淺談智能四向穿梭車系統及調度策略

顧 濤

（南京音飛儲存設備（集團）股份有限公司，江蘇 南京 211100）

1 引言

隨著市場對密集倉儲的需求增加，很多物流設備生產企業和集成公司加入到密集倉儲研發和生產工作中，其中智能四向穿梭車（簡稱四向車）作為托盤類解決方案的先進技術，得到眾多企業的親賴。四向車調度策略不僅僅是WCS設備調度層級的功能模塊，更是與上位WMS 和下位ECS 整體考慮相互優化的產物。本文主要介紹和分析四向車的調度策略及相關技術的應用。

2 系統布局

四向車調度策略的實現首先依賴整體物流規劃，需要從使用層面綜合考慮物料的品類、批次、儲量、周轉期及入出庫頻率等。進行四向車項目規劃時，首先需要進行以上信息的數據分析和處理，針對不同的業務需求，提供不同的解決方案。數據分析的結果也是四向車貨架子通道及母通道的配置理論依據。圖1、圖2展現不同的布置方式，同時也代表著兩種不同的使用需求。

3 調度策略

3.1 任務規劃

四向車系統作業任務應采用多任務模式，作業任務采用任務池的形式。采用任務池的模式相比于傳統任務列表的執行方式，能夠充分發揮系統作業任務綜合優化的能力，也為四向車集群的全局效率提升提供了更多的可能性。

圖1 平面布置方案一

圖2 平面布置方案二

四向車需要具備作業完成時間指示，即需要對后續任務進行作業量的評估，能夠將作業時間及作業完成時間進行計算，系統對四向車集群內各車進行綜合利用率評分，最終以滿足四向車集群的全局效率作為首要考核指標。

對已下發任務因四向車異常導致的任務未執行，系統應及時將任務掛起，并調整當前任務優先級后進入任務池進行優化計算，原則上該任務以最高優先級執行；

3.2 路徑規劃

四向車調度策略中的路徑規劃，目前主流的方式為分時復用模式和單行線模式。

分時復用模式是比較傳統并且調度邏輯較為簡單的一種運行方式，同一母通道內同時只允許一臺或兩臺四向車運行，降低了主通道的利用率或通過率，由于運行路徑最短化，因此一定程度上提高單機效率，適用于高儲量低周轉率的倉庫應用環境。圖3為分時復用模式，圖3中四向車B在母通道由右側向左側運行，此時四向車A需要由母通道向右側運行，A車需等待B車運行離開當前母通道后方可運行。

單行線模式采用母通道單向運行方式，同一母通道內可以實現多車的跟隨運行，提高母通道四向車通行率，從而提高系統運行總體效率。單行線模式一定程度上降低了單臺四向車的運行效率，更適用于多車同層調度模式。圖4為單行線模式，圖4中四向車A和B可同時在母通道內同方向運行。

作業路徑規劃采用最近路徑、最少換向、空載下穿模式，最終以時間作為整體評估標準。以下均以單行線模式運行方式進行介紹。

圖3 分時復用模式

圖4 單行線模式

3.3 路徑占用及避讓規則

通過子通道和母通道交叉路口時，子通道四向車不得直接進入母通道，系統需要進行預判，提前一個作業動作進行母通道內四向車運行計劃檢查。檢查后母通道內沒有四向車運行或當前運行路徑已經解鎖，此時子通道四向車可正常減速后直接進入母通道運行。

若當前任務狀態下多個子通道四向車需要進入母通道時，按母通道運行方向的前方子通道內四向車優先通行的原則進行作業。四向車在運行過程中，按系統需求與上位系統進行信息交互，系統鎖定前一次交互點與下一次交互點之間的運行路徑，系統解鎖前一次交互點之前該四向車的所有運行的路徑段。四向車在系統強制交互點需要與上位系統進行信息交互，如四向車未按時完成交互，系統指示當前任務異常并以異常狀態鎖定當前任務段路徑。另外四向車在運行過程中，觸發下一路徑段任務時，如遇通過路徑異常鎖定的情況，系統重新計算路徑，如當前為運行鎖定狀態，系統將等待時間和更新后路徑運行時間對比，綜合判斷確認。

3.4 路徑劃分顆粒度

四向車調度系統中，關于路徑規劃及避讓通過固定的算法和邏輯即可實現，最終決定調度系統同層四向車數量及同層最大作業效率的則是路徑劃分的顆粒度，以下對三種顆粒度劃分方式進行介紹說明。

