宋 宇
上海國(guó)際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司
碼頭裝卸體系主要由岸邊作業(yè)、水平運(yùn)輸、堆場(chǎng)裝卸3部分組成,繼堆場(chǎng)作業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化后,越來(lái)越多的碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)采用自動(dòng)化技術(shù)。與堆場(chǎng)裝卸自動(dòng)化相比,水平運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)化需要規(guī)劃合理的行走路徑,多設(shè)備環(huán)境下需解決沖突的交通控制問(wèn)題、高效裝卸任務(wù)調(diào)度問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)高可靠性、高精度裝卸設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行。
隨著參與作業(yè)的AGV數(shù)量的不斷增加,受其水平運(yùn)輸設(shè)備性能、作業(yè)環(huán)境、水平運(yùn)輸系統(tǒng)行駛區(qū)域布局等因素的影響,AGV作業(yè)過(guò)程中更容易發(fā)生路徑?jīng)_突及死鎖等問(wèn)題,影響碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)的效率。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,AGV在同方向行駛時(shí),由于AGV行駛速度的不同(空車、重車、極重車),有時(shí)會(huì)導(dǎo)致多臺(tái)AGV同時(shí)到達(dá)上下檔路口,或者同時(shí)到達(dá)進(jìn)出中轉(zhuǎn)箱堆存的懸臂箱區(qū)通道路口,而發(fā)生等待沖突。
國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在對(duì)AGV路徑規(guī)劃的問(wèn)題上開(kāi)展了大量的專題研究,開(kāi)發(fā)出了一系列優(yōu)化模型和算法。如通過(guò)將AGV路徑規(guī)劃與裝卸船集裝箱的AGV服務(wù)時(shí)間矩陣相結(jié)合進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并通過(guò)遺傳算法求解匹配所調(diào)度的AGV及所選擇的行駛路徑,從而在滿足服務(wù)時(shí)間的基礎(chǔ)上避免了交通沖突的發(fā)生,但當(dāng)AGV的種群規(guī)模較大時(shí),這種算法求解的時(shí)間較長(zhǎng),時(shí)實(shí)性較差[1]。通過(guò)考慮整個(gè)集裝箱裝卸生產(chǎn)過(guò)程,求解一組混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題,建立一種自動(dòng)化集裝箱碼頭自由范圍形式的AGV路徑規(guī)劃策略,可避免AGV在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生沖突的情況,降低整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間[2]。通過(guò)仿真目前集裝箱自動(dòng)化碼頭中普遍使用的垂直式布局進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,根據(jù)總路徑長(zhǎng)度和需要轉(zhuǎn)彎的次數(shù)來(lái)確定首選路徑和備選路徑,再根據(jù)時(shí)間窗約束來(lái)確定各任務(wù)調(diào)度的AGV所使用的最終路徑,但該方案未考慮比較等待成本與增加的路徑成本和AGV多種姿態(tài)改變及加減速的情況,以及AGV本身車長(zhǎng)所占有的路徑長(zhǎng)度[3]。
