姚明山

（上海維祥信息技術(shù)有限公司技術(shù)研發(fā)部，上海 200090）

0 引言

自動(dòng)導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle，簡(jiǎn)稱AGV）是智能工廠的主要搬運(yùn)載體和主流自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備［1-2］，是實(shí)現(xiàn)智能工廠自動(dòng)化物流調(diào)度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一［3-4］。智能工廠的工件在機(jī)器之間的裝卸件大多通過AGV 進(jìn)行搬運(yùn)［5］，AGV 在加工設(shè)備和運(yùn)輸資源等物流調(diào)度［6］及協(xié)同優(yōu)化中發(fā)揮的作用成為智能工廠高效運(yùn)作的重要支撐［7-8］。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多AGV 物流調(diào)度問題做了較多研究。曹曉華等［9］對(duì)多AGV 的實(shí)時(shí)調(diào)度方法進(jìn)行了研究，提出基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線識(shí)別系統(tǒng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)度策略。徐立云等［10］指出多品種混流柔性加工單元中的AGV 數(shù)量和運(yùn)行路徑直接影響單元的運(yùn)行效率，在考慮產(chǎn)品加工工時(shí)、批量需求、設(shè)備物理位置等約束下，對(duì)多AGV 的調(diào)度策略進(jìn)行優(yōu)化求解，獲取了最優(yōu)化路徑。陳香玲等［11］考慮采用純電力驅(qū)動(dòng)的AGV 分揀過程存在電量消耗和充電需求的特性，提出一種優(yōu)化模型，指出調(diào)度模型可以有效提高分揀效率，并為考慮更多約束的AGV 調(diào)度研究提供求解途徑。Xu 等［12］提出與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的基于請(qǐng)求——調(diào)度——響應(yīng)模式的AGV 智能物流調(diào)度模型及響應(yīng)方法，建立數(shù)學(xué)模型，并從分配給AGV 的任務(wù)順序和轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)與AGV 的匹配關(guān)系（AGV-task）兩個(gè)維度對(duì)物流調(diào)度過程進(jìn)行優(yōu)化。Yoshitake 等［13］設(shè)計(jì)一種新的機(jī)器人系統(tǒng)，運(yùn)用一種實(shí)時(shí)的整體調(diào)度方法解決調(diào)度問題，工作區(qū)域越大，揀貨單的混雜程度越高，所提方法解決調(diào)度問題的效率也越高。Lee 等［14］通過獲勝者確定問題（WDP）解決了多AGV 的調(diào)度和路由方面的集成困難，建立基于知識(shí)算子的遺傳算法模型并優(yōu)化，降低了使用多個(gè)AGV 進(jìn)行物流和倉(cāng)儲(chǔ)應(yīng)用的成本。Liu［15］、Cardarelli［16］介紹一種新穎的云機(jī)器人架構(gòu)，該架構(gòu)提供不同的功能，以支持用于工業(yè)物流的AGV 組的增強(qiáng)協(xié)調(diào)，從不同的傳感源收集數(shù)據(jù)，提供不斷更新的工業(yè)環(huán)境全局實(shí)時(shí)視圖，以優(yōu)化方式協(xié)調(diào)AGV 的運(yùn)動(dòng)，但所提出的方法并沒有在真實(shí)的工業(yè)環(huán)境中得到驗(yàn)證。上述文獻(xiàn)對(duì)多AGV 調(diào)度響應(yīng)、決策與優(yōu)化問題進(jìn)行了研究，但是目前仍沒有文獻(xiàn)對(duì)人機(jī)協(xié)同場(chǎng)景下的多AGV 調(diào)度展開研究。因此，本文在已有研究基礎(chǔ)上，從人機(jī)協(xié)同視角出發(fā)，將智能工廠的多AGV 及其相關(guān)設(shè)備作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，對(duì)物流調(diào)度仿真需求進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)仿真內(nèi)容并通過實(shí)例對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。通過采用系統(tǒng)仿真的方法對(duì)多AGV 物流調(diào)度方案進(jìn)行分析研究，以期對(duì)物流調(diào)度方案進(jìn)行合理優(yōu)化，滿足智能工廠的要求。

1 仿真需求分析

在智能工廠中，多AGV 物流系統(tǒng)被用來進(jìn)行產(chǎn)線的料箱搬運(yùn)，從AGV 休息區(qū)搬運(yùn)料箱至需求點(diǎn)位，然后換取空箱，載回AGV 休息區(qū)。同時(shí)，智能工廠的物流系統(tǒng)包括AGV、籠車、拖車、物流貨車、叉車等一系列設(shè)備的協(xié)同運(yùn)作，要考慮物流調(diào)度的整體運(yùn)行效率及效果，因此需要對(duì)拖車、籠車合叉車進(jìn)行部署安排與仿真研究。

