面向公共圖書館的AGV分揀系統(tǒng)優(yōu)化策略研究

摘 要：文章分析了面向公共圖書館AGV分揀系統(tǒng)的優(yōu)勢及存在的問題，提出了三種優(yōu)化策略，分別是路徑規(guī)劃的優(yōu)化、任務調(diào)度的優(yōu)化及分揀效率的提高，路徑規(guī)劃優(yōu)化包括靜態(tài)路徑規(guī)劃與動態(tài)路徑規(guī)劃，任務調(diào)度優(yōu)化包括任務分配策略的制定和調(diào)度算法的設計，分揀效率的提高涉及AGV的運動控制優(yōu)化、圖書館布局及貨架結(jié)構(gòu)等，以期全面提升公共圖書館AGV分揀系統(tǒng)的運行效率及智能化水平。

關(guān)鍵詞：公共圖書館；AGV分揀系統(tǒng)；路徑規(guī)劃；任務調(diào)度；分揀效率

中圖分類號：G258. 2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-1588（2025）01-0050-03

隨著圖書館業(yè)務量的日益增大，自動化技術(shù)也被越來越多地應用到圖書館。自動導引車（AGV）作為一款尖端的自動化工具，具備高效分類和搬運圖書的能力，極大地增強了圖書館的工作效率[1]。但是，現(xiàn)有AGV分揀系統(tǒng)在實踐中還存在路徑規(guī)劃不高效、任務調(diào)度不智能、分揀過程不高效等問題。為進一步提高AGV分揀系統(tǒng)的性能及智能化水平，公共圖書館需要對分揀系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。

1 面向公共圖書館的AGV分揀系統(tǒng)的優(yōu)勢

1. 1 提高工作效率

自動導引車分揀系統(tǒng)在公共圖書館的使用能夠明顯增強工作效率：一是AGV系統(tǒng)可以高速度、高精度地完成分揀任務，縮短圖書輸送、分揀時的等待時間。二是AGV系統(tǒng)能夠持續(xù)運行，能夠做到全天候分揀與運送，極大地提升圖書館工作效率與服務水平。此外，AGV系統(tǒng)可以通過優(yōu)化調(diào)度算法對分揀任務進行靈活調(diào)整，并對需求的變化做出迅速反應，維持其高效運行[2]。三是AGV系統(tǒng)能夠優(yōu)化資源配置，優(yōu)化館藏結(jié)構(gòu)，提升圖書利用率。四是AGV系統(tǒng)能夠通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與智能算法對分揀路徑與運輸路線進行優(yōu)化，進一步提升工作效率。

1. 2 減輕人工負擔

首先，AGV系統(tǒng)可以通過自動化技術(shù)擔負繁重的分揀與運輸任務，減輕館員體力勞動壓力；其次，AGV系統(tǒng)能代替人工進行重復性作業(yè)，讓館員能把更多時間和精力用在專業(yè)性較強的工作中，提升工作質(zhì)量和服務水平；再次，AGV系統(tǒng)能夠通過減少人工分揀及運輸工作量，降低圖書館人力資源投入和運營成本；最后，AGV系統(tǒng)裝備了先進傳感器及避障技術(shù)，可在復雜環(huán)境下安全工作，避免圖書及設備受損，確保館員的人身安全[3]。

1. 3 增強系統(tǒng)靈活性

AGV系統(tǒng)可編程性高，可擴展性強，可根據(jù)圖書館實際需要進行靈活調(diào)節(jié)，如：圖書館分揀需求在不同時段可能會發(fā)生改變，AGV系統(tǒng)能夠通過簡單程序調(diào)整與任務分配快速適應這種改變并確保系統(tǒng)順利運行[4]。AGV系統(tǒng)所具備的智能調(diào)度和路徑規(guī)劃特性，確保了其在多變和復雜的場景中可以靈活執(zhí)行任務。借助先進的傳感器與導航技術(shù)，AGV系統(tǒng)可以對周邊環(huán)境進行實時感知、自主避障與規(guī)劃路徑，靈活處理各類障礙和突發(fā)情況，確保分揀與運輸工作順利開展。此外， AGV系統(tǒng)能夠通過增加設備數(shù)量或?qū)τ布M行升級，迅速拓展系統(tǒng)能力，適應圖書館多變的需求。