自動(dòng)化碼頭AGV擁堵沖突的動(dòng)態(tài)路徑優(yōu)化策略,是在滿足既定目標(biāo),即水平運(yùn)輸系統(tǒng)服務(wù)承諾的前提下,根據(jù)水平運(yùn)輸系統(tǒng)路網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài),對(duì)服務(wù)中的AGV進(jìn)行實(shí)時(shí)快速的路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃,從而避免在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生路徑擁堵沖突問(wèn)題。與傳統(tǒng)的靜態(tài)路徑規(guī)劃策略相比,動(dòng)態(tài)路徑優(yōu)化不僅需要考慮AGV運(yùn)行過(guò)程中的時(shí)間及路程成本,更需要考慮各作業(yè)任務(wù)工況下AGV本身性能差異限制、運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生路徑交叉沖突時(shí)的檢測(cè)和解除。在現(xiàn)有的AGV路徑規(guī)劃研究上,結(jié)合工作實(shí)際,提出一種自動(dòng)化碼頭AGV擁堵沖突的動(dòng)態(tài)路徑優(yōu)化策略。
某自動(dòng)化碼頭海側(cè)作業(yè)區(qū)為東西向布置,AGV運(yùn)行區(qū)域根據(jù)功能設(shè)置劃分為5類(見(jiàn)圖1)。
1.岸橋交互及穿行車道 2.停泊及穿行緩沖區(qū) 3.穿行高速車道 4.場(chǎng)橋(無(wú)懸臂)交互車道 5.場(chǎng)橋(懸臂)交互及穿行車道
(1)岸橋交互及穿行車道
岸橋交互及穿行車道為自海側(cè)至陸側(cè)設(shè)置的1#~7#車道,寬度為4 m。2#、3#、5#、6#車道用于與岸橋進(jìn)行交互作業(yè),1#、4#、7#車道用于穿行,岸橋交互及穿行車道的行駛方向不固定,可根據(jù)作業(yè)需求進(jìn)行變更。
(2)停泊及穿行緩沖區(qū)
停泊及穿行緩沖區(qū)為若干垂直于岸線設(shè)置的緩沖車道,用于空閑AGV停泊及海陸側(cè)穿行的通道,寬度為6 m,緩沖區(qū)的行駛方向設(shè)置為均可雙向行駛。
(3)穿行高速車道
穿行高速車道為自海側(cè)至陸側(cè)設(shè)置的8#~13#車道,其中8#~12#車道寬度為4 m,13#車道寬度為6.5 m。穿行高速車道為AGV穿梭于岸橋及場(chǎng)橋之間的主干車道,行駛方向均設(shè)置為單向行駛,其中8#、10#及12#車道為自西向東行駛車道,9#、11#及13#為自東向西行駛車道。
(4)場(chǎng)橋(無(wú)懸臂)交互車道
堆場(chǎng)垂直于岸線布置,場(chǎng)橋(無(wú)懸臂)交互車道位于無(wú)懸臂軌道吊堆場(chǎng)海側(cè),每個(gè)無(wú)懸臂箱區(qū)有5個(gè)作業(yè)車道。每個(gè)車道寬5 m,設(shè)置有直接交互區(qū)與AGV伴侶(支架)交互區(qū),每個(gè)作業(yè)車道僅允許1臺(tái)AGV進(jìn)入作業(yè),且為從海側(cè)單進(jìn)單出行駛方式。
(5)場(chǎng)橋(懸臂)交互車道
為了滿足水水中轉(zhuǎn)比例高的作業(yè)需求,碼頭設(shè)置若干懸臂箱區(qū),AGV可駛?cè)霊冶巯鋮^(qū)對(duì)應(yīng)作業(yè)車道,由懸臂軌道吊直接吊裝。每2個(gè)相臨懸臂箱區(qū)之間設(shè)置有1個(gè)懸臂箱區(qū)作業(yè)通道,每個(gè)通道有4個(gè)車道,靠近箱區(qū)的2個(gè)能夠雙向行駛的車道為作業(yè)車道,位于中間的2個(gè)車道行車方向相反,僅允許單向行駛的車道為行車道。
