淺談智能四向穿梭車系統(tǒng)及調(diào)度策略

顧 濤

（南京音飛儲(chǔ)存設(shè)備（集團(tuán)）股份有限公司，江蘇 南京 211100）

1 引言

隨著市場對(duì)密集倉儲(chǔ)的需求增加，很多物流設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)和集成公司加入到密集倉儲(chǔ)研發(fā)和生產(chǎn)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(jìn)技術(shù)，得到眾多企業(yè)的親賴。四向車調(diào)度策略不僅僅是WCS設(shè)備調(diào)度層級(jí)的功能模塊，更是與上位WMS 和下位ECS 整體考慮相互優(yōu)化的產(chǎn)物。本文主要介紹和分析四向車的調(diào)度策略及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)布局

四向車調(diào)度策略的實(shí)現(xiàn)首先依賴整體物流規(guī)劃，需要從使用層面綜合考慮物料的品類、批次、儲(chǔ)量、周轉(zhuǎn)期及入出庫頻率等。進(jìn)行四向車項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)，首先需要進(jìn)行以上信息的數(shù)據(jù)分析和處理，針對(duì)不同的業(yè)務(wù)需求，提供不同的解決方案。數(shù)據(jù)分析的結(jié)果也是四向車貨架子通道及母通道的配置理論依據(jù)。圖1、圖2展現(xiàn)不同的布置方式，同時(shí)也代表著兩種不同的使用需求。

3 調(diào)度策略

3.1 任務(wù)規(guī)劃

四向車系統(tǒng)作業(yè)任務(wù)應(yīng)采用多任務(wù)模式，作業(yè)任務(wù)采用任務(wù)池的形式。采用任務(wù)池的模式相比于傳統(tǒng)任務(wù)列表的執(zhí)行方式，能夠充分發(fā)揮系統(tǒng)作業(yè)任務(wù)綜合優(yōu)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(yè)完成時(shí)間指示，即需要對(duì)后續(xù)任務(wù)進(jìn)行作業(yè)量的評(píng)估，能夠?qū)⒆鳂I(yè)時(shí)間及作業(yè)完成時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)對(duì)四向車集群內(nèi)各車進(jìn)行綜合利用率評(píng)分，最終以滿足四向車集群的全局效率作為首要考核指標(biāo)。

對(duì)已下發(fā)任務(wù)因四向車異常導(dǎo)致的任務(wù)未執(zhí)行，系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)將任務(wù)掛起，并調(diào)整當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級(jí)后進(jìn)入任務(wù)池進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，原則上該任務(wù)以最高優(yōu)先級(jí)執(zhí)行；

3.2 路徑規(guī)劃

四向車調(diào)度策略中的路徑規(guī)劃，目前主流的方式為分時(shí)復(fù)用模式和單行線模式。

分時(shí)復(fù)用模式是比較傳統(tǒng)并且調(diào)度邏輯較為簡單的一種運(yùn)行方式，同一母通道內(nèi)同時(shí)只允許一臺(tái)或兩臺(tái)四向車運(yùn)行，降低了主通道的利用率或通過率，由于運(yùn)行路徑最短化，因此一定程度上提高單機(jī)效率，適用于高儲(chǔ)量低周轉(zhuǎn)率的倉庫應(yīng)用環(huán)境。圖3為分時(shí)復(fù)用模式，圖3中四向車B在母通道由右側(cè)向左側(cè)運(yùn)行，此時(shí)四向車A需要由母通道向右側(cè)運(yùn)行，A車需等待B車運(yùn)行離開當(dāng)前母通道后方可運(yùn)行。

單行線模式采用母通道單向運(yùn)行方式，同一母通道內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)多車的跟隨運(yùn)行，提高母通道四向車通行率，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行總體效率。單行線模式一定程度上降低了單臺(tái)四向車的運(yùn)行效率，更適用于多車同層調(diào)度模式。圖4為單行線模式，圖4中四向車A和B可同時(shí)在母通道內(nèi)同方向運(yùn)行。

作業(yè)路徑規(guī)劃采用最近路徑、最少換向、空載下穿模式，最終以時(shí)間作為整體評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。以下均以單行線模式運(yùn)行方式進(jìn)行介紹。