2 面向公共圖書館的現(xiàn)有AGV分揀系統(tǒng)存在的問題

2. 1 路徑規(guī)劃效率低下

圖書館的書架布局、人員流動和臨時障礙會對AGV行駛路徑造成影響，系統(tǒng)需要對線路進行重新規(guī)劃，既浪費時間，又降低了分揀效率。同時，路徑規(guī)劃算法對多AGV協(xié)同工作的處理缺乏有效協(xié)調(diào)機制，狹窄通道內(nèi)多臺AGV之間易產(chǎn)生碰撞或互阻現(xiàn)象，從而進一步降低系統(tǒng)整體效率。AGV要求行駛路線能隨實時環(huán)境變化而進行快速調(diào)整，而現(xiàn)有算法的響應速度較慢，不能及時適應動態(tài)變化的環(huán)境，這一滯后性使AGV在實際運行時往往要等待或繞道而行，極大地影響了工作效率和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。路徑規(guī)劃算法的計算復雜度高，這是目前存在的重要難題。在實際運行時，許多系統(tǒng)都使用近似算法或簡化模型以簡化計算為目標，但常常以損失路徑最優(yōu)性為代價，從而造成AGV運行距離的增大和效率的降低。

2. 2 任務調(diào)度不夠智能

公共圖書館既有AGV分揀系統(tǒng)任務調(diào)度存在問題較多，主要表現(xiàn)為任務分配與資源利用不夠智能化。目前，AGV系統(tǒng)一般使用預設規(guī)則或簡單調(diào)度算法分配任務，該方法不能根據(jù)實時情況及多變需求進行靈活調(diào)節(jié)，造成系統(tǒng)整體效率較低：一是任務分配策略不靈活，動態(tài)調(diào)整能力不強。圖書館借還書的需求起伏很大，有些時間段可能要應對很多分揀任務，有些時間段則比較閑置，已有系統(tǒng)通常不能根據(jù)實時需求進行任務分配，造成高峰期資源不充分、效率低，低谷期資源浪費嚴重。二是多AGV在協(xié)同工作時缺少有效協(xié)調(diào)機制。多臺AGV同時執(zhí)行分揀與輸送任務，若沒有智能調(diào)度算法則存在任務分配不均衡、路徑?jīng)_突與資源爭奪現(xiàn)象，既影響AGV工作效率，又易造成系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。此外，已有的調(diào)度算法對突發(fā)事件及緊急任務的響應性能較差，對突發(fā)事件的處理能力不強，影響總體服務水平的提升。

2. 3 分揀過程效率較低

分揀效率低表現(xiàn)為分揀速度較慢、分揀精度不夠、系統(tǒng)整體協(xié)同能力差：首先，分揀速度緩慢是個大問題。制約AGV行駛速度及分揀速度的因素有很多，圖書館環(huán)境的復雜性、書架的密集性、通道的狹窄性等使AGV需經(jīng)常減速慢行、轉(zhuǎn)彎，降低了分揀速度，同時，AGV分揀作業(yè)過程中機械臂抓取與擺放動作相對遲緩，降低了工作效率。其次，分揀精度不夠也是個重要問題。AGV系統(tǒng)分揀圖書時易產(chǎn)生抓取不正確、擺放不正確等問題，既要進行再次分揀操作，浪費時間，又會造成圖書破損或遺失。