該自動(dòng)化碼頭使用的AGV最大載重為65 t,直行速度最高可達(dá)6 m/s,轉(zhuǎn)彎速度最高可達(dá)2 m/s。AGV受本身幾何尺寸限制,相應(yīng)執(zhí)行器(電力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、車橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu))在車道內(nèi)運(yùn)行時(shí)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)軌跡輪廓不超出車道邊界,在符合軌跡運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的前提等約束條件下,為滿足水平運(yùn)輸作業(yè)中AGV在岸橋交互及穿行車道、停泊及穿行緩沖區(qū)、穿行高速車道、場(chǎng)橋(無(wú)懸臂)交互車道及場(chǎng)橋(懸臂)交互車道之間穿梭的要求,規(guī)劃提供了以下運(yùn)動(dòng)方式。
(1)直行(Straight)
AGV直行運(yùn)動(dòng)加減速加速度與載重噸位有著如下關(guān)聯(lián):電機(jī)空載加減速時(shí)間為10 s,對(duì)應(yīng)加速度為0.6 m/s2,最高速度為6 m/s;電機(jī)帶載(0~30 t)最小加減速時(shí)間為12 s,對(duì)應(yīng)加速度為0.5 m/s2,最高速度為6 m/s;電機(jī)帶載(30~50 t)最小加減速時(shí)間為15 s,對(duì)應(yīng)加速度0.4 m/s2,最高速度6 m/s;電機(jī)帶載(50~70 t)最小加減速時(shí)間為10 s,對(duì)應(yīng)加速度0.3 m/s2,最高速度3 m/s。
(2)直角轉(zhuǎn)彎(Q-turn)
直角轉(zhuǎn)彎使AGV姿態(tài)能夠在運(yùn)動(dòng)平面上轉(zhuǎn)動(dòng)90°,根據(jù)不同的車道寬度組合共有窄轉(zhuǎn)窄轉(zhuǎn)彎、窄轉(zhuǎn)寬轉(zhuǎn)彎、寬轉(zhuǎn)窄轉(zhuǎn)彎及寬轉(zhuǎn)寬轉(zhuǎn)彎4種形式的直角轉(zhuǎn)彎(見(jiàn)圖2~圖5)。
圖2 窄轉(zhuǎn)窄轉(zhuǎn)彎
圖3 窄轉(zhuǎn)寬轉(zhuǎn)彎
圖4 寬轉(zhuǎn)窄轉(zhuǎn)彎
圖5 寬轉(zhuǎn)寬轉(zhuǎn)彎
(3)S型轉(zhuǎn)彎(S-turn)
S型轉(zhuǎn)彎(見(jiàn)圖6)能夠使運(yùn)行在岸橋交互及穿行車道、穿行高速車道及場(chǎng)橋(懸臂)交互車道中的AGV快速地變換車道,比較常用的S型轉(zhuǎn)彎有4 m車道變換(變換行車方向),8 m車道變換(變換至另一同向車道)。
圖6 S型轉(zhuǎn)彎
(4)斜行(O-turn)
斜行(見(jiàn)圖7)與S型轉(zhuǎn)彎功能相似,該動(dòng)作能夠使車道中的AGV快速地變換車道,且斜行完成一次車道變換所需的距離較S型轉(zhuǎn)彎要短。以4 m車道變換為例,S型所需的行駛距離為17 m,而斜行所需的行駛距離為12 m,這一特性在岸橋肩并肩作業(yè)時(shí),能夠使AGV具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性。但是斜行過(guò)程較S型轉(zhuǎn)彎在運(yùn)行總耗時(shí)上不具優(yōu)勢(shì),而且斜行過(guò)程對(duì)AGV部件的磨損沖擊較S型轉(zhuǎn)彎大,因此逐漸被S型轉(zhuǎn)彎所替代。
圖7 斜行