（1）人機(jī)協(xié)同關(guān)系設(shè)定。在智能工廠補(bǔ)料環(huán)節(jié)，需要業(yè)務(wù)操作人員與AGV 進(jìn)行人機(jī)協(xié)同處理補(bǔ)料，AGV 將物料搬運(yùn)至工作臺(tái)旁卸貨后回巢執(zhí)行下一任務(wù)，之后由業(yè)務(wù)操作人員等工作臺(tái)缺料時(shí)，將物料放置于工作臺(tái)上，否則需要將物料送至線邊庫暫存，等待工作臺(tái)缺料后再人工移料至工作臺(tái)。因此，物料調(diào)度作業(yè)盡可能不提前補(bǔ)料，否則會(huì)造成物料送至線邊庫暫存的次數(shù)增多從而增加人工操作時(shí)間，即使需要提前補(bǔ)料也要考慮人工時(shí)間處理合理性與補(bǔ)料及時(shí)性。

（2）AGV 部署安排。由于智能工廠的上料種類和頻次較高，對(duì)多AGV 的調(diào)度優(yōu)化有較高要求，需確定不同生產(chǎn)節(jié)拍（JPH）下的AGV 最優(yōu)部署數(shù)量，以及運(yùn)行策略，從而保障產(chǎn)線物料供給通暢，降低因缺料而導(dǎo)致的生產(chǎn)線停工。

（3）確定拖車部署安排。拖車的部署安排會(huì)影響AGV休息區(qū)域的零件上料時(shí)長(zhǎng)，如果數(shù)量不足，可能無法為AGV 提供滿料箱。對(duì)生產(chǎn)的不同區(qū)域而言，拖車數(shù)量、運(yùn)行路徑也都各有差異。因此，需要分析拖車的最優(yōu)調(diào)度和部署，從而盡最大程度保障AGV 能夠取到滿料箱，為產(chǎn)線供料。

（4）籠車部署安排。由于AGV 運(yùn)行通道和籠車運(yùn)行通道有干涉，因此，籠車上料應(yīng)選擇AGV 停止運(yùn)行的時(shí)間段，例如午休停線時(shí)間等。為了進(jìn)行籠車調(diào)度的最優(yōu)配置，需要借助仿真工具進(jìn)行建模，通過模型分析，不同生產(chǎn)節(jié)拍下，籠車應(yīng)如何安排上料操作，并分析出具體的上料次數(shù)。

（5）叉車部署安排。叉車是連接泊位和零件存儲(chǔ)區(qū)域的車輛工具，承擔(dān)著貨車卸貨及返空箱入貨車的操作。每個(gè)泊位配套的叉車數(shù)量多少，會(huì)顯著影響貨車卸貨時(shí)間。因此，需要借助仿真工具進(jìn)行建模分析，對(duì)叉車裝卸過程進(jìn)行模擬，得出具體的裝卸完成時(shí)間。

2 仿真內(nèi)容設(shè)計(jì)

構(gòu)建完備的多AGV 物流調(diào)度仿真模型，要將實(shí)際的業(yè)務(wù)運(yùn)作在數(shù)字化、模擬化空間內(nèi)進(jìn)行部署與調(diào)整，從而更好地支持實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)作［17］，因此要將空間位置設(shè)置和仿真邏輯設(shè)置兩方面相結(jié)合?？臻g位置是仿真對(duì)象（如AGV、拖車等）的運(yùn)行環(huán)境，仿真邏輯是仿真對(duì)象的作業(yè)邏輯和規(guī)則，二者相輔相成，缺一不可。

在空間位置方面，為了方便AGV 的調(diào)度和上料，需對(duì)車間的物料需求點(diǎn)位進(jìn)行劃分，劃分后的子區(qū)域由對(duì)應(yīng)的AGV 負(fù)責(zé)上料。并且，需要對(duì)零部件倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行設(shè)定，不同產(chǎn)線的料箱應(yīng)分類存放，便于拖車?yán)瓌?dòng)上料。在仿真邏輯設(shè)置方面，主要是對(duì)參與料箱物流的設(shè)備進(jìn)行設(shè)定，包括對(duì)AGV 的送料流程、換料箱邏輯進(jìn)行設(shè)定，對(duì)籠車的上料邏輯進(jìn)行設(shè)定，對(duì)拖車的料箱拉動(dòng)邏輯進(jìn)行設(shè)定，對(duì)貨車的送貨邏輯、靠泊邏輯進(jìn)行設(shè)定，對(duì)叉車的卸貨及返空箱邏輯進(jìn)行設(shè)定。

