排煙防火閥門智能倉儲系統的設計與仿真

林晉立，林欽志

（1.廣東產品質量監督檢驗研究院，廣州 510330；2.廣州鐵路集團羊城鐵路總公司，廣東廣州 510100）

0 引言

排煙防火閥門是建筑物內部通風和空調系統、機械排煙系統的組成部分，規范閥門的生產廠家，檢測閥門的安全性能十分重要。2019年國家市場監管局取消了排煙防火閥門的強制性認證，但企業仍需進行閥門產品的自愿性認證。國內排煙防火閥門的生產企業眾多，大量閥門需要送檢與認證。由于送檢的主型產品獲證后可以覆蓋其它小尺寸的分型產品，企業一般選擇高度為0.8～2.5 m，寬度為0.8～1.25 m的大閥門作為主型產品送檢。目前，閥門送至檢測場地后一般堆集在劃定區域內，需要檢測時由檢驗員從大量閥門中找出。一個尺寸為1 m×1 m的閥門質量約為45 kg，相當于一位成年人的體重，至少需要兩個壯年才可抬起。若待檢閥門置于堆放區內部，還需移動其他阻擋的閥門才可將其搬出，這樣將浪費大量的時間和人力。隨著自動化技術、計算機技術和人工智能技術的不斷發展，過去將貨物堆積在地面的存儲方式已被取代，立體貨架成為倉儲的一大亮點[1-2]。自動化倉儲的特點是存儲量大，貨物存取效率高[3-4]。本文設計排煙防火閥門智能倉儲系統，可對排煙防火閥門進行高效存儲與運輸，減少閥門存儲過程中浪費的時間，提高儲運效率，節約人力和成本。

1 智能倉儲系統工作原理

智能倉儲系統即通過自動化控制的倉庫存儲與運輸系統。倉儲系統通過智能機械運輸工具實現貨物的自動入庫與出庫，上位機系統則實時記錄倉庫中貨物存儲的具體位置及空閑庫位。智能倉儲系統自動化程度極高，產品出入庫由自動化運輸機械來實現，替代了傳統方式下工人的機械操作。上位機管理系統自動登記貨物信息，替代了繁瑣的人工盤點，極大提升倉庫的儲運效率。智能倉儲系統需要由AGV(Automated Guided Vehicle)來實現，AGV是指安裝有自動導航裝置，可根據導航沿指定路線行駛，具有躲避障礙等功能的運輸車輛，以下簡稱“AGV無人車”。隨著工業自動化的快速發展，AGV無人車已廣泛應用于港口、碼頭、機場、倉儲等運輸行業，在智能倉儲系統中扮演重要的角色[5]。

2 智能倉儲系統設計

2.1 倉儲系統結構與組成

智能倉儲系統由貨倉、閥門運輸工具和上位機控制軟件組成。貨倉主體結構為重型單元式貨架，閥門運輸工具為基于激光SLAM導航技術的AGV無人車。上位機管理軟件可進行系統出入庫的管理與AGV無人車路線的規劃。

2.2 貨倉設計

貨倉由A、B兩并排貨架組成，貨架間設有5 m寬的過道供AGV無人車取貨與轉向。貨架A為3層結構，每層可放置高寬尺寸范圍在1.25 m×1.25 m內的排煙防火閥門；貨架B為“H”型雙層結構，上層放置高寬尺寸范圍在1.25 m×1.25 m的閥門，下層可放置高寬尺寸范圍在2.5 m×1.25 m內的閥門。貨倉結構組成如圖1所示。

圖1 貨倉結構Fig.1 Warehouse structure

設計的貨架由方形鋼制管材焊接而成，屬于重型單元式結構，每單元承重2 000 kg。貨架每單元包含兩個庫位，一個庫位對應放置一個川字托盤。每個川字托盤可容納5個寬度尺寸為1.25 m及以下的閥門，此設計可滿足載重要求。貨架A包含12個單元，貨架B包含8個單元，共可存放200個閥門。倉庫占地面積小，能滿足檢測閥門的存儲需求，若需存放閥門的數量超出范圍，可相應增加貨架的單元數量。