AGV在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)磁釘導(dǎo)航進(jìn)行絕對(duì)位置校準(zhǔn),根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)磁釘?shù)牟季忠?guī)劃最終形成了AGV水平運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的各行車、作業(yè)車道。在自動(dòng)化碼頭生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程中,岸橋根據(jù)船舶作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行集裝箱的裝卸作業(yè),AGV則根據(jù)TOS發(fā)出的指令,將指令中承運(yùn)的集裝箱從任務(wù)的收箱地點(diǎn)運(yùn)抵任務(wù)的送箱地點(diǎn)。由于不同種類的集裝箱(例如普通箱及冷箱)堆存的位置各不相同,為提高裝卸集裝箱的收發(fā)箱能力,裝卸箱一般分散堆存在多個(gè)作業(yè)箱區(qū),這樣便存在著多條AGV穿梭于岸橋作業(yè)區(qū)與堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)之間的路徑。隨著根據(jù)作業(yè)任務(wù)需求投入的AGV數(shù)量不斷地增加,根據(jù)碼頭AGV運(yùn)行區(qū)域的布局,在作業(yè)過(guò)程中AGV之間可能出現(xiàn)如下3種比較常見(jiàn)的沖突。
(1)AGV在相向行駛的過(guò)程中,一臺(tái)AGV等待另外一臺(tái)AGV而產(chǎn)生的等待或慢速行駛沖突。
(2)AGV在同向行駛的過(guò)程中,一臺(tái)AGV等待另外一臺(tái)AGV而產(chǎn)生的等待或慢速行駛沖突。
(3)AGV同時(shí)到達(dá)同一交車路口時(shí)而產(chǎn)生的交叉等待沖突,造成等待或慢速行駛沖突。
對(duì)以上沖突情況進(jìn)行分析、觀察及研究,發(fā)現(xiàn)造成以上情況的因素主要有6種:
(1)岸橋循環(huán)方向或者作業(yè)位置發(fā)生改變,導(dǎo)致AGV在岸橋交互及穿行車道中發(fā)生互相等待。
(2)作業(yè)AGV所承運(yùn)的集裝箱有箱門方向或者冷凍箱制冷器插頭方向的裝卸要求,雖然是在單向車道中,但路徑導(dǎo)引規(guī)則許可在換箱門時(shí)逆向占用行駛車道,導(dǎo)致相向駛來(lái)的AGV需要等待前一AGV動(dòng)作完成而產(chǎn)生的等待沖突。
(3)AGV設(shè)備載重情況不同,導(dǎo)致彼此之間的加減速時(shí)間及最高速度產(chǎn)生差異,在運(yùn)行過(guò)程中后方快車等待前方慢車。
(4)前方或在交叉路口中的AGV下一動(dòng)作為轉(zhuǎn)向或者變更車道,且下一動(dòng)作的路權(quán)許可尚未下達(dá),導(dǎo)致其他AGV依次等待。
(5)AGV設(shè)備出現(xiàn)單機(jī)狀態(tài)性能漏洞,設(shè)備停車或設(shè)備監(jiān)控人員激活相關(guān)旁路功能而導(dǎo)致最高速度受到了限制,后方AGV等待。
以上AGV沖突的發(fā)生,會(huì)堵塞水平運(yùn)輸路網(wǎng),降低水平運(yùn)輸效率,最終導(dǎo)致部分水平運(yùn)輸任務(wù)超時(shí)。本文研究的沖突工況為AGV在相向行駛的過(guò)程中,一臺(tái)AGV等待另外一臺(tái)AGV而產(chǎn)生的等待或者慢速行駛沖突,這類沖突在AGV實(shí)際運(yùn)行中占比較大。
AGV行駛區(qū)域的車流控制完全由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制,通過(guò)鎖閉區(qū)管理來(lái)實(shí)現(xiàn),由申明鎖閉區(qū)與申請(qǐng)鎖閉區(qū)組成。申明鎖閉區(qū)為當(dāng)前AGV已經(jīng)獲準(zhǔn)的鎖閉區(qū),長(zhǎng)度由前方道路的凈空距離和AGV運(yùn)動(dòng)性能共同決定,鎖閉區(qū)的長(zhǎng)度應(yīng)能保證AGV在當(dāng)前速度下安全制動(dòng);申請(qǐng)鎖閉區(qū)是隨著AGV的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)逐步延伸的一部分鎖閉區(qū),該鎖閉區(qū)的長(zhǎng)度由AGV的運(yùn)動(dòng)速度動(dòng)態(tài)決定。
