基于AGV的印花車間漿桶配送系統(tǒng)設(shè)計

武興振，孫利瑞 （北京物資學(xué)院，北京 101149）

WU Xingzhen,SUN Lirui (Beijing Wuzi University,Beijing 101149,China)

印花是印染批處理生產(chǎn)流程中的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是將已完成染色工藝的織布印成不同花色布料的生產(chǎn)過程。現(xiàn)行織布印花所需漿料是根據(jù)印花樣式和色彩采取人工配送的方式進行。隨著大規(guī)模定制化生產(chǎn)需求的突增，人工配送漿桶的工作效率問題突顯，規(guī)模化印染企業(yè)雖然在印花技術(shù)和印花設(shè)備上達到了先進水平，但漿料的供給成為制約其順應(yīng)市場發(fā)展的瓶頸[1]。

1 印花工藝生產(chǎn)物流現(xiàn)狀

印花物流是混合型生產(chǎn)物流過程，包括布匹的連續(xù)型供給和漿料的離散型供給[2]。企業(yè)已實現(xiàn)了批處理生產(chǎn)過程中布匹的自動化連續(xù)供給，但人工配送漿料的離線過程無法適應(yīng)大規(guī)模化定制訂單的生產(chǎn)需求，漿料供給效率低下，供給成本居高不下。目前漿料的供給使用漿桶容器進行人工配送，是整個印花生產(chǎn)中用工量最多，信息化和自動化水平最低的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其生產(chǎn)現(xiàn)狀如下：

（1）漿桶配送數(shù)量大，工人作業(yè)勞動強度高，存在用工難的狀況。具有10臺印花機的印花車間，一天所需運輸?shù)臐{桶數(shù)量多達近千桶，加之相同數(shù)量的殘漿桶回收作業(yè)，運輸任務(wù)量巨大。

（2）殘漿造成的浪費和環(huán)境污染。人工配送漿料，多采用單桶多裝以減少配送次數(shù)的方式進行作業(yè)，往往造成生產(chǎn)線上漿料的過多剩余，剩余的漿料無法重復(fù)利用，增加了額外的處理成本。

（3）漿桶信息核對靠人工完成，工作效率低下。印染設(shè)備的智能化主要體現(xiàn)在信息流和物流兩方面[3]，但現(xiàn)在生產(chǎn)中工人依靠漿桶外壁粘貼的紙質(zhì)任務(wù)單將漿桶配送至相應(yīng)的工位并進行信息核對，人工匹配核對信息的模式工作效率較低且出錯率高。

（4）人工配送漿桶的作業(yè)模式不能滿足大規(guī)模定制化生產(chǎn)的任務(wù)需求。快時尚品牌加速了印花產(chǎn)品的迭代速率，現(xiàn)有漿桶配送方式不能快速響應(yīng)短周期、多品種、大規(guī)模定制化的生產(chǎn)需求[4]。

2 印花車間漿桶配送方案設(shè)計

印花車間漿桶配送通道與工人共用一個作業(yè)通道，為滿足車間物流的柔性化需求，本文選用磁帶導(dǎo)引AGV作為漿桶配送的運載工具。本章對漿桶與AGV和工位的接駁方式、生產(chǎn)物流布局、AGV工作流程和漿桶信息識別方案等進行設(shè)計使其滿足漿桶配送的生產(chǎn)需求。

2.1 AGV配送漿桶的接駁方式設(shè)計

漿桶配送物流包括漿桶由灌漿區(qū)至各印花機工位和殘漿桶至清洗區(qū)的回流運輸，漿桶在各工位間的自動接駁是自動化配送漿桶的關(guān)鍵。本文選擇使用PLC控制的輥軸輸送帶單元作為漿桶接駁模塊，將該模塊安裝在AGV車身頂部和各工位前作為接駁裝置進行自動接駁，接駁裝置的作業(yè)依靠上位機的指令觸發(fā)，接駁方式如圖1示。

圖1 漿桶接駁方式圖

2.2 漿桶信息識別方案

本文提出構(gòu)建基于RFID標(biāo)簽的漿桶信息識別系統(tǒng)，以實現(xiàn)漿桶在各流通環(huán)節(jié)的自動信息識別和信息核對功能，提高信息識別的效率和準(zhǔn)確率，實現(xiàn)漿桶物流的實時信息追溯。