2.3 AGV無人車設計

2.3.1 整體結構

AGV無人車車身為四輪平衡重式結構，控制系統由主板、激光雷達、深度相機、IMU、通訊模塊、里程計、電機驅動模塊和液壓升降模塊組成。主板選擇Jeson nano，操作系統為Ubuntu 18.04，可通過串口通信驅動底層STM32板卡控制電機模塊與液壓升降模塊；激光雷達選擇RPLIDAR A2，其檢測距離為0.2～12 m，精度為測量值的2%，分辨率為測量值的1%；深度相機采用Astra Pro，視場角（FOV：H58.4°×V40.2°），視距0.6～8 m；IMU慣性測量單元為HWT905九軸陀螺儀傳感器，可輸出加速度、角度等數據?？刂葡到y結構如圖2所示。

圖2 控制系統結構Fig.2 Control system structure diagram

2.3.2 激光SLAM導航系統

目前，AGV無人車導航技術有磁條導航、色帶導航、二維碼導航、激光導航、SLAM導航等。磁條導航需在地面鋪設軌道，影響區域的通過性能；色帶導航易受污染而影響導航的準確度。激光導航需要設置反光板，價格昂貴[6-7]。此系統采用激光SLAM導航技術，無需鋪設軌道或使用反光板，通過倉庫中的墻面、貨架立柱等作為參照，實現定位與導航。

SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）即同步定位與地圖構建技術，將AGV無人車置于貨倉內任一位置并開始運動，通過激光雷達向參照物發射激光信號，與參照物反射的回波信號進行比較，從而獲取AGV無人車的位置、速度等信息。同時與深度相機、IMU、里程計獲取的數據融合，可實現貨倉地圖構建、AGV無人車定位、避障、入庫及自主導航的功能[8-10]。

2.3.3 導航算法

SLAM導航算法分為兩類：一類是基于濾波理論的SLAM算法，如AMCL、EKF、Gmapping等；另一類是基于圖優化理論的SLAM算法，如Karto、Hector、Catographer等。

基于圖優化理論的SLAM算法具有閉環檢測環節，優化所使用的存儲空間小，適用于構建大面積的場景。但此算法運算量大，使用普通設備難以進行復雜計算?；诹Ｗ訛V波理論的SLAM算法運算量小，適用于構建小面積的場景。倉儲空間在檢測場地中占地面積小，本文結合實際場景，選擇基于粒子濾波理論的Gmapping算法，Gmapping算法可實時構建場景地圖，應用廣泛。

定位及構圖原理：將AGV無人車放置于倉儲場景中的某一位置，分別設置初始狀態下無人車、激光雷達和里程計的坐標系并進行坐標轉換，使無人車從原點O0行駛至On位置，則O1，O2，…，On-1依次為其途經點。在無人車行駛過程中，激光雷達發射激光束對周圍環境進行掃描，激光束抵達的區域可標識為0，激光束無法抵達的區域即障礙物標識為1，則倉儲環境可通過包含0、1信息的柵格地圖進行表示。里程計則記錄了無人車的位姿。無人車在O0～On的任一點都有自身的位姿和柵格地圖數據。無人車處于O1時，根據自身位姿預測一條行駛軌跡；到達O2時，通過里程計數據更新無人車位姿及地圖；行駛到On，計算所有途經點的權重并構建出倉儲區域的準確地圖。

2.3.4 路徑規劃

若要使無人車運輸閥門至指定位置，則需對其行駛路徑進行規劃。AGV無人車行駛路徑規劃主要分為兩部分：入庫路徑規劃和出庫路徑規劃。

送檢閥門運送至檢測場地后，需要進行卸貨、信息錄入等操作。入庫則是將閥門從信息錄入區域運送至貨倉庫位上，AGV無人車完成一次入庫后將回到信息錄入區域。入庫路徑規劃如圖3所示。