路徑?jīng)_突檢測(cè)是將交通控制算法(TC)和速度控制器(SC)結(jié)合,通過(guò)鎖閉區(qū)允許的行駛速度與理想行駛速度判斷AGV是否持續(xù)處于擁堵沖突狀態(tài)。
在自動(dòng)化控制中,模糊控制方法被廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)的相關(guān)業(yè)務(wù)中。模糊控制是以業(yè)務(wù)需要所建立的模糊集合、模糊變量及模糊邏輯作為基礎(chǔ)進(jìn)行的一種計(jì)算機(jī)推理,基本流程為對(duì)輸入數(shù)據(jù)的模糊化,專家規(guī)則庫(kù)進(jìn)行邏輯推斷,最終通過(guò)解模糊將結(jié)果輸出給受控對(duì)象。
模糊控制的輸入量可以是各種數(shù)據(jù)類型,為了幫助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)輸入量進(jìn)行理解,在對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行推斷之前,必須對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化。模糊化的主要流程是將輸入的各種有量綱確定量轉(zhuǎn)換成一個(gè)無(wú)量綱的模糊量。
以AGV的行駛速度為例,0~2 m/s表示的是AGV行駛速度的物理意義,這樣的速度在人類感官認(rèn)知上可以用“很慢”表示,依此類推,2~4 m/s可以用“較慢”表示,4~6 m/s可以用“正?!北硎荆诖嘶A(chǔ)上不僅可以用三段式隸屬度來(lái)表示E={NS,ZE,PS},更可以精確到五段式E={NB,NS,ZE,PS,PB},甚至是七段式來(lái)表示E={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}。
因此輸入數(shù)據(jù)的模糊化是將一個(gè)準(zhǔn)確的輸入信號(hào)通過(guò)對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)規(guī)則,轉(zhuǎn)化為模糊信號(hào)提供給專家規(guī)則庫(kù)進(jìn)行邏輯推斷。
專家規(guī)則庫(kù)是模糊控制的核心,該規(guī)則庫(kù)可以基于已有的專家知識(shí),也可以是過(guò)程控制人員長(zhǎng)期通過(guò)人工干預(yù)而積累的一定經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知。它是一種仿照人類的感官推理得到結(jié)論的過(guò)程,通常模糊規(guī)則為一系列因果關(guān)系詞構(gòu)成,例如if、then和else等。
以AGV發(fā)生等待沖突或者擁堵為例,A、B、C分別表示為3臺(tái)發(fā)生等待沖突的AGV。假設(shè)A等待B通過(guò),B等待C通過(guò),C等待A通過(guò),則3臺(tái)AGV進(jìn)入死鎖狀態(tài)。此時(shí)模糊控制的輸入數(shù)據(jù)為3臺(tái)AGV下一行駛動(dòng)作預(yù)計(jì)完成時(shí)間ET,A預(yù)計(jì)完成時(shí)間為10 s,B預(yù)計(jì)完成時(shí)間為5 s,C預(yù)計(jì)完成時(shí)間為3 s。根據(jù)隸屬度進(jìn)行模糊化后,A預(yù)計(jì)完成時(shí)間模糊為“較長(zhǎng)”(PB),B預(yù)計(jì)完成時(shí)間為“中等”(Z),C預(yù)計(jì)完成時(shí)間為“較短”(NB)。則預(yù)計(jì)完成時(shí)間ET與優(yōu)先度選擇優(yōu)度(OC)之間的關(guān)系為:預(yù)計(jì)完成時(shí)間“較短”的AGV能夠獲得較高的優(yōu)先權(quán)通過(guò)。但是如果再增加一個(gè)輸入量,即當(dāng)發(fā)生死鎖時(shí)A、B、C 3臺(tái)AGV后排隊(duì)等待通行的AGV數(shù)量,最終解除死鎖而進(jìn)行的優(yōu)先度選擇優(yōu)度(OC)結(jié)果可能發(fā)生變化。