RFID信息識別系統(tǒng)由讀寫器模塊、天線模塊、標(biāo)簽?zāi)K（封裝的RFID標(biāo)簽）、信息傳輸模塊、上位機、中間件軟件和信息識別系統(tǒng)軟件組成。在系統(tǒng)實施方面，需要對RFID標(biāo)簽進行有效封裝，使其具備防水防污功能，將封裝的RFID標(biāo)簽置于漿桶底部。RFID讀寫器選用圓形天線，安裝在接駁裝置的輥軸正下方，使其在接駁時能讀取到漿桶底部標(biāo)簽數(shù)據(jù)。AGV車載接駁裝置讀寫器置于AGV車身內(nèi)部，依靠車載設(shè)備進行供電和通信，備漿區(qū)和生產(chǎn)工位的接駁裝置采用有線供電和有線通信方式實施。

2.3 生產(chǎn)物流布局設(shè)計

生產(chǎn)物流布局設(shè)計是在保證生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)上對生產(chǎn)物流涉及的場地和作業(yè)流程進行重新規(guī)劃設(shè)計[5]，以滿足智能化、自動化物流實施的需要。本文將生產(chǎn)車間按功能因素劃分為灌漿區(qū)、印染生產(chǎn)區(qū)、桶庫周轉(zhuǎn)區(qū)，同時根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的需要尋找合理場地設(shè)置備漿區(qū)和AGV停泊整備區(qū)。備漿區(qū)作為漿桶的緩存區(qū)，用以調(diào)節(jié)灌漿區(qū)和印染生產(chǎn)區(qū)對漿桶需求的作業(yè)時間差和空間差，提高配送系統(tǒng)對生產(chǎn)需求的快速響應(yīng)能力，生產(chǎn)物流布局圖2示。

圖2 生產(chǎn)物流布局設(shè)計圖

2.4 AGV調(diào)度系統(tǒng)功能設(shè)計

AGV調(diào)度系統(tǒng)向上連接MES系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)，接收上位機系統(tǒng)的任務(wù)信息并反饋任務(wù)執(zhí)行信息，向下連接AGV、接駁裝置、通信傳輸裝置、充電機等硬件設(shè)施實現(xiàn)資源調(diào)動和任務(wù)的執(zhí)行。

（1）人員管理模塊。人員管理模塊是對使用AGV調(diào)度系統(tǒng)的人員信息進行管理的模塊，可進行人員角色設(shè)定、權(quán)限設(shè)定、人員信息添加、查詢、刪除等功能。

（2）通信傳輸模塊。AGV與調(diào)度系統(tǒng)間依靠無線局域網(wǎng)進行通信，通信傳輸模塊提供AGV、接駁裝置與上位機調(diào)度系統(tǒng)的通信配置功能，包括各設(shè)備的上線功能、下線功能、通信地址修改、通信狀態(tài)查詢等功能。

（3）圖形監(jiān)控功能。圖形監(jiān)控功能可以實時顯示作業(yè)區(qū)域內(nèi)的地圖路徑信息、AGV信息、接駁工位信息等，并支持AGV在線信息查詢、地圖編輯、工位編輯、路徑交通設(shè)置等功能。

（4）AGV調(diào)度管理模塊。管理者通過該功能模塊可進行AGV小車的手動調(diào)度、任務(wù)列表加載、任務(wù)優(yōu)先級設(shè)置等任務(wù)管理功能。

（5）AGV智能充電。AGV使用電池具有低電量檢測技術(shù)，在電量低于設(shè)定的閥值時，AGV會停止接收新的任務(wù)，并在執(zhí)行完當(dāng)前任務(wù)后自主前往充電區(qū)進行充電。

2.5 AGV調(diào)度系統(tǒng)作業(yè)策略

漿桶的配送采取推動式配送策略，該配送策略是一種主動式策略。企業(yè)新上線配漿調(diào)漿系統(tǒng)具備漿料預(yù)估功能，能根據(jù)所印布匹的花色、花型和長度計算各漿料的用量，以實現(xiàn)漿料的主動式配送。MES系統(tǒng)根據(jù)估漿系統(tǒng)的數(shù)據(jù)向AGV調(diào)度系統(tǒng)下達任務(wù)序列，調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度AGV和接駁裝置完成相關(guān)作業(yè)。