圖3 分時(shí)復(fù)用模式

圖4 單行線模式

3.3 路徑占用及避讓規(guī)則

通過子通道和母通道交叉路口時(shí)，子通道四向車不得直接進(jìn)入母通道，系統(tǒng)需要進(jìn)行預(yù)判，提前一個(gè)作業(yè)動(dòng)作進(jìn)行母通道內(nèi)四向車運(yùn)行計(jì)劃檢查。檢查后母通道內(nèi)沒有四向車運(yùn)行或當(dāng)前運(yùn)行路徑已經(jīng)解鎖，此時(shí)子通道四向車可正常減速后直接進(jìn)入母通道運(yùn)行。

若當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)下多個(gè)子通道四向車需要進(jìn)入母通道時(shí)，按母通道運(yùn)行方向的前方子通道內(nèi)四向車優(yōu)先通行的原則進(jìn)行作業(yè)。四向車在運(yùn)行過程中，按系統(tǒng)需求與上位系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，系統(tǒng)鎖定前一次交互點(diǎn)與下一次交互點(diǎn)之間的運(yùn)行路徑，系統(tǒng)解鎖前一次交互點(diǎn)之前該四向車的所有運(yùn)行的路徑段。四向車在系統(tǒng)強(qiáng)制交互點(diǎn)需要與上位系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，如四向車未按時(shí)完成交互，系統(tǒng)指示當(dāng)前任務(wù)異常并以異常狀態(tài)鎖定當(dāng)前任務(wù)段路徑。另外四向車在運(yùn)行過程中，觸發(fā)下一路徑段任務(wù)時(shí)，如遇通過路徑異常鎖定的情況，系統(tǒng)重新計(jì)算路徑，如當(dāng)前為運(yùn)行鎖定狀態(tài)，系統(tǒng)將等待時(shí)間和更新后路徑運(yùn)行時(shí)間對(duì)比，綜合判斷確認(rèn)。

3.4 路徑劃分顆粒度

四向車調(diào)度系統(tǒng)中，關(guān)于路徑規(guī)劃及避讓通過固定的算法和邏輯即可實(shí)現(xiàn)，最終決定調(diào)度系統(tǒng)同層四向車數(shù)量及同層最大作業(yè)效率的則是路徑劃分的顆粒度，以下對(duì)三種顆粒度劃分方式進(jìn)行介紹說明。

方式一為整體路徑規(guī)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(jù)前文所述方式完成路徑規(guī)劃后，運(yùn)行路徑信息一次下發(fā)給四向車，四向車按照給定路徑完成整個(gè)作業(yè)任務(wù)，僅在任務(wù)接收和任務(wù)完成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)交互，過程中可不進(jìn)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(guī)劃后，運(yùn)行路徑信息一次下發(fā)，作業(yè)過程中路徑不可更改，但是在運(yùn)行過程中設(shè)定多個(gè)位置交互點(diǎn)，每經(jīng)過一個(gè)交互點(diǎn)，系統(tǒng)解鎖該交互點(diǎn)之前的所有路徑。

圖5 整體路徑規(guī)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(guī)劃方式。運(yùn)行路徑上每個(gè)子通道和母通道的交叉點(diǎn)作為路徑分段點(diǎn)，每兩個(gè)相鄰交叉點(diǎn)之間作為一個(gè)路徑分段，作業(yè)過程中可對(duì)未執(zhí)行的路徑進(jìn)行更改，及時(shí)調(diào)整為新的運(yùn)行路徑。一般情況下項(xiàng)目至少要保證母通道及母通道相鄰子通道第一深位信號(hào)覆蓋滿足四向車通訊要求。

方式三為分段路徑實(shí)時(shí)解鎖方式，如圖7 所示。分段路徑實(shí)時(shí)解鎖方式為目前技術(shù)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(diǎn)，解鎖方式則根據(jù)四向車在運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)位置信息交互，當(dāng)前運(yùn)行位置之前的路徑均處于解鎖狀態(tài)。此方式需要現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)趨于全面覆蓋，四向車需要連續(xù)讀取及反饋位置信息，電控系統(tǒng)能夠修改當(dāng)前運(yùn)行的目標(biāo)位置用以滿足調(diào)度系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前運(yùn)行目標(biāo)位置的修改。