2.1 空間位置設(shè)置

（1）AGV 送料區(qū)域劃分。為了保證車間內(nèi)AGV 的有序調(diào)度，需要對(duì)物料需求點(diǎn)進(jìn)行劃分，采用分而治之的策略，從而提升AGV 調(diào)度效率。采用車間內(nèi)零件點(diǎn)位劃分的方式，將零件需求點(diǎn)劃分為3 個(gè)部分。區(qū)域一包括前艙線和四門鉸鏈安裝區(qū)域；區(qū)域二包括車頂橫梁、下車體、主線和表調(diào)區(qū)域；區(qū)域三包括側(cè)圍分拼和側(cè)圍總成區(qū)域。

（2）零件倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域布局設(shè)置。零件倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域用于存儲(chǔ)零部件料箱，主要由料箱存放點(diǎn)位、貨車泊位、空箱停放區(qū)、拖車停放區(qū)、叉車停放區(qū)組成。料箱存放點(diǎn)位按照不同區(qū)域歸屬不同，進(jìn)行分散放置，貨車泊位位于卷簾門位置，空箱停放區(qū)域位于平面圖左側(cè)，用于堆存空料箱。拖車停放區(qū)域用于停放無作業(yè)任務(wù)的拖車，位于零件存儲(chǔ)區(qū)域兩端，叉車停放區(qū)域位于平面圖右側(cè)。

2.2 仿真邏輯設(shè)置

2.2.1 AGV送料流程

本次仿真設(shè)定將采用AGV 給不同區(qū)域的物料需求點(diǎn)送貨。AGV 接收到送料指令，裝載料箱后離開AGV 休息區(qū)域，根據(jù)指令自動(dòng)行駛至指定的物料需求點(diǎn)位置，等待料箱交換。完成料箱交換后，AGV 將離開當(dāng)前物料需求點(diǎn)位置，自動(dòng)返回至AGV 停留區(qū)域。AGV 通道為單行道，采用車間循環(huán)路徑進(jìn)行送料，因此不會(huì)發(fā)生AGV 的相向沖突情形，極大程度上減少了車間的安全事故隱患，相應(yīng)的仿真模塊如圖1所示。

Fig.1 AGV feeding simulation module圖1 AGV送料仿真模塊

2.2.2 籠車送料流程

考慮到籠車和AGV 之間存在送貨路徑交叉，因此，籠車只會(huì)在AGV 休息的時(shí)候進(jìn)行送料操作。具體邏輯如下：籠車會(huì)根據(jù)發(fā)車指令，在AGV 全部停止作業(yè)時(shí)進(jìn)行零件料箱的補(bǔ)貨操作?；具壿嬍牵喊凑詹煌瑓^(qū)域，分別進(jìn)行上料。需要在AGV 全部停止作業(yè)期間，比如午休即生產(chǎn)暫停期間，必須要完成補(bǔ)貨，返回初始位置，仿真設(shè)計(jì)模塊如圖2所示。

Fig.2 Cage trolley feeding simulation module圖2 籠車送料仿真模塊

2.2.3 拖車補(bǔ)貨流程

當(dāng)AGV 取料箱后，會(huì)消耗AGV 休息區(qū)的滿料箱數(shù)量，此時(shí)，拖車會(huì)接收到上料指令，從料箱倉(cāng)庫拖動(dòng)料箱至AGV 的休息區(qū)域。達(dá)到AGV 休息區(qū)后，拖車會(huì)將滿料箱卸下后，同時(shí)將空箱拖動(dòng)至料箱庫的空箱停放區(qū)域。拖車補(bǔ)貨仿真模塊如圖3所示。

Fig.3 Trailer replenishment simulation module圖3 拖車補(bǔ)貨仿真模塊

2.2.4 貨車送料流程

零件供應(yīng)商的送料貨車根據(jù)送｛Lu，2019#9｝貨計(jì)劃，駛?cè)肓慵}(cāng)庫區(qū)域，執(zhí)行靠泊裝卸料箱作業(yè)4 零件倉(cāng)庫側(cè)面會(huì)開設(shè)多個(gè)泊位供貨車卸貨。貨車進(jìn)入道口后會(huì)判斷是否有空閑泊位，如果有空閑泊位，貨車就進(jìn)入開始卸貨；如果沒有空閑泊位，貨車則在道口等待，當(dāng)有空閑泊位時(shí)，貨車就進(jìn)入卸貨。貨車送料仿真模塊如圖4所示。

3 仿真結(jié)果

以某智能工廠為仿真對(duì)象，采用Anylogic7.2 軟件進(jìn)行仿真模擬，調(diào)用軟件的交通運(yùn)輸、系統(tǒng)流程，智能體行動(dòng)圖等軟件模塊，根據(jù)工廠需求及數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真研究。其中，設(shè)定生產(chǎn)節(jié)拍（JPH）為10，零件倉(cāng)庫側(cè)面開設(shè)3 個(gè)泊位，即分區(qū)域1、區(qū)域2 和區(qū)域3，運(yùn)算結(jié)果驗(yàn)證仿真的可行性和可靠性。

