昆船的ATIS 4.0技術(shù)平臺源于先進(jìn)的面向服務(wù)和平臺化的設(shè)計(jì)理念,以易使用、易維護(hù)、易輸出為主題思想,采用正向設(shè)計(jì)方法研發(fā)的一套支持移動機(jī)器人從系統(tǒng)規(guī)劃、流程定義、系統(tǒng)運(yùn)行、系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)運(yùn)維全過程的整體解決方案,可實(shí)現(xiàn)對不同項(xiàng)目應(yīng)用需求進(jìn)行定制化的系統(tǒng)總體規(guī)劃,如運(yùn)行路徑、工作流程、系統(tǒng)參數(shù)等,調(diào)度系統(tǒng)能夠容納上千臺不同類型的移動機(jī)器人同時調(diào)度運(yùn)行,對上支持與各類WCS、WMS、MES等上層管理系統(tǒng)的無縫對接,對下不僅支持昆船自主研發(fā)的移動機(jī)器人單機(jī)系統(tǒng)對接,還提供豐富的開放接口支持第三方移動機(jī)器人單機(jī)系統(tǒng)的接入,具備多層次多模式任務(wù)調(diào)度、大規(guī)模多元策略智能化交通管理、全運(yùn)行流程的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及預(yù)防性維護(hù)等功能。
近年來,面對市場競爭壓力的加劇,昆船開始嘗試從設(shè)備提供商向設(shè)備技術(shù)提供商的角色轉(zhuǎn)換,推動技術(shù)市場化,從而實(shí)現(xiàn)昆船物流移動機(jī)器人的自主創(chuàng)新再進(jìn)化,實(shí)現(xiàn)了由技術(shù)引進(jìn)到技術(shù)輸出的飛躍。
2.曠視
曠視作為移動機(jī)器人企業(yè)“新秀”,定位主打開放式平臺。2019年,曠視科技推出河圖 (HETU)物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人操作系統(tǒng),該系統(tǒng)作為一個開放式的機(jī)器人調(diào)度平臺,具備如下技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢:
● 生態(tài)鏈接:河圖實(shí)現(xiàn)上游軟件業(yè)務(wù)系統(tǒng)與下游硬件執(zhí)行設(shè)備的有機(jī)連接,具備強(qiáng)大的開放性和可擴(kuò)展性。
● 協(xié)同智能:多種不同類型的設(shè)備在河圖控制下協(xié)同作業(yè),共同完成任務(wù)。河圖在路徑規(guī)劃、庫位優(yōu)化、作業(yè)調(diào)度、負(fù)載均衡層提供了大量優(yōu)化算法,以適配不同的業(yè)務(wù)場景。
● 數(shù)字孿生:所畫即所得,實(shí)現(xiàn)一站式規(guī)劃、仿真、實(shí)施、部署的全流程解決方案。河圖可以通過接入真實(shí)數(shù)據(jù),進(jìn)行全流程仿真模擬,從而實(shí)現(xiàn)線上的規(guī)劃逼近真實(shí)的效率仿真。
此外,為應(yīng)對物流行業(yè)作業(yè)需求多樣化和效率要求帶來的挑戰(zhàn),河圖從規(guī)劃仿真,到現(xiàn)場通過多設(shè)備聯(lián)通,實(shí)現(xiàn)集群的設(shè)備和作業(yè)調(diào)度,通過統(tǒng)一的高效運(yùn)維運(yùn)營,為客戶創(chuàng)造最大價值。隨著不斷增多的應(yīng)用項(xiàng)目落地,曠視河圖還在不斷更新迭代,向著更加開放、智能化程度更高的方向迭代。
3.國自
國自在起步之初就以工業(yè)自動化國家工程研究中心、工業(yè)控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所為依托,在控制系統(tǒng)研發(fā)方面具有先天優(yōu)勢。國自的調(diào)度系統(tǒng)經(jīng)過了5年的發(fā)展歷程,形成了三方面的鮮明特點(diǎn):
一是調(diào)度算法的先進(jìn)性,主要體現(xiàn)在調(diào)度大量的AGV在同一場景運(yùn)行時提升運(yùn)行效率,同時,在路徑規(guī)劃、交通均衡、防止死鎖等層面,國自也有著大量的算法和工程積累。