方式一為整體路徑規劃的方式，如圖5 所示，分為整體路徑整體解鎖及整體路徑分段解鎖兩種方式。整體路徑整體解鎖方式為四向車根據前文所述方式完成路徑規劃后，運行路徑信息一次下發給四向車，四向車按照給定路徑完成整個作業任務，僅在任務接收和任務完成兩個節點進行系統交互，過程中可不進行信息交互，過程中路徑不可更改。整體路徑分段解鎖方式為四向車完成路徑規劃后，運行路徑信息一次下發，作業過程中路徑不可更改，但是在運行過程中設定多個位置交互點，每經過一個交互點，系統解鎖該交互點之前的所有路徑。

圖5 整體路徑規劃的方式示意圖

圖6 分段路徑分段解鎖方式示意圖

方式二為分段路徑分段解鎖方式，如圖6 所示。分段路徑分段解鎖為目前比較常用的路徑規劃方式。運行路徑上每個子通道和母通道的交叉點作為路徑分段點，每兩個相鄰交叉點之間作為一個路徑分段，作業過程中可對未執行的路徑進行更改，及時調整為新的運行路徑。一般情況下項目至少要保證母通道及母通道相鄰子通道第一深位信號覆蓋滿足四向車通訊要求。

方式三為分段路徑實時解鎖方式，如圖7 所示。分段路徑實時解鎖方式為目前技術研究的主要方向。該路徑分段與方式二大致相同，但過程中增加若干四向車可控分段點，解鎖方式則根據四向車在運行過程中的實時位置信息交互，當前運行位置之前的路徑均處于解鎖狀態。此方式需要現場網絡趨于全面覆蓋，四向車需要連續讀取及反饋位置信息，電控系統能夠修改當前運行的目標位置用以滿足調度系統對當前運行目標位置的修改。

圖7 分段路徑實時解鎖方式示意圖

以上三種方式中調度方式對網絡覆蓋、四向車功能及各自優缺點均不相同，見表1。

表1 路徑分段方式對比表

4 設備硬件支持

4.1 單機功能支持

四向車具有當前位置實時反饋功能、路徑列表寫入和修改功能、運行記錄及異常記錄保持功能。四向車作業時系統按照當前運行任務進行路徑下發，在各關鍵節點進行下一步路徑執行申請，確認可執行的下一路徑段并反饋上一節點任務完成，用于系統清空已作業路徑，便于后續設備通行。為提高系統整體運行效率，子通道和母通道內多臺四向車同時運行時后車采用跟隨模式運行。

四向車需要設置前后左右四個方向距離檢測傳感器用于硬件避障，防止巷道內異物進入，同時，距離檢測傳感器可用于控制子/母通道內兩車跟隨運行，并且避免四向車對向運行或跟隨運行狀態下異常發生。

根據托盤貨物高度、物料滑動摩擦系數以及四向車行走輪滾動摩擦系數等因素，各物流設備生產企業設計的四向車最大運行速度一般不大于2m/s，加速度一般不大于1m/s2，在此基礎上，上述的距離檢測傳感器檢測行程一般不小于5m。由于四向車在貨架內運行時受到貨架和貨物的影響，檢測距離需要根據當前運行狀態和運行位置進行動態調整。

4.2 網絡支持

目前四向車信息無線傳輸方式主要是WiFi，其他如Zigbee、藍牙等傳輸方式經過部分實景測試后效果并不理想。

網絡連接的穩定性和實時性極大地影響到四向車系統的整體運行效率，四向車的信息交互一般設置在網絡連接較好的位置或區域。一般來說，路徑劃分越細，調度過程中的系統運行效率就越高，需要傳輸的數據量及數據的實時性要求也越高。同時目前個別先進的設備生產企業和集成商還在積極尋求四向車集群中設備間的通訊互聯，這項技術的研究與實現，將徹底改變現有的核心調度理念，可能成為未來四向車集群調度解決方案的新方向。

5 相關技術應用

在四向車調度策略的應用過程中，系統規劃理念及仿真技術的應用可以最大程度的將項目的實施結果前移，通過數字化手段實現對結果的精確把控。傳感和控制技術的發展，使四向車在運行過程中獲得更多的外部信息，充分感知周圍的狀態變化情況，指導設備做出準確的判斷和精確的動作。隨著5G技術的正式商用，基于5G 技術的智能物流研究也在逐步開展，新的通訊技術將會對行業帶來一次較大的創新。

6 總結

本文所述調度系統及相關技術的研究和探討還將在行業內繼續深入研究，行業內相關研究人員也一直致力于將更穩定、更適合的物流裝備和系統應用于各行業中去。隨著社會經濟的發展，智能物流的研究將會持續走在發展的道路上，行業內的技術溝通和交流也將會有更廣闊的空間。