圖7 分段路徑實(shí)時(shí)解鎖方式示意圖

以上三種方式中調(diào)度方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋、四向車功能及各自優(yōu)缺點(diǎn)均不相同，見表1。

表1 路徑分段方式對(duì)比表

4 設(shè)備硬件支持

4.1 單機(jī)功能支持

四向車具有當(dāng)前位置實(shí)時(shí)反饋功能、路徑列表寫入和修改功能、運(yùn)行記錄及異常記錄保持功能。四向車作業(yè)時(shí)系統(tǒng)按照當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)進(jìn)行路徑下發(fā)，在各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行下一步路徑執(zhí)行申請(qǐng)，確認(rèn)可執(zhí)行的下一路徑段并反饋上一節(jié)點(diǎn)任務(wù)完成，用于系統(tǒng)清空已作業(yè)路徑，便于后續(xù)設(shè)備通行。為提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率，子通道和母通道內(nèi)多臺(tái)四向車同時(shí)運(yùn)行時(shí)后車采用跟隨模式運(yùn)行。

四向車需要設(shè)置前后左右四個(gè)方向距離檢測傳感器用于硬件避障，防止巷道內(nèi)異物進(jìn)入，同時(shí)，距離檢測傳感器可用于控制子/母通道內(nèi)兩車跟隨運(yùn)行，并且避免四向車對(duì)向運(yùn)行或跟隨運(yùn)行狀態(tài)下異常發(fā)生。

根據(jù)托盤貨物高度、物料滑動(dòng)摩擦系數(shù)以及四向車行走輪滾動(dòng)摩擦系數(shù)等因素，各物流設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)的四向車最大運(yùn)行速度一般不大于2m/s，加速度一般不大于1m/s2，在此基礎(chǔ)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(nèi)運(yùn)行時(shí)受到貨架和貨物的影響，檢測距離需要根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4.2 網(wǎng)絡(luò)支持

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

網(wǎng)絡(luò)連接的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性極大地影響到四向車系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率，四向車的信息交互一般設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)連接較好的位置或區(qū)域。一般來說，路徑劃分越細(xì)，調(diào)度過程中的系統(tǒng)運(yùn)行效率就越高，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求也越高。同時(shí)目前個(gè)別先進(jìn)的設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)和集成商還在積極尋求四向車集群中設(shè)備間的通訊互聯(lián)，這項(xiàng)技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)，將徹底改變現(xiàn)有的核心調(diào)度理念，可能成為未來四向車集群調(diào)度解決方案的新方向。

5 相關(guān)技術(shù)應(yīng)用

在四向車調(diào)度策略的應(yīng)用過程中，系統(tǒng)規(guī)劃理念及仿真技術(shù)的應(yīng)用可以最大程度的將項(xiàng)目的實(shí)施結(jié)果前移，通過數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)果的精確把控。傳感和控制技術(shù)的發(fā)展，使四向車在運(yùn)行過程中獲得更多的外部信息，充分感知周圍的狀態(tài)變化情況，指導(dǎo)設(shè)備做出準(zhǔn)確的判斷和精確的動(dòng)作。隨著5G技術(shù)的正式商用，基于5G 技術(shù)的智能物流研究也在逐步開展，新的通訊技術(shù)將會(huì)對(duì)行業(yè)帶來一次較大的創(chuàng)新。

6 總結(jié)

本文所述調(diào)度系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)的研究和探討還將在行業(yè)內(nèi)繼續(xù)深入研究，行業(yè)內(nèi)相關(guān)研究人員也一直致力于將更穩(wěn)定、更適合的物流裝備和系統(tǒng)應(yīng)用于各行業(yè)中去。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，智能物流的研究將會(huì)持續(xù)走在發(fā)展的道路上，行業(yè)內(nèi)的技術(shù)溝通和交流也將會(huì)有更廣闊的空間。