二是調(diào)度算法對通用業(yè)務(wù)細(xì)節(jié)的完整支撐,包括通用的庫存管理模型、設(shè)備交互模型、過電梯場景、任務(wù)邏輯編排等。國自通過大量項(xiàng)目積累,對其中有通用價值的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行抽象并固化到調(diào)度系統(tǒng)中,在現(xiàn)場通過一些簡單的配置即可實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)場景運(yùn)行邏輯。
三是開放性,AGV的調(diào)度系統(tǒng)從層次劃分可分為Lv1(設(shè)備)、Lv2(調(diào)度)、Lv3(通用業(yè)務(wù))、Lv4(場景定制業(yè)務(wù))等層次。國自的系統(tǒng)在任意層次都支持完全開放的服務(wù)接口,方便合作伙伴在任意層次集成。同時,國自的調(diào)度系統(tǒng)協(xié)議支持歐標(biāo),也正參與國標(biāo)的起草,具有相當(dāng)?shù)拈_放度和通用性。
2017年以來,國自推出了GRACE核心戰(zhàn)略,采用全自主開發(fā)的控制系統(tǒng)和組態(tài)軟件,提供快速構(gòu)建各類移動機(jī)器人產(chǎn)品和應(yīng)用的能力,賦能合作伙伴,其核心在于用通用技術(shù)構(gòu)建產(chǎn)品的快速性。2021年,國自推出GRACE+戰(zhàn)略,將重磅推出GRACE xPress系統(tǒng),其將作為國自當(dāng)前絕大部分核心技術(shù)進(jìn)行價值輸出的系統(tǒng)載體,全面地從系統(tǒng)評估、系統(tǒng)構(gòu)建、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)運(yùn)維的角度為客戶賦能。
GRACE+體現(xiàn)了國自從AGV向更加智能化AMR的過渡,實(shí)現(xiàn)柔性、適應(yīng)性、可靠性、易用性和低成本方面的技術(shù)突破,也是國自今年提出的RAAT(Robot as a Tool)的核心特征。
董海英指出,伴隨著物流移動機(jī)器人行業(yè)的迅猛發(fā)展,近幾年進(jìn)入該領(lǐng)域的企業(yè)呈爆發(fā)式增長,從目前國內(nèi)物流移動人機(jī)器行業(yè)市場格局來看,可劃分為傳統(tǒng)物流移動機(jī)器人廠商、倉儲物流移動機(jī)器人廠商和專業(yè)AMR廠商三類。同時,市場專業(yè)化和細(xì)分度提高,各企業(yè)在不同的細(xì)分領(lǐng)域內(nèi)都有著各自的優(yōu)勢。
在互聯(lián)網(wǎng)+的時代,多樣化的行業(yè)應(yīng)用服務(wù)需求,要求物流移動機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)能夠支持靈活的服務(wù)化能力開放,必將促進(jìn)調(diào)度系統(tǒng)向虛擬化、“云化”演進(jìn)。
在此背景下,調(diào)度系統(tǒng)的開放度和系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化等挑戰(zhàn)不容忽視。陶濤提到,目前市面上,機(jī)器人廠商的系統(tǒng)主打接入自家的設(shè)備,無法很好地兼容其他廠商的設(shè)備。在倉儲物流方向,目前市面上缺乏的是通用的適配各家柔性設(shè)備的操作系統(tǒng)。孫開順也表達(dá)了類似的觀點(diǎn)。同時,移動機(jī)器人應(yīng)用市場專業(yè)化和細(xì)分化的不斷提升也對調(diào)度系統(tǒng)的柔性、易用性、方便擴(kuò)展性,及其運(yùn)行效率也提出了更高的要求。
對于調(diào)度系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢,董海英認(rèn)為,未來調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)的需求一定是多元化的,可以歸結(jié)為以下幾個方面:
1.調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)將從單體式向分布式轉(zhuǎn)變。目前,物流移動機(jī)器人的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大,隨之而來的是在同一系統(tǒng)中調(diào)度機(jī)器人數(shù)量的急劇增加,運(yùn)行環(huán)境越來越復(fù)雜,調(diào)度系統(tǒng)對相關(guān)資源的信賴性也越來越強(qiáng)。單體式調(diào)度系統(tǒng)是以中心化的方式實(shí)現(xiàn)資源管理和調(diào)度,當(dāng)系統(tǒng)需要大規(guī)模集群調(diào)度大量物流移動機(jī)器人的時候,系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度、車輛動態(tài)路徑規(guī)劃時會產(chǎn)生巨大的計(jì)算量,車輛狀態(tài)的實(shí)時采集也將會大幅增加網(wǎng)絡(luò)I/O的通信負(fù)擔(dān),從而出現(xiàn)調(diào)度的瓶頸。而分布式調(diào)度系統(tǒng)以去中心化的方式實(shí)現(xiàn)多個服務(wù)器資源的統(tǒng)一管理,原來由一臺服務(wù)器完成的工作可交由多臺服務(wù)器共同完成,能夠有效減輕服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)的壓力,更加從容處理復(fù)雜的應(yīng)用場景。
2.調(diào)度系統(tǒng)對物流移動機(jī)器人的調(diào)度將更加靈活、柔性、高效。調(diào)度系統(tǒng)功能將不僅僅是傳統(tǒng)意義上的任務(wù)管理、車輛管理與交通管理等,而是被賦予了更多的內(nèi)容,也對調(diào)度系統(tǒng)在智能化方面提出了更高的要求。智能化就是不但能夠根據(jù)當(dāng)前所感知到的數(shù)據(jù),分析預(yù)測出未來將會發(fā)生什么,而且能夠提出主動或被動應(yīng)對的措施。對于物流移動機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)來說,其實(shí)就是要求系統(tǒng)能夠感知采集機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和自診斷,從而做出預(yù)防性的提示和應(yīng)對措施。因此如何充分利用互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)為物流移動機(jī)器人提供更加智能化的調(diào)度支持,將成為提升企業(yè)競爭力的關(guān)鍵問題。
3.調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將更加輕量化和模塊化。各個行業(yè)的客戶需求和應(yīng)用場景存在較大的差異性,這就要求調(diào)度系統(tǒng)能夠根據(jù)多樣化的需求自由擴(kuò)展和自由定制。將模塊化的微服務(wù)思想與調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合,能夠使調(diào)度系統(tǒng)更加輕量化,無論是調(diào)度系統(tǒng)功能、調(diào)度策略、接口支持,還是UI定制等個性化服務(wù),均能通過模塊組態(tài)的方式輕松完成,從而滿足市場的多樣化需求,有效縮短項(xiàng)目的實(shí)施周期,提升客戶滿意度。
4.調(diào)度系統(tǒng)的部署將從本地化向“云化”轉(zhuǎn)變。在互聯(lián)網(wǎng)+的時代,多樣化的行業(yè)應(yīng)用服務(wù)需求,要求物流移動機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)能夠支持靈活的服務(wù)化能力開放,必將促進(jìn)調(diào)度系統(tǒng)向虛擬化、“云化”演進(jìn)。未來調(diào)度系統(tǒng)必將加速與5G、云計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的融合,未來企業(yè)的盈利模式也勢必要從現(xiàn)在的“硬件”盈利模式向“硬件+內(nèi)容+服務(wù)”的盈利模式轉(zhuǎn)變,可通過云端平臺為客戶提供更多的內(nèi)容和服務(wù)支持,產(chǎn)生持續(xù)服務(wù)的盈利能力。