3 AGV分揀系統(tǒng)優(yōu)化策略研究

3. 1 AGV路徑規(guī)劃優(yōu)化

3. 1. 1 靜態(tài)路徑規(guī)劃。AGV系統(tǒng)通常預置行駛路徑，并依據(jù)圖書館布局及常規(guī)流量對其進行優(yōu)化，圖書館對此可采取若干策略對靜態(tài)路徑規(guī)劃進行完善：一方面通過圖書館內(nèi)部的地圖布局創(chuàng)建最短路徑樹或最短路徑圖[5]，使AGV能夠按照預先設定的最優(yōu)路徑運行，減少無謂的繞行與停頓，也可利用經(jīng)典Dijkstra算法計算最短路徑，確保AGV執(zhí)行分揀任務時總是沿最短可達性路徑運行；另一方面利用歷史數(shù)據(jù)分析可確定圖書館普遍存在的擁堵區(qū)域及高流量通道，在規(guī)劃路徑時可避開上述區(qū)域并選擇較閑置的路徑，以降低高峰時段AGV的停滯與延誤，并對固定擁堵區(qū)域設定權(quán)重，使AGV優(yōu)先選擇較通暢路徑。此外， AGV系統(tǒng)還可采用分區(qū)路徑規(guī)劃的策略將圖書館分成多個分區(qū)，各分區(qū)內(nèi)部的路徑規(guī)劃是獨立完成的，在確保各分區(qū)AGV之間互不干擾的前提下降低路徑規(guī)劃的計算復雜度，提升整體系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性與效率。

3. 1. 2 動態(tài)路徑規(guī)劃。區(qū)別于靜態(tài)路徑規(guī)劃，動態(tài)路徑規(guī)劃可以根據(jù)實時環(huán)境及任務需求隨時對AGV行駛路線進行調(diào)整，確保系統(tǒng)面臨突發(fā)情況下仍可以高效運行。AGV系統(tǒng)利用實時感知與反饋機制，提出了一種高效的動態(tài)性路徑規(guī)劃[6]。通過為AGV加裝高級傳感器及攝像頭，該系統(tǒng)能夠?qū)χ苓叚h(huán)境進行實時監(jiān)測并探測障礙物及路徑的變化。這些傳感器的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳送至中央控制系統(tǒng)，中央系統(tǒng)會根據(jù)最新的環(huán)境信息實時計算出最優(yōu)路徑，并將更新后的路徑指令發(fā)送給AGV，這種實時調(diào)整可以有效避免因臨時障礙或路徑阻塞而造成停滯與拖延。采用強化學習算法后，AGV能夠通過不斷地試探與學習逐步優(yōu)化行駛策略并尋找多種環(huán)境中的最優(yōu)路徑。分布式路徑規(guī)劃策略可用于提高系統(tǒng)反應速度與計算效率，把路徑規(guī)劃任務離散在若干計算節(jié)點上，發(fā)揮并行計算優(yōu)勢，加快路徑計算速度。

3. 2 AGV任務調(diào)度優(yōu)化

3. 2. 1 任務分配策略。現(xiàn)有任務分配通常缺乏靈活性與動態(tài)調(diào)整能力，為解決該問題可采取多種優(yōu)化策略加以改進：首先是基于優(yōu)先級任務分配策略。不同分揀任務的緊急程度及優(yōu)先級不一樣，該系統(tǒng)可按任務分配優(yōu)先級，保證高優(yōu)先級的任務被優(yōu)先處理。通過對任務優(yōu)先級的實時調(diào)整，該系統(tǒng)可以靈活處理圖書館的借閱高峰及突發(fā)需求。其次是使用智能任務分配算法。通過運用如遺傳算法、蟻群優(yōu)化算法或粒子群優(yōu)化算法等先進的計算方法，該系統(tǒng)能夠在全館范圍內(nèi)進行任務分配的優(yōu)化。這些算法可以根據(jù)AGV的實時狀態(tài)及任務需求動態(tài)調(diào)整任務分配方案，確保每臺AGV負載均衡并高效地執(zhí)行任務，如：遺傳算法能夠通過對自然選擇與進化過程的仿真逐步優(yōu)化任務分配策略并尋找最優(yōu)解。再次是可將歷史數(shù)據(jù)與預測分析相結(jié)合優(yōu)化任務分配。通過對圖書館歷史借閱數(shù)據(jù)及分揀任務數(shù)據(jù)的分析，該系統(tǒng)能夠預測未來某段時間的任務需求及流量變化情況，根據(jù)這些預測結(jié)果預先對任務分配方案進行調(diào)整，保證高峰期的資源合理配置和低谷期的資源不閑置，這種預測分析可有效提高任務分配精度和效率。