當(dāng)推理結(jié)果獲得后,該結(jié)果依然為一個(gè)模糊值,不能直接作為控制量來(lái)應(yīng)用,必須通過(guò)解模糊化將模糊值解析為實(shí)際控制量。
例如解除AGV死鎖過(guò)程中,優(yōu)先度選擇優(yōu)度(OC)結(jié)果集E={NS,ZE,PS},即可解析為AGV通過(guò)的優(yōu)先級(jí)順序號(hào)1、2、3。
模糊控制器的作用是判別AGV是否處于擁堵沖突狀態(tài),并決定是否采取S彎變道來(lái)擺脫沖擁堵沖突??刂破鞯妮斎胗葾GV載重量、AGV當(dāng)前的行駛速度與AGV前方凈空距離三要素組成,輸出則為AGV作出的重新規(guī)劃路徑擺脫沖突的決定。
定義輸入?yún)?shù)如下:
(1)agv_payload定義為AGV載重量,AGV可達(dá)到的理論最大速度與加減速時(shí)間由載重量決定。
(2)agv_act_speed定義為AGV運(yùn)行的當(dāng)前行駛速度。
(3)agv_lock_area_length_permit定義為AGV前方凈空距離,即表明道路擁擠情況。
輸出參數(shù)agv_conflict_solution定義為處于沖突態(tài)的AGV作出的重新規(guī)劃路徑擺脫沖突的決定。
(1)agv_lock_area_length_permit擁擠程度模糊化{NB,Z,PB},見(jiàn)表1。
表1 agv_lock_area_length_permit模糊集
(2)agv_payload AGV載重量模糊化{NB,Z,PB},見(jiàn)表2。
表2 agv_payload模糊集
(3)agv_act_speed AGV實(shí)際速度模糊化{NB,Z,PB},見(jiàn)表3。
表3 agv_act_speed模糊集
發(fā)生AGV擁堵后,模型判斷AGV是否進(jìn)入擁堵沖突狀態(tài),是否需要通過(guò)AGV規(guī)劃一個(gè)S彎來(lái)擺脫沖突狀態(tài)。為了簡(jiǎn)化模糊邏輯推斷規(guī)則,對(duì)模糊規(guī)則做如下篩選:
(1)當(dāng)agv_lock_area_length_permit=PB狀態(tài)時(shí),無(wú)論當(dāng)前速度或載重情況如何,AGV都能達(dá)到理想的行駛速度。
(2)當(dāng)agv_lock_area_length_permit=NB狀態(tài)時(shí),無(wú)論當(dāng)前速度或載重情況如何,AGV都會(huì)很塊達(dá)到擁堵沖突狀態(tài)。
根據(jù)上述篩選,最終模糊規(guī)則共有如下9條邏輯推斷規(guī)則(見(jiàn)表4)。其中第2、3及6條規(guī)則,即判定AGV是處于擁堵?tīng)顟B(tài)并采取變道策略。
表4 AGV擁堵模糊邏輯推斷規(guī)則
agv_conflict_solution該輸出決定AGV是否處于擁堵?tīng)顟B(tài)并采取變道策略,見(jiàn)表5。
表5 agv_conflict_solution模糊集
對(duì)AGV在同向行駛的過(guò)程中,一臺(tái)AGV等待另外一臺(tái)AGV而產(chǎn)生的等待或者慢速行駛擁堵沖突工況進(jìn)行了建模與仿真。經(jīng)仿真驗(yàn)證,使用模糊控制進(jìn)行沖突管理時(shí),可節(jié)約AGV占用時(shí)間總計(jì)69 s。該方法能夠有效地減少由沖突和擁堵造成的AGV占用任務(wù)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題,提高AGV周轉(zhuǎn)率,提高水平運(yùn)輸效率,最終達(dá)到提高碼頭作業(yè)效率的目標(biāo)。