3.1 AGV參數(shù)試驗(yàn)

在物流調(diào)度作業(yè)中，部署AGV 數(shù)量多少是為了降低甚至消除產(chǎn)線的停工等料時(shí)長(zhǎng)。若停工時(shí)長(zhǎng)為零，則表明產(chǎn)線無停線時(shí)間，此時(shí)的生產(chǎn)作業(yè)效率最高。如圖5 所示，仿真結(jié)果表明，當(dāng)同一區(qū)域部署不同數(shù)量AGV 時(shí)，產(chǎn)線的停工等料時(shí)長(zhǎng)有顯著差異，AGV 的數(shù)量越多，則產(chǎn)線停工等料時(shí)長(zhǎng)越少，但數(shù)量達(dá)到5 以上則產(chǎn)線停工等料時(shí)長(zhǎng)降低幅度很少，從而可推算出物流調(diào)度所需的AGV數(shù)量。

3.2 拖車需求參數(shù)試驗(yàn)

同一區(qū)域部署不同數(shù)量的拖車，會(huì)影響AGV 線邊倉(cāng)庫的物料更新時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)AGV 取料箱前往工位后，需要拖車從下方倉(cāng)庫取同類料箱送至AGV 線邊倉(cāng)庫，這個(gè)時(shí)長(zhǎng)不能大于當(dāng)前JPH 下物料的消耗時(shí)間。JPH 為10 情況下，一小時(shí)會(huì)消耗10 個(gè)物料，每個(gè)平均6min 會(huì)消耗一個(gè)物料，因此，拖車送貨時(shí)間不能大于6min，否則，可能會(huì)出現(xiàn)線上需要物料，但是AGV 無法取得物料的情形，具體各區(qū)域拖車送貨時(shí)長(zhǎng)如圖6 所示，拖車的數(shù)量越多則區(qū)域拖車送貨時(shí)長(zhǎng)越少，但是數(shù)量達(dá)到3 以上則區(qū)域拖車送貨時(shí)長(zhǎng)降低幅度很少，同樣通過仿真可推算出物流調(diào)度所需的拖車數(shù)量。

Fig.5 AGV quantitative sensitivity in each region圖5 各區(qū)域AGV數(shù)量靈敏度

3.3 籠車送料頻次

從圖7 可以看出，如果籠車只在第一個(gè)AGV 全部停止作業(yè)期間進(jìn)行送料補(bǔ)貨操作，那么當(dāng)天第二個(gè)AGV 全部停止作業(yè)時(shí)，由籠車送料點(diǎn)位的缺貨率將達(dá)到70%，無法支撐第二天上午的消耗量。因此，籠車送料必須一天2次，才可以滿足正常的生產(chǎn)作業(yè)。

Fig.6 Trailer feeding time in each region圖6 各區(qū)域拖車送料時(shí)長(zhǎng)

3.4 叉車數(shù)量需求

每個(gè)泊位的叉車配套數(shù)量會(huì)顯著影響對(duì)應(yīng)泊位的貨車?？繒r(shí)間。如圖8 所示，如果每個(gè)泊位只有一輛叉車進(jìn)行裝卸作業(yè)，那么貨車的泊位停留時(shí)間將達(dá)到40min 左右。但是，如果希望降低貨車停留時(shí)間，提高貨車流轉(zhuǎn)率，則可以考慮安排2 輛叉車服務(wù)同一個(gè)泊位，使單臺(tái)貨車的總停留時(shí)間降低至20min左右。

Fig.7 Cage feeding point shortage rate圖7 籠車送料點(diǎn)位缺貨率

Fig.8 Average stay length of truck in berth圖8 貨車在泊位停留的平均時(shí)長(zhǎng)

4 結(jié)語

本文對(duì)智能工廠多AGV 的物流調(diào)度進(jìn)行仿真研究，從人機(jī)協(xié)同視角對(duì)多AGV 系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行過程進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際工廠提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，通過平面及三維立體空間實(shí)時(shí)地展示了廠內(nèi)運(yùn)作狀態(tài)和物料拉動(dòng)細(xì)節(jié)，確定了給定JPH 條件下，不同區(qū)域所需的最低AGV 數(shù)量、不同區(qū)域拖車的最低需求數(shù)以及籠車上料的操作方式，通過仿真模擬可以優(yōu)化物流調(diào)度作業(yè)，為智能工廠的AGV 項(xiàng)目采購(gòu)和物流調(diào)度作業(yè)提供決策數(shù)據(jù)和優(yōu)化方案支持。然而，本文僅從人工協(xié)同視角對(duì)智能工廠的多AGV 調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。在此仿真研究基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步對(duì)如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)智能工廠的多AGV物流調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行研究，以期設(shè)計(jì)出一套滿足智能工廠的多AGV 自適應(yīng)物流調(diào)度系統(tǒng)。