2.5.1 任務(wù)分配策略

（1）配送優(yōu)先等級策略。AGV系統(tǒng)的配送任務(wù)分為調(diào)漿區(qū)至備漿區(qū)的滿漿桶配送、備漿區(qū)至生產(chǎn)工位的滿漿桶配送、生產(chǎn)工位至桶庫清洗區(qū)的殘漿桶配送和桶庫清洗區(qū)至調(diào)漿區(qū)的空漿桶配送。每個配送任務(wù)是相互獨立的，并依次賦予從高到低的優(yōu)先執(zhí)行等級，以滿足工位對漿桶的生產(chǎn)需求，提高配送系統(tǒng)的響應(yīng)速度和配送質(zhì)量。

（2）任務(wù)組合優(yōu)化策略[6]。對獨立的配送任務(wù)根據(jù)任務(wù)執(zhí)行的時間節(jié)點和位置信息等進行多任務(wù)的組合優(yōu)化，將組合的連續(xù)性任務(wù)分配給對應(yīng)的AGV，可以增加AGV作業(yè)在時間和空間上的連續(xù)性，減少AGV的空載率，提高整體作業(yè)效率。

2.5.2 路徑規(guī)劃策略

（1）沖突避碰策略[7]。AGV采用集中式調(diào)度模式，AGV和接駁裝置是任務(wù)的執(zhí)行體，AGV的路徑規(guī)劃由調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)最短路算法計算給出。對追趕沖突和路口轉(zhuǎn)向沖突可通過車輛路徑預(yù)定方式和車速控制方式進行避碰。AGV在行進過程中對前方規(guī)劃的路徑進行一定距離的路徑預(yù)定，若前方預(yù)定距離內(nèi)沒有其他車輛預(yù)定，該路徑被該AGV鎖定，其他車輛不能通過，該車輛通過后路徑解鎖，預(yù)定路徑隨車身位置動態(tài)變化。若前面規(guī)劃路徑被預(yù)定則進行新路徑的規(guī)劃或控制車速進行預(yù)定路徑排隊。

（2）雙向雙通道設(shè)置。AGV通道設(shè)置為雙向雙通道，每個通道方向固定只允許同向車輛順序通過，雙通道之間可在固定區(qū)域通過轉(zhuǎn)彎的方式實現(xiàn)聯(lián)通，該通道設(shè)置方式在路徑設(shè)置層面避免了路徑的沖突，提高車輛的作業(yè)速率。

2.5.3 作業(yè)調(diào)度策略

在AGV調(diào)度作業(yè)中，調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)上位MES系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)生成自身的作業(yè)任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行優(yōu)先權(quán)進行等級劃分和任務(wù)組合，經(jīng)組合的任務(wù)序列將以待分配的狀態(tài)加入任務(wù)池。調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)待分配任務(wù)的位置信息和時間窗信息等將任務(wù)池中的任務(wù)分配給離任務(wù)點最近的AGV。

AGV作業(yè)應(yīng)遵守以下規(guī)則：

（1）每個AGV在執(zhí)行任務(wù)時，只能執(zhí)行一個組合好的任務(wù)，組合內(nèi)的任務(wù)必須依次執(zhí)行，每個組合好的任務(wù)只能被分配給一個AGV。

（2）AGV采用集中式部署，由上位機統(tǒng)一調(diào)度，AGV之間不產(chǎn)生信息交互，AGV之間可通過避障裝置和路徑算法實現(xiàn)避障。

（3）AGV狀態(tài)分工作狀態(tài)、空閑狀態(tài)、待充電狀態(tài)、充電狀態(tài)和故障狀態(tài)。AGV狀態(tài)可根據(jù)自身檢測裝置和任務(wù)執(zhí)行情況進行動態(tài)變換。AGV在檢測到自身電量低于設(shè)定的安全閥值時，會自主調(diào)節(jié)自身狀態(tài)屬性至待充電狀態(tài)，待執(zhí)行完接受的任務(wù)序列后進行自主充電。

3 漿桶配送系統(tǒng)AGV數(shù)量規(guī)劃模型

在配送系統(tǒng)中可將漿桶運輸任務(wù)看作“顧客”，AGV看作“服務(wù)臺”，整個調(diào)度系統(tǒng)看作“排隊系統(tǒng)”，通過構(gòu)建排隊論模型[8]，利用AGV的運行數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)計算理想工作條件下的AGV數(shù)量。該AGV數(shù)量規(guī)劃模型以物流AGV總成本最低為目標(biāo)函數(shù)，以系統(tǒng)中AGV數(shù)量為決策變量，并將物流AGV的等待成本考慮在內(nèi)，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型并進行解析。