圖3 入庫路徑規劃Fig.3 Inbound path planning

出庫是指將閥門從貨倉相應庫位移送至檢測區域。一個川字托盤上放有5個閥門，將待檢閥門取出后，需要把托盤放回原來的庫位。出庫路徑規劃如圖4所示。

圖4 出庫路徑規劃Fig.4 Outbound path planning

由于每次只取出托盤上的一個閥門進行檢測，因此從檢測區送回的托盤仍有剩余的存儲空間。若有閥門需要存入，可設置路徑讓AGV無人車先把托盤移送至信息錄入區，待閥門裝滿托盤后再將其運回原來庫位，圖5所示為AGV無人車對某一庫位的閥門進行出庫與補充入庫的路徑圖。

圖5 指定路徑Fig.5 Specify the path

2.4 上位機軟件設計

上位機通過智能倉儲管理軟件對系統進行管理，軟件具有庫位狀態顯示、閥門信息查詢和AGV無人車導航路徑設置等功能。貨倉中每個庫位都有對應的編碼，如貨架A中層第1庫位的庫位號為A-m-1，貨架B上層第8庫位的庫位號為B-u-8。每個庫位的狀態可在軟件的庫位顯示器中實時顯示，如圖6所示。其中綠色表示庫位已裝滿、紅色表示空閑庫位、橙色表示該庫位中閥門未裝滿。

圖6 智能倉儲管理系統界面Fig.6 Interface diagram of intelligent warehouse management system

閥門送達檢測場地后，業務員登記閥門信息并生成二維碼（QR Code）標簽，包含閥門編號、生產廠家、規格型號等信息。標簽貼于閥體，是閥門唯一的標識。使用手持式讀寫終端掃描標簽上的二維碼，可將閥門編號錄入倉儲管理系統并為其分配庫位[11-12]。

查詢區可通過輸入閥門編號查找其所處庫位，也可輸入庫位號查詢庫位中的所有閥門。在導航區中設置AGV無人車的運行方式、庫位號、途經點等信息，系統將生成導航路徑并發送至AGV無人車執行導航指令。

3 系統仿真與分析

在Inventor中對智能倉儲系統建模，系統的總體布局如圖7所示。

圖7 智能倉儲系統總體布局Fig.7 Overall layout of intelligent storage system

設置AGV無人車行駛速度為0.5～3 km/h，空載且直線行駛時速度可保持在3 km/h。轉彎速度應減慢以保持托盤上閥門的穩定，避免因慣性作用導致閥門掉落。貨叉的升降速度為10～15 m/min，空載時升降速度可適當加快，負載時速度減慢。隨機選取10個庫位進行出入庫的仿真分析，仿真結果如表1所示。表中，T1為AGV無人車行駛時間，T2為升降貨叉及裝卸托盤的操作時間，T0為完成一次運送任務的總時長。由表可知，使用此智能倉儲系統對檢測閥門進行查詢及運送的時間為0.60～1.43 min，而通過人工查找與搬運的時間約為10～15 min。智能倉儲系統的工作效率相比人工操作提高了85.7%～94.0%。

表1 10個庫位仿真數據表Tab.1 Simulation data sheet of 10 locations

4 結束語

本文將自動化倉儲技術應用于排煙防火閥門的存儲與運輸，設計了排煙防火閥門智能倉儲系統。系統采用并列式貨架結構，使用激光SLAM技術對AGV無人車進行定位與導航，在上位機管理軟件中設置AGV無人車的出入庫路徑。設置了10組閥門出入庫路徑并進行仿真，仿真結果表明此智能倉儲系統的工作效率相比人工操作提高了85.7%～94.0%。設計的排煙防火閥門智能倉儲系統具備閥門自動出入庫及庫位狀態實時顯示等功能，系統準確、高效，具有一定的應用價值。