3. 2. 2 調(diào)度算法設計。設計優(yōu)化調(diào)度算法對促進公共圖書館AGV分揀系統(tǒng)高效靈活運行具有重要意義。現(xiàn)有系統(tǒng)的調(diào)度算法通常過于單一，智能化及動態(tài)調(diào)整能力不足。為克服上述缺點，一個行之有效的策略就是以多目標優(yōu)化為基礎的調(diào)度算法。圖書館分揀系統(tǒng)需綜合考慮分揀時間最小化、資源利用率最大化、AGV負載均衡等多目標，多目標優(yōu)化算法可采用加權(quán)法和Pareto優(yōu)化兼顧上述目標并尋求最優(yōu)調(diào)度方案。以Pareto為例，該優(yōu)化方法能夠?qū)で蠖嗄繕酥g的平衡點并確保各指標綜合最優(yōu)，同時可基于強化學習調(diào)度算法進行調(diào)度，借助智能體與環(huán)境的相互作用持續(xù)優(yōu)化決策策略。

3. 3 AGV分揀效率提升

3. 3. 1 AGV運動控制優(yōu)化。現(xiàn)有系統(tǒng)在運動控制時常常會出現(xiàn)精度不足、響應速度慢等問題，采用各種優(yōu)化策略可顯著改善AGV運動控制性能，具體方法包括：一是利用先進運動控制算法增強AGV的運動精度與穩(wěn)定性，如：采用比例—積分—微分控制算法能夠準確控制AGV在復雜環(huán)境下的車速與位置并確保其順利運行。為了有效應對圖書館的復雜路徑和障礙，該系統(tǒng)可以利用模型預測控制算法實時預測AGV的運動狀況，并提前調(diào)整控制策略，以防止碰撞和路徑偏離。二是對AGV傳感器系統(tǒng)進行優(yōu)化，增強環(huán)境感知能力。通過設置高精度激光雷達、攝像頭及超聲波傳感器等設備，AGV能夠?qū)崟r采集周邊環(huán)境信息并精準感知障礙物及路徑變化。這些傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過融合處理后能夠提供更全面、更精確的環(huán)境信息，支撐運動控制算法，如：用激光雷達可達到高精度定位避障的目的，攝像頭則可對書架、通道等進行識別以達到視覺導航的目的。

3. 3. 2 圖書館布局及書架結(jié)構(gòu)優(yōu)化。目前，圖書館布局及書架設計通常沒有充分考慮AGV作業(yè)需要，造成分揀效率不高，通過合理布局及結(jié)構(gòu)優(yōu)化可最大限度提升AGV工作效率及系統(tǒng)整體性能，具體方法包括：一是可對圖書館總體布局進行重新規(guī)劃，保證通道寬敞、道路順暢；對書架放置位置及通道寬度進行合理規(guī)劃，減少AGV運行時的擁擠及停滯現(xiàn)象。二是書架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可保證AGV分揀運輸時的高效運行。模塊化書架設計確保了圖書擺放位置均勻一致，便于AGV機械臂抓取及擺放，書架高度及間距要依據(jù)AGV運行范圍確定，保證AGV能夠平穩(wěn)地完成各種高度及角度的分揀。

參考文獻：

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[3] 章曉紅. AGV智能分揀在公共圖書館應用普適性分析：以深圳市寶安區(qū)圖書館為例[J].河南圖書館學刊，2021（3）：15-17.

[4] 蔣雯笑. AGV機器人分揀技術(shù)在圖書館的應用探析[J].圖書館研究與工作，2021（3）：68-72.

[5] 張鏡輝.圖書館AGV智能分揀系統(tǒng)構(gòu)成分析與規(guī)劃設計：以汕頭市圖書館為例[J].圖書館學研究，2021（4）：23-28.

[6] 王晶鋒. AGV分揀技術(shù)在圖書館的應用研究[J].圖書館雜志，2020（12）：66-70.

（編校：周雪芹）