模型假設(shè)：

（1）調(diào)度系統(tǒng)中AGV運輸任務(wù)的達到為泊松流，達到的時間間隔服從參數(shù)為λ的負指數(shù)分布，服務(wù)時間服從參數(shù)為μ的負指數(shù)分布，該排隊模型為M/M/C型模型，其中M表示負指數(shù)分布，C表示服務(wù)臺數(shù)量（本文中為AGV數(shù)量）。

（2）為方便計算，漿桶運輸忽略從灌漿區(qū)至備漿區(qū)間的運輸過程，只計算漿桶從備漿區(qū)至印花機工位和印花機工位至清洗區(qū)的主要運輸過程。

（3）漿桶運輸?shù)焦の坏那爸脮r間為10分鐘，即漿桶應(yīng)在生產(chǎn)前的前10分鐘內(nèi)將漿桶配送到位。

（4）漿桶配送到工位的時間未超過前置時間節(jié)點的為正常作業(yè)，超過該時間節(jié)點漿桶未配送到位，該任務(wù)會受到生產(chǎn)損失的懲罰。

（5）假設(shè)模型中AGV接收的任務(wù)組合為：運輸一個滿漿桶到印花機工位，返程時運輸一個殘漿桶至清洗區(qū)，并循環(huán)執(zhí)行。

定義：

（1）C為系統(tǒng)中AGV數(shù)量。

（2）D1為AGV單位使用成本，包括固定資產(chǎn)成本分?jǐn)偤途S護運營費用。

（3）Wq為調(diào)度系統(tǒng)中任務(wù)的平均等待時間。

（4）N為該批次布料印花所需漿料的總運輸桶數(shù)（該桶數(shù)不包括殘漿桶的運輸數(shù)量）。

（5）ω為系統(tǒng)中任務(wù)因等待錯過運輸至工位的最后時間節(jié)點產(chǎn)生的損失率。

（6）D2為單位時間印花機因停機產(chǎn)生的損失成本。

本文基于生產(chǎn)物流的設(shè)備投入（主要是AGV和調(diào)度系統(tǒng)成本投入）與因任務(wù)等待產(chǎn)生的印花機停機損失兩者相加的總成本作為最低的目標(biāo)函數(shù)建立如下數(shù)學(xué)模型。

式（1）中C為AGV系統(tǒng)中小車數(shù)量是該數(shù)量規(guī)劃模型的決策變量，結(jié)合排隊論相關(guān)公式得到：

（1）Lq為系統(tǒng)中運輸任務(wù)等待對長（排隊系統(tǒng)中等待的平均顧客數(shù)）

式（2）中P0為系統(tǒng)中所有AGV空閑的概率：

（2）λ為漿桶運輸?shù)臅r間間隔，該漿桶運輸任務(wù)為主動式運輸，該時間間隔由調(diào)漿估漿系統(tǒng)根據(jù)布料對染料的總需求量和染料消耗速度估算完成。

（3）μ為單位時間內(nèi)AGV完成循環(huán)任務(wù)的次數(shù)，μ=V/S。該式中V為AGV的平均行駛速度，S為完成該任務(wù)的AGV行駛的總距離。

（4） ρ為排隊系統(tǒng)中服務(wù)強度：ρ=λ/Cμ。

（5）Wq為系統(tǒng)中任務(wù)的平均等待時間：Wq=Lq/λ。

4 總 結(jié)

本文以某企業(yè)數(shù)字化車間漿桶物流建設(shè)項目為基礎(chǔ)，對印花車間的漿桶配送系統(tǒng)進行詳細設(shè)計，包括配送方式選擇、接駁裝置設(shè)計、信息識別系統(tǒng)構(gòu)建、AGV調(diào)度系統(tǒng)的功能和調(diào)度策略等，構(gòu)建了AGV數(shù)量規(guī)模。該配送系統(tǒng)是AGV在印染行業(yè)的創(chuàng)新型應(yīng)用，對行業(yè)企業(yè)具有普遍適用性。該配送系統(tǒng)與MES系統(tǒng)有效銜接，變拉取式配送為主動式物流配送，提高了漿桶配送對生產(chǎn)任務(wù)的響應(yīng)速度和配送效率，提高了企業(yè)生產(chǎn)物流的自動化和數(shù)字化水平，使企業(yè)能從容面對大規(guī)模定制化生產(chǎn)的生產(chǎn)需求。